CN104535744B - 粘土类地层固液耦合相似模拟水理性相似材料的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粘土类地层固液耦合相似模拟水理性相似材料的确定方法，该具体过程为：步骤a，水理性特征参量中的亲水性相似条件确定；步骤b，理性特征参量中的隔水性相似条件确定；步骤c，水理性特征参量中弥合性相似条件确定；步骤d，相似材料水理性特征的确定；步骤e，粘土类地层固液耦合水理性相似材料的确定；当步骤d1和步骤d2选取的材料均符合步骤d3的相似材料亲水性测定的条件，步骤d4的相似材料隔水性测定的条件和步骤d5的相似材料弥合性的测定，则步骤d1和步骤d2选取的材料即可作为粘土类地层固液相似耦合相似模拟水理性材料。本发明的水理性相似材料的确定方法，具有更好的可靠性和准确性。

Description

粘土类地层固液耦合相似模拟水理性相似材料的确定方法

技术领域

本发明涉及粘土类地层隔水性固液耦合相似模拟领域，尤其涉及一种粘土类地层固液耦合相似模拟水理性相似材料的确定方法，为粘土类地层的固液耦合物理相似模拟提供了一种新方法。

背景技术

现有技术中，水理性相似材料的确定过程，通常在传统相似条件的基础上，主要采用石蜡为不亲水材料，控制材料的亲水性，这种材料受温度影响显著，具有冷脆性和热塑性，不稳定；或用硅油作为控制亲水性的胶结剂，价格贵，具有不经济性。传统方法没有系统地考虑粘土类地层的亲水性、隔水性和弥合性这3个重要水理性条件，因此传统方法获得的结果具有不准确性、不稳定性和不经济性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粘土类地层固液耦合相似模拟水理性相似材料的确定方法，用以克服上述技术缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种粘土类地层固液耦合相似模拟水理性相似材料的确定方法，该具体过程为：

步骤a，水理性特征参量中的亲水性相似条件确定；该过程为，

步骤a1，原岩亲水性的测定；

步骤a2，亲水性相似条件的确定；

步骤b，水理性特征参量中隔水性相似条件的确定；该过程为，

步骤b1，原岩隔水性的测定；

步骤b2，隔水性相似条件的确定；

步骤c，水理性特征参量中弥合性相似条件确定；该过程为，

步骤c1，原岩弥合性的测定；

步骤c2，弥合性相似条件的确定；

步骤d，相似材料水理性特征的确定；该过程为，

步骤d1，相似材料中骨料的确定；

步骤d2，相似材料中胶结材料的确定；

步骤d3，相似材料亲水性的测定；

步骤d4，相似材料隔水性的测定；

步骤d5，相似材料弥合性的测定；

步骤e，粘土类地层固液耦合水理性相似材料的确定；

当步骤d1和步骤d2选取的材料均符合步骤d3的相似材料亲水性测定的条件，步骤d4的相似材料隔水性测定的条件和步骤d5的相似材料弥合性的测定，则步骤d1和步骤d2选取的材料即可作为粘土类地层固液相似耦合相似模拟水理性材料。

进一步地，在上述步骤a1中，原岩亲水性的测定过程为：

取原岩样品，并制成一组3个试件，试件尺寸为直径5cm、高10cm的圆柱体；在烘干箱内90℃～100℃的条件下烘干23～25小时，然后用天平称重，记为m₀，单位为g；接下来将试件放置在清水中浸泡2～4小时，取出后用湿毛巾搽去表面水分，放置4～6分钟，然后再用天平称其重量记为m_w，单位为g；用公式Δm_w＝m_w-m₀计算出重量差值Δm_w，再用公式：分别计算每个试件的吸水率a，并取吸水率a的平均值即为原岩材料的吸水率，用吸水率来表征原岩材料的亲水性；

在上述步骤a2中，亲水性相似条件的确定过程为：

相似材料的亲水性参量用相似材料吸水率a_m表征，其吸水率应当与原岩材料吸水率a相同，即相似条件为

进一步地，上述步骤b1，原岩隔水性的测定过程为：

原岩的隔水性采用渗透速度表征，其中，l为水浸入的轴向长度，单位为mm；t为观测时间，单位为h；具体方法是：垂直粘土层的层面取一组3个试件，试件尺寸为直径5cm、高10cm的圆柱体；分别将所述试件放置在直径5.1cm、高度30cm的圆筒的底部，所述试件与圆筒筒壁的接触面用凡士林密封，将圆筒垂直放置自上加入清水形成25cm高的水柱，放置2～4小时，测量清水浸入试件的轴向长度l，然后，用公式：分别计算每个试件的渗透速度，并取其平均值；

在上述步骤b2，隔水性相似条件的确定过程为，

时间相似常数α_t与几何相似常数α_l间的关系为：

隔水性相似条件为

则相似材料的隔水性相似参量为

进一步地，上述步骤c1，原岩弥合性的测定过程为，

弥合性采用材料的遇水膨胀率表征，其中，V₀为试件的原始体积，单位为cm³；V_w为试件遇水膨胀后的体积，单位为cm³；ΔV_w＝V_w-V₀，为试件遇水后膨胀的体积增量，单位为cm³。

具体测定方法是：在原岩取样，碾碎后过筛(筛子目数为20)，然后放置于直径5cm高度15cm的量筒内，捣实后形成直径5cm高度5cm左右的圆柱形试件，测量试件的高度h₀，并计算其体积V₀，向量筒内注满水，浸泡23～25小时后，测量材料圆柱体的高度h_w，计算遇水膨胀的体积V_w，则见水试件的体积增大量为ΔV_w＝V_w-V₀；根据公式可以计算出膨胀率V_h；依照该方法作三次实验，然后取平均值；

上述步骤c2，弥合性相似条件的确定过程为：

相似模型材料的膨胀率V_hm与原岩膨胀率V_h相同，即

进一步地，上述步骤d1，相似材料中骨料的确定过程为：

骨料由膨润土和石英砂按一定的重量确定；根据通用的相似材料配制方法，以单轴抗压强度为判定指标，通过实验确定合理的骨料配比；对于粘土类地层，在1∶100～300的几何相似比条件下，可用膨润土和石英砂1∶2～1∶6的重量比混合制成；

上述步骤d2，相似材料中胶结材料的确定过程为：胶结材料由菜油和石膏按照一定的重量比进行确定；对于粘土类地层，在1∶100～300的几何相似比条件下，胶结材料一般可由菜油和石膏按照6∶1～9∶1的重量比混合而成。

进一步地，上述步骤d3，相似材料亲水性的测定过程为：

步骤d31，将按步骤d1和步骤d2选取的材料，采用正交试验方法将骨料和胶结材料按照不同的配比进行混合，每种配比制成多一组3个相似材料试件，所述相似材料试件的尺寸与步骤a1中的试件尺寸相同；

步骤d32，用步骤a1的方法分别计算出每个相似材料试件的吸水率α_m，并取其平均值，当相似材料的亲水性与原岩亲水性测定值的误差小于5％，则认为该相似材料的亲水性与原岩相似。

进一步地，上述步骤d4，相似材料隔水性的测定过程为：

步骤d41，将按步骤d1和步骤d22选取的材料，按照正交试验方法选择不同的配比进行混合，每种配比制成一组3个相似材料试件，所述相似材料试件的尺寸与步骤201中的试件尺寸相同；

步骤d42，用步骤b1的方法分别计算每个相似材料试件的渗透速度v_m，并取其平均值，当相似材料的渗透速度v_m与步骤b2的公式计算出的结果相比较，当误差小于5％时，则认为该相似材料的隔水性性与原岩弥合性相似。

进一步地，上述步骤d5中，相似材料弥合性的测定过程为；

步骤d51，将按步骤d1和步骤d2选取的材料，按照正交试验方法选择不同的配比进行混合，制成一组3个相似材料试件，所述多个相似材料试件的尺寸与步骤c1中的试件尺寸相同；

步骤d52，按照步骤c1的方法分别计算每个相似材料试件的膨胀率V_hm，并取其平均值，当相似材料的膨胀率V_hm与原岩材料的膨胀率V_h相比较，当误差小于5％时，则认为该相似材料的弥合性与原岩的弥合性相似。

与现有技术相比较本发明的有益效果在于：本发明的粘土类地层固液耦合相似模拟水理性相似材料的确定方法，为开展含粘土类地层的隔水性和保水开采固液耦合物理模拟，提供了一种确定粘土类隔水地层水理性固液耦合物理相似模拟材料的新方法，具有更好的可靠性和准确性。

具体实施方式

以下，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

本发明的粘土类地层固液耦合相似模拟水理性相似材料的确定方法具体过程为：

步骤a，水理性特征参量中的亲水性相似条件确定；

步骤a1，原岩亲水性的测定；

以陕北神府矿区某矿为例，取粘土地层原岩样品，并制成一组3个试件，试件尺寸为直径5cm、高10cm的圆柱体；在烘干箱内90℃～100℃的条件下烘干23～25小时，然后用天平称重，记为m₀，单位为g；接下来将试件放置在清水中浸泡2～4小时，取出后用湿毛巾搽去表面水分，放置4～6分钟，然后再用天平称其重量记为m_w，单位为g；用公式Δm_w＝m_w-m₀计算出重量差值Δm_w，再用公式：分别计算每个试件的吸水率a，并取吸水率a的平均值为5.1％(见表1)，即为原岩材料的吸水率，用吸水率来表征原岩材料的亲水性。

表1粘土类地层亲水性测定表

步骤a2，亲水性相似条件的确定；

相似材料的亲水性参量用相似材料吸水率a_m表征，其吸水率应当与原岩材料吸水率a相同，即相似条件为即，相似材料的吸水率α_m也为5.1％。

步骤b，水理性特征参量中隔水性相似条件的确定；

步骤b1，原岩隔水性的测定；

原岩的隔水性采用渗透速度表征，其中，l为水浸入的轴向长度，单位为mm；t为观测时间，单位为h。具体方法是：垂直粘土层的层面取一组3个试件，试件尺寸为直径5cm、高10cm的圆柱体；分别将所述试件放置在直径5.1cm、高度30cm的圆筒的底部，所述试件与圆筒筒壁的接触面用凡士林密封，将圆筒垂直放置自上加入清水形成25cm高的水柱，放置3小时，测量清水浸入试件的轴向长度l，然后，用公式：分别计算每个试件的渗透速度，并取其平均值，求得原岩的隔水性指标为15.3mm/h，如表2所示。

表2粘土类地层隔水性测定表

步骤b2，隔水性相似条件的确定；

取物理相似模型的几何相似常数α_l为1∶100，时间相似常数α_t与几何相似常数α_l间的关系为：可以求出时间相似常数为

隔水性相似条件为 ${\mathrm{\α}}_v=\frac{{\mathrm{\α}}_l}{{\mathrm{\α}}_t}\sqrt{{\mathrm{\α}}_l}=10;$

则相似材料的隔水性相似参量为

步骤c，水理性特征参量中弥合性相似条件确定；

步骤c1，原岩弥合性的测定；

弥合性采用材料的遇水膨胀率V_h表征。具体测定方法是：在原岩(土)取样，碾碎后过筛(筛子目数为20)，然后放置于直径5cm高度15cm的量筒内，捣实后形成直径5cm高度5cm左右的圆柱形试件，测量试件的高度h₀，并计算其体积V₀，向量筒内注满水，浸泡23～25小时后，测量材料圆柱体的高度h_w，计算遇水膨胀的体积V_w，则见水试件的体积增大量为ΔV_w＝V_w-V₀；根据公式可以计算出膨胀率V_h，式中，ΔV_w-见水试件的体积增大量；依照该方法作三次实验，然后取平均值，可以求出粘土地层原岩膨胀率为21.7％，如表3所示。

表3粘土类地层弥合性测定表

步骤c2，弥合性相似条件的确定；

相似模型材料膨胀率V_hm与原岩膨胀率V_h相同，即

步骤d，相似材料水理性特征的确定；

步骤d1，相似材料中骨料的确定：骨料由膨润土和石英砂按一定的重量确定。根据通用的相似材料配制方法，以单轴抗压强度为判定指标，通过实验确定合理的骨料配比；对于粘土类地层，在1∶100～300的几何相似比条件下，可用膨润土和石英砂1∶2～1∶6的重量比混合制成。本举例中，粘土地层单轴抗压强度为3.2MPa，在1∶100的几何相似比条件下，应力相似常数则相似材料的单轴抗压强度为0.032MPa。根据实验经验，在1∶100的几何相似比条件下，膨润土与石英砂的比例一般为1∶2～1∶3。

步骤d2，相似材料中胶结材料的确定：胶结材料由菜油和石膏按照一定的重量比进行确定。对于粘土类地层，在1∶100～300的几何相似比条件下，胶结材料一般可由菜油和石膏按照6∶1～9∶1的重量比混合而成。在1∶100的几何相似比条件下，胶结材料可由菜油和石膏按照6∶1～7∶1确定。

步骤d3，相似材料亲水性的测定；

步骤d31，将按步骤d1和步骤d2选取的材料，采用正交试验方法将骨料和胶结材料按照不同的配比进行混合，每种配比制成多一组3个相似材料试件，所述相似材料试件的尺寸与步骤a1中的试件尺寸相同。将测试结果记录于表4中进行筛选。

步骤d32，用步骤a1的方法分别计算出每个相似材料试件的吸水率a_m，并取其平均值，当相似材料的亲水性与原岩亲水性测定值的误差小于5％，则认为该相似材料的亲水性与原岩相似。

步骤d4，相似材料隔水性的测定；

步骤d41，将按步骤d1和步骤d22选取的材料，按照正交试验方法选择不同的配比进行混合，每种配比制成一组3个相似材料试件，所述相似材料试件的尺寸与步骤201中的试件尺寸相同。

步骤d42，用步骤b1的方法分别计算每个相似材料试件的渗透速度v_m，并取其平均值，当相似材料的渗透速度v_m与步骤b2的公式计算出的结果相比较，当误差小于5％时，则认为该相似材料的隔水性性与原岩弥合性相似。

步骤d5，相似材料弥合性的测定；

步骤d51，将按步骤d1和步骤d2选取的材料，按照正交试验方法选择不同的配比进行混合，制成一组3个相似材料试件，所述多个相似材料试件的尺寸与步骤c1中的试件尺寸相同。

步骤d52，按照步骤c1的方法分别计算每个相似材料试件的膨胀率V_hm，并取其平均值，当相似材料的膨胀率V_hm与原岩材料的膨胀率V_h相比较，当误差小于5％时，则认为该相似材料的弥合性与原岩的弥合性相似。

步骤e，粘土类地层固液耦合水理性相似材料的确定；

当步骤d1和步骤d2选取的材料均符合步骤d3的相似材料亲水性测定的条件，步骤d4的相似材料隔水性测定的条件和步骤d5的相似材料弥合性的测定，则步骤d1和步骤d2选取的材料即可作为粘土类地层固液相似耦合相似模拟水理性相似材料。

按照上述步骤得出的测试结果如表4所示。可见，符合单轴抗压强度相似的配比有两组：(1)骨料(膨润土∶石英砂)为1∶2.5，胶结剂(菜油∶石膏)为6.5∶1；(2)骨料(膨润土∶石英砂)为1∶3.0，胶结剂(菜油∶石膏)为7∶1。符合亲水性条件5.7％的配比为上述(1)组，符合隔水性和隔水性相似条件配比也为上述(1)组。由此，确定出该粘土地层固液耦合相似模拟水理性相似材料配比为：骨料(膨润土∶石英砂)为1∶2.5，胶结剂(菜油∶石膏)为6.5∶1。

表4粘土类地层相似材料的亲水性相似正交试验表

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.粘土类地层固液耦合相似模拟水理性相似材料的确定方法，其特征在于，该具体过程为：

1)步骤a，水理性特征参量中的亲水性相似条件确定；该过程为：

1-1)步骤a1，原岩亲水性的测定，其过程为：

取原岩样品，并制成一组3个试件，试件尺寸为直径5cm、高10cm的圆柱体；在烘干箱内90℃～100℃的条件下烘干23～25小时，然后用天平称重，记为m₀，单位为g；接下来将试件放置在清水中浸泡2～4小时，取出后用湿毛巾搽去表面水分，放置4～6分钟，然后再用天平称其重量记为m_w，单位为g；用公式Δm_w＝m_w-m₀计算出重量差值Δm_w，再用公式：分别计算每个试件的吸水率a，并取吸水率a的平均值即为原岩材料的吸水率，用吸水率来表征原岩材料的亲水性；

1-2)步骤a2，亲水性相似条件的确定，其过程为：

相似材料的亲水性参量用相似材料吸水率a_m表征，其吸水率应当与原岩材料吸水率a相同，即相似条件为

2)步骤b，水理性特征参量中隔水性相似条件的确定；该过程为：

2-1)步骤b1，原岩隔水性的测定，其过程为：

原岩的隔水性采用渗透速度表征，其中，l为水浸入的轴向长度，单位为mm；t为观测时间，单位为h；具体方法是：垂直粘土层的层面取一组3个试件，试件尺寸为直径5cm、高10cm的圆柱体；分别将所述试件放置在直径5.1cm、高度30cm的圆筒的底部，所述试件与圆筒筒壁的接触面用凡士林密封，将圆筒垂直放置自上加入清水形成25cm高的水柱，放置2～4小时，测量清水浸入试件的轴向长度1，然后，用公式：分别计算每个试件的渗透速度，并取其平均值；

2-2)步骤b2，隔水性相似条件的确定，其过程为：

时间相似常数α_t与几何相似常数α_l间的关系为：

隔水性相似条件为

则相似材料的隔水性相似参量为

3)步骤c，水理性特征参量中弥合性相似条件确定；该过程为：

3-1)步骤c1，原岩弥合性的测定，其过程为：

弥合性采用材料的遇水膨胀率表征，其中，V₀为试件的原始体积，单位为cm³；V_w为试件遇水膨胀后的体积，单位为cm³；ΔV_w＝V_w-V₀，为试件遇水后膨胀的体积增量，单位为cm³；

具体测定方法是：在原岩取样，碾碎后过筛，筛子目数为20，然后放置于直径5cm高度15cm的量筒内，捣实后形成直径5cm高度5cm左右的圆柱形试件，测量试件的高度h₀，并计算其体积V₀，向量筒内注满水，浸泡23～25小时后，测量材料圆柱体的高度h_w，计算遇水膨胀的体积V_w，则见水试件的体积增大量为ΔV_w＝V_w-V₀；根据公式可以计算出膨胀率V_h；依照该方法作三次实验，然后取平均值；

3-2)步骤c2，弥合性相似条件的确定，其过程为；

相似模型材料的膨胀率V_hm与原岩膨胀率V_h相同，即

4)步骤d，相似材料水理性特征的确定；该过程为：

4-1)步骤d1，相似材料中骨料的确定，其过程为：

骨料由膨润土和石英砂按一定的重量确定；根据通用的相似材料配制方法，以单轴抗压强度为判定指标，通过实验确定合理的骨料配比；对于粘土类地层，在1∶100～300的几何相似比条件下，可用膨润土和石英砂按照1∶2～1∶6的重量比混合制成；

4-2)步骤d2，相似材料中胶结材料的确定，其过程为：胶结材料由菜油和石膏按照一定的重量比进行确定；对于粘土类地层，在1∶100～300的几何相似比条件下，胶结材料一般可由菜油和石膏按照6∶1～9∶1的重量比混合而成；

4-3)步骤d3，相似材料亲水性的测定，其过程为：

步骤d31，将按步骤d1和步骤d2选取的材料，采用正交试验方法将骨料和胶结材料按照不同的配比进行混合，每种配比制成多一组3个相似材料试件，所述相似材料试件的尺寸与步骤a1中的试件尺寸相同；

步骤d32，用步骤a1的方法分别计算出每个相似材料试件的吸水率a_m，并取其平均值，当相似材料的亲水性与原岩亲水性测定值的误差小于5％，则认为该相似材料的亲水性与原岩相似；

4-4)步骤d4，相似材料隔水性的测定，其过程为：

步骤d41，将按步骤d1和步骤d22选取的材料，按照正交试验方法选择不同的配比进行混合，每种配比制成一组3个相似材料试件，所述相似材料试件的尺寸与步骤201中的试件尺寸相同；

步骤d42，用步骤b1的方法分别计算每个相似材料试件的渗透速度v_m，并取其平均值，当相似材料的渗透速度v_m与步骤b2的公式计算出的结果相比较，当误差小于5％时，则认为该相似材料的隔水性性与原岩弥合性相似；

4-5)步骤d5，相似材料弥合性的测定，其过程为：

步骤d51，将按步骤d1和步骤d2选取的材料，按照正交试验方法选择不同的配比进行混合，制成一组3个相似材料试件，所述多个相似材料试件的尺寸与步骤c1中的试件尺寸相同；

步骤d52，按照步骤c1的方法分别计算每个相似材料试件的膨胀率V_hm，并取其平均值，当相似材料的膨胀率V_hm与原岩材料的膨胀率V_h相比较，当误差小于5％时，则认为该相似材料的弥合性与原岩的弥合性相似；

5)步骤e，粘土类地层固液耦合水理性相似材料的确定；

当步骤d1和步骤d2选取的材料均符合步骤d3的相似材料亲水性测定的条件，步骤d4的相似材料隔水性测定的条件和步骤d5的相似材料弥合性的测定，则步骤d1和步骤d2选取的材料即可作为粘土类地层固液耦合相似模拟水理性材料。