CN105092325A - 模拟自然界砂岩的材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟自然界砂岩的材料，其包括石英砂、水泥和水，其中，石英砂、水泥、水的配比为100∶2-3∶2.5-3.5，相似比为(1-5)×10³，优选配比为100∶2.4-2.6∶2.9-3.1，相似比为(1-2)×10³，更优选配比为100∶2.5∶3，相似比为10³。本发明还包括制备该材料的方法以及该材料在模拟自然界砂岩或砂岩地层中的应用。

Description

模拟自然界砂岩的材料

技术领域

本发明涉及一种地质力学的模拟材料，尤其是一种模拟自然界砂岩或砂岩地层的复合模拟材料。本发明还涉及该材料的制备方法和应用。

背景技术

自然界砂岩是一种主要由砂粒胶结而成的沉积岩，其中石英或长石等砂粒含量大于50％。砂岩结构稳定，成分复杂，主要由石英或长石组成，还含有硅、钙、黏土和氧化铁等成分，常呈淡褐色或红色。

砂岩是源区岩石经风化、剥蚀、搬运在盆地中堆积形成，在自然界构造作用中，尤其是在造山带和盆地的构造演化过程中起着重要作用。同时，砂岩地层和砂岩构成石油、天然气和地下水的主要储层。我国大陆广泛发育的砂岩地层，对油气的聚集和保存有着重要影响，对油气的勘探开发也起着重要作用。

因此，对砂岩进行模拟实验研究具有巨大的理论价值和经济效益。

目前，在对自然界的岩石地层进行地质力学的模拟实验研究时，一般是根据相似原理，依据地层岩性的物理、力学指标来选取恰当的、相似性好的模拟材料，进行相似模拟实验。其中，模拟材料的选取得当是进行模拟实验分析的前提，对于实验结果的可靠性至关重要。

模拟材料可分为单组分模拟材料和复合模拟材料。单组分模拟材料为采用单质组分的模拟材料，例如模拟自然界泥岩、砂岩的粘土、砂子等，其优点是简单易行，缺点是由于自然界地层的岩性复杂多变，一般的单组份模拟材料与实际的岩石进行类比的效果不佳。复合模拟材料为采用两种或两种以上的模拟材料按照一定的比例配制来模拟实际的岩性的模拟材料，其优点为能比单组份模拟材料更好地模拟自然界地层岩性，因而是目前更为常用的模拟材料。然而，由于自然界地层岩性的复杂性，为了取得良好的模拟效果，复合模拟材料的成分和配比需要经过大量的配比实验才能确定。

复合模拟材料通常用若干天然材料和人工材料按照一定的比例配制而成。复合模拟材料包括骨料和胶结物两部分。骨料包括如砂子、铁粉、重晶石粉、铝粉、云母粉等；胶结物包括水泥、石灰、石膏、高岭土、石蜡等。相似材料的强度取决于胶结物的强度，胶结物的强度取决于砂子和胶结物的比例及胶结物成分的比例，亦即材料配比。在模型试验之前，必须进行大量的相似材料配比工作，对每一种材料的配比都要进行力学性质的测定。

近来有学者孙珍、谢文彦(2008)模拟脆性上地壳实验时用密度1.4g/cm³相似比5×10^-7内摩擦角30-32°的松散石英砂的单组份模拟材料进行模拟研究；殷秀兰(2001)用橡皮泥+砂+凡士林35:57:8的配比模拟南海北部第三系脆性地层。然而，针对砂岩和砂岩地层的复合模拟材料，尤其是相似性好的针对砂岩和砂岩地层的复合模拟材料目前还鲜有报道。

判断复合模拟实验材料与砂岩或砂岩地层相似性的主要参数有：粘度、密度、泊松比、抗压强度、抗剪强度、弹性模量、硬度以及应力与应变关系曲线特性。

同时需要注意的是，由于自然界客体的复杂性，一种模拟材料往往不能同时很好地满足模拟地层岩性各个特征的要求。因此，根据具体情况，可以选择某些材料，满足主导条件，忽略次要因素。一般来说，模拟砂岩的材料需要满足的主导条件为：其变形特征曲线与砂岩有很好的相似性，且其力学性质满足相似性原理的相关要求。

现有技术中有考虑用松香重晶石来模拟砂岩。砂岩的压缩应变的应变率为1.2％，具有明显的脆断性，而松香重晶石的应变率也在1.2％左右，其变形特征曲线与砂岩具有较好的相似性。然而，松香重晶石材料的力学性质较高，考虑到与砂岩的力学性质不能很好地一一对应，它并不能很好的满足相似性原理的要求。本发明的模拟材料为石英砂+水泥+水以100：2-3：2.5-3.5、优选100:2.4-2.6:2.9-3.1、更优选100：2.5：3的配比配制而成，不仅其应变率在1.1％作用，变形特征曲线与砂岩具有较好的相似性，而且其力学性质也满足相似性原理的相关要求。因此，本发明的材料是模拟砂岩和砂岩地层的理想材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与自然界砂岩或砂岩地层相似性好的复合模拟材料，以解决现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明经过大量的相似材料配比工作，提供了一种与自然界砂岩高度相似的模拟材料，包括石英砂、水泥和水，其中，石英砂、水泥、水的按重量计的配比为100：2-3：2.5-3.5，相似比为(1-5)×10³。

在本发明的一个优选实施方式中，所述配比为100:2.4-2.6:2.9-3.1，相似比为(1-2)×10³，所述配比更加优选为100：2.5：3，相似比为10³。此配比的相似材料与自然界砂岩的相似性更好，以此模拟材料进行地质力学模拟实验的效果更好，实验结果的可靠性更高。

其中，实验材料和岩石之间的材料性质、物理特征和力学特征等相似指标和相似常数应较好的符合相似原则。由此构造模拟实验材料相似判别的主要参数依据材料性质的不同应该包含以下几个方面的内容：

物理参数：粘度、密度、泊松比

力学参数：抗压强度、抗张强度、抗剪强度、弹性模量、硬度

变形特征：应力与应变关系曲线、蠕变特性

物理模型相似准则导出在地质构造物理模型的相似分析中，将它抽象为动力相似问题进行讨论，采用量纲分析方法讨论动力相似问题，描述动力相似现象的物理量的函数为：

f(σ,δ,p,t,Z,ρ,L,E)＝0

式中σ为应力，δ为挠度，p为集中力，t为时间，Z为摩擦系数，ρ为密度，L为任一线性长度(包括长、宽和高)，E为弹性模量。

π项的指数式为

π＝σ^a1δ^a2p^a3t^a4z^a5ρ^a6L^a7E^a8

列出量纲矩阵，写出指数的联立方程组求解，可得到动力相似问题的相似准则，即

$\left.\begin{array}{ccc}{\mathrm{\π}}_1=\frac{\mathrm{\σ}}{E}& {\mathrm{\π}}_2=\frac{\mathrm{\δ}}{l}& {\mathrm{\π}}_3=\frac{p}{{\mathrm{EL}}^2}\\ {\mathrm{\π}}_4=\frac{t}{L}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}& {\mathrm{\π}}_5=Z& \end{array}\right\}$

是动力相似问题的最基本的相似准则,由此可以导出一系列相似准则来。

模型的几何相似、时间相似、运动相似、相似和材料相似等相似准则导出如下。

$\begin{array}{cc}{C}_p=C_E{C}_L^2& C_t=C_L\frac{\sqrt{C_p}}{\sqrt{C_E}}\end{array}$

单个实验的相似条件要满足：Cη＝CρCLCt；Cp＝CρCl；CE＝Cp

其中：Cη为粘度相似倍数，Cp为力相似倍数，Cρ为密度相似倍数，CE弹性模量相似倍数，Ct为时间相似倍数，CL为几何相似倍数。

相似倍数一般满足下列条件：CL≈10^-3～10^-5；Ct≈10^-11～10^-13；Cη≈10^-15～10^-19；Cp≈10^-4～10^-5；CE≈10^-4～10^-5。

其中，在动力相似模型实验中，几何相似倍数、主要物理、力学参数相似倍数以及时间相似倍数为主导因素，其中只有两个可以按照模拟材料选取，其他的则随之而定。

在本发明的一个优选实施方式中，所述石英砂粒度为0.12-0.2mm。此石英砂粒度与天然砂岩中的骨料粒度更接近，模拟效果更好。

在本发明的一个优选实施方式中，所述水泥为硅酸盐水泥，优选为普通硅酸盐水泥。使用该水泥在力学特征上与砂岩有合理的相似比。

在本发明的一个优选实施方式中，所述水泥为225号水泥。所述225号水泥为根据GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》所述的225号水泥。该型号水泥为低标号水泥，固结时间适中，在力学特征上与砂岩具有尤其良好的相似比。

在本发明的一个优选实施方式中，将所述的石英砂、水泥和水按照本发明的的配比进行混合。

在本发明的一个优选实施方式中的材料在模拟自然界砂岩或砂岩地层中的应用。

在本发明的一个优选实施方式中，所述自然界砂岩或砂岩地层为古生生界地层中的自然界砂岩或砂岩地层。由于在本发明的配比实验中用作参照物的自然界岩样为古生生界地层的砂岩，因此本方面的模拟材料尤其与古生生界地层中的自然界砂岩或砂岩地层的相似性高。

在本发明的一个优选实施方式中，所述应用为在砂岩地层的油气勘探开发中的应用。

在本发明的一个优选实施方式中，所述应用为对自然界构造作用的研究的应用，优选为对造山带和盆地的构造演化过程的研究的应用。

本发明的有益效果为：

第一，本发明的模拟材料与自然界砂岩或砂岩地层相似性好，具体来说，根据本发明的模拟材料与自然界砂岩不仅变形特征曲线相似性好，而且力学性质也具有良好的相似性。

第二，本发明的模拟材料的原料来源广泛，取材方便，价格低廉；

第三，本发明的模拟材料的物理、力学性能稳定，尤其是不因温度、湿度和时间等改变而产生明显变化；

第四，本发明的模拟材料的配制方法简单易行；

第五，本发明的模拟材料没有生锈的物质，不存在因为生锈影响性能的情况；

第六，本发明的模拟材料能很好地应用于砂岩地层的油气勘探开发和对自然界构造作用的研究、优选为对造山带和盆地的构造演化过程的研究。

附图说明

图1为应变测试实验的示意图。

图2为自然界砂岩的应变曲线图。

图3为本发明的模拟自然界砂岩的材料A的应变曲线图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行详细说明。但需要理解的是本发明的范围并不限于下列实施例。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以对其进行各种改进，并且可以用等效物替换其中的要素。尤其是，只要不存在冲突，各个实施例中提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。

通过应变测试实验测定应变曲线。应变曲线为表示材料在外力或外因变化的作用下,应力与应变变化特征的曲线。表征了岩石材料从开始变形，逐渐破坏，到最终失去承载能力的整个过程。如图1所示，根据岩石的变形，全应力应变曲线分为6个阶段，各个阶段的特征和反映的物理意义如下：

(1)OA段，应力缓慢增加，曲线朝上凹，岩石试件内裂隙逐渐被压缩闭合而产生非线性变形，卸载后全部恢复，属于弹性变形。

(2)AB段，线弹性变形阶段，曲线接近直线，应力应变属线性关系，卸载后可完全恢复。

(3)BC段，曲线偏离线性，出现塑性变形。从B点开始，试件内部开始出现平行于最大主应力方向的微裂隙。随应力增大，数量增多，表征着岩石的破坏已经开始。

(4)CD段，岩石内部裂纹形成速度增快，密度加大，D点应力到达峰值，到达岩石最大承载能力。

(5)DE段，应力继续增大，岩石承载力降低，表现出应变软化特征。此阶段内岩石的微裂隙逐渐贯通。

(6)残余强度。强度不再降低，变形却不断增大。

实施例1

本发明的一个实施方式中的模拟自然界砂岩的材料A，其包括配比为100：2.5：3的石英砂、水泥和水。

由于岩石力学性能指标参数范围变化较大，为了保证参数的针对性，所述自然界砂岩为我国古生生界地层的砂岩，具体地，该古生生界地层的砂岩采集自我国四川盆地川西地区。

通过下列实验，测定了本发明的模拟自然界砂岩的材料A和自然界砂岩在力学测试的主要参数：全部测试在土力学性质多功能试验仪上进行。根据力学性能测试规范要求，抗拉强度采用劈裂法实验，加载速度0.3-0.5MPa/s。抗压强度采用单轴抗压强度试验，加载速度0.5-1.0MPa/s。分别在不同的垂向载荷作用下，施加剪切载荷进行剪切，求得破坏时的最大剪应力。通过对岩石在弹性极限以内施加单轴纵向压力，测定岩石的纵向和横向应变求从而获得岩石的弹性模量和泊松比。

通过如本发明所述的应变测试实验，测定了本发明的模拟自然界砂岩的材料A和自然界砂岩的应变曲线图。

通过如本发明所述的方法，计算出相似比。

本实施例的模拟自然界砂岩的材料A与自然界砂岩在力学测试的相似比如表1所示。自然界砂岩的应变曲线图如图2所示；本发明的模拟自然界砂岩的材料A的应变曲线图如图3所示。

实施例2

本发明的一个实施方式中的模拟自然界砂岩的材料B，其包括配比为100：3：3.5的石英砂、水泥和水。

由于岩石力学性能指标参数范围变化较大，为了保证参数的针对性，所述自然界砂岩为我国古生生界地层的砂岩，具体地，该古生生界地层的砂岩采集自我国四川盆地川西地区。

通过下列实验，测定了本发明的模拟自然界砂岩的材料B和自然界砂岩在力学测试的主要参数：全部测试在土力学性质多功能试验仪上进行。根据力学性能测试规范要求，抗拉强度采用劈裂法实验，加载速度0.3-0.5MPa/s。抗压强度采用单轴抗压强度试验，加载速度0.5-1.0MPa/s。分别在不同的垂向载荷作用下，施加剪切载荷进行剪切，求得破坏时的最大剪应力。通过对岩石在弹性极限以内施加单轴纵向压力，测定岩石的纵向和横向应变求从而获得岩石的弹性模量和泊松比。

通过应变测试实验，测定了本发明的模拟自然界砂岩的材料B和自然界砂岩的应变曲线图，两者相似性高。

通过如本发明所述的方法，计算出相似比，相似比如表1所示。

实施例3

本发明的一个实施方式中的模拟自然界砂岩的材料C，其包括配比为100：2：2.5的石英砂、水泥和水。

由于岩石力学性能指标参数范围变化较大，为了保证参数的针对性，所述自然界砂岩为我国古生生界地层的砂岩，具体地，该古生生界地层的砂岩采集自我国四川盆地川西地区。

通过下列实验，测定了本发明的模拟自然界砂岩的材料C和自然界砂岩在力学测试的主要参数：全部测试在土力学性质多功能试验仪上进行。根据力学性能测试规范要求，抗拉强度采用劈裂法实验，加载速度0.3-0.5MPa/s。抗压强度采用单轴抗压强度试验，加载速度0.5-1.0MPa/s。分别在不同的垂向载荷作用下，施加剪切载荷进行剪切，求得破坏时的最大剪应力。通过对岩石在弹性极限以内施加单轴纵向压力，测定岩石的纵向和横向应变求从而获得岩石的弹性模量和泊松比。

通过应变测试实验，测定了本发明的模拟自然界砂岩的材料C和自然界砂岩的应变曲线图，两者相似性高。

通过如本发明所述的方法，计算出相似比，相似比如表1所示。

实施例4

本发明的一个实施方式中的模拟自然界砂岩的材料D，其包括配比为100：2.4：2.9的石英砂、水泥和水。

由于岩石力学性能指标参数范围变化较大，为了保证参数的针对性，所述自然界砂岩为我国古生生界地层的砂岩，具体地，该古生生界地层的砂岩采集自我国四川盆地川西地区。

通过下列实验，测定了本发明的模拟自然界砂岩的材料D和自然界砂岩在力学测试的主要参数：全部测试在土力学性质多功能试验仪上进行。根据力学性能测试规范要求，抗拉强度采用劈裂法实验，加载速度0.3-0.5MPa/s。抗压强度采用单轴抗压强度试验，加载速度0.5-1.0MPa/s。分别在不同的垂向载荷作用下，施加剪切载荷进行剪切，求得破坏时的最大剪应力。通过对岩石在弹性极限以内施加单轴纵向压力，测定岩石的纵向和横向应变求从而获得岩石的弹性模量和泊松比。

通过应变测试实验，测定了本发明的模拟自然界砂岩的材料D和自然界砂岩的应变曲线图，两者相似性高。

通过如本发明所述的方法，计算出相似比，相似比如表1所示。

实施例5

本发明的一个实施方式中的模拟自然界砂岩的材料E，其包括配比为100：2.6：3.1的石英砂、水泥和水。

由于岩石力学性能指标参数范围变化较大，为了保证参数的针对性，所述自然界砂岩为我国古生生界地层的砂岩，具体地，该古生生界地层的砂岩采集自我国四川盆地川西地区。

通过下列实验，测定了本发明的模拟自然界砂岩的材料E和自然界砂岩在力学测试的主要参数：全部测试在土力学性质多功能试验仪上进行。根据力学性能测试规范要求，抗拉强度采用劈裂法实验，加载速度0.3-0.5MPa/s。抗压强度采用单轴抗压强度试验，加载速度0.5-1.0MPa/s。分别在不同的垂向载荷作用下，施加剪切载荷进行剪切，求得破坏时的最大剪应力。通过对岩石在弹性极限以内施加单轴纵向压力，测定岩石的纵向和横向应变求从而获得岩石的弹性模量和泊松比。

通过应变测试实验，测定了本发明的模拟自然界砂岩的材料E和自然界砂岩的应变曲线图，两者相似性高。

通过如本发明所述的方法，计算出相似比，相似比如表1所示。

实施例6

根据走滑构造的发育条件、力学机制、剖面特征，建立南海西部走滑构造模拟的宏观地质模型，即下层塑性流动为驱动，上面多层脆性结构，并以南海西部走滑断裂为例，提出南海西部走滑模拟三层模型，即2cm的塑性基底层、1cm的脆－塑性下构造层、3cm的脆性中-上构造层。在总结模拟材料选取原则的基础上，确定在相似比为10³条件下，采用本发明的砂岩的配比方案，确定了脆性层的模拟材料，以剪切强度为力学主要考核参数，制备了南海走滑物理实验模拟模型，成功进行了一系列的走滑物理模拟实验。对走滑构造的研究分析起了一定的指导作用。

表1本发明的模拟材料A-E和砂岩在力学测试的相似比

Claims (9)

1.一种模拟自然界砂岩的材料，包括石英砂、水泥和水，其中，石英砂、水泥、水的按重量计的配比为100：2-3：2.5-3.5，相似比为(1-5)×10³。

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述配比为100:2.4-2.6:2.9-3.1，相似比为(1-2)×10³，所述配比优选为100：2.5：3，相似比为10³。

3.根据权利要求1或2所述的材料，其特征在于，所述石英砂粒度为0.12-0.2mm。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的材料，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥，优选为普通硅酸盐水泥。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的材料，其特征在于，所述水泥为225号水泥。

6.一种制备权利要求1至5中任一项所述的材料的方法，其特征在于，将权利要求1至5中任一项所述的石英砂、水泥和水按照权利要求1或2所述的配比进行混合。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的材料在模拟自然界砂岩或砂岩地层中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述自然界砂岩或砂岩地层为古生生界地层中的自然界砂岩或砂岩地层。

9.根据权利要求7或8所述的应用，其特征在于，所述应用为对自然界构造作用的研究的应用，优选为对造山带和盆地的构造演化过程的研究的应用。