CN107840629B - 一种适用于水力压裂的煤岩相似材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种适用于水力压裂的煤岩相似材料及制备方法，材料的质量百分组分为，煤粉15.0％～40.0％，粒径为0.125～0.18mm的石英砂和粒径为0.18～0.42mm的石英砂各占4.0％～15.0％，石膏8.0％～17.0％，水泥8.0％～17.0％，水23.0％～30.0％，萘系减水剂0.4％～0.6％和植物蛋白类缓凝剂0.2％～0.3％。将所需材料并搅拌均匀，倒入模具内，置于振动台振捣1min～3min，24h～48h天后将模具取出置于湿度在95％以上，20±2℃环境下养护5～7天，再控制湿度在60％以下，常温下养护21～23天，得到相似材料。本发明制备的煤岩相似材料很好地模拟了煤岩原岩的特性。

Description

一种适用于水力压裂的煤岩相似材料及制备方法
技术领域
本发明涉及岩石相似材料领域，尤其涉及一种适用于水力压裂物理模型试验的煤岩相似材料及制备方法。
技术背景
长期以来，相似材料物理模型试验通过对模型应力—应变等规律的研究和认识，形象直观地反应了岩体的物理力学特性，被广泛与岩土工程、矿山和非常规能源等研究领域。近年来，相似材料在室内物理模型试验中的得到了广泛应用，例如：韩伯鲤等研制出弹性模量可调的MIB材料，清华大学李仲奎等研制出一种重度大、性能稳定NIOS材料，山东大学张宁等将橡胶粉应用于岩石相似材料，研制出不易受湿度和温度等影响的相似材料。
随着我国煤炭资源开采事业的发展，与之相关的研究工作也快速推进。很多科研机构已经将煤岩相似材料应用于煤岩物理模型试验。例如：西安科技大学李树刚等在满足常规相似理论的基础之上，利用“固—流”耦合相似理论，研制出广泛应用于煤层开采模型试验的相似材料；安徽理工大学张淑同博士在瓦斯气体相关研究中选择碎煤、水泥、活性炭、沙子和水作为原料研制出煤岩相似材料，并取得很好的效果。以上例子主要涉及与于煤炭资源开采、矿井灾害相关的相似材料。
近年来，随着非常规能源开发的兴起，以煤层气、页岩气为代表的非常规能源钻采事业的研究逐步深入，与之相关的室内试验相继开展。首先，进行煤岩原岩试验，经过研究发现煤岩原岩试验存在以下不足：
(1)由于煤岩结构构造的不连续性，大块煤岩原样获取困难；
(2)煤岩各向异性突出，试验中影响因素难以控制；
(3)由于试验不能满足单一变量原则，试验结果不具备充分说服力。
基于以上不足，室内物理模型试验成为了重要的研究手段。蔺春晓等人为了研究水力压裂机理研制出一种煤岩相似材料，对于水力压裂物理模型试验具有一定的借鉴意义；杜长龙等采用天然粉煤、水泥和水为原材料，基于相似理论，研制出了一种煤岩相似材料，对于煤岩的截割试验研究做出了贡献。总之，由于煤岩本身的特殊性和水力压裂技术的局限性，能够适用于水力压裂的煤岩相似材料依旧需要不断更新。
发明内容
基于煤岩的基本物理力学特性，本发明提出了一种适用于水力压裂的煤岩相似材料及制备方法。
本发明的目的是这样实现的：该发明包括相似材料配比及配制方法；
(1)相似材料配比选用骨料、胶结材料和添加剂，所述的骨料为煤粉、石英砂；所述的胶结材料为石膏、水泥；所述的添加剂为水、减水剂和缓凝剂；
(2)该相似材料的原料包括：煤岩相似材料的质量百分组分为，煤粉15.0％～40.0％，石膏8.0％～17.0％，水泥8.0％～17.0％，水23.0％～30.0％，萘系减水剂0.4％～0.6％和植物蛋白类缓凝剂0.2％～0.3％，粒径为0.125～0.18mm的石英砂1和粒径为0.18～0.42mm的石英砂2的重量配比始终为1:1，且质量百分组分为4.0％～15.0％；
(3)配制方法，具体步骤及要求如下：
1)相似材料配比：按照配比分别称取所需重量的煤粉、石英砂、石膏粉、水泥、减水剂、缓凝剂和水；
2)干料混合：启动搅拌机，控制搅拌叶转速为30～60转/min，严格按照石膏，煤粉，水泥，石英砂的添加顺序将干料缓慢地倒入搅拌机中搅拌3～5min，使干料搅拌均匀；
3)添加剂混合：将称量后的水倒入塑料搅拌桶内，以30-60转/min的转速用玻璃搅拌棒搅拌，同时按照先植物蛋白类缓凝剂后萘系减水剂的添加顺序将其倒入搅拌桶内，搅拌5-10min，使桶内添加剂充分溶解；
4)将充分溶解后的添加剂混合溶液倒入搅拌机中，与混合均匀的煤粉、石英砂、石膏粉、水泥继续充分搅拌，形成制样所需的混合料；
5)将涂有脱模剂的模具固定在砂浆振动台上，将搅拌均匀的混合料倒入模具中，同时打开振动台振捣1min～3min，使混合料振捣密实；
6)24h～48h后将模具拆开、取出成型试件，并在试件表面贴上标签；
7)成型试件先置于湿度RH在95％以上，20±2℃环境下标准养护5～7天，然后控制湿度在60％以下，常温下养护21～23天，即可得到所需配比的相似材料。
(4)不同配比的相似材料试件养护完成后进行力学参数测试，主要包括弹性模量E、泊松比μ、抗压强度σc、抗拉强度σt、内摩擦角粘聚力c和膨胀率V，力学参数测试表明：该材料弹性模量变化范围为2～4GPa、抗压强度变化范围为3～9MPa、抗拉强度变化范围为0.2～0.8MPa、内摩擦角变化范围为10°～25°。通过与原岩物理力学参数的对比，该材料的物理力学参数变化范围较广，可用来模拟煤岩原型材料。适用于水力压裂的不同配比的煤岩相似材料的主要物理力学参数见表1。
表1不同配比的相似材料试件的主要物理力学参数
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)通过调整各组分的配比，该材料物理力学参数变化范围较广。考虑到煤岩中石英等脆性矿物的颗粒直径小于1mm，选用石英砂作为骨料的一部分，而石英砂的级配直接影响相似材料的强度，为此选用粒径为0.125～0.18mm的石英砂1和粒径为0.18～0.42mm的石英砂2，且两种石英砂的重量配比始终为1:1，这样的话保证了石英砂的级配，很好地模拟了煤岩原岩中的脆性矿物。在满足以上条件和相似原则的基础上，通过适当调整煤粉和石英砂的含量，材料物理力学参数变化范围较广，就材料抗拉强度而言，变化范围可达0.2～0.8MPa，远远大于原岩抗拉强度为0.68～0.72MPa；
(2)通过调整煤粉比例，可以调整材料的膨胀特性，并且能很好地满足水力压裂条件下煤岩的水化膨胀特性。影响材料膨胀特性的主要是含有黏土矿物的煤粉，黏土矿物的吸水膨胀，试验中保证胶骨比为1:2，使砂煤比在3:9，1:2，5:7，1:1中变化，随着煤粉含量下降，即黏土矿物的含量下降，材料的膨胀率逐渐降低。
(3)材料制作工艺简单，24h即可脱模，大大缩短了模型制作周期。
附图说明
图1为本发明材料膨胀量曲线；
图2为本发明材料单轴抗压应力—应变曲线；
图3为本发明材料剪切应力曲线。
具体实施方式
下列实施例是对本发明的进一步说明，但本发明不限于此。
实施例1
首先，根据相似材料配比选用骨料、胶结材料和添加剂，所述的骨料为煤粉、石英砂；所述的胶结材料为石膏、水泥；所述的添加剂为萘系减水剂、植物蛋白类缓凝剂和水根据材料组分中胶结材料、骨料、石英砂和煤粉含量的不同，相似材料配比胶结材料(水泥和石膏):骨料(煤粉和石英砂)为1:2，石英砂:煤粉为3:9，根据相似材料配比进一步确定实例中各组分的具体比例为水泥:石膏:石英砂1:石英砂2:煤粉＝0.5:0.5:0.25:0.25:1.5。
配制方法，具体步骤及要求如下：
(1)在试验开始前，将取自现场的煤岩原样用粉碎机粉碎，并将其过0.63mm的土工筛，同时按照要求定制壁厚2.5mm、内径的PVC管，切割成 和试件模具；
(2)按照水泥:石膏:石英砂1:石英砂2:煤粉＝0.5:0.5:0.25:0.25:1.5配比分别称取所需配比重量的煤粉、石英砂、石膏粉、C32.5水泥、萘系减水剂、植物蛋白类缓凝剂和水；
(3)干料混合：启动搅拌机，控制搅拌叶转速为60转/min，严格按照石膏，煤粉，水泥，石英砂的添加顺序将干料缓慢地倒入搅拌机中搅拌3min，使干料搅拌均匀；
(4)添加剂混合：将称量后的水倒入塑料搅拌桶内，以30转/min的转速用玻璃搅拌棒搅拌，同时按照先植物蛋白类缓凝剂后萘系减水剂的添加顺序将其倒入搅拌桶内，搅拌5min，使桶内添加剂充分溶解；
(5)将充分溶解后的添加剂混合溶液倒入搅拌机中，与混合均匀的煤粉、石英砂、石膏粉、水泥继续充分搅拌，形成制样所需的混合料；
(6)将涂有脱模剂的模具固定在砂浆振动台上，将搅拌均匀的混合料倒入模具中，同时打开振动台振捣1min，使混合料振捣密实；
(7)24h后将模具拆开、取出成型试件，并在试件表面贴上标签；
(8)成型试件先置于湿度RH在95％以上，20±2℃环境下标准养护5天，然后控制湿度在60％以下，常温下养护23天，即可得到所需配比的相似材料。
养护完成后的材料试件进行了如下相关性能参数的测试：
(1)水化膨胀特征测试：对试件进行适当切割和打磨处理，把处理好的试样置于泥页岩膨胀仪内，对其进行膨胀量测试，随时间的延续，试样将发生缓慢的吸水膨胀，得出其膨胀率V为0.26％；
(2)抗压强度特征测试：首先对试件进行干切割和打磨，成标准试件，然后将标准试件放置于万能材料试验机承压板中心，以0.5MPa/s的加载速率对其进行单轴抗压强度测试，获得其单轴抗压强度为5.48MPa；
(3)巴西劈裂测试：将相似材料试件按照巴西劈裂试验要求进行切割、打磨和精加工，制成标准圆盘试件：并将加工好的试样进行编号标记。将标准试件放置于微机控制岩石拉伸劈裂试验机(YDW-100)上，以0.5MPa/s的加载速率加载，直到试样破坏，最终获得其抗拉强度为0.38MPa。
(4)抗剪强度测试：将相似材料试件按试验要求进行切割、打磨，并将加工好的试样进行编号，利用电动直剪仪对试样进行剪切试验，其剪切应力满足τ＝0.3975σ+1.6403。
通过相似材料试件物理力学参数测试，材料的物理力学参数见表2。
表2相似材料主要物理力学参数
实施例2
首先，根据相似材料配比选用骨料、胶结材料和添加剂，所述的骨料为煤粉、石英砂；所述的胶结材料为石膏、水泥；所述的添加剂为萘系减水剂、植物蛋白类缓凝剂和水根据材料组分中胶结材料、骨料、石英砂和煤粉含量的不同，相似材料配比胶结材料(水泥和石膏):骨料(煤粉和石英砂)为1:2，石英砂:煤粉为4:8，根据相似材料配比进一步确定实例中各组分的具体比例为水泥:石膏:石英砂1:石英砂2:煤粉＝0.5:0.5:0.34:0.34:1.33。
配制方法，具体步骤及要求如下：
(1)在试验开始前，将取自现场的煤岩原样用粉碎机粉碎，并将其过0.63mm的土工筛，同时按照要求定制壁厚2.5mm、内径的PVC管，切割成 和试件模具；
(2)按照水泥:石膏:石英砂1:石英砂2:煤粉＝0.5:0.5:0.34:0.34:1.33配比分别称取所需配比重量的煤粉、石英砂、石膏粉、C32.5水泥、萘系减水剂、植物蛋白类缓凝剂和水；
(3)干料混合：启动搅拌机，控制搅拌叶转速为60转/min，严格按照石膏，煤粉，水泥，石英砂的添加顺序将干料缓慢地倒入搅拌机中搅拌3min，使干料搅拌均匀；
(4)添加剂混合：将称量后的水倒入塑料搅拌桶内，以30转/min的转速用玻璃搅拌棒搅拌，同时按照先植物蛋白类缓凝剂后萘系减水剂的添加顺序将其倒入搅拌桶内，搅拌5min，使桶内添加剂充分溶解；
(5)将充分溶解后的添加剂混合溶液倒入搅拌机中，与混合均匀的煤粉、石英砂、石膏粉、水泥继续充分搅拌，形成制样所需的混合料；
(6)将涂有脱模剂的模具固定在砂浆振动台上，将搅拌均匀的混合料倒入模具中，同时打开振动台振捣1min，使混合料振捣密实；
(7)24h后将模具拆开、取出成型试件，并在试件表面贴上标签；
(8)成型试件先置于湿度RH在95％以上，20±2℃环境下标准养护5天，然后控制湿度在60％以下，常温下养护23天，即可得到所需配比的相似材料。
养护完成后的材料试件进行了如下相关性能参数的测试：
(1)水化膨胀特征测试：对试件进行适当切割和打磨处理，把处理好的试样置于泥页岩膨胀仪内，对其进行膨胀量测试，随时间的延续，试样将发生缓慢的吸水膨胀，获得其膨胀率；
(2)抗压强度特征测试：首先对试件进行干切割和打磨，成标准试件，然后将标准试件放置于万能材料试验机承压板中心，以0.5MPa/s的加载速率对其进行单轴抗压强度测试，获得其单轴抗压抗压强度；
(3)巴西劈裂测试：将相似材料试件按照巴西劈裂试验要求进行切割、打磨和精加工，制成标准圆盘试件：并将加工好的试样进行编号标记。将标准试件放置于微机控制岩石拉伸劈裂试验机(YDW-100)上，以0.5MPa/s的加载速率加载，直到试样破坏，最终获得其抗拉强度；
(4)抗剪强度测试：将相似材料试件按试验要求进行切割、打磨，并将加工好的试样进行编号，利用电动直剪仪对试样进行剪切，其剪切应力满足
τ＝0.3899σ+1.6304。
通过相似材料试件物理力学参数测试，材料的物理力学参数见表3。
表3相似材料主要物理力学参数
实施例3
首先，根据相似材料配比选用骨料、胶结材料和添加剂，所述的骨料为煤粉、石英砂；所述的胶结材料为石膏、水泥；所述的添加剂为萘系减水剂、植物蛋白类缓凝剂和水根据材料组分中胶结材料、骨料、石英砂和煤粉含量的不同，相似材料配比胶结材料(水泥和石膏):骨料(煤粉和石英砂)为1:2，石英砂:煤粉为5:7，根据相似材料配比进一步确定实例中各组分的具体比例为水泥:石膏:石英砂1:石英砂2:煤粉＝0.5:0.5:0.415:0.415:1.17。
配制方法，具体步骤及要求如下：
(1)在试验开始前，将取自现场的煤岩原样用粉碎机粉碎，并将其过0.63mm的土工筛，同时按照要求定制壁厚2.5mm、内径的PVC管，切割成 和试件模具；
(2)按照水泥:石膏:石英砂1:石英砂2:煤粉＝0.5:0.5:0.415:0.415:1.17配比分别称取所需配比重量的煤粉、石英砂、石膏粉、C32.5水泥、萘系减水剂、植物蛋白类缓凝剂和水；
(3)干料混合：启动搅拌机，控制搅拌叶转速为60转/min，严格按照石膏，煤粉，水泥，石英砂的添加顺序将干料缓慢地倒入搅拌机中搅拌3min，使干料搅拌均匀；
(4)添加剂混合：将称量后的水倒入塑料搅拌桶内，以30转/min的转速用玻璃搅拌棒搅拌，同时按照先植物蛋白类缓凝剂后萘系减水剂的添加顺序将其倒入搅拌桶内，搅拌5min，使桶内添加剂充分溶解；
(5)将充分溶解后的添加剂混合溶液倒入搅拌机中，与混合均匀的煤粉、石英砂、石膏粉、水泥继续充分搅拌，形成制样所需的混合料；
(6)将涂有脱模剂的模具固定在砂浆振动台上，将搅拌均匀的混合料倒入模具中，同时打开振动台振捣1min，使混合料振捣密实；
(7)24h后将模具拆开、取出成型试件，并在试件表面贴上标签；
(8)成型试件先置于湿度RH在95％以上，20±2℃环境下标准养护5天，然后控制湿度在60％以下，常温下养护23天，即可得到所需配比的相似材料。
养护完成后的材料试件进行了如下相关性能参数的测试：
(1)水化膨胀特征测试：对试件进行适当切割和打磨处理，把处理好的试样置于泥页岩膨胀仪内，对其进行膨胀量测试，随时间的延续，试样将发生缓慢的吸水膨胀，获得其膨胀量曲线如图1所示；
(2)抗压强度特征测试：首先对试件进行干切割和打磨，成标准试件，然后将标准试件放置于万能材料试验机承压板中心，以0.5MPa/s的加载速率对其进行单轴抗压强度测试，获得其单轴抗压的应力—应变曲线如图2所示；
(3)巴西劈裂测试：将相似材料试件按照巴西劈裂试验要求进行切割、打磨和精加工，制成标准圆盘试件：并将加工好的试样进行编号标记。将标准试件放置于微机控制岩石拉伸劈裂试验机(YDW-100)上，以0.5MPa/s的加载速率加载，直到试样破坏，最终获得其抗拉强度，具体数值见上表4。
(4)抗剪强度测试：将相似材料试件按试验要求进行切割、打磨，并将加工好的试样进行编号，利用电动直剪仪对试样进行剪切，其剪切应力满足τ＝0.3959σ+1.6294，剪切应力曲线如图3所示。
通过相似材料试件物理力学参数测试，材料的物理力学参数见表4。
表4相似材料主要物理力学参数
表5原岩主要物理力学参数
通过以上实验参数和原岩特性(表5)进行对比，可以看出，此种煤岩相似材料的物理力学参数与原岩物理力学参数较为接近，可用于非常规能源领域的煤岩力学模型试验研究，该相似材料配比补充完善了煤岩相似材料的配比方法，为煤岩储层水力压裂模型试验等领域的物理模型试验提供材料支撑。

Claims (4)

1.一种适用于水力压裂的煤岩相似材料，其特征是：煤岩相似材料的质量百分组分为，煤粉15.0％～40.0％，石膏8.0％～17.0％，水泥8.0％～17.0％，水23.0％～30.0％，萘系减水剂0.4％～0.6％和植物蛋白类缓凝剂0.2％～0.3％，粒径为0.125～0.18mm的石英砂1和粒径为0.18～0.42mm的石英砂2的重量配比始终为1:1，且质量百分组分为4.0％～15.0％。
2.根据权利要求1所述的适用于水力压裂的煤岩相似材料，其特征在于，以质量百分比计，配方中粒径≤0.63mm的煤粉20.0％～40.0％。
3.根据权利要求1所述的适用于水力压裂的煤岩相似材料，其特征在于，所述的萘系减水剂和植物蛋白类缓凝剂各自重量分别为水泥、石膏、煤粉和石英砂总重的0.45％～0.6％、0.2％～0.3％；水重量为水泥、石膏和煤粉总重的30％～50％。
4.权利要求1-3任一项所述的适用于水力压裂的煤岩相似材料的配制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)相似材料配比：按照配比分别称取所需重量的煤粉、石英砂、石膏、水泥、减水剂、缓凝剂和水；
(2)干料混合：启动搅拌机，控制搅拌叶转速为30～60转/min，按照石膏，煤粉，水泥，石英砂的添加顺序将干料缓慢地倒入搅拌机中搅拌3～5min，使干料搅拌均匀；
(3)添加剂混合：将称量后的水倒入塑料搅拌桶内，以30-60转/min的转速用玻璃搅拌棒搅拌，同时按照先植物蛋白类缓凝剂后萘系减水剂的添加顺序将其倒入搅拌桶内，搅拌5-10min，使桶内添加剂充分溶解；
(4)将充分溶解后的添加剂混合溶液倒入搅拌机中，与混合均匀的煤粉、石英砂、石膏、水泥继续充分搅拌，形成制样所需的混合料；
(5)将涂有脱模剂的模具固定在砂浆振动台上，将搅拌均匀的混合料倒入模具中，同时打开振动台振捣1min～3min，使混合料振捣密实；
(6)24h～48h后将模具拆开、取出成型试件，并在试件表面贴上标签；
(7)成型试件先置于湿度RH在95％以上，20±2℃环境下标准养护5～7天，然后控制湿度在60％以下，常温下养护21～23天，即可得到所需配比的相似材料。
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