CN110894154A - 卸压煤层气开发模拟的围岩相似材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卸压煤层气开发模拟的围岩相似材料及其制备方法，属于工程相似模拟材料领域。相似材料以石英砂为骨料，石膏、高岭土或滑石粉为胶结物，水为调和剂，硼砂为缓凝剂，按质量计份配料：脆性围岩原料配比为石英砂90‑100份，石膏粉300‑320份，高岭土90‑100份，去离子水110‑120份，硼砂1份；塑性围岩原料配比为石英砂100‑110份，石膏粉45‑50份，滑石粉45‑50份，去离子水50‑55份，硼砂0.5份。硼砂先溶于水，后混料加水，利用加载装置压制成型，养护制得相似材料。所配材料脆、塑性显著，能模拟构造煤围岩变形及破坏特征，且材料制备过程简单、原料获取容易、成本低。

Description

卸压煤层气开发模拟的围岩相似材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种围岩相似材料及其制备方法，尤其是一种适用于构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压的围岩相似材料及其制备方法，属于工程相似物理模拟试验材料研发领域。
背景技术
我国煤层气资源丰富，预测埋深2000m以浅煤层气地质资源量达36.8×1012m3，与常规天然气资源量相当。煤层气规模化开发能够缓解我国常规油气能源短缺形势，降低煤矿瓦斯事故发生几率，减少煤矿生产中温室气体排放量，可产生显著的经济、环境、安全及社会效益。
以黔西滇东地区、两淮地区及鄂尔多斯盆地西缘为代表的我国构造煤煤层厚度大、分布广泛，煤层气资源量及资源开发潜力巨大。由于构造煤储层具有效应力高、原始渗透率低及水力压裂改造难度大等特点，因此采用传统的直井、水平井压裂工艺难以取得较好的煤层气开采效果。为了全面推进我国构造煤发育区煤层气开发工作，就需要解决传统直井、水平井压裂方式构造煤储层改造效果差，采动区被保护层性卸压应力释放程度低等问题，积极探索构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发新技术、新方法，以显著提高构造煤煤层气地面开发效果。出于构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发新技术研发的目的，需要在构造煤煤系地层结构重构的基础上开展大型室内物理模拟试验。因此，为煤系地层结构重构相似物理模型制备研发围岩相似材料，就成为构造煤卸压煤层气开发室内物理模拟试验开展的重要前提工作。
发明内容
技术问题：本发明的目的是为了满足构造煤卸压煤层气开发室内大型物理模拟试验中煤系地层结构物理模型重构的需要，提供一种能够模拟构造煤卸压煤层气开发中砂岩、灰岩等脆性围岩，粉砂质泥岩、泥岩、页岩等塑性围岩变形及破坏特征的相似材料及其制备方法。
技术方案：本发明的一种卸压煤层气开发模拟的围岩相似材料，包括石英砂、石膏、高岭土或滑石粉、硼砂和水，所述的石英砂为骨料，石膏、高岭土或滑石粉为胶结物，水为调和剂，硼砂为缓凝剂，按质量计份配成脆性围岩相似材料和塑性围岩相似材料，所述脆性围岩相似材料的配比为80目石英砂90-100份，1250目高强石膏粉300-320份，1250目高岭土90-100份，去离子水110-120份，硼砂1份；所述的塑性围岩相似材料的配比为80目石英砂100-110份，1250目高强石膏粉45-50份，1250目滑石粉45-50份，去离子水50-55份，硼砂0.5份。
实施上述卸压煤层气开发模拟的围岩相似材料的制备方法，包括以下步骤：
(a)根据煤层气勘查工作中煤岩心录井、构造煤顶底板采样测试结果确定脆性围岩相似材料、塑性围岩相似材料在煤系地层结构重构相似物理模型中的位置及各分层厚度；
(b)根据含构造煤煤层的煤系地层结构重构相似物理模型中脆性围岩相似材料、或塑性围岩相似材料的各分层厚度，分别计算各分层脆性围岩相似材料原料、塑性围岩相似材料原料的总质量，按80目石英砂90-100份，1250目高强石膏粉300-320份，1250目高岭土90-100份，去离子水110-120份，硼砂1份的质量配比称取脆性围岩相似材料各原料；按80目石英砂100-110份，1250目高强石膏粉45-50份，1250目滑石粉45-50份，去离子水50-55份，硼砂0.5份的质量配比称取塑性围岩相似材料各原料；
(c)将脆性或塑性围岩相似材料中的配料硼砂分别溶于去离子水中，并使其均匀溶解；
(d)将脆性或塑性围岩相似材料中的其它配料分别混合并搅拌均匀，然后分别加入含硼砂的去离子水中并立即搅拌，最终使所有相似材料原料均匀混合；
(e)分别将混合均匀的脆性或塑性围岩相似材料原料平铺于加载装置的压力仓体内，利用固定于加载装置反力架上的液压油缸及反力架前端连接的刚性压板自压力仓体顶部施加成型压力；
(f)利用包裹压力仓体的电热套对压力仓体加热，分别使已经压制成型的脆性或塑性围岩相似材料升温，并在压力仓体内部对围岩相似材料进行养护；
(g)根据煤系地层结构重构相似物理模型，分别在脆性围岩相似材料、或塑形围岩相似材料之上继续分层装填、压实成型、养护另一上覆煤岩层相似材料。
所述的脆性围岩相似材料施加的成型压力为5MPa，成型时间为5h；所述的塑性围岩相似材料施加的成型压力为3.2MPa，成型时间为6h。
所述分别使已经压制成型的脆性或塑性围岩相似材料升温的温度约45-55℃，并在压力仓体内部对围岩相似材料进行养护的时间为3.5-4.5h。
所述的脆性围岩相似材料原料、塑性围岩相似材料原料总质量根据相同原料配比、成型条件下确定的脆性围岩相似材料、塑性围岩相似材料的视密度与脆性围岩相似材料、塑性围岩相似材料分层厚度计算得出。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明适用于研发构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发大型室内物理模拟试验的围岩相似材料原料选择与配比、相似材料成型及养护方法，属于工程相似物理模拟试验材料研发领域。本发明的卸压煤层气开发模拟的脆性围岩相似材料在3MPa围压下的抗压强度为34.5MPa，弹性模量为6.54GPa，泊松比为0.28，具有硬脆性显著的特征，能够用于模拟构造煤卸压煤层气开发过程中砂岩、灰岩等脆性围岩变形及破坏特征；卸压煤层气开发模拟的塑性围岩相似材料3MPa围压下抗压强度24.3MPa，弹性模量1.43GPa，泊松比0.52，具有塑性显著的特征，能够用于模拟构造煤卸压煤层气开发过程中粉砂质泥岩、泥岩等塑性围岩变形及破坏特征。通过压力仓将混合均匀的脆性或塑性围岩相似材料原料层施加压力成型、养护，从而得到构造煤卸压煤层气开发模拟试验的脆性或塑性围岩相似材料，所研发的围岩相似材料具有低渗透率、弱吸附性，可表征构造煤洞穴卸压开发过程中围岩连续变形、非连续变形过程，即可满足模拟构造煤洞穴卸压开发过程中围岩的变形及破坏过程。其制备过程简单、性能稳定、原料获取容易、成本低，在本技术领域内具有广泛的实用性。
具体实施方式
本发明的卸压煤层气开发模拟的围岩相似材料，包括石英砂、石膏、高岭土或滑石粉、硼砂和水，所述的石英砂为骨料，石膏、高岭土或滑石粉为胶结物，水为调和剂，硼砂为缓凝剂，按质量计份配成脆性围岩相似材料和塑性围岩相似材料，所述脆性围岩相似材料的配比为80目石英砂90-100份，1250目高强石膏粉300-320份，1250目高岭土90-100份，去离子水110-120份，硼砂1份；所述的塑性围岩相似材料的配比为80目石英砂100-110份，1250目高强石膏粉45-50份，1250目滑石粉45-50份，去离子水50-55份，硼砂0.5份。
本发明卸压煤层气开发模拟的围岩相似材料的制备方法具体步骤如下：
(a)根据煤层气勘查工作中煤岩心录井、构造煤顶底板采样测试结果确定脆性围岩相似材料、塑性围岩相似材料在煤系地层结构重构相似物理模型中的位置及各分层厚度；所述脆性围岩相似材料、塑性围岩相似材料在煤系地层结构重构物理模型中的位置根据煤系地层中脆性围岩、塑性围岩与构造煤的垂向叠置关系确定，脆性、塑性围岩各分层厚度根据煤系地层原型与煤系地层结构重构物理模型的几何相似比确定。
(b)根据含构造煤煤层的煤系地层结构重构相似物理模型中脆性围岩相似材料、或塑性围岩相似材料的各分层厚度，分别计算各分层脆性围岩相似材料原料、塑性围岩相似材料原料的总质量，脆性围岩相似材料各种原料按80目石英砂90-100份，1250目高强石膏粉300-320份，1250目高岭土90-100份，去离子水110-120份，硼砂1份的质量配比称取脆性围岩相似材料各原料；塑性围岩相似材料各种原料按80目石英砂100-110份，1250目高强石膏粉45-50份，1250目滑石粉45-50份，去离子水50-55份，硼砂0.5份的质量配比称取塑性围岩相似材料各原料；所述脆性围岩相似材料原料、塑性围岩相似材料原料总质量根据相同原料配比、成型条件下确定的脆性围岩相似材料、塑性围岩相似材料的视密度与脆性围岩相似材料、塑性围岩相似材料分层厚度计算得出。
(c)将脆性或塑性围岩相似材料中的配料硼砂分别溶于去离子水中，并使其均匀溶解；所述硼砂加入到去离子水中利用磁力搅拌器匀速搅拌15min，使硼砂全部溶解，并均匀分布于去离子水中。
(d)将脆性或塑性围岩相似材料中的其它配料分别混合并搅拌均匀，然后分别加入含硼砂的去离子水中并立即搅拌，最终使所有相似材料原料均匀混合；
(e)分别将混合均匀的脆性或塑性围岩相似材料原料平铺于加载装置的压力仓体内，利用固定于加载装置反力架上的液压油缸及反力架前端连接的刚性压板自压力仓体顶部施加成型压力；所述的脆性围岩相似材料施加的成型压力为5MPa，成型时间为5h；所述的塑性围岩相似材料施加的成型压力为3.2MPa，成型时间为6h。所述反力架固定于地面钢板之上，液压油缸与前端的刚性压板相连，并通过与传力杆及刚性压板焊接的加强筋将压力均匀加载于刚性压板及脆性围岩相似材料、塑性围岩相似材料。
(f)利用包裹压力仓体的电热套对压力仓体加热，分别使已经压制成型的脆性或塑性围岩相似材料升温至45-55℃，并在压力仓体内部对围岩相似材料进行养护3.5-4.5h；
(g)根据煤系地层结构重构相似物理模型，分别在脆性围岩相似材料、或塑形围岩相似材料之上继续分层装填、压实成型、养护另一上覆煤岩层相似材料。

Claims (5)

1.一种卸压煤层气开发模拟的围岩相似材料，包括石英砂、石膏、高岭土或滑石粉、硼砂和水，其特征在于：所述的石英砂为骨料，石膏、高岭土或滑石粉为胶结物，水为调和剂，硼砂为缓凝剂，按质量计份配成脆性围岩相似材料和塑性围岩相似材料，所述脆性围岩相似材料的配比为80目石英砂90-100份，1250目高强石膏粉300-320份，1250目高岭土90-100份，去离子水110-120份，硼砂1份；所述的塑性围岩相似材料的配比为80目石英砂100-110份，1250目高强石膏粉45-50份，1250目滑石粉45-50份，去离子水50-55份，硼砂0.5份。
2.实施权利要求1所述卸压煤层气开发模拟的围岩相似材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)根据煤层气勘查工作中煤岩心录井、构造煤顶底板采样测试结果确定脆性围岩相似材料、或塑性围岩相似材料在煤系地层结构重构相似物理模型中的位置及各分层厚度；
(b)根据含构造煤煤层的煤系地层结构重构相似物理模型中的脆性围岩相似材料、或塑性围岩相似材料的各分层厚度，分别计算各分层的脆性围岩相似材料原料、或塑性围岩相似材料原料的总质量，按80目石英砂90-100份，1250目高强石膏粉300-320份，1250目高岭土90-100份，去离子水110-120份，硼砂1份的质量配比称取脆性围岩相似材料各原料；按80目石英砂100-110份，1250目高强石膏粉45-50份，1250目滑石粉45-50份，去离子水50-55份，硼砂0.5份的质量配比称取塑性围岩相似材料各原料；
(c)将脆性或塑性围岩相似材料中的配料硼砂分别溶于去离子水中，充分搅拌使其溶解；
(d)将脆性或塑性围岩相似材料中的其它配料分别混合并搅拌均匀，然后分别加入含硼砂的去离子水并立即搅拌，最终使所有相似材料原料均匀混合；
(e)分别将混合均匀的脆性或塑性围岩相似材料原料平铺于加载装置的压力仓体内，利用固定于加载装置反力架上的液压油缸及反力架前端连接的刚性压板自压力仓体顶部施加成型压力；
(f)利用包裹压力仓体的电热套对压力仓体加热，分别使已经压制成型的脆性或塑性围岩相似材料升温，并在压力仓体内部对围岩相似材料进行养护；
(g)根据煤系地层结构重构相似物理模型，分别在脆性围岩相似材料、或塑形围岩相似材料之上继续分层装填、压实成型、养护另一上覆煤岩层相似材料。
3.根据权利要求2所述卸压煤层气开发模拟的围岩相似材料的制备方法，其特征在于：所述的脆性围岩相似材料施加的成型压力为5MPa，成型时间为5h；所述的塑性围岩相似材料施加的成型压力为3.2MPa，成型时间为6h。
4.根据权利要求2所述卸压煤层气开发模拟的围岩相似材料的制备方法，其特征在于：所述分别使已经压制成型的脆性或塑性围岩相似材料升温的温度约45-55℃，并在压力仓体内部对围岩相似材料进行养护的时间为3.5-4.5h。
5.根据权利要求2所述卸压煤层气开发模拟的围岩相似材料的制备方法，其特征在于：所述的脆性围岩相似材料原料、塑性围岩相似材料原料总质量根据相同原料配比、成型条件下确定的脆性围岩相似材料、塑性围岩相似材料的视密度与脆性围岩相似材料、塑性围岩相似材料分层厚度计算得出。
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侯旭伟: "构造煤洞穴卸压煤层气开发脆性围岩相似材料模拟实验研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 *
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