CN112051389A - 一种重塑煤系泥岩样的制备材料及其批量制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于岩石力学实验领域，涉及一种重塑煤系泥岩样的制备材料，包括以下组分：煤粉、膨润土、粘土、石英砂、水泥和水，其中各组分的质量占比为：煤粉占总料比重为5％～15％，膨润土占总料比重为10％～20％，粘土占总料比重为5％～10％，石英砂占总料比重为30％～40％，水泥占总料比重为5％～15％，其余占比为水，在实验室利用钙基膨润土或者钠基膨润土的特性模拟泥岩的吸水特性和膨胀变形特性、利用石英砂和水泥的特性模拟泥岩的砂质成分和强度、再加上一定量的现场煤样、粘土和纯净水，利用专用塑性烘干磨具按照不同配比得到重塑实验岩样进行岩石力学实验，并选取与现场岩样力学性能最接近的配比批量制备炭质泥岩样品进行力学评价。

Description

一种重塑煤系泥岩样的制备材料及其批量制备方法
技术领域
本发明属于岩石力学实验领域，涉及一种重塑煤系泥岩样的制备材料及其批量制备方法，尤其涉及一种还原煤系泥岩力学性质的重塑煤系泥岩样的制备材料及其批量制备方法。
背景技术
煤系炭质泥岩是一种与煤层伴生沉积岩系，岩性变化较大。现场取岩样研究，必会出现所取得的岩样本身力学特性不一样，难以通过实验室实验得到较为统一的力学参数对比数据。
公开号为CN110482988A的发明专利公开了一种弱膨胀泥岩相似材料及其制备方法，包括以下组分，膨润土、重晶石粉、松香酒精溶液以及石膏、石英砂。其中，各组分的占总料质量比为：膨润土5％-20％，重晶石粉10％-40％，松香酒精溶液7％，石膏占0-3％，石英砂为以上材料占比之和不足1时的填充。制备方法，粉状松香用乙醇溶解得到松香酒精溶液，按照预先设计的质量配比称量所述膨润土、重晶石粉、石膏及石英砂，并混合均匀得到干材料，将按质量配比的松香酒精溶液加入干材料中，再混合均匀，得到湿材料；将湿材料制样、烘干。有益效果：本发明主要保证了相似材料的膨胀性、高强度性、易粘结性，同时具有稳定的力学性质。各组分原料易得，成本较低。
公开号为CN106153423B的发明专利公开了一种泥岩样品、利用岩屑重塑泥岩样品的装置及方法，属于深部油气藏钻探及枯竭气藏利用技术领域。该泥岩样品经由泥岩钻井碎屑制备得到。该装置包括套筒、底板、压板和施力机构。该方法包括：获取泥岩层钻井碎屑；对泥岩层钻井碎屑进行研磨，得到经过研磨的泥岩层钻井碎屑；向经过研磨的泥岩层钻井碎屑中加入水并搅拌，得到手捏可成团的泥岩层钻井碎屑；将手捏可成团的泥岩层钻井碎屑容置于该装置中压制成型并取出，得到该泥岩样品。通过对重塑得到的泥岩样品进行力学评价，能够对报废井的密封性能进行评价，进一步为是否进行修井作业提供参考。
上述现有相关专利侧重单个泥岩岩样的重塑，但是不能批量制备实验岩样且批量重塑后的泥岩岩样不能高度还原现场炭质泥岩力学性能。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决上述泥岩岩样重塑过程所存在的不能批量制备实验岩样且批量重塑后的泥岩岩样不能高度还原现场炭质泥岩力学性能的问题，提供一种重塑煤系泥岩样的制备材料及其批量制备方法。
为达到上述目的，本发明提供一种重塑煤系泥岩样的制备材料，包括以下组分：煤粉、膨润土、粘土、石英砂、水泥和水，其中各组分的质量占比为：煤粉占总料比重为5％～15％，膨润土占总料比重为10％～20％，粘土占总料比重为5％～10％，石英砂占总料比重为30％～40％，水泥占总料比重为5％～15％，其余占比为水。
进一步，膨润土为钙基膨润土或钠基膨润土中的一种或者两种。
进一步，经研磨后煤粉的粒径小于0.5mm，钙基膨润土或钠基膨润土的粒径均小于0.5mm，筛选石英砂的粒径小于0.5mm。
进一步，钙基膨润土或钠基膨润土的蒙脱石含量达到85％以上。
一种重塑煤系泥岩样的批量制备方法，包括以下步骤：
S1、现场采集岩样，测定现场煤系泥岩岩样在常温下(25℃)主要力学参数(单轴抗压强度、轴向膨胀应变)和矿物组分；
S2、选择煤、膨润土、粘土、石英砂、水泥和水作为原料进行研磨，根据现场采集岩样矿物组分和强度，按照不同实验分组配比制备煤系泥岩测试用岩样，若现场采集岩样单轴抗压强度较高，则适当提高石英砂和水泥占比；若现场采集岩样吸水膨胀变形量较大，则适当提高膨润土和粘土占比；
S3、通过专用塑性烘干磨具制备测试煤系泥岩样并烘干制样；
S4、对各组测试泥岩岩样开展常温下岩石力学实验(25℃)，测定其单轴抗压强度、轴向膨胀应变；
S5、选取测试岩样与现场岩样单轴抗压强度和轴向膨胀应变最接近的一组作为标准配比；
S6、按照标准配比通过专用塑性烘干磨具批量制备实验用岩样；
S7、用岩石磨平机将实验岩样打磨成标准φ50mm×100mm标准圆柱体试件，进行称重和分组编号。
进一步，步骤S3和S6中塑性烘干磨具包括保温箱、放置在保温箱内的若干塑形试件保护套、扣合在塑形试件保护套上的塑形试件保护盖和放置在保温箱底部的加热管，塑形试件保护套上均匀开设有透气孔。
进一步，保温箱上安装有温控器，塑形试件保护套为两块均匀开设有透气孔的弧形板拼装而成。
进一步，步骤S3和S6原料置于塑性烘干磨具后，滩涂均匀平整，并采用振动和反复压实排除砂浆内空隙，最后抹平样板表面。
进一步，步骤S5选取测试岩样单轴抗压强度平均值与现场岩样单轴抗压强度平均值相差不超过5％，选取测试岩样轴向膨胀应变平均值与现场岩样轴向膨胀应变平均值相差不超过10％。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所公开的还原煤系泥岩力学性质的重塑样批量制备方法，通过现场取样测定煤系泥岩岩样常温下的单轴抗压强度、膨胀变形特性，然后在实验室利用钙基膨润土或者钠基膨润土的特性模拟泥岩的吸水特性和膨胀变形特性、利用石英砂和水泥的特性模拟泥岩的砂质成分和强度、再加上一定量的现场煤样、粘土和纯净水，利用专用塑性烘干磨具按照不同配比得到重塑实验岩样并进行岩石力学实验，从中选出一组单轴抗压强度和膨胀变形特性与现场采集岩样最接近的一组作为标准配比，并进行批量制备实验岩样。由此得到的重塑岩样能够高度还原现场炭质泥岩的吸水性和基本力学性质，材料简单易得；同时通过对重塑得到的炭质泥岩样品进行力学评价，可以通过控制单一变量，如温度、压力、含水率等，用大批量和现场力学性质类似的均质试件进行分组交叉试验，定量分析单一因素对煤系炭质泥岩的影响程度。
2、本发明所公开的还原煤系泥岩力学性质的重塑样批量制备方法，选取煤粉、钙基膨润土(钠基膨润土)、粘土、石英砂、水泥和水作为原料，按照配比试验结果得到与煤系炭质泥岩岩样的膨胀性、吸水性和基本力学性质高度一致的重塑样。用较低的成本批量制备实验均质岩样，方便开展岩石力学实验。
3、本发明所公开的还原煤系泥岩力学性质的重塑样批量制备方法，可批量制备均质的炭质泥岩重塑样品，并能够高度还原炭质泥岩的吸水性、膨胀性和基本力学性质，而且造作价格便宜，具有明显的实用性和创新性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明还原煤系泥岩力学性质的重塑样批量制备方法的流程图；
图2为本发明还原煤系泥岩力学性质的重塑样批量制备方法中塑性烘干磨具的结构示意图。
附图标记：保温箱1、塑形试件保护盖2、试件3、塑形试件保护套4、加热管5、温控器6、铁框架7。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图1所示的一种还原煤系泥岩力学性质的重塑样批量制备方法，包括以下步骤：
S1：根据需要研究的煤系炭质泥岩对象，在煤矿现场采集一组岩样，并研磨至粉状，按照《工程岩体试验方法标准(GB/T50266-99)》和《煤和岩石物理力学性质测定方法(GB/T23561.1-2009)》要求，测定常温下岩体的全应力-应变曲线、单轴抗压强度、弹性模量E、泊松比μ、矿物组分，并观测岩样浸泡12h、24h和36h后的膨胀变形量。
S2：选择煤、钙基膨润土或者钠基膨润土、粘土、石英砂、水泥和水作为原料进行研磨，根据现场采集岩样矿物组分和强度，按照不同实验分组配比制备煤系泥岩测试用岩样，若现场采集岩样单轴抗压强度较高，则适当提高石英砂和水泥占比；若现场采集岩样吸水膨胀变形量较大，则适当提高膨润土和粘土占比。
其中：钙基膨润土或者钠基膨润土具有积水膨胀特性，其蒙脱石含量应达到85％以上，主要用于模拟煤系泥岩的吸水特性和膨胀变形特性；煤和石英砂可还原泥岩中所含的煤和砂质；水泥主要起塑形和硬度强化的作用。石英砂需按照《GB/T14684-2001》建筑用砂标准规定，选择细砂(Mf＝2.2-1.6)，主要用于塑形和模拟煤系泥岩中的砂质成分；水泥按照《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)规定选用强度等级P.O 42.5和P.S 32.5/42.5均可，主要起塑形和硬度强化的作用；水选用纯净水。
按照不同的配比方案，分组制备，并记录。
S3：通过如图2所示专用塑形烘干磨具制备测试岩样并烘干制样，塑性烘干磨具包括保温箱1、放置在保温箱内的六组塑形试件保护套4、扣合在对应塑形试件保护套上的塑形试件保护盖2和放置在保温箱底部的加热管5，保温箱上还安装用于监控保温箱内温度变化的温控器6。塑形试件保护套为两块均匀开设有透气孔的弧形板拼装而成，方便塑形和加工。
先将拼装的两块弧形板一端通过塑形试件保护盖固定，然后按照配比方案，将煤、钙基膨润土、石英砂、水泥和水按照一定比例搅拌均匀后作为试件3注入塑形试件保护套中滩涂均匀平整，并采用振动和反复压实排除砂浆内空隙，并经过多次人工加料和加压排除孔隙后，通过塑形试件保护盖2将塑形试件保护套4封闭加固，并放入保温箱中自然风干。一周后将测试岩样通过密封铁框架7取出，打磨成标准φ50mm×100mm标准圆柱体试件，以备试验。塑形烘干磨具具有温度控制功能，保证环境温度可控。塑形试件尺寸φ60mm×110mm，略大于标准试件尺寸，便于打磨加工。
S4、对各组测试泥岩岩样开展常温下岩石力学实验(25℃)，测定其单轴抗压强度、轴向膨胀应变；
S5、选取测试岩样与现场岩样单轴抗压强度和轴向膨胀应变最接近的一组作为标准配比，选取测试岩样单轴抗压强度平均值与现场岩样单轴抗压强度平均值相差不超过5％，选取测试岩样轴向膨胀应变平均值与现场岩样轴向膨胀应变平均值相差不超过10％；
S6、按照标准配比通过专用塑性烘干磨具批量制备实验用岩样(重复S3步骤)；
S7、用岩石磨平机将实验岩样打磨成标准φ50mm×100mm标准圆柱体试件，进行称重和分组编号。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种重塑煤系泥岩样的制备材料，其特征在于，包括以下组分：煤粉、膨润土、粘土、石英砂、水泥和水，其中各组分的质量占比为：煤粉占总料比重为5%~15%，膨润土占总料比重为10%~20%，粘土占总料比重为5%~10%，石英砂占总料比重为30%~40%，水泥占总料比重为5%~15%，其余占比为水。
2.如权利要求1所述的重塑煤系泥岩样的制备材料，其特征在于，所述膨润土为钙基膨润土或钠基膨润土中的一种或者两种。
3.如权利要求2所述的重塑煤系泥岩样的制备材料，其特征在于，经研磨后煤粉的粒径小于0.5mm，钙基膨润土或钠基膨润土的粒径均小于0.5mm，筛选石英砂的粒径小于0.5mm。
4.如权利要求2所述的重塑煤系泥岩样的制备材料，其特征在于：钙基膨润土或钠基膨润土的蒙脱石含量达到85%以上。
5.一种重塑煤系泥岩样的批量制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、现场采集岩样，测定现场煤系泥岩岩样在常温下（25℃）主要力学参数（单轴抗压强度、轴向膨胀应变）和矿物组分；
S2、选择煤、膨润土、粘土、石英砂、水泥和水作为原料进行研磨，根据现场采集岩样矿物组分和强度，按照不同实验分组配比制备煤系泥岩测试用岩样；
S3、通过专用塑性烘干磨具制备测试煤系泥岩样并烘干制样；
S4、对各组测试泥岩岩样开展常温下岩石力学实验（25℃），测定其单轴抗压强度、轴向膨胀应变；
S5、选取测试岩样与现场岩样单轴抗压强度和轴向膨胀应变最接近的一组作为标准配比；
S6、按照标准配比通过专用塑性烘干磨具批量制备实验用岩样；
S7、用岩石磨平机将实验岩样打磨成标准φ50mm×100mm标准圆柱体试件，进行称重和分组编号。
6.如权利要求5所述的重塑煤系泥岩样的批量制备方法，其特征在于，步骤S3和S6中塑性烘干磨具包括保温箱、放置在保温箱内的若干塑形试件保护套、扣合在塑形试件保护套上的塑形试件保护盖和放置在保温箱底部的加热管，塑形试件保护套上均匀开设有透气孔。
7.如权利要求6所述的重塑煤系泥岩样的批量制备方法，其特征在于，所述保温箱上安装有温控器，塑形试件保护套为两块均匀开设有透气孔的弧形板拼装而成。
8.如权利要求7所述的重塑煤系泥岩样的批量制备方法，其特征在于，步骤S3和S6原料置于塑性烘干磨具后，滩涂均匀平整，并采用振动和反复压实排除砂浆内空隙，最后抹平样板表面。
9.如权利要求8所述的重塑煤系泥岩样的批量制备方法，其特征在于，步骤S5选取测试岩样单轴抗压强度平均值与现场岩样单轴抗压强度平均值相差不超过5%，选取测试岩样轴向膨胀应变平均值与现场岩样轴向膨胀应变平均值相差不超过10%。
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