CN112304722B - 一种含泥质弱胶结砂岩重塑方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含泥质弱胶结砂岩重塑方法，适用于研究特殊区域地质样本。首先进行母岩机械破碎，通过洗滤实现砂岩主要颗粒与填隙物的分离；然后进行温压固化促进砂岩颗粒间的镶嵌咬合，从而形成无胶结物胶结和铁质胶结作用，进而进行保压复温，并通过浆状填隙物渗透实现砂岩中泥质胶结，最后通过二氧化碳注入实现砂岩中颗粒间的钙质胶结作用，在室内重塑含泥质砂岩中无胶结物、铁质、泥质、钙质胶结，同时保持重塑砂岩主要物质成分与母岩相同。其步骤简单、使用效果好，且不改变砂岩中粘土矿物性质。
Description
技术领域
本发明涉及一种胶结砂岩重塑方法，尤其适用于研究特殊区域地质样本的一种含泥质弱胶结砂岩重塑方法。
背景技术
鄂尔多斯盆地是我国西部煤炭的主要富集区，储量占全国近40％。因此，鄂尔多斯盆地在未来相当长一段时间内将是我国西部煤炭开发的主战场。鄂尔多斯盆地内部虽属弱构造变形区，但是受燕山期左旋剪切和喜山期右旋拉张作用，盆地内部白垩系泥质含量低、细粒砂岩中常发育高角度共轭裂缝。目前，白垩系共轭裂缝及其对竖井围岩应力状态、变形和渗流的控制机理尚不清楚，成为制约盆地竖井建设的瓶颈。
鄂尔多斯盆地白垩系，岩性属于弱胶结砂岩，且多含泥质，易扰难取，严重影响白垩系共轭裂缝的定量研究。室内重塑(“人造岩心”)是解决该问题的有效途径。申请人前期考虑时间-温度补偿原理，发明了基于温压控制的弱胶结砂岩重塑方法(ZL201810533972.5)，较好重塑了低粘土矿物含量砂岩中石英、长石等颗粒内嵌咬合诱发的胶结作用(无胶结物胶结)。但是高温作用后，粘土矿物会发生脱水改性，当重塑砂岩(1)所处水-热-力状态遭受扰动后，其泥化、松化行为与母岩间存在差异。基于此，在已有温压重塑方法基础上，结合前期正负压联合注浆方法和水平渗透方法(ZL201811153205.8)研究基础，进一步提出基于选择性温压固化原理的含泥质弱胶结砂岩重塑方法。
发明内容
技术问题：针对上述技术问题，提供一种针对鄂尔多斯盆地普遍发育共轭裂缝且粘质含量低的白垩系砂岩，步骤简单、使用效果好，且不改变砂岩中粘土矿物性质的含泥质弱胶结砂岩重塑方法。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明的含泥质弱胶结砂岩室内重塑方法，其步骤为：首先进行母岩机械破碎，通过洗滤实现砂岩主要颗粒与填隙物的分离；然后进行温压固化，通过温压作用促进砂岩颗粒间的镶嵌咬合，从而形成无胶结物胶结和铁质胶结，之后进行保压复温，并进行浆状填隙物渗透，通过填隙物渗透实现砂岩中泥质胶结，最后通过二氧化碳注入，实现砂岩中颗粒间的钙质胶结作用，从而在室内重塑含泥质砂岩中无胶结物、铁质、泥质、钙质胶结，同时保持重塑砂岩主要物质成分与母岩相同。
具体步骤如下：
步骤一、采集目标地区的典型白垩系含泥质弱胶结砂岩并获取其原岩孔隙率，对砂岩进行机械破碎；
步骤二、将破碎后的砂岩装进盛有蒸馏水的洗滤杯中浸泡，浸泡不低于24h，然后将洗滤杯中上层含泥质填隙物导出至储浆罐，如此反复导出含泥质填隙物，直至破碎砂岩中超过98％的含泥质填隙物和砂岩颗粒分离；
步骤三、将经分离含泥质填隙物的砂岩颗粒填满侧壁内设有渗透腔的钢管的管内空间，钢管内壁上设有多个与渗透腔连通的渗透孔；
步骤四、对钢管内的砂岩颗粒加温，然后通过设置在钢管管口处的传压块施加向下的压力，实现砂岩颗粒间的镶嵌咬合，从而形成无胶结物胶结和铁质胶结，直至钢管内的砂岩颗粒孔隙率等于原岩孔隙率与含泥质填隙物所占孔隙率的和，含泥质填隙物所占孔隙率＝含泥质填隙物体积/重塑砂岩体积；
步骤五、在球磨机上对分离出的含泥质填隙物进行研磨，研磨时间4～6h，然后将研磨后的粉末装入储浆罐并加蒸馏水调制成浆液；
步骤六、通过钢管的渗透腔上设置的真空泵接口与真空泵相连并抽真空；
步骤七、通过钢管的渗透腔上设置的注浆泵接口与压力泵相连并实施周向压力渗透，将浆液压入钢管中的砂岩颗粒间隙；
步骤八、保持固化压力烘干钢管中的水分形成重塑砂岩；
步骤九、重复步骤六至步骤八直至钢管中的重塑砂岩的孔隙率等于原岩孔隙率；
步骤十、对钢管(5)中砂岩颗粒进行最后一次压力渗透后，调整钢管(5)内温度至+25℃，从而形成泥质胶结，然后向钢管(5)中注入纯度99％的二氧化碳气体，并保持24h以上，通过二氧化碳注入使高温分解后的氧化钙与二氧化碳充分反应生成钙质胶结，最终形成含泥质弱胶结砂岩。
步骤四中对砂岩颗粒施加向下的压力为固化压力10～40MPa，施加的固化温度600～1000℃。
加蒸馏水调制的浆液中的含泥质填隙物含量为10％。
抽真空使渗透腔、重塑砂岩中负压达到90kPa以上。
压力泵保持的固化压力为渗透压力的200％，烘干温度为+80℃。
有益效果：由于采用了上述技术方案，保证了重塑砂岩中粘土矿物不发生脱水和改性，满足重塑砂岩主要物质成分、胶结类型与母岩相同。
具有如下优势：
1)基于选择性温压固化方法，可有效避免粘土矿物的高温改性，更为精准的发挥温度～时间补偿原理优势，使得重塑砂岩(1)在满足主要物理力学指标与原岩相同前提下室内重现工程环境效应；
2)基于缩短渗透路径和增加渗透面积的围向渗透方法，可有效改善砂岩中粘土矿物分布的均匀度，实现重塑的要求；
3)相比数字岩心方法，物理岩心更能准确刻画源于水-热-力扰动的驱动力，能够更真实的揭示含泥质弱胶结砂岩冻结过程中水分迁移机理和注浆扰动诱发的泥质脱离母体及其在裂隙中运移堵塞机制。
附图说明
图1为本发明的用于含泥质弱胶结砂岩室内重塑的方法流程图；
图2为本发明的含母岩填隙物浆液渗透和二氧化碳注入原理示意图：
图中：1-重塑砂岩；2-传压块；3-渗透腔；4-渗透孔；5-钢管；6-真空泵接口；7-注浆泵接口。
具体实施方式：
下面结合附图对本身请的实施例做进一步说明：
如图1所示，本发明的含泥质弱胶结砂岩室内重塑方法，首先进行母岩机械破碎，通过洗滤实现砂岩主要颗粒与填隙物的分离；然后进行温压固化，通过温压作用促进砂岩颗粒间的镶嵌咬合，从而形成无胶结物胶结和铁质胶结，之后进行保压复温，并进行浆状填隙物渗透，通过填隙物渗透实现砂岩中粘土矿物胶结，最后通过二氧化碳注入，实现砂岩中颗粒间的钙质胶结作用，从而在室内重塑含泥质砂岩中无胶结物、铁质、泥质、钙质胶结，同时保持重塑砂岩主要物质成分与母岩相同。
具体步骤如下：
步骤一、采集目标地区的典型白垩系含泥质弱胶结砂岩并获取其原岩孔隙率，对砂岩进行机械破碎；
步骤二、将破碎后的砂岩装进盛有蒸馏水的洗滤杯中浸泡，浸泡不低于24h，然后将洗滤杯中上层含泥质填隙物导出至储浆罐，如此反复导出含泥质填隙物，直至破碎砂岩中超过98％的含泥质填隙物和砂岩颗粒分离；
步骤三、如图2所示，将经分离含泥质填隙物的砂岩颗粒填满侧壁内设有渗透腔3的钢管5的管内空间，钢管5内壁上设有多个与渗透腔3连通的渗透孔4，图2中T为固化温度，P为固化压力；
步骤四、对钢管5内的砂岩颗粒加温，施加的固化温度600～1000℃，然后通过设置在钢管5管口处的传压块2施加向下的压力，压力为10～40MPa，实现砂岩颗粒间的镶嵌咬合，从而形成无胶结物胶结和铁质胶结，直至钢管5内的砂岩颗粒孔隙率等于原岩孔隙率与含泥质填隙物所占孔隙率的和，含泥质填隙物所占孔隙率＝含泥质填隙物体积/重塑砂岩体积；
步骤五、在球磨机上对分离出的含泥质填隙物进行研磨，研磨时间4～6h，然后将研磨后的粉末装入储浆罐并加蒸馏水调制成浆液，浆液加蒸馏水调制而成，浆液中的含泥质填隙物含量为10％；
步骤六、通过钢管5的渗透腔3上设置的真空泵接口6与真空泵相连并抽真空，抽真空使渗透腔3、重塑砂岩1中负压达到90kPa以上；
步骤七、通过钢管5的渗透腔3上设置的注浆泵接口7与压力泵相连并实施周向压力渗透，将浆液压入钢管5中的砂岩颗粒间隙，压力泵保持的固化压力为渗透压力的200％，烘干温度为+80℃；
步骤八、保持固化压力烘干钢管5中的水分形成重塑砂岩1；
步骤九、重复步骤六至步骤八直至钢管5中的重塑砂岩1的孔隙率等于原岩孔隙率；
步骤十、对钢管5中砂岩颗粒进行最后一次压力渗透后，调整钢管5内温度至+25℃，从而形成泥质胶结，然后向钢管5中注入纯度99％的二氧化碳气体，并保持24h以上，通过二氧化碳注入使高温分解后的氧化钙与二氧化碳充分反应生成钙质胶结。最终形成含泥质弱胶结砂岩。
母岩的“易扰难取”和“无显著平面各向异性”特性是制约共轭裂缝形成、演化机理试验的瓶颈。在已有重塑方法基础上，创新室内含泥质弱胶结砂岩重塑方法，将是解决上述瓶颈的关键。
Claims (6)
1.一种含泥质弱胶结砂岩室内重塑方法，其特征在于步骤为：首先进行母岩机械破碎，通过洗滤实现砂岩主要颗粒与填隙物的分离；然后进行温压固化，通过温压作用实现砂岩颗粒间的镶嵌咬合，从而形成无胶结物胶结和铁质胶结，之后进行保压复温，并进行浆状填隙物渗透实现砂岩中泥质胶结，最后通过二氧化碳注入，实现砂岩中颗粒间的钙质胶结，从而在室内重塑含泥质砂岩中无胶结物、铁质、泥质、钙质胶结，同时保持重塑砂岩主要物质成分与母岩相同。
2.根据权利要求1所述含泥质弱胶结砂岩室内重塑方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一、采集目标地区的典型白垩系含泥质弱胶结砂岩并获取其原岩孔隙率，对砂岩进行机械破碎；
步骤二、将破碎后的砂岩装进盛有蒸馏水的洗滤杯中浸泡，浸泡不低于24h，然后将洗滤杯中上层含泥质填隙物导出至储浆罐，如此反复导出含泥质填隙物，直至破碎砂岩中超过98%的含泥质填隙物和砂岩颗粒分离；
步骤三、将经分离含泥质填隙物的砂岩颗粒填满侧壁内设有渗透腔（3）的钢管（5）的管内空间，钢管（5）内壁上设有多个与渗透腔（3）连通的渗透孔（4）；
步骤四、对钢管（5）内的砂岩颗粒加温，然后通过设置在钢管（5）管口处的传压块（2）施加向下的压力，实现砂岩颗粒间的镶嵌咬合，从而形成无胶结物胶结和铁质胶结，直至钢管（5）内的砂岩颗粒孔隙率等于原岩孔隙率与含泥质填隙物所占孔隙率之和，其中含泥质填隙物所占孔隙率=含泥质填隙物体积/重塑砂岩体积；
步骤五、在球磨机上对分离出的含泥质填隙物进行研磨，研磨时间4~6h，然后将研磨后的粉末装入储浆罐并加蒸馏水调制成浆液；
步骤六、通过钢管（5）的渗透腔（3）上设置的真空泵接口（6）与真空泵相连并抽真空；
步骤七、通过钢管（5）的渗透腔（3）上设置的注浆泵接口（7）与压力泵相连并实施周向压力渗透，将浆液压入钢管（5）中的砂岩颗粒间隙；
步骤八、保持固化压力烘干钢管（5）中的水分形成重塑砂岩（1）；
步骤九、重复步骤六至步骤八直至钢管（5）中的重塑砂岩（1）的孔隙率等于原岩孔隙率；
步骤十、对钢管（5）中砂岩颗粒进行最后一次压力渗透后，调整钢管（5）内温度至+25℃，从而形成泥质胶结，然后向钢管（5）中注入纯度99%的二氧化碳气体，并保持24h以上，通过二氧化碳注入使高温分解后的氧化钙与二氧化碳充分反应生成钙质胶结，最终形成含泥质弱胶结砂岩。
3.根据权利要求2所述的含泥质弱胶结砂岩室内重塑方法，其特征在于：步骤四中对砂岩颗粒施加向下的压力为固化压力10~40MPa，施加的固化温度600~1000℃。
4.根据权利要求2所述的含泥质弱胶结砂岩室内重塑方法，其特征在于：加蒸馏水调制的浆液中的含泥质填隙物含量为10%。
5.根据权利要求2所述的含泥质弱胶结砂岩室内重塑方法，其特征在于：抽真空使渗透腔（3）、重塑砂岩（1）中负压达到90kPa以上。
6.根据权利要求5所述的含泥质弱胶结砂岩室内重塑方法，其特征在于：压力泵保持的固化压力为渗透压力的200%，烘干温度为+80℃。
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2020
- 2020-10-20 CN CN202011128815.XA patent/CN112304722B/zh active Active
Patent Citations (8)
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| 弱胶结高渗疏松砂岩人造岩心制作新技术;熊钰等;《地球物理学进展》;20151231;第30卷(第3期);第1474-1479页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112304722A (zh) | 2021-02-02 |
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