專利名稱：：一種軟巖相似材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種模型試驗(yàn)相似材料，更具體涉及一種軟巖相似材料，同時(shí)還涉及該軟巖相似材料的制備方法。該軟巖相似材料主要適用于軟巖開釆、軟巖地下儲(chǔ)氣(油)庫腔體穩(wěn)定性的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)科學(xué)研究。
背景技術(shù)：
：我國巖鹽資源十分豐富，已探明的食鹽地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)4500億T，遍及全國9個(gè)省。由于巖鹽開采一般采用鉆井水溶開采工藝，該工藝技術(shù)難度較大，特別是巖鹽溶腔形態(tài)及穩(wěn)定性控制，至今仍是國際水溶采礦界的技術(shù)難題。目前，軟巖地下儲(chǔ)存方式作為能源的主要儲(chǔ)存形式已經(jīng)被各國政府廣泛認(rèn)可，西方發(fā)達(dá)國家如美國、德國、法國等都已建起了大量的軟巖地下儲(chǔ)氣(油)庫，用于國家戰(zhàn)略能源儲(chǔ)備和商業(yè)油氣的儲(chǔ)備，我國目前已經(jīng)初步擬定了金壇等數(shù)個(gè)軟巖溶腔油氣儲(chǔ)存基地，并已啟動(dòng)了相關(guān)的研究工作，其中，儲(chǔ)氣(油)庫軟巖的力學(xué)行為關(guān)系著儲(chǔ)氣庫的長期運(yùn)營穩(wěn)定性和安全性。巖鹽單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量較低，軟巖的彈性模量與單日軸抗壓強(qiáng)度的比值與砂巖、花崗巖等相比較要小l-2個(gè)數(shù)量級(jí)，軟巖的塑性變形能力大，具有孔隙度低、損傷自恢復(fù)等特性，其力學(xué)行為相當(dāng)復(fù)雜?，F(xiàn)有現(xiàn)場測試手段也很難對埋藏深度較大的巖鹽溶腔圍巖應(yīng)力、應(yīng)變特征和失穩(wěn)過程進(jìn)行觀測。相似模擬試驗(yàn)研究，可以通過選擇合適的相似材料和相似比，通過一系列嚴(yán)格控制的邊界條件來模擬這一力學(xué)現(xiàn)象，而且相似模擬試驗(yàn)所需人力物力少，試驗(yàn)效應(yīng)清楚直觀，試驗(yàn)周期短。因此，恰當(dāng)選擇相似材料，開展軟巖的相似模擬試驗(yàn)是研究巖鹽溶腔穩(wěn)定性的一種可行辦法。目前，試驗(yàn)室采用的相似材料通常有①石英砂、石膏和水泥混合料；②重晶石粉、膠膜鐵粉和松香酒精溶液；(D水泥、石膏；④鐵礦粉、河砂、石膏和水泥、添加劑；⑤鐵礦粉、重晶石粉和石英砂作骨料，松香與酒精溶液作膠結(jié)劑，石膏粉作調(diào)節(jié)劑；⑥重晶石粉、石膏、砂子、甘油混合料；⑦重晶石粉、石膏、甘油混合料；⑧重晶石粉、膨潤土混合料；⑨重晶石粉、重硅粉混合料等。這些相似材料與巖石的力學(xué)性能相似，然而這些材料通常是用來模擬脆性巖石的，具有較大的容重，彈強(qiáng)比通常較大，材料塑性變形能力較差，不適于模擬軟巖這種具有低容重，低彈強(qiáng)比，流變性強(qiáng)的巖石。因此，需要研制相應(yīng)的相似材料以滿足試驗(yàn)室研究的需要。通常的相似模型制作方法為先制作小塊或一層，采用逐塊或逐層砌筑，層間釆用粘結(jié)劑粘接，這種辦法將產(chǎn)生人為節(jié)理面，影響或者改變材料的力學(xué)性質(zhì)，而本文發(fā)明方法為一次澆鑄成型，消除了節(jié)理面的影響，成型材料分布均勻，力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定可靠。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是在于提供了一種軟巖相似材料，這種軟巖相似材料具有容重低、抗壓強(qiáng)度與彈性模量低、低彈強(qiáng)比、強(qiáng)流變性等特點(diǎn)，同時(shí)兼具材料性質(zhì)穩(wěn)定、易于加工、成本低廉、無毒等特點(diǎn)，特別適合于軟巖地下儲(chǔ)氣(油)庫的物理模型試驗(yàn)研究。本發(fā)明的另一個(gè)目的是在于提供了一種軟巖相似材料的制備方法，通過該制備方法生產(chǎn)出來的軟巖相似材料分布均勻，力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定可靠。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施本發(fā)明所述的軟巖相似材料成分包括重晶石粉、石英砂、石膏、膨潤土，它由以下重量份原料組成原料重量份(1)填充材料100份(2)骨料19.452.2份(3)膠結(jié)材料6.413.0份(4)添加料3.28.6份(5)水18.825.4份所述的骨料為20目石英砂,占干料總重的15.030.0%;所述的填充材料為石油鉆井級(jí)用重晶石粉,占干料總重的60.077.5%;所述的膠結(jié)材料為熟石膏,占干料總重的5.07.5%;所述的添加料為鈣基膨潤土,占干料總重的2.55.0%;所述的水按水固比7.314.6%的比例添加。(不占固體比重)一種軟巖相似材料，它由以下重量份(一般范圍)原料組成原料重量份(1)填充材料100份(2)骨料19.433.4份(3)膠結(jié)材料6.47.4份(4)添加料3.27.4份(5)水18.821.6份一種軟巖相似材料，它由以下重量份(較好范圍)原料組成:原料重量份(1)填充材料100份(2)骨料19.432.2份G)膠結(jié)材料6.47.2份(4)添加料3.26.6份(5)水18.820.8份一種軟巖相似材料，它由以下重量份(最好范圍)原料組成:原料重量份(1)填充材料100份(2)骨料20份(3)膠結(jié)材料6.6份(4)添加料6.6份(5)水19.4份一種軟巖相似材料的制備方法，包括以下步驟-(1)按照配比稱取填充材料、骨料、膠結(jié)材料、添加料和水。(2)上料及攪拌先在攪拌機(jī)內(nèi)加入少量的水(約為設(shè)計(jì)用水量的1/20)，使機(jī)筒的筒壁潤滑，然后開啟攪拌機(jī)，在低速(約3040r/min)攪拌狀態(tài)下依次加入填充材料、骨料、膠結(jié)材料、添加料，繼續(xù)攪拌。(3)加水?dāng)嚢柙跀嚢锠顟B(tài)下將剩余19/20水一次加入(設(shè)計(jì)用水量的19/20)，將攪拌機(jī)速度設(shè)為高速(約60120r/min)，繼續(xù)攪拌35min。(4)震動(dòng)成型出料，將漿體倒入預(yù)制模具，用小型震動(dòng)棒震搗均勻，除去漿體中的氣泡，并將模型表面刮平抹平。(5)烘房養(yǎng)護(hù)將制好模型送入烘房，溫度控制在38-42°C，養(yǎng)護(hù)14天即可供試驗(yàn)研究使用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明配方中膨潤土(1.2-1.8g/cm3)、石膏(2.3g/cm3)、石英砂(2.2g/cm3)容重相對較低，因而成品材料容重較低，其相對容重在2.0-2.2g/ci^之間，與軟巖容重相近，而常用的相似材料容重通常在2.5-2.8之間，與巖石相近。2、按本發(fā)明配方制成模型材料彈性模量在0.19-0.40GPa之間，單軸抗壓強(qiáng)度在0.36-1.16MPa之間，彈強(qiáng)比在1.85-2.卯之間。彈性模量與抗壓強(qiáng)度較小，從而可以使得模型試驗(yàn)只可以使用大的相似比尺(1:50100)，以模擬尺寸相對較大的軟巖腔體；彈強(qiáng)比較小，與軟巖的力學(xué)性質(zhì)相近。3、按本發(fā)明配方制成模型材料具有極強(qiáng)的塑性變形能力，即使在達(dá)到峰值應(yīng)力以后，仍可維持較長的塑性變形階段，破壞后不易解體，其變形能力比大理巖、花崗巖大1一2個(gè)數(shù)量級(jí)。4、采用本發(fā)明制備方法制作軟巖地質(zhì)力學(xué)模型，由于混合料呈漿狀，并采用一次澆鑄成型，成型后材料均勻性好，力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定可靠。本發(fā)明軟巖相似材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一容重為2.2g/cm3，單軸抗壓強(qiáng)度為0.51MPa，彈模為0.26GPa，彈強(qiáng)比1.95，試樣單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖1、圖2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果二容重為2.2g/cm3，單軸抗壓強(qiáng)度為0.49MPa，彈模為0.24GPa，彈強(qiáng)比2.01，試樣單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線圖3、圖4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果三容重為2.2g/cm3，單軸抗壓強(qiáng)度為U3MPa，彈模為0.40GPa，彈強(qiáng)比2.8，試樣單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線圖5、圖6。圖1為配方1單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(A)圖2為配方1單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(B)圖3為配方2單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(A)圖4為配方2單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(B)圖5為配方3單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(A)圖6為配方3單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(B)具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:一種軟巖相似材料，它由以下重量份原料組成:原料重量份(1)填充材料100份(2)骨料20份(3)膠結(jié)材料6.6份(4)添加料6.6份(5)水19.4份原材料選擇重晶石粉選用的是市售武漢中原金貝工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的普通重晶石粉，其質(zhì)量指標(biāo)為硫酸鋇含量>90%細(xì)度200目一325目水溶物《0.1%粘土效應(yīng)Pa's:《0.125石英砂選用的是市售武漢新型石英砂廠生產(chǎn)的20目白色石英砂。石膏選用市售湖北應(yīng)城石膏廠生產(chǎn)的熟石膏，其質(zhì)量指標(biāo)為白度>84細(xì)度120—200目凝結(jié)時(shí)間初凝^5min，終凝^20min強(qiáng)度2h抗拉^3.5MPa，2h抗壓》8Mpa標(biāo)稠60-70%膨潤土選用的是市售河南信陽廣運(yùn)膨潤土廠生產(chǎn)的鈣基膨潤土，其性能指標(biāo)國家GB/T5005-2001標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；一種軟巖相似材料的制備方法，其步驟是(1)按照配比稱取填充材料、骨料、膠結(jié)材料、添加料和水。(2)上料及攪拌先在攪拌機(jī)內(nèi)加入少量的水(約為設(shè)計(jì)用水量的1/20)，使機(jī)筒的筒壁潤滑，然后開啟攪拌機(jī)，在低速(約3040r/min)攪拌狀態(tài)下依次加入填充材料、骨料、膠結(jié)材料、添加料，繼續(xù)攪拌。(3)加水?dāng)嚢柙跀嚢锠顟B(tài)下將剩余19/20水一次加入(設(shè)計(jì)用水量的19/20)，將攪拌機(jī)速度設(shè)為高速(約60120r/min)，繼續(xù)攪拌35min。(4)震動(dòng)成型出料，將漿體倒入預(yù)制模具，用小型震動(dòng)棒震搗均勻，除去漿體中的氣泡，并將模型表面刮平抹平。(5)烘房養(yǎng)護(hù)將制好模型送入烘房，溫度控制在38或39或40或40或42°C，養(yǎng)護(hù)14天即可供試驗(yàn)研究使用。一種軟巖相似材料，它由以下重量份原料組成:<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>其制備步驟與實(shí)施例l相同。權(quán)利要求1、一種軟巖相似材料，其特征在于它由以下重量份原料組成原料重量份(1)填充材料100份，(2)骨料19.4～52.2份，(3)膠結(jié)材料6.4～13.0份，(4)添加料3.2～8.6份，(5)水18.8～25.4份，所述的骨料為20目石英砂；所述的填充材料為石油鉆井級(jí)用重晶石粉；所述的膠結(jié)材料為熟石膏；所述的添加料為鈣基膨潤土。2、按照權(quán)利要求1所述的一種軟巖相似材料，其特征在于它由以下重量份原料組成原料重量份(1)填充材料100份，(2)骨料19.450.0份，(3)膠結(jié)材料6.412.6份，(4)添加料3.27.4份，(5)水18.824.4份。3、按照權(quán)利要求1所述的一種軟巖相似材料，其特征在于它由以下重量份原料組成原料重量份(1)填充材料100份，(2)骨料19.433.4份，(3)膠結(jié)材料6.47.4份，(4)添加料4.27.4份，(5)水18.821.6份。4、按照權(quán)利要求1所述的份原料組成原料(1)填充材料(2)骨料(3)膠結(jié)材料(4)添加料(5)水5、按照權(quán)利要求1所述的份原料組成原料(1)填充材料(2)骨料(3)膠結(jié)材料(4)添加料(5)水一種軟巖相似材料，其特征在于它由以下重量100份，19.432.2份，6.47.2份，4.26.6份，18.820.8份。-種軟巖相似材料，其特征在于它由以下重量100份，20份，6.6份，6.6份，19.4份。6、一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的軟巖相似材料的制備方法，其步驟是(1)按照配比稱取填充材料、骨料、膠結(jié)材料、添加料和水；(2)上料及攪拌先在攪拌機(jī)內(nèi)加入1/20水，使機(jī)筒的筒壁潤滑，然后開啟攪拌機(jī)，在低速3040r/min攪拌狀態(tài)下依次加入填充材料、骨料、膠結(jié)材料、添加料，繼續(xù)攪拌；(3)加水?dāng)嚢柙跀嚢锠顟B(tài)下將剩余19/20水一次加入，將攪拌機(jī)速度設(shè)為高速60120r/min，繼續(xù)攪拌35min;(4)震動(dòng)成型出料，將漿體倒入預(yù)制模具，用震動(dòng)棒震搗35min，使?jié){體分布均勻，并除去漿體中的氣泡，最后將模型表面刮平、抹平；(5)烘房養(yǎng)護(hù)將制好模型送入烘房，溫度控制在38-42t:，養(yǎng)護(hù)14天后即供試驗(yàn)研究使用。全文摘要本發(fā)明公開了一種軟巖相似材料及其制備方法。該軟巖相似材料它由填充材料、骨料、膠結(jié)材料、添加料和水按一定比例組成，其步驟是(1)稱取原料；(2)上料及攪拌先在攪拌機(jī)內(nèi)加入水，使機(jī)筒的筒壁潤滑，然后開啟攪拌機(jī)，在攪拌狀態(tài)下依次加入填充材料、骨料、膠結(jié)材料、添加料，繼續(xù)攪拌；(3)加水?dāng)嚢柙跀嚢锠顟B(tài)下將水加入，將攪拌機(jī)速度設(shè)為高速，繼續(xù)攪拌；(4)震動(dòng)成型出料，將漿體倒入預(yù)制模具，用震動(dòng)棒震搗，使?jié){體均勻，除去氣泡，最后將模型表面刮平；(5)烘房養(yǎng)護(hù)將制好模型送入烘房，養(yǎng)護(hù)。材料具有容重低、抗壓強(qiáng)度與彈性模量低，性質(zhì)穩(wěn)定、易于加工、成本低廉、無毒，適合于軟巖開采、軟巖地下儲(chǔ)氣庫腔體穩(wěn)定性的地質(zhì)力學(xué)研究。文檔編號(hào)G01N1/28GK101614629SQ200910061808公開日2009年12月30日申請日期2009年4月24日優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日發(fā)明者戴永浩,陳衛(wèi)忠申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所