模拟自然界砂岩的材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种地质力学的模拟材料，尤其是一种模拟自然界砂岩或砂岩地层的 复合模拟材料。本发明还涉及该材料的制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 自然界砂岩是一种主要由砂粒胶结而成的沉积岩，其中石英或长石等砂粒含量大 于50%。砂岩结构稳定，成分复杂，主要由石英或长石组成，还含有硅、钙、黏土和氧化铁等 成分，常呈淡褐色或红色。
[0003] 砂岩是源区岩石经风化、剥蚀、搬运在盆地中堆积形成，在自然界构造作用中，尤 其是在造山带和盆地的构造演化过程中起着重要作用。同时，砂岩地层和砂岩构成石油、天 然气和地下水的主要储层。我国大陆广泛发育的砂岩地层，对油气的聚集和保存有着重要 影响，对油气的勘探开发也起着重要作用。
[0004] 因此，对砂岩进行模拟实验研究具有巨大的理论价值和经济效益。
[0005] 目前，在对自然界的岩石地层进行地质力学的模拟实验研究时，一般是根据相似 原理，依据地层岩性的物理、力学指标来选取恰当的、相似性好的模拟材料，进行相似模拟 实验。其中，模拟材料的选取得当是进行模拟实验分析的前提，对于实验结果的可靠性至关 重要。
[0006] 模拟材料可分为单组分模拟材料和复合模拟材料。单组分模拟材料为采用单质组 分的模拟材料，例如模拟自然界泥岩、砂岩的粘土、砂子等，其优点是简单易行，缺点是由于 自然界地层的岩性复杂多变，一般的单组份模拟材料与实际的岩石进行类比的效果不佳。 复合模拟材料为采用两种或两种以上的模拟材料按照一定的比例配制来模拟实际的岩性 的模拟材料，其优点为能比单组份模拟材料更好地模拟自然界地层岩性，因而是目前更为 常用的模拟材料。然而，由于自然界地层岩性的复杂性，为了取得良好的模拟效果，复合模 拟材料的成分和配比需要经过大量的配比实验才能确定。
[0007] 复合模拟材料通常用若干天然材料和人工材料按照一定的比例配制而成。复合模 拟材料包括骨料和胶结物两部分。骨料包括如砂子、铁粉、重晶石粉、铝粉、云母粉等；胶结 物包括水泥、石灰、石膏、高岭土、石蜡等。相似材料的强度取决于胶结物的强度，胶结物的 强度取决于砂子和胶结物的比例及胶结物成分的比例，亦即材料配比。在模型试验之前，必 须进行大量的相似材料配比工作，对每一种材料的配比都要进行力学性质的测定。
[0008] 近来有学者孙珍、谢文彦（2008)模拟脆性上地壳实验时用密度I. 4g/cm3相似比 5X 10 7内摩擦角30-32°的松散石英砂的单组份模拟材料进行模拟研究；殷秀兰（2001)用 橡皮泥+砂+凡士林35:57:8的配比模拟南海北部第三系脆性地层。然而，针对砂岩和砂 岩地层的复合模拟材料，尤其是相似性好的针对砂岩和砂岩地层的复合模拟材料目前还鲜 有报道。
[0009] 判断复合模拟实验材料与砂岩或砂岩地层相似性的主要参数有：粘度、密度、泊松 t匕、抗压强度、抗剪强度、弹性模量、硬度以及应力与应变关系曲线特性。
[0010] 同时需要注意的是，由于自然界客体的复杂性，一种模拟材料往往不能同时很好 地满足模拟地层岩性各个特征的要求。因此，根据具体情况，可以选择某些材料，满足主导 条件，忽略次要因素。一般来说，模拟砂岩的材料需要满足的主导条件为：其变形特征曲线 与砂岩有很好的相似性，且其力学性质满足相似性原理的相关要求。
[0011] 现有技术中有考虑用松香重晶石来模拟砂岩。砂岩的压缩应变的应变率为1. 2%， 具有明显的脆断性，而松香重晶石的应变率也在1. 2%左右，其变形特征曲线与砂岩具有较 好的相似性。然而，松香重晶石材料的力学性质较高，考虑到与砂岩的力学性质不能很好地 一一对应，它并不能很好的满足相似性原理的要求。本发明的模拟材料为石英砂+水泥+ 水以 100 :2-3 :2. 5-3. 5、优选 100:2. 4-2. 6:2. 9-3. 1、更优选 100 :2. 5 :3 的配比配制而成， 不仅其应变率在1. 1%作用，变形特征曲线与砂岩具有较好的相似性，而且其力学性质也满 足相似性原理的相关要求。因此，本发明的材料是模拟砂岩和砂岩地层的理想材料。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的在于提供一种与自然界砂岩或砂岩地层相似性好的复合模拟材料， 以解决现有技术中存在的问题。
[0013] 为了实现上述目的，本发明经过大量的相似材料配比工作，提供了一种与自然界 砂岩高度相似的模拟材料，包括石英砂、水泥和水，其中，石英砂、水泥、水的按重量计的配 比为 100 :2-3 :2· 5-3. 5,相似比为（1-5) X103。
[0014] 在本发明的一个优选实施方式中，所述配比为100:2. 4-2. 6:2. 9-3. 1，相似比为 (1-2) X 103,所述配比更加优选为100 :2. 5 :3,相似比为103。此配比的相似材料与自然界 砂岩的相似性更好，以此模拟材料进行地质力学模拟实验的效果更好，实验结果的可靠性 更商。
[0015] 其中，实验材料和岩石之间的材料性质、物理特征和力学特征等相似指标和相似 常数应较好的符合相似原则。由此构造模拟实验材料相似判别的主要参数依据材料性质的 不同应该包含以下几个方面的内容 ：
[0016] 物理参数：粘度、密度、泊松比
[0017] 力学参数：抗压强度、抗张强度、抗剪强度、弹性模量、硬度
[0018] 变形特征：应力与应变关系曲线、蠕变特性
[0019] 物理模型相似准则导出在地质构造物理模型的相似分析中，将它抽象为动力相似 问题进行讨论，采用量纲分析方法讨论动力相似问题，描述动力相似现象的物理量的函数 为：
[0020] f ( σ , δ , p, t, Z, P , L, E) = 0
[0021] 式中σ为应力，δ为挠度，p为集中力，t为时间，Z为摩擦系数，P为密度，L为 任一线性长度（包括长、宽和高），E为弹性模量。
[0022] π项的指数式为
[0023] Ji = σ aI δ a2pa3ta4za5 P a6La7Ea8
[0024] 列出量纲矩阵，写出指数的联立方程组求解，可得到动力相似问题的相似准则，即
[0025]
[0026] 是动力相似问题的最基本的相似准则，由此可以导出一系列相似准则来。
[0027] 模型的几何相似、时间相似、运动相似、相似和材料相似等相似准则导出如下。
[0028]
[0029] 单个实验的相似条件要满足：C η = C P CLCt ;Cp = C P Cl ;CE = Cp
[0030] 其中：C η为粘度相似倍数，Cp为力相似倍数，Cp为密度相似倍数，CE弹性模量 相似倍数，Ct为时间相似倍数，CL为几何相似倍数。
[0031] 相似倍数一般满足下列条件：CL~10 3~10 5 ;Ct~10 11~10 13 ;C η~10 15~ 10 19 ;Cp ~10 4 ~10 5 ;CE ~10 4 ~10 5。
[0032] 其中，在动力相似模型实验中，几何相似倍数、主要物理、力学参数相似倍数以及 时间相似倍数为主导因素，其中只有两个可以按照模拟材料选取，其他的则随之而定。
[0033] 在本发明的一个优选实施方式中，所述石英砂粒度为0. 12-0. 2_。此石英砂粒度 与天然砂岩中的骨料粒度更接近，模拟效果更好。
[0034] 在本发明的一个优选实施方式中，所述水泥为硅酸盐水泥，优选为普通硅酸盐水 泥。使用该水泥在力学特征上与砂岩有合理的相似比。
[0035] 在本发明的一个优选实施方式中，所述水泥为225号水泥。所述225号水泥为根 据GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》所述的225号水泥。该型号水泥为低标号水 泥，固结时间适中，在力学特征上与砂岩具有尤其良好的相似比。
[0036] 在本发明的一个优选实施方式中，将所述的石英砂、水泥和水按照本发明的的配 比进行混合。
[0037] 在本发明的一个优选实施方式中的材料在模拟自然界砂岩或砂岩地层中的应用。
[0038] 在本发明的一个优选实施方式中，所述自然界砂岩或砂岩地层为古生生界地层中 的自然界砂岩或砂岩地层。由于在本发明的配比实验中用作参照物的自然界岩样为古生生 界地层的砂岩，因此本方面的模拟材料尤其与古生生界地层中的自然界砂岩或砂岩地层的 相似性高。
[0039] 在本发明的一个优选实施方式中，所述应用为在砂岩地层的油气勘探开发中的应 用。
[0040] 在本发明的一个优选实施方式中，所述应用为对自然界构造作用的研究的应用， 优选为对造山带和盆地的构造演化过程的研究的应用。
[0041] 本发明的有益效果为：
[0042] 第一，本发明的模拟材料与自然界砂岩或砂岩地层相似性好，具体来说，根据本发 明的模拟材料与自然界砂岩不仅变形特征曲线相似性好，而且力学性质也具有良好的相似 性。
[0043] 第二，本发明的模拟材料的原料来源广泛，取材方便，价格低廉；
[0044] 第三，本发明的模拟材料的物理、力学性能稳定，尤其是不因温度、湿度和时间等 改变而产生明显变化；
[0045] 第四，本发明的模拟材料的配制方法简单易行；
[0046] 第五，本发明的模拟材料没有生锈的物质，不存在因为生锈影响性能的情况；
[0047] 第六，本发明的模拟材料能很好地应用于砂岩地层的油气勘探开发和对自然界构 造作用的研究、优选为对造山带和盆地的构造演化过程的研究。
【附图说明】
[0048] 图1为应变测试实验的示意图。
[0049] 图2为自然界砂岩的应变曲线图。
[0050] 图3为本发明的模拟自然界砂岩的材料A的应变曲线图。
【具体实施方式】
[0051] 以下结合实施例对本发明进行详细说明。但需要理解的是本发明的范围并不限于 下列实施例。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以对其进行各种改进，并且可以用 等效物替换其中的要素。尤其是，只要不存在冲突，各个实施例中提到的各项技术特征均可 以任意方式组合起来。
[0052] 通过应变测试实验测定应变曲线。应变曲线为表示材料在外力或外因变化的作用 下，应力与