专利名称：：一种软岩相似材料及制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种模型试验相似材料，更具体涉及一种软岩相似材料，同时还涉及该软岩相似材料的制备方法。该软岩相似材料主要适用于软岩开釆、软岩地下储气(油)库腔体稳定性的地质力学模型试验科学研究。
背景技术：
：我国岩盐资源十分丰富，已探明的食盐地质储量达4500亿T，遍及全国9个省。由于岩盐开采一般采用钻井水溶开采工艺，该工艺技术难度较大，特别是岩盐溶腔形态及稳定性控制，至今仍是国际水溶采矿界的技术难题。目前，软岩地下储存方式作为能源的主要储存形式已经被各国政府广泛认可，西方发达国家如美国、德国、法国等都已建起了大量的软岩地下储气(油)库，用于国家战略能源储备和商业油气的储备，我国目前已经初步拟定了金坛等数个软岩溶腔油气储存基地，并已启动了相关的研究工作，其中，储气(油)库软岩的力学行为关系着储气库的长期运营稳定性和安全性。岩盐单轴抗压强度和弹性模量较低，软岩的弹性模量与单日轴抗压强度的比值与砂岩、花岗岩等相比较要小l-2个数量级，软岩的塑性变形能力大，具有孔隙度低、损伤自恢复等特性，其力学行为相当复杂。现有现场测试手段也很难对埋藏深度较大的岩盐溶腔围岩应力、应变特征和失稳过程进行观测。相似模拟试验研究，可以通过选择合适的相似材料和相似比，通过一系列严格控制的边界条件来模拟这一力学现象，而且相似模拟试验所需人力物力少，试验效应清楚直观，试验周期短。因此，恰当选择相似材料，开展软岩的相似模拟试验是研究岩盐溶腔稳定性的一种可行办法。目前，试验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、胶膜铁粉和松香酒精溶液；(D水泥、石膏；④铁矿粉、河砂、石膏和水泥、添加剂；⑤铁矿粉、重晶石粉和石英砂作骨料，松香与酒精溶液作胶结剂，石膏粉作调节剂；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、膨润土混合料；⑨重晶石粉、重硅粉混合料等。这些相似材料与岩石的力学性能相似，然而这些材料通常是用来模拟脆性岩石的，具有较大的容重，弹强比通常较大，材料塑性变形能力较差，不适于模拟软岩这种具有低容重，低弹强比，流变性强的岩石。因此，需要研制相应的相似材料以满足试验室研究的需要。通常的相似模型制作方法为先制作小块或一层，采用逐块或逐层砌筑，层间釆用粘结剂粘接，这种办法将产生人为节理面，影响或者改变材料的力学性质，而本文发明方法为一次浇铸成型，消除了节理面的影响，成型材料分布均匀，力学性质稳定可靠。
发明内容本发明的目的是在于提供了一种软岩相似材料，这种软岩相似材料具有容重低、抗压强度与弹性模量低、低弹强比、强流变性等特点，同时兼具材料性质稳定、易于加工、成本低廉、无毒等特点，特别适合于软岩地下储气(油)库的物理模型试验研究。本发明的另一个目的是在于提供了一种软岩相似材料的制备方法，通过该制备方法生产出来的软岩相似材料分布均匀，力学性质稳定可靠。为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施本发明所述的软岩相似材料成分包括重晶石粉、石英砂、石膏、膨润土，它由以下重量份原料组成原料重量份(1)填充材料100份(2)骨料19.452.2份(3)胶结材料6.413.0份(4)添加料3.28.6份(5)水18.825.4份所述的骨料为20目石英砂,占干料总重的15.030.0%;所述的填充材料为石油钻井级用重晶石粉,占干料总重的60.077.5%;所述的胶结材料为熟石膏,占干料总重的5.07.5%;所述的添加料为钙基膨润土,占干料总重的2.55.0%;所述的水按水固比7.314.6%的比例添加。(不占固体比重)一种软岩相似材料，它由以下重量份(一般范围)原料组成原料重量份(1)填充材料100份(2)骨料19.433.4份(3)胶结材料6.47.4份(4)添加料3.27.4份(5)水18.821.6份一种软岩相似材料，它由以下重量份(较好范围)原料组成:原料重量份(1)填充材料100份(2)骨料19.432.2份G)胶结材料6.47.2份(4)添加料3.26.6份(5)水18.820.8份一种软岩相似材料，它由以下重量份(最好范围)原料组成:原料重量份(1)填充材料100份(2)骨料20份(3)胶结材料6.6份(4)添加料6.6份(5)水19.4份一种软岩相似材料的制备方法，包括以下步骤-(1)按照配比称取填充材料、骨料、胶结材料、添加料和水。(2)上料及搅拌先在搅拌机内加入少量的水(约为设计用水量的1/20)，使机筒的筒壁润滑，然后开启搅拌机，在低速(约3040r/min)搅拌状态下依次加入填充材料、骨料、胶结材料、添加料，继续搅拌。(3)加水搅拌在搅拌状态下将剩余19/20水一次加入(设计用水量的19/20)，将搅拌机速度设为高速(约60120r/min)，继续搅拌35min。(4)震动成型出料，将浆体倒入预制模具，用小型震动棒震捣均匀，除去浆体中的气泡，并将模型表面刮平抹平。(5)烘房养护将制好模型送入烘房，温度控制在38-42°C，养护14天即可供试验研究使用。本发明与现有技术相比,具有以下优点1、本发明配方中膨润土(1.2-1.8g/cm3)、石膏(2.3g/cm3)、石英砂(2.2g/cm3)容重相对较低，因而成品材料容重较低，其相对容重在2.0-2.2g/ci^之间，与软岩容重相近，而常用的相似材料容重通常在2.5-2.8之间，与岩石相近。2、按本发明配方制成模型材料弹性模量在0.19-0.40GPa之间，单轴抗压强度在0.36-1.16MPa之间，弹强比在1.85-2.卯之间。弹性模量与抗压强度较小，从而可以使得模型试验只可以使用大的相似比尺(1:50100)，以模拟尺寸相对较大的软岩腔体；弹强比较小，与软岩的力学性质相近。3、按本发明配方制成模型材料具有极强的塑性变形能力，即使在达到峰值应力以后，仍可维持较长的塑性变形阶段，破坏后不易解体，其变形能力比大理岩、花岗岩大1一2个数量级。4、采用本发明制备方法制作软岩地质力学模型，由于混合料呈浆状，并采用一次浇铸成型，成型后材料均匀性好，力学性质稳定可靠。本发明软岩相似材料的实验数据实验结果一容重为2.2g/cm3，单轴抗压强度为0.51MPa，弹模为0.26GPa，弹强比1.95，试样单轴压縮应力应变曲线见图1、图2。实验结果二容重为2.2g/cm3，单轴抗压强度为0.49MPa，弹模为0.24GPa，弹强比2.01，试样单轴压縮应力应变曲线图3、图4。实验结果三容重为2.2g/cm3，单轴抗压强度为U3MPa，弹模为0.40GPa，弹强比2.8，试样单轴压縮应力应变曲线图5、图6。图1为配方1单轴压縮应力应变曲线(A)图2为配方1单轴压縮应力应变曲线(B)图3为配方2单轴压缩应力应变曲线(A)图4为配方2单轴压缩应力应变曲线(B)图5为配方3单轴压縮应力应变曲线(A)图6为配方3单轴压縮应力应变曲线(B)具体实施例方式实施例1:一种软岩相似材料，它由以下重量份原料组成:原料重量份(1)填充材料100份(2)骨料20份(3)胶结材料6.6份(4)添加料6.6份(5)水19.4份原材料选择重晶石粉选用的是市售武汉中原金贝工贸有限公司生产的普通重晶石粉，其质量指标为硫酸钡含量>90%细度200目一325目水溶物《0.1%粘土效应Pa's:《0.125石英砂选用的是市售武汉新型石英砂厂生产的20目白色石英砂。石膏选用市售湖北应城石膏厂生产的熟石膏，其质量指标为白度>84细度120—200目凝结时间初凝^5min，终凝^20min强度2h抗拉^3.5MPa，2h抗压》8Mpa标稠60-70%膨润土选用的是市售河南信阳广运膨润土厂生产的钙基膨润土，其性能指标国家GB/T5005-2001标准的规定；一种软岩相似材料的制备方法，其步骤是(1)按照配比称取填充材料、骨料、胶结材料、添加料和水。(2)上料及搅拌先在搅拌机内加入少量的水(约为设计用水量的1/20)，使机筒的筒壁润滑，然后开启搅拌机，在低速(约3040r/min)搅拌状态下依次加入填充材料、骨料、胶结材料、添加料，继续搅拌。(3)加水搅拌在搅拌状态下将剩余19/20水一次加入(设计用水量的19/20)，将搅拌机速度设为高速(约60120r/min)，继续搅拌35min。(4)震动成型出料，将浆体倒入预制模具，用小型震动棒震捣均匀，除去浆体中的气泡，并将模型表面刮平抹平。(5)烘房养护将制好模型送入烘房，温度控制在38或39或40或40或42°C，养护14天即可供试验研究使用。一种软岩相似材料，它由以下重量份原料组成:<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>其制备步骤与实施例l相同。权利要求1、一种软岩相似材料，其特征在于它由以下重量份原料组成原料重量份(1)填充材料100份，(2)骨料19.4～52.2份，(3)胶结材料6.4～13.0份，(4)添加料3.2～8.6份，(5)水18.8～25.4份，所述的骨料为20目石英砂；所述的填充材料为石油钻井级用重晶石粉；所述的胶结材料为熟石膏；所述的添加料为钙基膨润土。2、按照权利要求1所述的一种软岩相似材料，其特征在于它由以下重量份原料组成原料重量份(1)填充材料100份，(2)骨料19.450.0份，(3)胶结材料6.412.6份，(4)添加料3.27.4份，(5)水18.824.4份。3、按照权利要求1所述的一种软岩相似材料，其特征在于它由以下重量份原料组成原料重量份(1)填充材料100份，(2)骨料19.433.4份，(3)胶结材料6.47.4份，(4)添加料4.27.4份，(5)水18.821.6份。4、按照权利要求1所述的份原料组成原料(1)填充材料(2)骨料(3)胶结材料(4)添加料(5)水5、按照权利要求1所述的份原料组成原料(1)填充材料(2)骨料(3)胶结材料(4)添加料(5)水一种软岩相似材料，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。-种软岩相似材料，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、一种用于实现权利要求1所述的软岩相似材料的制备方法，其步骤是(1)按照配比称取填充材料、骨料、胶结材料、添加料和水；(2)上料及搅拌先在搅拌机内加入1/20水，使机筒的筒壁润滑，然后开启搅拌机，在低速3040r/min搅拌状态下依次加入填充材料、骨料、胶结材料、添加料，继续搅拌；(3)加水搅拌在搅拌状态下将剩余19/20水一次加入，将搅拌机速度设为高速60120r/min，继续搅拌35min;(4)震动成型出料，将浆体倒入预制模具，用震动棒震捣35min，使浆体分布均匀，并除去浆体中的气泡，最后将模型表面刮平、抹平；(5)烘房养护将制好模型送入烘房，温度控制在38-42t:，养护14天后即供试验研究使用。全文摘要本发明公开了一种软岩相似材料及其制备方法。该软岩相似材料它由填充材料、骨料、胶结材料、添加料和水按一定比例组成，其步骤是(1)称取原料；(2)上料及搅拌先在搅拌机内加入水，使机筒的筒壁润滑，然后开启搅拌机，在搅拌状态下依次加入填充材料、骨料、胶结材料、添加料，继续搅拌；(3)加水搅拌在搅拌状态下将水加入，将搅拌机速度设为高速，继续搅拌；(4)震动成型出料，将浆体倒入预制模具，用震动棒震捣，使浆体均匀，除去气泡，最后将模型表面刮平；(5)烘房养护将制好模型送入烘房，养护。材料具有容重低、抗压强度与弹性模量低，性质稳定、易于加工、成本低廉、无毒，适合于软岩开采、软岩地下储气库腔体稳定性的地质力学研究。文档编号G01N1/28GK101614629SQ200910061808公开日2009年12月30日申请日期2009年4月24日优先权日2009年4月24日发明者戴永浩,陈卫忠申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所