考虑层理微观结构的页岩物模试样及制备方法与制备装置与流程

本发明属于岩土实验模拟技术领域，尤其涉及一种考虑层理微观结构的页岩物模试样及制备方法与制备装置。

背景技术：

长期以来，相似材料在岩土实验模拟技术领域得到了广泛应用。对于取样难度大的原岩，借助制备相似材料，研究人员能够深入的了解岩土工程的力学现象、应力分布规律以及破坏机理等物理力学特征。

近年来，随着我国页岩气勘探开发在涪陵等地区取得重大突破，页岩气等非常规能源已逐步受到重视。为了了解页岩的物理力学特性、压裂破坏模式以及裂缝扩展规律，研究者们借助物理实验等手段开展了众多研究。然而，由于深部钻孔取芯所获得的页岩试样极其珍贵，加之水力压裂等物理实验需样量大，采用原岩开展实验研究难以满足研究需求。为此，配制与原岩物性参数接近的页岩相似材料进行模拟试验是解决问题的有效途径。

现有关于页岩相似材料的制样大都借助于普通岩石材料相似材料的制样方法来进行。通过胶结材料、骨料、水和处理剂等比例的调控，制备各项同性的相似材料来近似模拟页岩的物理力学参数，或者仅考虑预制单一裂隙的方式来模拟原岩中结构面的存在。然而，现有的页岩相似材料制备却很大程度上忽略了页岩最明显的层理结构特性及层理阵列所引起的材料各项异性，致使所制备的材料在各项物理力学性能上与原岩差距巨大，难以满足试验研究的需求。

现有的诸如cn110658037a对页岩层理的模拟中，只能宏观的模拟出层理构造，但很难模拟出页岩层理构造的每一个细层；而页岩的层理的微观构造常由交替叠合的细层和填充层连续表现出来，各细层和填充层的充填胶结状态是最终影响页岩的各向异性特征的决定因素；然而，由于细层和填充层的厚度通常很小，常小于1mm，最厚几毫米至几厘米，采用诸如cn110658037a中的制备方法是无法制备的。因此，为了能够真实的模拟页岩层理微观结构特性及其物理力学各项异性，亟待研发考虑层理微观结构的页岩相似材料（物模试样）制样装备及制样方法。

技术实现要素：

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种考虑层理微观结构的页岩物模试样及制备方法与制备装置，可以制备含有层理微观结构的页岩物模试样。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

考虑层理微观结构的页岩物模试样制备方法，包括如下步骤：

步骤一、在填充层隔板外镀低熔点镀膜；

步骤二、将多块镀有镀膜的填充层隔板平行插入试样模具内；

步骤三、在试样模具内浇筑配置好的填充层相似材料并凝结，获得试样初始骨架；

步骤四、对试样初始骨架进行加热，熔化低熔点镀膜后将填充层隔板从试样初始骨架中拔出；

步骤五、将试样初始骨架中熔化的低熔点镀膜清除后，在试样初始骨架中原先填充层隔板位置处填充配置好的细层相似材料，并凝结养护即得页岩物模试样。

具体的，步骤三到步骤五的具体过程为：

在所述试样模具内浇筑配置好的填充层相似材料，振实并初凝后，获得所述试样初始骨架；

对所述试样模具进行加热，熔化低熔点镀膜后，将所述填充层隔板从所述试样模具顶部拔出；

将所述试样模具中熔化的低熔点镀膜清除后，在所述试样模具中原先填充层隔板位置处填充配置好的细层相似材料，振实并初凝后，拆模养护，即得页岩物模试样。

具体的，多块填充层隔板通过夹具夹紧固定后，通过升降机构整体插入或拔出试样模具。

具体的，低熔点镀膜的制备过程如下：

在试样模具内投入低熔点镀膜材料；

加热试样模具将低熔点镀膜材料融化；

利用升降机构将多块填充层隔板整体插入试样模具进行镀膜；

镀膜设定时间后，利用升降机构带动多块填充层隔板从试样模具中整体拔出并冷却，即得低熔点镀膜；

其中，低熔点镀膜的熔点小于等于50℃。

具体的，在试样模具的侧部和底部设有加热元件，加热时，试样模具底部的加热元件的加热温度大于试样模具侧部的加热元件的加热温度，从而使试样初始骨架上的镀膜材料从底部往上逐渐软化。

具体的，填充层隔板插入试样模具后底部与试样模具的模腔接触，两侧与模腔存在设定间隙，填充层隔板垂直插在试样模具中。

具体的，利用低温水雾对试样初始骨架中填充层相似材料进行冲洗并干燥，以清除熔化的低熔点镀膜材料。

具体的，低熔点镀膜为石蜡膜。

具体的，填充层相似材料采用页岩粉、石英砂、石膏、水泥和水的混合物；细层相似材料采用石英砂、石膏和水的混合物。

考虑层理微观结构的页岩物模试样，采用上述制备方法制得。

考虑层理微观结构的页岩物模试样制备装置，包括试样模具，试样模具中插入有多块平行间隔设置的填充层隔板，填充层隔板被配置成能够从试样模具中抽出，填充层隔板的外表面设有一层低熔点镀膜，试样模具的底部和侧部设有加热元件。

具体的，低熔点镀膜为石蜡。

具体的，试样模具的模座上设有带动填充层隔板上下移动的升降机构，升降机构的底部设有用于夹持各块填充层隔板的夹具。

具体的，夹具包括平行设置的至少两根连接杆，填充层隔板的顶部上设有供连接杆穿设的通孔，填充层隔板悬挂固定在连接杆上，连接杆的两端设有锁紧螺母，相邻两块填充层隔板之间设有隔离垫片。

具体的，所述模座上还设有对着填充层隔板的冷却风机。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

通过在填充层隔板上附一层由低熔点镀膜材料制成的镀膜，一次浇筑后，对试样初始骨架进行加热熔化镀膜，从而形成拔模间隙，使得填充层隔板可以顺畅的从试样初始骨架拔出，而不会破坏试样初始骨架中页岩层理中填充层结构，拔模以后，在试样初始骨架位于填充层隔板位置处二次浇筑细层相似材料，即得考虑层理微观结构的页岩物模试样，较好的克服了层理微观结构难于制备的难题，所形成的层理微观结构能够较真实的匹配原岩中的层理面状态，并顺利的模拟由层理微观结构特性所导致的页岩物理力学各项异性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中页岩物模试样制备装置的轴测图；

图2本发明实施例中填充层隔板组装结构示意图；

图3本发明实施例中制备的页岩物模试样示意图；

其中：1-试样模具；2-填充层隔板；3-加热元件；4-模座；5-升降机构；6-夹具；7-冷却风机；a-细层；b-填充层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图3，本申请实施例提供的考虑层理微观结构的页岩物模试样制备方法，包括如下步骤：

步骤一、在填充层隔板2外镀低熔点镀膜；

步骤二、将多块镀有镀膜的填充层隔板2平行插入试样模具1内；

步骤三、在试样模具1内浇筑配置好的填充层相似材料并凝结，获得试样初始骨架；

步骤四、对试样初始骨架进行加热，熔化低熔点镀膜后将填充层隔板2从试样初始骨架中拔出；

步骤五、将试样初始骨架中熔化的低熔点镀膜清除后，在试样初始骨架中原先填充层隔板2位置处填充配置好的细层相似材料，并凝结养护即得页岩物模试样。

其中，在本申请实施例中，填充层相似材料采用页岩粉、石英砂、石膏、水泥和水的混合物，细层相似材料采用石英砂、石膏和水的混合物。当然，在实际操作中，填充层相似材料以及细层相似材料可以依据需要模拟的实际页岩中页岩层理的细层和填充层的具体成分作适应性的调整，在此不再赘述。

在本申请实施例中，通过在填充层隔板2上附一层由低熔点镀膜材料制成的镀膜，一次浇筑后，对试样初始骨架进行加热熔化镀膜，从而形成拔模间隙，使得填充层隔板2可以顺畅的从试样初始骨架拔出，而不会破坏试样初始骨架中页岩层理间填充层结构，拔模以后，在试样初始骨架位于填充层隔板2位置处二次浇筑细层相似材料即得考虑层理微观结构的页岩物模试样，较好的克服了层理微观结构难于制备的难题，所形成的层理微观结构能够较真实的匹配原岩中的层理面状态，并顺利的模拟由层理微观结构特性所导致的页岩物理力学各项异性。

可以理解的是，在实际应用中，步骤三到步骤五的具体过程为：在试样模具1内浇筑配置好的填充层相似材料，振实并初凝后，获得试样初始骨架，对试样模具1进行加热，熔化低熔点镀膜后，将填充层隔板2从试样模具1顶部拔出，将试样模具1中熔化的低熔点镀膜清除后，在试样模具1中原先填充层隔板2位置处填充配置好的细层相似材料，将细层相似材料振实并初凝后，拆模养护，即得页岩物模试样。

在本申请实施例中，填充层隔板2的拔模是在填充层相似材料初凝后并在试样模具1中直接进行，可以节约制样的制备时间，当然，也可以等填充层相似材料完全凝固以后再对填充层隔板2进行拔模。

此外，发明人研究发现，低熔点镀膜材料的熔点选择小于等于50℃的低熔点镀膜材料时，在加热融化低熔点镀膜时，初凝的填充层结构不会因加热而破坏。其中，低熔点镀膜材料可以采用石蜡等材料，而填充层隔板2加镀膜的厚度和相邻填充层隔板2之间的间距则分别与实际页岩中页岩层理的细层厚度和填充层厚度相对应，一般控制在1cm以下。

可以理解的是，当将多块填充层隔板2通过夹具6夹紧固定，并通过升降机构5整体插入或拔出试样模具1时，可以大幅度提供制样的效率。

在实际应用中，低熔点镀膜的制备过程如下：在试样模具1内投入低熔点镀膜材料，加热试样模具1将低熔点镀膜材料融化，利用升降机构5将多块填充层隔板2整体插入试样模具1进行镀膜，镀膜设定时间后，利用升降机构5带动多块填充层隔板2从试样模具1中整体拔出并冷却，即得低熔点镀膜。

在本申请实施例中，填充层隔板2镀膜、填充层相似材料浇筑、填充层隔板2拔模和细层二次浇筑四个制作环节皆基于同一试样模具1内进行，有效减少制样过程的重复性脱模与装模操作，保证初始浇筑的填充层相似材料在后期制备层理结构过程性能稳定，从而使材料试样性能的整体稳定。当然，也可以通过外部设备在填充层隔板2外镀低熔点镀膜后，再将填充层隔板2插入试样模具1中。

需要解释的是，在实际设计中，在试样模具1的侧部和底部设有加热元件3，加热时，试样模具1底部的加热元件3的加热温度大于试样模具1侧部的加热元件3的加热温度，从而使试样初始骨架上的镀膜材料从底部往上逐渐软化，通过上述巧妙设置，可以有效防止镀膜材料以及填充层隔板2加热膨胀而破坏原先初凝形成的填充层结构。

具体的，填充层隔板2插入试样模具1后底部与试样模具1的模腔接触，两侧与模腔存在设定间隙，填充层隔板2垂直插在试样模具1中，填充层隔板2拔模后，初凝形成的填充层结构为一整体结构，不易破坏。

具体的，利用低温水雾对试样初始骨架中填充层相似材料进行冲洗并干燥，以清除熔化的低熔点镀膜材料。

参见图3，本申请实施例还提供一种采用上述制备方法制得的考虑层理微观结构的页岩物模试样，该页岩物模试样的层理由交替叠合的细层a和填充层b组成。

参见图1-图3，本申请实施例还提供一种考虑层理微观结构的页岩物模试样制备装置，包括试样模具1，试样模具1中插入有多块平行间隔设置的填充层隔板2，填充层隔板2被配置成能够从试样模具1中抽出，填充层隔板2的外表面设有一层低熔点镀膜，试样模具1的底部和侧部设有加热元件3。

具体的，试样模具1的模座4上设有带动填充层隔板2上下移动的升降机构5，升降机构5的底部设有用于夹持各块填充层隔板2的夹具6；在试样模具1与模座4之间设有振动器（图中未示出），

其中，升降机构5可以采用油缸、气缸或丝杆等升降机构5。而夹具6则包括平行设置在升降机构5底部基座上的至少两根连接杆601，填充层隔板2的顶部上设有供连接杆601穿设的通孔，填充层隔板2悬挂固定在连接杆601上，连接杆601的两端设有锁紧螺母602，相邻两块填充层隔板2之间设有隔离垫片603。填充层隔板2悬挂在连接杆601并通过两端的锁紧螺母602锁紧。另外，通过调整隔离垫片603以及填充层隔板2的厚度可以实现制得的页岩物模试样中细层和填充层厚度的灵活调节，此外，通过改变填充层隔板2在试样模具1中的安装角度，可以实现层理角从0°至90°的调整。

此外，模座4上还设有对着填充层隔板2的冷却风机7，当镀有镀膜的填充层隔板2从试样模具1中抽出时，可以通过冷却风机7对镀膜进行快速冷却，而试样模具1的模腔则可以设置成方形。

下面以层理角为0°，细层厚度为3mm，填充层厚度为1mm，边长为100mm的立方形页岩物模试样为示例，具体说明考虑层理微观结构的页岩物模试样的具体制备过程，包括如下步骤：

第一步，模具组装：

先将两块“l”形可拆装侧板抱合连接，并在底部连接可拆装底板，形成顶面开口的试样模具1，试样模具1内尺寸100mm×100mm×100mm；并在模具四周安装侧部和底部安装加热元件3；然后，将试样模具1通过模具紧固件固定在模座4上；

根据所需模拟的页岩层理角、细层厚度和填充层厚度选择填充层隔板2和隔离垫片603，设置填充层隔板2尺寸约为110mm×90mm×1mm，设置隔离垫片603尺寸约为10mm×40mm×3mm，并利用锁紧螺母602和连接杆601组装填充层隔板2，并将组装后的填充层隔板2固定在升降机构5上。

第二步，填充层隔板2镀膜：

往试样模具1内投入40℃的低熔点镀膜材料，并将试样模具1侧部和底部的加热元件3设置统一的温度65℃，对镀膜材料进行均匀加温直至熔化至稳定温度；此后，升降机构5带动填充层隔板2沿垂直方向下移，并插入到试样模具1内液态镀膜材料中，并使溶液浸没至填充层隔板2高度100mm位置处；镀膜至设定时间3s后，升降机构5上移，将填充层隔板2从试样模具1抽出，开启冷却风机7对镀膜后的填充层隔板2进行快速降温，使镀膜凝固硬化；最后，将试样模具1内溶解的镀膜材料吸离，加热元件3停止加温。

第三步，填充层相似材料浇筑：

升降机构5带动将镀膜后的填充层隔板2下放至试样模具1内，将配置好的填充层相似材料（含页岩粉，石英砂，石膏，水泥和水）浇筑入试样模具1中，并同步开启模座4下的振动器振动一段时间(2min)，完成填充层相似材料浇筑。

第四步，填充层隔板2拔模：

待填充层相似材料完成初凝48小时后，再次开启试样模具1侧部和底部的加热元件3，将各加热元件3的加热温度设置高于镀膜材料的熔点，并将底部的加热元件3的加热温度（45℃）设置成高于侧部的加热元件3的加热温度（42℃），对试样模具1进行加温，并使填充层隔板2上的镀膜材料从底部往上逐渐软化；待保温一段时间（10min），升降机构5将填充层隔板2从试样初始骨架中缓慢提升出来；利用低温水雾对试样初始骨架进行冲洗和吸液，以完全清除预制层理面残留的镀膜材料；最后，加热元件3停止加温并使试样模具1及其内部的试样初始骨架恢复至室温。

第五步，二次浇筑：

将配置好的细层相似材料（含石英砂，石膏和水）浇筑入试样模具1，并同步开启模座4下的振动器振动一段时间（3min），使细层相似材料充填入试样初始骨架中。

第六步，拆模养护：

待细层相似材料初凝后，将试样模具1从模座4上拆下，并将试样模具1拆模；此后，将试样进行养护，养护完成后用端面磨平机将试样顶面进行打磨，完成制样。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。