[发明专利]模拟自然界砂岩的材料

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

近来有学者孙珍、谢文彦(2008)模拟脆性上地壳实验时用密度1.4g/cm³相似比5×10^-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。

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、泊松比、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。

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。

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

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。

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)×10³。