[发明专利]一种适用于水力压裂的煤岩相似材料及制备方法

说明书

一种适用于水力压裂的煤岩相似材料及制备方法，材料的质量百分组分为，煤粉15.0％～40.0％，粒径为0.125～0.18mm的石英砂和粒径为0.18～0.42mm的石英砂各占4.0％～15.0％，石膏8.0％～17.0％，水泥8.0％～17.0％，水23.0％～30.0％，萘系减水剂0.4％～0.6％和植物蛋白类缓凝剂0.2％～0.3％。将所需材料并搅拌均匀，倒入模具内，置于振动台振捣1min～3min，24h～48h天后将模具取出置于湿度在95％以上，20±2℃环境下养护5～7天，再控制湿度在60％以下，常温下养护21～23天，得到相似材料。本发明制备的煤岩相似材料很好地模拟了煤岩原岩的特性。

技术领域

本发明涉及岩石相似材料领域，尤其涉及一种适用于水力压裂物理模型试验的煤岩相似材料及制备方法。

技术背景

长期以来，相似材料物理模型试验通过对模型应力—应变等规律的研究和认识，形象直观地反应了岩体的物理力学特性，被广泛与岩土工程、矿山和非常规能源等研究领域。近年来，相似材料在室内物理模型试验中的得到了广泛应用，例如：韩伯鲤等研制出弹性模量可调的MIB材料，清华大学李仲奎等研制出一种重度大、性能稳定NIOS材料，山东大学张宁等将橡胶粉应用于岩石相似材料，研制出不易受湿度和温度等影响的相似材料。

随着我国煤炭资源开采事业的发展，与之相关的研究工作也快速推进。很多科研机构已经将煤岩相似材料应用于煤岩物理模型试验。例如：西安科技大学李树刚等在满足常规相似理论的基础之上，利用“固—流”耦合相似理论，研制出广泛应用于煤层开采模型试验的相似材料；安徽理工大学张淑同博士在瓦斯气体相关研究中选择碎煤、水泥、活性炭、沙子和水作为原料研制出煤岩相似材料，并取得很好的效果。以上例子主要涉及与于煤炭资源开采、矿井灾害相关的相似材料。

近年来，随着非常规能源开发的兴起，以煤层气、页岩气为代表的非常规能源钻采事业的研究逐步深入，与之相关的室内试验相继开展。首先，进行煤岩原岩试验，经过研究发现煤岩原岩试验存在以下不足：

(1)由于煤岩结构构造的不连续性，大块煤岩原样获取困难；

(2)煤岩各向异性突出，试验中影响因素难以控制；

(3)由于试验不能满足单一变量原则，试验结果不具备充分说服力。

基于以上不足，室内物理模型试验成为了重要的研究手段。蔺春晓等人为了研究水力压裂机理研制出一种煤岩相似材料，对于水力压裂物理模型试验具有一定的借鉴意义；杜长龙等采用天然粉煤、水泥和水为原材料，基于相似理论，研制出了一种煤岩相似材料，对于煤岩的截割试验研究做出了贡献。总之，由于煤岩本身的特殊性和水力压裂技术的局限性，能够适用于水力压裂的煤岩相似材料依旧需要不断更新。

发明内容

基于煤岩的基本物理力学特性，本发明提出了一种适用于水力压裂的煤岩相似材料及制备方法。

本发明的目的是这样实现的：该发明包括相似材料配比及配制方法；

(1)相似材料配比选用骨料、胶结材料和添加剂，所述的骨料为煤粉、石英砂；所述的胶结材料为石膏、水泥；所述的添加剂为水、减水剂和缓凝剂；

(2)该相似材料的原料包括：煤岩相似材料的质量百分组分为，煤粉15.0％～40.0％，石膏8.0％～17.0％，水泥8.0％～17.0％，水23.0％～30.0％，萘系减水剂0.4％～0.6％和植物蛋白类缓凝剂0.2％～0.3％，粒径为0.125～0.18mm的石英砂1和粒径为0.18～0.42mm的石英砂2的重量配比始终为1:1，且质量百分组分为4.0％～15.0％；

(3)配制方法，具体步骤及要求如下：

1)相似材料配比：按照配比分别称取所需重量的煤粉、石英砂、石膏粉、水泥、减水剂、缓凝剂和水；