一种物性参数可变地震物理模型、材料及模型制作方法
阅读说明：本技术 一种物性参数可变地震物理模型、材料及模型制作方法 (Physical property parameter variable seismic physical model, material and model manufacturing method ) 是由 司文朋 王辉明 薛诗桂 邢廷栋 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种物性参数可变地震物理模型、材料及模型制作方法,包括如下组分：聚氨酯、固化剂、石英砂和高岭土。本发明通过环氧树脂与聚氨酯混合胶结石英砂及高岭土的方法,利用环氧树脂和聚氨酯所占比例的不同,能够实现在0-2MPa模拟地应力差范围内物性参数出现明显变化的模型材料,研制的物理模型材料在0-2MPa水平应力差范围内纵波速度变化幅度能够达到600m/s、横波速度变化幅度能够达到360m/s、密度变化幅度能够达到0.3g/cm~3,为地应力地震响应物理模拟研究奠定了基础。(The invention provides a physical property parameter variable seismic physical model, a material and a model manufacturing method, which comprise the following components: polyurethane, a curing agent, quartz sand and kaolin. According to the invention, by adopting the method of mixing and cementing the quartz sand and the kaolin by the epoxy resin and the polyurethane, the model material with obviously changed physical parameters in the 0-2MPa simulated ground stress difference range can be realized by utilizing the difference of the proportions of the epoxy resin and the polyurethane, the developed physical model material has the longitudinal wave velocity change range of 600m/s, the transverse wave velocity change range of 360m/s and the density change range of 0.3g/cm in the 0-2MPa horizontal stress difference range 3 And a foundation is laid for the physical simulation research of the ground stress seismic response.)
技术领域
本发明涉及地震物理模型材料领域，更具体的，涉及到一种物性参数可变地震物理模型、模型材料及模型制作方法。
背景技术
当地应力变化时，会引起地层构造及物性参数发生相应改变，从而引起地震波的变化，这是地应力地震预测的物理基础。在致密油藏勘探开发过程中，通过确定地应力大小及方向可以预测裂缝的发育情况，从而为油藏开发设计提供最优方案。针对地应力变化所引起的地震响应变化规律，目前均是基于数值模拟技术开展研究工作。与数学模拟方法相比，物理模拟方法能更加真实地实现对模型介质中声波或弹性波传播规律的观测，从而推断地震波在实际地层构造和地质体中传播的波场特征，更加有利于解释地应力引起的地震响应特征规律。在地应力地震响应特征的物理模拟实验中，首先要研制出随着模拟地应力变化而物性参数(纵波速度、横波速度、密度)发生相应改变的地震物理模型材料。
在进行地震物理模拟的过程中，为了使所得模拟结果的运动学特征与实际地质构造地质体中的地震波运动学特征保持一致，必须使物理模型的尺寸和速度、密度等参数与实际地质构造地质体的尺寸和速度、密度等参数呈一定的比例关系，即地震物理模拟几何相似性原理。目前地震物理模型所采用的尺度比例因子通常为1:10000，即物理模型的1毫米代表实际地质体尺度为10米；而速度比通常为1:1或者1:2。由于地应力地震物理模拟实验的特殊性，考虑到实验安全问题，模拟地应力与地下实际地应力比例设置为1:10，即实验中2MPa模拟地应力差代表地下20MPa地应力差。这就要求模型材料在2MPa的模拟地应力范围内，物性参数能够有明显的变化。
目前，地震物理模型的材料来源可分为两种，一种是固体工业板材，另一种是可成型材料。常用于物理模型制作的工业板材有铝材、树脂板、有机玻璃、石蜡等，通过对工业板材进行机械加工，即可获得较精确的几何构造。可成型材料是指一些液态或粉状材料混合物，通过添加固化剂或改变温度的方式下变成固体，这类模型材料具有良好的均匀性和可塑性，能够方便的制作复杂构造物理模型。但是以往的物理模型可成型材料，多采用在环氧树脂等可塑有机材料中添加滑石粉、硅粉等无机材料，固化后的模型材料在模拟地应力差下(0-2MPa范围内)其物性参数并不能出现明显变化，难以模拟地应力对实际地层的物性参数影响规律。已有的物理模型材料均不具备应力敏感性，即施加模拟应力后其物性参数很难出现明显改变，难以模拟应力对实际地层物性参数的影响作用。
发明内容
本发明利用在软质、硬质有机材料混合胶结石英砂的方式，能够实现模拟应力条件下物性参数出现明显变化的模型材料，实现了应力敏感物理模型材料的研发。
根据本发明的一个方面，提供一种物性参数可变地震物理模型材料，包括如下组分：聚氨酯、固化剂、石英砂和高岭土。
可选地，所述地震物理模型材料中，聚氨酯为30-60重量份，固化剂为10-30重量份，石英砂为300重量份，高岭土为10-50重量份。
进一步地，所述地震物理模型材料还包括环氧树脂，所述环氧树脂为1-30重量份。
优选地，所述环氧树脂的粘度为9000Pa·s-13000mPa·s。
优选地，所述固化剂为胺值小于400mgKOH/g的胺类固化剂。
优选地，所述石英砂的粒径范围为40-400目。
优选地，所述高岭土的粒径范围为400-1000目。
根据本发明的另一方面，提供一种地震物理模型。
优选地，所述的地震物理模型与实际地质构造的几何尺寸比例为1:10000。
根据本发明的另一方面，提供一种物性参数可变地震物理模型制作方法，该方法包括以下步骤：
材料准备：根据模型用料的需求，把所需的环氧树脂、聚氨酯、固化剂置于保温箱预热；
模具处理：在物理模型固化模具内表面涂抹硅橡胶，待硅橡胶固化后完成模具处理；
材料混合：按配方要求对材料称重，首先将环氧树脂、聚氨酯进行充分地均匀搅拌，然后在其中按照比例添加固化剂后再次充分地搅拌均匀待用；
胶结石英砂：将石英砂和高岭土充分混合后，加入到混合材料中再次进行充分均匀搅拌；
压制过程：将上一步骤中制备的材料所述放入模具中，利用压机在设定恒压下压制预定时间后卸压；
固化过程：将模具置于常温室内和/或保温箱内固化，固化后脱模取出及完成模型材料制作。
根据本发明的另一方面，提供一种地震物理模型材料或模型在地震物理模拟中的应用。
本发明通过环氧树脂与聚氨酯混合胶结石英砂及高岭土的方法，利用环氧树脂和聚氨酯所占比例的不同，能够实现在0-2MPa模拟地应力差范围内物性参数出现明显变化的模型材料，研制的物理模型材料在0-2MPa水平应力差范围内纵波速度变化幅度能够达到600m/s、横波速度变化幅度能够达到360m/s、密度变化幅度能够达到0.3g/cm3，为地应力地震响应物理模拟研究奠定了基础。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为模型材料应力施加及纵波速度测试示意图。
图2为根据本发明实施例的模型材料纵波速度变化幅度随模拟地应力差变化图。
图3为根据本发明实施例的物性参数可变地震物理模型制作方法流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在地应力研究中，通过物理模拟测试，构建地应力与地震响应的关系，能够更加明确地揭示地应力地震响应机制，为地应力地震预测提供理论指导。在地应力地震物理模拟实验中，模拟地应力与地下实际地应力比例设置为1:10，即实验中2MPa模拟地应力差代表地下20MPa实际地应力差，这就要求模型材料在2MPa的模拟地应力范围内，物性参数能够有明显的变化。
为了实现应力敏感物理模型材料的研发，利用在软质、硬质有机材料混合胶结石英砂的方式，能够实现模拟应力条件下物性参数出现明显变化的模型材料，研制的应力敏感模型材料在0-2MPa水平应力差范围内纵波速度变化幅度能够达到600m/s、横波速度变化幅度能够达到360m/s、密度变化幅度能够达到0.3g/cm3，为地应力地震响应物理模拟研究奠定了基础。
本发明提出了一种在0-2MPa模拟应力差范围内物性参数发生明显变化的地震物理模型材料。
所述物理模型材料包括以下组分：
聚氨酯：60-30重量份；
固化剂：10-30重量份；优选20重量份；
石英砂：300重量份；
高岭土：10-50重量份。
优选地，还可以包括环氧树脂：1-30重量份；环氧树脂优选为粘度在9000-13000mPa·s范围的环氧树脂，更优选E-51型环氧树脂。
优选地，固化剂为胺值小于400mgKOH/g的胺类固化剂；优选腰果油改性脂肪胺。
优选地，石英砂的粒径范围优选40-400目，更优选60-200目。
优选地，高岭土的粒径范围优选400-1000目，更优选600-800目。
如图3所示，物性参数可变地震物理模型制作方法可优选的按照以下步骤进行：
(1)材料准备：根据模型用料的需求，把一定量的环氧树脂、聚氨酯、固化剂置于保温箱预热；优选地，置于45℃保温箱预热1-2个小时；
(2)模具处理：在物理模型固化模具内表面涂抹硅橡胶，待硅橡胶固化后完成模具处理；
(3)材料混合：按配方要求对材料称重，首先将环氧树脂、聚氨酯进行充分地均匀搅拌，然后在其中按照比例添加固化剂后再次充分地搅拌均匀待用；
(4)胶结石英砂：将石英砂和高岭土充分混合后，加入步骤3中的混合材料再次进行充分均匀搅拌；
(5)压制过程：将步骤4得到所有混合原料放入模具中，利用压机在设定恒压下压制；优选地，5-10MPa恒压下压制5-10分钟后卸压；
(6)固化过程：将模具置于常温室内和/或保温箱内固化，随后脱模取出及完成模型材料制作。优选地，置于常温室内12-24小时，随后放入30-50℃保温箱内固化12-48小时。
为了提高本发明的技术效果或根据实际需要，在本发明所述的地震物理模型材料中还可以加入诸如稀释剂、引发剂、消泡剂、偶联剂、增塑剂和促进剂等一种或多种其他组分。
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
下面结合实施例，进一步说明本发明。
实施例1-5所用原料：
环氧树脂E51：上海树脂厂生产；
聚氨酯101：上海新光化工厂生产；
固化剂F50：腰果油改性脂肪胺ZY-F50，胺值：200-300mgKOH/g，徐州中研化工有限公司生产；
石英砂：目数范围60-100目，产地河北；
高岭土：目数范围600-800目，产地河北。
测试方式：
图1为模型材料应力施加及纵波速度测试示意图。图2为根据本发明实施例的模型材料纵波速度变化幅度随模拟地应力变化图。如图1所示，利用压机在模型材料的水平方向施加挤压来模拟地应力，在此过程中在模型材料垂直方向上利用超声速度测试法进行纵、横波速度的测量，测到超声透射传播时差t，随后量取模型材料垂向长度L后，利用公式v＝L/t进行速度的计算。
图2中是纵波变化幅度随模拟应力的变化。即模拟应力为0时测得模型材料的速度初始值，随后分别在模拟应力为0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2.0MPa时测其速度值，并与初始速度值做差，最终求得纵波速度变化幅度，来突出纵波速度随着模拟应力的变化。
实施例1：
模拟某地区某地层物理模型材料，2MPa模拟应力差下纵波速度变化幅度480m/s、横波速度变化幅度260m/s、密度变化幅度0.23g/cm3。
环氧树脂：10重量份；
聚氨酯：50重量份；
固化剂：20重量份；
石英砂：300重量份；
高岭土：50重量份。
具体地，将环氧树脂、聚氨酯、固化剂置于45℃保温箱预热1个小时；
按配方要求称取材料后，首先将环氧树脂与聚氨酯进行充分地搅拌均匀；
随后将固化剂加入上述材料中，然后搅拌使其充分混合均匀；
将石英砂和高岭土充分后，加入上步骤原料后进行充分搅拌混合均匀后放入模具，压机8MPa恒压压制5分钟后卸压；
将置于常温室内12小时，随后放入50℃保温箱内固化24小时，随后脱模取出固化后的模型材料。
实施例2：
模拟某地区某地层物理模型材料，2MPa模拟应力差下纵波速度变化幅度396m/s、横波速度变化幅度230m/s、密度变化幅度0.21g/cm3。
环氧树脂：15重量份；
聚氨酯：45重量份；
固化剂：20重量份；
石英砂：300重量份；
高岭土：40重量份。
模型制备过程与实施例1的方法相同，不同之处在于组分的含量。
实施例3：
模拟某地区某地层物理模型材料，1.5MPa模拟应力差下纵波速度变化幅度283m/s、横波速度变化幅度112m/s、密度变化幅度0.09g/cm3。
环氧树脂：20重量份；
聚氨酯：40重量份；
固化剂：10重量份；
石英砂：300重量份；
高岭土：30重量份。
模型制备过程与实施例1的方法相同，不同之处在于组分的含量。
实施例4：
模拟某地区某地层物理模型材料，1MPa模拟应力差下纵波速度变化幅度133m/s、横波速度变化幅度82m/s、密度变化幅度0.06g/cm3
环氧树脂：25重量份；
聚氨酯：35重量份；
固化剂：20重量份；
石英砂：300重量份；
高岭土：20重量份。
模型制备过程与实施例1的方法相同，不同之处在于组分的含量。
实施例5：
模拟某地区某地层物理模型材料，0.5MPa模拟应力差下纵波速度变化幅度33m/s、横波速度变化幅度22m/s、密度变化幅度0.01g/cm3。
环氧树脂：30重量份；
聚氨酯：30重量份；
固化剂：20重量份；
石英砂：300重量份；
高岭土：10重量份。
模型制备过程与实施例1的方法相同，不同之处在于组分的含量。
对比例：
模型材料2MPa水平应力差下纵波速度变化幅度为0m/s、横波速度变化幅度0m/s、密度变化幅度0g/cm3。
环氧树脂：60重量份；
固化剂：20重量份；
石英砂：300重量份；
高岭土：20重量份。
对比例中没有聚氨酯，仅用环氧树脂胶结石英砂，固化后模型材料在模拟应力下其物性参数很难发生改变。
本发明的模型材料中使用了聚氨酯，聚氨酯是一种非常软的有机材料，而环氧树脂是一种非常硬的有机材料。环氧树脂和聚氨酯混合材料，固化后的模型材料会变得有一定柔性，在模拟应力下物性参数能发生改变。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
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