CN102494972A - 一种微观驱油用二维热固化多孔介质模型及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微观驱油用二维多孔介质模型,包括由热固化树脂和固化剂混合成型的底板（2）以及由热固化树脂和固化剂混合成型的盖板（1），其中所述盖板和所述底板互相粘接，所述底板上具有与岩心的孔隙通道结构相对应的二维孔隙通道结构（3），所述底板上还具有与其上的所述二维孔隙通道结构连通的液体流入孔道（4）和液体流出孔道（5）。另外还涉及该二维多孔介质模型的制作方法。本发明制作技术难度不高，对硬件要求低，易于在常规实验室获取，制作成的模型可视性好，易于观察，且可以根据不同的母版制作不同的模型。

Description

一种微观驱油用二维热固化多孔介质模型及制造方法

技术领域

本发明属于石油微观机理研究领域，涉及一种用于模拟岩心孔隙结构的多孔介质模型以及这种模型的制造方法，尤其是涉及一种油田上用于完成微观驱油试验的多孔介质模型以及制造方法。

背景技术

在微观尺度下研究流体在多孔介质中的渗流机理，对于开发石油天然气等地下流体资源具有重要的意义。长期以来，为了研究微观尺度下流体在多孔介质中的渗流机理，国内外科研人员研制出了多种模拟多孔介质的物理模型，主要有：                                               

简化理想模型，如单层玻璃珠模型、微毛管网络模型、石英砂夹层模型，这些模型的孔隙结构是理想化设计，不能反映真实多孔介质中复杂的孔隙结构；

仿真孔隙结构模型，以使用光刻技术制作为特点的二维和三维的玻璃光刻模型，这种模型利用光刻技术将岩心的孔隙结构仿真的刻蚀在玻璃平面上，而且模型透明，模拟驱替过程可视，易于观察现流体在多孔介质中流动状况，易于采集和分析图像，但是对于制作的技术要求较高，成本也较高；使用真实岩心为主体的模型，一类是将真实岩心打磨至极薄的厚度，外加光源后达到孔隙可视的程度，以此作为模型，另一类是平板夹砂类型的模型，用砂石紧密填充于透明平板间制成模型，这两类模型以真实岩心为主体，将岩心的物理化学性质做了最大限度的保留，但是可视化程度太低，极其难于采集流体在其中渗流的图像。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种微观驱油用二维热固化多孔介质模型以及用于制造这种模型的方法。可以重复复制多孔介质孔隙结构，制作成的模型透明度好，可视性强，可以清楚的观察模型中的微观渗流过程，具有很高的实用性，对于微观渗流科学实验有广泛适用性。而且，制作这种模型的成本不高，工艺过程对设备的要求不高，易于在常规实验室实现，技术操作难度低，易于推广。

本发明获取多孔介质孔隙结构采用的方法为：复制模铸。复制模铸法是软刻蚀技术的一种，软刻蚀属于微纳加工技术，在微纳电子学、光学、生物、分析化学和物理等领域有着广泛应用，是目前许多领域研究的重要内容。这一技术的核心称为“弹性模具（或弹性印章）”，其制备和性能将是影响软刻蚀技术成功与否的关键因素，弹性模具的材料通常选用PDMS（polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷），其在本领域属于公知的材料，并且采用公知的方法制备或者通过购买获得。

本发明的技术方案是：一种微观驱油用二维多孔介质模型，包括由热固化树脂和固化剂混合成型的底板2以及由热固化树脂和固化剂混合成型的盖板1，其中所述盖板和所述底板互相粘接，所述底板上具有与岩心的孔隙通道结构相对应的二维孔隙通道结构3，所述底板上还具有与其上的所述二维孔隙通道结构连通的液体流入孔道4和液体流出孔道5。

一种制作微观驱油用二维多孔介质模型的制作方法，其包括以下步骤：

（1）对岩心进行预处理：对所述岩心进行封装保护处理，以保护岩心的孔隙通道结构；

（2）制作母版：将热固化树脂和固化剂混合后浇铸在进行了封装保护处理的岩心周围，然后在恒温箱中进行固化成型，固化成型后去除岩心的封装保护，再进行机械加工以形成母版上的液体流入和流出孔道，以得到母版，其具有含岩心孔隙通道结构的截面；

（3）制作弹性模具：将聚二甲基硅氧烷（PDMS）浇铸在母版上，然后放入真空箱中进行抽真空脱气，抽真空脱气后放入恒温箱中进行固化成型，固化成型后将母版剥离，得到与母版上的所述截面的孔隙通道结构以及母版上的液体流入和流出孔道互补的镜像结构，即得到弹性模具；

（4）制作底板：将热固化树脂和固化剂混合，然后浇铸在所述弹性模具上，放入真空箱中进行抽真空脱气，抽真空脱气后放入恒温箱中进行固化成型，固化成型后将弹性模具剥离，得到与母版上的所述截面的孔隙通道结构以及母版上的液体流入和流出孔道相同的结构，即得到底板；

（5）制作盖板：将热固化树脂和固化剂混合，然后浇铸在盖板模具上，放入真空箱中进行抽真空脱气，抽真空脱气后放入恒温箱中进行固化成型，固化成型后将盖板模具剥离，得到盖板，其与底板的大小相同。

（6）在盖板上涂上粘接剂，将底板上有孔隙通道结构的一面与盖板粘接，放入恒温箱中，粘接剂固化后即得到所述二维多孔介质模型。

附图说明

图1为天然岩心俯视图和侧视图；

图2为母版的俯视图和剖面图；

图3为弹性模具的俯视图和剖面图；

图4为底板的俯视图和剖面图；

图5为盖板模具俯视图和剖面图。

图6为盖板俯视图和侧视图。

图7为多孔介质模型俯视图和剖面图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步说明：

首先，详细描述本发明中多孔介质模型的结构。

如图7所示，这种微观驱油用二维热固化多孔介质模型，包括由热固化树脂和固化剂混合成型的底板2以及由热固化树脂和固化剂混合成型的盖板1，其中所述盖板和所述底板互相粘接，所述底板上具有与岩心的孔隙通道结构相对应的二维孔隙通道结构3，所述底板上还具有与其上的所述二维孔隙通道结构连通的液体流入孔道4和液体流出孔道5。这种结构实现整个模型内全部孔隙通道结构的畅通。

下面，结合附图以及两个具体实例对微观驱油用二维热固化多孔介质模型的制作方法做详细说明。

实例1：

首先，对图1所示的岩心进行预处理。将取芯得到的天然岩心切割至厚度约为1cm，底面直径约3cm。对岩心进行封装保护处理，即用松节油充分溶解松香，将岩心浸泡到松香溶液中，升温加热，使岩心充分饱和松香，静置降温，如此一来，松香以固态的形式饱和在岩心孔道中，对岩心孔道起到了保护的作用。

其次，用处理好的岩心制作母版7。将热固化树脂与固化剂按20:1至5:1的重量比配制，优选的重量比为10:1，其中热固化树脂为环氧树脂，还可以为本领域的其他树脂，固化剂为本领域公知的固化剂材料，优选采用三乙醇胺。将热固化树脂和固化剂配制后，浇铸在饱和了松香的岩心周围，在恒温箱中设定50-80℃的温度下恒温6-10小时，使树脂在岩心外围固化成型。树脂固化后，横向切割整个块体，取含有主要岩心面的块体，磨平底面，将其放在超声波仪器中，用松节油溶解出岩心孔隙中的松香，并在底面上加工出供液体由块体周围流入岩心部分的沟槽，作为液体流入孔道和液体流出孔道。清洁块体，即得含有岩心孔隙通道结构的截面和液体流入孔道和流出孔道的块体，其作为母版7，如图2所示。

然后用母版7制作弹性模具6。将PDMS（polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷）浇铸在母版上，放入真空箱中抽真空脱气25-40分钟，优选为30分钟，消除PDMS自身的气泡和PDMS与母版界面上的气泡。脱气后放入恒温箱中，在80℃下恒温2小时使PDMS固化，冷却后将PDMS与母版剥离，得到与母版上的所述岩心截面的孔隙通道结构以及母版上的液体流入和流出孔道互补的镜像结构，即得到弹性模具6，如图3所示。由于岩心母版孔道结构较为复杂，可能导致PDMS与母版脱离时发生粘连的情况而破坏翻模的结构，所以在浇铸PDMS之前，可以用匀胶机在岩心母版上旋涂3滴左右的硅油，既能避免脱模过程发生粘连的情况，又不影响翻模效果。

下一步，利用弹性模具6制作具有二维孔隙通道结构的底板2。将热固化树脂与固化剂按20:1至5:1的重量比配制，优选的重量比为10:1，其中热固化树脂为环氧树脂，固化剂为本领域公知的固化剂材料，优选采用三乙醇胺。充分搅拌均匀后放置10分钟，混合液会自己排出部分气泡，然后浇铸到弹性模具上，放入真空箱中抽真空脱气25-40分钟，优选为30分钟，消除树脂与模具界面上的气泡。放入恒温箱中，在恒温箱中设定50-80℃的温度下恒温6-10小时，至树脂固化后，剥离弹性模具，得到与母版上的所述岩心截面的孔隙通道结构以及母版上的液体流入和流出孔道相同的结构，即得到底板，如图4所示。

制作与底板匹配的盖板。选取一块表面光滑，形状和厚度与底板相匹配的硬质材料作为盖板的母版，以相同的方法用PDMS翻模制作成盖板模具，如图5所示。另外，也可采用本领域公知的铸造技术制作盖板模具，只要得到图5所示的形状的模具即可。将热固化树脂与固化剂按20:1至5:1的重量比配制，优选的重量比为10:1，其中热固化树脂为环氧树脂，固化剂为本领域公知的固化剂材料，优选采用三乙醇胺。充分搅拌均匀后放置10分钟，混合液会自己排出部分气泡，然后浇铸到盖板模具上，放入真空箱中抽真空脱气25-40分钟，优选为30分钟，消除树脂与模具界面上的气泡。放入恒温箱中，在恒温箱中设定50-80℃的温度下恒温6-10小时，至树脂固化后，剥离盖板模具，得到与底板匹配的盖板，如图6所示。

最后将底板与盖板粘结成模型。将热固化树脂与固化剂按10:1的重量比配制好作为粘接剂使用，优选采用和底板与盖板相同的配比，以使模型内部均质。用匀胶机在盖板一面均匀旋涂一层粘接剂，通过控制匀胶机转速，将粘接剂厚度控制在10μm以下，将底板上有孔隙结构的一面与盖板粘结，放入恒温箱中，在模型上施加约100g/cm²的压力以辅助粘接，在60℃下恒温8小时使粘接剂固化，即制得模型如图7所示。

实例2：

在对岩心进行预处理的步骤中采用另外一种方法。将取芯得到的天然岩心切割至厚度约为1cm，底面直径约3cm。对岩心进行封装保护处理：用常用的耐热薄膜包裹住岩心块，用真空封装机将岩心块真空封装在薄膜中，另薄膜紧贴着岩心侧壁。将热固化树脂与固化剂按20:1至5:1的重量比配制，优选的重量比为10:1，其中热固化树脂为环氧树脂，固化剂为本领域公知的固化剂材料，优选采用三乙醇胺。将热固化树脂和固化剂配制后，浇铸在岩心周围，在恒温箱中设定50-80℃的温度下恒温6-10小时，使树脂在岩心外围固化成型。树脂固化后，横向切割整个块体，取含有主要岩心面的块体，磨平底面，并在这一面上凿出供液体由块体周围流入岩心部分的沟槽，作为液流的注入口和流出口。制作得到的母版上，薄膜层厚度极薄，与岩心和树脂层连成一体，对翻模过程没有影响。

然后按照与实例1相同的步骤制作弹性模具，制作底板、盖板，最后粘结模型。

Claims (15)

1.一种微观驱油用二维多孔介质模型，其特征在于：包括由热固化树脂和固化剂混合成型的底板（2）以及由热固化树脂和固化剂混合成型的盖板（1），其中所述盖板和所述底板互相粘接，所述底板上具有与岩心的孔隙通道结构相对应的二维孔隙通道结构（3），所述底板上还具有与其上的所述二维孔隙通道结构连通的液体流入孔道（4）和液体流出孔道（5）。

2.根据权利要求1所述的二维多孔介质模型，其特征在于：成型底板的热固化树脂和固化剂的重量比为20:1至5:1。

3.根据权利要求2所述的二维多孔介质模型，其特征在于：成型底板的热固化树脂和固化剂的重量比为10:1。

4.根据权利要求1所述的二维多孔介质模型，其特征在于：成型盖板的热固化树脂和固化剂的重量比为20:1至5:1。

5.根据权利要求4所述的二维多孔介质模型，其特征在于：成型盖板的热固化树脂和固化剂的重量比例为10:1。

6.根据权利要求1所述的二维多孔介质模型，其特征在于：采用粘接剂将所述盖板和所述底板相互粘接，所述粘接剂为热固化树脂与固化剂按照10:1的重量比配制。

7.根据权利要求1-6所述的二维多孔介质模型，其特征在于：其中所述热固化树脂为环氧树脂，所述固化剂为三乙醇胺。

8.一种制作如权利要求1-6之一所述的微观驱油用二维多孔介质模型的方法，其包括以下步骤：

（1）对岩心进行预处理：对所述岩心进行封装保护处理，以保护岩心的孔隙通道结构；

（2）制作母版：将热固化树脂和固化剂混合后浇铸在进行了封装保护处理的岩心周围，然后在恒温箱中进行固化成型，固化成型后去除岩心的封装保护，再进行机械加工以形成母版上的液体流入和流出孔道，以得到母版，其具有含岩心孔隙通道结构的截面；

（3）制作弹性模具：将聚二甲基硅氧烷（PDMS）浇铸在母版上，然后放入真空箱中进行抽真空脱气，抽真空脱气后放入恒温箱中进行固化成型，固化成型后将母版剥离，得到与母版上的所述截面的孔隙通道结构以及母版上的液体流入和流出孔道互补的镜像结构，即得到弹性模具；

（4）制作底板：将热固化树脂和固化剂混合，然后浇铸在所述弹性模具上，放入真空箱中进行抽真空脱气，抽真空脱气后放入恒温箱中进行固化成型，固化成型后将弹性模具剥离，得到与母版上的所述截面的孔隙通道结构以及母版上的液体流入和流出孔道相同的结构，即得到底板；

（5）制作盖板：将热固化树脂和固化剂混合，然后浇铸在盖板模具上，放入真空箱中进行抽真空脱气，抽真空脱气后放入恒温箱中进行固化成型，固化成型后将盖板模具剥离，得到盖板，其与底板的大小相同；

（6）在盖板上涂上粘接剂，将底板上有孔隙通道结构的一面与盖板粘接，放入恒温箱中，粘接剂固化后即得到所述二维多孔介质模型。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于：所述封装保护处理为：用松节油溶解松香，将岩心浸泡到松节油溶解松香后的溶液中，进行加热，使岩心充分饱和松香，静置降温，松香以固态的形式饱和在岩心的孔隙通道结构中。

10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于：所述封装保护处理为：用耐热薄膜包裹岩心，用真空封装机将岩心封装在薄膜中。

11.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于：所述清除岩心的封装保护处理为：在超声波仪器中，用松节油溶解出所述岩心孔隙通道结构中的松香。

12.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于：在步骤（2）中，热固化树脂和固化剂的重量比为20:1至5:1；恒温箱的温度设定为50-70℃，在恒温箱中进行固化成型的时间为6-10小时。

13.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于：在步骤（3）中，抽真空脱气的时间为25-40分钟，恒温箱的温度设定为80℃，在恒温箱中进行固化成型的时间为2小时。

14.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于：在步骤（4）中，热固化树脂和固化剂的重量比例为20:1至5:1；抽真空脱气的时间为25-40分钟；恒温箱的温度设定为50-70℃，在恒温箱中进行固化成型的时间为6-10小时。

15.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于：在步骤（5）中，热固化树脂和固化剂的重量比例为20:1至5:1；抽真空脱气的时间为25-40分钟；恒温箱的温度设定为50-70℃，在恒温箱中进行固化成型的时间为6-10小时。

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