CN103616716A - 一种双孔隙物理模型及其制作方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双孔隙物理模型及其制作方法与应用。该制作方法包括以下步骤：将石英砂、长石、高岭土和滑石进行球磨混合，得到混合粉体；在混合粉体中加入粘结剂，搅拌混合均匀后，得到混合物料；将混合物料逐层铺放入模具中，并且在每一层混合物料上铺放高分子材料薄片，铺放若干层混合物料以及高分子材料薄片后；将模具进行压实处理，得到坯体，将坯体依次进行烘烤、烧结后，得到双孔隙物理模型。本发明提供的双孔隙物理模型由上述方法制作得到。本发明还提供该双孔隙物理模型在裂缝油气储层地震波响应模拟研究中的应用。本发明的制作方法能够制作得到含有可控裂缝的双孔隙物理模型。

Description

一种双孔隙物理模型及其制作方法与应用

技术领域

本发明涉及一种双孔隙物理模型及其制作方法与应用，属于油气勘探和开发的地球物理研究技术领域。

背景技术

裂缝是地下油气储集空间的一种重要类型。按照成因可以分为：构造裂缝、成岩裂缝、沉积-构造裂缝、压溶裂缝、溶蚀裂缝。裂缝发育的内因主要决定于岩石的脆性。控制裂缝的构造因素，主要是作用力的强弱、性质、受力次数、变形环境、和变形阶段等。

裂缝储层是最重要的油气储层之一。在碳酸盐岩、致密砂岩、泥岩、火成岩以及古潜山变质岩中均存在工业价值的油气藏。特别是对于碳酸盐岩来说，其中的裂缝、孔隙是油气的主要运移通道和储集空间，它们的存在是碳酸盐岩油气成藏的必要条件之一。碳酸盐岩只占沉积岩的20%，但它蕴藏的油气探明储量却占世界的50%以上，产量占60%以上。我国的华北、西北、西南和南方的广阔海相碳酸盐岩地层分布区已成为新一轮油气勘探的重要接替区。而致密砂岩、泥岩、火成岩、变质岩中的裂缝油气藏在我国大庆、胜利、长庆、四川等各个主要油气田中均有发现，已成为我国油气增加储量、提高产量的重要隐蔽型储层类别之一。

致密储层的孔隙、裂缝在类型和形态上具有多样性，在规模大小方面具有多尺度性，在空间分布上具有非规则性并且往往发育在经过多期地质构造运动的深部老地层中。在相距不足1km的两口深井，往往一口井高产油气，另一口则是干井的现实使得仅仅依靠传统的地面地质资料和钻井、测井资料进行裂缝系统空间分布的划分及预测变得十分困难。这使得裂缝油气储层的地球物理描述或预测变得十分必要。

含裂缝介质超声波物理模型实验及其波场响应特征分析研究对裂缝油气藏地球物理识别具有基础性和直观性。物理模型试验是联系地质、地球物理和油藏工程等不同学科共同研究裂缝油气藏的纽带和桥梁。而其中最重要的一项工作就是制作出具有可控裂缝尺寸和分布的双孔隙物理模型。国内外模拟裂缝储层的物理模型多采用有机玻璃、环氧树脂等材料，其近似性非常大，离实际的岩石相差甚远。虽然后来出现利用环氧树脂胶结石英砂，同时嵌入金属薄片，通过酸洗的方式使金属片析出，形成裂缝人工砂岩的制作工艺，但是环氧树脂胶结石英砂制作成的人工砂岩，其矿物成分、孔隙结构与实际砂岩也有很大差别，同时酸洗并不一定能完全将金属片析出，却会影响环氧胶结的效果，破坏人工砂岩的结构。因此，必须寻找更好的制作工艺，制作出矿物成分、孔隙结构与实际岩石接近，并含有可控裂缝的物理模型。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种双孔隙物理模型及其制作方法。本发明的制作方法能够制作得到含有可控裂缝的双孔隙物理模型。

本发明的目的还在于提供上述双孔隙物理模型在裂缝油气储层地震波响应模拟研究中的应用。

为达上述目的，本发明提供一种双孔隙物理模型的制作方法，其包括以下步骤：

将石英砂、长石、高岭土和滑石进行球磨混合，得到一混合粉体；

在所述混合粉体中加入粘结剂，搅拌混合均匀后，得到一混合物料；

将所述混合物料逐层铺放入模具中，并且在每一层混合物料上均匀铺放高分子材料薄片，铺放若干层混合物料以及高分子材料薄片后（最后一层为混合物料），得到填充混合物料及高分子材料薄片的模具；

将所述填充混合物料及高分子材料薄片的模具进行压实处理后，得到坯体，将所述坯体依次进行烘烤、烧结后，得到所述的双孔隙物理模型。

在上述的制作方法中，优选地，所述高分子材料薄片为厚度0.06-0.5mm并具有受热分解气化性能的高分子材料薄片。更优选地，所述高分子材料薄片包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄片、聚乙烯（PE）薄片以及聚氯乙烯（PVC）薄片等中的一种或几种的组合。

在上述的制作方法中，优选地，所述石英砂、长石、高岭土和滑石的重量比为10:1:1:1-10:3:1.5:1。更优选地，所述石英砂、长石、高岭土和滑石的重量比为10:1:1:1。

在上述的制作方法中，优选地，石英砂、长石、高岭土和滑石的细度均为60至1000目，并且依据制作要求变化。更优选地，所述石英砂的细度为60-400目，所述长石的细度为325-350目，所述高岭土的细度为500-540目，所述滑石的细度为800-900目。

在上述的制作方法中，优选地，所述混合粉体与粘结剂的重量比为10:1-10:3。更优选地，所述混合粉体与粘结剂的重量比为10:1。

在上述的制作方法中，优选地，所述粘结剂为水玻璃，该水玻璃粘结剂起到塑造坯体的作用，本发明对所述水玻璃的具体种类无特殊要求。优选地，所述水玻璃的模数为2.0，密度为1.2g/cc，具有该模数和密度的水玻璃能够有利于混合物料和坯体的均匀。

在上述的制作方法中，优选地，铺放混合物料的层数为30-80层。相应地，铺放高分子材料薄片的层数比铺放混合物料的层数少一层。每层混合物料铺放的厚度可以由本领域技术人员根据制备的物理模型的裂缝密度进行调整。

在上述的制作方法中，优选地，所述高分子材料薄片为直径2mm-6mm的硬币状薄片。

在上述的制作方法中，优选地，所述模具为清洗干净并涂抹凡士林后的模具。

在上述的制作方法中，优选地，所述压实处理的压力为10T至100T。所述压实处理为在10T至100T下保持一定时间，该时间可由本领域技术人员进行常规的调控，只要保证模具中的混合物料以及高分子材料薄片被压实即可。

在上述的制作方法中，优选地，所述烘烤的温度为40℃-60℃，烘烤时间根据湿度、温度等条件确定，可以为4-6天。烘烤后使坯体完全固化。

在上述的制作方法中，根据各原料的配比选择合适的烧结时间和升温速度，优选地，所述烧结的升温速度为5℃/min，烧结温度为1000-1300℃（也就是以5℃/min的升温速度进行升温达到1000-1300℃为止），时间为3-8小时（也就是达到1000-1300℃后保温3-8小时）；更优选地，烧结时间为5小时。在烧结的过程中，坯体内的石英砂、长石、高岭土、滑石和粘结剂等物质在高温条件下熔融并成为胶结物，而高分子材料薄片因具有受热分解气化的特点在高温条件下分解并留下孔隙，即可得到所需的裂缝，进而得到双孔隙物理模型。

在上述的制作方法中，可以将烧结完毕并自然冷却至室温后的双孔隙物理模型的边缘打磨光滑，并且可以通过切割钻柱等方式将其加工成所需要的形状和大小。

根据本发明的具体实施方式，优选地，上述制作方法包括以下步骤：

将石英砂、长石、高岭土和滑石按照10:1:1:1-10:3:1.5:1的重量比进行球磨混合，得到一混合粉体；

按照10:1-10:3的重量比在所述混合粉体中加入粘结剂，搅拌混合均匀后，得到一混合物料；

将所述混合物料逐层铺放入模具中，并且在每一层混合物料上均匀铺放高分子材料薄片，铺放若干层混合物料以及高分子材料薄片后（最后一层为混合物料），得到填充混合物料及高分子材料薄片的模具；

将所述填充混合物料及高分子材料薄片的模具在10T至100T的压力下进行压实处理后，得到坯体，将所述坯体放入恒温干燥箱中在40℃-60℃下烘烤4-6天，以使其完全固化，然后放入高温马弗炉内，以5℃/min的升温速度升温至1000-1300℃的烧结温度保温3-8小时进行烧结后，得到所述的双孔隙物理模型。

在本发明中，双孔隙物理模型的裂缝的形态、分布均可由本领域技术人员根据实验需要进行控制，通过改变高分子材料薄片的直径、厚度可以制作出具有不同裂缝尺寸、裂缝张开度的双孔隙物理模型，通过改变高分子材料薄片的直径、厚度和数量可以制作出具有不同裂缝密度的双孔隙物理模型。

本发明的双孔隙物理模型的制作方法具有很好地操作性和重复性，利用该方法可以制作出与天然岩石在孔隙结构、矿物成分、胶结方式等方面更接近的人工砂岩物理模型，并且可以制作出不同裂缝密度、裂缝直径、裂缝张开度的双孔隙人工砂岩物理模型。该方法制作出的双孔隙物理模型稳定牢固，因此可以用于研究不同饱和流体、不同温度和压力条件下的地震响应，更好地为裂缝储层性质和裂缝油气藏识别提供依据。

本发明的还提供一种双孔隙物理模型，其是由上述的双孔隙物理模型的制作方法所制作得到的。

根据本发明的具体实施方式，优选地，上述双孔隙物理模型的密度为1.5g/cc-2.4g/cc，孔隙度为10%-30%，纵波速度为1500m/s-4500m/s，横波速度为1200m/s-1900m/s。其中，垂直于裂缝平面方向的纵波速度为1500m/s-4100m/s，垂直于裂缝平面方向的横波速度为1200m/s-1700m/s；平行于裂缝平面方向的纵波速度为2000m/s-4500m/s，平行于裂缝平面方向的横波速度为1300m/s-1900m/s。

根据本发明的具体实施方式，优选地，上述双孔隙物理模型的裂缝直径为2mm-6mm，裂缝厚度为0.06mm-0.5mm，裂缝密度为1%-10%（以双孔隙物理模型的总体积为基准）。其中，裂缝密度的计算公式为：

式中，ε为裂缝密度，N为体积V内的裂缝个数，r为裂缝的半径。

本发明还提供上述的双孔隙物理模型在裂缝油气储层地震波响应模拟研究中的应用。

本发明的双孔隙物理模型，可用于研究裂缝储层的地球物理响应，为实际的裂缝储层研究结果的对比及验证提供可靠的依据，以寻找研究裂缝油气储层地震勘探的新方法新思路。

本发明依据地震物理模拟技术特点，从实际地层特征与实验室模型制作的关系出发，制作得到含有可控裂缝的双孔隙物理模型，并且使制作出的双孔隙物理模型的各项岩石物理参数和力学特征更加接近天然岩石的人工砂岩，使该双孔隙物理模型能够应用在裂缝油气储层地震波响应模拟研究中。

附图说明

图1为实施例1和实施例2的双孔隙物理模型的制作方法流程图。

图2为实施例1的双孔隙物理模型的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供一种双孔隙物理模型的制作方法，如图1所示，其包括以下步骤：

将200目的石英砂500g、350目的长石50g、500目的高岭土50g和800目的滑石50g进行球磨混合，混合均匀后，得到一混合粉体；

在所述混合粉体中加入65g水玻璃（该水玻璃的模数为2.0，密度为1.2g/cc），放入搅拌机内搅拌混合均匀后，得到一混合物料；

将清洗并组装完毕的模具四周涂抹凡士林后，将30mL所述混合物料平整地铺放入模具中，并且在该层混合物料上均匀地铺放高分子材料薄片200个（该高分子材料薄片为厚度0.06mm并具有受热分解气化性能的聚甲基丙烯酸甲酯薄片，直径为3mm，其为采用直径为3mm的冲头将高分子材料冲成的薄片），铺放35层混合物料以及34层高分子材料薄片后，得到填充混合物料及高分子材料薄片的模具；

将所述填充混合物料及高分子材料薄片的模具放在压机上，在30T的恒定压力下保持12小时进行压实处理后，将模具拆下并取出坯体，将所述坯体放入恒温干燥箱中在40℃-60℃下烘烤4天，以使其完全固化，然后放入高温马弗炉内，以5℃/min的升温速度升温至1300℃保温3个小时进行烧结后，得到所述的双孔隙物理模型；将烧结完毕并自然冷却至室温后的双孔隙物理模型的边缘打磨光滑，并且可以通过切割钻柱等方式将其加工成所需要的形状和大小。

经测试，本实施例的双孔隙物理模型的密度约为2.1g/cc；孔隙度约为24%；平行于裂缝平面方向的纵波速度约为2504m/s，横波速度约为1400m/s；垂直于裂缝平面方向的纵波速度约为2325m/s，横波速度约为1256m/s。因此得出该双孔隙物理模型的纵波各向异性为7.7%，横波各向异性为11.46%。本实施例的双孔隙物理模型的裂缝厚度为0.06mm，裂缝直径为3mm，裂缝密度为2.6%（以双孔隙物理模型的总体积为基准）。该双孔隙物理模型模拟了天然地层中小尺度裂缝的地震波响应。实际含裂缝天然砂岩的密度为2.01-2.64g/cc，孔隙度为2%-36%，纵波速度为2430-5520m/s（Strandenes S.Rock physics analysis of the Brent Group Reservoir in the Oseberg Field:Stanford Rock Physics and Borehole Geophysics Project[J].1991；Blangy J-P D.Integrated seismic lithologic interpretation:The petrophysical basis[M].Dept.ofGeophysics,School of Earth Sciences,1992.），纵波各向异性为3.4%-13.9%，横波各向异性为4.6%-25.5%（Thomsen L.Weak elastic anisotropy[J].GEOPHYSICS,1986,51(10):1954-66.)。以上各项参数与实际裂缝储层岩石物理参数和地震波响应接近，符合模拟实验要求。如图2所示，该双孔隙物理模型的扫描电子显微镜照片显示其孔隙结构均匀、分选度好、裂缝形态清晰。

其中，密度、孔隙度、纵波速度、横波速度、纵波各向异性、横波各向异性以及裂缝厚度、裂缝直径、裂缝密度的测试及计算方法为本领域技术人员公知的测试及计算方法，具体请参考《岩石物理学》（中国科技大学出版社，12.4，288页，13.1，293页）中所述的测试及计算方法。

实施例2

本实施例提供一种双孔隙物理模型的制作方法，其与实施例1的制作方法基本相同，不同之处在于：高分子材料薄片的厚度为0.5mm，直径为6mm，其为采用直径为6mm的冲头将高分子材料冲成的薄片，并且每层混合物料上均匀铺放高分子材料薄片的数量为20个。

经测试，本实施例的双孔隙物理模型的密度约为2.1g/cc；孔隙度约为22%；平行于裂缝平面方向的纵波速度为2817m/s，横波速度为1565m/s；垂直于裂缝平面方向的纵波速度为2549m/s，横波速度为1407m/s。因此得出该双孔隙物理模型的纵波各向异性为10.51%，横波各向异性为11.23%。本实施例的双孔隙物理模型的裂缝厚度为0.5mm，裂缝直径为6mm，裂缝密度为5.5%（以双孔隙物理模型的总体积为基准）。该双孔隙物理模型模拟了天然地层中大尺度裂缝的地震波响应。实际含裂缝天然砂岩的各项参数如实施例1中所述。以上各项参数与实际裂缝储层岩石物理参数和地震波响应接近，符合模拟实验要求。

Claims (10)

1.一种双孔隙物理模型的制作方法，其包括以下步骤：

将石英砂、长石、高岭土和滑石进行球磨混合，得到一混合粉体；

在所述混合粉体中加入粘结剂，搅拌混合均匀后，得到一混合物料；

将所述混合物料逐层铺放入模具中，并且在每一层混合物料上均匀铺放高分子材料薄片，铺放若干层混合物料以及高分子材料薄片后，得到填充混合物料及高分子材料薄片的模具；

将所述填充混合物料及高分子材料薄片的模具进行压实处理后，得到坯体，将所述坯体依次进行烘烤、烧结后，得到所述的双孔隙物理模型。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其中，所述高分子材料薄片包括聚甲基丙烯酸甲酯薄片、聚乙烯薄片以及聚氯乙烯薄片中的一种或几种的组合。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其中，所述石英砂、长石、高岭土和滑石的重量比为10:1:1:1-10:3:1.5:1；所述石英砂的细度为60-400目，所述长石的细度为325-350目，所述高岭土的细度为500-540目，所述滑石的细度为800-900目。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其中，所述混合粉体与粘结剂的重量比为10:1-10:3。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其中，所述粘结剂为水玻璃；优选地，所述水玻璃的模数为2.0，密度为1.2g/cc。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其中，所述压实处理的压力为10-100T；所述烧结的升温速度为5℃/min，烧结温度为1000-1300℃，时间为3-8小时。

7.一种双孔隙物理模型，其是由权利要求1-6任一项所述的双孔隙物理模型的制作方法所制作得到的。

8.根据权利要求7所述的双孔隙物理模型，其密度为1.5g/cc-2.4g/cc，孔隙度为10%-30%，纵波速度为1500m/s-4500m/s，横波速度为1200m/s-1900m/s。

9.根据权利要求7所述的双孔隙物理模型，其裂缝直径为2mm-6mm，裂缝厚度为0.06mm-0.5mm，裂缝密度为1%-10%。

10.权利要求7-9任一项所述的双孔隙物理模型在裂缝油气储层地震波响应模拟研究中的应用。

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