CN103806905A - 制备具有双重孔隙的碳酸盐岩储层物理模型的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备具有双重孔隙的碳酸盐岩储层物理模型的装置及方法。该装置包括：岩样内部结构扫描系统、数据处理与显示系统、三维快速成型打印机、热烘干设备；岩样内部结构扫描系统为制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的装置中的基础数据采集模块，无损、真实地再现碳酸盐岩储层的内部结构特征；数据处理与显示系统，接收并存储岩样内部结构扫描系统所获取的待探测岩样的二维切片图像数据；三维快速成型打印机与数据处理与显示系统连接，实现双重孔隙结构岩样的物理模型制备；热烘干设备，对三维快速成型打印机所制作的物理模型进行加热，从而完成物理模型的制备。本发明克服了传统制备方法骨架性质与真实岩样相差较大的缺陷。

Description

制备具有双重孔隙的碳酸盐岩储层物理模型的装置及方法

技术领域

本发明属于石油天然气开采领域，具体地，涉及一种制备具有双重孔隙的碳酸盐岩储层物理模型的装置及方法，针对地下原油、天然气、地下水等流体所在多孔介质(岩石)孔隙结构表征及真实物理模型重构。

背景技术

碳酸盐岩储层储集空间类型有孔隙、溶孔乃至溶洞，储层空隙尺度从微米级到米级，储层松散，难以成型，考虑到钻井风险及储层段岩心成型性差等因素，很难钻取具有双重孔隙类型的天然岩心，限制了碳酸盐岩油藏物理模拟实验的开展。

物理实验模拟的基础和核心问题就是如何制备与天然碳酸盐岩储层具有相同的多种尺度空隙类型的人造实物物理模型。

目前，物理模型的制备主要分为宏观物理模型和微观物理模型两种。宏观物理模型制作成本较低，运行设备投资较少，但一般是由天然岩石粉末或石英砂掺入无机或有机胶合剂经压铸而成，该物理模型最大缺点仅适用于均质性较强的砂岩储层，其微观孔隙结构特征及胶结物成分与真实油藏岩石相差甚远，对于具有溶蚀孔洞（孔隙和溶洞）双重孔隙类型发育的碳酸盐岩物理模型无法通过压铸制备；微观物理模型几何尺寸较小，能进行数据采集和图像分析及图像处理，由于采用光刻技术制作，其制作成本及难度和制作装置的要求较高，而且该类模型一般为平面形态，固体骨架为玻璃板等材料，导致模型岩石学特征、润湿性特征与实际岩石样品相差较大，无法制备具有多种尺度孔隙介质的物理模型等问题，制约了具有双重孔隙类型的碳酸盐岩储集层的物理模拟实验的开展和应用。

发明内容

为克服现有技术中碳酸盐岩储层岩心获取难度大、传统物理模型制备方法不能制作双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的缺点，本发明提供一种制备具有双重孔隙的碳酸盐岩储层物理模型的装置和方法，为常规油气、地下水、天然水合物及地热领域等物理模型的制备提供新方向。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的装置，包括：岩样内部结构扫描系统、数据处理与显示系统、三维快速成型打印机、热烘干设备；岩样内部结构扫描系统为所述制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的装置中的基础数据采集模块，无损、真实地再现碳酸盐岩储层的内部结构特征；数据处理与显示系统，接收并存储岩样内部结构扫描系统所获取的待探测岩样的二维切片图像数据；三维快速成型打印机与数据处理与显示系统连接，实现双重孔隙结构岩样的物理模型制备；热烘干设备，对三维快速成型打印机所制作的物理模型进行加热，从而完成物理模型的制备。

进一步地，岩样内部结构扫描系统主要由X射线源、扫描架、探测器和图像显示与存储系统四部分组成；通过向岩样照射X射线，由探测器接收透过该样品的X射线，计算X线衰减系数和吸收系数，由光信号转换变为电信号，在图像显示与存储系统上获取连续多张反应岩样内部孔隙尺寸、分布特征及连通关系的断层二维切片图像。

进一步地，岩样结构扫描系统采用X射线断层扫描摄影系统。

进一步地，岩样内部结构扫描系统所获取的连续断层图像数据通过连接线导入数据处理与显示系统，按照岩样切片图像先后扫描顺序，对岩样切片图像依次进行叠加，从而构建被扫描岩样的孔隙、骨架的三维空间分布数据体；借助相应的三维成像及显示系统，构建具有双重孔隙类型岩石样品的三维可视化模型，形成数据点云。

进一步地，数据处理与显示系统采用计算机和相应的商业三维可视化软件来处理数据。

进一步地，三维快速成型打印机与数据处理与显示系统通过数据线连接，数据处理与显示系统所获取的岩样三维模型信息通过数据连接线输出到三维快速成型打印机；三维快速成型打印机供粉筒中加入环氧树脂固化剂和碳酸盐岩样品粉末混合制成的铺层粉末，在打印机工作平台进行均匀铺层；根据数据处理与显示系统中三维可视化模型中指示的空隙与骨架方位信息，应用系统中的激光扫描头由数控系统控制，对平面内的铺层粉末按界面轮廓进行扫描，固化铺层粉末烧结成型得到一层截面，未烧结部位为松散粉末，层层堆积叠加形成三维实体后去除未胶结粉末，实现双重孔隙结构岩样的物理模型制备。

进一步地，热烘干设备由样品室和加热装置组成，对三维快速成型打印机所制作的物理模型进行加热，加热原理为热烘干设备接通电源后，电流经过样品室周围的电阻丝发热，从而产生可控、稳定的恒定高温，对物理模型进行加热固化，从而完成满足各种高温高压实验条件的物理模型的制备。

一种制作装置制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的方法，利用上述制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用X射线断层扫描摄影系统作为所述岩样岩样内部结构扫描系统，将取自于地表露头区的具有孔隙与溶孔双重孔隙类型的岩石样品置入CT样品室样品架上，关闭样品室门，设置工作电压；

步骤2：调节射线源、探测器与样品之间的距离，开启射线源，向岩样照射X射线，由探测器接收透过该样品的X射线，由于被扫描岩样的孔隙空间、基岩骨架对射线的吸收与透过率不同，由探测器所接收到的X射线计算射线衰减系数和吸收系数，经数字转换器在图像显示与存储系统上重建被扫描岩样的二维切片图像数据；

步骤3：应用数据线连接X射线断层扫描系统与数据处理与显示系统，应用数据处理与显示系统的三维重构软件获取岩样的三维模型；通过连接数据处理与显示系统和三维快速成型打印机的数据线，将岩样骨架和孔隙空间分布位置的三维模型导入三维快速成型打印机；

步骤4：应用粉碎机对碳酸盐岩样品进行粉碎，过筛，制得铺层粉末；在三维快速成型打印机供粉筒中加入环氧树脂固化剂和碳酸盐岩样品粉末混合制成的铺层粉末，在打印机工作台的材料床上进行均匀铺层；

步骤5：连接三维成型打印机与数据处理与显示系统，将岩样三维模型孔隙与基岩空间分布信息传输到三维成型打印机；三维打印机热敏头根据计算机三维数字化岩样每层形态进行烧结固化，形成模型的横截面层，未烧结部位为松散粉末，经过后期去粉后，完成三维物理模型的制作。

步骤6：模型成型完毕后，取出工件，进行打磨，并将所制作物理模型置入热烘干设备，经过50℃固化加热2分钟，即得具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型。

进一步地，热烘干设备为恒温箱。

进一步地，铺层粉末为粒径小于44μm的碳酸盐岩粉末。

相对于现有技术，本发明具有如下优势：

1、本发明所制作装备能应用真实灰岩颗粒作为模型制备材料，解决了传统制备方法骨架性质与真实岩样相差较大的缺陷；

2、基于微观结构扫描系统所构建的三维数字化岩样，通过三维打印快速成型技术可以获得孔隙结构与真实岩样相近的物理模型，解决了传统物理模型制备方法无法刻画多孔介质孔隙结构的缺点；

3、通过研发新的固化剂成分配方，可以获得不同润湿性的物理模型，相对于传统制备方法偏油湿或中性润湿的物理模型，更接近实际含油地层的润湿特性。

4、本发明提出的碳酸盐岩储层物理模型制作装置与方法方法可以制作尺寸较大的平板模型或者标准的岩心样品(φ2.5×5cm)，进一步拓宽了物理模拟实验方法的应用领域。

附图说明

图1为具有双重孔隙的碳酸盐岩储层物理模型的制作装置结构示意图；

图2基于岩样孔隙结构扫描与分析系统重构碳酸盐岩双重孔隙数字化岩心。

图中，1、岩样内部结构扫描系统；2、三维数据处理系统；3、三维快速成型打印机；4、热烘干设备。

具体实施方式

双重孔隙模型是指具有两种不同孔隙尺寸的多孔介质；相对于只有一种以粒间孔隙类型为主导的常规砂岩储层，碳酸盐岩储层储集空间主要由孔隙、溶蚀孔洞两种不同尺度的孔隙空间构成，为典型的双重孔隙多孔介质。

如图1所示，制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的装置，包括：岩样内部结构扫描系统1、数据处理与显示系统2、三维快速成型打印机3、热烘干设备4。

岩样内部结构扫描系统1为所述制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的装置中的基础数据采集模块，该设备主要由X射线源、扫描架、探测器和图像显示与存储系统四部分组成；通过向岩样照射X射线，由于被扫描岩样各部分（如孔隙空间、基岩骨架）对射线的吸收与透过率不同，由探测器接收透过该样品的X射线，计算X线衰减系数和吸收系数，由光信号转换变为电信号，在图像显示与存储系统上获取连续多张反应岩样内部孔隙尺寸、分布特征及连通关系的断层二维切片图像，从而无损、真实地再现碳酸盐岩储层的内部结构特征。岩样结构扫描系统1可以采用X射线断层扫描摄影系统。

数据处理与显示系统2，接收并存储岩样内部结构扫描系统1所获取的待探测岩样的二维切片图像数据；将岩样内部结构扫描系统1所获取的连续断层图像数据通过连接线导入数据处理与显示系统2，然后，按照岩样切片图像先后扫描顺序，对岩样切片图像依次进行叠加，从而构建被扫描岩样的孔隙、骨架的三维空间分布数据体；借助相应的三维成像及显示系统，构建具有双重孔隙类型岩石样品的三维可视化模型，形成数据点云。数据处理与显示系统2可以采用计算机和相应的商业三维可视化软件来处理数据。

三维快速成型打印机3，与数据处理与显示系统2通过数据线连接，将数据处理与显示系统2所获取的岩样三维模型信息通过数据连接线输出到三维快速成型打印机3；三维快速成型打印机3供粉筒中加入环氧树脂固化剂和碳酸盐岩样品粉末混合制成的铺层粉末，在打印机工作平台进行均匀铺层；根据数据处理与显示系统2中三维可视化模型中指示的空隙与骨架方位信息，应用系统中的激光扫描头由数控系统控制，对平面内的铺层粉末按界面轮廓进行扫描，固化铺层粉末烧结成型得到一层截面，未烧结部位为松散粉末，层层堆积叠加形成三维实体后去除未胶结粉末，实现双重孔隙结构岩样的物理模型制备。

热烘干设备4，热烘干设备4由样品室和加热装置组成，对三维快速成型打印机3所制作的物理模型进行加热，加热原理为热烘干设备4接通电源后，电流经过样品室周围的电阻丝发热，从而产生可控、稳定的恒定高温，对物理模型进行加热固化，从而完成满足各种高温高压实验条件的物理模型的制备。

本发明中所有的所有原料和设备均可以从市场购得。

利用上述物理模型制作装置制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的方法，包括以下步骤： 

步骤1：采用X射线断层扫描摄影系统（CT）作为所述岩样岩样内部结构扫描系统，将取自于地表露头区的具有孔隙与溶孔双重孔隙类型的岩石样品置入CT样品室样品架上，关闭样品室门，设置工作电压。

步骤2：调节射线源、探测器与样品之间的距离，开启射线源，向岩样照射X射线，由探测器接收透过该样品的X射线，由于被扫描岩样的孔隙空间、基岩骨架对射线的吸收与透过率不同，由探测器所接收到的X射线计算射线衰减系数和吸收系数，经数字转换器在图像显示与存储系统上重建被扫描岩样的二维切片图像数据。

步骤3：应用数据线连接X射线断层扫描系统与数据处理与显示系统2(如计算机)，应用数据处理与显示系统2的三维重构软件获取岩样的三维模型；通过连接数据处理与显示系统2和三维快速成型打印机3的数据线，将岩样骨架和孔隙空间分布位置的三维模型导入三维快速成型打印机3。

步骤4：应用粉碎机对碳酸盐岩样品进行粉碎，过100目筛，取粒径小于44μm的碳酸盐岩粉末，即得铺层粉末；在三维快速成型打印机3供粉筒中加入环氧树脂固化剂和碳酸盐岩样品粉末混合制成的铺层粉末，在打印机工作台的材料床上进行均匀铺层。

步骤5：连接三维成型打印机3与数据处理与显示系统2，将岩样三维模型孔隙与基岩空间分布信息传输到三维成型打印机3。三维打印机热敏头根据计算机三维数字化岩样每层形态（固体骨架、孔隙）进行烧结固化，形成模型的横截面层，未烧结部位为松散粉末，经过后期去粉后，完成三维物理模型的制作。

步骤6：模型成型完毕后，取出工件，进行打磨，并将所制作物理模型置入热烘干设备（如恒温箱），经过50℃固化加热2分钟，即得具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型。

Claims (10)

1.一种制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的装置，包括：岩样内部结构扫描系统、数据处理与显示系统、三维快速成型打印机、热烘干设备；其特征在于：岩样内部结构扫描系统为所述制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的装置中的基础数据采集模块，无损、真实地再现碳酸盐岩储层的内部结构特征；数据处理与显示系统，接收并存储岩样内部结构扫描系统所获取的待探测岩样的二维切片图像数据；三维快速成型打印机与数据处理与显示系统连接，实现双重孔隙结构岩样的物理模型制备；热烘干设备，对三维快速成型打印机所制作的物理模型进行加热，从而完成物理模型的制备。

2.根据权利要求1所述的制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的装置，其特征在于：岩样内部结构扫描系统主要由X射线源、扫描架、探测器和图像显示与存储系统四部分组成；通过向岩样照射X射线，由探测器接收透过该样品的X射线，计算X线衰减系数和吸收系数，由光信号转换变为电信号，在图像显示与存储系统上获取连续多张反应岩样内部孔隙尺寸、分布特征及连通关系的断层二维切片图像。

3.根据权利要求1-2所述的制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的装置，其特征在于：岩样结构扫描系统采用X射线断层扫描摄影系统。

4.根据权利要求1-3所述的制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的装置，其特征在于：岩样内部结构扫描系统所获取的连续断层图像数据通过连接线导入数据处理与显示系统，按照岩样切片图像先后扫描顺序，对岩样切片图像依次进行叠加，从而构建被扫描岩样的孔隙、骨架的三维空间分布数据体；借助相应的三维成像及显示系统，构建具有双重孔隙类型岩石样品的三维可视化模型，形成数据点云。

5.根据权利要求1-4所述的制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的装置，其特征在于：数据处理与显示系统采用计算机和相应的商业三维可视化软件来处理数据。

6.根据权利要求1-5所述的制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的装置，其特征在于：三维快速成型打印机与数据处理与显示系统通过数据线连接，数据处理与显示系统所获取的岩样三维模型信息通过数据连接线输出到三维快速成型打印机；三维快速成型打印机供粉筒中加入环氧树脂固化剂和碳酸盐岩样品粉末混合制成的铺层粉末，在打印机工作平台进行均匀铺层；根据数据处理与显示系统中三维可视化模型中指示的空隙与骨架方位信息，应用系统中的激光扫描头由数控系统控制，对平面内的铺层粉末按界面轮廓进行扫描，固化铺层粉末烧结成型得到一层截面，未烧结部位为松散粉末，层层堆积叠加形成三维实体后去除未胶结粉末，实现双重孔隙结构岩样的物理模型制备。

7.根据权利要求1-6所述的制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的装置，其特征在于：热烘干设备由样品室和加热装置组成，对三维快速成型打印机所制作的物理模型进行加热，加热原理为热烘干设备接通电源后，电流经过样品室周围的电阻丝发热，从而产生可控、稳定的恒定高温，对物理模型进行加热固化，从而完成满足各种高温高压实验条件的物理模型的制备。

8.一种制作装置制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的方法，利用权利要求1-7所述的制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用X射线断层扫描摄影系统作为所述岩样岩样内部结构扫描系统，将取自于地表露头区的具有孔隙与溶孔双重孔隙类型的岩石样品置入CT样品室样品架上，关闭样品室门，设置工作电压；

步骤2：调节射线源、探测器与样品之间的距离，开启射线源，向岩样照射X射线，由探测器接收透过该样品的X射线，由于被扫描岩样的孔隙空间、基岩骨架对射线的吸收与透过率不同，由探测器所接收到的X射线计算射线衰减系数和吸收系数，经数字转换器在图像显示与存储系统上重建被扫描岩样的二维切片图像数据；

步骤3：应用数据线连接X射线断层扫描系统与数据处理与显示系统，应用数据处理与显示系统的三维重构软件获取岩样的三维模型；通过连接数据处理与显示系统和三维快速成型打印机的数据线，将岩样骨架和孔隙空间分布位置的三维模型导入三维快速成型打印机；

步骤4：应用粉碎机对碳酸盐岩样品进行粉碎，过筛，制得铺层粉末；在三维快速成型打印机供粉筒中加入环氧树脂固化剂和碳酸盐岩样品粉末混合制成的铺层粉末，在打印机工作台的材料床上进行均匀铺层；

步骤5：连接三维成型打印机与数据处理与显示系统，将岩样三维模型孔隙与基岩空间分布信息传输到三维成型打印机；三维打印机热敏头根据计算机三维数字化岩样每层形态进行烧结固化，形成模型的横截面层，未烧结部位为松散粉末，经过后期去粉后，完成三维物理模型的制作;

步骤6：模型成型完毕后，取出工件，进行打磨，并将所制作物理模型置入热烘干设备，经过50℃固化加热2分钟，即得具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型。

9.根据权利要求8所述的制作装置制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的方法，其特征在于：热烘干设备为恒温箱。

10.根据权利要求8-9所述的制作装置制作具有双重孔隙的碳酸盐岩物理模型的方法，其特征在于：铺层粉末为粒径小于44μm的碳酸盐岩粉末。

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