CN104634638B

CN104634638B - 一种通用型非胶粘的人造砂岩岩心

Info

Publication number: CN104634638B
Application number: CN201510107716.6A
Authority: CN
Inventors: 潘琳; 李龙龙; 王林明; 袁晓蔷; 毛园; 高能
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: CN104634638A

Abstract

本发明提供了一种通用型非胶粘的人造砂岩岩心，由按重量百分比添加的如下原料：70～90％的骨架颗粒、3～10％的碳酸钙、2～5％的碳酸镁、0～3％的氧化亚铁、0～3％的氯化铝和5～15％的粘土矿物，在模拟地层水的环境中以及温度40～150℃、压力20～150MPa的条件下压制36～120小时而成；该人造砂岩岩心不含人造胶粘剂，岩心孔隙结构包括原生孔隙与次生孔隙，与真实岩心结构接近一致，筒压强度可达0.1～150MPa，耐高温和高压，其孔隙度为13～28％，渗透率为10～10000mD，可满足研究人员对不同物性岩心的需求，可应用于岩石渗流规律、润湿性、岩石破裂强度、岩心酸化、堵水调剖等试验研究。

Description

一种通用型非胶粘的人造砂岩岩心

技术领域

本发明涉及一种人造岩心，具体涉及一种不含非天然胶结剂的人造砂岩岩心。

背景技术

砂岩岩心是研究碎屑岩油气藏储层渗流规律的基础，然而在油气藏开发过程中，由于人工取芯作业费用高，取芯量及其有限，同时，目的层取芯尺寸小，无法满足实验室对储层渗流规律的研究。因此，实验室研究油气藏储层渗流规律时，通常采用人造砂岩岩心作为油气渗流场所。由于天然岩心胶结作用通常需要数百万年，为短时间内制备实验用人造岩心，目前在各类人造砂岩岩心制备方法中，均采用环氧树脂或磷酸盐等人造胶类物质粘结一定粒度的石英砂，随后在一定压力(10～50MPa左右)条件下迅速密实压制、再进行高温(100～200℃)粘结，虽然该类人造砂岩岩心可以达到真实岩心的基本力学强度，但是使用的人造胶类物质与地层真实岩心的物质组成差别较大，并且选用石英砂作为矿物原料，种类较单一，由此制成的人造砂岩岩心结构组成与真实岩心区别较大，并且人造胶类物质形成的胶结物与地层真实岩心不同。该类人造岩心中仅存在原生孔隙(原生孔隙即压实后岩心中剩余的孔隙结构，主要是原生粒间孔)，并且缺乏与骨架颗粒相配套的粘土矿物，因此无法用于分析岩石孔喉结构、粘土矿物对渗流机理的影响，难以真实反映出酸化、堵水调剖等采油工艺技术对地层实际储层的影响。

中国专利(CN201210244221)“一种砂岩储层低渗透人造岩心的制作方法”公开了一种低渗透率(渗透率＜40mD)人造砂岩岩心，通过人造胶结剂粘接石英砂、长石、粘土和碳酸盐，并在26～80MPa的条件下压制、40～200℃条件下烘干而成，选用石英砂、长石、粘土和碳酸盐作为矿物原料，成分与地层真实岩心较接近，制成的人造砂岩岩心具有天然岩心的渗透特点和伤害特性。但由于岩心中使用了人造胶结剂进行骨架颗粒粘接，压实过程中没有流体作用且存在粘土矿物与骨架颗粒配伍性问题，因此，该类人造岩心存在物质组成、孔隙结构与地层真实岩心不一致、缺少粘土矿物胶结作用、耐高温高压测试环境差等问题。由于粘土矿物与骨架颗粒间可能存在非天然性的电性排斥作用，虽然气测渗透率可以达到低渗条件，但在进行流体润湿性、液体渗流规律等研究时，存在测试结果与真实岩心不一致的情况。

由于现有人造砂岩岩心在研究渗流机理、酸化、压裂、射孔模拟等方面无法提供与真实岩心相类似的环境，因此，对上述几方面的研究受到一定制约。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，并提供一种不含人造胶类物质、孔隙结构与真实岩心一致、可用于高温高压试验的人造砂岩岩心。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种通用型非胶粘的人造砂岩岩心，由按重量百分比添加的如下原料：70～90％的骨架颗粒、3～10％的碳酸钙、2～5％的碳酸镁、0～3％的氧化亚铁、0～3％的氯化铝和5～15％的粘土矿物，在温度40～150℃、压力20～150MPa的条件下压制36～120小时而成，压制12～24小时后通过计量泵向岩心中循环注入模拟地层水用于模拟地层水的环境，模拟地层水中包含Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺、K⁺、CO₃ ^2-、Cl^-、OH^-和SO₄ ^2-，总矿化度为0.1～150g/L。

人造砂岩岩心的制备方法为：将上述原料混合均匀，并在温度120～150℃、压力20～60MPa的条件下压制72～120小时。

人造砂岩岩心的制备方法为：将上述原料混合均匀，并在温度120～150℃、压力120～150MPa的条件下压制48～120小时。

人造砂岩岩心的制备方法为：将上述原料混合均匀，先在温度40～90℃、压力20～60MPa的条件下压制12～24小时，随后在温度120～150℃、压力60～150MPa的条件下压制24～96小时。

所述骨架颗粒为粒度为16～18目、18～30目、30～32目，32～35目、35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目、150～200目、200～250目、250～300目、300～325目、325～350目或350～400目的河砂。

所述骨架颗粒由两种不同粒度的河砂按Ⅰ型河砂：Ⅱ型河砂＝8～15：1的体积比混合制成，Ⅰ型河砂的粒径为Ⅱ型河砂粒径的2～5倍，Ⅰ型河砂的粒度为16～18目、18～30目、30～35目、35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目或150～200目，Ⅱ型河砂的粒度为32～35目、35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目、150～200目、200～250目、250～300目、300～325目、325～350目或350～400目。

所述骨架颗粒由三种不同粒度的河砂按Ⅲ型河砂：Ⅳ型河砂：Ⅴ型河砂＝15～35：3～10：1～2的体积比混合制成，Ⅲ型河砂的粒径为Ⅳ型河砂粒径的2～5倍，Ⅳ型河砂的粒径为Ⅴ型河砂粒径的1～5倍，Ⅲ型河砂的粒度为16～18目、18～30目、30～35目、35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目或120～150目，Ⅳ型河砂的粒度为32～35目、35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目、150～200目、200～250目、250～300目、300～325目或325～350目，Ⅴ型河砂的粒度为35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目、150～200目、200～250目、250～300目、300～325目、325～350目或350～400目。

所述骨架颗粒由四种不同粒度的河砂按Ⅵ型河砂：Ⅶ型河砂：Ⅷ型河砂：Ⅸ型河砂＝30～50：5～20：2～10：1～2的体积比混合制成，Ⅵ型河砂的粒径为Ⅶ型河砂粒径的2～5倍，Ⅶ型河砂的粒径为Ⅷ型河砂粒径的1～5倍，Ⅷ型河砂的粒径为Ⅸ型河砂粒径的1-5倍，Ⅵ型河砂的粒度为16～18目、18～30目、30～35目、35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目或80～120目，Ⅶ型河砂的粒度为32～35目、35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目、150～200目、200～250目、250～300目或300～325目，Ⅷ型河砂的粒度为35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目、150～200目、200～250目、250～300目、300～325目或325～350目，Ⅸ型河砂的粒度为40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目、150～200目、200～250目、250～300目、300～325目、325～350目或350～400目。

由上述技术方案可知，本发明提供了四种包含不同类型骨架颗粒的人造砂岩岩心，分别为：单粒径骨架颗粒岩心、双粒径骨架颗粒岩心、三粒径骨架颗粒岩心和四粒径骨架颗粒岩心，骨架颗粒粒度为16目至400目，即包括从粗砂、中砂、细砂到粉砂级别的所有地层砂岩种类，本发明通过对不同粒径骨架颗粒的体积比的控制，制备出具有不同物性条件(孔隙度为13～28％，渗透率为10～10000mD)的人造砂岩岩心，可满足实验研究对不同物性岩心的需求(孔隙度13～25％，渗透率10～5000mD)。

本发明提供的人造砂岩岩心配方包含河砂、粘土和天然盐类，压制过程中注入物质成分与地下水接近的模拟地层水，原料中河砂和粘土均取自自然，粘土为河砂采砂点处的粘土，二者同源，配伍性强，由于河砂的主要成分为石英、长石和少量岩屑，相比于现有以石英砂为骨架颗粒的人造砂岩岩心，本发明提供的人造砂岩岩心物质组成更接近地层真实岩心。

天然盐类由碳酸钙、碳酸镁、氧化亚铁和氯化铝混合而成，在温度40～150℃、压力20～150MPa的条件下，天然盐类中的钙质、铁质和粘土矿物在颗粒接触面上发生胶结作用，可真实模拟地壳成岩过程中的钙质胶结与泥质胶结。相比于使用人造胶类物质粘接制备的砂岩岩心，本发明提供的人造砂岩岩心不仅在其胶结物的物质组成上与真实岩心相同，其烘干密度为2.0～2.8g/cm³，粘土含量5～15％，与地层真实岩心(烘干密度为2.2～2.8g/cm³，粘土含量5～15％)一致，并且力学强度高，可耐高温和高压，筒压强度可达0.1～150MPa，即可真实模拟地壳深度800～6000米处砂岩岩心的高压环境。

本发明人造砂岩岩心通过高温、高压环境及流动的模拟地层水等条件控制可实现短时间内压实，模拟地层水含有的离子矿物和总矿化度均与地层水相同，因此本发明岩心的成岩过程与地壳成岩过程一致，制备的人造砂岩岩心孔隙结构不仅包括原生孔隙，还包括岩心压实过程中通过模拟地层水流体对骨架颗粒、粘土矿物等组分的溶解、运移以及骨架颗粒、粘土矿物等组分的沉淀而形成的次生孔隙(主要包括颗粒溶蚀孔隙和裂隙)，与真实岩心结构接近一致。

本发明经大量实验验证，人造砂岩岩心与真实岩心渗流规律上的区别是由骨架颗粒成分及分选过程、粘土矿物成分、胶结类型以及孔喉结构造成的，本发明通过大量实验，确定了人造砂岩岩心原料的最佳配比以及制备条件，通过本身原料之间在特定条件下的相互作用形成胶结物，因此可不使用人造胶类物质，从根本上解决了现有使用人造胶类物质制备的人造砂岩岩心的弊端；相比于现有使用人造胶类物质制备的人造砂岩岩心，本发明提供的人造砂岩岩心在孔喉结构、胶结物及岩石颗粒表面的粘土矿物上与真实岩心更接近并且适用性广，可通用于地壳深度800～6000米、低渗透率型和高渗透率型砂岩岩心的渗流规律、润湿性、岩石破裂强度、岩心酸化、堵水调剖等试验研究。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

本发明提供的人造砂岩岩心中，骨架颗粒为河砂，粘土矿物为河砂采砂点处粒度不小于1500目的粘土，压实过程中注入的模拟地层水包含Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺、K⁺、CO₃ ^2-、Cl^-、OH^-和SO₄ ^2-。

实施例一：人造砂岩岩心由按重量百分比添加的如下原料：82％粒度为35～40目的河砂、5％碳酸钙、3％碳酸镁和10％粘土，在温度50℃、压力40MPa的条件下压制24小时，随后通过计量泵以0.05ml/min的速度向岩心中注入总矿化度为0.5g/L的模拟地层水形成循环，并在温度120℃、压力80MPa的条件下压制48小时，制成孔隙度为20～28％、渗透率为500～10000mD的人造砂岩岩心。

实施例二：人造砂岩岩心由按重量百分比添加的如下原料：86％粒度为200～250目的河砂、4％的碳酸钙、2％的碳酸镁和8％粘土，在温度140℃、压力50MPa的条件下压制96小时而成(模拟地层水在压实24小时后通过计量泵以0.04ml/min的速度注入人造岩心中并形成循环，模拟地层水的总矿化度为8g/L)；制成的人造砂岩岩心的孔隙度为20～25％，渗透率为100～1000mD。

实施例三：人造砂岩岩心由按重量百分比添加的如下原料：88％粒度为350～400目的河砂、5％碳酸钙、2％碳酸镁和5％粘土，在温度150℃、压力120MPa的条件下压制120小时而成(模拟地层水在压实24小时后通过计量泵以0.03ml/min的速度注入人造岩心中并形成循环，模拟地层水的总矿化度为20g/L)；制成的人造砂岩岩心的孔隙度为20～25％，渗透率为60～500mD。

实施例四：人造砂岩岩心由按重量百分比添加的如下原料：83％骨架颗粒(按粒度30～32目河砂：粒度60～70目河砂＝15:1的体积比混合而成)、5％碳酸钙、2％碳酸镁和10％粘土，在温度150℃、压力40MPa的条件下压制120小时而成(模拟地层水在压实24小时后通过计量泵以0.04ml/min的速度注入人造岩心中并形成循环，模拟地层水的总矿化度为2g/L)；制成的人造砂岩岩心的孔隙度为20～24％，渗透率为100～1000mD。

实施例五：人造砂岩岩心由按重量百分比添加的如下原料：85％骨架颗粒(按粒度120～150目河砂：粒度300～325目河砂＝10:1的体积比混合而成)、6％碳酸钙、3％碳酸镁和6％粘土，在温度140℃、压力120MPa的条件下压制72小时而成(模拟地层水在压实24小时后通过计量泵以0.03ml/min的速度注入人造岩心中并形成循环，模拟地层水的总矿化度为15g/L)；制成的人造砂岩岩心的孔隙度为17～23％，渗透率为60～500mD。

实施例六：人造砂岩岩心由按重量百分比添加的如下原料：87％骨架颗粒(按粒度120～150目河砂：粒度350～400目河砂＝8:1的体积比混合而成)、5％碳酸钙、3％碳酸镁和5％粘土，在温度50℃、压力50MPa的条件下压制16小时，随后通过计量泵以0.03ml/min的速度向岩心中注入总矿化度为40g/L的模拟地层水形成循环，并在温度150℃、压力140MPa的条件下压制96小时而成；制成的人造砂岩岩心的孔隙度为17～21％，渗透率为40～100mD。

实施例七：人造砂岩岩心由按重量百分比添加的如下原料：84％骨架颗粒(按粒度30～32目河砂：粒度60～70目河砂：粒度120～150目河砂＝35:4:1的体积比混合而成)、4％碳酸钙、2％碳酸镁和10％粘土，在温度150℃、压力50MPa的条件下压制96小时而成(模拟地层水在压实12小时后通过计量泵以0.03ml/min的速度注入人造岩心中并形成循环，模拟地层水的总矿化度为13g/L)；制成的人造砂岩岩心的孔隙度为15～22％，渗透率为80～300mD。

实施例八：人造砂岩岩心由按重量百分比添加的如下原料：86％骨架颗粒(按粒度60～70目河砂：粒度150～200目河砂：粒度300～325目河砂＝20:5:2的体积比混合而成)、5％碳酸钙、3％碳酸镁和6％粘土，在温度140℃、压力120MPa的条件下压制96小时而成(模拟地层水在压实24小时后通过计量泵以0.02ml/min的速度注入人造岩心中并形成循环，模拟地层水的总矿化度为55g/L)；制成的人造砂岩岩心的孔隙度为15～22％，渗透率为60～100mD。

实施例九：人造砂岩岩心由按重量百分比添加的如下原料：88％骨架颗粒(按粒度60～70目河砂：粒度150～200目河砂：粒度300～325目河砂＝20:5:2的体积比混合而成)、5％碳酸钙、2％碳酸镁和5％粘土，在温度60℃、压力40MPa的条件下压制16小时，随后通过计量泵以0.02ml/min的速度向岩心中注入总矿化度为90g/L的模拟地层水形成循环，并在温度150℃、压力140MPa的条件下压制96小时而成；制成的人造砂岩岩心的孔隙度为15～20％，渗透率为40～100mD。

实施例十：人造砂岩岩心由按重量百分比添加的如下原料：88％骨架颗粒(按粒度16～18目河砂：粒度35～40目河砂：粒度70～80目河砂：粒度80～120目河砂＝30:5:3:1的体积比混合而成)、3％碳酸钙、2％碳酸镁、氧化亚铁1％、氯化铝1％和5％粘土，在温度150℃、压力50MPa的条件下压制120小时而成(模拟地层水在压实16小时后通过计量泵以0.02ml/min的速度注入人造岩心中并形成循环，模拟地层水的总矿化度为33g/L)；制成的人造砂岩岩心的孔隙度为15～20％，渗透率为40～200mD。

实施例十一：人造砂岩岩心由按重量百分比添加的如下原料：80％骨架颗粒(按粒度30～32目河砂：粒度70～80目河砂：粒度150～200目河砂：粒度325～350目河砂＝40:10:6:2的体积比混合而成)、4％碳酸钙、2％碳酸镁、氧化亚铁2％、氯化铝1％和11％粘土，在温度150℃、压力140MPa的条件下压制120小时而成(模拟地层水在压实24小时后通过计量泵以0.01ml/min的速度注入人造岩心中并形成循环，模拟地层水的总矿化度为74g/L)；制成的人造砂岩岩心的孔隙度为13～18％，渗透率为10～60mD。

实施例十二：人造砂岩岩心由按重量百分比添加的如下原料：75％骨架颗粒(按粒度30～32目河砂：粒度70～80目河砂：粒度200～250目河砂：粒度350～400目河砂＝38:9:6:2的体积比混合而成)、4％碳酸钙、2％碳酸镁、氧化亚铁2％、氯化铝2％和15％粘土，在温度60℃、压力50MPa的条件下压制16小时，随后通过计量泵以0.01ml/min的速度向岩心中注入总矿化度为140g/L的模拟地层水形成循环，并在温度150℃、压力150MPa的条件下压制96小时而成；制成的人造砂岩岩心的孔隙度为13～16％，渗透率为10～40mD。

Claims

1.一种通用型非胶粘的人造砂岩岩心，至少包括骨架颗粒和粘土，其特征在于，该人造砂岩岩心由按重量百分比计的如下原料：70～90％的骨架颗粒、3～10％的碳酸钙、2～5％的碳酸镁、0～3％的氧化亚铁、0～3％的氯化铝和5～15％的粘土矿物，在模拟地层水的环境中以及温度40～150℃、压力20～150MPa的条件下压制36～120小时而成，压制12～24小时后通过计量泵向岩心中注入模拟地层水用于模拟地层水的环境，模拟地层水中包含Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺、K⁺、CO₃ ^2-、Cl^-、OH^-和SO₄ ^2-，总矿化度为0.1～150g/L。

2.根据权利要求1所述的通用型非胶粘的人造砂岩岩心，其特征在于：所述粘土矿物为河砂采砂点处的粘土，粘土矿物的粒度不小于1500目。

3.根据权利要求1所述的通用型非胶粘的人造砂岩岩心，其特征在于，人造砂岩岩心的制备方法为：将人造砂岩岩心的原料混合均匀，并在温度120～150℃、压力20～60MPa的条件下压制72～120小时。

4.根据权利要求1所述的通用型非胶粘的人造砂岩岩心，其特征在于，人造砂岩岩心的制备方法为：将人造砂岩岩心的原料混合均匀，并在温度120～150℃、压力120～150MPa的条件下压制48～120小时。

5.根据权利要求1所述的通用型非胶粘的人造砂岩岩心，其特征在于，人造砂岩岩心的制备方法为：将人造砂岩岩心的原料混合均匀，先在温度40～90℃、压力20～60MPa的条件下压制12～24小时，随后在温度120～150℃、压力60～150MPa的条件下压制24～96小时。

6.根据权利要求1所述的通用型非胶粘的人造砂岩岩心，其特征在于：所述骨架颗粒为粒度为16～18目、18～30目、30～32目，32～35目、35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目、150～200目、200～250目、250～300目、300～325目、325～350目或350～400目的河砂。

7.根据权利要求1所述的通用型非胶粘的人造砂岩岩心，其特征在于：所述骨架颗粒由两种不同粒度的河砂按Ⅰ型河砂：Ⅱ型河砂＝8～15：1的体积比混合制成，Ⅰ型河砂的粒径为Ⅱ型河砂粒径的2～5倍，Ⅰ型河砂的粒度为16～18目、18～30目、30～35目、35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目或150～200目，Ⅱ型河砂的粒度为32～35目、35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目、150～200目、200～250目、250～300目、300～325目、325～350目或350～400目。

8.根据权利要求1所述的通用型非胶粘的人造砂岩岩心，其特征在于：所述骨架颗粒由三种不同粒度的河砂按Ⅲ型河砂：Ⅳ型河砂：Ⅴ型河砂＝15～35：3～10：1～2的体积比混合制成，Ⅲ型河砂的粒径为Ⅳ型河砂粒径的2～5倍，Ⅳ型河砂的粒径为Ⅴ型河砂粒径的1～5倍，Ⅲ型河砂的粒度为16～18目、18～30目、30～35目、35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目或120～150目，Ⅳ型河砂的粒度为32～35目、35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目、150～200目、200～250目、250～300目、300～325目或325～350目，Ⅴ型河砂的粒度为35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目、150～200目、200～250目、250～300目、300～325目、325～350目或350～400目。

9.根据权利要求1所述的通用型非胶粘的人造砂岩岩心，其特征在于：所述骨架颗粒由四种不同粒度的河砂按Ⅵ型河砂：Ⅶ型河砂：Ⅷ型河砂：Ⅸ型河砂＝30～50：5～20：2～10：1～2的体积比混合制成，Ⅵ型河砂的粒径为Ⅶ型河砂粒径的2～5倍，Ⅶ型河砂的粒径为Ⅷ型河砂粒径的1～5倍，Ⅷ型河砂的粒径为Ⅸ型河砂粒径的1-5倍，Ⅵ型河砂的粒度为16～18目、18～30目、30～35目、35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目或80～120目，Ⅶ型河砂的粒度为32～35目、35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目、150～200目、200～250目、250～300目或300～325目，Ⅷ型河砂的粒度为35～40目、40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目、150～200目、200～250目、250～300目、300～325目或325～350目，Ⅸ型河砂的粒度为40～50目、50～60目、60～70目、70～80目、80～120目、120～150目、150～200目、200～250目、250～300目、300～325目、325～350目或350～400目。