CN105298480A - 缝洞性碳酸盐岩模型、其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缝洞性碳酸盐岩模型、其制备方法和用途。该模型包括骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件；骨料各组分的质量份数比为，水泥∶石英砂∶重晶石粉∶水＝(2～3)∶(1.5～2.5)∶(0.5～1)∶(0.4～1)；孔洞模拟件分布于骨料中；岩体裂缝模拟件也分布于骨料中。该方法包括：将骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件按照分布规律填满于一模具中；静置，使得骨料之间充分发生物理和化学反应；拆除模具，得到缝洞性碳酸盐岩模型。本发明还公开了该模型用于缝洞性碳酸盐岩岩体声学与力学相应特征测试试验的用途。将其用于缝洞性碳酸盐岩岩体声学与力学相应特征测试试验时，避免了在加载过程中由于受力不均匀而产生试验误差，提高了试验测试结果分析的准确性。

Description

缝洞性碳酸盐岩模型、其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及专用于深部复杂碳酸盐岩或缝洞型发育地层钻井，以便取得缝洞型碳酸盐岩声-力学响应特征的方法或设备技术领域，特别是涉及一种缝洞性碳酸盐岩模型、其制备方法和用途。

背景技术

世界范围内，碳酸盐岩油藏储量占已探明石油储量的52％，占油气总产量的60％。我国目前主力区块的海相碳酸盐地层以碳酸盐岩缝洞性油气藏为主，岩性非均质性强，裂缝溶洞发育，油气层埋藏深多压力系统共存、钻井地质环境因素识别难度大、易漏、储层损害严重，引起事故的主要原因之一就是不能准确的确定碳酸盐岩地层孔隙压力，严重制约了我国石油勘探开发的力度。

海相碳酸盐岩裂缝、溶孔、溶洞发育，地层孔隙压力和地应力分布差异极大、规律性差、不确定性强等复杂特征，导致地球物探、地震资料品质差，对其地质环境、岩体力学特征参数、地层压力系统难以准确识别和预测，钻井过程中可预知性差，致使钻井过程成功率低，严重制约油气勘探开发的进程。

目前采用碎屑岩“沉积压实理论”进行，多数利用声波速度和地球物理资料来进行地层压力预测，但在理论上尚未取得实质性突破。

对缝洞性碳酸盐岩地层孔隙压力预测问题采用室内模拟缝洞性碳酸盐岩孔隙压力条件下声学与力学响应特征分析，原始地层缝洞性碳酸盐岩个体差异性巨大，很难对裂缝、孔洞结构进行描述精细描述。研究缝洞性碳酸盐岩声学、力学响应特征的一种较好的方法就是利用制备模拟不同裂缝、孔隙特征的人工制备试样。

目前，采用天然缝洞性碳酸盐岩存在一下问题：

1)受加工条件的限制，在将天然不规则碳酸盐岩岩块加工成标准的300mm×300mm×300mm立方体，由于岩块裂缝、孔洞的存在，加工三组对面的平行度难以保证，造成加工过程中受力不均产生的试验误差；

2)由于裂缝性碳酸盐岩沉积过程中环境复杂，且经历多次构造运动，所取各试样间的差异性巨大，并且内部的裂缝分布、孔隙发育程度不易掌握，如采用大型工业CT进行无损检测，费用昂贵，难以承受，如采用原岩样品进行声学与力学响应特征测试，试验结果的可比性将大大降低，不利于对规律性性认识的总结与分析。

综上所述，采用天然碳酸盐岩试样进行试验测试，存在很多无法克服的先天不足，试验结果的准确性很难把握。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种能够模拟原始地层碳酸盐岩裂缝性、孔隙结构的缝洞性碳酸盐岩模型、其制备方法和用途，从而更加适于实用。

为了达到上述第一个目的，本发明提供的缝洞性碳酸岩模型的技术方案如下：

本发明提供的缝洞性碳酸盐岩模型包括骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件；

所述骨料各组分的质量份数比为，水泥∶石英砂∶重晶石粉∶水＝(2～3)∶(1.5～2.5)∶(0.5～1)∶(0.4～1)；

所述孔洞模拟件分布于所述骨料中；

所述岩体裂缝模拟件也分布于所述骨料中。

本发明提供的缝洞性碳酸盐岩模型还可采用以下技术措施进一步实现。

作为优选，所述岩体裂缝模拟件为硫酸纸，或者，草图纸。

作为优选，所述孔洞模拟件为球状物。

作为优选，所述球状物是粒径不同的聚苯乙烯颗粒。

为达到上述第二个目的，本发明提供的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法的技术方案如下：

本发明提供的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法包括以下步骤：

将所述骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件按照分布规律填满于一模具中；

在预定的温度和湿度条件下静置预定时间，使得所述骨料之间充分发生物理反应和化学反应；

拆除所述模具，得到所述缝洞性碳酸盐岩模型。

本发明提供的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法还可采用以下技术措施进一步实现。

作为优选，将所述骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件按照分布规律填满于一模具中的步骤之前，还包括在所述模具内壁上涂刷润滑剂的步骤。

作为优选，将所述骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件按照分布规律填满于一模具中包括以下步骤：

准备所述骨料和孔洞模拟件，并充分搅拌所述骨料和孔洞模拟件，使所述骨料和孔洞模拟件形成拌合物；

将所述拌合物分层加入到所述模具中；

将所述裂缝模拟件加入到所述拌合物的层与层之间。

作为优选，将所述拌合物分层加入到所述模具中时，每层所述拌合物加入完成后，还包括对已经加入的所述拌合物进行夯实的步骤。

作为优选，对已经加入的所述拌合物进行夯实的步骤完成后，还包括打毛的步骤。

作为优选，将所述拌合物分层加入到所述模具中的步骤是通过将所述拌合物在所述模具中铺平的方式实现的。

作为优选，将所述骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件按照分布规律填满于一模具中的步骤之后，还包括将超出所述模型开口面的拌合物刮除的步骤。

作为优选，将超出所述模型开口面的拌合物刮除的步骤完成后，还包括平整的步骤。

作为优选，在所述平整的步骤完成后，还包括夯实的步骤，经过所述夯实的步骤之后，暴露在外的所述拌合物形成一平整面。

本发明提供的缝洞性碳酸盐岩模型能够用于缝洞性碳酸盐岩岩体声学与力学相应特征测试试验。

采用本发明提供的方法制备得到的缝洞性碳酸盐岩模型基于天然缝洞性碳酸盐岩的物理力学特性，采用工业CT端面扫描技术对其内部结构进行精细描述，识别裂缝、孔隙、洞等结构大小与分布形态，选择得到骨料各组分的质量份数比为，水泥∶石英砂∶重晶石粉∶水＝(2～3)∶(1.5～2.5)∶(0.5～1)∶(0.4～1)，并且，在该骨料中掺入孔洞模拟件和岩体裂缝模拟件，其不受天然碳酸盐岩采集困难的限制，可以根据需要通过调整孔隙、缝洞模拟材料的含量制作得到特定孔隙、缝洞分布的规整的测试块。将其用于缝洞性碳酸盐岩岩体声学与力学相应特征测试试验时，避免了在加载过程中由于受力不均匀而产生试验误差，从而提高了试验测试结果分析的准确性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例22提供的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例23提供的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法的步骤流程图。

具体实施方式

本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种能够模拟原始地层碳酸盐岩裂缝性、孔隙结构的缝洞性碳酸盐岩模型、其制备方法和用途，从而更加适于实用。

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的缝洞性碳酸盐岩、其制备方法和用途，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。

为了达到上述第一个目的，本发明提供的缝洞性碳酸岩模型的技术方案如下：

本发明提供的缝洞性碳酸盐岩模型包括骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件；骨料各组分的质量份数比为，水泥∶石英砂∶重晶石粉∶水＝(2～3)∶(1.5～2.5)∶(0.5～1)∶(0.4～1)；孔洞模拟件分布于骨料中；岩体裂缝模拟件也分布于骨料中。本实施例中，水泥采用425型硅酸盐水泥。

其中，岩体裂缝模拟件可以为硫酸纸，或者，草图纸。其中，硫酸纸的特点是：强度高、透明度好、耐晒、耐高温、硬度较高，作为缝洞性碳酸盐岩岩体裂缝模拟件应用时，不易变形；草图纸透明度更高，但强度稍低，具有薄、厚两种规格可供选用。

其中，孔洞模拟件可以为球状物，本实施例中，球状物是粒径不同的聚苯乙烯颗粒。

实施例1～21

为达到上述第二个目的，本发明提供的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法的技术方案如下：

实施例22

参见附图1，本发明实施例22提供的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法包括以下步骤：

步骤1：将骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件按照分布规律填满于一模具中；本实施例中，在本实施例中，使用的模型模具为立方体不锈钢模具。该不锈钢模具由5块不锈钢钢板通过螺栓牢固紧密装配在一起，由5块钢板形成立方体的前、后、左、右、下5个面，上面空出，用于加入拌合物，形成一个300mm×300mm×300mm的立方体空间。

步骤2：在预定的温度和湿度条件下静置预定时间，使得骨料之间充分发生物理反应和化学反应；

步骤3：拆除模具，得到缝洞性碳酸盐岩模型。

实施例23

参见附图2，本发明实施例23提供的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法还包括以下步骤：

在步骤1将骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件按照分布规律填满于一模具中之前，还包括步骤10：在模具内壁上涂刷润滑剂的步骤。在这种情况下，在执行步骤3即拆除磨具时，模具与缝洞性碳酸盐模型之间分离更容易。本实施例中，润滑剂是润滑油，此外，还可以选择其他具有润滑作用并且涂刷性能良好的润滑剂。

其中，步骤1将骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件按照分布规律填满于一模具中包括以下步骤：

步骤11：准备骨料和孔洞模拟件，并充分搅拌骨料和孔洞模拟件，使骨料和孔洞模拟件形成拌合物；

步骤12：将拌合物分层加入到模具中；

步骤13：将裂缝模拟件加入到拌合物的层与层之间。

其中，步骤12将拌合物分层加入到模具中时，每层拌合物加入完成后，还包括对已经加入的拌合物进行夯实的步骤。本实施例中，夯实工具是由一个长方体钢板和细长钢管焊接而成的，钢管的另一端再焊接一个铁管，形成丁字形把手，作为手柄。长方体钢板的长、宽和高分别为100mm、100mm和30mm，细长钢管的长度为600mm，手柄的长度为200mm。使用时，双手抓住手柄将钢块提至一定高度，让其自由下落，利用钢块的重力将拌合物夯实。

其中，对已经加入的拌合物进行夯实的步骤完成后，还包括打毛的步骤，从而保证分层预制层间的粘结性良好。

其中，将拌合物分层加入到模具中的步骤是通过将拌合物在模具中铺平的方式实现的。在这种情况下，在布置岩体裂缝模拟件时，该岩体裂缝模拟件能够在拌合物层上实现平铺设置，能够避免岩体裂缝模拟件褶皱过多，或者，损伤。

其中，步骤1将骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件按照分布规律填满于一模具中的步骤之后，还包括步骤14：将超出模型开口面的拌合物刮除的步骤。

其中，步骤14将超出模型开口面的拌合物刮除的步骤完成后，还包括步骤15平整的步骤。

其中，在步骤15平整的步骤完成后，还包括步骤16夯实的步骤，经过夯实的步骤之后，暴露在外的拌合物形成一平整面。

本发明提供的缝洞性碳酸盐岩模型能够用于缝洞性碳酸盐岩岩体声学与力学相应特征测试试验。

采用本发明提供的方法制备得到的缝洞性碳酸盐岩模型基于天然缝洞性碳酸盐岩的物理力学特性，采用工业CT端面扫描技术对其内部结构进行精细描述，识别裂缝、孔隙、洞等结构大小与分布形态，选择得到骨料各组分的质量份数比为，水泥∶石英砂∶重晶石粉∶水＝(2～3)∶(1.5～2.5)∶(0.5～1)∶(0.4～1)，并且，在该骨料中掺入孔洞模拟件和岩体裂缝模拟件，其不受天然碳酸盐岩采集困难的限制，可以根据需要通过调整孔隙、缝洞模拟材料的含量制作得到特定孔隙、缝洞分布的规整的测试块。将其用于缝洞性碳酸盐岩岩体声学与力学相应特征测试试验时，避免了在加载过程中由于受力不均匀而产生试验误差，从而提高了对试验测试结果分析的准确性。

实施例24

首先需要制作适用于本发明的模型模具和夯实工具，制作方法可见前述内容，这里不做赘述。并准备用于缝洞结构模拟的硫酸纸与聚丙乙烯颗粒小球。

考虑到缝洞型碳酸盐岩的岩石物理力学属性和物理模拟试验中相似理论的要求，选取水泥、石英砂和重晶石粉作为骨料，且质量配比为水泥∶石英砂∶重晶石粉∶水＝1.6:1.5:0.4∶0.4。制作过程如下：

(1)根据模型尺寸的制作需要，依次称取32kg的42.5硅酸盐水泥，30kg的石英砂，8kg的重晶石粉，放入配料箱中拌合均匀；

(2)模拟碳酸盐岩岩体孔洞材料：聚苯乙烯粒径颗粒，小于2mm和2mm至5mm之间两种，两种粒径配比按2∶1计算，制备孔隙度为8％的模型试样，量取直径小于2mm的聚苯乙烯粒径颗粒800mL，量取直径2mm至5mm的聚苯乙烯粒径颗粒1250mL，加入到配料箱中拌合均匀；

(3)称取8.0kg的纯净水，倒入配料箱中，继续搅拌均匀，形成可用于铺层的模型原料；

(4)取适量的模型拌合料倒入到300mm×300mm×300mm立方体不锈钢模具中，均匀铺平；

(5)用自制的夯实工具进行夯实；

(6)按照设定的模型试样内部设定的裂缝方位与长度，对硫酸纸进行裁剪，然后用美工刀对已夯实试样进行预制裂缝，放入硫酸纸，再加入少量拌合料对预制裂缝进行填充；

(7)然后再进行夯实，并用美工刀对夯实后的表面轻刮进行刨毛；

(8)继续采用添加、铺平、预制裂缝、加入硫酸纸、加料、夯实与刨毛的方法制作后续各层直至模型原料超出模具的上表面；

(9)将超出模具上表面的原料刮除，并进行平整，使上表面形成一个平面；

(10)将装有完成预制缝洞的模型材料的模具放置到恒温为25℃”、相对湿度为90％的环境中养护。24小时后，将模具的5块钢板拆除，得到成型的边长为300mm的立方体模型试样，可参见图2。保持相同的温、湿条件，养护28天后，可用于力学与声学响应特征测试试验。

本发明实施例24提供的用于室内模拟碳酸盐岩孔隙、缝洞岩体声学与力学测试试验地质体模型的制作方法，通过选用与天然碳酸盐岩的物理力学特性相似的原料来模拟碳酸盐岩制作含预定方位、长度的裂缝及一定的孔隙度模型，不受天然碳酸盐岩内部结构难以掌握的限制，可以根据需要通过模型模具制作得到不同裂缝分布、不同孔隙度的规整的立方体试块，避免了天然碳酸盐岩各试样内部结构的差异性，从而提高了对最终试验结果分析的准确性。本发明实施例24可通过改变材料中聚丙乙烯颗粒的粒径、含量及模拟裂缝条数的多少、方位及长度来分析不同因素对声学与力学共同作用下的响应特征规律，避免了由于天然试样物理力学属性的离散性导致的对试验结果的干扰发生，有利于对试验结果进行比较分析，提供了本发明的实用性。本发明步骤明确，简单易行，既降低了试验费用，又提供了试验效率，同时保证了实验测试数据的准确性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种缝洞性碳酸盐岩模型，其特征在于，包括骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件；

所述骨料各组分的质量份数比为，水泥∶石英砂∶重晶石粉∶水＝(2～3)∶(1.5～2.5)∶(0.5～1)∶(0.4～1)；

所述孔洞模拟件分布于所述骨料中；

所述岩体裂缝模拟件也分布于所述骨料中；

作为优选，所述岩体裂缝模拟件为硫酸纸，或者，草图纸；

作为优选，所述孔洞模拟件为球状物；

作为优选，所述球状物是粒径不同的聚苯乙烯颗粒。

2.权利要求1中任一所述的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件按照分布规律填满于一模具中；

在预定的温度和湿度条件下静置预定时间，使得所述骨料之间充分发生物理反应和化学反应；

拆除所述模具，得到所述缝洞性碳酸盐岩模型；

作为优选，将所述骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件按照分布规律填满于一模具中的步骤之前，还包括在所述模具内壁上涂刷润滑剂的步骤。

3.根据权利要求2所述的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法，其特征在于，将所述骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件按照分布规律填满于一模具中包括以下步骤：

准备所述骨料和孔洞模拟件，并充分搅拌所述骨料和孔洞模拟件，使所述骨料和孔洞模拟件形成拌合物；

将所述拌合物分层加入到所述模具中；

将所述裂缝模拟件加入到所述拌合物的层与层之间。

4.根据权利要求3所述的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法，其特征在于，将所述拌合物分层加入到所述模具中时，每层所述拌合物加入完成后，还包括对已经加入的所述拌合物进行夯实的步骤。

5.根据权利要求4所述的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法，其特征在于，对已经加入的所述拌合物进行夯实的步骤完成后，还包括打毛的步骤。

6.根据权利要求3所述的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法，其特征在于，将所述拌合物分层加入到所述模具中的步骤是通过将所述拌合物在所述模具中铺平的方式实现的。

7.根据权利要求2所述的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法，其特征在于，将所述骨料、孔洞模拟件、岩体裂缝模拟件按照分布规律填满于一模具中的步骤之后，还包括将超出所述模型开口面的拌合物刮除的步骤。

8.根据权利要求7所述的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法，其特征在于，将超出所述模型开口面的拌合物刮除的步骤完成后，还包括平整的步骤。

9.根据权利要求8所述的缝洞性碳酸盐岩模型的制备方法，其特征在于，在所述平整的步骤完成后，还包括夯实的步骤，经过所述夯实的步骤之后，暴露在外的所述拌合物形成一平整面。

10.权利要求1所述的缝洞性碳酸盐岩模型用于缝洞性碳酸盐岩岩体声学与力学相应特征测试试验的用途。