CN106747650B - 一种多孔介质材料内表面CaCO3矿化方法及其产品 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多孔介质材料内表面CaCO3矿化方法及其产品。所述方法包括如下步骤：(1)在容器中，在抽真空的条件下将多孔介质材料完全浸于CaCO3矿化液体；(2)将容器抽真空后保持该压力一段时间然后恢复常压，以将多孔介质材料的内部空间充满完全饱和CaCO3矿化液体；(3)升高容器内的温度和压力，保持一定时间以完成多孔介质材料内表面CaCO3矿化，然后再恢复到常温常压。通过本发明的方法，可以在多孔介质的内表面这类难以触及的位置实现CaCO3矿化，较现有方法在应用范围上具有创新性。

Description

一种多孔介质材料内表面CaCO3矿化方法及其产品
技术领域
本发明涉及化工领域，具体的说，是涉及一种多孔介质材料内表面CaCO3矿化方法及其产品。
背景技术
碳酸盐岩油藏是世界主要油藏类型之一，国内外许多大型油田均属于该油藏类型。碳酸盐岩油藏的开发技术一直以来都是石油天然气工业研究的热点，目前仍依赖于从深达数千米的地层中钻取的岩心，岩心数量的匮乏和高昂的钻取成本成为制约该领域发展的重要因素之一，亟需寻找碳酸盐岩岩心的替代品。
碳酸盐岩岩心是一类含有孔隙、裂缝、空洞等内部空间的多孔介质，仅从形态上能够找到许多替代品，无论是普通的天然岩石还是3D打印的人工岩石，均可以在一定程度上模拟碳酸盐岩岩心的多孔性质。但对于碳酸盐岩油藏开发研究而言，重要的是多孔介质的表面性质，无论是非碳酸盐岩的天然岩石还是3D打印的人工岩石，由于材料成分并不是CaCO3，其表面性质与碳酸盐岩岩心相去甚远，无法替代后者。
到目前为止，虽然有学者(Chen,2014；Raveshiyan,2013；Deng,2013；范荣玉,2015) 研究过通过表面矿化修饰，改变材料表面的化学成分，方法包括共混、涂覆、交替浸渍等，但在这些方法中，有的无法对于微小的多孔介质内表面进行矿化，有的虽能矿化内表面，但容易生成大颗粒或小颗粒团聚的矿化层，无法应用于微小空间内表面的矿化。
目前并没有任何一种方法能够对含有孔隙、裂缝、空洞等内部空间的多孔介质的内表面进行均匀的CaCO3矿化，因此有必要提供一种矿化处理方法，实现多孔介质材料内表面CaCO3矿化。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种多孔介质材料内表面CaCO3矿化方法；
本发明的另一目的在于提供所述方法得到CaCO3矿化的多孔介质材料。
为达上述目的，一方面，本发明提供了一种多孔介质材料内表面CaCO3矿化方法，其中，所述方法包括如下步骤：
(1)在容器中，在抽真空条件下将多孔介质材料完全浸于CaCO3矿化液体；
(2)将容器抽真空后保持该压力一段时间然后恢复常压，以将多孔介质材料的内部空间充满完全饱和CaCO3矿化液体；
(3)升高容器内的温度和压力，保持一定时间以完成多孔介质材料内表面CaCO3矿化，然后再恢复到常温常压。
步骤(1)可以是将多孔介质材料完全浸于CaCO3矿化液体后，将容器抽真空；然而根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)是将多孔介质材料置于容器中，将容器抽真空，然后将CaCO3矿化液体注入容器，使得多孔介质材料完全浸于CaCO3矿化液体。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述的CaCO3矿化液体为钙盐的水溶液。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述的钙盐的水溶液中钙盐在水中的浓度为0.01g/L到500g/L。
在本发明的方法中，所述钙盐在水中有一定的溶解性，25℃下溶解度范围为0.01g/L到500g/L之间。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述钙盐的水溶液选自Ca(HCO3)2、柠檬酸钙、醋酸钙和乳酸钙中的一种或多种的混合。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述多孔介质材料的孔隙直径在100纳米到1厘米之间，孔隙体积占材料表观总体积之比在1％到80％之间。
在本发明的方法中，所述多孔介质的孔隙直径在100纳米到1厘米之间，孔隙直径分布可以是均一的，也可以是大小不均的。
在本发明的方法中，所述多孔介质的内表面是指多孔介质位于内部的面，包括孔隙、裂缝和空洞内壁的面积。
在本发明的方法中，所述CaCO3矿化处理是将任意材料表面改变为化学成分为CaCO3的表面，并使该表面具有CaCO3的物理、化学性质。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述多孔介质材料选自岩石、膨润土、多孔硅胶、活性碳或3D打印多孔材料。
在本发明的方法中，所述多孔介质是具有多孔连通结构的物质，可以是天然存在的，包括但不限于含孔隙的岩石、膨润土等；也可以是人工制造的，包括但不限于多孔硅胶、活性炭、3D打印出的不同材质的多孔材料等。
根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(2)对容器抽真空至绝对压力在0.1Pa以下。
根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(2)对容器抽真空至0.01-0.1Pa。
根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(2)在抽真空后在该压力下保持1-3 小时，然后将容器压力恢复至常压并保持18-30小时，使上述内部空间充满完全饱和 CaCO3矿化液体。
根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(3)是将容器内的温度和压力分别从室温、常压升高至50℃-160℃，1-30MPa，并保持1-24小时进行反应以完成多孔介质材料内表面CaCO3矿化，然后再恢复到常温常压。
根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(3)可以重复1～12个轮次。
其中可以理解的是，步骤(3)重复1～12个轮次，是在步骤(3)恢复到常温常压后，再升高容器内的温度和压力，保持一定时间以完成多孔介质材料内表面CaCO3矿化，然后再恢复到常温常压，这样反复重复。
其中可以理解的是，所述重复1～12个轮次，是说步骤(3)可以只进行1遍，也可以一共12遍。其中优选是重复1～10个轮次。
在本发明的方法中，所述容器内的温度在0℃-200℃范围内调节，压力在 0MPa-50MPa范围内调节。
在本发明的方法中，CaCO3矿化反应是由固-液两相体系中的温度、压力变化所引发的，机理包括但不限于以下三类物理、化学反应。其中反应1为沉淀反应，是由于不同温度、压力条件下CaCO3的溶度积不同使过饱和溶液产生CaCO3矿化沉淀的过程；反应2为酸式盐分解反应，是在升温、降压条件下溶于水的酸式盐Ca(HCO3)2发生分解，释放出CO2并产生CaCO3矿化沉淀的过程；反应3为有机钙盐分解反应，是在较高温度、变化压力下，不稳定的有机钙盐发生分解，产生CaCO3矿化沉淀的过程。
CaCO3(溶液)→CaCO3(沉淀) (1)
Ca(HCO3)2→CaCO3(沉淀)+CO2+H2O (2)
有机钙盐→CaCO3(沉淀) (3)
另一方面，本发明还提供了所述方法得到CaCO3矿化的多孔介质材料。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述的多孔介质材料外表面和内表面覆盖CaCO3膜，所述CaCO3膜厚度不大于100μm，厚度在内表面不同部位分布均匀。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述CaCO3膜厚度为0.1-20μm。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述CaCO3膜中CaCO3结晶晶型为无定型或微晶。
综上所述，本发明提供了一种多孔介质材料内表面CaCO3矿化方法及其产品。本发明的方法具有如下优点：
通过本发明的方法，可以在多孔介质的内表面这类难以触及的位置实现CaCO3矿化，较现有方法在应用范围上具有创新性。
通过本发明的方法，可以使CaCO3矿化形成一层较薄的CaCO3膜，较已有方法形成CaCO3颗粒，在反应机理上具有创新性。
通过本发明的方法，可以实现对石油天然气领域碳酸盐岩岩心的模拟，较现有方法在应用领域上具有创新性。
附图说明
图1是本发明方法所采用的装置的整体结构的示意图。
图2是本发明方法所采用的温度、压力调节曲线。
图3是本发明实施例1所得到的CaCO3矿化膜的茜素红染色薄片观测结果。
图4是本发明实施例1所得到的CaCO3矿化膜的扫描电镜观测结果。
图5是本发明实施例2所得到的CaCO3矿化膜的茜素红染色薄片观测结果。
图6是本发明实施例2所得到的CaCO3矿化膜的扫描电镜观测结果。
图7是本发明实施例3所得到的CaCO3矿化膜的茜素红染色薄片观测结果。
图8是本发明实施例3所得到的CaCO3矿化膜的扫描电镜观测结果。
图1标记为：1.注入泵，2.泵口压力计，3.泵口阀门，4.泵口管线，5.盛有矿化流体的活塞容器，6.夹持器入口阀门与管线，7.安全阀与抽真空管线，8.夹持器加热保温套，9.待CaCO3矿化的多孔介质，10.夹持器，11.夹持器出口阀门与管线， 12.出口流体收集容器。其中所述的夹持器为石油天然气行业中常用的夹持器。
图2标记为：T1.初始温度，T2.初始变温温度，T3.结束变温温度，T4.结束温度，P1.初始压力(初始压力从抽完真空，恢复压力，完成液体饱和之后的时间算起，因此一般应为常压)，P2.初始变压压力，P3.结束变压压力，P4.结束压力。
具体实施方式
以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。
实施例1
以附图1所示装置为CaCO3矿化装置，以附图2所示温度、压力调节曲线为CaCO3矿化条件，选取主要化学组成为碳单质的棒状活性炭作为多孔介质材料，选取新制取的柠檬酸钙饱和溶液作为矿化流体(制取方式为高温水溶液浸渍柠檬酸钙碎屑后过滤)。
按照如下步骤进行处理：
1.将多孔介质材料9置于夹持器中，打开阀门7，关闭阀门3、6、11，抽真空 10分钟；
2.关闭阀门7，打开阀门3、6，开启注入泵1，使多孔介质材料9的内部空间完全饱和CaCO3矿化液体，构成固液两相体系；然后将容器内压力恢复常压；
3.通过控制夹持器加热保温套8，调节多孔介质材料9内部空间的温度，并通过控制注入泵的注液量，调节多孔介质材料9内部空间的压力。所述温度与压力的调节按照附图2调节曲线进行。
4.待温度与压力按调节曲线完成后，关闭阀门3、6、7，打开阀门11，泄压并排出矿化后的液体至出口流体收集容器12。
温度压力条件选择如下：T1＝T2＝T3＝50℃，T4＝25℃，P1＝P2＝P3＝1MPa，P4＝0.1MPa。经过10轮次，每轮1小时反应完成CaCO3矿化，破碎棒状活性炭后观察到内部孔隙的表面颜色变为CaCO3特有的白垩色，依据石油天然气行业标准SY/T 5368-2000《岩石薄片鉴定》提供的方法(如图3所示)，结合扫描电镜(如图4所示)，观察判断棒状活性炭内表面沉积了0.2-1μm厚度的无定型CaCO3膜。
采用本发明的方法，能够在多孔介质的内表面形成一层厚度为0.2-20μm的较薄的CaCO3膜，实现对石油天然气领域碳酸盐岩岩心的模拟，为碳酸盐岩油藏的开发技术研究提供模拟岩心的支持。
对比实验1：其他实验条件相同的情况下，不改变温度压力，即T1＝T2＝T3＝T4＝25℃， P1＝P2＝P3＝P4＝0.1MPa，则没有观察到任何CaCO3矿化的现象。
实施例2
以附图1所示装置为CaCO3矿化装置，以附图2所示温度、压力调节曲线为CaCO3矿化条件，选取主要化学组成为热塑性塑料的3D打印多孔介质材料，选取浓度为 0.1mol/L的Ca(HCO3)2水溶液作为矿化流体，温度压力条件选择如下：T1＝25℃， T2＝95℃，T3＝95℃，T4＝25℃，P1＝0.1MPa，P2＝P3＝10MPa，P4＝0.1MPa。经过1轮次共计0.5小时反应完成CaCO3矿化，破碎3D打印多孔介质材料后观察到内部孔隙的表面颜色变为CaCO3特有的白垩色，依据石油天然气行业标准SY/T 5368-2000《岩石薄片鉴定》提供的方法(如图5所示)，结合扫描电镜(如图6所示)，观察判断热塑性塑料内表面沉积了1-3μm厚度的微晶CaCO3膜。
对比实验2：其他实验条件相同的情况下，不改变温度压力，即T1＝T2＝T3＝T4＝25℃， P1＝P2＝P3＝P4＝0.1MPa，则没有观察到任何CaCO3矿化的现象。
实施例3
以附图1所示装置为CaCO3矿化装置，以附图2所示温度、压力调节曲线为CaCO3矿化条件，选取主要化学组成为二氧化硅的贝雷砂岩岩心，选取浓度为0.2mol/L的乙酸钙水溶液作为矿化流体，温度压力条件选择如下：T1＝25℃，T2＝160℃，T3＝160℃， T4＝25℃，P1＝0.1MPa，P2＝P3＝30MPa，P4＝0.1MPa。经过1轮次共计4小时反应完成 CaCO3矿化，破碎贝雷砂岩岩心后观察到内部孔隙的表面颜色变为CaCO3特有的白垩色，依据石油天然气行业标准SY/T 5368-2000《岩石薄片鉴定》提供的方法(如图 7所示)，结合扫描电镜(如图8所示)，观察判断贝雷砂岩岩心内表面沉积了2-4μm 厚度的微晶CaCO3膜。
对比实验3：其他实验条件相同的情况下，不改变温度压力，即T1＝T2＝T3＝T4＝25℃， P1＝P2＝P3＝P4＝0.1MPa，则没有观察到任何CaCO3矿化的现象。

Claims (10)

1.一种多孔介质材料内表面CaCO3矿化方法，其中，所述方法包括如下步骤：
(1)在容器中，在抽真空的条件下将多孔介质材料完全浸于CaCO3矿化液体；所述的CaCO3矿化液体为钙盐的水溶液，所述钙盐的水溶液选自Ca(HCO3)2、醋酸钙和乳酸钙中的一种或多种的混合；所述多孔介质材料选自岩石、膨润土、多孔硅胶、活性碳或3D打印多孔材料；
(2)将容器抽真空后保持该压力一段时间然后恢复常压，以将多孔介质材料的内部空间充满完全饱和CaCO3矿化液体；
(3)将容器内的温度和压力分别从室温、常压升高至50℃-160℃，1-30MPa，并保持1-24小时进行反应以完成多孔介质材料内表面CaCO3矿化，然后再恢复到常温常压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的钙盐的水溶液中钙盐在水中的浓度为0.01g/L到500g/L。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多孔介质材料的孔隙直径在100纳米到1厘米之间，孔隙体积占材料表观总体积之比在1％到80％之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)是将多孔介质材料置于容器中，将容器抽真空，然后将CaCO3矿化液体注入容器，使得多孔介质材料完全浸于CaCO3矿化液体。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(2)在抽真空后在该压力下保持1-3小时，然后将容器压力恢复至常压并保持18-30小时，使上述内部空间充满完全饱和CaCO3矿化液体。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(2)对容器抽真空至绝对压力在0.1Pa以下。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(3)重复1～12个轮次。
8.权利要求1～7任意一项所述方法得到CaCO3矿化的多孔介质材料。
9.根据权利要求8所述的多孔介质材料，其中，所述的多孔介质材料外表面和内表面覆盖CaCO3膜，所述CaCO3膜厚度不大于100μm。
10.根据权利要求9所述的多孔介质材料，其中，所述CaCO3膜厚度为0.1-20μm，厚度在内表面不同部位分布均匀。
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