CN107063826A - 一种三维大尺寸人造岩心的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维大尺寸人造岩心的制作方法。所述制作方法包括如下步骤：(1)根据预制作的三维大尺寸人造岩心的尺寸，制作模具；(2)将骨架颗粒、地层水和胶结剂的混合物填充至模具中；骨架颗粒与天然岩心的粒度分布状况一致；(3)压制模具内的所述混合物；(4)对经压制后的所述模具进行烘烤定型即得。本发明制作的岩心在粒度分布、孔隙度、渗透率、胶结程度、孔喉特征以及力学性质等方面与天然岩心接近，制作的岩心可以替代储层岩心进行宏观尺度上的实验研究。本发明制作的岩心可以模拟实际储层的沉积韵律和构造形态。本发明制作的岩心可以模拟不同的完井条件、井网模式，实现高压条件下的室内实验。

Description

一种三维大尺寸人造岩心的制作方法

技术领域

本发明涉及一种三维大尺寸人造岩心的制作方法，属于石油领域。

背景技术

在石油勘探开发与生产过程中，许多问题的解决都需要进行岩心流动实验。由于天然岩心取芯难度大，成本高等限制，通常采用人造岩心代替天然岩心进行物理模拟实验。

目前，室内实验采用的岩心主要有柱塞岩心、全直径岩心以及大尺寸岩心。其中，柱塞岩心能够模拟一维空间上的流动，在微观研究方面较为广泛。全直径岩心能够模拟二维空间上的流动，比柱塞岩心更具有代表性。宏观上的研究主要采用三维大尺寸岩心，三维物理模型主要有填砂模型、玻璃刻蚀模型以及烧结模型。填砂模型只能在低压条件下进行，玻璃模型可视但也不能满足中高压力要求，烧结模型在力学性质和胶结程度方面与储层差异较大。上述模型不能满足实验对温度、较高压力的要求，不能模拟不同的完井条件，反映注采井组、注采井间等宏观上的特征。

由此，提出一种可以模拟不同完井条件下的三维大尺寸人造岩心的制作方法。

发明内容

为了解决现有模型的局限性，本发明提供了一种模拟不同完井条件下的三维大尺寸人造岩心的制作方法，本发明方法能够制作不同沉积韵律、构造形态以及不同物性的三维大尺寸岩心，所制作岩心能够模拟不同的完井条件，反应注采井组、注采井间等宏观上的特征。

相比于现有方法制作的岩心不能满足高压的要求，且不能有效模拟储层的非均质性和不同渗透率组合的差异性，本发明方法制作的岩心可以实现一次成型，无需二次加工，可重复性好，且制作的模型可以承受较高压力。

本发明所述“三维大尺寸岩心”指的是尺寸为300×300×500mm～300×300×200mm的岩心，可根据需要进行调整。

本发明所提供的三维大尺寸人造岩心的制作方法，包括如下步骤：

(1)根据预制作的三维大尺寸人造岩心的尺寸，制作模具；

(2)将骨架颗粒、地层水和胶结剂的混合物填充至所述模具中；

所述骨架颗粒与天然岩心的粒度分布状况相似；

(3)压制所述模具内的所述混合物；

(4)对经所述压制后的所述模具进行烘烤定型，即得所述三维大尺寸人造岩心。

上述的制作方法中，步骤(1)中，可采用钢板制作所述模具；如采用20cm厚的钢板，侧板4块，底板1块，将4块侧板采用螺丝可拆式联接的方式(便于脱模)拼接成正方体盒状，中空。

上述的制作方法中，所述“粒度分布状况”指的是粒径分布范围和不同级别粒径的质量含量，所述“相似”指的是与天然岩心的粒度分布状况的相似度达到95％。

本发明具体可选择河砂与储层岩石碎屑颗粒的混合物作为所述骨架颗粒；

可根据相似准则确定所述混合物中所述骨架颗粒、所述地层水与所述胶结剂之间的用量比，所述“相似准则”指的是所述骨架颗粒的粒度分布、孔隙度、渗透率、孔径分布与天然岩心的相似性。

确定各组分的用量之后，经所述骨架颗粒与所述胶结剂混合均匀，加入所述地层水润湿并搅拌均匀即可填充至所述模具中；

本发明中所述胶结剂优选环氧树脂。

填充所述混合物之前，先将所述模具的内部擦净，内表面刷高温脂，贴锡箔纸，之后根据储层沉积韵律、构造形态，在所述模具中填入所述混合物；

所述“储层沉积韵律”具体是指按颗粒从大到小、比重从大到小的顺序先后分层沉积而成岩层的规律，在地层剖面上，表现在从老到新的顺序上，岩层依粒度从粗到细，依次为粗砂岩-中砂岩-细砂岩-粉砂岩-泥岩。本发明主要考虑正韵律和反韵律，正韵律：颗粒粒度自下而上由粗变细，往往形成储集层物性自下而上逐渐变差；反韵律：颗粒粒度自下而上由细变粗，往往形成储集层物性自下而上逐渐变好。根据具体的储层选择正韵律或反韵律，根据沉积韵律的特征进行填充。

所述“构造形态”具体指的是：地质构造主要表现为地层的倾斜、褶皱和断裂。在不考虑断层因素的情况下，一般认为存在7种基本构造，即水平层、低倾角单斜层、高倾角单斜层、无倾没褶皱、双倾没褶皱和穹窿。

上述的制作方法中，步骤(3)中，在所述模具上设置压块；所述压块与所述模具的尺寸相配合；

利用液压机对所述压块进行施压以模拟自然沉积过程，压力稳定后卸压。

上述的制作方法中，步骤(3)中，所述施压的最大压力为储层的上覆地层压力；

所述压制的时间可根据储层胶结程度与力学性质确定。

上述的制作方法中，步骤(4)中，在烘箱中进行所述烘烤定型；

所述烘烤定型的条件如下：

温度为100～200℃；

时间为48～72h；

关掉烘箱自然冷却至常温后从所述模具中取出所述三维大尺寸人造岩心即可。

制作结束后，从所述三维大尺寸人造岩心的不同位置处钻取标准岩心进行物性参数测试，检测制作的岩心是否符合储层物性条件；所述物性参数包括孔隙度(％)和渗透率(mD)。

采用本发明制作的三维大尺寸人造岩心进行钻井完井，根据需求采用台钻在三维大尺寸人造岩心的不同位置处钻井，在井中下入井筒、砾石筛网等模拟不同的完井方式。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明制作的岩心在粒度分布、孔隙度、渗透率、胶结程度、孔喉特征以及力学性质等方面与天然岩心接近，制作的岩心可以替代储层岩心进行宏观尺度上的实验研究。

(2)本发明制作岩心的原材料来源广、成本低，岩心一次成型且重复性良好。

(3)本发明制作的岩心可以模拟实际储层的沉积韵律和构造形态。

(4)本发明制作的岩心可以模拟不同的完井条件、井网模式，实现高压条件下的室内实验。

附图说明

图1是本发明制作三维大尺寸人造岩心的流程图。

图2是本发明制作三维大尺寸人造岩心经钻取标准岩心后的实物图。

图3是本发明制作的三维大尺寸人造岩心的力学性质曲线。

图4是模拟直井射孔完井的尾管。

图5是储层岩心的粒度组成分布图。

图6是钻取本发明制作的三维大尺寸人造岩心的粒度分布曲线。

图7是钻取本发明制作的三维大尺寸人造岩心的岩电测试结果。

图8是储层岩心和钻取本发明制作的三维大尺寸人造岩心的喉道半径分布曲线。

图9是利用本发明制作的岩心模拟直井时的产油量与时间之间的关系曲线。

图10是利用本发明制作的岩心模拟直井时的部分压力监测点与时间之间的关系曲线。

图11为现有三维填砂模型上不同位置压力变化曲线。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

按照图1所示的流程制作三维大尺寸人造岩心：

(1)三维大尺寸岩心模具的制作：根据所需岩心的尺寸(300×300×200mm)制定模具尺寸，将制作材料加工成20cm厚的钢板，侧板4块，底板1块，将4块钢板采用螺丝可拆式联接的方式(便于脱模)拼接成正方体盒状，中空，并制作与模具配套的压块。

(2)骨架颗粒的选取：根据天然岩心的粒度测试结果，选取与天然岩心的粒度分布状况相似度达95％的河砂和部分储层岩石颗粒作为骨架颗粒，将骨架颗粒、环氧树脂与地层水混合，搅拌均匀。在本实例中，骨架颗粒、地层水、环氧树脂按照如下重量百分比配比：骨架颗粒87.5％、地层水7.2％、环氧树脂5.3％，

(3)装模：装模前先将模具内部擦净，内表面刷高温脂，贴锡箔纸，之后根据储层沉积韵律、构造形态，在模具中填入骨架颗粒、环氧树脂和地层水的混合物。

(4)压制：将填完砂的模具放置在液压机下，在模具上方放入压块(与模具配套)，调整好位置后，通过液压机对压块施压模拟自然沉积过程(15MPa)压制30min，压力稳定后卸压。

(5)烘烤：将压制完的模具放入烘箱内，在190℃下烘烤72个小时，关掉烘箱自然冷却至常温后从模具中取出岩心。

从上述制作的岩心的不同位置处钻取标准岩样进行物性测试，钻取标准岩心后的人造岩心实物图如图2所示，由图2可以看出，本发明人造岩心一次成型，结构完整，无需二次加工。

测定的人造岩心的孔隙度和渗透率如表1中所示。

表1人造岩心的物性测试结果

岩心序号	取心位置	孔隙度(％)	渗透率(mD)
				1	上	24.68	180
2	中	24.31	169
				3	下	23.97	156

由表1中的数据可以看出，岩心不同层位的孔隙度、渗透率存在差异：上层最大，中层次之，下层最小，与实际储层的物性分布规律是一致的。

本发明制作的人造岩心的粒度组成分布曲线如图6所示，由图6可以看出人造岩心的粒度主要分布在180～630μm，与储层岩心相似(图5所示的储层岩心的粒度组成分布图)。

本发明制作的人造岩心的岩电测试结果如图7所示，由该图可以看出，本发明制作的人造岩心的平均胶结指数为1.4，而储层岩心的平均胶结指数为1.45，岩石胶结程度与储层岩心相似，因此胶结程度方面能够较好的模拟储层岩心。

储层岩心和钻取本发明制作的三维大尺寸人造岩心的喉道半径分布曲线如图8所示，由该图可以看出，本发明制作的人造岩心和储层岩心的喉道半径分布基本相似。

本发明制作的人造岩心的力学性质曲线如图3所示，由图3可以看出，本发明制作的人造岩心具有一定的弹塑性变化空间。

上述物性测试合格后重复上述制作过程，根据现场井网模式在不同位置处钻井，并根据实际完井方式在所述井眼中加入粒度较大砂砾，将尾管插入，采用水泥与环氧树脂的混合物将尾管中高部位封固，避免将尾管孔眼堵住，高强度黏结剂充填一定尺寸和数量的砾石模拟砾石充填完井方式。图4为模拟直井射孔完井的尾管，尾管射孔位置及数量根据层位调整。

利用本发明制作的岩心进行钻井完井的实验效果如图9和图10所示，由图9可以看出，产油主要集中在前三个轮次；由图10(3条曲线表示的是不同监测点处(共31处)的压力变化)可以看出，采油井(T7)的压力在生产过程中下降较快，压力从22MPa衰竭到1MPa，采油井周围压力测点(T8、T13)则相对稳定，在19MPa左右。

由上述分析可知，相比于现有方法制作的岩心，本发明制作的岩心能够实现高压条件下的室内实验，如按照下述方法1和方法2制作的岩心均不能满足高压的要求：

方法1：油、砂、水按计算比例称量，在高温搅拌釜中充分混合，分层装入模型本体，压实。模型装填完毕后，模型本体首先在恒温舱中恒温24h以上，待模型内部温度传感器测量温度值恒定。模型本体直径为60cm，厚度为10cm，平面上共设置21组温度传感器和8组压力传感器，模型可承受的最高压力为8MPa。此种模型可以承受一定压力，但压力较低，且模型的渗透率很高，不能有效模拟储层的非均质型和渗透率组合的差异性。

表2实验模型及原型油藏地质流体参数

方法2：在圆管填砂模型上，利用不同粒径的石英砂进行配比，测量出渗透率。选用不同配比的石英砂为实验用的多孔介质，利用湿填法填充三维实验模型(将配比好的石英砂与水混合填充)。这种填砂模型压力仅为几十到几百kPa，不能承受高压条件下的实验，实验压力曲线如图11所示。

Claims (8)

1.一种三维大尺寸人造岩心的制作方法，包括如下步骤：

(1)根据预制作的三维大尺寸人造岩心的尺寸，制作模具；

(2)将骨架颗粒、地层水和胶结剂的混合物填充至所述模具中；

所述骨架颗粒与天然岩心的粒度分布状况一致；

(3)压制所述模具内的所述混合物；

(4)对经所述压制后的所述模具进行烘烤定型，即得所述三维大尺寸人造岩心。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述三维大尺寸人造岩心的尺寸为300×300×50mm～300×300×200mm。

3.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于：所述骨架颗粒为河砂与储层岩石碎屑颗粒的混合物。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制作方法，其特征在于：所述胶结剂为环氧树脂。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的制作方法，其特征在于：步骤(3)中，在所述模具上设置压块；

利用液压机对所述压块进行施压以模拟自然沉积过程。

6.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于：步骤(3)中，所述施压的最大压力为储层的上覆地层压力。

7.根据权利要求1-6任一项所述的制作方法，其特征在于：步骤(4)中，在烘箱中进行所述烘烤定型；

所述烘烤定型的条件如下：

温度为100～200℃；

时间为48～72h。

8.权利要求1-7中任一项所述方法制作的三维大尺寸人造岩心。