CN107422367A - 水敏矿物人造岩心及其制备方法和岩石物理模型 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水敏矿物人造岩心及其制备方法和岩石物理模型，该方法包括以下步骤：将环氧树脂加热以去除其中的结晶部分；将处理后的环氧树脂与不同粒径尺寸的石英砂颗粒和固化剂共混，使得到的共混物中的石英砂颗粒均匀分布；加入粘土矿物，搅拌均匀；以及浇注成型并干燥。根据本发明的不同粘土矿物含量的水敏矿物人造岩心，随着粘土矿物含量的增加，物性参数和弹性参数呈现出不同的变化趋势，可以更加有效的模拟实际地质情况，为水敏性研究提供实验基础和理论指导。
Description
技术领域
本发明涉及地震物理模拟领域，更具体地，涉及一种水敏矿物人造岩心的制备方法，由该方法制得的水敏矿物人造岩心，以及一种岩石物理模型。
背景技术
地震勘探是油气勘探的重要手段，而地震波传播理论是地震勘探的理论基础，地震物理模拟技术则是研究地震波传播理论的重要方式，也是验证和解决实际生产问题的有力工具。
地震物理模型实验研究投资小，与数学模型相比，其最大的优点就是地震物理模型模拟结果的真实性，不受计算方法、假设条件的限制。地震物理模型实验在石油天然气勘探、开发中的应用越来越广泛。在地震波理论研究和复杂构造、裂缝带检测、井间地震研究及油藏动态监测等石油天然气勘探、开发工作中发挥重要的作用。地震物理模拟技术通过超声波换能器激发和接收信号，利用超声波模拟野外地震波，获得地震模拟数据体，在实验室中通过地震物理模型揭示地震波在复杂构造中的传播规律。模型材料模拟技术是物理模型正演模拟的基础。现有技术主要利用环氧树脂浇注成型的方法，根据高速度地层的需要制备模型材料。
发明人发现，在现有配方中，制备出的模型为岩石骨架，不能够研究储层的水敏性特征；并且现有配方中的材料仅仅为环氧树脂和硅橡胶材料，制备的地震物理模型材料没有孔隙度和渗透率，因此不能模拟储层水敏性的特征。因此，有必要开发一种能够研究储层水敏特征、且具有孔隙度和渗透率的地震物理模型材料来制备模型样品。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述问题，提供一种能够研究不同粘土含量的水敏矿物人造岩心水敏反应前后物性参数和弹性参数变化特征的岩石物理模型样品，为油气勘探开发提供有利的依据，同时为今后的物理模型的制作奠定了基础。
本发明提供一种水敏矿物人造岩心的制备方法，该方法可以包括以下步骤：将环氧树脂加热以去除其中的结晶部分；将处理后的环氧树脂与不同粒径尺寸的石英砂颗粒共混，使石英砂颗粒均匀分布；加入粘土矿物，搅拌均匀；以及浇注成型并干燥。
本发明还提供由上述方法制得的水敏矿物人造岩心。
此外，本发明还提供一种岩石物理模型，该岩石物理模型所包括的水敏矿物岩心通过上述方法制得。
本发明通过不同尺寸的石英砂颗粒和粘土矿物进行配比，选用环氧树脂作为胶结剂，结合不同的制备压力，制备出不同粘土矿物含量的水敏矿物人造岩心岩石物理模型样品。实验表明，根据本发明的不同粘土矿物含量的水敏矿物人造岩心，随着粘土矿物含量的增加，物性参数和弹性参数呈现出不同的变化趋势，可以更加有效的模拟实际地质情况，为水敏性研究提供一定的实验基础和理论指导。
采用石英砂和粘土矿物胶结制备的水敏矿物人造岩心，整个岩心的石英砂和粘土矿物与环氧树脂颗粒分布十分均匀，并且整个岩心从顶部到底部孔隙大小均匀，并且没有上层孔隙度小，底部孔隙度大的现象，孔隙形态一致，从而有利于水敏矿物岩石物理模型实验研究。
本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为根据本发明的一种实施方式制得的人造岩心的图片。
图2为根据本发明的一种对比实施方式制得的人造岩心的图片，其中，石英砂与环氧树脂产生团聚现象。
图3为根据本发明的一种实施方式得到的人造岩心的切片图。
图4为根据本发明的一种实施方式得到的人造岩心的分层切片图。
图5为根据本发明的一种对比实施方式制得的人造岩心样品图，其中，压力为10MPa。
图6为伊利石水敏矿物人造岩心水敏反应前后孔隙度随粘土含量的变化关系。
图7为伊利石水敏矿物人造岩心水敏反应前后渗透率随粘土含量的变化关系。
图8为伊利石水敏矿物人造岩心水敏反应前后纵波速度随粘土含量的变化关系。
图9为伊利石水敏矿物人造岩心水敏反应前后横波速度随粘土含量的变化关系。
图10为伊利石水敏矿物人造岩心水敏反应前后剪切模量随粘土含量的变化关系。
图11为伊利石水敏矿物人造岩心水敏反应前后体积模量随粘土含量的变化关系。
图12为伊利石水敏矿物人造岩心水敏反应前后杨氏模量随粘土含量的变化关系。
图13为伊利石水敏矿物人造岩心水敏反应前后泊松比随粘土含量的变化关系。
图14为伊利石粘土水敏反应前后的XRD图像。
图15a、15b分别为伊利石粘土水敏反应前后的SEM图像。
图16a、16b分别为伊利石粘土水敏反应前后的CT孔隙图像。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明提供一种水敏矿物人造岩心的制备方法，所述方法包括以下步骤：将环氧树脂加热以去除其中的结晶部分；将处理后的环氧树脂与不同粒径尺寸的石英砂颗粒共混，使石英砂颗粒均匀分布；加入粘土矿物，搅拌均匀；以及浇注成型并干燥。
根据本发明，加热的温度以能够达到去除环氧树脂中的结晶部分为准，同时使得环氧树脂的粘度降低。优选地，所述加热的温度为30-70℃。
本发明方法的要点之一就是使得共混物中的石英砂颗粒均匀分布，本领域技术人员可以采用各种方式达到使石英砂颗粒均匀分布的目的。优选地，所述共混包括以下步骤：按照一个方向将所述共混物充分搅拌，然后进行研磨，再通过最大粒径尺寸的石英砂颗粒标准筛进行筛选，从而实现环氧树脂将每个石英砂颗粒均匀包裹。研磨的目的是使环氧树脂与石英砂颗粒不产生团聚现象。
根据本发明，所述浇注成型的方法可以为本领域的常规选择，例如，将原料浇注到人造岩心模具中。可以根据需要选择不同的模具以控制人造岩心的尺寸和形状。根据本发明一种具体实施方式，获得的人造岩心为圆柱形，直径为25mm。
本发明选取的石英砂颗粒基本为球形，并且颗粒大小均匀，通过不同粒径尺寸的石英砂以一定的比例进行混合，从而形成不同的石英砂颗粒堆积系统。表征颗粒堆积状态的基本参数有孔隙率、堆积率、比表面积、孔隙分布等，其中孔隙率是人造岩心的一个重要参数。在人造岩心的制备工艺上，通过采取不同粒径尺寸的石英砂颗粒进行堆积，可以制得不同孔隙度的人造岩心。优选地，所述石英砂颗粒的粒径尺寸为20-1000目。例如可具体选择以下目数的石英砂颗粒：30-50目、40-70目、60-70目、60-120目、100-200目、200目、400目、600目和800目。进一步优选地，选择目数差异较大的两种以上的石英砂颗粒。本领域技术人员可以根据需要的孔隙率选择不同目数的石英砂颗粒进行配比混合。
不同粘土矿物含量的水敏矿物人造岩心，随着粘土矿物含量的增加，物性参数和弹性参数呈现出不同的变化趋势。优选地，所述粘土矿物为伊利石粘土。并且所述粘土矿物的粒径尺寸优选为150-300目。
本发明的发明人在研究中发现，过小的压力会使制得的人造岩心样品疏松易碎，并且环氧树脂胶结不够完全，所以，在人造岩心的制备过程中，制备压力优选为15MPa以上，通过加大制备压力对人造岩心的制备工艺进行改进，制备的人造岩心样品胶结完全，并且岩心硬度很高，能够实现人造岩心钻、切、磨等岩心加工处理流程，从而为今后的水敏矿物人造物理模型实验打下良好的基础。
根据本发明，由于要保证石英砂颗粒均匀分散，共混步骤需要一定的时间，因此，优选使用在此期间内不会发生固化且放热较小的固化剂。具体地，优选固化时间为40min以上，DSC放热峰为35℃以下的固化剂。根据本发明一种具体实施方式，所述固化剂为9229型固化剂。
所述环氧树脂在本发明中用作胶结剂。优选地，所述环氧树脂为E型环氧树脂，根据本发明一种具体实施方式，所述环氧树脂为E-51型环氧树脂(EP)。
人造岩心的制作过程中，环氧树脂的用量直接影响着模型的强度、孔隙度、渗透率和颗粒分布均匀程度，因此，选取合理的环氧树脂胶结剂用量，对于制备具有不同伊利石粘土含量的水敏矿物人造岩心岩石模型十分重要。
在理论上，环氧树脂用量应与石英砂的总表面积成正比关系，通过这样的方式制备的人造岩心，其强度和胶结方式更为统一，从而方便实验数据的分析对比。优选地，所述环氧树脂的体积与石英砂颗粒的总表面积的比例为1：1-1.5。
根据本发明，所述固化剂的用量使得能够实现共混物的固化即可。优选地，所述环氧树脂与所述固化剂的重量比为1：0.05-0.1。
本发明提供由上述方法制得的水敏矿物人造岩心。
此外，本发明还提供一种岩石物理模型，该物理模型所包括的水敏矿物人造岩心通过上述方法制得。制备可采用本领域常规的方法，在此不再赘述。
以下实施例中，环氧树脂为购自凤凰牌公司的E-51型环氧树脂，固化剂为购自广州百联合成材料有限公司的9229型固化剂。
实施例1
将10g的环氧树脂加热至60℃；然后，将其与粒径为60-70目石英砂颗粒100g、60-120目石英砂颗粒100g和100-200目石英砂颗粒50g与1g的9229固化剂共混，按照一个方向充分搅拌，然后将得到的混合物进行研磨，并且通过最大目数的石英砂颗粒标准筛进行筛选，从而保证每个环氧树脂与单个石英砂颗粒进行均匀包裹。加入粒径为200目的伊利石粘土，搅拌均匀。将配比好的实验原料浇注至人造岩心模具中，并且通过20MPa的压力将实验原料压制成型，完全干燥后得到直径为25mm的圆柱形人造岩心。该人造岩心的孔隙度为15.93％。
实施例2
将10g的环氧树脂加热至40℃；然后，将其与粒径为60-70目石英砂颗粒100g、60-120目石英砂颗粒100g和100-200目石英砂颗粒50g与1g的9229固化剂共混，按照一个方向充分搅拌，然后将得到的混合物进行研磨，并且通过最大目数的石英砂颗粒标准筛进行筛选，从而保证每个环氧树脂与单个石英砂颗粒进行均匀包裹。加入粒径为200目的伊利石粘土，搅拌均匀。将配比好的实验原料浇注至人造岩心模具中，并且通过30MPa的压力将实验原料压制成型，完全干燥后得到直径为25mm的圆柱形人造岩心。该人造岩心的孔隙度为10.19％。
实施例3
将13g的环氧树脂加热至60℃；然后，将其与粒径为30-50目石英砂颗粒150g、60-70目石英砂颗粒150g与1g的9229固化剂共混，按照一个方向充分搅拌，然后将得到的混合物进行研磨，并且通过最大目数的石英砂颗粒标准筛进行筛选，从而保证每个环氧树脂与单个石英砂颗粒进行均匀包裹。加入粒径为220目的伊利石粘土，搅拌均匀。将配比好的实验原料浇注至人造岩心模具中，并且通过20MPa的压力将实验原料压制成型，完全干燥后得到直径为25mm的圆柱形人造岩心。该人造岩心的孔隙度为26.31％。
对比例1
采用如实施例1的方法制备人造岩心，不同的是，成型压力为10Mpa。
对比例2
采用如实施例1的方法制备人造岩心，不同的是，未对石英砂颗粒与环氧树脂的混合物进行研磨和过筛，石英砂颗粒与环氧树脂产生团聚现象。
测试例1
对实施例1和对比例1制得的产品进行目测。结果如图1和图5所示。
图1中的人造岩心样品胶结完全，并且岩心硬度很高，能够实现人造岩心钻、切、磨等岩心加工处理流程。由图5可见，10Mpa压力制备的人造岩心样品，疏松易碎，环氧树脂胶结不够完全，并且人造岩心样品不能够进行钻、切、磨等岩心加工处理流程。
测试例2
对实施例1和对比例2制得的产品进行切片研究。结果如图2-4所示。
图2为石英砂、伊利石粘土与环氧树脂产生团聚现象的人造岩心切片。由图2可知，如果环氧树脂与石英砂没有充分混合均匀，制备的人造岩心会产生为各向异性性质，并且孔隙连通性不好，从而使得流体不能够进行充填，不利于水敏矿物人造岩心物理模型的研究。
由图3可见，将石英砂与环氧树脂充分混合，并且进行研磨，通过标准筛进行筛选等制备工艺后，制备的水敏矿物人造岩心样品不会产生局部环氧树脂团聚现象，颗粒分布均匀，孔隙连通性良好，有利于水敏矿物人造岩心物理模型的流体填充，并且如图4所示，将人造岩心进行分层切割，可见整个岩心的石英砂和伊利石粘土与环氧树脂颗粒分布十分均匀，并且整个岩心从顶部到底部孔隙大小均匀，没有上层孔隙度小，底部孔隙度大的现象，从而保证流体在人造岩心中分布状态统一，孔隙形态一致，有利于水敏矿物人造岩心物理模型实验研究。
测试例3
将本发明制得的直径为25mm的伊利石水敏矿物人造岩心样品进行水敏反应实验。
图6为伊利石水敏矿物人造岩心水敏反应前后孔隙度随粘土含量的变化关系。由图6可知，孔隙度随着伊利石粘土含量的变化呈现U型变化，即呈现先下降后上升的趋势，并且水敏反应前后孔隙度的变化很小，几乎可以忽略不计。实验结果表明，伊利石粘土的膨胀能力很弱。
图7为伊利石水敏矿物人造岩心水敏反应前后渗透率随粘土含量的变化关系。由图7可知，当伊利石粘土含量小于25％时，水敏反应前后渗透率有一定的降低；当伊利石粘土含量大于25％时，水敏反应前后渗透率的变化很小。
当伊利石粘土含量小于25％时，随着粘土含量的增加，渗透率呈现了指数级的下降趋势；而当伊利石粘土含量大于25％时，随着粘土含量的增加，渗透率趋于稳定，变化很小。通过实验数据表明，当伊利石粘土含量小于25％时，伊利石粘土是作为充填物充填于孔隙之间；当伊利石粘土含量到达25％时，伊利石粘土充填整个人造岩心的储集空间；当伊利石粘土含量大于25％时，伊利石粘土争夺导致石英砂间距扩大，石英砂颗粒彼此分离，并且由部分伊利石粘土代替石英砂颗粒，从而伊利石粘土作为骨架的方式存在，使得孔隙度随伊利石粘土含量的增加而现行增加，渗透率的变化很小。
图8和图9分别为伊利石水敏矿物人造岩心水敏反应前后纵波速度和横波速度随粘土含量的变化关系。由图8可知，水敏反应后，伊利石水敏矿物人造岩心的纵波速度有所降低，并且随着伊利石粘土含量的增加，纵波速度呈现U字型变化，水敏反应前后纵波变化增加。当伊利石粘土含量为25％时，纵波速度最低。这与粘土的填充关系有关系。由图9可知，横波速度和纵波速度有相同的变化趋势。
图10为伊利石水敏矿物人造岩心水敏反应前后剪切模量随粘土含量的变化关系。由图10可知，水敏反应后，伊利石水敏矿物人造岩心的剪切模量降低。当伊利石粘土含量小于20％时，剪切模量随着粘土含量的增加缓慢降低；当伊利石粘土为20％-45％时，剪切模量随着粘土含量的增加呈现线性增加趋势；当伊利石粘土含量为45％-50％时，剪切模量随着粘土含量的增加基本不变。
图11为伊利石水敏矿物人造岩心水敏反应前后体积模量随粘土含量的变化关系。由图11所知，水敏反应后，伊利石水敏矿物人造岩心的体积模量降低，并且随着粘土含量的增加，水敏反应前后的体积模量变化越大。随着伊利石粘土含量的增加，体积模量呈现V字型变化趋势。当伊利石粘土含量小于30％时，体积模量随着粘土含量的增加呈现线性降低趋势；当伊利石粘土为30％-50％时，体积模量随着粘土含量的增加呈现线性增加趋势。
图12为伊利石水敏矿物人造岩心水敏反应前后杨氏模量随粘土含量的变化关系。由图12可知，水敏反应后，伊利石水敏矿物人造岩心的杨氏模量降低，并且随着粘土含量的增加，水敏反应前后的杨氏模量变化越大。当伊利石粘土含量小于25％时，杨氏模量随着粘土含量的增加缓慢降低；当伊利石粘土为25％-45％时，杨氏模量随着粘土含量的增加呈现线性增加趋势；当伊利石粘土含量为45％-50％时，杨氏模量随着粘土含量的增加基本不变。
图13为伊利石水敏矿物人造岩心水敏反应前后泊松比随粘土含量的变化关系。由图13可知，水敏反应后，伊利石水敏矿物人造岩心的泊松比降低，但是没有明显的变化趋势。随着伊利石粘土含量的增加，泊松比呈现V字型变化趋势。当伊利石粘土含量小于30％时，泊松比随着粘土含量的增加呈现线性降低趋势；当伊利石粘土为30％-50％时，泊松比随着粘土含量的增加呈现线性增加趋势。
测试例4
对水敏反应前后的样品进行X射线衍射测试。
图14为伊利石粘土水敏反应前后的XRD图像。如图14所示，水敏反应前后伊利石粘土的XRD图谱没有变化，说明伊利石粘土在水敏反应前后没有伴随化学反应的发生。
测试例5
采用扫描电子显微镜观察水敏反应前后的样品。
图15a、15b分别为伊利石粘土水敏反应前后的SEM图像。如图15a、15b所示，水敏反应前后的伊利石粘土SEM图像几乎没有变化，说明伊利石粘土遇水膨胀能力很弱，水敏性不强。
测试例6
通过微米级CT提取水敏反应前后的样品的孔隙结构。
图16a、16b分别为伊利石粘土水敏反应前后的CT孔隙图像。由图16a、16b可知，水敏反应前后，伊利石水敏矿物人造岩心的孔隙连通性降低，说明流体进入岩心之后，降低了石英砂颗粒和伊利石粘土之间的结构力，从而导致空隙连通性降低，渗透率减小，造成一定的储层伤害。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (10)
1.一种水敏矿物人造岩心的制备方法，所述方法包括以下步骤：
将环氧树脂加热以去除其中的结晶部分；
将处理后的环氧树脂与不同粒径尺寸的石英砂颗粒和固化剂共混，使得到的共混物中的石英砂颗粒均匀分布；
加入粘土矿物，搅拌均匀；以及
浇注成型并干燥。
2.根据权利要求1所述的水敏矿物人造岩心的制备方法，其中，加热的温度为30-70℃。
3.根据权利要求1所述的水敏矿物人造岩心的制备方法，其中，所述共混包括以下步骤：
按照一个方向将所述共混物充分搅拌，然后进行研磨，再通过最大粒径尺寸的石英砂颗粒标准筛进行筛选。
4.根据权利要求1所述的水敏矿物人造岩心的制备方法，其中，所述石英砂颗粒的粒径尺寸为20-1000目。
5.根据权利要求1所述的水敏矿物人造岩心的制备方法，其中，所述粘土矿物为伊利石粘土。
6.根据权利要求1所述的水敏矿物人造岩心的制备方法，其中，所述粘土矿物的粒径尺寸为150-300目。
7.根据权利要求1所述的水敏矿物人造岩心的制备方法，其中，浇注成型的压力为15MPa以上。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的水敏矿物人造岩心的制备方法，其中，所述环氧树脂的体积与石英砂颗粒的总表面积的比例为1：1-1.5；所述环氧树脂与所述固化剂的重量比为1：0.05-0.1。
9.由权利要求1-8中任意一项所述的方法制得的水敏矿物人造岩心。
10.一种岩石物理模型，其特征在于，该岩石物理模型所包括的水敏矿物人造岩心通过权利要求1-8中任意一项所述的方法制得。
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