CN109238799A - 裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，依次包括如下步骤：目标岩心基础数据的确定、基础材料的准备、裂缝表征体的制备和目标岩心的制备。本发明的裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，提出了一种名为裂缝表征体的立方体结构的中间物质，事先通过高压水射流切割技术对所要制作的裂缝尺寸以及倾角进行精确表征，后期在进行岩心制备时无角度放置即可模拟裂缝结构。制得的岩心可以进行裂缝性碳酸盐岩室内流动实验，为深刻认识裂缝性碳酸盐岩渗流机理奠定了基础。

Description

裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法

技术领域

本发明涉及一种裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法。

背景技术

裂缝性碳酸盐岩储量丰富，裂缝既是重要的储集空间又是必要的渗流通道。但是，由于裂缝的成因复杂、控制和影响因素多样以及分布高度非均质性等特点，首先在理论上制约了科研工作者对地下储层以及储层流体流动规律的认知。另外该类储层取心难度大、成功率很低，现有人造岩心的造缝技术不够成熟，无法满足室内岩心流动实验的要求，进一步在实验上限制了工作人员的研究进程，从而导致科研工作者对区块地质状况认识不清，众多储层开发效果不理想，为了解决裂缝性油田的开发难题，急需寻找一种可以准确模拟碳酸盐岩裂缝的人造岩心技术。

目前模拟碳酸盐岩心裂缝的方法主要分为三类：一是采用力学方法进行破坏造缝，如徐刚等人在其发表的论文“一种裂缝性油藏岩石物理模拟方法的建立”中提到利用拉伸和单、三轴压缩试验,监测体应变或渗透率变化,来控制岩心上生成裂缝的方向、大致缝宽和数量，得到符合裂缝性油藏储层渗流特性的人造裂缝岩心。这种方法简单易操作，但是造缝随机性大，裂缝物理参数不好掌握；二是对已有岩心进行切割造缝，这种造缝方法只适用于裂缝结构简单的大裂缝模拟，无法刻画岩心内部复杂裂缝结构。三是在岩心中放入特定材料特定形状的制品，再用物理化学方法除去，但是由于所选造缝材料易变形，在对岩心加压过程中，裂缝形状以及角度等参数不能保证。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法。

本发明的一种裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，包括如下步骤：S101：根据实际研究区块的取心资料数据，确定目标岩心的骨架材料，以及裂缝尺寸数据，包括裂缝密度、倾角、缝长、缝宽以及缝高；S102：根据步骤S101测得的数据制备长方体模具；S103：根据实际岩心的岩性和粒径分布，选取天然大理石，然后经机械破碎、研磨，再用筛网筛选出相应粒径的大理石颗粒；然后将所述大理石颗粒与环氧树脂系胶结剂按照质量比为(1～50)：1混合，并装入所述步骤S102制备的长方体模具中，然后用加压装置正反分别压制25min～35min，再将模具取下，并在常温中放置4h～6h，再在温度为38℃～42℃的恒温箱中烘干2.5h～3.5h，然后冷却至室温，得到基质岩心；S104：将所述基质岩心放入岩心切割机中，以岩石切割块体充分利用为原则，并结合所制备岩心裂缝缝长的要求，确定岩石切割块体的尺寸并进行块体的切割；S105：根据目标裂缝高度选取对应的切割方式和沙砾粒径，并在电脑程序中输入目标裂缝的各项参数，采用高压水射流技术刻画岩心裂缝的结构；S106：分别定量称取大理石颗粒和环氧树脂胶结剂，将二者以(1～50)：1的质量比混合均匀；S107：首先根据模拟岩心的参数选取相应数量以及相应规格的裂缝表征体，然后将混合均匀的碳酸盐岩颗粒与环氧树脂胶结剂放入所述模具中，同时依次嵌入准备好的裂缝表征体；其中，由于裂缝表征体呈立方体状，裂缝倾角已经预先设置好，所以嵌入时无角度放置即可；S108：将已充填好的模具放入加压装置中，正反分别压制25min～35min，然后将所述模具取下，常温下放置4h～6h，然后放入38℃～42℃条件下的恒温箱中烘干2.5h～3.5h，再自然冷却至室温，然后将岩心表面进行胶化处理，用细密毛刷在岩心表面均匀涂抹胶黏剂，每3小时涂抹一次，至胶层厚度为2mm～4mm时停止，放置通风处22h～26h干燥处理，制得目标岩心。

本发明的裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，成功制作出了一种裂缝结构可精细表征的人造岩心，解决了以往岩心制备过程中出现的裂缝参数无法有效控制以及裂缝结构无法精细刻画的问题。本发明创造性的提出了一种名为裂缝表征体的中间物质，该物质为立方体结构，事先通过高压水射流切割技术对所要制作的裂缝尺寸以及倾角进行精确表征，后期在进行岩心制备时无角度放置即可模拟裂缝结构。制得的岩心可以进行裂缝性碳酸盐岩室内流动实验，为深刻认识裂缝性碳酸盐岩渗流机理奠定了基础。

另外，本发明上述的裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，在所述步骤S101中，裂缝密度其中，n为裂缝的数量，V为人造岩心的体积，L为缝长，h为缝高，b为缝宽。

进一步地，在所述步骤S102中，所述模具的长度为30cm～70cm，宽度为8cm～20cm，厚度为2cm～4cm。

进一步地，在所述步骤S102中，在所述长方体模具外侧设置强化钢条定型器。

进一步地，在所述步骤S102中，所述长方体模具的底板和上压板为高硬度钢板，侧面材质为碳钢板。

进一步地，在所述步骤S103中，所述大理石颗粒的粒径取值为模拟岩心颗粒组成的平均粒径。

进一步地，在所述步骤S103中，所述环氧树脂系胶结剂包括重量比为(0.5～1)：(0.05～0.5)：(0.1～1)的环氧树脂、固化剂和稀释剂。

进一步地，在所述步骤S104中，L为缝长，a为所述切割块体的边长。

进一步地，在所述步骤S105中，切割裂缝高度由水射流中沙砾尺寸决定：若裂缝尺寸介于0.1mm～1.0mm之间，采用无砂切割，即为纯水射流，无砂粒添加；若裂缝尺寸大于1.0mm，采用加砂切割，其切口随沙砾直径的增加而增大。

进一步地，在所述步骤S103中，采用加压装置加压时，压力大小为0MPa～20MPa；在所述步骤S108中，采用加压装置加压时，压力大小为0MPa～20MPa。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明的裂缝结构示意图；

图2是本发明的含有强化钢条定型器的模具结构示意图；

图3是钢板连接示意图；

图4是连接螺丝示意图；

图5是岩石切割块体尺寸示意图；

图6是裂缝表征体示意图；

图7是裂缝性碳酸盐岩岩心示意图；

图8是模具结构示意图；

图9是a＝20mm的岩石切割块体；

图10是θ＝30°的裂缝表征体的结构示意图；

图11是实施例岩心示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

步骤一：目标岩心基础数据的确定

根据实际研究区块的取心资料数据，确定目标岩心的骨架材料，以及裂缝尺寸数据，包括裂缝密度ε、倾角θ、缝长L、缝宽b以及缝高h。

目标岩心：制备裂缝密度为ε、裂缝倾角为θ、缝长L、缝宽b、缝高h的碳酸盐岩板状岩心。

其中裂缝密度n为裂缝的数量；V为人造岩心的体积；L为缝长，为裂缝的长边；h为缝高，为裂缝张开的高度；b为缝宽，为裂缝的短边(如图1)。

步骤二：基础材料的准备

(1)模具准备

如图2所示，模具呈长方体状，侧面材质为碳钢板，长度范围为30cm～70cm，宽度范围为8cm～20cm，厚度范围为2cm～4cm，连接介质为螺丝(如图3、图4)，为保证模具结构的稳定性，在侧板外侧设置强化钢条定型器(如图2)，底板与上压板为高硬度钢板。模具尺寸不唯一，具体尺寸根据所制岩心要求调节。

(2)物料的准备

根据实际岩心的岩性、粒径分布等数据，选取天然大理石，经过机械破碎、研磨，用筛网筛选出相应粒径的大理石颗粒，这里粒径取值一般是模拟岩心颗粒组成的平均粒径。胶结剂选用双酚A型WSR-618(E15)环氧树脂胶结剂，各组份的质量比为环氧树脂：固化剂：稀释剂＝(0.5～1)：(0.05～0.5)：(0.1～1)。

步骤三：裂缝表征体的制备

(1)准备基质岩心：

将对应大理石颗粒与环氧树脂系胶结剂以(1～50)：1的质量比放入方形模具中混合均匀，放入加压装置中以压力0MPa～20MPa正反分别压制25min～35min，然后将模具取下，常温下放置4h～6h，，然后放入38℃～42℃条件下的恒温箱中2.5h～3.5h，烘干，关闭烘箱电源，自然冷却至室温，获得基质岩心。

(2)制作岩石切割块体

将获得的基质岩心放入岩心切割机中，以岩石切割块体充分利用为原则，并结合所制岩心裂缝缝长L的要求，确定岩石切割块体的尺寸并进行块体的切割。如图5所示，切割块体尺寸a与裂缝尺寸L关系满足两点要求，一是：缝长L小于立方体的体对角线长度即二是：缝长L大于立方体的边长a，即L>a。

(3)刻画裂缝结构

刻画裂缝结构采用高压水射流切割技术，此项技术的切割过程通过电脑控制，具有切割精度高、速度快、安全无污染等优点。裂缝高度可由水射流中沙砾尺寸决定。若裂缝尺寸介于0.1mm～1.0mm之间，可采用无砂切割，即为纯水射流，无砂粒(此砂粒为石榴砂)添加。若裂缝尺寸大于1.0mm，可采用加砂切割，加砂切割切口随沙砾直径的增加而增大。根据目标裂缝高度选取一种适合的切割方式和沙砾粒径，并在电脑程序中输入目标裂缝的缝长、角度等参数，运用高压水射流技术进行岩心裂缝结构的刻画，所得裂缝表征体示意图如图6。

步骤四：目标岩心的制备

为确保岩心各部分的均一性，岩心制备时选取的大理石颗粒尺寸、环氧树脂的用量以及压制的压力等基础参数均与制作裂缝表征体的参数一致。

(1)混合搅拌：分别定量称取大理石颗粒和环氧树脂胶结剂，将二者以(1～50)：1的质量比混合均匀。

(2)模具充填：首先根据模拟岩心的裂缝密度、裂缝尺寸、裂缝倾角等参数选取相应数量以及相应规格的裂缝表征体。然后将混合均匀的碳酸盐岩颗粒与环氧树脂胶结剂多次少量的放入方形模具中，同时依次嵌入准备好的裂缝表征体。由于裂缝表征体呈立方体状，裂缝倾角已经提前设置好，所以嵌入时无角度放置即可。

(3)压制、烘干与岩心表面胶化处理：将已充填好的模具放入加压装置中，以压力0MPa～20MPa正反分别压制30min，然后将模具取下，常温下放置4h～6h，，然后放入38℃～42℃条件下的恒温箱中2.5h～3.5h，烘干，关闭烘箱电源，自然冷却至室温。将岩心表面进行胶化处理，用细密毛刷在岩心表面均匀涂抹胶黏剂，每3小时涂抹一次，至胶层厚度为2mm～4mm时停止，放置通风处22h～26h干燥处理，防止浇铸时胶黏剂渗入岩心，制得目标岩心见图7。

具体实施例

(1)目标岩心：制备裂缝密度为1.736×10^-4、裂缝倾角为30°、缝长20mm、缝宽10mm、缝高0.1mm的碳酸盐岩板状岩心。

(2)模具准备：模具为长方体状，岩心模具计划长度为400mm，宽度为200mm，高度为120mm。故选取4块侧面碳钢板，其中两块长度400mm，宽度为120mm，厚度为20mm；另两块长度200mm，宽度为120mm，厚度为20mm。底板长度360mm，宽度为160mm，厚度为20mm。上压板长度400mm，宽度为200mm，厚度为20mm。碳钢板侧边打上均匀螺孔，通过螺丝进行连接，外侧通过强化钢条定型。如图8所示。

(3)物料的准备

岩心骨架材料选取大理石颗粒，胶结剂选用双酚A型WSR-618(E15)环氧树脂胶结剂，各组份的质量比为环氧树脂：固化剂：稀释剂＝2：1：2，以4:1质量比准备基础物料大理石颗粒与环氧树脂系胶结剂。

根据模具尺寸计算目标岩心体积为5760cm³，因大理石密度为2.6g/cm³，固选取天然大理石，经过机械破碎、研磨，用筛网筛选出0.3mm粒径的大理石颗粒11.9808kg，并准备环氧树脂1.19808kg，固化剂0.59904kg，稀释剂1.19808kg。

(4)裂缝表征体的制备

①准备基质岩心

将准备好的基础物料放入方形模具中混合均匀，放入加压装置中以给定压力10Mpa正反分别压制30min，然后将模具取下，常温下放置5h，然后放入40℃条件下的恒温箱中3h，烘干，关闭烘箱电源,自然冷却至室温，获得基质岩心。

②制作岩石切割块体

将获得的基质岩心放入岩心切割机中，以岩石切割块体充分利用为原则，并结合所制岩心裂缝缝长L为20mm的要求，进行岩心块体的切割，计算切割块体尺寸a为20mm。并根据裂缝密度＝1.736×10^-4，计算需要制作岩石切割块体数量为50。如图9所示。

③刻画裂缝结构

刻画裂缝结构采用高压水射流切割技术，此项技术的切割过程通过电脑控制，具有切割精度高、速度快、安全无污染等优点。因所制裂缝尺寸为0.1mm，固采用无砂切割，并在电脑程序中输入目标裂缝的缝长L＝20mm，缝宽b＝10mm，缝高h＝0.1mm，角度θ＝30°等参数，运用高压水射流技术进行岩心裂缝结构的刻画。如图10所示。

(5)目标岩心制备

为确保岩心各部分的均一性，岩心制备时选取的大理石颗粒尺寸、环氧树脂的用量以及压制的压力等基础参数均与制作裂缝表征体的参数一致。

①混合搅拌：分别定量称取大理石颗粒和环氧树脂胶结剂，将二者以4:1的质量比混合均匀。

②模具充填：将混合均匀的碳酸盐岩颗粒与环氧树脂胶结剂等分10份依次放入方形模具中，同时依次嵌入准备好的裂缝表征体共计50个，裂缝表征体嵌入时无角度放置即可。

③压制、烘干与岩心表面胶化处理：将已充填好的模具放入加压装置中，以压力10Mpa正反分别压制30min，然后将模具取下，常温下放置5h，然后放入40℃条件下的恒温箱中3h，烘干，关闭烘箱电源,自然冷却至室温。将岩心表面进行胶化处理，用细密毛刷在岩心表面均匀涂抹胶黏剂，每3小时涂抹一次，至胶层约2mm时停止，放置通风处24小时干燥处理，防止浇铸时胶黏剂渗入岩心，制得目标岩心见示意图11，这里为了示意图清晰，裂缝表征体只选择了一部分进行展示。

综上，本发明的裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，成功制作出了一种裂缝结构可精细表征的人造岩心，解决了以往岩心制备过程中出现的裂缝参数无法有效控制以及裂缝结构无法精细刻画的问题。本发明创造性的提出了一种名为裂缝表征体的中间物质，该物质为立方体结构，事先通过高压水射流切割技术对所要制作的裂缝尺寸以及倾角进行精确表征，后期在进行岩心制备时无角度放置即可模拟裂缝结构。制得的岩心可以进行裂缝性碳酸盐岩室内流动实验，为深刻认识裂缝性碳酸盐岩渗流机理奠定了基础。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101：根据实际研究区块的取心资料数据，确定目标岩心的骨架材料，以及裂缝尺寸数据，包括裂缝密度、倾角、缝长、缝宽以及缝高；

S102：根据步骤S101测得的数据制备长方体模具；

S103：根据实际岩心的岩性和粒径分布，选取天然大理石，然后经机械破碎、研磨，再用筛网筛选出相应粒径的大理石颗粒；然后将所述大理石颗粒与环氧树脂系胶结剂按照质量比为(1～50)：1混合，并装入所述步骤S102制备的长方体模具中，然后用加压装置正反分别压制25min～35min，再将模具取下，并在常温中放置4h～6h，再在温度为38℃～42℃的恒温箱中烘干2.5h～3.5h，然后冷却至室温，得到基质岩心；

S104：将所述基质岩心放入岩心切割机中，以岩石切割块体充分利用为原则，并结合所制备岩心裂缝缝长的要求，确定岩石切割块体的尺寸并进行块体的切割；

S105：根据目标裂缝高度选取对应的切割方式和沙砾粒径，并在电脑程序中输入目标裂缝的各项参数，采用高压水射流技术刻画岩心裂缝的结构；

S106：分别定量称取大理石颗粒和环氧树脂胶结剂，将二者以(1～50)：1的质量比混合均匀；

S107：首先根据模拟岩心的参数选取相应数量以及相应规格的裂缝表征体，然后将混合均匀的碳酸盐岩颗粒与环氧树脂胶结剂放入所述模具中，同时依次嵌入准备好的裂缝表征体；其中，由于裂缝表征体呈立方体状，裂缝倾角已经预先设置好，所以嵌入时无角度放置即可；

S108：将已充填好的模具放入加压装置中，正反分别压制25min～35min，然后将所述模具取下，常温下放置4h～6h，然后放入38℃～42℃条件下的恒温箱中烘干2.5h～3.5h，再自然冷却至室温，然后将岩心表面进行胶化处理，用细密毛刷在岩心表面均匀涂抹胶黏剂，每3小时涂抹一次，至胶层厚度为2mm～4mm时停止，放置通风处22h～26h干燥处理，制得目标岩心。

2.根据权利要求1所述的裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，其特征在于，在所述步骤S101中，裂缝密度其中，n为裂缝的数量，V为人造岩心的体积，L为缝长，h为缝高，b为缝宽。

3.根据权利要求1所述的裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，其特征在于，在所述步骤S102中，所述模具的长度为30cm～70cm，宽度为8cm～20cm，厚度为2cm～4cm。

4.根据权利要求1所述的裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，其特征在于，在所述步骤S102中，在所述长方体模具外侧设置强化钢条定型器。

5.根据权利要求1所述的裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，其特征在于，在所述步骤S102中，所述长方体模具的底板和上压板为高硬度钢板，侧面材质为碳钢板。

6.根据权利要求1所述的裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，其特征在于，在所述步骤S103中，所述大理石颗粒的粒径取值为模拟岩心颗粒组成的平均粒径。

7.根据权利要求1所述的裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，其特征在于，在所述步骤S103中，所述环氧树脂系胶结剂包括重量比为(0.5～1)：(0.05～0.5)：(0.1～1)的环氧树脂、固化剂和稀释剂。

8.根据权利要求1所述的裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，其特征在于，在所述步骤S104中，L为缝长，a为所述切割块体的边长。

9.根据权利要求1所述的裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，其特征在于，在所述步骤S105中，切割裂缝高度由水射流中沙砾尺寸决定：若裂缝尺寸介于0.1mm～1.0mm之间，采用无砂切割，即为纯水射流，无砂粒添加；若裂缝尺寸大于1.0mm，采用加砂切割，其切口随沙砾直径的增加而增大。

10.根据权利要求1所述的裂缝结构精细表征的碳酸盐岩板状岩心制备方法，其特征在于，在所述步骤S103中，采用加压装置加压时，压力大小为0MPa～20MPa；在所述步骤S108中，采用加压装置加压时，压力大小为0MPa～20MPa。