CN109956715A - 一种煤岩储层人造岩心及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤岩储层人造岩心及其制备方法。所述煤岩储层人造岩心包括以下质量分数的组分：煤粉颗粒29％‑30％，水泥41％‑43％及水28％‑29％，由于煤粉颗粒本身为天然煤岩，因而可以作为岩石骨架，用于在被压制后确保人造岩心的孔隙度、渗透率等物质属性，而水泥与水混合后可以作为粘结剂，用于提高煤粉颗粒之间的胶结强度。该煤岩储层人造岩心的机械强度、胶结能力、物质属性与天然煤岩的煤心具有较好的一致性，便于后续实验研究煤岩的岩石力学性质。
Description
技术领域
本发明涉及人造岩心制备技术领域，特别涉及一种煤岩储层人造岩心及其制备方法。
背景技术
对于国内煤层气的开发，一般采用水力压裂的方式进行。而水力压裂设计需要以煤层物性参数、岩石力学参数为基础。为了优化水力压裂设计，通常需要现场取样并制备人造岩心，开展三轴水力压裂模拟实验，以便于认识煤储层、获取煤层岩石力学参数。
目前公开了一种人造煤心、其制备方法及其应用(申请号为CN104944903A的中国发明专利)。该发明涉及一种人造煤心、其制备方法及其应用，以重量百分含量计，其包括：85％～90％的煤颗粒，5％～10％的钠膨润土，5％～10％的水，符合真实煤岩的构成成分，保持了煤岩原样中基质孔隙和煤颗粒界面张力等性质。
由于目前制备人造煤心的材料为煤颗粒和钠膨润土，而钠膨润土具有胶结强度低、易松散的特点，使得该人造煤心不适用于模拟天然煤岩三轴岩石力学实验、裂缝起裂扩展实验研究中，不能利用该人造煤心实验研究煤岩的岩石力学性质。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种胶结强度高的煤岩储层人造岩心及其制备方法，以便于实验研究煤岩的岩石力学性质。
具体而言，包括以下的技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种煤岩储层人造岩心，所述煤岩储层人造岩心包括以下质量分数的组分：煤粉颗粒29％-30％，水泥41％-43％及水28％-29％。
可选择地，所述煤粉颗粒包括以下质量分数的组分：粒径为40-60目25％-35％，粒径为80-100目40％-55％，粒径为180目以上20％-25％。
可选择地，所述水泥为粉煤灰硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥。
可选择地，所述粉煤灰硅酸盐水泥包括：粉煤灰，所述粉煤灰的质量分数为20％-40％。
可选择地，所述水泥的强度等级为42.5或42.5R。
另一方面，本发明实施例还提供了一种本发明第一方面所述的煤岩储层人造岩心的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤(1)，将所述煤粉颗粒与所述水泥混合并搅拌均匀，得到第一混合物；
步骤(2)，向所述第一混合物中加入水并搅拌均匀，得到第二混合物；
步骤(3)，将所述第二混合物放入到岩心制备装置中，对所述第二混合物逐渐施加13-17MPa的压力，并在最大施加压力下保持3-7小时；
步骤(4)，卸载对所述第二混合物的施加压力，并静置70-120小时，得到物料；
步骤(5)，对所述物料进行切割打磨，得到煤岩储层人造岩心。
可选择地，所述步骤(1)，将所述煤粉颗粒与所述水泥混合并搅拌均匀，得到第一混合物之前，所述方法还包括：按比例获取不同粒径目数的所述煤粉颗粒、所述水泥和所述水。
可选择地，所述按比例获取所述煤粉颗粒、所述水泥和所述水之后，所述方法还包括：将不同粒径目数的所述煤粉颗粒混合并搅拌均匀。
本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：
通过质量分数为29％-30％的煤粉颗粒、41％-43％的水泥和28％-29％的水制成煤岩储层人造岩心，由于煤粉颗粒本身为天然煤岩，因而可以作为岩石骨架，用于在被压制后确保人造岩心的孔隙度、渗透率等物质属性，而水泥与水混合后可以作为粘结剂，用于提高煤粉颗粒之间的胶结强度。该煤岩储层人造岩心的机械强度、胶结能力、物质属性与天然煤岩的煤心具有较好的一致性，便于后续实验研究煤岩的岩石力学性质。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种煤岩储层人造岩心的岩心制备装置的结构示意图。
图中的附图标记分别表示为：
1-压制模型；
2-第一压头；
3-第二压头；
4-底座；
5-施力组件。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明一方面提供了一种煤岩储层人造岩心，包括以下质量分数的组分：煤粉颗粒29％-30％，水泥41％-43％及水28％-29％。
通过质量分数为29％-30％的煤粉颗粒、41％-43％的水泥和28％-29％的水制成煤岩储层人造岩心，由于煤粉颗粒本身为天然煤岩，因而可以作为岩石骨架，用于在被压制后确保人造岩心的孔隙度、渗透率等物质属性，而水泥与水混合后可以作为粘结剂，用于提高煤粉颗粒之间的胶结强度。该煤岩储层人造岩心的机械强度、胶结能力、物质属性与天然煤岩的煤心具有较好的一致性，便于后续实验研究煤岩的岩石力学性质。
在上述的煤岩储层人造岩心中，煤粉颗粒取自模拟煤层的煤岩，由煤岩破碎研磨筛分而成，煤粉颗粒可以包括以下质量分数的组分：粒径为40-60目25％-35％，粒径为80-100目40％-55％，粒径为180目以上20％-25％。
通过设置不同粒径目数的煤粉颗粒，使得煤岩储层人造岩心的岩石骨架结构与天然煤岩岩心的结构更为相似。
在上述的煤岩储层人造岩心中，水泥可以为粉煤灰硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥。
具体地，粉煤灰硅酸盐水泥包括粉煤灰和硅酸盐水泥熟料，通过在粉煤灰和硅酸盐水泥熟料中加入适量石膏混合后磨细而成。其中，粉煤灰的质量分数为20％～40％。
矿渣硅酸盐水泥包括硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣，通过在硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣中加入适量石膏磨细制成。其中，粒化高炉矿渣的质量分数为20％-70％。
粉煤灰硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥均为易于获取的水泥类型，且价格便宜，可以有效降低煤岩储层人造岩心的制作成本。
进一步地，为了确保煤粉颗粒之间的胶结强度，在本发明实施例中，水泥的强度等级可以为42.5或42.5R。
需要说明的是，水泥的强度是指水泥胶砂硬化试体所能承受外力破坏的能力，用MPa(兆帕)表示。水泥的强度是评价水泥质量的重要指标，是划分水泥强度等级的依据，是水泥重要的物理力学性能之一。
本发明另一方面提供了一种本发明第一方面提供的煤岩储层人造岩心的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)，将煤粉颗粒与水泥混合并搅拌均匀，得到第一混合物。
在本步骤之前，需要按比例获取不同粒径目数的煤粉颗粒、水泥和水，以便备用。
继而，将不同粒径目数的煤粉颗粒混合并搅拌均匀，为本步骤中将煤粉颗粒与水泥混合并搅拌均匀做准备。
步骤(2)，向第一混合物中加入水并搅拌均匀，得到第二混合物。
步骤(3)，将第二混合物放入到岩心制备装置中，对第二混合物逐渐施加13-17MPa的压力，并在最大施加压力下保持3-7小时。
具体地，岩心制备装置如图1所示，包括压制模型1、第一压头2、第二压头3、底座4和施力组件5，其中，第二压头3座设在底座4上，压制模型1的一端盖设在第二压头3上，第一压头2盖设在压制模型1的另一端上，施力组件5设置在第一压头2上，用于实现对第一压头2的施加压力。
需要说明的是，压制模型1、第一压头2和第三压头3彼此之间可拆卸可移动，可以根据实际需要，选择配套的压制模型1、第一压头2和第二压头3进行组装使用。
在本步骤中，可以把第二混合物放入到压制模型1中，通过压制模型1将第二混合物框住，通过施力组件5对第一压头2施加压力，且施加的压力值逐渐增加到13-17MPa，并在最大施加压力下保持3-7小时。
步骤(4)，卸载对第二混合物的施加压力，并静置70-120小时，得到物料。
在本步骤中，对已经施加压力的第二混合物在自然状态下静置70-120小时，使其胶结固化并干燥，以得到物料。
步骤(5)，对物料进行切割打磨，得到煤岩储层人造岩心。
在本步骤中，按照标准岩心试样的尺寸，对物料进行切割打磨，以得到实验所需的煤岩储层人造岩心。
实施例1
本实施例提供一种煤岩储层人造岩心的制备方法。
步骤(1)，将煤粉颗粒与水泥混合并搅拌均匀，得到第一混合物；
在本步骤之前，获取以下质量分数的组分：煤粉颗粒29.5％，其中，粒径为40-60目9％，粒径为80-100目14％，粒径为180目以上6.5％；强度等级为42.5的矿渣硅酸盐水泥41.5％，市售；取自模拟煤层地层水28.5％。
继而，将粒径为40-60目、粒径为80-100目和粒径为180目以上的煤粉颗粒混合并搅拌均匀，得到煤粉颗粒碎屑混合物。
在本步骤中，将41.5％强度等级为42.5的矿渣硅酸盐水泥与上述煤粉颗粒碎屑混合物，继续搅拌均匀。
步骤(2)，向第一混合物中加入水并搅拌均匀，得到第二混合物；
步骤(3)，将第二混合物放入到岩心制备装置中，对第二混合物逐渐施加13-17MPa的压力，并在最大施加压力下保持3-7小时；
在本步骤中，将压力逐渐增加到15MPa后，在15MPa的压力下保持4小时。
步骤(4)，卸载对第二混合物的施加压力，并静置70-120小时，得到物料；
在本步骤中，卸载对第二混合物的施加压力，在自然状态下胶结剂固化72小时，得到物料。
步骤(5)，对物料进行切割打磨，得到煤岩储层人造岩心。
为了验证煤岩储层人造岩心与天然煤岩的煤心在机械强度、胶结能力、物质属性方面是否具有一致性，在得到该煤岩储层人造岩心之后，通过三轴岩石力学实验测试，得到本实施例的煤岩储层人造岩心的三轴抗压强度为35.62MPa、弹性模量为5.7793GPa、泊松比为0.43；通过压力脉冲衰减法得到本实施例的煤岩储层人造岩心的渗透率为0.54mD，均与天然煤岩的煤心的对应取值接近，说明利用该制备方法得到的煤岩储层人造岩心与天然煤岩的煤心在机械强度、胶结能力、物质属性方面具有较好的一致性，有利于后续实验研究煤岩的岩石力学性质。
实施例2
本实施例提供一种煤岩储层人造岩心的制备方法。
步骤(1)，将煤粉颗粒与水泥混合并搅拌均匀，得到第一混合物；
在本步骤之前，获取以下质量分数的组分：煤粉颗粒29.8％，其中，粒径为40-60目9.5％，粒径为80-100目14.5％，粒径为180目以上5.8％；强度等级为42.5的矿渣硅酸盐水泥41％，市售；取自模拟煤层地层水29％。
继而，将粒径为40-60目、粒径为80-100目和粒径为180目以上的煤粉颗粒混合并搅拌均匀，得到煤粉颗粒碎屑混合物。
在本步骤中，将41％强度等级为42.5的矿渣硅酸盐水泥与上述煤粉颗粒碎屑混合物，继续搅拌均匀。
步骤(2)，向第一混合物中加入水并搅拌均匀，得到第二混合物；
步骤(3)，将第二混合物放入到岩心制备装置中，对第二混合物逐渐施加13-17MPa的压力，并在最大施加压力下保持3-7小时；
在本步骤中，将压力逐渐增加到14.5MPa后，在14.5MPa的压力下保持4小时。
步骤(4)，卸载对第二混合物的施加压力，并静置70-120小时，得到物料；
在本步骤中，卸载对第二混合物的施加压力，在自然状态下胶结剂固化96小时，得到物料。
步骤(5)，对物料进行切割打磨，得到煤岩储层人造岩心。
为了验证煤岩储层人造岩心与天然煤岩的煤心在机械强度、胶结能力、物质属性方面是否具有一致性，在得到该煤岩储层人造岩心之后，通过三轴岩石力学实验测试，得到本实施例的煤岩储层人造岩心的三轴抗压强度为37.48MPa、弹性模量为5.9226GPa、泊松比为0.43；通过压力脉冲衰减法得到本实施例的煤岩储层人造岩心的渗透率为0.63mD，均与天然煤岩的煤心的对应取值接近，说明利用该制备方法得到的煤岩储层人造岩心与天然煤岩的煤心在机械强度、胶结能力、物质属性方面具有较好的一致性，有利于后续实验研究煤岩的岩石力学性质。
实施例3
本实施例提供一种煤岩储层人造岩心的制备方法。
步骤(1)，将煤粉颗粒与水泥混合并搅拌均匀，得到第一混合物；
在本步骤之前，获取以下质量分数的组分：煤粉颗粒29％，其中，粒径为40-60目8.5％，粒径为80-100目13.5％，粒径为180目以上7％；强度等级为42.5R的矿渣硅酸盐水泥42％，市售；取自模拟煤层地层水29％。
继而，将粒径为40-60目、粒径为80-100目和粒径为180目以上的煤粉颗粒混合并搅拌均匀，得到煤粉颗粒碎屑混合物。
在本步骤中，将42％强度等级为42.5R的矿渣硅酸盐水泥与上述煤粉颗粒碎屑混合物，继续搅拌均匀。
步骤(2)，向第一混合物中加入水并搅拌均匀，得到第二混合物；
步骤(3)，将第二混合物放入到岩心制备装置中，对第二混合物逐渐施加13-17MPa的压力，并在最大施加压力下保持3-7小时；
在本步骤中，将压力逐渐增加到16MPa后，在16MPa的压力下保持4小时。
步骤(4)，卸载对第二混合物的施加压力，并静置70-120小时，得到物料；
在本步骤中，卸载对第二混合物的施加压力，在自然状态下胶结剂固化120小时，得到物料。
步骤(5)，对物料进行切割打磨，得到煤岩储层人造岩心。
为了验证煤岩储层人造岩心与天然煤岩的煤心在机械强度、胶结能力、物质属性方面是否具有一致性，在得到该煤岩储层人造岩心之后，通过三轴岩石力学实验测试，得到本实施例的煤岩储层人造岩心的三轴抗压强度为39.71MPa、弹性模量为5.8478GPa、泊松比为0.41；通过压力脉冲衰减法得到本实施例的煤岩储层人造岩心的渗透率为0.47mD，均与天然煤岩的煤心的对应取值接近，说明利用该制备方法得到的煤岩储层人造岩心与天然煤岩的煤心在机械强度、胶结能力、物质属性方面具有较好的一致性，有利于后续实验研究煤岩的岩石力学性质。
以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种煤岩储层人造岩心，其特征在于，所述煤岩储层人造岩心包括以下质量分数的组分：煤粉颗粒29％-30％，水泥41％-43％及水28％-29％。
2.根据权利要求1所述的煤岩储层人造岩心，其特征在于，所述煤粉颗粒包括以下质量分数的组分：粒径为40-60目25％-35％，粒径为80-100目40％-55％，粒径为180目以上20％-25％。
3.根据权利要求1所述的煤岩储层人造岩心，其特征在于，所述水泥为粉煤灰硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥。
4.根据权利要求3所述的煤岩储层人造岩心，其特征在于，所述粉煤灰硅酸盐水泥包括：粉煤灰，所述粉煤灰的质量分数为20％-40％。
5.根据权利要求1所述的煤岩储层人造岩心，其特征在于，所述水泥的强度等级为42.5或42.5R。
6.一种权利要求1-5任一项所述的煤岩储层人造岩心的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤(1)，将所述煤粉颗粒与所述水泥混合并搅拌均匀，得到第一混合物；
步骤(2)，向所述第一混合物中加入水并搅拌均匀，得到第二混合物；
步骤(3)，将所述第二混合物放入到岩心制备装置中，对所述第二混合物逐渐施加13-17MPa的压力，并在最大施加压力下保持3-7小时；
步骤(4)，卸载对所述第二混合物的施加压力，并静置70-120小时，得到物料；
步骤(5)，对所述物料进行切割打磨，得到煤岩储层人造岩心。
7.根据权利要求6所述的煤岩储层人造岩心的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)，将所述煤粉颗粒与所述水泥混合并搅拌均匀，得到第一混合物之前，所述方法还包括：按比例获取不同粒径目数的所述煤粉颗粒、所述水泥和所述水。
8.根据权利要求7所述的煤岩储层人造岩心的制备方法，其特征在于，所述按比例获取所述煤粉颗粒、所述水泥和所述水之后，所述方法还包括：将不同粒径目数的所述煤粉颗粒混合并搅拌均匀。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190702 |