CN114495679B - 一种真实煤二维微流体模型制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种真实煤二维微流体模型制作方法，所述方法包括步骤一：采用CT仪器对柱状煤样进行扫描获得真实裂隙网络；步骤二：采用线切割机，在大块煤样上切割出7.2*7.2*1.5 cm的块状煤岩；步骤三：将真实的煤岩块放置在内壁尺寸为8 cm*8 cm*2 cm的硅胶磨具后倒入环氧树脂胶直至凝固；步骤四：将真实裂隙网络或者简化的裂隙输入到激光打标机中，在块状煤样表面刻蚀裂隙；步骤五：制作7.2*7.2 cm的PET薄膜，通过涂层工艺在PET薄膜的一面添加一层纳米厚度的硅胶涂层，随后通过硅胶涂层将PET薄膜与煤岩键合，保证了实验的准确性和可控性，PET膜和纳米硅胶涂层具有极好的透光性对于推动煤层气运移基础理论的研究，提高煤层气采收率有着重要意义。
Description
技术领域
本发明设计煤层气开发领域，具体是涉及一种真实煤二维微流体模型制作方法。
背景技术
目前我国煤层气产业的不断发展，煤层气相关的开发理论的不断深入，气水两相运移机理以及提高低产井产率日益成为研究热点、难点；现有微观模型技术主要是针对石油领域相关问题研发的，主要分为两类：真实砂岩微观模型和玻璃仿真模型。
煤作为孔隙-裂隙双重介质，具有极强的非均质性，且在煤层气开发过程中煤岩裂隙网络主要作为气水运移的通道，但是目前石油领域微观模型主要是用于研究孔隙和吼道中的气液或液液流动情况，与煤层气领域待研究的裂隙中气液流动具有一定的差别，而现有的煤炭模型运用的材料是玻璃材料，而玻璃材料通过现有的湿法刻蚀、干法刻蚀无法达到纳米尺度级别或者以真实砂岩切片为原材料制作的微观模型，在制作过程中需加入粘合剂改变了岩心表面性质，并且观察效果差，达不到观察通道内部流体流动、吸附、扩散的目的，另一方面在制作微观模型的时候往往选择的是孔隙发育较好的砂岩具有一定的局限性，以往应用于石油行业微观模型无法胜任于孔隙尺度煤储层中气水两相运移的研究，因此需要设计一种真实煤二维微流体模型制作方法来解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的缺点和不足，提供一种真实煤二维微流体模型制作方法。
本发明的主要目的是填补现有技术空白，为进一步研究煤中气水两相运移机制，剩余气液有效动用等问题，提供一种真实煤岩微观模型制作方法，该真实煤岩微观模型制作方法为：
一种真实煤二维微流体模型制作方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤一：采用CT仪器对柱状煤样进行扫描获得真实裂隙网络，提取真实煤岩裂隙网络包括通过取样机在大块煤岩上钻取直径为2.5 cm，长为5 cm的煤柱；所述CT扫描方法，需要先将X射线管抽真空，随后将煤柱安放在样品夹持器中启动射线扫描图片，然后借助VG将图片重构为三维模型，最后通过Avizo对三维模型进行阈值分析，得到煤中真实的裂隙网络；
步骤二：选取20*20*20 cm的大块煤样，采用线切割机，在大块煤样上切割出7.2*7.2*1.5 cm的块状煤岩；
步骤三：将真实的煤岩块放置在内壁尺寸为8 cm*8 cm*2 cm的硅胶磨具后倒入环氧树脂胶直至凝固；
步骤四：将真实裂隙网络或者简化的裂隙输入到激光打标机中，在块状煤样表面刻蚀裂隙；
步骤五：制作7.2*7.2 cm的PET薄膜，通过涂层工艺在PET薄膜的一面添加一层纳米厚度的硅胶涂层，随后通过硅胶涂层将PET薄膜与煤岩键合，将具有硅胶涂层面的PET与煤岩表面贴合，在此过程中硅胶涂层会自动排除气泡，而与煤岩表面紧密贴合，键合过程方便，且气密性好。
本发明的进一步改进在于：步骤一中的CT仪器，电压为120 KV，电流为110 μA，获得分辨率为18.84 μm的煤岩切片，采用VG软件重构煤岩三维模型，通过Avizo软件，结合interactive thresholding 和top-hat模块分割裂隙和基质。
本发明的进一步改进在于：步骤三中将获得的7.2 cm*7.2 cm*1.5 cm的真实煤块放置在8*8*2 cm的硅胶模具中，按照固化剂：树脂=1:2的比例调和环氧树脂胶，随后将胶倒入模具中静置25小时。
本发明的进一步改进在于：步骤三中的环氧树脂凝固之后，选择其中一个8*8 cm的面采用3000目、1500目、800目、200目、100目和60目的砂纸进行打磨，随后对被打磨的表面使用丝绸轮盘和抛光液进行抛光打磨抛光。
本发明的进一步改进在于：步骤四中的激光打标机采用紫光激光打标机，在煤样表面进行裂隙刻蚀，选取激光参数为频率：50 Hz，脉宽：1，速度：50 mm/s，在刻蚀之前需要进行打点尝试，确保激光的焦点位于煤样表面，通过紫外激光刻蚀仪裂隙刻蚀可控且没有额外的损伤。
本发明的进一步改进在于：对煤样表面进行裂隙刻蚀包括：将被环氧树脂胶结好的煤块表面，放置在硅胶模具中煤块的底面进行打磨和抛光。
本发明的进一步改进在于：步骤五中制作的微观模型包括PET薄膜、环氧树脂和煤岩，所述PET薄膜和所述煤岩都设置了注入孔和采出孔，所述煤岩表面刻蚀了微观裂隙。
本发明的进一步改进在于：步骤五中的PET薄膜的厚度为0.1 mm，将PET膜与煤岩进行键合包括：将煤岩和PET膜表面喷洒酒精进行清理；通过干法涂层工艺在在PET膜表面形成连续的纳米硅胶薄膜。
本发明的有益效果：
1、保留真实煤性质，在整个微观模型制作过程中优先采取无损操作手段，最大程度保证煤岩真实性质，如裂隙刻蚀仪器是先进的紫外激光打标机，采用355nm的紫外激光器研发而成，聚光斑点极小，可以在很大程度上降低煤的机械变形且加工过程中热量小，不会产生热变形等副作用，采用真实煤样作为原材料制作微观模型，确保了微观模型中气水运移与真实煤层中气水运移的一致性；
2、采用先进仪器确保微观模型更精细，比如采用通用公司的工业微纳米CT仪器，可以获得高分辨率真实煤岩裂隙，采用紫外激光打标机，应用冷加工技术，极大的增加了裂隙刻蚀的精细度并最大程度的降低了热影响；
3、简单易操作，在微观模型制作过程中，多采用数控仪器如：自动线切割仪、微纳米工业CT仪、紫外激光打标机，具有半自动操作便利性，使用简单，最大程度降低人为影响。
附图说明
图1 微观模型示意图；
图2 煤CT图像裂隙图；
图3 打磨后煤模型图；
附图编号：1-PET薄膜，2-环氧树脂，3-煤岩，4-注入孔，5-采出孔，6-微观裂隙。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
提取裂隙网络：
步骤一，在块状样品中钻取直径为2.5 cm的柱状煤样，然后用砂纸将柱状样品进行打磨为2.5*5 cm的圆柱样品；
步骤二，使用酒精将圆柱煤样进行清洁，然后放置在CT扫描室中进行扫描获得样品内部发育的裂隙网络照片，随后对图片进行锐化、降噪等处理获得更高质量的裂隙网络图片。
切割真实煤样：
步骤一，选取大约20*20*20 cm的煤块，采用线切割机切割出7.2*7.2*1.5 cm大小的煤块，要求煤块表面天然裂隙不发育；
步骤二，将切割的7.2*7.2*1.5 cm煤块放置在硅胶模具中，随后按照固化剂：树脂=1：2的比例进行调和并充分搅拌得到约45g的环氧树脂胶，随后倒入模具中固化24小时；
步骤三，对固化的煤块的表面，放置在硅胶模具中的煤块的底面依次使用3000目、1500目、800目、200目、100目和60目的砂纸进行打磨，随后对被打磨的表面使用丝绸轮盘和抛光液进行抛光。
裂隙刻蚀：
步骤一，将获得的天然裂隙网络或者简化的裂隙按着1:1输入到激光打标机的电脑中；
步骤二，将煤块抛光面朝上的放置在操作台上，在操作界面输入激光信息，包括频率（50 Hz）、脉宽（1）、速度（50 mm/s）等。随后进行试打点，并上下移动激光发射器找到激光的焦点，并使焦点保持在煤样表面，点击开始进行激光刻蚀；
键合PET薄膜：
步骤一，将刻蚀后的煤样表面和PET膜喷洒酒精进行清洗；PET膜大小为7.2 cm *7.2 cm *0.01 mm，并在2角相互距离9.17 cm处，钻2个直径为2 mm的孔，作为进出气液孔
步骤二，通过干法涂层工艺在在PET膜表面形成连续的纳米硅胶薄膜，将具有硅胶涂层面的PET与煤岩表面贴合，在此过程中硅胶涂层会自动排除气泡，而与煤岩表面紧密贴合。
本发明针对煤层气领域中真实煤岩裂隙网络中气液两相流体流动的研究，以真实煤岩为微观模型制作材料，最大程度保留煤岩真实性质如：非均质性、润湿性和裂隙网络特征等，通过真实裂隙网络的提取以及激光打标机的裂隙刻蚀，保证了实验的准确性和可控性，PET膜和纳米硅胶涂层具有极好的透光性对于推动煤层气运移基础理论的研究，提高煤层气采收率有着重要意义。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种真实煤二维微流体模型制作方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤一：采用CT仪器对柱状煤样进行扫描获得真实裂隙网络；
步骤二：采用线切割机，在大块煤样上切割出7.2*7.2*1.5 cm的块状煤岩；
步骤三：将真实的煤岩块放置在内壁尺寸为8 cm*8 cm*2 cm的硅胶磨具后倒入环氧树脂胶直至凝固；
步骤四：将步骤三得到固化的煤样表面的环氧树脂进行打磨抛光，并将煤块抛光面朝上的放置在操作台上；并上下移动激光发射器找到激光的焦点，并使焦点保持在煤样表面，将真实裂隙网络或者简化的裂隙输入到激光打标机中，在块状煤样表面点击开始进行激光刻蚀裂隙；
步骤五：制作7.2*7.2 cm的PET薄膜，通过涂层工艺在PET薄膜的一面添加一层纳米厚度的硅胶涂层，随后通过硅胶涂层将PET薄膜与煤岩键合。
2.根据权利要求1所述的一种真实煤二维微流体模型制作方法，其特征在于：提取真实煤岩裂隙网络包括：通过取样机在大块煤岩上钻取直径为2.5 cm，长为5 cm的煤柱。
3.根据权利要求1所述的一种真实煤二维微流体模型制作方法，其特征在于：步骤一中的CT仪器，电压为120 KV，电流为110 μA，获得分辨率为18.84 μm的煤岩切片，采用VG软件重构煤岩三维模型，通过Avizo软件结合interactive thresholding 和top-hat模块分割裂隙和基质。
4.根据权利要求1所述的一种真实煤二维微流体模型制作方法，其特征在于：步骤三中将获得的7.2 cm*7.2 cm*1.5 cm的真实煤块放置在8*8*2 cm的硅胶模具中，按照固化剂：树脂=1：2的比例调和环氧树脂胶，随后将胶倒入模具中静置25小时。
5.根据权利要求1所述的一种真实煤二维微流体模型制作方法，其特征在于：步骤三中的环氧树脂凝固之后，选择其中一个8*8 cm的面采用3000目、1500目、800目、200目、100目和60目的砂纸进行打磨，随后对被打磨的表面使用丝绸轮盘和抛光液进行抛光打磨抛光。
6.根据权利要求1所述的一种真实煤二维微流体模型制作方法，其特征在于：步骤四中的激光打标机采用紫光激光打标机，在煤样表面进行裂隙刻蚀，选取激光参数为频率：50Hz，脉宽：1，速度：50 mm/s，在刻蚀之前需要进行打点尝试，确保激光的焦点位于煤样表面。
7.根据权利要求1所述的一种真实煤二维微流体模型制作方法，其特征在于：制作的微观模型包括PET薄膜、环氧树脂和煤岩，所述PET薄膜和所述煤岩都设置了注入孔和采出孔，所述煤岩表面刻蚀了微观裂隙。
8.根据权利要求1所述的一种真实煤二维微流体模型制作方法，其特征在于：步骤五中的PET薄膜的厚度为0.1 mm，将PET膜与煤岩进行键合，将煤岩和PET膜表面喷洒酒精进行清理，通过干法涂层工艺在在PET膜表面形成连续的纳米硅胶薄膜。
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