CN115144242A - 一种适配力学特性的人造岩心的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适配力学特性的人造岩心的制备方法及应用。本发明针对深水高温高压储层岩石疏松、高孔渗、低应力特点和其人造岩心制备问题，配置人造岩心岩矿粘矿组分用量、粒度大小，优选胶结剂、正交设计实验测试探索制备条件，形成了一种以“组分相同、粒度一致、孔渗相近和力学等效”为原则的针对深水高温高压储层人造岩心的制备方法，并分析了其力学特征。
Description
技术领域
本发明属于油气田开发技术领域，尤其涉及一种适配力学特性的人造岩心的制备方法及应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
地下岩心是地层唯一原始标本，是了解和研究地层情况、流体特性的第一手资料，其是油田储量计算、钻采工艺选取、开发方案合理制定的关键；制备能准确模拟储层岩性物性的人造岩心尤为重要，对深水油气资源的高效开发具有重要的意义。
目前人造岩心制备多是模拟地层孔渗，开展驱替实验，其方法思路主要集中于两方面：一是调制粒度组成来适配地层渗透率；二是优化胶结剂用量和压制条件来控制孔隙度。然而，如何制备适配地层力学性能的人造岩心，目前仍是空白领域。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种适配力学特性的深水高温高压储层人造岩心制备方法及应用。本发明针对深水高温高压储层岩石疏松、高孔渗、低应力特点和其人造岩心制备问题，配置人造岩心岩矿粘矿组分用量、粒度大小，优选胶结剂、正交设计实验测试探索制备条件，形成了一种以“组分相同、粒度一致、孔渗相近和力学等效”为原则的针对深水高温高压储层人造岩心的制备方法，并分析了其力学特征。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种适配力学特性的人造岩心的制备方法，包括如下步骤：
①依据天然岩心碎块岩石矿物和粘土矿物组分含量，配置人造岩心岩矿、粘矿组成；
②以天然岩心粒度参数d10、d40、d50、d90、d95相同为准，依据目标地层岩心粒度组成调配不同粒径石英砂的配比；
③选择合适的人造岩心的胶结剂；
④正交设计三因素三水平，制备人造岩心；所述三因素为胶结剂用量、压制压力、压制时间；所述三水平为在孔渗与波速接近储层岩石性能试制条件基础上，对每个因素设置三个代表性水平；
⑤测试人造岩心孔渗、声波波速，用极差法分析三因素敏感性，三因素影响敏感度作为人造岩心制备条件的调整依据；
⑥根据④中正交实验结果和⑤中三因素敏感性，选取和调整设置接近储层真实岩石性能的某一压制条件并实际制备人造岩心，测试孔渗和声波波速；
⑦对比人造岩心测试结果与储层真实岩石孔渗和声波波速(测井或实验表征)，若孔渗介于概率分布85％以内、声波波速误差<15％，此时为合适制备条件，反之，重复⑥⑦步骤。
进一步的，所述胶结剂为环氧树脂和固化剂。
进一步的，胶结剂用量范围：
环氧树脂胶：固化剂：矿物原料用量比为1：1：10至1：1：20；
压制压力水平：5-15MPa；
压制时间水平：10-30min。
进一步的，所述胶结剂、固化剂、石英砂的用量比为1：1：16。
进一步的，制备人造岩心时采用岩心模具和千斤顶进行制备。
进一步的，将矿物原料和胶结剂搅拌均匀，放入岩心模具内，用压杆预先手工压实，然后装配精确压制专用液压仪器进行加压。
通过上述制备方法可制备得到适配力学特性的人造岩心。该适配力学特性的人造岩心应用于深水储层岩石力学性能研究。
目前，人造岩心对目标地层的模拟主要集中在物性参数的匹配。在针对地质条件复杂的目标地层的研究中，温压作用可能会改变地层岩石的力学性能，仅匹配物性参数的人造岩心用途有限，难以满足复杂条件地层的试验需求。因此，除孔隙度和渗透率外，本发明引入岩心声波速度作为人造岩心力学性能评价手段，取岩心声波纵波速度作为人造岩心力学性能指标。
由于岩石的声学特性受多种因素影响和控制，当条件改变时，同一岩性岩石获取的声波时差可能存在差异，故岩心地面室内试验获取的声波速度值与测井获取地下声波速度存在差异。因此，需要采用经验模型将测井地下声波速度转换为地面声波速度。地层测井声波纵波速度转换为地面声波纵波速度回归模型如下：
Vp＝0.004AC1.6378
式中，Vp为地面声波纵波速度，m/s；AC为测井声波纵波速度，m/s。
在人造岩心的制作过程中，压制条件主要包括胶结剂用量、压力、时间三个因素。为控制人造岩心各项匹配性指标，模拟实际地层性质，进行三因素三水平人造岩心试做正交试验，测试各因素对每项匹配性指标的影响规律。
本发明发现，对渗透率影响主次顺序为压力>时间>胶结剂用量；对于声波速度，各因素对声波速度影响主次顺序为胶结剂用量>压力>时间。根据压制条件各因素对人造岩心匹配性指标影响规律，即可有针对性地调整压制条件，有效控制人造岩心匹配性。
目前常用的人造岩心胶结剂主要有磷酸铝胶结剂和环氧树脂胶结剂。分别从胶结剂制备、岩心制作特点、实验重复性三个方面进行胶结剂的优选。
(1)胶结剂制备
磷酸铝胶结剂的制备条件较复杂，需要在制作岩心前在高温条件下即时制取。环氧树脂胶结剂只需将环氧树脂胶与固化剂混合搅拌，即可与矿物原料混合制作人造岩心。
(2)岩心制作特点
磷酸铝胶结剂具有较好的胶结强度和稳定性，有利于提高大型岩心的制作成功率，磷酸铝胶结剂烧结温度可高达1300℃，具有耐高温的特性；采用环氧树脂胶结剂便于控制人造岩心物性，有利于人造岩心物性的匹配。
(3)实验重复性
采用环氧树脂胶结剂制作的人造岩心试样密度与尺寸较统一，具有良好的实验重复性，适用于需要制作大量人造岩心的情况。
本发明的有益效果：
本发明提供的人造岩心制备方法，引入岩心声波速度作为人造岩心力学性能评价手段，取岩心声波纵波速度作为人造岩心力学性能指标，得到具有适配力学特性的人造岩心。通过正交实验，研究压制条件胶结剂用量、压力、时间三个因素对渗透率和声波速度的影响和各因素对渗透率和声波速度的敏感性，从而可有效调整各因素，从而得到物性参数、力学特性均匹配的人造岩心。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1中X井N层段粒度分布图。
图2为制备人造岩心压制设备。
图3为岩心渗透率、孔隙度及声波速度随因素水平变化趋势。
图4为人造岩心应力-应变曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
下面结合实施例及附图对本发明做进一步地说明，但不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1某深水高温高压气田储层人造岩心研制
获取某深水高温高压气田储层的基础数据，具体数据如下。
1.1骨架砂粒度
X井地层粒度分布如表1所示：
表1X井地层粒度分布
通过粒度均值绘制出该井粒度分布，如图1所示。在粒度分布图中进行取点确定石英砂的目数配比如表2所示：
表2人造岩心石英砂粒度配比
1.2矿物组分
X井N组矿物成分如表3所示：
表3 X井N组矿物成分
由地层矿物含量数据，计算出每个层段的每50g人造岩心矿物含量如下表4。
表4人造岩心矿物含量
1.3目标地层物性及声波速度参数
X井N山组地层孔隙度、渗透率范围及地面声波波速参数如表5所示：
表5 N组孔渗及声波速度参数
1.4胶结剂优选
X井N组目标地层最高温度为131.30℃，地层压力系数1.74。高温高压低应力的地质条件促进了地层岩石塑性的增强，为研究目标地层的岩石力学性质，需制作人造岩心进行岩石三轴压缩实验。环氧树脂的最佳胶结温度范围为0～180℃，适用于目标地层温度，且其胶结温度上限与目标地层温度间余量较大，能够满足后续三轴实验更高温度水平的设置。由于岩心匹配性指标较多，优先选择能够较好模拟孔渗特性的环氧树脂，有利于试制过程中压制条件的调整。考虑到三轴实验需要同时考虑温度、围压以及孔压三种因素，对人造岩心数量需求较大，环氧树脂在实验重复性方面也具有一定优势。综合目标地层特征与胶结剂特点，本发明优选环氧树脂作为X井N组人造岩心胶结剂。
1.5人造岩心制备工具
人造岩心压制工具如图2所示，主要由岩心模具与千斤顶组成。将矿物原料与混合配比好的石英砂与环氧树脂胶结剂搅拌均匀，放入岩心模具内，用压杆预先手工压实，然后装配精确压制专用液压仪器进行加压。
2.1岩心压制条件敏感性分析
在人造岩心的制作过程中，压制条件主要包括胶结剂用量、压力、时间三个因素。为控制人造岩心各项匹配性指标，模拟实际地层性质，进行三因素三水平人造岩心试做正交试验，测试各因素对每项匹配性指标的影响规律。试验结果如表6所示。
表6岩心压制条件敏感性分析
表6中，A为胶结剂用量，B为压力，C为时间；ki为对应因素的i水平各试验结果平均值；R＝max{ki}-min{ki}。由表6可知，对于孔隙度，三个因素的极差值R的大小依次为RB>RA>RC，即各因素对孔隙度影响主次顺序为压力>胶结剂用量>时间；对于渗透率，三个因素的极差值R的大小依次为RB>RC>RA，即对渗透率影响主次顺序为压力>时间>胶结剂用量；对于声波速度，三个因素的极差值R的大小依次为RA>RB>RC，即各因素对声波速度影响主次顺序为胶结剂用量>压力>时间。
三个因素对匹配性指标的影响趋势如图3所示。根据压制条件各因素对人造岩心匹配性指标影响规律，即可有针对性地调整压制条件，有效控制人造岩心匹配性。
3.1压制条件
(1)压制条件①
胶结剂用量：环氧树脂：固化剂：矿物原料＝1:1:15；
压制压力：10MPa；
压制时间：15mins；
烘干条件：70℃，6h。
使用压制条件①试制人造岩心，试样1-1，1-2声波测试结果如表7所示：
表7人造岩心试样1-1与1-2声波测试结果
(2)压制条件②
根据试样1-1，1-2声波测试结果可知，纵波波速过大，可适当降低胶结剂用量或压制压力。本次压制条件尝试适量下调压制压力2MPa。
胶结剂用量：环氧树脂：固化剂：矿物原料＝1:1:15；
压制压力：8MPa；
压制时间：15mins；
烘干条件：70℃，6h。
人造岩心试样3-1，3-2声波测试结果如表8所示：
表8人造岩心试样2-1与2-2声波测试结果
(3)压制条件③
根据试样2-1，2-2声波测试结果可知，纵波波速更加接近测井换算地面声波波速，但仍然过大。由于调整压制压力的效果并不明显，且压制压力已经偏小，本次压制选择适量减少胶结剂用量，观察制作效果。
胶结剂用量：环氧树脂：固化剂：矿物原料＝1:1:16；
压制压力：8MPa；
压制时间：15mins；
烘干条件：70℃，6h。
人造岩心试样3-1，3-2声波测试结果如表9所示：
表9人造岩心试样3-1与3-2声波测试结果
该方案制作的人造岩心试样声波波速测试结果误差在10％以内，因此选用环氧树脂：固化剂：矿物原料＝1:1:16、压制压力8MPa作为胶结剂用量及压制压力。人造岩心试样3-1，3-2的孔隙度与渗透率匹配测试结果如表10、表11所示。
表10人造岩心试样3-1与3-2孔隙度测试结果
表11人造岩心试样3-1与3-2渗透率测试结果
人造岩心试样3-1，3-2渗透率较低，其中一块渗透率不在地层渗透率范围内。由于试样3-1，3-2的孔隙度已经满足要求，根据上述的各压制条件对孔渗的影响规律，压制时间对渗透率的影响较大而对孔隙度的影响较小，考虑缩短5分钟压制时间，提高制作的人造岩心的渗透率。
采用压制条件④压制条件制作人造岩心试样4-1，4-2。
胶结剂用量：环氧树脂：固化剂：矿物原料＝1:1:16；
压制压力：8MPa；
压制时间：10mins；
烘干条件：70℃，6h。
对人造岩心试样4-1，4-2进行声波、孔隙度与渗透率匹配测试，结果如表12，表13与表14所示。
表12人造岩心试样4-1与4-2声波速度测试结果
表13人造岩心试样4-1与4-2孔隙度测试结果
表14人造岩心试样4-1与4-2渗透率测试结果
人造岩心试样4-1，4-2声波波速、孔隙度及渗透率参数均匹配地层参数。因此压制条件④为可行的高温高压地层人造岩心的制作条件。
4.1人造岩心匹配测试
制作6块人造岩心，对所有岩心进行孔隙度、渗透率以及声波测试验证匹配性。
(1)孔隙度测试
6块人造岩心孔隙度测试结果如表15所示，岩心孔隙度均在地层参数的范围内，匹配较好。
表15人造岩心孔隙度测试结果与地层孔隙度数据
(2)渗透率测试
6块人造岩心渗透率测试结果如表16所示，岩心渗透率均在地层参数的范围内，匹配较好。
表16人造岩心渗透率测试结果与地层渗透率数据
(3)人造岩心声波力学特性测试
6块人造岩心声波速度测试结果如表17所示，人造岩心声波波速与地面声波波速误差基本在10％以内，声波力学特性匹配较好。
表17声波力学测试结果
4.2深水高温高压人造岩心单轴压缩实验
选取一块匹配性能符合要求的人造岩心进行单轴压缩实验，验证岩心力学性能匹配效果，应力-应变曲线如图4所示。人造岩心单轴抗压强度为35.54MPa，与地层实际岩石抗压强度38.86MPa较接近，结果表明，该方法制作的深水高温高压地层人造岩心与实际地层岩石力学性能匹配较好。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适配力学特性的人造岩心制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
①依据钻井岩屑或天然岩心碎块岩石矿物和粘土矿物组分含量，配置人造岩心矿物组成；
②依据目标地层岩心粒度组成调配不同粒径石英砂的配比；
③选择合适的人造岩心的胶结剂；
④正交设计三因素三水平，制备人造岩心；所述三因素为胶结剂用量、压制压力、压制时间；所述三水平为在孔渗与波速接近储层岩石性能试制条件基础上，对每个因素设置三个代表性水平；
⑤测试人造岩心孔渗、声波波速，用极差法分析三因素敏感性，三因素影响敏感度作为人造岩心制备条件的调整依据；
⑥根据④中正交实验结果和⑤中三因素敏感性，选取和调整某一压制条件并实际制备人造岩心，测试孔渗和声波波速；
⑦对比人造岩心测试结果与储层真实岩石孔渗和声波波速，若孔渗介于概率分布85％以内、声波波速误差<15％，此时为合适制备条件，反之，重复⑥⑦步骤。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述胶结剂为环氧树脂和固化剂。
3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，环氧树脂、固化剂、矿物原料的用量比为1：1：10至1：1：20。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，压制压力水平：5-15MPa；
压制时间水平：10-30min。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述胶结剂、固化剂、石英砂的用量比为1：1：16。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，制备人造岩心时采用岩心模具和千斤顶进行制备。
7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，将矿物原料和胶结剂搅拌均匀，放入岩心模具内，用压杆预先手工压实，然后装配精确压制专用液压仪器进行加压。
8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，以粒度d10、d40、d50、d90、d95相同为准，依据目标地层岩心粒度组成调配不同粒径石英砂的配比。
9.根据上述权利要求任一项所述制备方法制备得到适配力学特性的人造岩心。
10.根据权利要求9所述适配力学特性的人造岩心在深水储层岩石力学性能研究中的应用。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210789270.XA CN115144242A (zh) | 2022-07-06 | 2022-07-06 | 一种适配力学特性的人造岩心的制备方法及应用 |
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| CN115144242A true CN115144242A (zh) | 2022-10-04 |
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| CN (1) | CN115144242A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116046498A (zh) * | 2023-01-18 | 2023-05-02 | 重庆科技学院 | 一种孔渗独立可控的大型三维岩石多孔介质模型制备方法 |
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2022
- 2022-07-06 CN CN202210789270.XA patent/CN115144242A/zh active Pending
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