CN105388054B - 一种基于动力地质学的仿真岩心的制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于动力地质学的仿真岩心的制备装置及方法。其技术方案是：根据需要称取岩屑，将其充分混合均匀后装入仿真岩心初样压制模具中，通过分层击实法制得仿真岩心初样，仿真岩心初样在地层温度、三维应力状态以及孔隙流体共同作用下进行仿真压制，同时在压制过程中监测岩心的渗透率以及声波波速，通过调整围压和轴压的加载速度，最终压制得到与目标岩心在孔隙度、渗透率等物性参数以及声波速度、应力应变曲线等力学参数全面相似的人造仿真岩心。有益效果是：通过提供与实际地层相近的温压、孔隙流体以及动态加载环境，可以较为真实的模拟天然岩石的压实成岩过程，并模拟地层的温压、孔隙流体环境，并对仿真岩心进行动态加载压制。

Description

一种基于动力地质学的仿真岩心的制备装置及方法

技术领域

本发明涉及一种石油***科研用岩心样品的获取技术，特别涉及一种基于动力地质学的仿真岩心的制备装置及方法。

背景技术

石油工程生产和科研中，越来越需要以实验数据为支撑进行后续分析和决策，因此对岩心的数量需求也越来越大。但是，实际地层的取芯工作流程复杂、难度大、成本高，天然岩心十分珍贵，远不能满足大量实验的需求，因此，制作人造岩心进行相关实验研究是非常必要的。人造岩心制作主要有石英砂充填、磷酸铝石英烧结和环氧树脂压制胶结等方法，其中，石英砂充填人造岩心的胶结强度较低，只能用于模拟输送砂岩地层；磷酸铝石英烧结会破坏原始岩心的组分和含量，改变岩心性质；环氧树脂压制岩心虽然孔隙度、渗透率等物性参数与天然岩心比较接近，且操作相对简便，可重复性较好，然而使用环氧树脂系胶结剂改变了岩石的原始胶结方式，且容易对粘土矿物造成包裹，与天然岩心有一定差别。通过调研相关的专利和文献，发现目前应用上述方法所制作的人造岩心只能在孔隙度和渗透率等物性参数以及岩心敏感性上与天然岩心有一定的相似度，在力学和结构上根本无法满足生产和科研对岩心的要求。因此，发明一种人造仿真岩心的制作装置和方法，能最大程度的模拟天然岩心的矿物组分、粒度分布以及成岩过程和环境，使其能在孔隙度、渗透率等物性参数以及声波波速、应力应变等力学特性等方面都能与天然岩心相似，具有十分重要的意义和作用。该仿真岩心不仅可以用于岩心流动模拟实验，还可以用于相关的岩石力学特性实验。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于动力地质学的仿真岩心的制备装置及方法，主要是用于大量制作与原地层岩心成分、物理及力学性质极其相似的仿真岩心，满足生产和科研实验的需要。

本发明提到的一种基于动力地质学的仿真岩心的制备装置，包括轴压加载***（1）、围压加载***（2）、仿真岩心（3）、高压釜（4）、孔隙流体控制***（5）、计算机信号采集及控制***（6）、温度控制***（7）、声波测试***（8），高压釜（4）内装有仿真岩心（3），仿真岩心（3）的上部连接轴压加载***（1），下部连接孔隙流体控制***（5）和声波测试***（8）；所述的高压釜（4）的外侧连接围压加载***（2）和温度控制***（7），且轴压加载***（1）、围压加载***（2）、孔隙流体控制***（5）、温度控制***（7）、声波测试***（8）分别连接计算机信号采集及控制***（6）。

上述的高压釜（4）包括卡环（9）、套环（10）、高压釜釜体（11）、轴压加载柱塞（12）、底座（13），底座（13）的上侧通过套环（10）和卡环（9）配合与高压釜釜体（11）活动连接，高压釜釜体（11）的顶部安装有轴压加载柱塞（12），且轴压加载柱塞（12）位于高压釜釜体（11）内腔的仿真岩心（3）的上方；所述的高压釜釜体（11）的外侧设有加热器（19），围压流体出口（20）设置在高压釜釜体（11）的上侧；

上述的底座（13）包括柱形中心凸起（13.1）、固定环（13.2）、底座主体（13.3），底座主体（13.3）的上侧中心为柱形中心凸起（13.1），柱形中心凸起（13.1）的中部外壁设有固定环（13.2），固定环（13.2）与底座主体（13.3）的上表面之间为固定槽（13.4），且固定槽（13.4）的外径大于柱形中心凸起（13.1）的上侧外径。

上述的底座主体（13.3）和柱形中心凸起（13.1）内部一侧设有孔隙流体进孔（16）和围压流体注入孔（18），另一侧设有数据线接孔（15）和孔隙流体出孔（17）。

上述的仿真岩心（3）的安设在下部垫块（22）的上侧，仿真岩心（3）的上侧为上部垫块（25），所述的下部垫块（22）和上部垫块（25）内部分别设有声波探头（26），仿真岩心（3）的外侧设有位移传感器（24）；底座（13）上的孔隙流体进孔（16）通过管道并穿过上部垫块（25）与仿真岩心（3）的顶部相接；底座（13）上的孔隙流体出孔（17）通过管道并穿过下部垫块（22）与仿真岩心（3）的底部相接。

上述的柱形中心凸起（13.1）的上表面通过岩心总成固定销（14）和沉孔（23）固定下部垫块（22）；所述的下部垫块（22）的中心凸起与仿真岩心（3）的底部配合，外侧与位移传感器（24）的底部连接。

本发明提到的一种基于动力地质学的仿真岩心的制备装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）选取一定数量的目标岩心，通过地应力测试，确定目标岩心在地层真实条件下所处的地应力状态；

（2）在目标岩心所处的地应力状态下测定目标岩心的渗透率、声波速度和全应力-应变曲线；

（3）利用测试完地应力及渗透率、声波等的目标岩心进行粉碎研磨，对其进行矿物组分分析和粒度组成分析，确定目标岩心的矿物组成和粒度分布；

（4）收集与目标岩心矿物组成相似的钻井岩屑，并对其进行粉碎，按照目标岩心的粒度分布对其进行筛分并分组，作为压制仿真岩心的原料备用；

（5）根据所需压制的仿真岩心的质量，按照目标岩心的粒度组成分布，分别称取一定质量的相应粒度的粉碎后的岩屑，将其充分混合均匀后装入仿真岩心初样压制模具中，通过分层击实法制得仿真岩心初样，仿真岩心初样在地层温度、三维应力状态以及孔隙流体共同作用下进行仿真压制，同时在压制过程中监测岩心的渗透率以及声波波速，通过调整围压和轴压的加载速度，最终压制得到与目标岩心在孔隙度、渗透率等物性参数以及声波速度、应力应变曲线等力学参数全面相似的人造仿真岩心。

优选的，所需选取的目标岩心是直径为25mm，高度为50mm的标准尺寸岩心，所需岩心的数量为5~6块，其中4块用于测定地应力，剩余的1~2块用于测定渗透率、声波速度以及应力应变曲线，对目标岩心进行端面磨平处理。

另外，步骤（5）的仿真压制过程为：将围压和轴压同步增加到0.25MPa，实现仿真岩心外侧的热塑管（27）的良好密封，开启加热器（19），升温至地层温度，同时缓慢同步增加围压和孔压，直到孔压达到实际地层孔隙压力水平；维持孔压不变，缓慢同步增加围压和轴压，直到围压达到实际最小水平地应力水平；维持孔压、围压不变，缓慢增加轴压，直到达到实际上覆岩层压力水平；维持孔压、围压、轴压不变，保持该状态24~48小时；关闭加热套筒，降温至常温，继续保持压力条件24~48小时；最后，完成仿真压制，泄压，拆卸仿真压制装置，取出仿真岩心成品。

还有，在仿真压制过程中，利用声波探头，进行纵横波实时测试，同时利用孔隙流体循环回路进行液测渗透率，利用纵横波及渗透率的实时测试，监测仿真岩样动态弹性参数以及渗透率的变化；

将实时监测的渗透率值以及声波波速与目标岩心的渗透率值以及声波速度进行对比，以此来对围压和轴压的加载速度进行反馈调节，同时，在仿真压制末期使用LVDT位移传感器测量岩心的应力-应变曲线，使得最终压制成型的仿真岩心的渗透率、声波速度以及应力-应变监测指标与目标岩心的渗透率、声波速度以及应力-应变的误差控制在10%以内。

本发明的有益效果是：

（1）本发明通过提供与实际地层相近的温压、孔隙流体以及动态加载环境，可以较为真实的模拟天然岩石的压实成岩过程。这是已有的人造岩心制备方法所从未涉及的；

（2）本发明的装置可以真实的模拟地层的温压、孔隙流体环境，并对仿真岩心进行动态加载压制，使用本装置结合本发明所述的仿真岩心制备方法，可以用于大量制作与原地层岩心成分、物理及力学性质极其相似的仿真岩心，以满足生产和科研实验的需要；

（3）本发明制备的仿真岩心所使用的岩石颗粒的矿物组成以及粒度分布与天然岩心及其相似，并且在压制过程中利用岩屑中所含的天然胶结物进行胶结，不使用人造胶结剂，从而可以最大程度的还原天然岩心的孔隙度和渗透率；同时，在压制过程中提供与原始地层相似的温压以及孔隙流体环境，并通过实时监测对压力加载速度进行反馈调节，从而使所得到的仿真岩心的力学性质与天然岩心的力学性质及其相似。

附图说明

附图1是本发明的结构原理图；

附图2是本发明的结构示意图；

附图3是本发明的底座的结构图；

附图4是附图2的A-A结构图；

上图中：轴压加载***1、围压加载***2、仿真岩心3、高压釜4、孔隙流体控制***5、计算机信号采集及控制***6、温度控制***7、声波测试***8、卡环9、套环10、高压釜釜体11、轴压加载柱塞12、底座13、岩心总成固定销14、数据线接孔15、孔隙流体进孔16、孔隙流体出孔17、围压流体注入孔18、加热器19、围压流体出口20、密封圈21、下部垫块22、沉孔23、位移传感器24、上部垫块25、声波探头26、热塑管27。

具体实施方式

参照附图1-4，本发明提到的一种基于动力地质学的仿真岩心的制备装置，包括轴压加载***1、围压加载***2、仿真岩心3、高压釜4、孔隙流体控制***5、计算机信号采集及控制***6、温度控制***7、声波测试***8，高压釜4内装有仿真岩心3，仿真岩心3的上部连接轴压加载***1，下部连接孔隙流体控制***5和声波测试***8；所述的高压釜4的外侧连接围压加载***2和温度控制***7，且轴压加载***1、围压加载***2、孔隙流体控制***5、温度控制***7、声波测试***8分别连接计算机信号采集及控制***6。

其中，轴压加载***1采用轴压加载柱塞12实现，围压加载***2通过围压流体注入孔18、围压流体出口20和计算机信号采集及控制***6实现；孔隙流体控制***5主要由孔隙流体进孔16、孔隙流体出孔17和计算机信号采集及控制***6实现。

上述的高压釜4包括卡环9、套环10、高压釜釜体11、轴压加载柱塞12、底座13，底座13的上侧通过套环10和卡环9配合与高压釜釜体11活动连接，高压釜釜体11的顶部安装有轴压加载柱塞12，且轴压加载柱塞12位于高压釜釜体11内腔的仿真岩心3的上方；所述的高压釜釜体11的外侧设有加热器19，围压流体出口20设置在高压釜釜体11的上侧；

上述的底座13包括柱形中心凸起13.1、固定环13.2、底座主体13.3，底座主体13.3的上侧中心为柱形中心凸起13.1，柱形中心凸起13.1的中部外壁设有固定环13.2，固定环13.2与底座主体13.3的上表面之间为固定槽13.4，且固定槽13.4的外径大于柱形中心凸起13.1的上侧外径。

上述的底座主体13.3和柱形中心凸起13.1内部一侧设有孔隙流体进孔16和围压流体注入孔18，另一侧设有数据线接孔15和孔隙流体出孔17。

上述的仿真岩心3的安设在下部垫块22的上侧，仿真岩心3的上侧为上部垫块25，所述的下部垫块22和上部垫块25内部分别设有声波探头26，仿真岩心3的外侧设有位移传感器24；底座13上的孔隙流体进孔16通过管道并穿过上部垫块25与仿真岩心3的顶部相接；底座13上的孔隙流体出孔17通过管道并穿过下部垫块22与仿真岩心3的底部相接。

上述的柱形中心凸起13.1的上表面通过岩心总成固定销14和沉孔23固定下部垫块22；所述的下部垫块22的中心凸起与仿真岩心3的底部配合，外侧与位移传感器24的底部连接。

本发明提到的一种基于动力地质学的仿真岩心的制备装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）选取一定数量的目标岩心，通过地应力测试，确定目标岩心在地层真实条件下所处的地应力状态；

（2）在目标岩心所处的地应力状态下测定目标岩心的渗透率、声波速度和全应力-应变曲线；

（3）利用测试完地应力及渗透率、声波等的目标岩心进行粉碎研磨，对其进行矿物组分分析和粒度组成分析，确定目标岩心的矿物组成和粒度分布；

（4）收集与目标岩心矿物组成相似的钻井岩屑，并对其进行粉碎，按照目标岩心的粒度分布对其进行筛分并分组，作为压制仿真岩心的原料备用；

（5）根据所需压制的仿真岩心的质量，按照目标岩心的粒度组成分布，分别称取一定质量的相应粒度的粉碎后的岩屑，将其充分混合均匀后装入仿真岩心初样压制模具中，通过分层击实法制得仿真岩心初样，仿真岩心初样在地层温度、三维应力状态以及孔隙流体共同作用下进行仿真压制，同时在压制过程中监测岩心的渗透率以及声波波速，通过调整围压和轴压的加载速度，最终压制得到与目标岩心在孔隙度、渗透率等物性参数以及声波速度、应力应变曲线等力学参数全面相似的人造仿真岩心。

优选的，所需选取的目标岩心是直径为25mm，高度为50mm的标准尺寸岩心，所需岩心的数量为5~6块，其中4块用于测定地应力，剩余的1~2块用于测定渗透率、声波速度以及应力应变曲线，对目标岩心进行端面磨平处理。

另外，步骤（5）的仿真压制过程为：将围压和轴压同步增加到0.25MPa，实现仿真岩心外侧的热塑管（27）的良好密封，开启加热器（19），升温至地层温度，同时缓慢同步增加围压和孔压，直到孔压达到实际地层孔隙压力水平；维持孔压不变，缓慢同步增加围压和轴压，直到围压达到实际最小水平地应力水平；维持孔压、围压不变，缓慢增加轴压，直到达到实际上覆岩层压力水平；维持孔压、围压、轴压不变，保持该状态24~48小时；关闭加热套筒，降温至常温，继续保持压力条件24~48小时；最后，完成仿真压制，泄压，拆卸仿真压制装置，取出仿真岩心成品。

还有，在仿真压制过程中，利用声波探头，进行纵横波实时测试，同时利用孔隙流体循环回路进行液测渗透率，利用纵横波及渗透率的实时测试，监测仿真岩样动态弹性参数以及渗透率的变化；

将实时监测的渗透率值以及声波波速与目标岩心的渗透率值以及声波速度进行对比，以此来对围压和轴压的加载速度进行反馈调节，同时，在仿真压制末期使用LVDT位移传感器测量岩心的应力-应变曲线，使得最终压制成型的仿真岩心的渗透率、声波速度以及应力-应变监测指标与目标岩心的渗透率、声波速度以及应力-应变的误差控制在10%以内。

实施例2，本发明提到的一种基于动力地质学的仿真岩心的制作方法，制作步骤如下：

a选取目标岩心

所需目标岩心是直径为25mm、长度为50mm左右的标准圆柱形岩心，目标岩心数量为6块，其中4块用于利用声发射实验通过Kaiser效应来确定目标岩心所处的地应力状态，另外两块用于在围压条件下测定目标岩心的渗透率、声波速度以及应力-应变曲线；

b测试目标岩心地应力状态、渗透率、声波速度以及应力-应变曲线

利用声发射实验通过Kaiser效应来确定目标岩心在地层条件所受的三维应力状态，也就是3个主应力、、的大小。

确定出目标岩心所受的地应力状态之后，目标岩心的应力-应变曲线使用长春市朝阳试验仪器有限公司生产的TAW1000微机控制电液伺服岩石三轴试验机测定。

目标岩心的渗透率通过在TAW1000微机控制电液伺服岩石三轴试验机中对岩心施加孔隙流体压力，并监测岩心两端的压力差以及水流量，使用达西公式计算得到，达西公式的表达式为：。

式中：k为岩心渗透率，q为通过岩心的水流量，为水的粘度，、分别为岩心的入口和出口压力，L为岩心长度，A为岩心的横截面积。

目标岩心的声波速度使用HF-F智能超声P •S波综合测试仪及声波探头来测定。

c对目标岩心进行矿物组分分析以及岩石粒度组成测定

利用步骤b中实验完毕后的岩心，对其进行粉碎研磨，然后进行矿物组分分析和粒度组成分析，确定目标岩心的矿物组成和粒度分布。所述的目标岩心矿物组分分析采用丹东通达科技有限公司的TD-3500X射线衍射仪，TD-3500X射线粉末衍射仪具有精度高、准确度高、机械稳定性好，可以快速、准确的测试出目标岩心的矿物成分组成。所述目标岩心的粒度组成分析采用北京中西远大科技有限公司的SFY-D音波振动式全自动筛分粒度仪，计算出各粒径岩石颗粒的质量百分数，，式中，为充分振筛后第i级标准筛网上所留的颗粒质量，为粉碎岩心颗粒的总质量。

d收集准备仿真岩心压制原料

收集的岩屑可以是目标井的，也可以是临井的，对收集到的岩屑进行矿物组分分析，选取其中与目标岩心矿物组成相似的岩屑，将所选取的岩屑进行粉碎研磨，然后利用SFY-D音波振动式全自动筛分粒度仪筛析，筛析所用的标准筛组合与步骤（3）所用的标准筛组合相同，筛析完成后分别收集各标准筛网上的岩屑颗粒，并将其分组保存备用。

E人造岩心的仿真压制

其中，人造岩心的仿真压制过程又包含以下具体步骤：

E1称取岩心制备所需的岩石颗粒

根据所需压制的仿真岩心的总质量m，结合目标岩心的岩石粒度组成，用电子天平分别称取相应质量的各粒径的岩屑颗粒，所需各粒径颗粒的质量分别为：。将称取好的各粒径的岩屑颗粒进行充分混合。

e2制作仿真岩心初样

将混合均匀的岩屑颗粒平均分10次装入仿真岩心初样制备模具，用分层击实法，制作成岩心初样。

E3连接实验装置、安装岩心总成

如附图2-4所示连接好仿真岩心的制备装置的各***的管线和线路。在仿真岩心初样的上下两端分别安装上下垫块，用热塑管密封岩心初样和垫块侧面，四周布置LVDT位移传感器一起组成放入高压釜釜体的中心。

E4仿真压制

将高压釜釜体坐落在底座上，使用卡环、卡块将高压釜釜体和底座固定在一起。使用油泵通过围压流体入口向高压釜内注入液压油，准备开始加载围压和轴压对人造岩心进行仿真压制。

首先将围压和轴压同步增加到0.25MPa，实现热塑管的良好密封。开启外加热套筒，升温至地层温度，同时缓慢同步增加围压和孔压，直到孔压达到实际地层孔隙压力水平。维持孔压不变，缓慢同步增加围压和轴压，直到围压达到实际最小水平地应力水平。维持孔压、围压不变，缓慢增加轴压，直到达到实际上覆岩层压力水平。保持该状态24~48小时。关闭加热套筒，降温至常温，继续保持压力条件24~48小时。

在人造岩心的仿真压制过程中，实时监测仿真岩心的渗透率值以及声波波速，并与目标岩心的渗透率值以及声波速度进行对比，以此来对围压和轴压的加载速度进行反馈调节，同时，在仿真压制末期使用LVDT位移传感器测量岩心的应力-应变曲线，使得最终压制成型的仿真岩心的渗透率、声波速度以及应力-应变等监测指标与目标岩心的渗透率、声波速度以及应力-应变的误差控制在10%以内。

E5实验结束

实验结束后，使用空气压缩机排出高压釜内的液压油，升起高压釜，去除岩心总成，拆除上下垫块、LVDT位移传感器以及热塑管，最终得到压制成型的仿真岩心。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于动力地质学的仿真岩心的制备装置的使用方法，其特征是包括以下步骤：

（1）选取一定数量的目标岩心，通过地应力测试，确定目标岩心在地层真实条件下所处的地应力状态；

（2）在目标岩心所处的地应力状态下测定目标岩心的渗透率、声波速度和全应力-应变曲线；

（3）利用测试完地应力及渗透率、声波的目标岩心进行粉碎研磨，对其进行矿物组分分析和粒度组成分析，确定目标岩心的矿物组成和粒度分布；

（4）收集与目标岩心矿物组成相似的钻井岩屑，并对其进行粉碎，按照目标岩心的粒度分布对其进行筛分并分组，作为压制仿真岩心的原料备用；

（5）根据所需压制的仿真岩心的质量，按照目标岩心的粒度组成分布，分别称取一定质量的相应粒度的粉碎后的岩屑，将其充分混合均匀后装入仿真岩心初样压制模具中，通过分层击实法制得仿真岩心初样，仿真岩心初样在地层温度、三维应力状态以及孔隙流体共同作用下进行仿真压制，同时在压制过程中监测岩心的渗透率以及声波波速，通过调整围压和轴压的加载速度，最终压制得到与目标岩心在孔隙度、渗透率物性参数以及声波速度、应力应变曲线力学参数全面相似的人造仿真岩心；

基于动力地质学的仿真岩心的制备装置，包括轴压加载***（1）、围压加载***（2）、仿真岩心（3）、高压釜（4）、孔隙流体控制***（5）、计算机信号采集及控制***（6）、温度控制***（7）、声波测试***（8），高压釜（4）内装有仿真岩心（3），仿真岩心（3）的上部连接轴压加载***（1），下部连接孔隙流体控制***（5）和声波测试***（8）；所述的高压釜（4）的外侧连接围压加载***（2）和温度控制***（7），且轴压加载***（1）、围压加载***（2）、孔隙流体控制***（5）、温度控制***（7）、声波测试***（8）分别连接计算机信号采集及控制***（6）。

2.根据权利要求1所述的基于动力地质学的仿真岩心的制备装置的使用方法，其特征是：所需选取的目标岩心是直径为25mm，高度为50mm的标准尺寸岩心，所需岩心的数量为5~6块，其中4块用于测定地应力，剩余的1~2块用于测定渗透率、声波速度以及应力应变曲线，对目标岩心进行端面磨平处理。