双相介质人造岩心及其制备方法和岩石物理模型
阅读：614发布：2023-01-09
专利汇可以提供双相介质人造岩心及其制备方法和岩石物理模型专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种双相介质人造 岩心 及其制备方法和 岩石 物理模型，该方法包括以下步骤：将环 氧 树脂 加热以去除其中的结晶部分；将处理后的 环氧树脂 与两种以上不同粒径尺寸的 石英 砂颗粒和 固化 剂共混，使得到的共混物中的石英砂颗粒均匀分散，再浇注成型并干燥。采用石英砂胶结制备的双相介质人造岩心孔隙连通性良好，有利于 流体 的填充，整个岩心的石英砂与环氧树脂颗粒分布十分均匀，并且整个岩心从顶部到底部孔隙大小均匀，从而保证流体在双相介质人造岩心中分布状态统一，孔隙形态一致，有利于双相介质物理模型实验研究。，下面是双相介质人造岩心及其制备方法和岩石物理模型专利的具体信息内容。
1.一种双相介质人造岩心的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将环氧树脂加热以去除其中的结晶部分；将处理后的环氧树脂与两种以上不同粒径尺寸的石英砂颗粒和固化剂共混，使得到的共混物中的石英砂颗粒均匀分散，再浇注成型并干燥。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述加热的温度为30-70℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述共混包括以下步骤：
按照一个方向将所述共混物充分搅拌，然后进行研磨，再通过最大粒径尺寸的石英砂颗粒标准筛进行筛选。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述石英砂颗粒的粒径尺寸为20-1000目。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述浇注成型的压力为15MPa以上。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，所述固化剂的固化时间为40min以上，DSC放热峰为35℃以下。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，所述环氧树脂为E型环氧树脂。
8.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，所述环氧树脂的体积与石英砂颗粒的总表面积的比例为1：1-1.5；所述环氧树脂与所述固化剂的重量比为1：0.05-0.1。
9.由权利要求1-8中任意一项所述的方法制得的双相介质人造岩心。
10.一种岩石物理模型，其特征在于，该岩石物理模型所包括的双相介质人造岩心通过权利要求1-8中任意一项所述的方法制得。
双相介质人造岩心及其制备方法和岩石物理模型
技术领域
[0001] 本发明涉及地球物理勘探领域，具体地，涉及一种双相介质人造岩心的制备方法，由该方法制得的双相介质人造岩心，以及一种岩石物理模型。
背景技术
[0002] 地震勘探是油气勘探的重要手段，而地震波传播理论是地震勘探的理论基础，地震物理模拟技术则是研究地震波传播理论的重要方式，也是验证和解决实际生产问题的有力工具。早在20世纪20年代，英国地球物理学家E.C.Bullard提出通过超声波模拟地震波，从而在小尺度的模型上研究地震学的问题。
[0003] 目前国外物理模型材料技术方面的研究资料不多，休斯顿大学联合地球物理实验室(Allied Geophysical laboratories)、荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)、澳大利亚科廷理工大学(Curtin University of Technology)、加拿大的卡尔加里大学物理地震模拟实验室(University of Calgary)和美国科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)等单位常有研究成果见于SEG/EAGE年会。Tadeppali、Luo和Evan、Wang和Li利用物理模型模拟技术，研究定向排列裂缝体的AVO效应，Doe H.Ladzekpo等利用物理模型研究有关盐丘构造成像的问题，G.W.Purnell等利用物理模型研究粗糙的高速层对反射和透射波的影响，J.S.科切尔等利用物理模型技术实现地震剖面上的塔状礁效应模拟。
[0004] 随着石油勘探工作的深入，勘探难度也越来越大，许多地质现象及波场传播理论需要得到进一步的验证与完善，勘探方法也有待进一步发展。
[0006] 地震物理模型实验研究投资小，与数学模型相比，其最大的优点就是地震物理模型模拟结果的真实性，不受计算方法、假设条件的限制，因而地震物理模型受到国内外各石油公司和大学的高度重视。地震物理模型实验在石油天然气勘探、开发中的应用越来越广泛。在地震波理论研究和复杂构造、裂缝带检测、井间地震研究及油藏动态监测等石油天然气勘探、开发工作中发挥重要的作用。因此，物理模型模拟技术是地球物理研究的关键技术之一，是从事理论问题研究的重要“助手”
[0007] 模型材料模拟技术是物理模型正演模拟的基础，目前国内各大院所和高校主要用环氧树脂浇注成型的方法，根据高速度地层需要，制备出波速在2600m/s的材料，但是现有的地震物理模型材料存在以下缺点：
[0008] 一是现有配方中，制备出的模型为单相介质，不能够研究储层的双相特征；
[0010] 因此，亟待需要提供一种能够研究储层双相特征、且具有孔隙度和渗透率的地震物理材料来制备模型样品。
发明内容
[0011] 本发明的目的是克服现有技术的上述问题，提供一种能够研究储层双相特征、且具有孔隙度和渗透率的地震物理材料来制备模型样品，从而模拟实际的储层地质构造，用于地震波场特征研究，为地球物理勘探领域服务。
[0012] 本发明提供一种双相介质人造岩心的制备方法，该方法包括以下步骤：将环氧树脂加热以去除其中的结晶部分；将处理后的环氧树脂与两种以上不同粒径尺寸的石英砂颗粒和固化剂共混，使得到的共混物中的石英砂颗粒均匀分散，再浇注成型并干燥。
[0013] 本发明还提供由上述方法制得的双相介质人造岩心。
[0014] 此外，本发明还提供一种岩石物理模型，该岩石物理模型所包括的双相介质人造岩心通过上述方法制得。
[0015] 本发明通过不同尺寸的石英砂颗粒进行配比，选用环氧树脂作为胶结剂，结合使用固化剂，制备出不同孔隙度、不同含水饱和度的地震物理模型样品。实验表明根据本发明的不同孔隙度的双相介质人造岩心，随着含水饱和度的增加，P波速度呈现出不同的变化趋势，这与实际地质情况基本匹配，证明通过该方法制备的双相介质人造岩心地震物理模型材料可以有效的模拟实际储层地质构造。
[0016] 采用石英砂胶结制备的双相介质人造岩心孔隙连通性良好，有利于流体的填充，整个岩心的石英砂与环氧树脂颗粒分布十分均匀，并且整个岩心从顶部到底部孔隙大小均匀，没有上层孔隙度小，底部孔隙度大的现象，从而保证流体在双相介质人造岩心中分布状态统一，孔隙形态一致，有利于双相介质物理模型实验研究。
[0017] 通过不同的颗粒大小的石英砂按照一定的比例进行共混，以环氧树脂作为胶结剂，再配合固化剂制备得到的人造岩心可以定量的控制孔隙度大小，本发明的人造岩心的孔隙度范围为4％-50％，从而可以进行不同孔隙度划分的双相介质工程材料物理模型定量研究。附图说明
[0018] 通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0019] 图1为根据本发明一种实施方式制得的人造岩心的图片。
[0020] 图2为根据本发明一种对比实施方式制得的人造岩心的图片，其中，石英砂与环氧树脂产生团聚现象。
[0021] 图3为根据本发明一种实施方式得到的人造岩心的切片图。
[0022] 图4为根据本发明一种实施方式得到的人造岩心的分层切片图。
[0023] 图5a、图5b、图5c为根据本发明一种实施方式得到的人造岩心的CT表征图，其中，图5a为人造岩心CT扫描图，图5b为人造岩心石英砂骨架的CT扫描俯视图，图5c为人造岩心空隙CT扫描俯视图。
[0024] 图6为根据本发明一种对比实施方式制得的人造岩心样品图，其中，压力为10MPa。
[0025] 图7为孔隙度小于10％的人造岩心速度随含水饱和度的变化关系。
[0026] 图8为孔隙度10％-25％的人造岩心速度随含水饱和度的变化关系。
[0027] 图9为孔隙度大于25％的人造岩心速度随含水饱和度的变化关系。
具体实施方式
[0028] 下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。
[0029] 本发明提供一种双相介质人造岩心的制备方法，该方法包括以下步骤：将环氧树脂加热以去除其中的结晶部分；将处理后的环氧树脂与两种以上不同粒径尺寸的石英砂颗粒和固化剂共混，使得到的共混物中的石英砂颗粒均匀分散，再浇注成型并干燥。
[0031] 本发明方法的要点之一就是使得共混物中的石英砂颗粒均匀分散，本领域技术人员可以采用各种方式达到使石英砂颗粒均匀分散的目的。优选地，所述共混包括以下步骤：按照一个方向将所述共混物充分搅拌，然后进行研磨，再通过最大粒径尺寸的石英砂颗粒标准筛进行筛选，从而实现环氧树脂将每个石英砂颗粒均匀包裹。所述研磨的目的是使发生团聚的部分分散开来。
[0032] 根据本发明，所述浇注成型的方法可以为本领域的常规选择，例如，将原料浇注到人造岩心模具中。可以根据需要选择不同的模具以控制人造岩心的尺寸和形状。根据本发明一种具体实施方式，获得的人造岩心为圆柱形，直径为25mm。
[0033] 本发明选取的石英砂颗粒基本为球形，并且颗粒大小均匀，通过不同颗粒大小的石英砂以一定的比例进行混合，从而形成不同的石英砂颗粒堆积系统。所述石英砂颗粒的粒径尺寸为20-1000目。例如可具体选择以下目数的石英砂颗粒：30-50目、40-70目、60-70目、60-120目、100-200目、200目、400目、600目和800目。进一步优选地，选择目数差异较大的两种以上的石英砂颗粒。本领域技术人员可以根据需要的孔隙率选择不同目数的石英砂颗粒进行配比混合。
[0034] 表征颗粒堆积状态的基本参数有孔隙率、堆积率、比表面积、孔隙分布等，其中孔隙率是人造岩心的一个重要参数，在人造岩心孔隙度的制备工艺上，通过采取不同大小的石英砂颗粒进行堆积，可以制得不同孔隙度的人造岩心，从而制备定量孔隙度的工程双相介质物理模型。
[0035] 本发明的发明人在研究中发现，过小的压力会使制得的人造岩心样品疏松易碎，并且环氧树脂胶结不够完全，所以，在人造岩心的制备过程中，制备压力优选为15MPa以上，通过加大制备压力对人造岩心的制备工艺进行改进，制备的人造岩心样品胶结完全，并且岩心硬度很高，能够实现人造岩心钻、切、磨等岩心加工处理流程，从而为今后的双相介质工程材料物理模型实验打下良好的基础。
[0036] 根据本发明，由于要保证石英砂颗粒均匀分散，共混步骤需要一定的时间，因此，优选使用在此期间内不会发生固化且放热较小的固化剂。具体地，优选固化时间为40min以上，DSC放热峰为35℃以下的固化剂。根据本发明一种具体实施方式，所述固化剂为9229型固化剂。
[0037] 所述环氧树脂在本发明中用作胶结物。优选地，所述环氧树脂为E型环氧树脂，根据本发明一种具体实施方式，所述环氧树脂为E-51型环氧树脂(EP)。
[0038] 人造岩心的制作过程中，环氧树脂的用量直接影响着模型的强度、孔隙度、渗透率和颗粒分布均匀程度，因此，选取合理的环氧树脂胶结剂用量，对于制备具有定量孔隙度的工程材料双相介质物理模型十分重要。
[0039] 在理论上，环氧树脂用量应与石英砂的总表面积成正比关系，通过这样的方式制备的人造岩心，其强度和胶结方式更为统一，从而方便实验数据的分析对比。优选地，所述环氧树脂的体积与石英砂颗粒的总表面积的比例为1：1-1.5。
[0040] 根据本发明，所述固化剂的用量使得能够实现共混物的固化即可，优选地，所述环氧树脂与所述固化剂的重量比为1：0.05-0.1。
[0041] 本发明提供由上述方法制得的双相介质人造岩心。
[0042] 此外，本发明还提供一种岩石物理模型，该物理模型所包括的双相介质人造岩心通过上述方法制得。制备可采用本领域常规的方法，在此不再赘述。
[0043] 以下实施例中，环氧树脂为购自凤凰牌公司的E-51型环氧树脂，固化剂为购自广州百联合成材料有限公司的9229型固化剂。
[0044] 实施例1
[0045] 将10g的环氧树脂加热至60℃；然后，将其与粒径为60-70目石英砂颗粒100g、60-120目石英砂颗粒100g和100-200目石英砂颗粒50g与1g的9229固化剂共混，按照一个方向充分搅拌，然后将得到的混合物进行研磨，并且通过最大目数的石英砂颗粒标准筛进行筛选，从而保证每个环氧树脂与单个石英砂颗粒进行均匀包裹，将配比好的实验原料浇注至人造岩心模具中，并且通过20MPa的压力将实验原料压制成型，完全干燥后得到直径为25mm的圆柱形人造岩心。该人造岩心的孔隙度为15.93％。
[0046] 实施例2
[0047] 将10g的环氧树脂加热至40℃；然后，将其与粒径为60-70目石英砂颗粒100g、60-120目石英砂颗粒100g和100-200目石英砂颗粒50g与1g的9229固化剂共混，按照一个方向充分搅拌，然后将得到的混合物进行研磨，并且通过最大目数的石英砂颗粒标准筛进行筛选，从而保证每个环氧树脂与单个石英砂颗粒进行均匀包裹，将配比好的实验原料浇注至人造岩心模具中，并且通过30MPa的压力将实验原料压制成型，完全干燥后得到直径为25mm的圆柱形人造岩心。该人造岩心的孔隙度为10.19％。
[0048] 实施例3
[0049] 将13g的环氧树脂加热至60℃；然后，将其与粒径为30-50目石英砂颗粒150g、60-70目石英砂颗粒150g与1g的9229固化剂共混，按照一个方向充分搅拌，然后将得到的混合物进行研磨，并且通过最大目数的石英砂颗粒标准筛进行筛选，从而保证每个环氧树脂与单个石英砂颗粒进行均匀包裹，将配比好的实验原料浇注至人造岩心模具中，并且通过20MPa的压力将实验原料压制成型，完全干燥后得到直径为25mm的圆柱形人造岩心。该人造岩心的孔隙度为26.31％。
[0050] 对比例1
[0051] 采用如实施例1的方法制备人造岩心，不同的是，成型压力为10MPa。
[0052] 对比例2
[0053] 采用如实施例1的方法制备人造岩心，不同的是，未对石英砂颗粒与环氧树脂的混合物进行研磨和过筛，石英砂颗粒与环氧树脂产生团聚现象。
[0054] 测试例1
[0055] 对实施例1和对比例1制得的产品进行目测。结果如图1和图7所示。
[0056] 图1中的人造岩心样品胶结完全，并且岩心硬度很高，能够实现人造岩心钻、切、磨等岩心加工处理流程。
[0057] 由图7可见，10Mp压力制备的人造岩心样品，疏松易碎，环氧树脂胶结不够完全，并且人造岩心不能够进行钻、切、磨等岩心加工处理流程。
[0058] 测试例2
[0059] 对实施例1和对比例2制得的产品进行切片研究。结果如图2-4所示。
[0060] 图2为石英砂与环氧树脂产生团聚现象制备的人造岩心切片，由图2可知，如果环氧树脂与石英砂没有充分混合均匀，制备的人造岩心会产生为各向异性性质，并且孔隙连通性不好，从而使得流体不能够进行充填，不利于双相介质物理模型的研究。
[0061] 由图3可见，将石英砂与环氧树脂充分混合，并且进行研磨，通过标准筛进行筛选等制备工艺后，制备的人造岩心样品不会产生局部环氧树脂团聚现象，颗粒分布均匀，孔隙连通性良好，有利于双相介质物理模型的流体填充，并且如图4所示，将人造岩心进行分层切割，可见整个岩心的石英砂与环氧树脂颗粒分布十分均匀，并且整个岩心从顶部到底部孔隙大小均匀，没有上层孔隙度小，底部孔隙度大的现象，从而保证流体在人造岩心中分布状态统一，孔隙形态一致，有利于双相介质物理模型实验研究。
[0062] 测试例3
[0063] 采用CT设备对实施例1制得的产品进行微观形貌表征。结果如图5a、图5b和图5c所示。
[0064] 图5a为人造岩心的CT扫描图，图中深色部分为人造岩心骨架，即石英砂颗粒，浅色部分为孔隙，即为空气，图5b为人造岩心石英砂骨架的CT扫描俯视图，图5c为人造岩心孔隙CT扫描俯视图，由三幅图可知，本项目制备的人造岩心孔隙连通性良好，有利于流体的填充。
[0065] 测试例4
[0066] 将本发明制得的人造岩心按照孔隙度小于10％，10％-25％，大于25％进行划分，图7为孔隙度小于10％的人造岩心速度随含水饱和度的变化关系，由图7可知，当人造岩心孔隙度小于10％时，含水饱和度由0增加至0.3时，纵波速度以较快的速率增长，含水饱和度由0.3增加至0.7时，纵波速度增长速率减缓，当含水饱和度大于0.7时，纵波速度变化趋于恒定，由此可见，孔隙度小于10％的人造岩心样品纵波速度随含水饱和度的增加总体呈现线性上升的趋势。横波速度随含水饱和度增加基本上没有变化，一直保持一个恒定的速度，在含水饱和度由0增加至0.1时，横波速度有略微的降低。
[0067] 图8为孔隙度10％-25％的人造岩心速度随含水饱和度的变化关系，由图8可知，当人造岩心孔隙度介于10％至25％之间时，含水饱和度由0增加至0.6时，纵波速度增长速率较缓，当含水饱和度大于0.6时，纵波速度增长速率增大但仍保持线性增长规律，呈明显的二段近线性增长模式，由此可见，孔隙度介于10％至25％之间的人造岩心样品纵波速度随含水饱和度的增加总体呈现先平稳后上升的趋势。横波速度随含水饱和度增加基本上没有变化，一直保持一个恒定的速度，在含水饱和度由0增加至0.1时，横波速度有略微的降低。
[0068] 图9为孔隙度大于25％的人造岩心速度随含水饱和度的变化关系，由图9可知，当人造岩心孔隙度大于25％时，含水饱和度由0增加至0.3时，纵波速度以较快的速率降低，含水饱和度由0.3增加至0.7时，纵波速度趋于恒定，当含水饱和度大于0.7时，纵波速度呈现出线性快速回升的变化趋势，由此可见，孔隙度大于25％的人造岩心样品纵波速度随含水饱和度的增加总体呈现先下降后上升的趋势。横波速度随含水饱和度增加基本上没有变化，一直保持一个较为恒定的速度，在含水饱和度由0增加至0.2时，横波速度有略微的降低。
[0069] 根据本发明的不同孔隙度的双相介质人造岩心，随着含水饱和度的增加，P波速度呈现出不同的变化趋势，这与实际地质情况基本匹配，证明通过该方法制备的双相介质人造岩心地震物理模型材料可以有效的模拟实际储层地质构造。
[0070] 以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
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