专利名称：一种声学实验模拟碳酸盐岩人造岩心的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种模拟多孔岩石的人造岩心的制备方法，具体涉及一种在岩石声学实验中模拟复杂孔隙结构碳酸盐岩的人造岩心及其制备方法，属于分析及测量控制技术领域。
背景技术：
地下岩石属于多孔介质，除粒间孔隙外还常发育有裂隙、溶孔等，这些不同类型孔隙组成的孔隙网络是重要的油气储集空间和渗流通道。碳酸盐岩多数属于化学沉积岩，由于溶蚀、白云岩化等成岩后作用，碳酸盐岩次生孔隙发育，孔隙结构复杂。目前，无论地震勘探还是声波测井，弹性波仍然是进行油气勘探和储层预测的最有效手段之一。但复杂孔隙结构岩石的弹性波传播特性表现出很强的非均质性和各向异性，这给基于弹性波资料的油气储层物性预测与评价带来很大的不确定性，制约了复杂油气藏的勘探开发效益。在岩石力学实验中，米用声学方法研究岩石内部结构与油气地震勘探、声波测井密切相关，而岩心是进行岩石声学实验的必备基础材料。岩石声学实验中米用的岩心尺寸一般为Φ 2. 54cmX 5. 50cm的圆柱形岩心或5cmX 5cmX 5cm的立方块岩心。米用真实岩心进行岩石声学实验能相对真实地反映地下油气储层的物理性质，但存在以下缺点(I)地下取心成本高，取心质量不易保证；(2)实验重复性较差，真实岩心的孔隙结构千差万别，不利于进行单因素分析研究。因此，真实岩心的实验数据多用于理论模型和经验公式的验证与校正。
根据地下储层的实际情况和不同的研究目的，结合岩石声学实验的特点，设计、制作模拟特殊孔隙结构岩石的人造岩心是解决真实岩心取心成本高、实验重复性差的一种有效方法。人造岩心要合理模拟真实岩心的骨架和孔隙结构。孔隙纵横比(aspect ratio，简称AR)和特征尺寸(d)是表征孔隙形状的两个重要参数。孔隙纵横比是指孔隙短轴与长轴的长度之比；孔隙的特征尺寸表征孔隙的大小，一般指孔隙的长轴长度。目前，对于孔隙结构相对简单的砂岩储层，其人造岩心制作工艺已经比较成熟根据储层砂岩的孔隙度、渗透率情况，选取适当粒径的石英砂作为岩石骨架，与胶结剂混合均匀，压实胶结成人造岩心。但是对于含裂隙、溶孔等次生孔隙的复杂孔隙结构岩石，如碳酸盐岩，其模拟岩心技术还不成熟，方法相对简单。目前主要有以下3种方法(I)薄片组合法首先制备一定数量、尺寸相同的薄片(如塑料薄片、金属薄片等)，将薄片逐一叠放(水平叠放或按一定角度倾斜叠放)并施加一定的轴向压力(如图1所示)。该方法以薄片间的缝隙模拟裂缝，通过薄片的数目和厚度控制裂缝的条数和裂缝密度，通过控制轴向压力控制裂隙的张开度。该方法结构简单、实施方便、可重复性好，能够较好地模拟含一组平行裂隙的介质或横向各向同性介质，但是无法模拟粒间孔隙、溶孔等非裂隙孔隙。由于将岩石材料加工成薄片比较困难，即使加工了岩石薄片，施加轴向压力也容易导致岩石薄片脆裂，因此采用的薄片通常为塑料片或金属片，其声学特性与岩石骨架差别较大。该类模拟岩心的声学测试结果对于岩石声学特性的研究参考性相对较差。(2)块体切割法对规则的均质试块进行机械加工，如切割、钻孔等，然后再将切割块组合为一体，以切割面模拟裂缝，以凿孔模拟溶孔(如图2所示)。在机械加工时，可以控制裂缝的数量和角度、孔的数量和尺寸。该方法结构简单、实施方便，可用于模拟各向同性介质中含少量裂缝或裂缝-孔洞结构的情况。但是对于较复杂的孔隙结构，限于繁琐的机械加工程序，模拟岩心的可重复性较差。考虑材料的机械加工性能，均质试块一般选用金属块或有机玻璃块，其声学特性与岩石骨架差别较大。(3)浇铸法采用环氧树脂或其他流动性较好的胶结剂直接在岩心模具中浇注，在胶结剂未完全固化前，通过插入铁片、铁棒等使孔隙成形，然后抽出铁片和铁棒，形成贯穿整个模型的缝隙和孔洞。该方法结构简单，实施方便。在次生孔隙的模拟方面，缝、洞一般都要贯穿整个模型。但是，插入和拔出铁片或铁棒的时机不容易把握，过早则孔隙形状不能稳定，过晚则铁片与铁棒不能插入或不能拔出。综上所述，在岩石声学实验中，现有的模拟复杂孔隙结构碳酸盐岩的人造岩心模型主要存在以下缺点(I)人造岩心的骨架材料与碳酸盐岩差别较大，模拟结果需要根据理论模型转化后才能用于工程实际，而这种 转化是否合理有待探讨。(2)孔隙结构的模拟不合理，孔隙尺寸调整受到一定的限制，特别是裂隙，都是贯穿整个模型。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种在岩石声学实验中能够模拟复杂孔隙结构碳酸盐岩的人造岩心及其制备方法，其结构简单、实施方便、可重复性好。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案一种声学实验模拟碳酸盐岩人造岩心的制备方法，包括步骤如下(I)根据需要模拟的碳酸盐岩岩心的孔隙度和孔隙结构类型，加工塑料片或橡胶片；对于单一孔隙结构，塑料片或橡胶片的厚度与其最长长度(如果是圆片，指直径；椭圆形片，指长轴；三角形片，指最长边；四边形片，指最长的对角线长)之比等于孔隙的纵横比，
塑料片或橡胶片的总体积根据岩心孔隙度计算￥
t式中，φ为模拟岩心孔隙度；Vf为加入的塑料片或橡胶片总体积；Vt为岩心模具的容积；对于不同的孔隙结构，根据孔隙类型、每种类型孔隙的孔隙度及纵横比分别按照上述方法计算，将各种孔隙该用的塑料片或橡胶片组合使用；(2)根据岩心模具的容积大小，按重量份比称取60 95份碳酸盐岩的岩屑或粉末、5 40份环氧树脂系胶结剂，将上述设计的塑料片或橡胶片、所需的碳酸盐岩的岩屑或粉末与环氧树脂系胶结剂混合均匀；(3)在环氧树脂系胶结剂开始固化前，将混合物加入岩心预制模具中，并施加轴向压力O 6MPa，常温条件下，待环氧树脂系胶结剂固化完成后，拆模获得人造岩心。上述方法中步骤(I)所述的塑料片或橡胶片为横波速度小于1000m/S的高分子材料，其长轴方向尺寸小于2cm。可通过切割、钻孔等方法获取不同尺寸和形状的塑料片或橡胶片。步骤(2)中所述的碳酸盐岩的岩屑或粉末要求其碳酸盐矿物含量大于90%、粒径范围为100 500目。所述的环氧树脂系胶结剂包括环氧树脂、固化剂和稀释剂，环氧树脂为环氧值O. 25 O. 45的双酚A型环氧树脂；环氧树脂系胶结剂的固化时间可以通过固化剂和稀释剂的类型、加量进行调整，优选重量份比例环氧树脂O. 5 I份，固化剂O. 05 O. 5份，稀释剂O.1 I份。步骤(2)中优选按重量份碳酸盐岩的岩屑或粉末75 87. 5份、环氧树脂系胶结剂12. 5 25份称取。步骤(3)中轴向压力优选l_5MPa。本发明以碳酸盐岩的岩屑或粉末模拟骨架材料，以剪切模量相对较低、不同形状和尺寸的塑料片或橡胶片模拟不同形状的孔隙及孔隙流体，采用环氧树脂系胶结剂模拟胶结物，混合固结制成在岩石声学实验中能够模拟复杂孔隙结构碳酸盐岩的人造岩心。该方法具备以下优点1、人造岩心的骨架模拟材料为碳酸盐岩岩屑或粉末，其声学特性与真实岩心相近，能提供更具参考价值的声学测试结果；2、人造岩心所模拟的孔隙度和孔隙结构可以通过不同形状、尺寸和数目的塑料片或橡胶片组合来控制，孔隙结构参数便于调整，更适于开展单一影响因素的岩石声学实验研究；3、人造岩心所选原料成本低，其制备方法简单，可重复性好。
图1是薄片组合模型示意图；图2是块体切割模型示意图；图3是不同形状和尺寸的塑料片，(a) d=6. 9mm, h=0. 7 mm, AR=O. 11 ； (b)d=3. 9mm, h=2. 75mm, AR=O. 7 ； (c) d=8. 7mm, h=l. 2mm, AR=O. 13 ；图4是人造岩心制备时采用的岩心预制模具结构图；图5是碳酸盐岩粉末与环氧树脂系胶结剂混合比例对人造岩心密度的影响示意图；图6是碳酸盐岩粉末与环氧树脂系胶结剂混合比例对人造岩心纵、横波速度的影响示意图；图7是加入不同形状和尺寸塑料片制作的人造岩心形貌；每一行左起第一个标有ref的为参考块，没有加塑料片，其右边的10块均按照不同的孔隙度添加了不同体积的塑料片；A、B、C代表不同的系列，每个系列加入塑料片的纵横比不同；
图8是人造岩心模拟孔隙结构对其纵波速度特性的影响；蓝色的表示A系列岩心，纵横比AR=O. 11 ;红色的表示B系列岩心，纵横比AR=O. 7 ;绿色的表示C系列岩心，纵横比AR=O. 035 ；图9是人造岩心与真实岩心的测量结果对比图；其中，I为模具，2为压块，3为调整垫片，4为模具夹块，5为模具架，6为螺杆。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。不同粒径碳酸盐岩岩屑或粉末筛选及碳酸盐矿物含量测量碳酸盐岩岩屑或粉末是用天然碳酸盐岩加工而成，相对密度2. 45 2. 60，其主要成分是CaCO3，含有少量的天然杂质。将天然碳酸盐岩破碎并研磨，用100 500目的筛网筛选出不同粒径级别的碳酸盐岩岩屑或粉末。在IOOOmL烧杯中依次加入500目碳酸盐岩粉末5. 000g、浓度6. OmoI/L的盐酸IOOmL,搅拌，常温下反应5小时；再加入300mL蒸馏水，搅拌加热至65°C，过滤获得不溶于水的固体混合物；将固体混合物在80°C下真空干燥，称重为O. 224g，计算得500目碳酸盐岩粉末中碳酸盐矿物含量为95. 52%。不同形状和尺寸塑料片或橡胶片的设计加工孔隙纵横比(AR)是指孔隙短轴与长轴的长度之比，是描述孔隙形状的重要参数。选取厚度为O. 7mm、l. 2mm,2. 75mm的塑料片，测试不同厚度塑料片的密度、纵波速度和横波速度，结果如表I所示。表I不同厚度塑料片密度、声波速度测量结果
权利要求
1.一种声学实验模拟碳酸盐岩人造岩心的制备方法，其特征是，包括步骤如下(I)根据需要模拟的碳酸盐岩岩心的孔隙度和孔隙结构类型，加工塑料片或橡胶片；对于单一孔隙结构，塑料片或橡胶片的厚度与其最长长度之比等于孔隙的纵横比，塑料片或橡胶片的总体积根据岩心孔隙度计算:
2.根据权利要求1所述的声学实验模拟碳酸盐岩人造岩心的制备方法，其特征是， 步骤(I)所述的塑料片或橡胶片为横波速度小于1000m/S的高分子材料，其长轴方向尺寸小于2cm。
3.根据权利要求1所述的声学实验模拟碳酸盐岩人造岩心的制备方法，其特征是，步骤(2)中所述的碳酸盐岩的岩屑或粉末要求其碳酸盐矿物含量大于90%、粒径范围为100 500 目。
4.根据权利要求1所述的声学实验模拟碳酸盐岩人造岩心的制备方法，其特征是，所述的环氧树脂系胶结剂包括环氧树脂、固化剂和稀释剂，环氧树脂为环氧值O. 25 O. 45的双酚A型环氧树脂。
5.根据权利要求4所述的声学实验模拟碳酸盐岩人造岩心的制备方法，其特征是，所述的环氧树脂系胶结剂重量份比组成为环氧树脂O. 5 I份，固化剂O. 05 O. 5份，稀释剂O.1 I份。
6.根据权利要求1所述的声学实验模拟碳酸盐岩人造岩心的制备方法，其特征是，步骤(2)中按重量份碳酸盐岩的岩屑或粉末75 87. 5份、环氧树脂系胶结剂12. 5 25份称取。
7.根据权利要求1所述的声学实验模拟碳酸盐岩人造岩心的制备方法，其特征是，步骤(3)中轴向压力为l_5MPa。
全文摘要
本发明涉及一种声学实验模拟碳酸盐岩人造岩心的制备方法，先根据需要模拟的碳酸盐岩岩心的孔隙度和孔隙结构类型，加工塑料片或橡胶片，再根据岩心模具的容积大小，按重量份比称取60～95份碳酸盐岩的岩屑或粉末、5～40份环氧树脂系胶结剂，将上述设计的塑料片或橡胶片、所需的碳酸盐岩的岩屑或粉末与环氧树脂系胶结剂混合均匀，将混合物加入岩心预制模具中，并施加轴向压力0～6MPa，常温条件下，待环氧树脂系胶结剂固化完成。本发明人造岩心的骨架模拟材料为碳酸盐岩岩屑或粉末，其声学特性与真实岩心相近，孔隙结构参数便于调整和控制，能提供更具参考价值的声学测试结果，制备方法简单，可重复性好。
文档编号G01N1/28GK103048178SQ20131002253
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者王子振, 王瑞和, 单珣, 步玉环, 柴迪 申请人:中国石油大学(华东)