一种人造煤心、其制备方法及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于煤层气勘探开发技术领域，具体涉及一种人造煤心、其制备方法及其 应用。
【背景技术】
[0002] 在煤层气勘探开发技术领域，为评价煤储层及煤层气储量，以及钻井过程中钻井 液、完井液和压裂过程中压裂液对储层伤害程度会进行一系列的评价试验。在实验中，为能 够模拟真实煤层中的裂隙分布，以便高效开发煤层气，需要依赖人造煤心。而普通的石英砂 环氧树脂胶结的人造岩心基本只能体现孔隙特征，没有裂隙特征。
【发明内容】
[0003] 为解决现有技术的不足，本发明提供了一种人造煤心。其材料简单、成本低廉、绿 色环保，而且实验效果良好，同时制作方法操作简便。
[0004] 一种人造煤心，其特征在于，以重量百分含量计，包括：85%~90 %的煤颗粒， 5%~10%的钠膨润土，5%~10%的水。
[0005] 优选的，煤颗粒的目数为10~20目。其可由代表性煤岩用颚式破碎机破碎得到。
[0006] 煤颗粒为10~20目时，人造煤心的渗流效果最佳。
[0007] 本发明还提供了一种人造煤心的制备方法，包括以下步骤：
[0008] 1)以重量百分含量计，将85 %~90 %的煤颗粒，5 %~10 %的钠膨润土，5%~ 10 %的水混合，得到煤心料。
[0009] 2)将步骤1)得到的煤心料在岩心压制机中进行压制，压制过程中，压力逐渐增加 至5~IOMPa后，保持压力恒定20~40分钟，卸载岩心压制机压力后，取出物料在自然状 态下干燥，得到人造煤心。
[0010] 优选的，步骤1)的煤颗粒的目数为10~20目。
[0011] 优选的，步骤2)中，压力逐渐增加至7. 5~8. 5MPa后，保持压力恒定20~40分 钟。
[0012] 本发明还提供了上述人造煤心的应用，用于室内岩心流动试验、煤储层伤害实验， 评价钻井液、完井液或者压裂液等工作液的渗透性，等。
[0013] 本发明的有益效果
[0014] 1)本发明所提供的人造煤心的成分更加接近天然岩心，进行岩心流动试验时候效 果更好。材料主要为煤颗粒、钠膨润土和水，且比例适中，符合真实煤岩成分，继而保持了煤 岩原样中基质孔隙和煤颗粒界面张力等某些性质，试验时流体直接与煤和钠膨润土接触， 与已有的石英砂环氧树脂胶结的人造岩心相比，更真实。
[0015] 2)本发明所提供的人造煤心具有裂隙结构特征。从结构上来说，人工煤心中粘土 颗粒胶结在煤颗粒周围，煤颗粒相互间具有裂隙，而且裂隙分布均匀，能够模拟真实煤层中 的裂隙分布，且裂隙具有良好裂隙连通性，能够模拟煤储层的天然裂缝系统，以便高效开发 煤层气。而普通的石英砂环氧树脂胶结的人造岩心基本只能体现孔隙特征，没有裂隙特征。
[0016] 3)本发明所提供的人造煤心不仅具有天然岩心的孔隙特征和渗透特性，因为胶结 物为钠膨润土，还具有天然煤样所具有的敏感特性和伤害特性。
[0017] 4)本发明所提供的人造煤心的渗透率可以调节。
【附图说明】
[0018] 图1为不同含量的钠膨润土的渗流效果。
[0019] 附图1中，从上到下的曲线对应的钠膨润土的含量依次为5%、10%、15%、20%。 [0020] 图2为不同压制压力下本发明所提供的人造煤心的孔隙度。
[0021] 图3为不同孔隙度的人造煤心的渗透率。
[0022] 图4为真实煤岩在显微镜下的微裂隙形态。
[0023] 图5为本发明所提供的人造煤心在显微镜下的微裂隙形态。
【具体实施方式】
[0024] 以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限 定本发明的范围。
[0025] 一、人造煤心骨架煤颗粒粒度的确定。
[0026] 煤颗粒粒度适中，实验渗流效果才好，更符合真实煤岩渗透率。实验室岩心流动试 验所用仪器为JHGP气体渗透率仪，根据达西定律原理测其液体渗透率。
[0028] 式中K 一岩样的绝对渗透率，y m2或者d(达西）；
[0029] A一岩样的截面积，cm2;
[0030] L-岩样的长度，cm ;
[0031] ix一通过岩样液体的粘度，mPa ? s;
[0032] A P -岩样两端的压力差，〇? IMPa ;
[0033] Q一在压差A P下通过岩样的流量，cm3/s。
[0034] 若已知岩心的端面面积A、长度L和液体粘度y，再测出液体流量Q和此时岩心两 端的压力差AP，便可根据公式计算出岩心的渗透率。
[0035] 如表1所示，实验结果显示煤颗粒为10~20目时，渗流效果最佳。
[0036] 表 1
[0037]
[0038] 二、胶结物钠膨润土比例的确定
[0039] 天然煤岩中无机矿物占一定的比例，而无机矿物主要为粘土矿物，且某些地方煤 层中粘土含量最高达25%，平均10%;而在黏土矿物当中，具有膨胀性的蒙脱石矿物含量最 高可达50%以上。因此确定钠膨润土质量比例为10%左右较为合适，更贴近真实煤岩。此 外，因为各地煤岩中矿物含量都不一样，可以根据实验需要调整钠膨润土比例。
[0040] 煤层一般埋深较浅，地层压力一般在5~lOMPa，控制压制压力为8MPa，煤颗粒为 10~20目，添加不同比例的钠膨润土制作系列人造煤心。表中在一定流体矿化度通过人造 煤心时，人造煤心钠膨润土含量越高，人造煤心的渗透率越低，一般我国煤储层的渗透率在 I X KT3 y m2左右甚至更小，所以根据下表测量数据钠膨润土含量在5~10%范围内渗流效 果更符合实际。测量结果如表2和附图1所示，表中数据单位为KT 3 ym2)
[0041] 表 2
[0042]
[0043] 三、压制压力的确定及其对孔隙度渗透率的影响。
[0044] 煤颗粒目数为10~20目，钠膨润土为5%，实验用流体矿化度为8g/L，在不同压 制压力下人造煤心的孔隙度和渗透率如图2和图3所示，在压制压力增大到IOMPa的时候， 人工煤心孔隙度为10%左右，而且随着压制压力增大孔隙度变化不明显。液体渗透率和对 应的气体渗透率与孔隙度符合幂函数关系，拟合性好。
[0045] 如图4、5所示，真实煤岩中的微小裂隙，较为平直，裂隙末端偶有分叉，宽度仅为 几个微米，长度50-400 y m ;本发明提供的煤心裂隙曲折，主裂隙多有分支，相互交叉的裂 隙较少，裂隙宽度多在20-80 y m范围内，长度变化较大，200 y m-1000 y m的均有分布。因此 人造煤心比真实煤岩的微裂缝长度和宽度略大，但总体形态上较为接近。
[0046] 以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神 和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种人造煤心，其特征在于，以重量百分含量计，包括：85%~90%的煤颗粒，5%~ 10%的钠膨润土，5%~10%的水。2. 根据权利要求1所述的人造煤心，其特征在于：所述煤颗粒的目数为10~20目。3. -种人造煤心的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 以重量百分含量计，将85%~90%的煤颗粒、5%~10%的钠膨润土和5%~10% 的水混合，得到煤心料； 2) 将步骤1)得到的煤心料在岩心压制机中进行压制，压制过程中，压力逐渐增加至 5~IOMPa后，保持压力恒定20~40分钟，卸载岩心压制机的压力后，取出物料在自然状态 下干燥，得到人造煤心。4. 根据权利要求3所述的人造煤心的制备方法，其特征在于：所述步骤1)的煤颗粒的 目数为10~20目。5. 根据权利要求3或4所述的人造煤心的制备方法，其特征在于：步骤2)中，压力逐 渐增加至7. 5~8. 5MPa后，保持压力恒定20~40分钟。6. -种根据权利要求1或2所述的人造煤心的应用，其特征在于：用于室内岩心流动 试验、煤储层伤害实验、评价钻井液、完井液或者压裂液的渗透性。
【专利摘要】本发明属于煤层气勘探开发技术领域，具体涉及一种人造煤心、其制备方法及其应用。以重量百分含量计，其包括：85％～90％的煤颗粒，5％～10％的钠膨润土，5％～10％的水。本发明所提供的人造煤心的成分更加接近天然岩心，进行岩心流动试验时候效果更好。材料主要为煤颗粒、钠膨润土和水，且比例适中，符合真实煤岩成分，继而保持了煤岩原样中基质孔隙和煤颗粒界面张力等某些性质，试验时流体直接与煤和钠膨润土接触，与已有的石英砂环氧树脂胶结的人造岩心相比，更真实。
【IPC分类】G01N1/28, C04B32/00
【公开号】CN104944903
【申请号】CN201510271103
【发明人】吕帅锋, 乌效鸣, 王道宽, 张晓飞, 粟冬梅
【申请人】中国地质大学（武汉）
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年5月25日