一种半胶结人造岩心模型及其填砂装置和方法与流程

本发明涉及一种半胶结人造岩心模型及其填砂装置和方法，属于多孔介质物理模型构建技术领域。

背景技术：

人造岩心模型是石油工程领域中常用的人造多孔介质模型，该模型模拟了砂岩的沉积过程。砂岩由性质不同、形状各异、大小不等的砂粒经胶结物胶结而成，砂粒和胶结物构成岩石骨架，骨架之间未被填充的空间构成了孔隙。人造多孔介质模型可有效地模拟油、气、水在多孔介质中的渗流规律，具有成本低、方法简单、模拟可信度高的特点。在油藏工程中，利用人造岩心进行物理模拟实验是必不可少的，可为油气田开发提供重要的参考依据。油气田开发具有成本高、技术含量高、地域差异性大等特征，在对某一区块的油气田开发方案制定中，通常需要结合该区块的油层物理数据，以岩心驱替系统为核心进行室内模拟实验，实验的数据将是该区块制定科学合理、经济高效的开发方案的可靠依据。同时，随着油气田开发的难度越来越大，新的开发技术层出不穷，岩心驱替实验也是对新石油开采技术进行评价的主要实验方法。

人造岩心作为人工合成的多孔介质模型，是石油行业进行科学研究的重要物理模型。根据其维度不同，分为：管状的一维岩心、平板状的二维岩心和立体状的三维岩心。其中以一维岩心模型最常用，也是与本发明最相近似的实现方案。目前主要的一维岩心模型有以下几种：钢制石英砂填砂岩心、胶结岩心、烧结岩心、天然岩心。其优缺点见下表：

以一维管状填砂模型为例，常采用不锈钢管制作，内部充填特定的石英砂，两端端口设置过滤网防止石英砂从端口排出，最后设计端口通过螺纹拧紧。针对油藏岩石的不同的孔喉尺寸特征和渗透率要求，可通过调节填砂所用的石英砂尺寸、比例、表面性质、填制压力等参数，获得与实际地层相近的物性特征，从而模拟油、气、水、化学剂、颗粒等在地层中的运移、流动、吸附等现象，是目前最常用的人造模型。该填砂管的设计在实际使用中，容易出现以下问题：①制作成本高，填制费时费力，不锈钢管的加工需要特殊的设备和工艺；②密封性要求高，高压驱替时端口容易出现漏油、漏水；③容易出现砂漏、砂堵，过滤网不能有效拦截微小砂粒和黏土矿物，出口易出现漏砂或者砂堵；④砂粒在管中的稳定性差，当滤网不能拦截微小颗粒或者管内出现较大空间时，很容易造成砂粒在管内重新分配，形成高渗区，在驱替时出现波及不均匀和水窜现象。以常规胶结模型为例，胶结模型是通过选取不同比例、不同粒径的砂岩与树脂混匀，设计不同的模具在一定的压力下胶结后制成不同形状的岩心块，以一维柱状的胶结岩心块为例，通常为直径25mm，长度为6-10cm的岩心块，将其置于岩心夹持器中，进行驱替实验。但上述胶结岩心在实际使用中，存在以下几个缺点：①树脂严重改变了岩心砂粒的表面性质，如润湿性、对化学剂的吸附性能等，所以不利于驱油效率实验的模拟；②砂岩与树脂的比例难调节，当在砂粒粒径较小或加入黏土矿物，岩心容易被完全胶死，用胶量减少，则胶结不稳固。③岩心在岩心夹持器中当加入高围压时，岩心的孔隙结构会因围压影响发生改变，岩心物性发生变化。

渗透率是指一定的压差下，岩石允许流体通过能力的大小，是评价油层特性、岩石允许流体通过能力的重要参数，是岩石固有的性质，与岩石的孔隙结构有关，与所通过的流体无关。在填砂模型中，渗透率通常是最常用、最重要的参数，它直接关系到了流体在岩心中的渗流能力。因此，准确控制人造岩心的渗透率，获得渗透率稳定的岩心，减小实验误差，对制定合理的现场施工方案具有重要的意义。岩心的渗透率可以通过达西定律如公式(1)进行测定，通常以水或者干燥空气为流动介质进行测定，水测渗透率依据的方法如下：

式中：Q为注入水的流量，cm³/s；ΔP为岩心两端的压差，10^-1MPa；A为岩心的截面积，cm²；μ为水的粘度，mPa·s；L为岩心的长度，cm；K为岩心的渗透率，μm²。

通过驱替实验，平流泵固定注入水的注入速度Q，直尺测定岩心的长度L、截面积A，粘度计测定该温度下水的粘度μ，压力传感器测定岩心两端的压差ΔP，根据该公式，计算岩心的水测渗透。可知渗透率与两端的压差成反比，当压差维持稳定时，渗透率保持稳定。

技术实现要素：

针对现有岩心模型构建技术的缺点，本发明提供一种可用于常规岩心夹持器的半胶结人造填砂管岩心模型及其填制装置与方法，该技术通过在一定尺寸有机玻璃管中，两端制作砂粒胶结区，中部空间填入石英砂。通过简单、有效的方法改变现有岩心的制作方法，克服常规岩心制作技术中存在的缺陷。①选用有机玻璃管作为岩心外壳，大大降低了制作成本，也解决了岩心夹持器的高围压改变岩心结构的问题，同时也首次将填砂岩心与岩心夹持器结合了起来，充分利用岩心夹持器在驱替中成熟的技术优势；②岩心中间空间填入石英砂，作为影响岩心物性的主要部分，克服了胶结岩心表面性质被树脂改变、易被胶死的缺陷，达到了充分模拟油藏砂岩的目的；③两端为胶结砂粒，在填砂装置中压实，完全避免了填砂岩心中砂粒移动、砂堵、砂漏、出现高渗区等问题。该岩心制作简单，省时省力，将多种常规岩心的优点融合，获得优质的、可用于模拟油水渗流的的岩心，为油藏物理模拟研究提供了方便、实用的物理模型，模拟数据误差小、可信度高，为制定合理的现场施工方案提供重要的参考依据。

本发明所采用的技术方案如下：

一种半胶结人造填砂管岩心模型，由透明有机玻璃管、中部石英砂填充区和两端砂粒胶结区构成。其构成和功能如下：

(1)透明有机玻璃管的尺寸一般为外直径25mm、长度6-10cm，首先它提供一个管状的内部空间作为构建该岩心孔隙结构的主体；其次该有机玻璃管的尺寸符合常规岩心夹持器的使用尺寸，与现有的驱替系统兼容；最后它可以作为保护内部孔隙结构的外壳，加围压时，岩心夹持器中的橡胶套紧贴在玻璃管的外壁，避免了对内部结构的挤压。

(2)中部石英砂填充区是将不同粒径的石英砂在填砂装置中填入形成，该区域占据了整个岩心的大部分体积，控制着岩心的物性参数，如孔隙度、渗透率等。

(3)两端砂粒胶结区由粗砂与环氧树脂AB胶在有机玻璃管的两端固结形成，具有过滤作用，驱替过程中避免了中部填砂区微小砂粒随着流体流动排出；紧紧地与中间填砂区结合在一起，使控制岩心物性参数的中间填砂区的砂粒被牢牢地固定住，避免了砂粒的移动；环氧树脂AB胶的胶结温度和胶结时间适合操作，胶结力强，用量很少，并且该胶可以在酸性的过氧化物热溶液中被破胶溶解，可以依此原理回收有机玻璃管，进一步降低制作成本。

一种上述半胶结人造填砂管岩心模型的填制装置，该装置由手动水力压力泵、泄压阀、压力表、固定支架、实心螺纹铁杆和一端开口的具塞中间容器组成，该装置的制作方法包括以下步骤：

(1)制作固定支架，固定支架包括上固定铁板和下固定铁板，铁板之间通过一定长度的铁杆相连；

(2)在上固定铁板钻取与上述岩心模型内直径相同的螺纹钻孔，同时选取该直径的实心螺纹铁杆作为压实岩心的压实棒，该压实棒可以旋转进出，要求与岩心接触一端的压实棒没有螺纹，接触面平整；

(3)制作一个一端开口的具塞中间容器作为压实岩心的加压装置，容器的内直径略大于上述岩心模型的外直径，开口端朝上与压实棒相对，中间容器的另一端与下固定铁板固定，并且中间容器的该端最底部留有出水口；

(4)上述步骤(3)中的中间容器的出水口依次与压力表、泄压阀、手动水力加压泵通过高压管线相联，则该装置制作完成。

一种利用上述填制装置制作半胶结人造填砂管岩心模型的方法，该方法包括以下步骤：

(1)取一支外径为25mm，内径为21mm，壁厚为2mm的有机玻璃管，用专用的切割刀具切割成实验需求的长度，将切口打磨平整；

(2)将整个装置和岩心放入60℃烘箱中，将粒径较粗的石英砂和环氧树脂AB胶按照一定的比例混合均匀作为胶结砂，填入有机玻璃管的一端，放入填砂装置后，旋转压实棒推进，用手动水力加压泵给中间容器的下部空间注水加压，直至所需要的压力，并维持一定时间，胶结区的厚度根据实验要求确定。

(3)打开泄压，反向旋转压实棒退出，填入中部填砂区所需要的石英砂，继续重复步骤(2)，依次分段填砂压实。

(4)当填砂距管口一定厚度时，再填入步骤(2)中的胶结砂，压实，将整个装置和岩心放入60℃烘箱中至完全固结。

(5)取出岩心，放入60℃烘箱中完全烘干后，模型填制完成。使用时，将模型看作是标准岩心，填入岩心夹持器中使用即可。

本发明在不对现有的驱替装置进行改动的情况下，改变岩心制作工艺，发明了一种简单实用、可用于常规岩心夹持器的岩心模型。通过该模型可进行从低压至高压的驱替实验，研究油、气、水、化学剂等多相流体在油藏多孔介质中的渗流过程。

该发明的有益效果在于：本发明提供了一种半胶结人造填砂管岩心模型及其填制装置与方法，本发明的优点在于：①降低岩心制作成本，降低岩心制作的技术门槛，提高岩心的制作效率。选用有机玻璃管作为岩心外壳，成本低，不需要专门的不锈钢加工、岩心烧结设备和技术，填砂装置高效，可以满足油田和实验室大量使用岩心的要求；②岩心的孔隙结构用有机玻璃管保护起来，高压驱替时，有效避免了高围压对岩心的破坏和孔隙结构的改变；③岩心的砂粒表面性质不被胶结物改变，与油藏的砂岩的表面相似度高。④该岩心与常规的岩心夹持器结合使用，以及两端砂粒胶结区的设计，不会出现漏水、漏油、漏沙、砂堵等常规驱替实验中常见的问题，也避免了常规岩心中砂粒移动、出现大渗透率孔道的问题。⑤该模型采用透明的有机玻璃管制作，取出后可以观察岩心内油水的运移，采用的胶结用胶可以在酸性过氧化物热水溶液中破胶溶解，有机玻璃管可回收重复利用。本发明装置结构简单、操作方便，实用性强，模拟可信度高，是一种适合推广的新型岩心模型制作技术。

附图说明

图1为本发明的一种半胶结人造填砂管岩心模型填砂装置结构示意图。

图2为本发明一个实施例中岩心孔隙度测定装置。

图3为本发明一个实施例中岩心渗透率测定装置。

图4为本发明一个实施例中绘制的注入水体积与注入压力的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

本发明所述的一种半胶结人造填砂管岩心模型，该模型由透明有机玻璃管、中部石英砂填充区和两端砂粒胶结区构成。在本发明的一个实施例中，有机玻璃管外直径25mm，内直径21mm，管壁厚2mm，长度为60mm，其中中部填砂区长度为44mm，两端砂粒胶结区长度均为8mm。

本发明所述的一种该人造岩心模型的填砂装置，如图1所示，该装置包括手动水力加压泵1、泄压阀2、压力表3、固定支架4、实心螺纹铁杆5、一端开口的具塞中间容器6组成。岩心管7如图2放置，中间容器的加压工作液为水8，手动水力加压泵1、泄压阀2、压力表3与一端开口的具塞中间容器6通过管线依次相连；手动水力加压泵的压力范围为0-6MPa；实心螺纹铁杆5通过螺纹固定在铁制固定支架4上，作为压实棒；实心螺纹铁杆的直径为有机玻璃管的内直径，恰好能插入有机玻璃管中，转动实心螺纹铁杆可以升降。本发明的一个实施例中，实心螺纹铁杆的直径为21mm，长度为300mm，固定支架的上下固定铁板尺寸为150×50×10mm，上下固定铁板的距离为300mm。一端开口的具塞中间容器尺寸如图3所示，外直径为30mm，内直径为26mm，总高度为200mm，出水口直径为3mm。

参见图1，在本发明的一个实施例中，一种可用于岩心夹持器的半胶结人造填砂管岩心模型，依据本发明的填制作方法，其制作步骤为：

(1)取一支外径为25mm，内径为21mm，壁厚为2mm的有机玻璃管，用专用的切割刀具切割成实验需求的长度，将切口打磨平整，在本发明的一个实施例中，其长度为60mm。

(2)将整个装置和岩心放入60℃烘箱中，将粒径较粗的石英砂和环氧树脂AB胶按照一定的比例混合均匀作为胶结砂，填入有机玻璃管的一端，放入填砂装置后，旋转压实棒推进，用手动水力加压泵给中间容器的下部空间注水加压，直至所需要的压力，并维持一定时间，胶结区的厚度根据实验要求确定。在本发明的一个实施例中，压力为6MPa，维持10min，胶结区厚度为8mm。

(3)打开泄压，反向旋转压实棒退出，填入中部填砂区所需要的石英砂，继续重复步骤(2)，依次分段压实。

(4)当填砂距管口一定厚度时，再填入步骤(2)中的胶结砂，压实，将整个装置和岩心放入60℃烘箱中至完全固结。在本发明的一个实施例中，距管口8mm时，开始填入胶结砂，放入烘箱12h完全固结。

(5)取出岩心，放入60℃烘箱中完全烘干后，模型填制完成。使用时，将模型看作是标准岩心，填入岩心夹持器中使用即可。在本发明的一个实施例中，完全烘干时间为24h。

本发明工作时，可以将模型看成标准岩心，烘干后测定其孔隙度，孔隙度测定示意图如图2，水测岩心渗透率测定示意图如图3，采用公式(1)计算岩心的渗透率。

式中：Q为注入水的流量，cm³/s；ΔP为岩心两端的压差，10^-1MPa；A为岩心的截面积，cm²；μ为水的粘度，mPa·s；L为岩心的长度，cm；K为岩心的渗透率，μm²。

本发明的一个实施例的注水实验如图4，以水进行驱替时，其注入压力保持不变，说明岩心内部砂粒被完全固定下来，不受流体冲刷作用，符合驱替实验要求。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。