用于模拟致密岩石的人造岩心及其制作方法与流程

本发明涉及石油地质技术领域，特别涉及一种用于模拟致密岩石的人造岩心及其制作方法。

背景技术：

我国非常规油气勘探开发已取得了阶段性成功，随着水平井页岩气的勘探开发已为我国重要的天然气来源之一；随着地下原位加热开采技术的发展，页岩油也有具大的潜力。由于页岩中大量发育微纳米级孔喉，这些孔隙空间是页岩油气的储集与运移通道，因此，近些年来国内外大量学者致力于油气在页岩中运移规律的研究，这对于页岩中油气的资源量评估与后期开发有重要意义。页岩等致密岩石中非均质性极强，矿物种类繁多，富含有机质孔、无机质孔隙，且有机质对无机粒间孔的填充也有明显影响。因此，在研究中这些因素共同影响对流体的运移，在实验测试中往往难以得到可靠的结果。

目前已报道的仿页岩的材料多为采用人工合成氧化物颗粒或自然矿物颗粒制作多孔材料，做人造岩心用于岩石内部的流体渗流模拟。这些方法中无法加入有机质组分，只有无机矿物组分，无法真正模拟页岩内部的情况。另外，这些制作方法非常难以控制孔隙度、孔隙分布以及有机-无机孔隙的百分比。因此，在物理模拟中无法实现变量控制，严重制约了非常规致密储层物理模拟的开展。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种用于模拟致密岩石的人造岩心的制作方法，以解决现有技术中无法真正模拟页岩内部的情况、在物理模拟中无法实现变量控制的技术问题。该方法包括：

获取岩石样品的矿物相关参数、孔隙相关参数以及有机质相关参数；

根据所述矿物相关参数、所述孔隙相关参数以及所述有机质相关参数，选择有机膜和无机膜；

采用选择的有机膜和无机膜制作用于模拟所述岩石样品的人造岩心。

本发明实施例还提供了一种用于模拟致密岩石的人造岩心，以解决现有技术中无法真正模拟页岩内部的情况、在物理模拟中无法实现变量控制的技术问题。该人造岩心包括：

有机膜；

无机膜，其中，所述有机膜和所述无机膜是根据岩石样品的矿物相关参数、孔隙相关参数以及有机质相关参数确定的。

在本发明实施例中，通过使用有机膜和无机膜来制造人造岩心，实现了通过多层膜等效页岩结构来制作人造岩心，由于有机膜和无机膜的使用，使得制造的人造岩心既有有机质组分，又有无机矿物组分，进而使得多膜组成的人造岩心有利于实现真正模拟页岩内部的情况；同时，由于是基于矿物相关参数、孔隙相关参数以及有机质相关参数来选择有机膜和无机膜的，使用选择的有机膜和无机膜制造的人造岩心更能符合岩石属性，此外，在基于矿物相关参数、孔隙相关参数以及有机质相关参数来选择有机膜和无机膜的过程中可以调整、控制有机膜和无机膜的选择(例如，调整、控制有机膜和无机膜的类型、数量等)，使得有利于调整、控制人造岩心的孔隙度、孔隙分布以及有机-无机孔隙的百分比等参数变量，进而有利于在物理模拟中实现变量控制，有利于非常规致密储层物理模拟的开展。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种用于模拟致密岩石的人造岩心的制作方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种人造岩心的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种用于模拟致密岩石的人造岩心的制作方法的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

由于现有技术中的人造岩心存在无法真正模拟页岩内部的情况、在物理模拟中无法实现变量控制的技术问题，本申请发明人发现，无机膜、有机膜、微滤、超滤、纳滤、反渗透等多种膜可以用于定向地设计多层膜组件的人造岩心，因此，提出了上述用于模拟致密岩石的人造岩心的制作方法。通过本申请的用于模拟致密岩石的人造岩心的制作方法实现了利用不同孔隙、不同润湿性、不同厚度的多层膜制作多孔渗流介质，制作多层膜人造岩心，该多层膜人造岩心孔隙可控、润湿性可控、膜厚度可控、可批量化制作、可重复使用，用于研究致密油气的储集、运移规律。该多参数可控的多层膜组件可以为油气运移物理模拟提供可重复的实验数据，促进科研人员对页岩内部油气运移规律的研究。上述制作方法将复杂的页岩多孔介质等效成平行的多层膜结构，将复杂的三维矿物组合等效成易于调节的多层膜结构，且参数可以更换，为物理模拟提供了诸多便利。该多层膜人造岩心一旦根据某一地区的页岩孔隙、矿物、有机质特征设计完成，即可批量生产，等效复制，这样可做多组平行实验，易于获得大量数据点形成规律。还可以控制其中某类膜的材料类型、厚度比例等，来研究其他膜对流体渗流的影响。

在本发明实施例中，提供了一种用于模拟致密岩石的人造岩心的制作方法，如图1所示，该方法包括：

步骤101：获取岩石样品的矿物相关参数、孔隙相关参数以及有机质相关参数；

步骤102：根据所述矿物相关参数、所述孔隙相关参数以及所述有机质相关参数，选择有机膜和无机膜；

步骤103：采用选择的有机膜和无机膜制作用于模拟所述岩石样品的人造岩心。

由图1所示的流程可知，在本发明实施例中，通过使用有机膜和无机膜来制造人造岩心，实现了通过多层膜等效页岩结构来制作人造岩心，由于有机膜和无机膜的使用，使得制造的人造岩心既有有机质组分，又有无机矿物组分，进而使得多膜组成的人造岩心有利于实现真正模拟页岩内部的情况；同时，由于是基于矿物相关参数、孔隙相关参数以及有机质相关参数来选择有机膜和无机膜的，使用选择的有机膜和无机膜制造的人造岩心更能符合岩石属性，此外，在基于矿物相关参数、孔隙相关参数以及有机质相关参数来选择有机膜和无机膜的过程中可以调整、控制有机膜和无机膜的选择(例如，调整、控制有机膜和无机膜的类型、数量等)，使得有利于调整、控制人造岩心的孔隙度、孔隙分布以及有机-无机孔隙的百分比等参数变量，进而有利于在物理模拟中实现变量控制，有利于非常规致密储层物理模拟的开展。

具体实施时，上述人造岩心可以用于页岩、致密砂岩、致密碳酸盐岩岩石等油气储层岩石的物理模拟，尤其可以应用于富含有机质孔、无机质孔隙的页岩内部的油气运聚物理模拟。

具体实施时，膜的类型分为无机膜、有机膜，根据孔隙尺寸分为粗孔膜、微孔过滤膜等，为了使得制作的人造岩心更能符合岩石样品的岩石属性，在本实施例中，根据所述矿物相关参数、所述孔隙相关参数以及所述有机质相关参数，选择有机膜和无机膜，包括：

针对所述岩石样品的无机孔隙，根据无机孔隙的所述矿物相关参数和所述孔隙相关参数(例如，矿物组成、孔隙孔径分布等参数)，选择无机膜(即选择的无机膜与无机孔隙在矿物相关参数和孔隙相关参数等方面相同或相近)，可以选择无机膜的材料类型和数量；具体的，选择的无机膜可以包括陶瓷多孔膜(例如，zro2、sio2、al2o3等)或金属多孔膜(例如，泡沫镍、泡沫钛等)。

针对所述岩石样品的有机孔隙，根据有机孔隙的所述有机质相关参数和所述孔隙相关参数(例如，总有机质的含量、有机质内部的孔隙度等参数)，选择有机膜(即选择的有机膜与有机孔隙在有机质相关参数和孔隙相关参数等方面相同或相近)，可以选择有机膜的材料类型和数量。具体的，选择的有机膜包括高分子膜，例如，醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜以及聚氟聚合物等。

具体实施时，为了进一步使得制作的人造岩心更能符合岩石样品的岩石属性，在本实施例中，所述岩石样品中无机孔隙和有机孔隙的比例与所述人造岩心中无机膜的总厚度和有机膜的总厚度的比例一致。具体的，即根据所述岩石样品中无机孔隙占总孔隙的比例调整所述人造岩心中无机膜的总厚度；根据所述岩石样品中有机孔隙占总孔隙的比例调整所述人造岩心中有机膜的总厚度。

具体的，页岩内部本身有无机孔隙与有机质孔隙，无机孔隙主要由矿物颗粒的粒间孔、粒内孔等组成，有机质孔隙主要由干酪根内部的孔隙组成。两种类型的孔隙可以通过氩离子抛光+扫描电镜表征区分开，并且可以利用扫描电镜二维面孔率分析获得总孔隙度以及无机孔隙、有机孔隙分别在总孔隙度中所占的比例。

根据所述岩石样品中无机孔隙占总孔隙的比例调整所述人造岩心中无机膜的总厚度；根据所述岩石样品中有机孔隙占总孔隙的比例调整所述人造岩心中有机膜的总厚度；例如，一块页岩气页岩，利用扫描电镜平面面孔率分析技术，得到岩石总孔隙度为3.5％，其中无机矿物孔隙占30％，有机质内部的孔隙占70％，则可以构建如下一个人造岩心多层膜系统：无机膜选用面孔率约为3.5％，氧化锆陶瓷片，有机膜选用面孔率约为3.5％的聚醚砜有机多孔滤片，无机膜与有机膜的总厚度比按陶瓷：有机片＝3:7。

具体的，某种膜(有机膜或无机膜)的数量主要该种膜代表的待模拟的岩石内部的物质的百分比以及某种膜本身孔隙度以及单张膜的厚度来决定。例如，对于无机陶瓷膜片，两片1mm厚的陶瓷片，双面加工至平整，并用超声清洗掉样品表面残留碎屑，然后可以简单的物理叠加；对于有机膜，多孔膜，可以通过热压压片的方式让两片膜足够贴近，而不破坏膜的本身多孔性质，可以通过调节膜的张数来实现调节人造岩心中某种膜(有机膜或无机膜)的总体厚度。

具体实施时，为了进一步使得上述人造岩心有利于实现真正模拟页岩内部的情况，在本实施例中，还包括：在所述人造岩心中，采用非规则形状的无孔隙的隔板来模拟所述岩石样品内部的非均质性特征。

具体实施时，上述矿物相关参数可以包括：矿物种类以及矿物颗粒平均尺寸；所述孔隙相关参数可以包括：孔隙度以及孔隙孔径分布；所述有机质相关参数可以包括有机质总量以及有机质孔隙百分比。

具体的，实际上对于不同类型的岩石，所能获得到的参数有所差异。对于页岩气页岩与页岩油页岩，关注点也不同。页岩气页岩内部的有机质中往往大量发育孔隙，而页岩油页岩有机质中往往无孔隙。因此，在制作用于模拟页岩油页岩的人造岩心时，表征过程中孔隙相关参数可以忽略有机质孔隙。如果将上述方法推广于致密砂岩、致密碳酸盐岩岩石的物理模拟，其内部很少有固态有机质，则同样孔隙相关参数中可以不需要表征有机质内部的孔隙。对于其他类型的岩石，表征的孔隙相关参数内容应该根据岩石属性与物理模拟的要求来确定。

具体实施时，可以通过目前常用的以下分析方法获取上述矿物相关参数、孔隙相关参数以及有机质相关参数：

孔隙度渗透率：气测孔隙度、覆压渗透率等；

孔隙孔径分布：氮气吸附法、扫描电镜法(二维面孔率、三维体积孔隙率)、高压压汞法、微米ct法等；

矿物分析：xrd法、基于扫描电镜分析的qemscan法等，另外其他一些元素分析法结合元素组成亦可获得矿物组成，如xrf等；

有机质：总有机碳(toc)分析、扫描电镜法(二维、三维有机质分布)等。

具体实施时，选择出有机膜和无机膜之后，如图2所示，可以通过以下方法来制作上述人造岩心：

将选择的有机膜和无机膜裁切为直径(例如，直径可以为1英寸)相同的膜圆片，如图2所示的膜圆片a、b、c、d；具体的，对于无机膜可以采用激光切割等方式，对于有机膜可以采用冲压等切割方法。

将所有的膜圆片(如图2所示的膜圆片a、b、c、d)同心叠放，形成柱体；

沿着所述柱体的轴向施加压力(如图2所示的f所代表的箭头方向为施加压力的方向)，将所有的膜圆片压实，得到柱体形状的所述人造岩心。

具体的，可以利用空心圆柱模具封装由所有的膜圆片组成的所述柱体，以便得到人造岩心。

具体的，如图2所示，还可以在所述柱体与所述空心圆柱模具之间灌注环氧树脂胶进行固化封装。具体操作时应选择粘稠度较高、固化较快的环氧树脂胶，避免膜材料对胶水大量吸附。在柱体形状的人造岩心固化后，对人造岩心清洗、干燥，该过程为多种多孔膜材料的活化过程，将孔道内的油、水等污染物去除，以便用于物理模拟。

具体实施时，也可以采用其他方式封装由所有的膜圆片组成的所述柱体，如制作环形夹具，将圆形膜片的四周紧密夹紧。

具体实施时，为了保证该多层膜人造岩心的力学性能，避免多层膜被污染或破坏，在本实施例中，如图2所示，在所述柱体的两端分别设置有垫片，该垫片可以为孔隙相对较大的多孔陶瓷或金属垫片。

上述岩石样品以四川盆地龙马溪组页岩气页岩为例，以下详细描述采用上述用于模拟致密岩石的人造岩心的制作方法制作多层膜人造岩心的工作过程，如图3所示，该过程包括以下步骤：

步骤1、取一块页岩岩心样品，获取岩心样品的矿物组成、总有机质含量、无机矿物孔隙特征、有机矿物孔隙特征。将页岩样品制成粉体进行toc测试，测得样品总有机碳toc约为2.3％。切割成小的块状样品10mm*10mm*3mm，表面用0.5μm研磨剂机械研磨，用leicares102设备进行离子束抛光，用用于高分辨率扫描电镜二维分析(maps)、fib-sem三维孔隙分析、qemscan矿物组成分析。根据高分辨率扫描电镜maps分析，设置900张图像，获得4mm*3mm区域的高分辨率扫描电镜图像，经过分析得到总面孔率为3.2％、有机质孔隙面孔率为0.06％与孔径分布20～100nm占50％、无机矿物孔隙面孔率为3.14％与孔径分布100～300nm占50％，矿物颗粒粒级100～200μm、有机质颗粒粒级30～40μm、有机质面积百分比3％，qemscan分析表明石英30％、长石35％、黏土矿物21％、其他14％。

步骤2、按岩石样品的孔隙特征选择有机膜、无机膜材料的种类、厚度、堆叠方式。根据页岩的矿物组成，选择无机膜，利用氧化锆多孔法生产的zro2平板陶瓷膜，孔径为0.2μm，孔隙率30％，单片厚度0.1mm，共5片；再选用氧化铝无机膜，孔径为0.1μm，孔隙率35％，厚度0.06mm，共6片；再选用聚四氟乙烯膜，孔径0.02μm，孔隙率70％，厚度0.06mm，共3片。两侧选用泡沫镍，厚度5mm，孔径0.1mm，孔隙率70％，共2片。将选好的无机膜用切磨机做成1英寸直径的圆片，选好的有机膜用冲压机做成1英寸直径的圆片，将所有膜圆片保证圆心重合叠放，形成柱体。

步骤3、沿着柱体的轴向方向用压片机持续施加压力将所有膜圆片压紧，选用直径1.2英寸的空心圆柱模具套于多层膜圆片的两侧，选用ab胶，将胶水和匀后注入膜圆片形成的柱体与空心圆柱模具两侧的空隙中，柱体固化后得到多层膜人造岩心。

步骤4、将固化后的多层膜人造岩心用无水乙醇超声清洗20分钟，将孔道内的油、水等污染物去除，然后用80℃的真空干燥烘箱进行活化，多层膜人造岩心即可用于物理模拟，该多层膜人造岩心由a、b、c、d、e、f层组成。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种用于模拟致密岩石的人造岩心，如下面的实施例所述。由于用于模拟致密岩石的人造岩心解决问题的原理与用于模拟致密岩石的人造岩心的制作方法相似，因此用于模拟致密岩石的人造岩心的实施可以参见用于模拟致密岩石的人造岩心的制作方法的实施，重复之处不再赘述。

在本实施例中，提供了一种用于模拟致密岩石的人造岩心，包括：

有机膜；

无机膜，其中，所述有机膜和所述无机膜是根据岩石样品的矿物相关参数、孔隙相关参数以及有机质相关参数确定的。

在一个实施例中，所述无机膜是针对所述岩石样品的无机孔隙，根据无机孔隙的所述矿物相关参数和所述孔隙相关参数确定的；

所述有机膜是针对所述岩石样品的有机孔隙，根据有机孔隙的所述有机质相关参数和所述孔隙相关参数确定的。

在一个实施例中，所述无机膜包括陶瓷多孔膜或金属多孔膜；所述有机膜包括高分子膜。

在一个实施例中，所述岩石样品中无机孔隙和有机孔隙的比例与所述人造岩心中无机膜的总厚度和有机膜的总厚度的比例一致。

在一个实施例中，在所述人造岩心中，设置有非规则形状的无孔隙的隔板来模拟所述岩石样品内部的非均质性特征。

在一个实施例中，所述有机膜和所述无机膜为直径相同的膜圆片；

所有的膜圆片同心叠放，形成柱体；

所述人造岩心为柱体形状，其中，所述人造岩心为柱体形状，其中，所述柱体形状是沿着所述柱体的轴向施加压力使得所有的膜圆片压实得到的。

在一个实施例中，所述柱体的两端分别设置有垫片。

本发明实施例实现了如下技术效果：通过使用有机膜和无机膜来制造人造岩心，实现了通过多层膜等效页岩结构来制作人造岩心，由于有机膜和无机膜的使用，使得制造的人造岩心既有有机质组分，又有无机矿物组分，进而使得多膜组成的人造岩心有利于实现真正模拟页岩内部的情况；同时，由于是基于矿物相关参数、孔隙相关参数以及有机质相关参数来选择有机膜和无机膜的，使用选择的有机膜和无机膜制造的人造岩心更能符合岩石属性，此外，在基于矿物相关参数、孔隙相关参数以及有机质相关参数来选择有机膜和无机膜的过程中可以调整、控制有机膜和无机膜的选择(例如，调整、控制有机膜和无机膜的类型、数量等)，使得有利于调整、控制人造岩心的孔隙度、孔隙分布以及有机-无机孔隙的百分比等参数变量，进而有利于在物理模拟中实现变量控制，有利于非常规致密储层物理模拟的开展。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。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。