人造儲層物理模型的制備方法及其專用膠結劑的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種人造儲層物理模型的制備方法及其專用膠結劑。本發(fā)明的膠結劑組成包括：水玻璃70-80重量份，固化劑10-25重量份、加強劑5-10重量份，其中所述加強劑為硅鋁酸鹽。本發(fā)明采用所述專用膠結劑制備人造儲層物理模型，首先將專用膠結劑與礦物原料以20-30：100的重量比混勻，得到混合料；再將混合料裝入模具中壓制成型，成型的混合料脫模后在不高于80℃的溫度下烘干，制得人造儲層物理模型。本發(fā)明制備的人造儲層物理模型機械強度高、穩(wěn)定性好，由于沒有改變及破壞礦物原料的組成，因此能夠較為真實地反映所模擬的天然儲層，可廣泛應用于石油和/或天然氣開發(fā)研究領域。
【專利說明】人造儲層物理模型的制備方法及其專用膠結劑

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種人造儲層物理模型的制備方法，尤其涉及一種人造油氣田儲層物 理模型的制備方法其專用膠結劑，屬于人造儲層物理模型【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 天然巖心由于存在資源短缺、重復性差、無法模擬儲層的非均質(zhì)性等缺陷，從而導 致油氣田開發(fā)物理模擬實驗對人造儲層物理模型的需求十分迫切，人造儲層物理模型因此 成為油氣田開發(fā)科學研究中必不可少的基礎。目前常用的人造儲層物理模型的制備方法主 要包括環(huán)氧樹脂膠結石英砂和磷酸鋁石英砂燒結兩種。然而，采用環(huán)氧樹脂膠結工藝制備 人造儲層模型時，環(huán)氧樹脂完全包覆在石英砂等礦物原料的表面，利用此模型進行模擬實 驗時，大部分注入液會進入環(huán)氧樹脂的孔隙中，從而導致儲層模型的孔隙表面特性與真實 儲層差異較大；而采用磷酸鋁石英砂燒結技術會破壞礦物原料成分從而改變其組成，同樣 會導致制備的儲層模型不能夠真實準確地反映油氣田儲層的各種特性。
[0003] 水玻璃是由堿金屬氧化物和二氧化硅結合而成的可溶性堿金屬硅酸鹽材料，因其 具有良好的粘結能力而被廣泛應用于膠結劑組分上?，F(xiàn)有技術中通常會向水玻璃中加入無 機鹽(如氯化鋁、氯化鎂、氯化鈣、硅酸鈣等）來對其進行固化，加入氯鹽的主要目的是利用 其水解產(chǎn)生的H+來與水玻璃中的0Γ發(fā)生中和反應，從而使水玻璃的水解向生成硅酸溶膠 的方向進行，進而使水玻璃固化。雖然此過程中產(chǎn)生的新化學鍵（如-Si-0-ΑΗ或新化合 物（如硅酸鈣）能夠增加水玻璃固化后的強度和耐水性，但是固化后的水玻璃中仍然存在 大量的羥基（如HO-Si-0-Si-、HO-Al-0-Si-)，這些羥基通過氫鍵與水分子結合，會使水玻 璃固化所產(chǎn)生的交聯(lián)網(wǎng)絡結構發(fā)生溶脹，從而無法經(jīng)受長時間的水流沖刷，這顯然不能滿 足石油與天然氣開發(fā)研究領域中對模型穩(wěn)定性的要求。
[0004] 中國發(fā)明專利CN102757212A公開了一種砂巖儲層低滲透人造巖心的制作方法， 采用配比為100 :1. 1-1. 8 :1. 5-2. 5的硅酸鉀、氟硅酸鈉和硅酸鈣作為膠結劑，在與礦物原 料按比例充分混合均勻后，在26MPa下預壓0. 5min，經(jīng)脫模、碾碎、再次過篩后，采用分質(zhì)分 壓的制作方法在26-80MPa下運用液壓系統(tǒng)持續(xù)加壓30min-60min，最后在變溫、定時條件 下烘干，烘干的溫度和時間依次為40°C 16h、80°C 8h、120°C 16h、160°C 8h、200°C 20h。然 而此方法工藝相對復雜，而且制備的人造巖心的裸壓承壓能力僅達到7. 5MPa，無法滿足高 壓驅替需求；另外，其要求的烘干溫度較高，容易改變或破壞礦物原料的晶格結構，無法較 好地模擬天然儲層的各種真實特性；再者，其膠結劑中所采用硅酸鈣組分會使制備的儲層 模型在模擬水驅或化學驅時產(chǎn)生諸多不可控因素(如增加水的pH值、導致表面活性劑析出 等)，均不利于儲層模型的實際應用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種人造儲層物理模型專用膠結劑，其具有普遍的適用性，可用于各 種不同組成的礦物原料，利用其制備人造儲層物理模型時所需的烘干溫度低，不會破壞礦 物原料的組成，制備的模型機械強度高、穩(wěn)定性好。
[0006] 本發(fā)明還提供一種人造儲層物理模型及制備該人造儲層物理模型的方法，其操作 簡單，工藝易于控制，可以根據(jù)需要來調(diào)整工藝，從而制備出具有不同機械強度并且能夠較 好地模擬天然儲層的各種真實特性的均質(zhì)或非均質(zhì)的物理模型。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明提供的人造儲層物理模型專用膠結劑，其組成包括：水玻璃70-80重 量份，固化劑10-25重量份、加強劑5-10重量份，其中所述加強劑為硅鋁酸鹽。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明提供的人造儲層物理模型專用膠結劑，其中所述水玻璃可以選自鈉水 玻璃（Na20 · nSi02)或鉀水玻璃（K20 · nSi02)，優(yōu)選為鈉水玻璃。本發(fā)明對所述水玻璃的質(zhì) 量參數(shù)沒有嚴格要求，本領域常規(guī)使用的水玻璃(如模數(shù)為2. 2-3. 7、玻美度為35-52Be、密 度為1. 31?1. 56g/mL的水玻璃)均適用于本發(fā)明?；谝撞僮餍苑矫娴目紤]，可以使用模 數(shù)2. 2-2. 5、玻美度40-46Be的鈉水玻璃。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明提供的人造儲層物理模型專用膠結劑，其中所述固化劑是可以使水玻 璃固化的物質(zhì)，可以使用例如氯化鋁、氯化鎂、氯化鈣、硅酸鈣等常規(guī)固化劑，但優(yōu)選地是， 該固化劑能夠水解產(chǎn)生H+，通過其與水玻璃中的0H_發(fā)生的中和反應，使水玻璃的水解向生 成硅酸溶膠的方向進行，進而使水玻璃固化。發(fā)明人的研究顯示，采用氟硅化物作為固化 齊U，所形成的膠結劑用于制備人造儲層物理模型，不僅機械強度高，用于石油和/或天然氣 開發(fā)模擬研究時，其良好的穩(wěn)定性更利于相關的研究應用，該結果應該是源于氟硅化物對 水玻璃進行固化時不會產(chǎn)生無機堿，制備的人造儲層物理模型呈中性，在采用此模型進行 石油和/或天然氣開發(fā)模擬研究時不會改變驅油劑的酸堿性，因此不會給模擬研究帶來不 可控因素的影響。所以，本發(fā)明的固化劑優(yōu)選為氟硅化物，尤其可以是氟硅酸鹽類，例如可 以是氟硅酸鈉。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明提供的人造儲層物理模型專用膠結劑，其中所述加強劑為硅鋁酸鹽， 例如硅鋁酸鈉。硅鋁酸鹽中的鋁原子能夠與水玻璃中的羥基完全結合，形成Si-0-Al鍵，從 而加強了水玻璃所形成的網(wǎng)絡結構，利于提高所制備的物理模型的抗壓強度。由于羥基被 完全結合，網(wǎng)絡結構中不再含有羥基，因此可以避免模型在與水的長期接觸過程中發(fā)生溶 脹，有利于提高模型的穩(wěn)定性?？梢愿鶕?jù)實際需要，通過調(diào)節(jié)加強劑硅鋁酸鹽的濃度來調(diào)節(jié) 所制備的人造儲層物理模型的機械強度，適用性好，應用范圍廣泛。
[0011] 在本發(fā)明中，人造儲層物理模型專用膠結劑的優(yōu)選組成為：水玻璃70-80重量份， 氟硅化物10-25重量份、硅鋁酸鹽5-10重量份。具體實施方案中，該人造儲層物理模型專用 膠結劑的組成為：水玻璃75-80重量份，氟硅化物10-15重量份、硅鋁酸鹽6-8重量份。按 照此組成的膠結劑，在相同的制備工藝下能夠制得較高抗壓強度的人造儲層物理模型。上 述人造儲層物理模型專用膠結劑所采用的原料均可商購得到。
[0012] 本發(fā)明還提供一種制備人造儲層物理模型的方法，包括以下步驟：
[0013] 將上述人造儲層物理模型專用膠結劑與礦物原料以20-30 :100的重量比混勻，得 到混合料；
[0014] 將混合料裝入模具中壓制成型，成型的混合料脫模后在不高于80°C的溫度下烘 干，制得人造儲層物理模型。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的方法，當采用單一組成的礦物原料進行制備時，可以制得均質(zhì)的人 造儲層物理模型。本發(fā)明還可以分別將人造儲層物理模型專用膠結劑與含有不同組分的礦 物原料以20-30 :100的重量比混勻后制得相應的混合料，再將相應的混合料分層裝入模具 中壓制成型，烘干后制得人造儲層物理模型，此時制得的物理模型是非均質(zhì)的，能夠更好地 模擬非均質(zhì)地藏的真實情況。本發(fā)明還可以采用本領域常規(guī)其它的方法制備非均質(zhì)的人造 物理模型，如采用單一組成的礦物原料，通過分層控制壓制的壓力及壓制時間來制備非均 質(zhì)人造物理模型。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的方法，所述礦物原料的組分可以根據(jù)其所模擬的天然巖心的組成或 者實際應用的需要進行選擇，其可以包括但不限于石英砂、長石、粘土礦物、方解石、白云石 中的一種或多種，并且可以根據(jù)實際應用的需要，選擇具有適當粒徑的礦物原料，一般情況 下，石英砂的粒徑為20-1000目，長石的粒徑為400-1000目，粘土礦物的粒徑為400-1000 目，方解石的粒徑為400-1000目。本發(fā)明礦物原料的組成可以根據(jù)其所模擬的天然巖心 組成或者根據(jù)模擬試驗對人造模型的需要進行選配，例如在制備大慶某油田儲層物理模型 時，其天然巖心的組成為（質(zhì)量含量）：石英砂85%，長石10%，粘土礦物5%，本發(fā)明制備人造 儲層物理模型時選配的礦物原料組成可以為（質(zhì)量含量）：石英砂85%，長石10%，粘土礦物 5%;礦物原料中各組分的粒徑根據(jù)所模擬的天然巖心的滲透率大小或者根據(jù)模擬試驗對人 造模型的需要進行選擇。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的方法，所述壓制成型具體為：在室溫下、在15-28MPa的絕對壓力下 持續(xù)壓制4-16小時進行成型。相比于現(xiàn)有技術的工藝，本發(fā)明壓制溫度低，壓制壓力和時 間適宜，可以較好地保證模型中應力的傳導，制得的人造物理模型質(zhì)地均勻，穩(wěn)定性好。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的方法，所述烘干的溫度一般控制為50-80°C，利于得到滿足需要的模 型。本發(fā)明在較低的烘干溫度下制備模型，不會造成礦物原料組成的改變及破壞，能夠保證 制得的人造物理模型與天然巖心組成基本相同，因此能夠較為真實地反映所模擬的油氣田 儲層的各種特性。本發(fā)明對烘干時間沒有嚴格限制，以至少使模型達到固化的程度為準，根 據(jù)烘干溫度的設置，一般控制烘干時間為24-48h可以達到要求。
[0019] 本發(fā)明還提供一種按照上述方法制得的人造儲層物理模型以及所述人造儲層物 理模型在石油和/或天然氣開發(fā)研究領域中的應用。
[0020] 本發(fā)明方案的實施，至少具有以下優(yōu)勢：
[0021] 1、本發(fā)明提供的專用膠結劑組成配方科學合理，其中固化劑對主要膠粘成分水玻 璃進行固化，加強劑不僅可以加強固化形成的網(wǎng)絡結構，還可以結合多余的羥基，從而提高 制得的物理模型的機械強度和穩(wěn)定性，適用性好。
[0022] 2、本發(fā)明提供的人造儲層物理模型的制備方法操作簡單、工藝要求低、易于控制、 安全環(huán)保，特別是較低的烘干溫度可以避免礦物組成的改變及破壞，可以方便地通過調(diào)節(jié) 工藝參數(shù)來制備滿足不同需求的均質(zhì)或非均質(zhì)的人造模型。
[0023] 3、本發(fā)明提供的人造儲層物理模型機械強度高、耐酸耐水、pH值呈中性、并且穩(wěn)定 性好，不僅能滿足高壓驅替需求，還能較好地反映天然儲層的真實情況，在驅替模擬實驗中 不易堵塞、不會因模型的pH值給模擬研究帶來不可控因素的影響，能夠滿足石油和/或天 然氣開發(fā)研究領域對人造物理模型的需求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1為本實施例1所模擬的天然巖心的X射線衍射圖；
[0025] 圖2為本實施例1制備的人造儲層物理模型的X射線衍射圖；
[0026] 圖3為本實施例2所模擬的天然巖心的X射線衍射圖；
[0027] 圖4為本實施例2制備的人造儲層物理模型的X射線衍射圖；
[0028] 圖5為本實施例1制備的人造儲層物理模型進行穩(wěn)定性測試時的壓力與驅替時間 的關系曲線圖；
[0029] 圖6為本實施例2所模擬的天然巖心進行模擬水驅油試驗時的進出口壓差、含水 率及累積采收率與驅替劑注入PV數(shù)的關系曲線圖；
[0030] 圖7為本實施例2制備的人造儲層物理模型進行模擬水驅油試驗時的進出口壓 差、含水率及累積采收率與驅替劑注入PV數(shù)的關系曲線圖；
[0031] 圖8為本實施例3制備的人造儲層物理模型進行模擬復合驅油試驗時的進出口壓 差、含水率及累積采收率與驅替劑注入PV數(shù)的關系曲線圖。

【具體實施方式】
[0032] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例，對本發(fā) 明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施 例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性 勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0033] 本發(fā)明實施例中所采用的各種粒徑范圍的礦物原料均購自北京太行石英砂公司。 [0034] 實施例1制備模擬大慶某一儲層天然巖心的均質(zhì)人造儲層物理模型
[0035] 1、天然巖心組成及物性參數(shù)測定
[0036] 天然巖心來源于大慶油田，采用X射線衍射儀對其進行XRD全巖分析，XRD圖譜見 圖1，其相應的組成結果見表1 ;采用SY/T5336-2006行業(yè)標準中所述方法測定其氣測滲透 率、孔隙度和孔隙體積，結果見表2。
[0037] 2、制備均質(zhì)人造儲層物理模型
[0038] 將450g氟硅酸鈉加入到2. 31kg水玻璃中，在室溫下攪拌至氟硅酸鈉均勻分散后， 再加入240g硅鋁酸鈉，在室溫下攪拌至硅鋁酸鈉分散均勻后，制得3kg人造儲層物理模型 專用膠結劑，其中各組分的質(zhì)量含量分別為：水玻璃77%，氟硅酸鈉15%，硅鋁酸鈉8%。
[0039] 根據(jù)上述天然巖心的氣測滲透率，分別取40-400目的石英砂12. 75kg，400-1000 目的長石1. 5kg，400-1000目的粘土礦物0. 75kg，混合均勻后，制得氣測滲透率與天然巖心 相同或相近的礦物原料15kg，其中各組分的質(zhì)量含量分別為：石英砂85%，長石10%，粘土礦 物5%。
[0040] 將上述制備的3kg專用膠結劑與15kg礦物原料混合均勻，得到混合料；將混合料 裝入模具中，在室溫下、在27. 8MPa的絕對壓力下持續(xù)壓制8小時進行成型，成型的混合料 脫模后在50-60°C下烘干至膠結劑完全固化，經(jīng)鉆取制得Φ2. 5cmX 10cm的均質(zhì)人造儲層 物理模型，其XRD圖譜見圖2,相應的組成結果見表1，氣測滲透率、孔隙度和孔隙體積結果 見表2。
[0041] 此外，采用SY/T5276-2000行業(yè)標準中所述方法測定制得的人造儲層物理模型的 抗壓強度，結果見表2。
[0042] 實施例2制備模擬大慶某一儲層天然巖心的均質(zhì)人造儲層物理模型
[0043] 1、天然巖心組成及物性參數(shù)測定
[0044] 天然巖心來源于大慶油田，其XRD圖譜見圖3,相應的組成結果見表1，氣測滲透 率、孔隙度和孔隙體積結果見表2。
[0045] 2、制備均質(zhì)人造儲層物理模型
[0046] 將540g氟硅酸鈉加入到2. 772kg水玻璃中，在室溫下攪拌至均勻分散后，再加入 288g硅鋁酸鈉，在室溫下攪拌至分散均勻后，制得3. 6kg人造儲層物理模型專用膠結劑，其 中各組分的質(zhì)量含量分別為：水玻璃77%，氟硅酸鈉15%，硅鋁酸鈉8%。
[0047] 根據(jù)上述天然巖心的氣測滲透率，分別取40-400目的石英砂6kg，400-1000目的 長石4. 5kg，400-1000目的粘土礦物1. 5kg，400-1000目的方解石3kg，混合均勻后，制得 15kg礦物原料，其中各組分的質(zhì)量含量分別為：石英砂40%，長石30%，粘土礦物10%，方解石 20%。
[0048] 將上述制備的3. 6kg專用膠結劑與15kg礦物原料混合均勻，得到混合料；將混合 料裝入模具中，在室溫下、在27. 8MPa的絕對壓力下持續(xù)壓制10小時進行成型，成型的混合 料脫模后在70-80°C下烘干24h (此時膠結劑完全固化)，經(jīng)鉆取制得Φ2. 5cmX 10cm的均 質(zhì)人造儲層物理模型，其XRD圖譜見圖4,相應的組成結果見表1，抗壓強度、氣測滲透率、孔 隙度和孔隙體積結果見表2。
[0049] 實施例3制備非均質(zhì)人造儲層物理模型
[0050] 將429g氟硅酸鈉加入到2. 64kg水玻璃中，在室溫下攪拌至均勻分散后，再加入 231g硅鋁酸鈉，在室溫下攪拌至分散均勻后，制得3. 3kg人造儲層物理模型專用膠結劑，其 中各組分的質(zhì)量含量分別為：水玻璃80%，氟硅酸鈉13%，硅鋁酸鈉7%。
[0051] 按照850mD的氣測滲透率要求，分別取40-120目的石英砂5. 09kg、400-1000目的 長石185g、400-1000目的粘土礦物185g，混合均勻后，制得5. 46kg高滲礦物原料(其中石英 砂、長石、粘土礦物的質(zhì)量配比為27. 5 :1 :1);
[0052] 按照330mD的氣測滲透率要求，分別取20-100目的石英砂3. 19 kg、400-1000目的 長石1. 37 kg、400-1000目的粘土礦物638g、400-1000目的方解石272g，混合均勻后，制得 5. 47kg中滲礦物原料(其中石英砂、長石、粘土礦物、方解石的質(zhì)量配比為35 :15 :7 :3);
[0053] 按照120mD的氣測滲透率要求，分別取120-1000目的石英砂4. 47 kg、400-1000目 的長石700g、400-1000目的粘土礦物300g，混合均勻后，制得5. 47kg低滲礦物原料(其中石 英砂、長石、粘土礦物的質(zhì)量配比為45 :7 :3);
[0054] 分別將1. 1kg上述制備的專用膠結劑加入到上述制得的高、中、低滲礦物原料中， 混合均勻，得到高、低、中滲混合料；再依次將高、低、中滲混合料放入模具中，形成上、中、下 三層，在室溫下、在24MPa的絕對壓力下壓制12h進行成型，脫模后，將模型在70-80°C下烘 干48h (此時膠結劑完全固化)，烘干后的模型鉆取成4. 5cm (長）X 30cm (寬）X4. 5cm (高， 其中上、中、下各層的厚度均為1. 5cm)，制得人造非均質(zhì)方形巖心模型，其平均氣測滲透率、 孔隙度和孔隙體積結果見表2。
[0055] 表1天然巖心及制備的相應人造儲層物理模型的組成
[0056]

【權利要求】
1. 一種人造儲層物理模型專用膠結劑，其組成包括：水玻璃70-80重量份，固化劑 10-25重量份、加強劑5-10重量份，其中所述加強劑為硅鋁酸鹽。
2. 根據(jù)權利要求1所述的人造儲層物理模型專用膠結劑，其特征在于，所述固化劑為 氟硅化物。
3. 根據(jù)權利要求2所述的人造儲層物理模型專用膠結劑，其特征在于，所述氟硅化物 為氟硅酸鹽。
4. 一種制備人造儲層物理模型的方法，包括以下步驟： 將權利要求1至3中任一所述的人造儲層物理模型專用膠結劑與礦物原料以20-30 : 100的重量比混勻，得到混合料； 將混合料裝入模具中壓制成型，成型的混合料脫模后在不高于80°C的溫度下烘干，制 得人造儲層物理模型。
5. 根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，分別將人造儲層物理模型專用膠結劑與 含有不同組分的礦物原料以20-30 :100的重量比混勻后制得相應的混合料，再將所述相應 的混合料分層裝入模具中壓制成型，烘干后制得人造儲層物理模型。
6. 根據(jù)權利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述礦物原料的組分選自石英砂、長 石、粘土礦物、方解石、白云石中的一種或多種。
7. 根據(jù)權利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述壓制成型具體為：在室溫下、在 15-28MPa的絕對壓力下持續(xù)壓制4-16小時進行成型。
8. 根據(jù)權利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述烘干的溫度為50-80°C。
9. 根據(jù)權利要求4至8中任一所述方法制得的人造儲層物理模型。
10. 權利要求9所述的人造儲層物理模型在石油和/或天然氣開發(fā)研究領域中的應用。
【文檔編號】B28B3/02GK104230298SQ201310252919
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月24日 優(yōu)先權日:2013年6月24日
【發(fā)明者】岳湘安, 賀杰, 曹磊, 欒強 申請人:中國石油大學