一種基于動(dòng)力地質(zhì)學(xué)的仿真巖心的制備裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種石油系統(tǒng)科研用巖心樣品的獲取技術(shù)，特別涉及一種基于動(dòng)力地 質(zhì)學(xué)的仿真巖心的制備裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石油工程生產(chǎn)和科研中，越來(lái)越需要以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為支撐進(jìn)行后續(xù)分析和決策，因 此對(duì)巖心的數(shù)量需求也越來(lái)越大。但是，實(shí)際地層的取芯工作流程復(fù)雜、難度大、成本高，天 然巖心十分珍貴，遠(yuǎn)不能滿足大量實(shí)驗(yàn)的需求，因此，制作人造巖心進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究是非 常必要的。人造巖心制作主要有石英砂充填、磷酸鋁石英燒結(jié)和環(huán)氧樹脂壓制膠結(jié)等方法， 其中，石英砂充填人造巖心的膠結(jié)強(qiáng)度較低，只能用于模擬輸送砂巖地層；磷酸鋁石英燒結(jié) 會(huì)破壞原始巖心的組分和含量，改變巖心性質(zhì)；環(huán)氧樹脂壓制巖心雖然孔隙度、滲透率等物 性參數(shù)與天然巖心比較接近，且操作相對(duì)簡(jiǎn)便，可重復(fù)性較好，然而使用環(huán)氧樹脂系膠結(jié)劑 改變了巖石的原始膠結(jié)方式，且容易對(duì)粘土礦物造成包裹，與天然巖心有一定差別。通過調(diào) 研相關(guān)的專利和文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)目前應(yīng)用上述方法所制作的人造巖心只能在孔隙度和滲透率等 物性參數(shù)以及巖心敏感性上與天然巖心有一定的相似度，在力學(xué)和結(jié)構(gòu)上根本無(wú)法滿足生 產(chǎn)和科研對(duì)巖心的要求。因此，發(fā)明一種人造仿真巖心的制作裝置和方法，能最大程度的模 擬天然巖心的礦物組分、粒度分布以及成巖過程和環(huán)境，使其能在孔隙度、滲透率等物性參 數(shù)以及聲波波速、應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)特性等方面都能與天然巖心相似，具有十分重要的意義 和作用。該仿真巖心不僅可以用于巖心流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)，還可以用于相關(guān)的巖石力學(xué)特性實(shí) 驗(yàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種基于動(dòng)力地質(zhì)學(xué)的仿 真巖心的制備裝置及方法，主要是用于大量制作與原地層巖心成分、物理及力學(xué)性質(zhì)極其 相似的仿真巖心，滿足生產(chǎn)和科研實(shí)驗(yàn)的需要。
[0004] 本發(fā)明提到的一種基于動(dòng)力地質(zhì)學(xué)的仿真巖心的制備裝置，包括軸壓加載系統(tǒng) (1)、圍壓加載系統(tǒng)（2)、仿真巖心（3)、高壓釜（4)、孔隙流體控制系統(tǒng)（5)、計(jì)算機(jī)信號(hào)采集 及控制系統(tǒng)（6)、溫度控制系統(tǒng)（7)、聲波測(cè)試系統(tǒng)（8)，高壓釜（4)內(nèi)裝有仿真巖心（3)，仿 真巖心（3)的上部連接軸壓加載系統(tǒng)（1 )，下部連接孔隙流體控制系統(tǒng)（5)和聲波測(cè)試系統(tǒng) (8);所述的高壓釜（4)的外側(cè)連接圍壓加載系統(tǒng)（2)和溫度控制系統(tǒng)（7)，且軸壓加載系統(tǒng) (I) 、圍壓加載系統(tǒng)（2)、孔隙流體控制系統(tǒng)（5)、溫度控制系統(tǒng)（7)、聲波測(cè)試系統(tǒng)（8)分別 連接計(jì)算機(jī)信號(hào)采集及控制系統(tǒng)（6 )。
[0005] 上述的高壓釜（4)包括卡環(huán)（9)、套環(huán)（10)、高壓釜釜體（11)、軸壓加載柱塞（12)、 底座（13)，底座（13)的上側(cè)通過套環(huán)（10)和卡環(huán)（9)配合與高壓釜釜體（11)活動(dòng)連接， 高壓釜釜體（11)的頂部安裝有軸壓加載柱塞（12)，且軸壓加載柱塞（12)位于高壓釜釜體 (II) 內(nèi)腔的仿真巖心（3)的上方；所述的高壓釜釜體（11)的外側(cè)設(shè)有加熱器（19)，圍壓流 體出口（20)設(shè)置在高壓釜釜體（11)的上側(cè)； 上述的底座（13)包括柱形中心凸起（13. 1)、固定環(huán)（13. 2)、底座主體（13. 3)，底座主 體（13. 3)的上側(cè)中心為柱形中心凸起（13. 1)，柱形中心凸起（13. 1)的中部外壁設(shè)有固 定環(huán)（13. 2)，固定環(huán)（13. 2)與底座主體（13. 3)的上表面之間為固定槽（13. 4)，且固定槽 (13. 4)的外徑大于柱形中心凸起（13. 1)的上側(cè)外徑。
[0006] 上述的底座主體（13. 3)和柱形中心凸起（13. 1)內(nèi)部一側(cè)設(shè)有孔隙流體進(jìn)孔（16) 和圍壓流體注入孔（18)，另一側(cè)設(shè)有數(shù)據(jù)線接孔（15)和孔隙流體出孔（17)。
[0007] 上述的仿真巖心（3)的安設(shè)在下部墊塊（22)的上側(cè)，仿真巖心（3)的上側(cè)為上部 墊塊（25 )，所述的下部墊塊（22 )和上部墊塊（25 )內(nèi)部分別設(shè)有聲波探頭（26 )，仿真巖心 (3)的外側(cè)設(shè)有位移傳感器（24);底座（13)上的孔隙流體進(jìn)孔（16)通過管道并穿過上部墊 塊（25)與仿真巖心（3)的頂部相接；底座（13)上的孔隙流體出孔（17)通過管道并穿過下 部墊塊（22)與仿真巖心（3)的底部相接。
[0008] 上述的柱形中心凸起（13. 1)的上表面通過巖心總成固定銷（14)和沉孔（23)固定 下部墊塊（22);所述的下部墊塊（22)的中心凸起與仿真巖心（3)的底部配合，外側(cè)與位移 傳感器（24)的底部連接。
[0009] 本發(fā)明提到的一種基于動(dòng)力地質(zhì)學(xué)的仿真巖心的制備裝置的使用方法，包括以下 步驟： (1) 選取一定數(shù)量的目標(biāo)巖心，通過地應(yīng)力測(cè)試，確定目標(biāo)巖心在地層真實(shí)條件下所處 的地應(yīng)力狀態(tài)； (2) 在目標(biāo)巖心所處的地應(yīng)力狀態(tài)下測(cè)定目標(biāo)巖心的滲透率、聲波速度和全應(yīng)力-應(yīng) 變曲線； (3) 利用測(cè)試完地應(yīng)力及滲透率、聲波等的目標(biāo)巖心進(jìn)行粉碎研磨，對(duì)其進(jìn)行礦物組分 分析和粒度組成分析，確定目標(biāo)巖心的礦物組成和粒度分布； (4) 收集與目標(biāo)巖心礦物組成相似的鉆井巖肩，并對(duì)其進(jìn)行粉碎，按照目標(biāo)巖心的粒度 分布對(duì)其進(jìn)行篩分并分組，作為壓制仿真巖心的原料備用； (5) 根據(jù)所需壓制的仿真巖心的質(zhì)量，按照目標(biāo)巖心的粒度組成分布，分別稱取一定質(zhì) 量的相應(yīng)粒度的粉碎后的巖肩，將其充分混合均勻后裝入仿真巖心初樣壓制模具中，通過 分層擊實(shí)法制得仿真巖心初樣，仿真巖心初樣在地層溫度、三維應(yīng)力狀態(tài)以及孔隙流體共 同作用下進(jìn)行仿真壓制，同時(shí)在壓制過程中監(jiān)測(cè)巖心的滲透率以及聲波波速，通過調(diào)整圍 壓和軸壓的加載速度，最終壓制得到與目標(biāo)巖心在孔隙度、滲透率等物性參數(shù)以及聲波速 度、應(yīng)力應(yīng)變曲線等力學(xué)參數(shù)全面相似的人造仿真巖心。
[0010] 優(yōu)選的，所需選取的目標(biāo)巖心是直徑為25mm，高度為50mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心，所需 巖心的數(shù)量為5~6塊，其中4塊用于測(cè)定地應(yīng)力，剩余的1~2塊用于測(cè)定滲透率、聲波速度 以及應(yīng)力應(yīng)變曲線，對(duì)目標(biāo)巖心進(jìn)行端面磨平處理。
[0011] 另外，步驟（5)的仿真壓制過程為：將圍壓和軸壓同步增加到0. 25MPa，實(shí)現(xiàn)仿真 巖心外側(cè)的熱塑管（27)的良好密封，開啟加熱器（19)，升溫至地層溫度，同時(shí)緩慢同步增 加圍壓和孔壓，直到孔壓達(dá)到實(shí)際地層孔隙壓力水平；維持孔壓不變，緩慢同步增加圍壓和 軸壓，直到圍壓達(dá)到實(shí)際最小水平地應(yīng)力水平；維持孔壓、圍壓不變，緩慢增加軸壓，直到達(dá) 到實(shí)際上覆巖層壓力水平；維持孔壓、圍壓、軸壓不變，保持該狀態(tài)24~48小時(shí)；關(guān)閉加熱套 筒，降溫至常溫，繼續(xù)保持壓力條件24~48小時(shí)；最后，完成仿真壓制，泄壓，拆卸仿真壓制 裝置，取出仿真巖心成品。
[0012] 還有，在仿真壓制過程中，利用聲波探頭，進(jìn)行縱橫波實(shí)時(shí)測(cè)試，同時(shí)利用孔隙流 體循環(huán)回路進(jìn)行液測(cè)滲透率，利用縱橫波及滲透率的實(shí)時(shí)測(cè)試，監(jiān)測(cè)仿真巖樣動(dòng)態(tài)彈性參 數(shù)以及滲透率的變化； 將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的滲透率值以及聲波波速與目標(biāo)巖心的滲透率值以及聲波速度進(jìn)行對(duì)比， 以此來(lái)對(duì)圍壓和軸壓的加載速度進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，同時(shí)，在仿真壓制末期使用LVDT位移傳感 器測(cè)量巖心的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，使得最終壓制成型的仿真巖心的滲透率、聲波速度以及應(yīng) 力-應(yīng)變監(jiān)測(cè)指標(biāo)與目標(biāo)巖心的滲透率、聲波速度以及應(yīng)力-應(yīng)變的誤差控制在10%以內(nèi)。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是： (1) 本發(fā)明通過提供與實(shí)際地層相近的溫壓、孔隙流體以及動(dòng)態(tài)加載環(huán)境，可以較為真 實(shí)的模擬天然巖石的壓實(shí)成巖過程。這是已有的人造巖心制備方法所從未涉及的； (2) 本發(fā)明的裝置可以真實(shí)的模擬地層的溫壓、孔隙流體環(huán)境，并對(duì)仿真巖心進(jìn)行動(dòng)態(tài) 加載壓制，使用本裝置結(jié)合本發(fā)明所述的仿真巖心制備方法，可以用于大量制作與原地層 巖心成分、物理及力學(xué)性質(zhì)極其相似的仿真巖心，以滿足生產(chǎn)和科研實(shí)驗(yàn)的需要； (3) 本發(fā)明制備的仿真巖心所使用的巖石顆粒的礦物組成以及粒度分布與天然巖心及 其相似，并且在壓制過程中利用巖肩中所含的天然膠結(jié)物進(jìn)行膠結(jié)，不使用人造膠結(jié)劑，從 而可以最大程度的還原天然巖心的孔隙度和滲透率；同時(shí)，在壓制過程中提供與原始地層 相似的溫壓以及孔隙流體環(huán)境，并通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)壓力加載速度進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，從而使所 得到的仿真巖心的力學(xué)性質(zhì)與天然巖心的力學(xué)性質(zhì)及其相似。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖； 附圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖3是本發(fā)明的底座的結(jié)構(gòu)圖； 附圖4是附圖2的A-A結(jié)構(gòu)圖； 上圖中：軸壓加載系統(tǒng)1、圍壓加載系統(tǒng)2、仿真巖心3、高壓釜4、孔隙流體控制系統(tǒng)5、 計(jì)算機(jī)信號(hào)采集及控制系統(tǒng)6、溫度控制系統(tǒng)7、聲波測(cè)試系統(tǒng)8、卡環(huán)9、套環(huán)10、高壓釜釜 體11、軸壓加載柱塞12、底座13、巖心總成固定銷14、數(shù)據(jù)線接孔15、孔隙流體進(jìn)孔16、孔