本發(fā)明涉及一種半膠結(jié)人造巖心模型及其填砂裝置和方法，屬于多孔介質(zhì)物理模型構(gòu)建技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

人造巖心模型是石油工程領(lǐng)域中常用的人造多孔介質(zhì)模型，該模型模擬了砂巖的沉積過程。砂巖由性質(zhì)不同、形狀各異、大小不等的砂粒經(jīng)膠結(jié)物膠結(jié)而成，砂粒和膠結(jié)物構(gòu)成巖石骨架，骨架之間未被填充的空間構(gòu)成了孔隙。人造多孔介質(zhì)模型可有效地模擬油、氣、水在多孔介質(zhì)中的滲流規(guī)律，具有成本低、方法簡單、模擬可信度高的特點。在油藏工程中，利用人造巖心進行物理模擬實驗是必不可少的，可為油氣田開發(fā)提供重要的參考依據(jù)。油氣田開發(fā)具有成本高、技術(shù)含量高、地域差異性大等特征，在對某一區(qū)塊的油氣田開發(fā)方案制定中，通常需要結(jié)合該區(qū)塊的油層物理數(shù)據(jù)，以巖心驅(qū)替系統(tǒng)為核心進行室內(nèi)模擬實驗，實驗的數(shù)據(jù)將是該區(qū)塊制定科學(xué)合理、經(jīng)濟高效的開發(fā)方案的可靠依據(jù)。同時，隨著油氣田開發(fā)的難度越來越大，新的開發(fā)技術(shù)層出不窮，巖心驅(qū)替實驗也是對新石油開采技術(shù)進行評價的主要實驗方法。

人造巖心作為人工合成的多孔介質(zhì)模型，是石油行業(yè)進行科學(xué)研究的重要物理模型。根據(jù)其維度不同，分為：管狀的一維巖心、平板狀的二維巖心和立體狀的三維巖心。其中以一維巖心模型最常用，也是與本發(fā)明最相近似的實現(xiàn)方案。目前主要的一維巖心模型有以下幾種：鋼制石英砂填砂巖心、膠結(jié)巖心、燒結(jié)巖心、天然巖心。其優(yōu)缺點見下表：

以一維管狀填砂模型為例，常采用不銹鋼管制作，內(nèi)部充填特定的石英砂，兩端端口設(shè)置過濾網(wǎng)防止石英砂從端口排出，最后設(shè)計端口通過螺紋擰緊。針對油藏巖石的不同的孔喉尺寸特征和滲透率要求，可通過調(diào)節(jié)填砂所用的石英砂尺寸、比例、表面性質(zhì)、填制壓力等參數(shù)，獲得與實際地層相近的物性特征，從而模擬油、氣、水、化學(xué)劑、顆粒等在地層中的運移、流動、吸附等現(xiàn)象，是目前最常用的人造模型。該填砂管的設(shè)計在實際使用中，容易出現(xiàn)以下問題：①制作成本高，填制費時費力，不銹鋼管的加工需要特殊的設(shè)備和工藝；②密封性要求高，高壓驅(qū)替時端口容易出現(xiàn)漏油、漏水；③容易出現(xiàn)砂漏、砂堵，過濾網(wǎng)不能有效攔截微小砂粒和黏土礦物，出口易出現(xiàn)漏砂或者砂堵；④砂粒在管中的穩(wěn)定性差，當(dāng)濾網(wǎng)不能攔截微小顆?；蛘吖軆?nèi)出現(xiàn)較大空間時，很容易造成砂粒在管內(nèi)重新分配，形成高滲區(qū)，在驅(qū)替時出現(xiàn)波及不均勻和水竄現(xiàn)象。以常規(guī)膠結(jié)模型為例，膠結(jié)模型是通過選取不同比例、不同粒徑的砂巖與樹脂混勻，設(shè)計不同的模具在一定的壓力下膠結(jié)后制成不同形狀的巖心塊，以一維柱狀的膠結(jié)巖心塊為例，通常為直徑25mm，長度為6-10cm的巖心塊，將其置于巖心夾持器中，進行驅(qū)替實驗。但上述膠結(jié)巖心在實際使用中，存在以下幾個缺點：①樹脂嚴(yán)重改變了巖心砂粒的表面性質(zhì)，如潤濕性、對化學(xué)劑的吸附性能等，所以不利于驅(qū)油效率實驗的模擬；②砂巖與樹脂的比例難調(diào)節(jié)，當(dāng)在砂粒粒徑較小或加入黏土礦物，巖心容易被完全膠死，用膠量減少，則膠結(jié)不穩(wěn)固。③巖心在巖心夾持器中當(dāng)加入高圍壓時，巖心的孔隙結(jié)構(gòu)會因圍壓影響發(fā)生改變，巖心物性發(fā)生變化。

滲透率是指一定的壓差下，巖石允許流體通過能力的大小，是評價油層特性、巖石允許流體通過能力的重要參數(shù)，是巖石固有的性質(zhì)，與巖石的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，與所通過的流體無關(guān)。在填砂模型中，滲透率通常是最常用、最重要的參數(shù)，它直接關(guān)系到了流體在巖心中的滲流能力。因此，準(zhǔn)確控制人造巖心的滲透率，獲得滲透率穩(wěn)定的巖心，減小實驗誤差，對制定合理的現(xiàn)場施工方案具有重要的意義。巖心的滲透率可以通過達西定律如公式(1)進行測定，通常以水或者干燥空氣為流動介質(zhì)進行測定，水測滲透率依據(jù)的方法如下：

式中：Q為注入水的流量，cm³/s；ΔP為巖心兩端的壓差，10^-1MPa；A為巖心的截面積，cm²；μ為水的粘度，mPa·s；L為巖心的長度，cm；K為巖心的滲透率，μm²。

通過驅(qū)替實驗，平流泵固定注入水的注入速度Q，直尺測定巖心的長度L、截面積A，粘度計測定該溫度下水的粘度μ，壓力傳感器測定巖心兩端的壓差ΔP，根據(jù)該公式，計算巖心的水測滲透?？芍獫B透率與兩端的壓差成反比，當(dāng)壓差維持穩(wěn)定時，滲透率保持穩(wěn)定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有巖心模型構(gòu)建技術(shù)的缺點，本發(fā)明提供一種可用于常規(guī)巖心夾持器的半膠結(jié)人造填砂管巖心模型及其填制裝置與方法，該技術(shù)通過在一定尺寸有機玻璃管中，兩端制作砂粒膠結(jié)區(qū)，中部空間填入石英砂。通過簡單、有效的方法改變現(xiàn)有巖心的制作方法，克服常規(guī)巖心制作技術(shù)中存在的缺陷。①選用有機玻璃管作為巖心外殼，大大降低了制作成本，也解決了巖心夾持器的高圍壓改變巖心結(jié)構(gòu)的問題，同時也首次將填砂巖心與巖心夾持器結(jié)合了起來，充分利用巖心夾持器在驅(qū)替中成熟的技術(shù)優(yōu)勢；②巖心中間空間填入石英砂，作為影響巖心物性的主要部分，克服了膠結(jié)巖心表面性質(zhì)被樹脂改變、易被膠死的缺陷，達到了充分模擬油藏砂巖的目的；③兩端為膠結(jié)砂粒，在填砂裝置中壓實，完全避免了填砂巖心中砂粒移動、砂堵、砂漏、出現(xiàn)高滲區(qū)等問題。該巖心制作簡單，省時省力，將多種常規(guī)巖心的優(yōu)點融合，獲得優(yōu)質(zhì)的、可用于模擬油水滲流的的巖心，為油藏物理模擬研究提供了方便、實用的物理模型，模擬數(shù)據(jù)誤差小、可信度高，為制定合理的現(xiàn)場施工方案提供重要的參考依據(jù)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種半膠結(jié)人造填砂管巖心模型，由透明有機玻璃管、中部石英砂填充區(qū)和兩端砂粒膠結(jié)區(qū)構(gòu)成。其構(gòu)成和功能如下：

(1)透明有機玻璃管的尺寸一般為外直徑25mm、長度6-10cm，首先它提供一個管狀的內(nèi)部空間作為構(gòu)建該巖心孔隙結(jié)構(gòu)的主體；其次該有機玻璃管的尺寸符合常規(guī)巖心夾持器的使用尺寸，與現(xiàn)有的驅(qū)替系統(tǒng)兼容；最后它可以作為保護內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的外殼，加圍壓時，巖心夾持器中的橡膠套緊貼在玻璃管的外壁，避免了對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的擠壓。

(2)中部石英砂填充區(qū)是將不同粒徑的石英砂在填砂裝置中填入形成，該區(qū)域占據(jù)了整個巖心的大部分體積，控制著巖心的物性參數(shù)，如孔隙度、滲透率等。

(3)兩端砂粒膠結(jié)區(qū)由粗砂與環(huán)氧樹脂AB膠在有機玻璃管的兩端固結(jié)形成，具有過濾作用，驅(qū)替過程中避免了中部填砂區(qū)微小砂粒隨著流體流動排出；緊緊地與中間填砂區(qū)結(jié)合在一起，使控制巖心物性參數(shù)的中間填砂區(qū)的砂粒被牢牢地固定住，避免了砂粒的移動；環(huán)氧樹脂AB膠的膠結(jié)溫度和膠結(jié)時間適合操作，膠結(jié)力強，用量很少，并且該膠可以在酸性的過氧化物熱溶液中被破膠溶解，可以依此原理回收有機玻璃管，進一步降低制作成本。

一種上述半膠結(jié)人造填砂管巖心模型的填制裝置，該裝置由手動水力壓力泵、泄壓閥、壓力表、固定支架、實心螺紋鐵桿和一端開口的具塞中間容器組成，該裝置的制作方法包括以下步驟：

(1)制作固定支架，固定支架包括上固定鐵板和下固定鐵板，鐵板之間通過一定長度的鐵桿相連；

(2)在上固定鐵板鉆取與上述巖心模型內(nèi)直徑相同的螺紋鉆孔，同時選取該直徑的實心螺紋鐵桿作為壓實巖心的壓實棒，該壓實棒可以旋轉(zhuǎn)進出，要求與巖心接觸一端的壓實棒沒有螺紋，接觸面平整；

(3)制作一個一端開口的具塞中間容器作為壓實巖心的加壓裝置，容器的內(nèi)直徑略大于上述巖心模型的外直徑，開口端朝上與壓實棒相對，中間容器的另一端與下固定鐵板固定，并且中間容器的該端最底部留有出水口；

(4)上述步驟(3)中的中間容器的出水口依次與壓力表、泄壓閥、手動水力加壓泵通過高壓管線相聯(lián)，則該裝置制作完成。

一種利用上述填制裝置制作半膠結(jié)人造填砂管巖心模型的方法，該方法包括以下步驟：

(1)取一支外徑為25mm，內(nèi)徑為21mm，壁厚為2mm的有機玻璃管，用專用的切割刀具切割成實驗需求的長度，將切口打磨平整；

(2)將整個裝置和巖心放入60℃烘箱中，將粒徑較粗的石英砂和環(huán)氧樹脂AB膠按照一定的比例混合均勻作為膠結(jié)砂，填入有機玻璃管的一端，放入填砂裝置后，旋轉(zhuǎn)壓實棒推進，用手動水力加壓泵給中間容器的下部空間注水加壓，直至所需要的壓力，并維持一定時間，膠結(jié)區(qū)的厚度根據(jù)實驗要求確定。

(3)打開泄壓，反向旋轉(zhuǎn)壓實棒退出，填入中部填砂區(qū)所需要的石英砂，繼續(xù)重復(fù)步驟(2)，依次分段填砂壓實。

(4)當(dāng)填砂距管口一定厚度時，再填入步驟(2)中的膠結(jié)砂，壓實，將整個裝置和巖心放入60℃烘箱中至完全固結(jié)。

(5)取出巖心，放入60℃烘箱中完全烘干后，模型填制完成。使用時，將模型看作是標(biāo)準(zhǔn)巖心，填入巖心夾持器中使用即可。

本發(fā)明在不對現(xiàn)有的驅(qū)替裝置進行改動的情況下，改變巖心制作工藝，發(fā)明了一種簡單實用、可用于常規(guī)巖心夾持器的巖心模型。通過該模型可進行從低壓至高壓的驅(qū)替實驗，研究油、氣、水、化學(xué)劑等多相流體在油藏多孔介質(zhì)中的滲流過程。

該發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供了一種半膠結(jié)人造填砂管巖心模型及其填制裝置與方法，本發(fā)明的優(yōu)點在于：①降低巖心制作成本，降低巖心制作的技術(shù)門檻，提高巖心的制作效率。選用有機玻璃管作為巖心外殼，成本低，不需要專門的不銹鋼加工、巖心燒結(jié)設(shè)備和技術(shù)，填砂裝置高效，可以滿足油田和實驗室大量使用巖心的要求；②巖心的孔隙結(jié)構(gòu)用有機玻璃管保護起來，高壓驅(qū)替時，有效避免了高圍壓對巖心的破壞和孔隙結(jié)構(gòu)的改變；③巖心的砂粒表面性質(zhì)不被膠結(jié)物改變，與油藏的砂巖的表面相似度高。④該巖心與常規(guī)的巖心夾持器結(jié)合使用，以及兩端砂粒膠結(jié)區(qū)的設(shè)計，不會出現(xiàn)漏水、漏油、漏沙、砂堵等常規(guī)驅(qū)替實驗中常見的問題，也避免了常規(guī)巖心中砂粒移動、出現(xiàn)大滲透率孔道的問題。⑤該模型采用透明的有機玻璃管制作，取出后可以觀察巖心內(nèi)油水的運移，采用的膠結(jié)用膠可以在酸性過氧化物熱水溶液中破膠溶解，有機玻璃管可回收重復(fù)利用。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，實用性強，模擬可信度高，是一種適合推廣的新型巖心模型制作技術(shù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種半膠結(jié)人造填砂管巖心模型填砂裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明一個實施例中巖心孔隙度測定裝置。

圖3為本發(fā)明一個實施例中巖心滲透率測定裝置。

圖4為本發(fā)明一個實施例中繪制的注入水體積與注入壓力的關(guān)系曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行描述，以便更好的理解本發(fā)明。

實施例

本發(fā)明所述的一種半膠結(jié)人造填砂管巖心模型，該模型由透明有機玻璃管、中部石英砂填充區(qū)和兩端砂粒膠結(jié)區(qū)構(gòu)成。在本發(fā)明的一個實施例中，有機玻璃管外直徑25mm，內(nèi)直徑21mm，管壁厚2mm，長度為60mm，其中中部填砂區(qū)長度為44mm，兩端砂粒膠結(jié)區(qū)長度均為8mm。

本發(fā)明所述的一種該人造巖心模型的填砂裝置，如圖1所示，該裝置包括手動水力加壓泵1、泄壓閥2、壓力表3、固定支架4、實心螺紋鐵桿5、一端開口的具塞中間容器6組成。巖心管7如圖2放置，中間容器的加壓工作液為水8，手動水力加壓泵1、泄壓閥2、壓力表3與一端開口的具塞中間容器6通過管線依次相連；手動水力加壓泵的壓力范圍為0-6MPa；實心螺紋鐵桿5通過螺紋固定在鐵制固定支架4上，作為壓實棒；實心螺紋鐵桿的直徑為有機玻璃管的內(nèi)直徑，恰好能插入有機玻璃管中，轉(zhuǎn)動實心螺紋鐵桿可以升降。本發(fā)明的一個實施例中，實心螺紋鐵桿的直徑為21mm，長度為300mm，固定支架的上下固定鐵板尺寸為150×50×10mm，上下固定鐵板的距離為300mm。一端開口的具塞中間容器尺寸如圖3所示，外直徑為30mm，內(nèi)直徑為26mm，總高度為200mm，出水口直徑為3mm。

參見圖1，在本發(fā)明的一個實施例中，一種可用于巖心夾持器的半膠結(jié)人造填砂管巖心模型，依據(jù)本發(fā)明的填制作方法，其制作步驟為：

(1)取一支外徑為25mm，內(nèi)徑為21mm，壁厚為2mm的有機玻璃管，用專用的切割刀具切割成實驗需求的長度，將切口打磨平整，在本發(fā)明的一個實施例中，其長度為60mm。

(2)將整個裝置和巖心放入60℃烘箱中，將粒徑較粗的石英砂和環(huán)氧樹脂AB膠按照一定的比例混合均勻作為膠結(jié)砂，填入有機玻璃管的一端，放入填砂裝置后，旋轉(zhuǎn)壓實棒推進，用手動水力加壓泵給中間容器的下部空間注水加壓，直至所需要的壓力，并維持一定時間，膠結(jié)區(qū)的厚度根據(jù)實驗要求確定。在本發(fā)明的一個實施例中，壓力為6MPa，維持10min，膠結(jié)區(qū)厚度為8mm。

(3)打開泄壓，反向旋轉(zhuǎn)壓實棒退出，填入中部填砂區(qū)所需要的石英砂，繼續(xù)重復(fù)步驟(2)，依次分段壓實。

(4)當(dāng)填砂距管口一定厚度時，再填入步驟(2)中的膠結(jié)砂，壓實，將整個裝置和巖心放入60℃烘箱中至完全固結(jié)。在本發(fā)明的一個實施例中，距管口8mm時，開始填入膠結(jié)砂，放入烘箱12h完全固結(jié)。

(5)取出巖心，放入60℃烘箱中完全烘干后，模型填制完成。使用時，將模型看作是標(biāo)準(zhǔn)巖心，填入巖心夾持器中使用即可。在本發(fā)明的一個實施例中，完全烘干時間為24h。

本發(fā)明工作時，可以將模型看成標(biāo)準(zhǔn)巖心，烘干后測定其孔隙度，孔隙度測定示意圖如圖2，水測巖心滲透率測定示意圖如圖3，采用公式(1)計算巖心的滲透率。

式中：Q為注入水的流量，cm³/s；ΔP為巖心兩端的壓差，10^-1MPa；A為巖心的截面積，cm²；μ為水的粘度，mPa·s；L為巖心的長度，cm；K為巖心的滲透率，μm²。

本發(fā)明的一個實施例的注水實驗如圖4，以水進行驅(qū)替時，其注入壓力保持不變，說明巖心內(nèi)部砂粒被完全固定下來，不受流體沖刷作用，符合驅(qū)替實驗要求。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍。