一种基于动力地质学的仿真岩心的制备装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种石油系统科研用岩心样品的获取技术，特别涉及一种基于动力地 质学的仿真岩心的制备装置及方法。
【背景技术】
[0002] 石油工程生产和科研中，越来越需要以实验数据为支撑进行后续分析和决策，因 此对岩心的数量需求也越来越大。但是，实际地层的取芯工作流程复杂、难度大、成本高，天 然岩心十分珍贵，远不能满足大量实验的需求，因此，制作人造岩心进行相关实验研究是非 常必要的。人造岩心制作主要有石英砂充填、磷酸铝石英烧结和环氧树脂压制胶结等方法， 其中，石英砂充填人造岩心的胶结强度较低，只能用于模拟输送砂岩地层；磷酸铝石英烧结 会破坏原始岩心的组分和含量，改变岩心性质；环氧树脂压制岩心虽然孔隙度、渗透率等物 性参数与天然岩心比较接近，且操作相对简便，可重复性较好，然而使用环氧树脂系胶结剂 改变了岩石的原始胶结方式，且容易对粘土矿物造成包裹，与天然岩心有一定差别。通过调 研相关的专利和文献，发现目前应用上述方法所制作的人造岩心只能在孔隙度和渗透率等 物性参数以及岩心敏感性上与天然岩心有一定的相似度，在力学和结构上根本无法满足生 产和科研对岩心的要求。因此，发明一种人造仿真岩心的制作装置和方法，能最大程度的模 拟天然岩心的矿物组分、粒度分布以及成岩过程和环境，使其能在孔隙度、渗透率等物性参 数以及声波波速、应力应变等力学特性等方面都能与天然岩心相似，具有十分重要的意义 和作用。该仿真岩心不仅可以用于岩心流动模拟实验，还可以用于相关的岩石力学特性实 验。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于动力地质学的仿 真岩心的制备装置及方法，主要是用于大量制作与原地层岩心成分、物理及力学性质极其 相似的仿真岩心，满足生产和科研实验的需要。
[0004] 本发明提到的一种基于动力地质学的仿真岩心的制备装置，包括轴压加载系统 (1)、围压加载系统（2)、仿真岩心（3)、高压釜（4)、孔隙流体控制系统（5)、计算机信号采集 及控制系统（6)、温度控制系统（7)、声波测试系统（8)，高压釜（4)内装有仿真岩心（3)，仿 真岩心（3)的上部连接轴压加载系统（1 )，下部连接孔隙流体控制系统（5)和声波测试系统 (8);所述的高压釜（4)的外侧连接围压加载系统（2)和温度控制系统（7)，且轴压加载系统 (I) 、围压加载系统（2)、孔隙流体控制系统（5)、温度控制系统（7)、声波测试系统（8)分别 连接计算机信号采集及控制系统（6 )。
[0005] 上述的高压釜（4)包括卡环（9)、套环（10)、高压釜釜体（11)、轴压加载柱塞（12)、 底座（13)，底座（13)的上侧通过套环（10)和卡环（9)配合与高压釜釜体（11)活动连接， 高压釜釜体（11)的顶部安装有轴压加载柱塞（12)，且轴压加载柱塞（12)位于高压釜釜体 (II) 内腔的仿真岩心（3)的上方；所述的高压釜釜体（11)的外侧设有加热器（19)，围压流 体出口（20)设置在高压釜釜体（11)的上侧； 上述的底座（13)包括柱形中心凸起（13. 1)、固定环（13. 2)、底座主体（13. 3)，底座主 体（13. 3)的上侧中心为柱形中心凸起（13. 1)，柱形中心凸起（13. 1)的中部外壁设有固 定环（13. 2)，固定环（13. 2)与底座主体（13. 3)的上表面之间为固定槽（13. 4)，且固定槽 (13. 4)的外径大于柱形中心凸起（13. 1)的上侧外径。
[0006] 上述的底座主体（13. 3)和柱形中心凸起（13. 1)内部一侧设有孔隙流体进孔（16) 和围压流体注入孔（18)，另一侧设有数据线接孔（15)和孔隙流体出孔（17)。
[0007] 上述的仿真岩心（3)的安设在下部垫块（22)的上侧，仿真岩心（3)的上侧为上部 垫块（25 )，所述的下部垫块（22 )和上部垫块（25 )内部分别设有声波探头（26 )，仿真岩心 (3)的外侧设有位移传感器（24);底座（13)上的孔隙流体进孔（16)通过管道并穿过上部垫 块（25)与仿真岩心（3)的顶部相接；底座（13)上的孔隙流体出孔（17)通过管道并穿过下 部垫块（22)与仿真岩心（3)的底部相接。
[0008] 上述的柱形中心凸起（13. 1)的上表面通过岩心总成固定销（14)和沉孔（23)固定 下部垫块（22);所述的下部垫块（22)的中心凸起与仿真岩心（3)的底部配合，外侧与位移 传感器（24)的底部连接。
[0009] 本发明提到的一种基于动力地质学的仿真岩心的制备装置的使用方法，包括以下 步骤： (1) 选取一定数量的目标岩心，通过地应力测试，确定目标岩心在地层真实条件下所处 的地应力状态； (2) 在目标岩心所处的地应力状态下测定目标岩心的渗透率、声波速度和全应力-应 变曲线； (3) 利用测试完地应力及渗透率、声波等的目标岩心进行粉碎研磨，对其进行矿物组分 分析和粒度组成分析，确定目标岩心的矿物组成和粒度分布； (4) 收集与目标岩心矿物组成相似的钻井岩肩，并对其进行粉碎，按照目标岩心的粒度 分布对其进行筛分并分组，作为压制仿真岩心的原料备用； (5) 根据所需压制的仿真岩心的质量，按照目标岩心的粒度组成分布，分别称取一定质 量的相应粒度的粉碎后的岩肩，将其充分混合均匀后装入仿真岩心初样压制模具中，通过 分层击实法制得仿真岩心初样，仿真岩心初样在地层温度、三维应力状态以及孔隙流体共 同作用下进行仿真压制，同时在压制过程中监测岩心的渗透率以及声波波速，通过调整围 压和轴压的加载速度，最终压制得到与目标岩心在孔隙度、渗透率等物性参数以及声波速 度、应力应变曲线等力学参数全面相似的人造仿真岩心。
[0010] 优选的，所需选取的目标岩心是直径为25mm，高度为50mm的标准尺寸岩心，所需 岩心的数量为5~6块，其中4块用于测定地应力，剩余的1~2块用于测定渗透率、声波速度 以及应力应变曲线，对目标岩心进行端面磨平处理。
[0011] 另外，步骤（5)的仿真压制过程为：将围压和轴压同步增加到0. 25MPa，实现仿真 岩心外侧的热塑管（27)的良好密封，开启加热器（19)，升温至地层温度，同时缓慢同步增 加围压和孔压，直到孔压达到实际地层孔隙压力水平；维持孔压不变，缓慢同步增加围压和 轴压，直到围压达到实际最小水平地应力水平；维持孔压、围压不变，缓慢增加轴压，直到达 到实际上覆岩层压力水平；维持孔压、围压、轴压不变，保持该状态24~48小时；关闭加热套 筒，降温至常温，继续保持压力条件24~48小时；最后，完成仿真压制，泄压，拆卸仿真压制 装置，取出仿真岩心成品。
[0012] 还有，在仿真压制过程中，利用声波探头，进行纵横波实时测试，同时利用孔隙流 体循环回路进行液测渗透率，利用纵横波及渗透率的实时测试，监测仿真岩样动态弹性参 数以及渗透率的变化； 将实时监测的渗透率值以及声波波速与目标岩心的渗透率值以及声波速度进行对比， 以此来对围压和轴压的加载速度进行反馈调节，同时，在仿真压制末期使用LVDT位移传感 器测量岩心的应力-应变曲线，使得最终压制成型的仿真岩心的渗透率、声波速度以及应 力-应变监测指标与目标岩心的渗透率、声波速度以及应力-应变的误差控制在10%以内。
[0013] 本发明的有益效果是： (1) 本发明通过提供与实际地层相近的温压、孔隙流体以及动态加载环境，可以较为真 实的模拟天然岩石的压实成岩过程。这是已有的人造岩心制备方法所从未涉及的； (2) 本发明的装置可以真实的模拟地层的温压、孔隙流体环境，并对仿真岩心进行动态 加载压制，使用本装置结合本发明所述的仿真岩心制备方法，可以用于大量制作与原地层 岩心成分、物理及力学性质极其相似的仿真岩心，以满足生产和科研实验的需要； (3) 本发明制备的仿真岩心所使用的岩石颗粒的矿物组成以及粒度分布与天然岩心及 其相似，并且在压制过程中利用岩肩中所含的天然胶结物进行胶结，不使用人造胶结剂，从 而可以最大程度的还原天然岩心的孔隙度和渗透率；同时，在压制过程中提供与原始地层 相似的温压以及孔隙流体环境，并通过实时监测对压力加载速度进行反馈调节，从而使所 得到的仿真岩心的力学性质与天然岩心的力学性质及其相似。
【附图说明】
[0014] 附图1是本发明的结构原理图； 附图2是本发明的结构示意图； 附图3是本发明的底座的结构图； 附图4是附图2的A-A结构图； 上图中：轴压加载系统1、围压加载系统2、仿真岩心3、高压釜4、孔隙流体控制系统5、 计算机信号采集及控制系统6、温度控制系统7、声波测试系统8、卡环9、套环10、高压釜釜 体11、轴压加载柱塞12、底座13、岩心总成固定销14、数据线接孔15、孔隙流体进孔16、孔