利用冷冻钻取技术制作人造岩心的方法与流程

本发明涉及油田开发技术领域，特别是涉及到一种利用冷冻钻取技术制作人造岩心的方法。

背景技术：

天然油藏岩石有固（胶）结和疏松两种形态，通常孔隙结构比较复杂，孔隙内壁比较粗糙，充填各种粘土矿物，有上百微米的大孔喉，也有不足百分之一微米的小孔喉，渗透率范围广；组成岩石的各种成分复杂，长期与原油和水接触，其润湿性有亲水、中性和亲油，并且是非均匀润湿，具有混合润湿、斑状润湿等特征。

目前，人工制作岩心的方法很多，按岩心特性分主要有磷酸铝岩心、环氧树脂岩心、人工填砂（或玻璃珠等）岩心。前两种为胶结岩心，岩心外表是裸露的，制作工艺有相似之处；人工填砂岩心是疏松岩心，依靠套在岩心外面的填砂管成型。三种人造岩心的特点不同：

1、磷酸铝岩心

上世纪七十年代，胜利油田地质院唐仁骐等人发明了磷酸铝模型，并在1985年第6期《石油钻采工艺》发表文章“人造平面模型的制作与研究”，详细说明了磷酸铝模型的制作工艺和应用，此技术2004年被杨怀军等申请专利（公开号是CN1587960 A）。随后磷酸铝模型不断得到发展，先后有唐仁骐的“GM人造岩样的制作与研究”（1994年《复式油气田》第3期）、王建等的“SL－II油藏物理模型”（2003年《石油学报》第6期）等。

磷酸铝模型是经过高温烧结而成的胶结模型，孔隙表面比较粗糙、能经受高温高压、压汞曲线比较接近油藏岩石等，是其与环氧树脂模型相比的优越之处；但其最大的不足是高温下粘土性质丧失严重，部分微细孔隙被烧掉。模型由于经过高温烧结，所以初始润湿性为强亲水。

2、环氧树脂岩心

环氧树脂模型也是在上世纪七、八十年代就开始在大庆、胜利等油田应用，唐仁骐的“HNT人造岩样的制作和研究”（1998年《石油钻采工艺》第一期）、卢祥国等的“石英砂环氧树脂胶结岩心及其制备方法”（2005年，公开号：CN1664547 A）、万金彬等的“一种含粘土人工岩心的制作方法”（2006年，公开号：CN100573092C）都是环氧树脂模型。

环氧树脂模型是一种低温胶结模型，是在砂粒表面粘附一层环氧树脂，然后再粘附粘土等物质，是一种含有粘土性质的岩心，这是它比磷酸铝模型最大的优点。但环氧树脂凝固后表面呈玻璃态，非常光滑，一些微小孔隙也会被胶结死，在高温、高压下也易变形；同时环氧树脂是一种亲油物质，模型初始润湿性基本为亲油。

专利CN100545625C和专利CN102757212 B也属于胶结岩心，但没有公开使用何种胶结剂。

3、填砂管岩心

人工填砂（或玻璃珠等）岩心应用也很早，制作难度最低，使用也最广泛，是非胶结岩心。制作时将不同粒度的砂料加入在填砂管中，通过不断的敲击填砂管来振动压实砂料，模型可以保持各种粘土的性质和粒级组成。其不足是主要靠人工完成，工作量大，岩心内部的均质性难以控制，砂粒的压实程度有限，与油藏岩石相比，相似粒度组成下岩心渗透率偏高，驱替时岩心内部容易出现砂粒的运移，在驱替流程出口管线处形成出砂堵塞。

此外还有一种露头岩心，是选取某处特有的天然岩石，开采大块岩石后取心得到，属于人工加工的岩心而非人造岩心。其孔隙结构与油藏岩石相似，但其开采、运输成本高，并且物性是天然形成的，不能实现特定粒度组成、粘土成分及含量等设计要求，并且目前获得的露头岩心渗透率都比较低，很难获得渗透率较高于1000毫达西的岩心。

为此我们发明了一种新的利用冷冻钻取技术制作人造岩心的方法，解决了以上技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够更全面模拟油藏岩石主要物性的人造岩心制作方法，为开展各种油藏渗流实验，提供与天然油藏岩石的多孔介质特性更相似的模型的利用冷冻钻取技术制作人造岩心的方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：利用冷冻钻取技术制作人造岩心的方法，该利用冷冻钻取技术制作人造岩心的方法包括：步骤1，设计岩心模型配方，确定不同粒度石英砂与粘土的比例；步骤2，进行砂料的充填和压实；步骤3，将压好的模型冷冻，然后取出并立即进行液氮钻取岩心，将钻取的岩心再次冷冻；步骤4，将冷冻中的钻取的岩心取出，进行包封、加压，最后将样品烘干备用。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

在步骤1中，根据目标油藏的物性参数，包括粒度组成、粘土成分及含量，来确定不同粒度石英砂与粘土的比例，并根据油藏的润湿性特征对石英砂表面进行润湿性处理。

在步骤2中，根据石英砂和粘土的量，按一定比例加入适量水，充分搅拌，使砂料稍微润湿；准备好填砂模具，将砂料均匀倒入模具中，用液压机对模具内的砂料进行压实。

在步骤3中，将压好的模型放入－70℃的低温冰箱中冷冻24小时，然后取出并立即进行液氮钻取岩心，将钻取的岩心再放入－70℃低温冰箱中冷冻4小时以上。

在步骤4中，将冷冻中的钻取的岩心取出，按实验室包封疏松样品的方法，对岩心进行铅皮包封，并在岩心夹持器中加压固型，然后放入烘箱中，在65℃左右烘干48小时以上即可备用。

本发明中的利用冷冻钻取技术制作人造岩心的方法，其步骤包括：岩心模型配方设计，砂料在模具中的充填和压实，岩心模型的冷冻钻取、岩心的包封和烘干等。该方法根据油藏岩心的物性参数，如粒度、粘土含量、渗透率、孔隙度、压汞毛压曲线、润湿性等，来设计砂料配方，制作出的岩心的粒度组成和粘土含量与油藏岩石接近，压汞曲线显示与天然油藏岩心高度相似，初始润湿性可以从亲水到亲油，并可实现混合润湿状态，渗透率范围可控制在几个毫达西到上万毫达西以上。该方法操作方便，制作周期短，克服了目前人造岩心在粘土性质、孔隙结构、润湿性控制等方面所存在的一些不完善之处，能够更全面地满足油藏渗流机理方面的研究需要，综合了目前各种人造岩心制作方法优点的、全面模拟油藏岩石主要物性参数，具有粘土性质、孔隙结构与油藏相似、润湿性符合油藏实际、渗透率范围大的优点。相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

①该方法采用低温冷冻成型技术，完整保留了岩心中的粘土性质；

②不经过高温烧结，微细孔隙得到完整保留，压汞曲线反映的孔隙结构与同岩性的实际油藏岩石一致；

③该方法制作的岩心初始润湿性为强亲水，可调整成弱亲水、中性、亲油等类型，并可实现混合润湿状态；

④相同配方下，冷冻钻取法制作的模型压实程度更大，密度更高，渗透率可以控制得更低，同时也降低了模型在驱替实验中的出砂机率。

附图说明

图1为本发明的利用冷冻钻取技术制作人造岩心的方法的一具体实施例的流程图；

图2为本发明的一具体实施例中制作出的岩心的压汞曲线。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本发明的利用冷冻钻取技术制作人造岩心的方法的流程图。

在步骤101，设计岩心模型配方。该步骤根据目标油藏的物性参数，如粒度组成、粘土成分及含量，来确定不同粒度石英砂与粘土的比例，并根据油藏的润湿性特征对石英砂表面进行润湿性处理。

在步骤102，进行砂料的充填和压实。该步骤中根据石英砂和粘土的量，按一定比例加入适量水，充分搅拌，使砂料稍微润湿。准备好填砂模具，将砂料均匀倒入模具中，用液压机对模具内的砂料进行压实。

在步骤103，进行模型的冷冻和钻取。该步骤中将压好的模型放入低温冰箱中冷冻，然后取出并立即进行液氮钻取岩心，将钻出的岩心再放入低温冰箱中冷冻。

在步骤104，将岩心包封和烘干。将钻取的岩心从低温冰箱取出，按实验室包封疏松样品的方法进行包封、加压，最后将样品放入烘箱烘干备用。

在应用本发明的一具体实施例中，包括了以下步骤 ：

1）配方设计

以下表1所列配方为例，按比例称取不同粒组的石英砂和粘土，并根据需要将部分石英砂表面进行润湿性处理，可达到混合润湿效果。

表1石英砂和粘土比例配方

2）充填压实

先在液压机平台上准备好30cm×30cm×12cm的模具，将称量的砂料混合均匀，并加入适量的水（砂料能用手握成团即可）。称取一定量的砂料倒入模具中，充分搅拌均匀，盖上压块，用液压机将压块压下，使模型达到设计厚度。

3）冷冻钻取

将压好的模型从模具中取出，小心移入－70℃的低温冰箱中冷冻24小时，然后用液氮做循环液钻取岩心，再放入－70℃低温冰箱中冷冻4小时以上。

4）包封烘干

把冻好的岩心从冰箱中取出，按实验室包封疏松样品的方法，对岩心进行铅皮包封，并在岩心夹持器中加压固型，然后放入烘箱中，在65℃左右烘48小时以上即可备用。

图2为制作出的岩心的压汞曲线，表2为其特征参数。

表2 所测岩心特征参数

以上所述仅为本发明的较佳实施例，非用以限定本发明的专利范围，其他运用本发明的专利精神的等效变化，均应俱属本发明的专利范围。