具备层理的致密人造页岩岩心制作方法及其成型模具与流程

本发明属于页岩气开发技术领域，具体涉及是一种具备层理的致密人造页岩岩心制作方法及其成型模具。

背景技术：

页岩气是一种主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，具有油气运移距离较短、含气面积分布广等特点。随着美国页岩气革命实现了页岩气气藏的大规模商业化开发，世界各国开始逐步重视对页岩气的开发和利用。

我国页岩气资源量丰富。不同于美国，我国页岩储层存在埋藏深、孔隙度低、渗透率小、层理复杂、黏土含量普遍较高的特点，开发开采难度大。目前，获取实际生产过程中的页岩岩心途径较为困难，室内实验采用的页岩岩心多为石英砂和水泥按一定比例浇筑而成，具有较强的均质性和可操作性，但无法有效反映页岩黏土矿物特性，同时缺乏页岩层理结构的人造岩心，无法开展层理结构对岩石力学性质影响的相关研究。

申请号为201410260860.9的中国发明专利，公开了一种节理性页岩人造岩心的制备方法。该方法是为了得到具有一定裂缝发育、层理发育、脆性的人造岩心，模拟节理性页岩性质，但对于我国大范围存在的致密页岩储层，不具备一定的裂缝分布，且未设计确切的成型岩心模具。

由上可知，常规人造岩心在实验过程中存在的诸多局限和弊端，难以真实反映页岩岩心在地下物理力学特性，不利于页岩气开发相关理论的验证及进一步研究。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具备层理的致密人造页岩岩心制作方法及其成型模具，该方法得到的人造页岩岩心包含不同角度层理，层间由环氧树脂及固化剂胶结相连，具备低孔隙度的岩性特征，与我国广泛分布的致密页岩储层物性相似，能够准确体现我国页岩气储层的力学特性，在不获取现场页岩岩心的情况下，可以较好地开展页岩压裂相关实验，进一步研究层理构造对裂缝起裂及拓展的影响。

本发明所采用的技术方案是：

一种具备层理的致密人造页岩岩心制作方法，包括步骤：

s1、将水泥、石英砂、粘土和水按比例均匀搅拌；

s2、向s1中的混合物加入消泡剂，再充分搅拌；

s3、在成型模具内壁面涂一层润滑油，将s2中的混合物注入成型模具内并充分搅匀，然后利用压实组件压实，待成型模具内的试件达到600min的终凝时间，在凝结的试件上表面涂一层环氧树脂及固化剂；

s4、重复s3，从下往上依次间隔浇筑，完成s2中的混合物对成型模具的填充，待试件完全干燥成型，达到实验所需强度，即可获得人造页岩岩心。

优选地，在s1中，水泥、石英砂、粘土和水的质量比例为1∶3∶0.2∶0.6，粘土的粘土矿物组分主要为高岭石或蒙脱石。

优选地，在s1中，水泥为p.c52.5r型，石英砂的粒度为80～120目；在s2中，消泡剂为水泥砂浆消泡剂，由聚醚与脂肪醇反应后经疏水分散配置而成；在s3中，固化剂为胺类固化剂。

优选地，在s3中，充分搅匀过程中，采用手持式混凝土砂浆搅拌器进行搅拌，待成型模具内混合物表面不产生气泡，搅匀工序结束。

一种人造页岩岩心的成型模具，包括中部设有垂直贯通的容置空间的且能垂直拼接的至少两层组块和能将最底层组块的容置空间堵住的底座，相邻两层组块拼接后容置空间能对齐，相邻两层组块通过端部的凹槽和凸块结构拼接且拼接处通过密封件密封，相邻两层组块通过外侧面上的连接件可拆卸的固定。

优选地，连接件为连接杆和连接板，连接板上设有能与连接杆配合的连接孔，连接杆设在组块的至少一对外侧面上，同一个连接板上的连接孔能与相邻两层组块上的连接杆配合。

优选地，底座上表面设有与最底层组块的底表面配合的凹槽结构。

优选地，组块的层数为2-4层，相邻两层组块拼接面倾斜角度为0°-45°。

优选地，组块外侧面设有提手或能作为提手的凹槽结构。

优选地，压实组件包括设在至少一个组块的至少一对外侧面上的固定杆、两个能从成型模具两侧合围的固定架、能将合围时的两个固定架可拆卸固定的固定件、能被合围时的两个固定架定位卡紧在最顶层组块正上方的螺母块、与螺母块螺纹配合的螺杆，螺杆顶部设有转动把手、底端设有与容置空间配合的压板，固定架上设有能与固定杆配合的固定孔，两个固定架合围时固定孔能与至少一对外侧面上的固定杆配合。

本发明的有益效果是：

该方法得到的人造页岩岩心包含不同角度层理，层间由环氧树脂及固化剂胶结相连，具备低孔隙度的岩性特征，与我国广泛分布的致密页岩储层物性相似，能够准确体现我国页岩气储层的力学特性，在不获取现场页岩岩心的情况下，可以较好地开展页岩压裂相关实验，进一步研究层理构造对裂缝起裂及拓展的影响。

附图说明

图1是本发明实施例一中成型模具的示意图(三层，未包含底座)。

图2是本发明实施例一中成型模具的剖视图(三层，未包含底座)。

图3是本发明实施例一中成型模具的拆分后立体透视图(三层，未包含底座)。

图4是本发明实施例一中成型模具的单个组块的立体示意图。

图5是本发明实施例一中成型模具的底座的立体示意图。

图6是本发明实施例一中压实组件的示意图。

图7是本发明实施例一中压实组件的剖视图。

图8是本发明实施例一中压实组件的拆分后立体透视图。

图9是本发明实施例一中压实组件的两个固定架合围时的立体透视图。

图10是本发明实施例一中压实组件的螺母块的立体透视图。

图11是本发明实施例一中压实组件的工作示意图。

图12是本发明实施例二中相邻两层组块拼接面倾斜时的示意图。

图13是本发明实施例一制作的人造页岩岩心。

图中：1-容置空间；2-组块；3-作为提手的凹槽结构；4-连接板；5-连接杆；6-底座；7-与最底层组块的底表面配合的凹槽结构；8-转动把手；9-螺杆；10-固定板；11-螺母块；12-固定架；13-压板；14-固定孔；15-将螺母块定位卡紧的部分；16-与固定板配合的螺栓孔；17-与螺杆配合的螺纹孔；18-环形槽；19-固定杆；20-人造页岩岩心的主体；21-人造页岩岩心的层理。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种具备层理的致密人造页岩岩心制作方法，包括步骤：s1、将水泥、石英砂、粘土和水按比例均匀搅拌；s2、向s1中的混合物加入消泡剂，再充分搅拌；s3、在成型模具内壁面涂一层润滑油(润滑油可以防止混合物与成型模具内壁面粘附，便于成型模具之后的脱模拆卸工作，保持所制备人造页岩岩心壁面的均匀完整)，将s2中的混合物注入成型模具内并充分搅匀，然后利用压实组件压实，待成型模具内的试件达到600min的终凝时间(足够的终凝时间可以使上部混合物的填充和压实过程，不会影响下部混合物的结构)，在凝结的试件上表面涂一层环氧树脂及固化剂；s4、重复s3，从下往上依次间隔浇筑，完成s2中的混合物对成型模具的填充，待试件完全干燥成型，达到实验所需强度，即可获得人造页岩岩心。

该方法得到的人造页岩岩心包含不同角度层理，层间由环氧树脂及固化剂胶结相连，具备低孔隙度的岩性特征，与我国广泛分布的致密页岩储层物性相似，能够准确体现我国页岩气储层的力学特性，在不获取现场页岩岩心的情况下，可以较好地开展页岩压裂相关实验，进一步研究层理构造对裂缝起裂及拓展的影响。

优选地，在s1中，水泥、石英砂、粘土和水的质量比例为1∶3∶0.2∶0.6(为了使试件强度尽可能的接近天然岩样强度，发明人想到了以标准水泥砂浆进行模拟，因为其强度便于控制，实验发现，m30水泥砂浆的抗压强度符合要求)，粘土的粘土矿物组分主要为高岭石或蒙脱石，由于页岩的矿物组分主要为高岭石和蒙脱石，因此模拟更加逼真。整体实现了从强度到组分的模拟。

优选地，在s1中，水泥为p.c52.5r型(p.c表示复合硅酸盐水泥，52.5r为强度等级)，该复合硅酸盐水泥配伍性好，且52.5r为该类型最高强度的水泥型号，能胶结得到强度最高的水泥试件，石英砂的粒度为80～120目，高粒度的石英砂可以得到高强度水泥试件；在s2中，消泡剂为水泥砂浆消泡剂，由聚醚与脂肪醇反应后经疏水分散配置而成，水泥砂浆消泡剂可以使所得水泥试件更加致密；在s3中，固化剂为胺类固化剂，胺类固化剂常温下可以与环氧树脂快速反应形成网状立体聚合物，实现相邻层混合物间的弱胶结状态，模拟实际地层中层理间的物理力学性质。

优选地，在s3中，充分搅匀过程中，采用手持式混凝土砂浆搅拌器进行搅拌，待成型模具内混合物表面不产生气泡，搅匀工序结束。

如图1至图5所示，在实施例一中，人造页岩岩心的成型模具包括中部设有垂直贯通的容置空间1(容置空间1一般为圆柱状，直径与欲制成的人造岩心的直径相同，所有容置空间1相连后的总高度略高于欲制成的人造岩心的高度)的且能垂直拼接的至少两层组块2和能将最底层组块2的容置空间1堵住的底座6(底座6可以与最底层组块2为一个整体，也可以单独分开，优选单独分开，这样的话，方便试件取出)，相邻两层组块2拼接后容置空间1能对齐，相邻两层组块2通过端部的凹槽和凸块结构拼接且拼接处通过密封件密封(密封件能防止上层容置空间1内的混合物通过间隙溢出，一般选用橡胶线圈)，相邻两层组块2通过外侧面上的连接件可拆卸的固定。成型模具操作简单，加工便利，成本低廉，便于快速制备模拟实际页岩储层特性的人造页岩岩心。

如图1和图2所示，在实施例一中，连接件为连接杆5和连接板4，连接板4上设有能与连接杆5配合的连接孔，连接杆5设在组块2的至少一对外侧面上，同一个连接板4上的连接孔能与相邻两层组块2上的连接杆5配合。当然，还可与直接采用扣件进行连接。

如图5所示，在实施例一中，底座6上表面设有与最底层组块2的底表面配合的凹槽结构7，防止成型模具在底座6上表面滑移。

如图1和图2所示，在实施例一中，组块2外侧面设有能作为提手的凹槽结构3。当然，还可与直接采用提手。

实施例一为成型模具的基本设计结构，当然，如图12所示的实施例二，还可以根据实验要求在如下合理的参数范围内进行变更：组块2的层数为2-4层，相邻两层组块2拼接面倾斜角度为0°-45°。

如图6至图11所示，在实施例一中，压实组件包括设在至少一个组块2的至少一对外侧面上的固定杆20(连接杆5可以代替作为固定杆20，这样只需连接杆20即可，当然，固定杆20也可以在连接杆5的基础上增设)、两个能从成型模具两侧合围的固定架12、能将合围时的两个固定架12可拆卸固定的固定件、能被合围时的两个固定架12定位卡紧在最顶层组块2正上方的螺母块11、与螺母块11螺纹配合的螺杆9，螺杆9顶部设有转动把手8、底端设有与容置空间配合的压板13，固定架12上设有能与固定杆20配合的固定孔14，两个固定架12合围时固定孔14能与至少一对外侧面上的固定杆20配合。

如图5、图9和图11所示，在实施例一中，固定架12上设有完整的固定孔14和\或合围时才能组成完整的固定杆孔14的部分的固定孔14。完整的固定孔14和部分的固定孔14同时设置的话，能与两对外侧面上的固定杆20配合，单独设置的话，只能与一对外侧面上的固定杆20配合。

如图7和图10所示，在实施例一中，螺母块11中部设有环形槽18，两个固定架12合围时伸入环形槽18内且与环形槽18贴合，从两侧将螺母块11定位卡紧。当然，环形槽18可以替换为在螺母块11中部两侧对称的凹槽结构。

如图6至图8所示，在实施例一中，固定件为固定板10和螺栓。当然，还可以直接采用扣件进行连接。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。