一种孔隙充填型天然气水合物储层人工岩心及其制备方法和应用与流程

本发明涉及岩石物理及物理模拟，具体来讲，是涉及一种孔隙充填型天然气水合物储层人工岩心及其制备方法和应用。

背景技术：

1、天然气水合物由甲烷等小分子天然气体与水在特定的低温高压条件下形成。水合物能量密度高、埋深浅、成藏物化条件好、清洁环保，是一种重要的战略能源和潜在的未来资源。在实际天然气水合物储层中，根据天然气水合物的存在形式可以将天然气水合物的储层微结归结为六种经典模型，其中尤以孔隙充填型和颗粒支撑型研究最广，也最具代表性。

2、由于水合物无法在常温常压下保持，对其物理特性的研究显的十分困难，现阶段许多科学家都将主要精力集中在使用仪器在特定的条件下观测水合物的形成与分解过程，其赋存状态对天然气水合物物性影响的研究大多都局限于理论模型，在实验方面进行研究的很少。

3、天然气水合物储层岩石物理特征及地震响应特征是研究水合物储层的两种重要内容，可为水合物矿藏的寻找、饱和度的估算、储量估算等提供非常重要的信息。然而天然气水合物矿体只存在特殊条件下(低温高压环境中)，因而无法在常温常压下对其进行测试与研究。

4、因此，现有技术缺乏一种能够在常温常压下对天然气水合物矿体进行岩石物理特征及地震响应特征测试与研究的方法。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心，使用水合物替代材料制作出类似水合物储层的人工岩样，与实际孔隙填充型水合物储层具有一定的相似性，可用于在常温常压下进行水合物储层岩石物理测试和地震模拟实验。本发明还提供了孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心的制备方法和应用。

2、本发明第一方面提供了一种孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心，原料包括石英砂和高岭土、胶结剂和水，以及任选的单晶体材料。

3、当含有单晶体材料时，可以作为本发明的楔形体孔隙填充型水合物储层物理模型的水合物储层。

4、当不含有单晶体材料时，可以作为本发明的楔形体孔隙填充型水合物储层物理模型的下伏游离气层。

5、根据本发明的一些实施方式，所述石英砂的粒度为80-120目，更优选为100目。

6、根据本发明的一些实施方式，所述高岭土的粒度为2500-3500目，更优选为3000目。

7、根据本发明的一些实施方式，所述石英砂和所述高岭土的重量比为1:(0.08-0.12)，更优选为1:0.1。

8、根据本发明的一些实施方式，所述石英砂的含量为人工岩心总量的75-87重量％。

9、根据本发明的一些实施方式，所述高岭土的含量为人工岩心总量的7-8重量％。

10、根据本发明的一些实施方式，所述胶结剂为环氧树脂胶结剂。

11、根据本发明的一些实施方式，所述环氧树脂胶结剂包括环氧树脂和固化剂。

12、根据本发明的一些实施方式，所述环氧树脂的重均分子量2000-6000。

13、根据本发明的一些实施方式，所述环氧树脂选自双酚a环氧树脂e44、双酚a环氧树脂e51和双酚a环氧树脂e55中的至少一种。

14、根据本发明的一些实施方式，所述固化剂选自环氧树脂对应的固化剂。例如，环氧树脂为环氧树脂e51时，固化剂可以为593固化剂(二亚乙基三胺与丁基缩水甘油醚的加成物)。

15、根据本发明的一些实施方式，所述胶结剂的含量为所述石英砂和所述高岭土的总和的3-5重量％，优选地，所述胶结剂的含量为所述石英砂和所述高岭土的总和的4重量％。

16、根据本发明的一些实施方式，所述单晶体材料的纵波速度为3300-3700m/s，横波速度为1680-1800m/s，密度为1.1-1.2g/cm3；更优选地，所述单晶体材料为有机晶体材料，优选为分子式为c12h22o11的糖类中的至少一种，更优选为蔗糖、麦芽糖、龙胆二糖、单晶冰糖、白糖中的至少一种。单晶体材料的纵波速度、横波速度和密度与纯水合物的物性相似，而且同为结晶体，单晶体材料还能在常温状态下以固体的形式存在，非常符合替代水合物制作水合物储层人工岩心。

17、根据本发明的一些实施方式，单晶体材料与石英砂的重量比为(0-0.2):1；当含有单晶体材料时，优选地，单晶体材料与石英砂的重量比为(0.01-0.2):1。

18、天然气水合物储层一般具有半固结、高孔隙的特征，为了满足该条件，本发明使用在人工岩心原料中加入水的方法进行扩孔，使用微小压力成型的方法保证岩石固结程度小。经过多次试验，在不加入单晶体材料的情况下，可制作出孔隙度为40％左右的人工岩心，达到了水合物储层的孔隙度范围，与实际水合物储层相似度高，且可重复制备，可以应用于水合物储层人工岩心的制备中。在本发明中，孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心的照片可以如图2所示，图2中数字为饱和度，每个方格为一个孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心。图2中第一排从左至右，分别为饱和度为0％、饱和度为2.5％、饱和度为5％、饱和度为7.5％的孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心。图2中第二排从左至右，分别为饱和度为10％、饱和度为12.5％、饱和度为15％、饱和度为17.5％的孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心。图2中第三排从左至右，分别为饱和度为20％、饱和度为22.5％、饱和度为25％、饱和度为27.5％的孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心。图2中第四排为饱和度为30％的孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心。

19、本发明的第二方面提供了一种孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心的制备方法，包括以下制备步骤：

20、a、将石英砂、高岭土、胶结剂和水，以及任选的单晶体材料进行混合，得到混合物；

21、b、将所述混合物进行压制，并蒸发。

22、根据本发明的一些实施方式，优选地，在步骤a中，将石英砂和高岭土分别过筛，再将二者充分混合均匀，得到两种矿物的混合粉末；再将混合粉末与胶结剂充分混合，然后与水混合均匀。

23、根据本发明的一些具体实施方式，当人工岩心中不含有单晶体材料时，人工岩心的制备方法包括：

24、a、将石英砂、高岭土、胶结剂和水进行混合，得到混合物；

25、b、将所述混合物进行压制，并蒸发。

26、当不含有单晶体材料时，可以作为本发明的楔形体孔隙填充型水合物储层物理模型的下伏游离气层。

27、根据本发明的一些实施方式，当人工岩心中含有单晶体材料的时候，具体实施方式可以是将单晶体材料溶解于水中，再将单晶体材料的水溶液与加入胶结剂的混合矿物粉末混合。

28、根据本发明的一些具体实施方式，当人工岩心中含有单晶体材料时，人工岩心的制备方法包括：

29、a、将石英砂、高岭土和胶结剂进行混合，得到混合矿物粉末；

30、b、将单晶体材料溶解于水中，再将单晶体材料的水溶液与所述混合矿物粉末进行混合，得到混合物；

31、c、将所述混合物进行压制，并蒸发。

32、当含有单晶体材料时，可以作为本发明的楔形体孔隙填充型水合物储层物理模型的水合物储层。

33、根据本发明的一些实施方式，所述水为地层水。

34、根据本发明的一些实施方式，所述胶结剂的制备方法包括：将环氧树脂与固化剂混合。

35、根据本发明的一些实施方式，混合的条件包括：温度为40-50℃，时间为1.5-2.5小时；优选地，以45℃保温2小时。

36、根据本发明的一些实施方式，所述环氧树脂的重均分子量为2000-6000。

37、根据本发明的一些实施方式，所述环氧树脂选自双酚a环氧树脂e44、双酚a环氧树脂e51和双酚a环氧树脂e55中的至少一种。

38、根据本发明的一些实施方式，所述固化剂选自环氧树脂对应的固化剂。例如，环氧树脂为环氧树脂e51时，固化剂可以为593固化剂(二亚乙基三胺与丁基缩水甘油醚的加成物)。

39、根据本发明的一些实施方式，将所述混合物在模具中进行压制，压制之前，使用酒精清洗模具，并在模具四周擦拭凡士林便于脱模。

40、根据本发明的一些实施方式，所述压制的过程包括：将所述混合物逐层加入到模具中，并压制1.5-2.5小时；优选地，压制时间为2小时。每层的厚度例如可以为但不限于2cm。

41、根据本发明的一些实施方式，将混合物加入模具后置于单轴液压机下压制。

42、根据本发明的一些实施方式，所述蒸发的方法包括：温度为80-100℃，时间为40-56小时，优选地，温度为90℃，时间为48小时。

43、对于孔隙充填型水合物储层，一般是先成岩，后期天然气经过运移通道运移至储层位置，与储层中的地层水发生结晶从而形成水合物储层。依据该特性，本发明将单晶体材料先溶解于水中，制作好水合物储层岩心混合物之后，将岩心样品中的水分蒸发，从而使溶解在水中的单晶体材料析出结晶体，充填于岩石样品中的孔隙中，从而模拟水合物充填于岩石中。

44、根据人工岩心的孔隙度、所加地层水的含量、单晶体材料的含量可精确计算出模拟水合物的饱和度。通过制备单晶体材料含量不同的样品，能够对孔隙填充型水合物储层的物理性质与水合物饱和度之间的关系进行研究。

45、根据本发明的制备方法得到的孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心的照片可以如图2所示。图2中第一排从左至右，分别为饱和度为0％、饱和度为2.5％、饱和度为5％、饱和度为7.5％的孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心。图2中第二排从左至右，分别为饱和度为10％、饱和度为12.5％、饱和度为15％、饱和度为17.5％的孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心。图2中第三排从左至右，分别为饱和度为20％、饱和度为22.5％、饱和度为25％、饱和度为27.5％的孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心。图2中第四排为饱和度为30％的孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心。

46、本发明的第三方面提供了一种楔形体孔隙填充型水合物储层物理模型，包括水合物储层、下伏游离气层和围岩部分，其中水合物储层为含有单晶体材料的上述人工岩心，其中下伏游离气层为不含有单晶体材料的上述的人工岩心。

47、根据本发明的一些实施方式，下伏游离气层除不含单晶体材料外，原料和制作工艺与所述水合物储层完全一致。

48、根据本发明的一些实施方式，围岩部分为环氧树脂，用环氧树脂对水合物储层、下伏游离气层进行包裹。

49、根据本发明的一些实施方式，所述环氧树脂的重均分子量为2000-6000。

50、根据本发明的一些实施方式，所述环氧树脂选自双酚a环氧树脂e44、双酚a环氧树脂e51和双酚a环氧树脂e55中的至少一种。

51、用地震物理模型数据采集系统对该模型进行数据采集，并对得到的数据进行分析，能够对孔隙填充型天然气水合物储层的地震数据进行研究。

52、本发明的第四方面提供了上述人工岩心、上述方法制备得到的人工岩心或上述楔形体孔隙填充型水合物储层物理模型在水合物储层的岩石物理分析和地震数据分析中的应用。

53、与现有技术相比，本发明包括以下有益效果：

54、(1)本发明提供的孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心，可制作出孔隙度为40％左右的人工岩心，与实际水合物储层的孔隙度类似，能够对天然水合物储层进行模拟；

55、(2)本发明提供的孔隙填充型天然气水合物储层人工岩心，使用单晶体材料代替了天然气水合物，解决了水合物无法在常温常压下保持以致于难以进行水合物实验的技术问题；

56、(3)本发明提供的楔形体孔隙填充型水合物储层物理模型与实际的孔隙填充型水合物储层类似，能够对水合物储层进行模拟；

57、(4)本发明提供的人工岩心、制备方法得到的人工岩心以及物理模型能够用于水合物储层的岩石物理分析和地震数据分析。