人造巖心制備工藝研究

人造巖心制備工藝研究

0巖心結(jié)構(gòu)的率機(jī)理研究人工巖石物理模擬是油田開發(fā)過程中科學(xué)研究的重要手段之一。特別是在三次勘探和提高油田采收率方面發(fā)揮著重要作用。以往制備的人造巖心在成分和結(jié)構(gòu)上都比較單一,與天然巖心物理性質(zhì)相差甚遠(yuǎn),其模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)與實(shí)際也有很大差距。本文從模擬天然巖心具有的特性入手,進(jìn)行了多方位的研究,并建立了一套行之有效的制作人造巖心的方法,在應(yīng)用中收到很好效果。1建立砂砂巖粒度的平均值與滲透關(guān)系的曲線巖心孔隙度、滲透率值的精度、重復(fù)性,是評價(jià)人造巖心質(zhì)量的首要指標(biāo)。1.1環(huán)氧樹脂用量從用途上選擇:作粘接劑時(shí)最好選用中等環(huán)氧值(0.25～0.45)的樹脂,如WSR-618、634;作澆注料時(shí)最好選用高環(huán)氧值(>0.40)的樹脂,如618、WSR-618等。從機(jī)械強(qiáng)度上選擇:環(huán)氧值過高的樹脂強(qiáng)度較大,但較脆;環(huán)氧值中等時(shí)在低溫條件下強(qiáng)度較好;環(huán)氧值較低時(shí)在高溫條件下強(qiáng)度差些。因?yàn)閺?qiáng)度和交聯(lián)度的大小有關(guān),環(huán)氧值高固化后交聯(lián)度也高,環(huán)氧值低固化后交聯(lián)度也低,故引起強(qiáng)度上的差異。從操作要求上選擇:不需耐高溫,對強(qiáng)度要求不大,希望環(huán)氧樹脂能快干,不易流失,可選擇環(huán)氧值較低的樹脂;如希望滲透性高,強(qiáng)度較好的,可選用環(huán)氧值較高的樹脂。模型制作過程中的環(huán)氧樹脂用量直接影響著模型強(qiáng)度、孔隙度、滲透率及均質(zhì)程度。因此,選擇合理的環(huán)氧樹脂用量非常重要。在理論上,環(huán)氧樹脂用量應(yīng)與石英砂的總的表面積成正比,這樣制作出的模型其強(qiáng)度及膠結(jié)方式更為接近。若石英砂成球性,其比面為:s=6ds=6d式中,s為比面,d為顆粒直徑。制作某種人造巖心,如果40～70目、70～140目、140～200及200目以上的各種組分石英砂,用量分別為W1、W2、W3和W4,據(jù)環(huán)氧樹脂與比面呈正比的原則,通過大量實(shí)驗(yàn)得出環(huán)氧樹脂總用量公式:W=C×(16.8×W1+29.0×W2+57.5×W3+150×W4)其中,C為常數(shù)。利用以上公式進(jìn)行配膠,無論砂型怎樣變化,都能確保最佳的含膠量,使人造巖心的硬度一致、均勻程度一致、承受高溫高壓后驅(qū)油效果一致。1.2巖心制作加壓強(qiáng)度的影響在巖心滲透率控制方法上,用不同粒級的石英砂按一定配比配制成基準(zhǔn)砂,通過調(diào)整基準(zhǔn)砂和細(xì)砂的比例,制作較低滲透率巖心,調(diào)整基準(zhǔn)砂與粗砂的比例制作高滲透性巖心。對于天然碎屑巖,其顆粒大小分布具有一定的規(guī)律。一般情況下,如果定義Φ=-log2d,其中d為顆粒直徑,則Φ值分布近似于正態(tài)分布規(guī)律。也就是說,碎屑巖顆粒Φ值的分布參數(shù)直接影響其物性參數(shù)。巖心制作過程中,石英砂粒度分布無疑是決定巖心物理性質(zhì)的主要因素,如果控制一定的加壓強(qiáng)度、膠質(zhì)用量及粒度分布方差σ,則ΦˉˉΦˉ(Φ中值)和巖心滲透率之間必然存在著很強(qiáng)的依賴關(guān)系。在加壓強(qiáng)度12MPa及σ=0.8條件下,選用ΦˉˉΦˉ分別為2.1、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9和4.2的粒度組成,制作人造巖心,繪制出ΦˉˉΦˉ與巖心滲透率之間的關(guān)系曲線如圖1所示?？梢钥闯?巖心滲透率與ΦˉˉΦˉ之間具有很好的相關(guān)性。與傳統(tǒng)的配制基準(zhǔn)砂,通過調(diào)整基準(zhǔn)砂與細(xì)砂(或粗砂)配比控制巖心滲透率的方式相比,調(diào)整ΦˉˉΦˉ控制巖心滲透率的方式具有一定的優(yōu)勢。一方面,由于粒度分布方差σ相同,不同滲透率巖心之間孔隙結(jié)構(gòu)更加接近,因而更具科學(xué)性和實(shí)用性。巖心制作加壓強(qiáng)度直接影響著模型滲透率、孔隙度等物性參數(shù)。在研究加壓強(qiáng)度的影響中,在模型上加壓強(qiáng)度分別為3、5、7.5、10和15MPa下制作巖心。從圖1可以看出,隨加壓強(qiáng)度的提高,巖心滲透率明顯降低。1.3巖心尺寸大小分布呈單峰狀態(tài)天然巖心,用壓汞法測得的巖心孔吼分布曲線呈雙峰態(tài),而普通環(huán)氧樹脂膠結(jié)的巖心孔隙大小分布呈單峰。這說明天然與人造巖心的孔隙大小分布狀態(tài)的差別。經(jīng)實(shí)驗(yàn),取低滲透性天然巖心,壓碎成20～40目顆粒,加入30%天然巖心碎屑與石英砂拌砂,制作的人造巖心孔吼分布接近于天然巖心。但是,滲透率與孔隙度的控制需要建立相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)曲線。2造巖粘土礦物在天然巖心中的粘土礦物,對巖心的結(jié)構(gòu)和物性起著重要的作用。根據(jù)物理模擬相似準(zhǔn)則原理,人造巖心中也應(yīng)加入一定數(shù)量的粘土礦物。為避免粘土礦物表面包裹上環(huán)氧樹脂,須采用特殊加入粘土礦物的方法。2.1通過復(fù)配而內(nèi)固體去復(fù)1)將石英砂與一定比例的環(huán)氧樹脂充分?jǐn)嚢杈鶆?裝入事先準(zhǔn)備好的抽空裝置里;2)用已知組分的水質(zhì)粘土懸浮體將其飽和,使砂型與水質(zhì)中的粘土充分接觸或吸附。然后抽去水質(zhì)粘土懸浮體,要多次重復(fù)以上過程,最后將多余的水質(zhì)粘土懸浮體烘干,稱剩余粘土質(zhì)量,得出被吸附粘土的量;3)將抽濾好砂型填入模具中,加壓、烘干為含粘土礦物的人造巖心,這種粘土填加方法更接近天然巖心的形成過程。2.2粘土礦物與孔隙度、滲透率的關(guān)系選取已配制好的石英砂6份,在其中5份中用吸附法分別加入3%、6%、9%、12%、15%的粘土礦物制成人造巖心,測其孔隙度、滲透率值,制作粘土礦物與孔隙度、滲透率關(guān)系曲線如見圖2所示。從曲線中可以看出,隨著粘土礦物含量的增加滲透率值向變小趨勢發(fā)展。其變化率為,粘土含量每增加3%,滲透率值變化以10%～15%。其孔隙度的變化值并不大,增減幅度小于1%,其曲線趨于平滑。3各種潤濕性人工巖石人造巖心的潤濕性質(zhì)對油田采收率方面的實(shí)驗(yàn)起著重要作用。3.1升溫升溫冷卻1)用砂型重量10%的硅油加20倍石油醚稀釋,與部分40～70、70～140和140～200目石英砂均勻攪拌,在室溫下?lián)]發(fā)20h后,放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中,通過60℃、80℃、100℃、120℃的程序升溫,每次升溫為2h,中間停1h,當(dāng)?shù)竭_(dá)120℃恒溫2h,后關(guān)掉烘箱自然冷卻到室溫。這種升溫過程,可保證砂石顆粒表面的油膜不在急速升溫中產(chǎn)生爆裂。2)制作巖心時(shí)由粗到細(xì)選用砂重量的六分之一加入到不含硅油的石英砂中,制成的具有弱親油性質(zhì)。3.2砂子表面硅氧原子和硅氧三面體a制備含油石英砂的油品必須與石英有一定的親和力和穩(wěn)定性。用甲基含氫硅油(以下簡稱硅油)有較好的特性,其結(jié)構(gòu)式為:它是一種無色透明或淡黃油狀液體,它改變巖心潤濕性的機(jī)理在資料上未見到解釋。根據(jù)分子式的理解是:石英砂主要成分是SiO2,它是由無數(shù)硅氧四面體組成,砂子表面的每個(gè)硅氧四面體的氧原子只與一個(gè)硅原子形成一個(gè)共價(jià)鍵,還剩一個(gè)電子是不穩(wěn)定的,它還有能力和其它原子結(jié)合。當(dāng)硅油和硅表面接觸時(shí),在一定的溫度下,這個(gè)氧原子就使硅油中的Si-H鍵斷裂,而形成了更穩(wěn)定的Si-O鍵。這一作用就使得硅油能牢固地吸附在砂子表面,覆蓋了一層甲基基團(tuán),使得其表面呈親油性。3.3中性偏親油的合成用未經(jīng)處理石英砂和環(huán)氧樹脂(E-44),采用20%鄰苯二甲酸二丁脂做為增韌劑、7%乙二胺做固化劑,所制作的人造巖心具有中性偏親油的潤濕性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)研究表明,一種油溶性非離子型表面活性劑(NP-4),控制添加百分比,可以使制作的人造巖心潤濕性由中性偏親油性向親水性轉(zhuǎn)化,人造巖心潤濕性的測定數(shù)據(jù)見表1。4環(huán)境和人為因素的影響4.1氧樹脂涂層的施工環(huán)氧樹脂的粘度與環(huán)境溫度有著極強(qiáng)的依賴關(guān)系,溫度高環(huán)氧樹脂的粘度變小,與石英砂混合攪拌時(shí)就比較容易,環(huán)氧樹脂在石英砂表面的涂層也比較均勻,可以形成較好的點(diǎn)膠結(jié),人造巖心各點(diǎn)的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透率值也比較均勻。溫度低環(huán)氧樹脂粘度變大,與石英砂混合時(shí)就很難攪拌均勻,環(huán)氧樹脂在石英砂表面的涂層狀態(tài)較為復(fù)雜,制備出的人造巖心滲透率值有較大差別,建立不同溫度與滲透率的關(guān)曲線,可以準(zhǔn)確查找出在當(dāng)前溫度下制備人造配比方案。4.2人工因素對人工巖石滲透值的影響1石英砂混合粉碎機(jī)人造巖心是將不同粒徑的石英砂按比例分別稱重后放入磁盤中,經(jīng)人工混合、攪拌后以備下一步使用。在攪拌過程中,每人攪拌的頻率,次數(shù)以及均勻程度對人造巖心孔隙度和滲透率值影響非常大,為消除人為攪拌不均,可用石英砂混合攪拌機(jī)。該攪拌機(jī)的滾筒、攪拌葉輪、主箱均可在控制之下做不同方向的旋轉(zhuǎn),使石英砂在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)三維旋轉(zhuǎn)攪拌,解決了人工攪拌石英砂不均勻的現(xiàn)象,使人造巖心各點(diǎn)的孔隙度、滲透率數(shù)值、孔隙結(jié)構(gòu)、巖石粒度分布保持一致。2砂量不足的點(diǎn)滲透率填砂是用鏟子將攪拌混合好的石英砂裝入模具之中,如在某點(diǎn)一次加入量過多、過厚,局部將產(chǎn)生壓實(shí)作用,此點(diǎn)滲透率數(shù)值偏小,在兩點(diǎn)之間砂量不足的部位滲透率數(shù)值則偏大。因此,每次加入模具內(nèi)石英砂量的多少、鏟入的方式對人造巖心滲透率數(shù)值影響非常之大,顯示出各點(diǎn)孔、滲值不均勻性,無法用于實(shí)驗(yàn)。因此,填砂時(shí)必須注意;一是加砂時(shí)一次不能過多、過厚,避免局部產(chǎn)生壓實(shí);二是每加一鏟砂都要將其梳理鋪平。5巖心壓汞曲線特征目前,各種粒級的石英砂均由石英巖破碎而成,制備出的人造巖心與天然巖心在孔隙結(jié)構(gòu)上有一定差別,人造巖心的壓汞曲線是一個(gè)單值峰,而天然巖心的壓汞曲線是一個(gè)雙值峰,這說明天然比人造巖心的孔吼結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成分多樣性。從人造巖心的薄片分析中,可以看到人造石英砂的磨圓度和球度都十分差,每個(gè)顆粒都呈尖峰狀,與天然巖心石英顆粒的磨圓度和球度有很大差別,尖峰狀石英砂顆粒對高分子聚合物在巖石孔道中的運(yùn)移、聚集,以及三元聚合物驅(qū)各元素的評價(jià)都有較大影響。6巖心改性實(shí)驗(yàn)1)通過調(diào)整石英砂粒度分布Φ值,可以較好地控制巖心滲透率。在人造巖心石英砂中加入30%天然巖心碎屑,壓制成型的人造巖心孔吼分布接近于天然巖心,可以制作出具有細(xì)微孔隙的人造巖心。2)用吸附法添加粘土礦物比較符合天然巖心特性。3)在石英砂