CN114279800B - 一种考虑层间界面性质的煤岩组合体物模试样的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种考虑层间界面性质的煤岩组合体物模试样的制备方法，属于岩样制备技术领域，可解决现有技术制备煤系气复合储层煤岩组合体试样时不能有效还原岩层及层间界面力学、物理性质等问题，本发明采用地下煤系气复合储层真实大块岩样，加工为长方体煤样及各层长方体岩样，能够更准确地还原真实储层的煤岩割理、天然裂缝等物理力学性质，能够较真实的还原煤系气复合储层各层岩层的渗透率；同时按照比例制作各岩层长方体试样所得煤岩组合体试样的相似模拟程度高；以煤系气复合储层新鲜煤样与页岩岩样制备层间界面粘合剂，避免了以往所用相似材料、化学粘合剂理化性质对层间界面渗透性的影响，较真实的还原了层间界面性质。
Description
技术领域
本发明属于岩样制备技术领域，具体涉及一种考虑层间界面性质的煤岩组合体物模试样的制备方法。
背景技术
煤系天然气，简称煤系气，泛指赋存于煤系地层中的各类天然气，以煤层气（CBM）、煤系页岩气（TG）、致密砂岩气（TSG）等非常规天然气为主，煤系气资源“增储上产”空间巨大。煤系独特的构造-沉积背景使煤系气储层岩性具有多样性、低孔隙率与低渗透性的特点，储层结构特殊且复杂，常为富有有机质泥页岩、致密砂岩与煤层互层形成的复合储层。从降低煤系气开采成本、增加煤层气井的服务年限、提高煤系气的采收率等角度出发，对煤系气进行合采，是综合开发煤系非常规资源的必然发展趋势。
煤系气复合储层的合层渗透率是评估其商业开发可行性的重要参数，目前煤系气复合储层的合层渗透率可由现场试井数据分析、数值模拟及实验室测量得到。
但煤系气合采现场试井作业成本较高、周期较长、影响因素较多；数值模拟软件受煤系气复合储层复杂赋存特点难以准确还原的制约，其模拟结果的精度和直观性较低；而实验室制备煤系气复合储层煤岩组合体试样测定其合层渗透率的准确度较高且较为直观，可为煤系气精细化排采奠定基础。
在公开文献中可以获得公开号为 CN110220756A的“煤系页岩物模试件以及煤系页岩物模试件的制备方法”专利，该发明使用相似材料浇筑得到第一预成型煤岩薄层和第二预成型煤岩薄层，在所得预成型煤岩薄层内布置由纸板或渗透性膜构成的渗透片模拟煤岩层中的面割理和端割理，同时在第一预成型煤岩薄层和第二预成型煤岩薄层层间界面处布置渗透片以模拟煤岩层理，然后将第一、第二预成型煤岩薄层组合后进行干燥处理得到煤岩层；以同样的方法不同的相似材料配比浇筑得到多个页岩薄层，在多个页岩薄层层间界面处布置渗透片以模拟页岩层理，将多个页岩薄层组合后进行干燥处理得到页岩层；进一步将水泥和石英砂按1：1的比例混合得到粘结层基料，在所得煤岩层与页岩层之间浇筑厚度为10mm的粘结层基料模拟不同岩层之间的交界弱面，将所得组合体试件干燥后得到煤系页岩物模试件。该方法存在的缺点其一是在相似材料浇筑得到的岩层试件上布置纸板或渗透性膜模拟天然煤岩的结构性质时，人为的随机性无法准确还原真实岩层的裂隙发育情况，并且纸板或渗透性膜的选择性和渗透性能对天然岩石的渗透率影响较大；其二是不同岩层之间均铺设厚度为10mm，由水泥和石英砂混合得到的粘结层基料作为层间界面，无法有效还原不同岩层层间界面的力学、物理性质。
在公开文献中可以获得公开号为CN105334090A的“一种含煤产层组压裂物模试样的制备方法”专利，该发明根据含煤产层组中各岩样的岩性特征，将露头的煤岩和岩石加工成长方体薄板，通过AB 硅胶将煤岩薄板粘固于岩石薄板两侧的宽面上，得到含煤产层组中不同岩性组合的试样。该方法使用露头的煤岩和岩石加工得到各岩层长方体薄板，可以更好地模拟多层介质的物性差异，真实地反映各岩层中天然裂缝的特征和岩石力学的性质，但是其通过AB硅胶将煤岩薄板与岩石薄板粘固在一起，AB硅胶的力学、物理性质与煤系气复合储层真实的层间界面力学、物理性质差异较大，AB硅胶的物理性质将对层间界面的渗透率产生较大影响。
现有实验室制备煤岩组合体试样的方法选取层间界面粘合剂材料时未考虑岩层层间界面力学、物理性质对合层渗透率的影响，故该类煤岩组合体试样的制备方法不适用于煤系气复合储层合层渗透率的精确测量。
为了解决现有技术制备煤系气复合储层煤岩组合体试样时不能有效还原岩层及层间界面力学、物理性质，难以实现实验室煤系气复合储层合层渗透率的准确测量的问题，迫切需求一种考虑层间界面性质的煤岩组合体物模试样的制备方法。
发明内容
本发明针对现有技术制备煤系气复合储层煤岩组合体试样时不能有效还原岩层及层间界面力学、物理性质，难以实现实验室煤系气复合储层合层渗透率的准确测量的问题，提供一种考虑层间界面性质的煤岩组合体物模试样的制备方法，利用天然煤岩制备煤系气复合储层的各岩层试件，以天然煤岩为原料制备层间界面粘合剂将各岩层试件组合得到煤岩组合体试样，真实地反映煤系气复合储层岩层及层间界面的力学、物理性质。
本发明采用如下技术方案：
一种考虑层间界面性质的煤岩组合体物模试样的制备方法，包括如下步骤：
第一步，在矿井下采集煤系气复合储层新鲜煤样及相邻含气岩层的岩样，标记取样方位与层位；所述岩样包括页岩、致密砂岩和煤岩；
第二步，将第一步所取煤样及岩样加工为长为250mm、宽为250mm、厚度为各层岩层实际厚度1/100的长方体煤样及各层长方体岩样；
第三步，将采集的部分新鲜煤样加工为直径d1＜0.2mm的煤粒，将所得煤粒隔绝空气加热至350℃并恒温保持4h，使煤软化、熔融形成胶质体，以此作为煤层与其他岩层层间界面处的粘合剂，还原真实的界面性质；
第四步，将采集的部分页岩岩样加工为直径d2＜2mm的颗粒，按质量比为10：1的比例将纯水均匀滴入所得页岩颗粒，使页岩颗粒软化产生黏性，以此作为页岩与砂岩层间界面处的粘合剂，还原真实的界面性质；
第五步，利用立方体钢质模具制备煤系气复合储层煤岩组合体立方体试件，所述立方体钢质模具设有活动前挡板，首先参照第一步所得煤系气复合储层各岩层层位，确定煤系气复合储层的煤岩组合类型；将位于最下位的长方体岩样放置于模具底部，然后选择与其上位岩层对应的层间界面粘合剂，将粘合剂平铺于最下层长方体岩样的上表面，进一步将上位长方体岩样放置于下位长方体岩样上方；按照上述同样方法依次在模具内最上层长方体岩样的上表面平铺对应粘合剂，进一步在所铺设粘合剂上方放置对应的上位长方体岩样，直至完成所有岩样的叠放；
第六步，将立方体钢质模具的活动前挡板插至立方体钢制模具底面，完成整个模具；
第七步，根据煤系气复合储层地层层位，计算煤系气复合储层的平均覆岩应力P，P=γH，其中，γ为煤系气复合储层上覆岩层的平均容重，H为煤系气复合储层的平均埋深；
第八步，在第五步制备所得模具顶部采用液压千斤顶施加与第七步计算结果相同的均布刚性载荷以模拟煤系气复合储层覆岩应力，加载至设定值后，持续稳压3d后卸载；
第九步，含煤岩组合体的立方体钢制模具卸载后，静置48h，待模具内煤岩组合体试样完全冷却、干燥后，将活动前挡板抽出并拆除立方体钢制模具即可得到煤系气复合储层煤岩组合体的物理模拟试样。
优选的是，所述第一步中，煤系气复合储层的大块岩样为页岩、致密砂岩、煤岩，煤样与岩样均取自地下实际的煤系气复合储层。
所述第三步中，350℃为具有工业开采价值煤层气所赋存煤体热解过程中的平均软化温度。
所述第三步中，煤粒隔绝空气加热至350℃，并恒温保持4h，使煤粒在热解过程中充分软化、熔融形成气、液、固三相共存的胶质体。
所述第四步中，纯水滴入所得页岩颗粒时，应保证均匀，覆盖所有页岩颗粒，使含水页岩颗粒可在固结应力作用下胶结、重组。
所述第五步中，立方体钢质模具材质为45钢，模具壁厚为20mm，以确保模具刚度；模具的内腔长为250mm、宽为250mm，高度自行调节，以可以容纳煤系气复合储层实际厚度的1/100为准；立方体钢制模具侧面可以打开，防止试样脱模时对煤岩组合体及层间界面的性质造成扰动。
所述立方体钢质模具的活动前挡板上设有插销，立方体钢质模具上设有与插销匹配的凹槽滑道。
第五步中，所述煤粒制备的胶质体及含水的页岩颗粒作为层间界面处粘合剂时，粘合剂的铺设厚度为层间界面粘合剂取材岩层实际厚度的1/1000。
所述第五步中，将煤层与其它岩层层间界面粘合剂、页岩与砂岩岩层层间界面粘合剂铺设于立方体钢制模具内长方体岩样的上表面时，应确保煤粒胶质体温度在300℃及以上，含水页岩颗粒含水率在10%及以上，以保证两种粘合剂的有效性。
所述第八步中，液压千斤顶应为可自锁千斤顶，以便于稳压加载。
所述第八步中，在第五步所得模具顶部采用液压千斤顶施加刚性载荷时，应确保加载面水平，达到施加均布载荷目的。
所述第九步中，拆除立方体钢制模具所得煤系气复合储层煤岩组合体的物理模拟式样包括诸如煤样-砂岩层-页岩层、煤样-页岩层-砂岩层、煤层-页岩层、煤样-砂岩层在内的多种组合方式；需要对拆除立方体钢制模具所得的煤系气复合储层煤岩组合体物理模拟试样的6个表面进行磨平，以便于真三轴模拟试验系统施加均布载荷。
本发明的有益效果如下：
本发明所提供的技术方案解决了制备煤系气复合储层煤岩组合体试样时，无法有效还原岩层及层间界物理、力学性质的问题，实现了煤系气复合储层赋存特点的高度还原，能够提升实验室测定煤系气复合储层合层渗透率的准确性。
与现有技术相比，本发明采用地下煤系气复合储层真实大块岩样，加工为长为250mm、宽为250mm、厚度为各层岩层实际厚度1/100的长方体煤样及各层长方体岩样，能够更准确地还原真实储层的煤岩割理、天然裂缝等物理力学性质，能够较真实的还原煤系气复合储层各层岩层的渗透率；同时按照比例制作各岩层长方体试样所得煤岩组合体试样的相似模拟程度高；以煤系气复合储层新鲜煤样与页岩岩样制备层间界面粘合剂，避免了以往所用相似材料、化学粘合剂理化性质对层间界面渗透性的影响，较真实的还原了层间界面性质，提升了实验室测定煤系气复合储层合层渗透率的准确性；本发明制备煤岩组合体试样步骤简单，制备的煤岩组合体试样模拟程度高。
附图说明
图1为加工所得长为250mm、宽为250mm、厚度不同的长方体岩样示意图；
图2为本发明所含5种煤系气复合储层煤岩组合体的组合方式；
图3为本发明制备煤岩组合体所用模具结构示意图；
图4为本发明制备煤岩组合体所用模具凹槽滑道及活动前挡板插销示意图；
图5为本发明立方体钢制模具制备煤岩组合体物理模拟试样示意图；
图中：1-长方体页岩岩样；2-长方体砂岩岩样；3-长方体煤样；4-立方体钢制模具；5-活动前挡板；6-凹槽滑道；7-插销；8-页岩与砂岩岩层层间界面粘合剂；9-煤层与其它岩层层间界面粘合剂。
具体实施方式
实施本发明上述所提供一种考虑层间界面性质的煤岩组合体物模试样的制备方法是按下列步骤进行的：
本实施例选用山西省西山煤田9号煤及顶底板组成的煤系气复合储层制备煤岩组合体物理模拟试样。该地区煤系气复合储层平均埋深450m，9号煤平均厚度为4m，直接顶砂岩平均厚度为10m，老顶泥页岩的平均厚度为5m，以此制备组合类型为煤样-砂岩-页岩的煤系气复合储层煤岩组合体试样。
第一步：在矿井下采集煤系气复合储层大块新鲜煤样及相邻含气岩层的大块岩样，标记取样方位与层位，煤系气复合储层岩层由下至上依次为煤层、砂岩、泥页岩；
第二步：根据取样点附近的钻孔柱状图中各岩层的厚度，
将所取大块岩样加工为长为250mm、宽为250mm、厚度为各层岩层实际厚度1/100的长方体煤样及各层长方体岩样；所制得长方体岩样有：250×250×50mm的长方体页岩岩样1；250×250×100mm的长方体砂岩岩样2；250×250×40mm的长方体煤样3。
第三步：将制备长方体煤样3所剩边角材料加工为d1＜0.2mm的煤粒，将所得煤粒隔绝空气加热至350℃，并恒温保持4h，使煤粒软化、熔融形成胶质体。以此作为煤层与砂岩岩层层间界面处的粘合剂，还原真实的界面性质。
第四步：将制备长方体页岩岩样1所剩边角材料加工为直径d2＜2mm的颗粒，按质量比10﹕1的比例将纯水均匀滴入所得页岩颗粒，使页岩颗粒软化产生黏性。以此作为页岩与砂岩岩层层间界面粘合剂，还原真实的界面性质。
第五步：首先将立方体钢制模具4置于水平面上；将长方体煤样3放置于立方体钢制模具4底部，然后将温度在300℃及以上的煤层与砂岩岩层层间界面处粘合剂均匀平铺于模具内长方体煤样3的上表面，长方体煤样3与长方体砂岩岩样2层间界面处粘合剂的铺设厚度为4mm，然后将长方体砂岩岩样2叠放于煤层与砂岩岩层层间界面处粘合剂之上；进一步将含水率在10%及以上的页岩与砂岩层间界面处粘合剂均匀平铺于模具内长方体砂岩岩样2的上表面，页岩与砂岩层间界面处粘合剂的铺设厚度为5mm；最后将长方体页岩岩样1叠放于页岩与砂岩层间界面处粘合剂之上，完成所有岩样的叠放，得到组合类型为煤样-砂岩-页岩的煤系气复合储层煤岩组合体试样。
第六步：将立方体钢制模具4的活动前挡板5上的插销7与立方体钢制模具4的凹槽滑道对应后，将活动前挡板5完全插至立方体钢制模具4的底面，完成整个模具。
第七步：将实施案例煤系气复合储层平均埋深H=450m，覆岩平均容重γ=0.025MN/m3，带入P=γH，得到该案例煤系气复合储层的覆岩应力P=11.25Mpa。
第八步：将第六步所得含煤岩组合体的立方体钢制模具4放置于液压千斤顶加载平台下方，找平后施加均布刚性载荷至11.25Mpa，并持续稳压3d后卸载。
第九步：含煤岩组合体立方体钢制模具4卸载后，静置48h，待立方体钢制模具4内煤岩组合体试样完全冷却、干燥后，将立方体钢制模具4的活动前挡板5抽出即可得到煤系气复合储层煤岩组合体的物理模拟试样，进一步对所得组合类型为页岩-砂岩-煤样煤系气复合储层煤岩组合体物理模拟试样的6个表面进行磨平，以便于真三轴模拟试验系统施加均布载荷。
Claims (4)
1.一种考虑层间界面性质的煤岩组合体物模试样的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，在矿井下采集煤系气复合储层新鲜煤样及相邻含气岩层的岩样，标记取样方位与层位；所述岩样包括页岩、致密砂岩和煤岩；
第二步，将第一步所取煤样及岩样加工为长为250mm、宽为250mm、厚度为各层岩层实际厚度1/100的长方体煤样及各层长方体岩样；
第三步，将采集的部分新鲜煤样加工为直径d1＜0.2mm的煤粒，将所得煤粒隔绝空气加热至350℃并恒温保持4h，使煤软化、熔融形成胶质体，以此作为煤层与其他岩层层间界面处的粘合剂；
第四步，将采集的部分页岩岩样加工为直径d2＜2mm的颗粒，按页岩颗粒与纯水的质量比为10:1的比例，将纯水均匀滴入所得页岩颗粒，使页岩颗粒软化产生黏性，以此作为页岩与砂岩层间界面处的粘合剂；
第五步，利用立方体钢质模具制备煤系气复合储层煤岩组合体立方体试件，所述立方体钢质模具设有活动前挡板，首先参照第一步所得煤系气复合储层各岩层层位，确定煤系气复合储层的煤岩组合类型；将位于最下位的长方体煤样或岩样放置于模具底部，然后选择与最下位长方体煤样或岩样对应的层间界面粘合剂，将粘合剂平铺于最下层长方体煤样或岩样的上表面，进一步将上位长方体煤样或岩样放置于下位长方体煤样或岩样上方；按照上述同样方法依次在模具内最上层长方体煤样或岩样的上表面平铺对应粘合剂，进一步在所铺设粘合剂上方放置对应的上位长方体煤样或岩样，直至完成所有煤样或岩样的叠放；
第六步，将立方体钢质模具的活动前挡板插至立方体钢制模具底面，完成整个模具；
第七步，根据煤系气复合储层地层层位，计算煤系气复合储层的平均覆岩应力P，P=γH，其中，γ为煤系气复合储层上覆岩层的平均容重，H为煤系气复合储层的平均埋深；
第八步，在第六步制备所得模具顶部采用液压千斤顶施加与第七步计算结果相同的均布刚性载荷以模拟煤系气复合储层覆岩应力，加载至设定值后，持续稳压3d后卸载；
第九步，含煤岩组合体的立方体钢制模具卸载后，静置48h，待模具内煤岩组合体试样完全冷却、干燥后，将活动前挡板抽出并拆除立方体钢制模具即可得到煤系气复合储层煤岩组合体的物理模拟试样。
2.根据权利要求1所述的一种考虑层间界面性质的煤岩组合体物模试样的制备方法，其特征在于：第五步中，立方体钢质模具材质为45钢，模具壁厚为20mm，模具的内腔长为250mm、宽为250mm，所述立方体钢质模具的活动前挡板上设有插销，立方体钢质模具上设有与插销匹配的凹槽滑道。
3.根据权利要求1所述的一种考虑层间界面性质的煤岩组合体物模试样的制备方法，其特征在于：所述煤粒制备的胶质体及含水的页岩颗粒作为层间界面处粘合剂时，粘合剂的铺设厚度为层间界面粘合剂取材岩层实际厚度的1/1000。
4.根据权利要求1所述的一种考虑层间界面性质的煤岩组合体物模试样的制备方法，其特征在于：所述第九步中，拆除立方体钢制模具所得煤系气复合储层煤岩组合体的物理模拟式样包括煤样-砂岩层-页岩层、煤样-页岩层-砂岩层、煤层-页岩层和煤样-砂岩层中的任意一种；对拆除立方体钢制模具所得的煤系气复合储层煤岩组合体物理模拟试样的6个表面进行磨平。
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