[发明专利]一种模拟水力压裂裂缝真实形态的人造岩样制作方法

说明书

本发明公开了一种模拟水力压裂裂缝真实形态的人造岩样制作方法，利用油气储层段的井下岩心或者同层位露头岩石制作原始方形岩板；利用岩板劈裂装置沿长度方向劈裂岩板，并用三维激光扫描仪获取劈裂后岩样表面粗糙形貌数据；计算劈裂后岩样表面粗糙度系数，并根据粗糙度系数选取一对最能代表该储层水力压裂裂缝表面形貌的劈裂后岩样；依据表面粗糙形貌数据用3D打印机制作人造岩样制样模具；并依据该储层段岩石矿物组分配制人造岩样制作材料，压制形成模拟水力压裂裂缝真实形态的人造岩样。本发明的制作方法原理简单，所用设备加工制作方便，并能够批量制作与储层岩石矿物组分一致、表面粗糙形貌真实且统一的岩样，便于进行实验。

技术领域

本发明涉及石油天然气增产改造技术领域，特别涉及一种模拟水力压裂裂缝真实形态的人造岩样制作方法。

背景技术

水力压裂是油气藏增产改造的主要措施，施工时通过井筒向油气储层挤注具有较高粘度的压裂液，当注入压裂液的速度超过储层的吸收能力时，则在井底储层上形成很高的压力，当这种压力超过井底附近储层岩石的破裂压力时，储层岩石将被压开并产生裂缝。岩石由多种矿物颗粒与胶结剂相互黏结而成，水力压裂裂缝主要沿力学性质较弱的胶结剂部分扩展延伸，从而决定了裂缝表面凹凸不平，具有一定的粗糙度。在开展水力压裂室内物理模拟实验时，需要采用具有粗糙表面的岩样，以还原水力压裂裂缝真实形态；同时，需批量制作具有固定粗糙表面的岩样，以保证在同样的粗糙表面形貌下开展实验，认清实验参数对物理模拟结果的影响，从而为水力压裂方案设计提供准确的指导。

为了重复制作具有固定粗糙表面的岩样，国内外学者做了诸多尝试。现有制作粗糙表面岩样的方法主要分为三种，即直接浇筑法、3D打印模具+浇筑法、3D打印法。

(1)直接浇筑法：杜时贵(2010)基于岩体结构面抗剪强度机制及相似材料理论，研制了以高强水泥、硅粉、高效减水剂、标准砂、水等原料混合形成的新型模拟材料，将模拟材料加入到原岩粗糙表面进行直接浇筑。

(2)3D打印模具+浇筑法：熊祖强(2015)采用三维扫描仪获取石灰岩原始自然结构面表面形态的高精度点云数据，然后通过逆向工程软件重构自然结构面的表面形态和含自然结构面的三维虚拟模型，进而通过3D打印技术制作含自然结构面的PLA(绿色环保材料聚乳酸)塑材模具，最后以可快速凝固的超细水泥和超细石英砂为制作材料，借助PLA结构面模具在制样盒内浇筑成型含岩石自然结构面的试样。

(3)3D打印法：鞠杨(2014)以光聚合物材料为制作材料，综合采用CT成像、三维重构和3D打印技术制备包含复杂裂隙的煤岩模型；Sergey Ishutov(2015)使用丙乙烯-丁二烯-苯乙烯(ABS acrylonitrile butadiene styrene)等3D打印材料，经过“岩心扫描-灰度直方处理-打印机打印”的系统化孔隙结构制作流程，打印按比例放大的储集岩中的孔隙网络；田威(2017)采用CT扫描、岩样几何模型三维重建和2种不同的3D打印工艺——激光烧结(SLS)、三维印刷(3DP)——重构了与天然砂岩试样内部结构相接近的3D打印试样，SLS工艺采用覆膜砂作为打印材料，通过激光烧结熔化砂粒表面附着的树脂进行黏结，而3DP工艺以呋喃树脂为黏结剂，黏结砂粉末。

这几种方法虽然可以在一定程度上重复制作具有固定粗糙表面的岩样，但在模拟水力压裂裂缝真实形态方面具有一定的局限性：(1)上述方法都未对天然岩样自身矿物组分(颗粒、胶结物等)、矿物颗粒粒度等基本信息开展详细分析，导致人造岩样的基本组成物质、孔隙结构特征等与天然岩样存在较大差异，从而不能获取兼顾孔隙度、渗透率、密度等物理性质和抗压强度、弹性模量、抗剪强度等力学性质均与天然岩样一致的人造岩样。(2)直接浇筑法制作的岩样的粗糙表面形貌与原始岩样存在较大误差，导致其力学性质也与原始岩样存在较大偏差。(3)3D打印法逐层喷涂、堆叠，制作的岩样具有明显的成层性，与原始岩样的结构特征不符。(4)未针对代表某储层段水力压裂裂缝真实形态的粗糙表面形貌选取方法开展研究。(5)在制备岩样的过程中未进行压制，其所制得的岩板强度不能达到压裂施工和地层压力相互作用的要求，无法满足压裂实验的效果。