一种制备人造岩心的方法及装置转让专利
申请号 : CN201811213756.9
文献号 : CN109307613B
文献日 : 2021-07-02
发明人 : 金旭 , 焦航 , 孙雷 , 苏玲 , 王晓琦 , 李建明
申请人 : 中国石油天然气股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种制备人造岩心的方法,其特征在于,包括:通过3D打印技术来构建岩心孔隙的初级结构,所述初级结构表征和描述岩心孔隙的轮廓形状;
在所述初级结构外镀上一层硬质的形状限定层,所述形状限定层用于提高所述初级结构的强度以使所述初级结构保持稳定的形状;通过填充的方法在形成有形状限定层的初级结构外包埋金属、陶瓷、玻璃、耐高温的高分子材料中的一种或几种,形成包埋填充基体,所述包埋填充基体将形成有形状限定层的初级结构包埋在其内,形成内部包埋有所述初级结构的块状体或圆柱状体,该内部包埋有所述初级结构的块状体或圆柱状体即为所述岩心样品;硬质金属镀层或陶瓷镀层所构成的形状限定层发生气化的温度高于初级结构发生气化的温度;
在形成有所述形状限定层的初级结构外进行固体包埋,形成岩心样品;在方形或者圆柱形的模具中,将熔融状态的包埋填充物浇到形成有形状限定层的所述初级结构上,使熔融状态的包埋填充物与所述形状限定层的表面润湿完全贴合,包埋完成后降温,使熔融状态的包埋填充物固化形成呈固态的包埋填充物即所述包埋填充基体,再脱模,即可形成所述岩心样品;
对所述岩心样品进行热处理,使得所述初级结构的材料气化并挥发,形成具有内部孔隙微观结构的多孔介质岩心模型,所述内部孔隙微观结构与所述初级结构相适配;
对所述多孔介质岩心模型执行化学腐蚀工艺,消融掉所述多孔介质岩心模型内壁上的形状限定层,获得内部具有孔隙结构的人造岩心,所述孔隙结构与所述形状限定层相适配。
2.如权利要求1所述的制备人造岩心的方法,其特征在于,所述岩心孔隙的初级结构,为采用微米CT、纳米CT、聚焦离子束扫描电镜FIB‑SEM中的一种或几种方法获得的真实岩石孔隙网络,或者,等比例放大的孔隙模型,或者,简化抽象出的简单孔隙模型;
在构建岩心孔隙的初级结构的步骤中,所述初级结构为通过SLA、DLP、SLS、FDM中的任意一种或几种3D打印技术打印耗材来构建得到的。
3.如权利要求2所述的制备人造岩心的方法,其特征在于,所采用的打印耗材包括PLA、ABS、光敏树脂、尼龙粉末中的一种或几种有机材料。
4.如权利要求1所述的制备人造岩心的方法,其特征在于,在初级结构外镀上一层硬质的形状限定层的步骤中,所述形状限定层为利用原子层沉积、化学镀、电镀、离子溅射中的任意一种或几种方法在所述初级结构外镀上的一层硬质金属镀层或陶瓷镀层。
5.如权利要求1所述的制备人造岩心的方法,其特征在于,在对所述岩心样品进行热处理之前,采用激光或打磨的方法对固化后呈固态的包埋填充物即所述包埋填充基体进行开口,所述开口为热处理时所述初级结构的材料气化的挥发提供发散通道。
6.如权利要求1所述的制备人造岩心的方法,其特征在于,对所述多孔介质岩心模型执行化学腐蚀工艺用于将增强所述初级结构强度的形状限定层消融掉,以得到暴露在呈固态的包埋填充物即所述包埋填充基体内表面的孔隙结构,此时所述孔隙结构的壁面材料即为所述呈固态的包埋填充物亦即所述包埋填充基体。
7.如权利要求1所述的制备人造岩心的方法,其特征在于,对所述岩心样品进行热处理用于将所述初级结构消融掉,以形成所述内部孔隙微观结构,所述内部孔隙微观结构即为所述初级结构所占据的三维空间的形状,所述内部孔隙微观结构为所述人造岩心的孔隙空间主体。
8.一种制备人造岩心的装置,其特征在于,包括:初级结构构建模块,用于通过3D打印技术来构建岩心孔隙的初级结构,所述初级结构表征和描述岩心孔隙的轮廓形状;
形状限定层形成模块,用于在所述初级结构外镀上一层硬质的形状限定层,所述形状限定层用于提高所述初级结构的强度以使所述初级结构保持稳定的形状;通过填充的方法在形成有形状限定层的初级结构外包埋金属、陶瓷、玻璃、耐高温的高分子材料中的一种或几种,形成包埋填充基体,所述包埋填充基体将形成有形状限定层的初级结构包埋在其内,形成内部包埋有所述初级结构的块状体或圆柱状体,该内部包埋有所述初级结构的块状体或圆柱状体即为所述岩心样品;硬质金属镀层或陶瓷镀层所构成的形状限定层发生气化的温度高于初级结构发生气化的温度;
固体包埋模块,用于在形成有所述形状限定层的初级结构外进行固体包埋,形成岩心样品;在方形或者圆柱形的模具中,将熔融状态的包埋填充物浇到形成有形状限定层的所述初级结构上,使熔融状态的包埋填充物与所述形状限定层的表面润湿完全贴合,包埋完成后降温,使熔融状态的包埋填充物固化形成呈固态的包埋填充物即所述包埋填充基体,再脱模,即可形成所述岩心样品;
多孔介质岩心模型形成模块,用于对所述岩心样品进行热处理,使得所述初级结构的材料气化并挥发,形成具有内部孔隙微观结构的多孔介质岩心模型,所述内部孔隙微观结构与所述初级结构相适配;
化学腐蚀执行模块,用于对所述多孔介质岩心模型执行化学腐蚀工艺,消融掉所述多孔介质岩心模型内壁上的形状限定层,获得内部具有孔隙结构的人造岩心,所述孔隙结构与所述形状限定层相适配。
说明书 :
一种制备人造岩心的方法及装置
技术领域
背景技术
到同一批次且内部孔隙结构类似的岩心来开展并列的物理模拟实验,这也制约了油气在岩
心内部孔隙中的物理模拟研究。
SLA(Stereo Lithography Apparatus,立体光固化成型)、DLP(Digital light
processing,数字光投影)、SLS(Selective Laser Sintering,粉末材料选选性激光烧结)、
FDM(Fused Deposition Modeling,熔融沉积)等,均采用打印耗材直接加工的方法,再通过
三维模型逐层喷绘固化或熔融烧结,实现岩心骨架的建立。
打印耗材制备得到的人造岩心,无法用于高温高压的物理模拟环境,从而导致采用上述已
知实施例制备得到的人造岩心的适用范围受到较大的限制。而如果采用矿物颗粒或矿物粉
浆料作为打印耗材制备得到的人造岩心,孔隙结构的尺寸较大,且孔隙结构的壁面极为粗
糙。
背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
的要求较低,易于实现。
适配;
抽象出的简单孔隙模型。
的一层硬质金属镀层或陶瓷镀层。
们的混合物,形成包埋填充基体,所述包埋填充基体将形成有形状限定层的初级结构包埋
在其内,形成内部包埋有所述初级结构的块状体或圆柱状体,该内部包埋有所述初级结构
的块状体或圆柱状体即为所述岩心样品。
埋填充物与所述形状限定层的表面润湿完全贴合,包埋完成后降温,使熔融状态的包埋填
充物固化形成呈固态的包埋填充物即所述包埋填充基体,再脱模,即可形成所述岩心样品。
料气化的挥发提供发散通道。
孔隙结构,此时所述孔隙结构的壁面材料即为所述呈固态的包埋填充物亦即所述包埋填充
基体。
述内部孔隙微观结构为所述人造岩心的孔隙空间主体。
观结构与所述初级结构相适配;
结构与所述形状限定层相适配。
结构外,固化后的包埋填充物即包埋填充基体包裹在初级结构外作为岩心的固体骨架材
料,将形成有形状限定层的初级结构包裹在其内,形成块状体的岩心样品再进行后续的热
处理和化学腐蚀工艺。
选用耐温耐压性能较差的材料,而并不影响最终得到的人造岩心在高温高压的物理模拟环
境下的使用。
境下使用,则包埋填充的材料种类可以千变万化,以满足人造岩心物质组成、力学性能、耐
高温性能的要求。
心的适用范围得到了极大的扩展,这是现有的3D打印方法制备人造岩心所无法做到的。
导致岩心适用范围受限的问题。从而,制备材料较容易获得,且对材料的要求较低,易于实
现。
体形状‑初级结构,再将该表征和描述孔隙轮廓形状的初级结构去除掉的方法得到,从而使
最终得到的人造岩心的孔隙结构的内壁面较为平滑和准确。
求的精神和条款的范围内,本发明的实施例包括许多改变、修改和等同。
附图说明
不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下,可
以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中:
具体实施方式
例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通
技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保
护的范围。
到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、
“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施例。
体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相
关的所列项目的任意的和所有的组合。
所述方法中可以包括更多或者更少的操作步骤。此外,所述方法在逻辑性上不存在必要因
果关系的步骤中,这些步骤的执行顺序不限于本发明实施例中所提供的执行顺序。具体的,
例如,步骤S30和步骤S40,可以按照本文所述的顺序进行,也可以与本文所述的顺序相反。
适配;
限定层相适配。
孔隙模型,或者,简化抽象出的简单孔隙模型。上述几种方法获得岩心孔隙的初级结构1的
大致思路为,先通过扫描的方式获得岩心孔隙的图像或数字信息,基于这些描述岩心孔隙
的图像或数字信息,对打印耗材实施3D打印,即可获得岩心孔隙的初级结构1。上述几种方
法获得岩心孔隙的初级结构1的方式,可以采用任意合适的现有技术,且是现有技术容易实
现的,在此不作赘述。
Butadiene Styrene plastic,丙烯腈‑丁二烯‑苯乙烯塑料)、光敏树脂(液体)、尼龙粉末中
的一种或几种有机材料。
后,即可形成岩心的孔隙。
除。
金属镀层或陶瓷镀层所构成的形状限定层2的耐温性能优于初级结构1的耐温性能,即硬质
金属镀层或陶瓷镀层所构成的形状限定层2发生气化的温度高于初级结构1发生气化的温
度。这样,在步骤S40的热处理过程中,只会将初级结构1去除,而硬质金属镀层或陶瓷镀层
所构成的形状限定层2得以保留。
形状限定层2的初级结构1外包埋金属、陶瓷、玻璃、耐高温的高分子材料(例如,PEEK)中的
一种或几种,形成包埋填充基体3。包埋填充基体3将形成有形状限定层2的初级结构1包埋
在其内部,形成内部包埋有初级结构1的块状体或圆柱状体,该内部包埋有初级结构1的块
状体或圆柱状体即为岩心样品4。
形状限定层2的表面润湿完全贴合,包埋完成后降温,使熔融状态的包埋填充物固化形成呈
固态的包埋填充物即所述包埋填充基体3,再脱模,即可形成岩心样品4。
隙微观结构5为人造岩心8的孔隙空间主体。
通至初级结构1,从而为热处理时初级结构1的材料气化的挥发提供发散通道。
3内表面的孔隙结构7,该孔隙结构7与形状限定层2相适配,即孔隙结构7的形状与形状限定
层2的形状相同。此时孔隙结构7的壁面材料即为呈固态的包埋填充物亦即包埋填充基体3。
理模拟研究中被夹持器夹持。因此,在步骤S50中,可以通过对多孔介质岩心模型6进行切
割、铣、钻等加工,获得上述规则形状的人造岩心8。
材多为矿物颗粒或矿物粉浆料。通过3D打印技术在矿物颗粒或矿物粉浆料中直接打印出岩
心孔隙,镂空出来的地方即作为岩心的内部孔隙,如此一层一层地打印得到人造岩心。
知实施例那样打印矿物颗粒或矿物粉浆料,在矿物颗粒或矿物粉浆料中形成孔隙。
构1外进行固体包埋填充,固体包埋填充物形成填充基体3,作为最终的人造岩心8的骨架,
从而形成岩心样品4。进一步,对岩心样品4进行热处理,将位于岩心样品4内的用于制备初
级结构1的打印耗材去除。
限定层2的初级结构1外,固化后的包埋填充物即包埋填充基体3包裹在初级结构1外作为岩
心的固体骨架材料,将形成有形状限定层2的初级结构1包裹在其内,形成块状体的岩心样
品4再进行后续的热处理和化学腐蚀工艺。
选用耐温耐压性能较差的材料,而并不影响最终得到的人造岩心在高温高压的物理模拟环
境下的使用。
境下使用,则包埋填充的材料种类可以千变万化,以满足人造岩心物质组成、力学性能、耐
高温性能的要求。
心的适用范围得到了极大的扩展,这是现有的3D打印方法制备人造岩心所无法做到的。
导致岩心适用范围受限的问题。从而,制备材料较容易获得,且对材料的要求较低,易于实
现。
体形状‑初级结构,再将该表征和描述孔隙轮廓形状的初级结构去除掉的方法得到,从而使
最终得到的人造岩心的孔隙结构的内壁面较为平滑和准确。
岩心的方法,通过在表征和描述孔隙轮廓形状的初级结构1形成形状限定层2,从而将初级
结构1保护起来,这样就保证了初级结构1被消融后,形成的内部孔隙微观结构5的壁面的平
滑与准确。
矿物粉浆料作为打印耗材较易实现,且打印的精度高。
定层2外部进行固体包埋获得块状的岩心样品4,热处理消除初级结构1的组分获得具有内
部孔隙微观结构5的多孔介质岩心模型6,再进行电化学腐蚀处理消除掉形状限定层2,再对
多孔介质岩心模型6进行切削、铣、钻等加工,最后获得内部具有按3D打印设计孔隙结构的
标准人造岩心8。
岩心的方法相似,因此制备人造岩心的装置的实施可以参见上述制备人造岩心的方法的实
施,重复之处不再赘述。以下所使用的术语“模块”,可以是基于软件实现,也可以是基于硬
件实现,还可以是以软硬件结合的方式实现。
微观结构与所述初级结构相适配;
隙结构与所述形状限定层相适配。
的。因此,本教导的范围不应该参照上述描述来确定,而是应该参照前述权利要求以及这些
权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的,所有文章和参考包括专利
申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任
何方面并不是为了放弃该主体内容,也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发
明主题的一部分。