一种碳酸盐岩储层微观模型及其制备方法和应用

摘要

本发明提供一种碳酸盐岩储层微观模型及其制备方法和应用。该模型制备方法包括：方解石晶体切割成晶体片；晶体片浸渍于熔融态的蜂蜡中于表面形成蜡涂层；采用二氧化碳激光器按照目标图案通道在晶体片正面的映射形状除去其对应晶体片正面的蜡涂层，完成目标图案通道的映射复刻；将晶体片正面向上浸入于盐酸中并超声振荡以刻蚀蜡涂层暴露的通道图案；钻出刻蚀的通道与外界相连通的进出口通道；采用玻璃盖片和粘合剂对晶体片正面覆盖使晶体片粘合，然后清洗通道并对通道进行润湿改性，得到碳酸盐岩储层微观模型。本发明的碳酸盐岩储层微观模型制备方法简单快速，模型承压能力极强，能够用于研究润湿性对碳酸盐岩注水开发提高采收率效果的影响等。

权利要求

1.一种碳酸盐岩储层微观模型的制备方法，其包括以下步骤：将方解石晶体切割成厚度为3～4mm的晶体片，打磨平整并依次使用乙醇和乙醚冲洗晶体片，水洗后烘干处理；

将晶体片浸渍于熔融态的蜂蜡中，于晶体片表面形成蜡涂层，取出晶体片冷却后，对晶体片一面的蜡涂层打磨均匀，将其作为正面；晶体片的背面及其它侧面采用胶带密封；

采用二氧化碳激光器，按照目标图案通道在晶体片正面的映射形状，除去目标图案通道对应晶体片正面的蜡涂层，完成目标图案通道的映射复刻；将晶体片正面向上浸入于盐酸中并超声振荡以刻蚀蜡涂层暴露的通道图案，刻蚀完成后取出晶体片并清洗除去残余酸液；

接着除去晶体片的胶带及其它部位的蜡涂层，并钻出刻蚀的通道与外界相连通的进出口通道；

采用玻璃盖片和粘合剂对晶体片正面覆盖使晶体片粘合，然后清洗通道并对通道进行润湿改性，得到碳酸盐岩储层微观模型；

其中，采用玻璃盖片和粘合剂对晶体片正面覆盖使晶体片粘合的步骤为：在玻璃盖片上涂抹粘合剂，将晶体片的正面与玻璃盖片相粘合，施加重物使压强达到

200Pa，并整体加热至60℃后保持15分钟；所述粘合剂包括CA40氰基丙烯酸酯；

清洗通道的步骤为：

将过量丙酮定压20kPa后注入到刻蚀的通道内以除去通道中残存的粘合剂，之后将水定压100kPa后冲洗通道；

润湿改性的具体过程如下：

将5倍以上孔隙体积的润湿改性剂定压至20kPa后注入到刻蚀的通道内，对通道内的水湿性方解石矿物表面进行油湿性的改性处理；

改性处理后，将水定压20kPa后冲洗通道；然后将正戊烷定压至20kPa后注入到通道内，并于显微镜下观察，待正戊烷与通道内方解石壁面的接触角小于90°时，表示改性成功；反之重复上述润湿改性的步骤直至接触角小于90°；

所述润湿改性剂制备方法包括：

将环己戊酸加入到正戊烷中，配置成环己戊酸质量浓度为1.5％的正戊烷溶液即为该润湿改性剂。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，采用薄锯或精密线切割方解石晶体。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，使用数字化控制精密机械加工车床实现晶体片的打磨平整。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述熔融态的蜂蜡的温度为160～180℃，晶体片浸渍于熔融态的蜂蜡中的浸渍时间为60～80s。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，取出晶体片冷却并打磨均匀的步骤为：取出后将晶体片放置于铝箔片上冷却，与铝箔片接触的面为晶体片的正面，待晶体片冷却后，撕下铝箔片并采用砂纸打磨正面形成厚度均匀的耐酸性蜡涂层。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述盐酸的质量浓度为5％。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其中，超声振荡的时间为10min。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其中，除去晶体片其它部位的蜡涂层的步骤为：将晶体片加热至160℃以上，以融化大部分的蜡涂层，然后降温后采用环己烷反复冲洗直至除去残留蜡涂层。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其中，钻出刻蚀的通道与外界相连通的进出口通道的步骤为：

使用高速钻机配置1mm的平头金刚石钻头，在刻蚀的通道两侧的目标位置钻出与外界相连通的进出口通道；然后依次采用丙酮、乙醇和水清洗石晶片，使用氮气气枪吹干晶体片的正面。

10.权利要求1～9任一项所述制备方法制备获得的碳酸盐岩储层微观模型。

11.权利要求10所述碳酸盐岩储层微观模型在碳酸盐岩注水开发研究中的应用。

说明书

一种碳酸盐岩储层微观模型及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于油气开发过程中的孔隙尺度流体流动技术领域，涉及一种碳酸盐岩储层微观模型及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 目前世界上已经发现的油气储量99％以上集中在沉积岩中，而沉积岩中又以碳酸盐岩和砂岩储集层为主。其中，碳酸盐岩储层中油气储量占比巨大，石油占全球储量的60％
以上，天然气占全球储量的40％以上。然而，碳酸盐岩油气藏受到成岩作用影响，非均质性
强，孔隙连通性差，渗透率低，钻井后大多无自然产能或产量低，通常采用注水方式(含有表
面活性剂或不含有表面活性剂)来提高油气井产能。

[0003] 在注水开发研究中，表面活性剂通过亲油基团吸附在岩石表面的油湿物质上或将岩石表面吸附的油湿物质去除，使得岩石由油湿变为水湿，从而提高注水波及效率，最终提
高油气采收率。因此岩石的润湿性对表面活性剂的优选至关重要。碳酸盐岩和砂岩在原油
未从烃源岩运移到储集岩时呈水湿，由于岩石在地层条件下(高温、高压)长期与原油进行
接触，原油中的一些组分吸附在岩石表面导致岩石变为油湿，但它们两种储层岩石表面是
有显著区别的。其中，碳酸盐岩表面呈正电，羧酸、环烷酸等物质呈负电，受静电力的作用吸
附导致岩石表面呈油湿，原油的酸指数控制碳酸盐岩的原始润湿性；而砂岩表面呈负电，原
油中的重烃组分、胶质沥青质等碱性物质吸附导致岩石呈油湿。原油的API重度，沥青质含
量以及黏土含量控制砂岩的原始润湿性。因此，即便是注水中不含有表面活性剂的情况下，
岩石表面类型同样会影响水‑岩石界面润湿角，引起孔喉毛管力差异，最终导致注水效果差
异。同样的，实验中保证相同的岩石类型是酸化研究的基础。

[0004] 目前，针对碳酸盐岩注水开发的相关研究基本上以地下取芯岩心或人造岩心为研究对象。常规实验方法如：公开号CN103245769A、CN104559991A，无法通过该类型研究方法
直观观察到水相‑油相‑岩石相的界面现象，旨在直观认识岩心内部的渗流机理的核磁共振
方法(如公开号CN107144515)和CT扫描方法(如公开号CN106644877A)同样无法达到实时观
察孔喉界面现象的分辨率，另外通过阈值分割数据处理方法也会导致结果偏差。微流控技
术是一种新兴技术，能够将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米的模型
上，在微纳米尺度空间对流体进行操作。其实验过程消耗量小、试验速度快、安全性高、热量
质量传递速率高且直观可视化等优势已经成功用于油气储层表征。使用微流控技术设计的
微观油气藏模型常用材料是硅、玻璃、石英或PDMS、PMMA等聚合物材料，其中玻璃材料制作
工艺成熟，价格低廉，性能稳定，最为常见(如公开号CN108150162A和CN107939387A)。玻璃
材料化学成分主要为二氧化硅和其他氧化物，可近似表征砂岩储层，但与碳酸盐岩储层相
距甚远，不适合在碳酸盐岩注水研究中使用。方解石材料无色透明，易于切割，但由于其化
学活性和热稳定性相比玻璃材料较高，键合难度极大，需要使用新工艺方法制作方解石材
质微观模型。Song、Wang等人(Wang et al.,2017；Yoon et al.,2019)使用化学合成方法，
将碳酸钙矿物“生长”在玻璃微流控模型上，借助玻璃材料成熟的制作工艺，实现碳酸盐岩
储层的表征，但其化学合成的碳酸钙表面并不是平整均匀的表面。在研究注水开发过程中，
会影响水与碳酸钙表面的接触角，从而影响实验结果。

[0005] 为了使微观模型能够代表碳酸盐岩储层，从而研究碳酸盐岩注水开发提高采收率机理，亟待设计出一种能够稳定表征碳酸盐岩储层的微观模型。

发明内容

[0006] 基于现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种碳酸盐岩储层微观模型的制备方法；本发明的第二目的在于提供该制备方法制备获得的碳酸盐岩储层微观模
型；本发明的第三目的在于提供该碳酸盐岩储层微观模型在碳酸盐岩注水开发研究中的应
用。

[0007] 本发明的目的通过以下技术手段得以实现：

[0008] 一方面，本发明提供一种碳酸盐岩储层微观模型的制备方法，其包括以下步骤：

[0009] 将方解石晶体切割成晶体片，打磨平整并清洗干燥；

[0010] 将晶体片浸渍于熔融态的蜂蜡中，于晶体片表面形成蜡涂层，取出晶体片冷却后，对晶体片一面的蜡涂层打磨均匀，将其作为正面；晶体片的背面及其它侧面采用胶带密封；

[0011] 采用二氧化碳激光器，按照目标图案通道在晶体片正面的映射形状，除去目标图案通道对应晶体片正面的蜡涂层，完成目标图案通道的映射复刻；将晶体片正面向上浸入
于盐酸中并超声振荡以刻蚀蜡涂层暴露的通道图案，刻蚀完成后取出晶体片并清洗除去残
余酸液；

[0012] 接着除去晶体片的胶带及其它部位的蜡涂层，并钻出刻蚀的通道与外界相连通的进出口通道；

[0013] 采用玻璃盖片和粘合剂对晶体片正面覆盖使晶体片粘合，然后清洗通道并对通道进行润湿改性，得到碳酸盐岩储层微观模型。

[0014] 上述的制备方法中，优选地，将方解石晶体切割成晶体片的厚度为3～4mm。

[0015] 上述的制备方法中，优选地，采用薄锯或精密线切割方解石晶体。

[0016] 上述的制备方法中，优选地，使用数字化控制精密机械加工车床实现晶体片的打磨平整。

[0017] 上述的制备方法中，优选地，依次使用乙醇和乙醚冲洗晶体片，水洗后烘干处理。

[0018] 上述的制备方法中，优选地，所述熔融态的蜂蜡的温度为160～180℃，晶体片浸渍于熔融态的蜂蜡中的浸渍时间为60～80s。

[0019] 上述的制备方法中，优选地，取出晶体片冷却并打磨均匀的步骤为：

[0020] 取出后将晶体片放置于铝箔片上冷却，与铝箔片接触的面为晶体片的正面，待晶体片冷却后，撕下铝箔片并采用砂纸打磨正面形成厚度均匀的耐酸性蜡涂层。铝箔表面平
整且不易于蜂蜡粘连，易于揭下。

[0021] 上述的制备方法中，优选地，所述盐酸的质量浓度为5％。

[0022] 上述的制备方法中，优选地，超声振荡的时间为10min。

[0023] 上述的制备方法中，优选地，除去晶体片其它部位的蜡涂层的步骤为：

[0024] 将晶体片加热至160℃以上，以融化大部分的蜡涂层，然后降温后采用环己烷反复冲洗直至除去残留蜡涂层。

[0025] 上述的制备方法中，优选地，钻出刻蚀的通道与外界相连通的进出口通道的步骤为：

[0026] 使用高速钻机配置1mm的平头金刚石钻头，在刻蚀的通道两侧的目标位置钻出与外界相连通的进出口通道；然后依次采用丙酮、乙醇和水清洗石晶片，使用氮气气枪吹干晶
体片的正面。

[0027] 上述的制备方法中，优选地，采用玻璃盖片和粘合剂对晶体片正面覆盖使晶体片粘合的步骤为：

[0028] 在玻璃盖片上涂抹粘合剂，将晶体片的正面与玻璃盖片相粘合，施加重物使压强达到200Pa，并整体加热至60℃后保持15分钟。

[0029] 上述的制备方法中，优选地，所述粘合剂包括CA40氰基丙烯酸酯。

[0030] 上述的制备方法中，优选地，清洗通道的步骤为：

[0031] 将过量丙酮定压20kPa后注入到刻蚀的通道内以除去通道中残存的粘合剂，之后将水定压100kPa后冲洗通道。

[0032] 上述的制备方法中，优选地，对通道进行润湿改性的步骤为：

[0033] 将5倍以上孔隙体积的润湿改性剂定压至20kPa后注入到刻蚀的通道内，对通道内的水湿性方解石矿物表面进行油湿性的改性处理；

[0034] 改性处理后，将水定压20kPa后冲洗通道；然后将正戊烷定压至20kPa后注入到通道内，并于显微镜下观察，待正戊烷与通道内方解石壁面的接触角小于90°时，表示改性成
功；反之重复上述润湿改性的步骤直至接触角小于90°。

[0035] 所述孔隙体积指的是刻蚀的通道的孔隙总体积。

[0036] 上述的制备方法中，优选地，所述润湿改性剂制备方法包括：

[0037] 将环己戊酸加入到正戊烷中，配置成环己戊酸质量浓度为1.5％的正戊烷溶液即为该润湿改性剂。

[0038] 另一方面，本发明还提供上述制备方法制备获得的碳酸盐岩储层微观模型。

[0039] 再一方面，本发明还提供上述碳酸盐岩储层微观模型在碳酸盐岩注水开发研究中的应用。

[0040] 本发明的碳酸盐岩储层微观模型能够真正意义的实现对碳酸盐岩储层的模拟，这对于碳酸盐岩油气藏提高采收率基础理论研究有重要意义；本发明的碳酸盐岩储层微观模
型能够用于研究：润湿性对碳酸盐岩注水开发提高采收率效果的影响；评价不同类型的表
面活性剂，明确最适合于碳酸盐岩油气藏中使用的表面活性剂类型，建立碳酸盐岩表面活
性剂对流‑扩散‑吸附数学模型等。

[0041] 本发明的碳酸盐岩储层微观模型的制备方法简单快速，模型承压能力极强；模型粘合温度仅需60℃，粘合时间仅需15min左右，相比普通玻璃材质通过等离子体处理和高温
烧结12h以上实现键合而言，速度大幅度加快，且制备的模型承压可达到2MPa以上(实验室
测试注入压力达到2.43MPa时，模型盖片才脱离)。

[0042] 本发明的碳酸盐岩储层微观模型的制备方法中，采用的润湿改性剂为含有1.5wt％环己戊酸的正戊烷溶液，其沸点在大气压下为36.1℃，因此，只需将模型升温至40
℃，即可将溶剂全部清除，保证通道清洁无异物。

附图说明

[0043] 图1为本发明实施例2碳酸盐岩储层微观模型的图案通道的示意图。

[0044] 图2为本发明实施例2中采用玻璃材质微观模型模拟碳酸盐岩注水开发过程的实验图。

[0045] 图3为本发明实施例2中采用碳酸盐岩储层微观模型模拟碳酸盐岩注水开发过程的实验图。

[0046] 图4A为本发明实施例3中剩余油状态时间点为0min时，碳酸盐岩储层微观模型通道内水相中残留油滴的润湿性图。

[0047] 图4B为本发明实施例3中剩余油状态时间点为5min时，碳酸盐岩储层微观模型通道内水相中残留油滴的润湿性图。

[0048] 图4C为本发明实施例3中剩余油状态时间点为10min时，碳酸盐岩储层微观模型通道内水相中残留油滴的润湿性图。

[0049] 图4D为本发明实施例3中剩余油状态时间点为15min时，碳酸盐岩储层微观模型通道内水相中残留油滴的润湿性图。

[0050] 图4E为本发明实施例3中剩余油状态时间点为20min时，碳酸盐岩储层微观模型通道内水相中残留油滴的润湿性图。

[0051] 图4F为本发明实施例3中剩余油状态时间点为25min时，碳酸盐岩储层微观模型通道内水相中残留油滴的润湿性图。

[0052] 图5为本发明实施例3中采用本发明碳酸盐岩储层微观模型和采用玻璃材质的模型进行润湿角随时间的变化关系的对比图。

具体实施方式

[0053] 为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

[0054] 实施例1：

[0055] 本实施例提供一种碳酸盐岩储层微观模型的制备方法，其包括以下步骤：

[0056] 1、方解石晶体切割：

[0057] (1)晶体切片：使用薄锯或精密线切割将方解石晶体切成3～4mm厚度的晶体片。

[0058] (2)晶体片打磨：使用数字化控制精密机械加工车床将晶体片打磨，确保两面平滑，平整，为后续的均匀刻蚀和粘结做准备。

[0059] (3)晶体片清洗：分别使用乙醇和乙醚冲洗方解石晶体片，之后使用去离子水冲洗其表面3min，冲洗后放置105℃烘箱内干燥2h。

[0060] 2、保护涂层的制备：

[0061] (1)蜡涂层的制作：将晶体片放入加热到160℃装有熔融态蜂蜡的烧杯中浸渍1min，然后取出将其水平放置于铝箔片上，与铝箔片接触的面为晶体片的正面，至晶体片冷
却至室温。

[0062] (2)耐酸性蜡涂层的制作：撕下晶体片正面的铝箔片并采用600目砂纸打磨正面，使正面上形成厚度均匀的耐酸性蜡涂层；使用无痕胶带粘贴密封晶体片背面和侧面，保证
其不受后续酸液刻蚀的影响。

[0063] (3)目标图案制作：使用二氧化碳激光器去除目标图案上的蜡涂层，调整设备功率和移动速度以控制图形通道宽度尺寸，按照目标图案通道在晶体片正面的映射形状除去其
对应晶体片正面的蜡涂层，完成目标图案通道的映射复刻。

[0064] 3、目标图案通道刻蚀：

[0065] (1)酸液刻蚀：将晶体片正面向上浸入于装有过量的质量浓度为5％的盐酸中，并将其放入超声波仪中震荡10min以刻蚀蜡涂层暴露的通道图案，保证反应气体及时逸出；刻
蚀完成后，取出晶体片放入去离子水中，除去残余的酸液。

[0066] (2)蜡涂层的去除：撕掉晶体片背面及侧面上的无痕胶带，将晶体片加热至160℃，以融化大部分蜡涂层，降至常温后使用环己烷反复冲洗直至去除残留蜡涂层。

[0067] (3)晶体片钻孔：使用高速钻机配置1mm的平头金刚石钻头，在刻蚀的通道两侧的目标位置钻出与外界相连通的进出口通道；然后依次采用丙酮、乙醇和去离子水清洗石晶
片，接着使用氮气气枪吹干晶体片的正面。

[0068] 4、晶体片粘合：

[0069] (1)晶体片粘合：在玻璃盖片上涂抹CA40氰基丙烯酸酯粘合剂，将晶体片的正面与玻璃盖片相粘合，施加重物使压强达到200Pa，并整体加热至60℃后保持15min；

[0070] (2)通道清洗：将过量丙酮定压20kPa后注入到刻蚀的通道内以除去通道中残存的粘合剂，之后将水定压100kPa后冲洗通道。

[0071] 5、润湿改性：

[0072] (1)润湿改性剂配制：将环己戊酸加入到正戊烷中，配置成环己戊酸质量浓度为1.5％的正戊烷溶液即为该润湿改性剂。

[0073] (2)润湿改性：将5倍以上孔隙体积的润湿改性剂定压至20kPa后注入到刻蚀的通道内，对通道内的水湿性方解石矿物表面进行油湿性的改性处理。

[0074] (3)检测清洗：改性处理后，将水定压20kPa后冲洗通道；然后将正戊烷定压至20kPa后注入到通道内，并于显微镜下观察，待正戊烷与通道内方解石壁面的接触角小于
90°时，表示改性成功；反之重复上述润湿改性的步骤直至接触角小于90°；改性成功后将模
型加热至40℃，以蒸干通道内的正戊烷；最终制备获得碳酸盐岩储层微观模型。

[0075] 实施例2：

[0076] 采用实施例1制备碳酸盐岩储层微观模型的方法，设计模型图案通道为刻蚀的许多规则的2.5D六边形通道，两侧的进出口通道为并联的直通道，长度为100mm，通道宽为100
μm(如图1所示)，按照实施例1的方法制备获得碳酸盐岩储层微观模型，将该模型用于碳酸
盐岩注水开发研究，具体操作如下：

[0077] 从两侧的进出口通道注入苏丹4染红的煤油直至模型全部饱和煤油，之后两侧的进出口通道同时以相同压力定压分别注入煤油和具有增强注水效果的提高采收率液体体
系。两侧压力相同，孔喉通道两端压差为0，通过识别模型内煤油的饱和度随时间的变化关
系，来确定提高采收率液体体系的润湿反转和自发渗吸促进效果。实验结果如图2和图3所
示，图2为玻璃材质微观模型实验结果，图2为本实施例碳酸盐岩储层微观模型实验结果。

[0078] 由图2和图3可以看出：相同的实验手段，相同的提高采收率液体体系，产生了不同的润湿反转和渗吸置换效果，这对于针对碳酸盐岩储层优选确定最佳的提高采收率液体体
系，提高注水开发效果有重要意义。

[0079] 实施例3：

[0080] 采用实施例1制备碳酸盐岩储层微观模型的方法，设计模型图案通道为直通道，直通道宽度不一致，30μm和120μm间隔排列(以便与在注水过程中，赋存剩余油，通过观察剩余
油与壁面和水的接触角，判断具有增强注水效果的提高采收率液体体系的效果)，按照实施
例1的方法制备获得碳酸盐岩储层微观模型，将该模型用于判断具有增强注水效果的提高
采收率液体体系的效果的研究，具体操作如下：

[0081] 由模型的注入口端注入苏丹4染红的煤油直至模型全部饱和煤油，然后再由模型的注入口端注入具有增强注水效果的提高采收率液体体系(甲基蓝染色为蓝色)。由于小孔
道产生的贾敏效应，导致剩余油残留在孔道内，以进行下一步观察。实验结果如图4A、图4B、
图4C、图4D、图4F所示，可以看出在水相中残留的油滴，润湿角逐渐发生了变化。

[0082] 进一步，采取玻璃材质的模型进行润湿角随时间的变化关系的对比，对比结果如图5所示。

[0083] 由图5可以看出：相同的实验手段，相同的提高采收率液体体系(阳离子型纳米乳液CND)，本发明的碳酸盐岩储层微观模型产生了不同的润湿反转和渗吸置换效果，这对于
针对碳酸盐岩储层优选确定最佳的提高采收率液体体系，提高注水开发效果有重要意义。