在石油勘探开发与生产过程中，许多问题的解决都依赖于岩心流动实验的结果.但疏松砂岩油藏因受到天然岩心来源的限制，国内外各研究机构在进行岩心流动实验时除少量采用天然岩心外，绝大多数使用人造岩心，因此学者们在制作岩心方面做了大量研究.人造岩心的研制可以追溯到上个世纪60年代，其发展大致历程如下：20世纪60年代直接压制了疏松砂岩人造岩心，但压制的岩心强度较差难以成型(Sim and oux，1963)；20世纪70年代为了制作了具有一定强度的岩心，使用丙烯酸树脂、水泥和石英砂作为骨架材料制作了人造岩心(Hum，1977)，但岩心以模拟渗透率为主未考虑润湿性等因素；20世纪80年代为了改善人造岩心的润湿性，研究了磷酸铝胶结剂(唐仁骐和岳陆，1986)，岩心润湿性虽得到了改善但制作出的岩心不具有0.1 μm以下的微细孔喉，与天然岩心有一定差距；进入21世纪后为进一步制作出和天然岩心更接近的人造岩心，学者们进一步改善了胶结剂的性能(徐洪波等，2011)，制作的岩心在孔喉上与天然岩 心更接近；同时对影响人造岩心物性的因素进行了详细探讨(张国新等，2007；邱建君等，2007)，认为粒度组成是控制人造岩心渗透率的关键因素(梁万林，2008；徐洪波等，2009)，胶结剂用量和压制压力是控制人造岩心孔隙度的关键因素(韩学辉等，2013)，而忽略了地层水在制作岩心时的作用.

目前常用的人造岩心制作方法有石英充填、磷酸铝石英胶结、环氧树脂胶结三种.但从岩心的相似性、制作的难易性和重复性等方面来看，环氧树脂胶结压制法具有更大优越性.

目前国内实验室采用环氧树脂胶结制作的人造岩心孔隙度范围为20%～50%，渗透率范围为80～5000 mD，虽覆盖范围较广，但都是通过改变岩心的粒度组成(林琪等，2001；程林峰和吴凤秋，2008)、胶结剂用量及压制压力(皮彦夫，2010；李芳芳等，2013)来获得高孔高渗的岩心，即通过增加颗粒平均粒径来提升孔隙度和渗透率，且未从胶结指数方面对比岩心的相似性.

绥中36-1和秦皇岛32-6油田都是亿吨级的疏松砂岩油藏，但是油田储层岩石胶结性差，结构疏松及强度小，在常规取心条件下无法取得室内实验所需的岩心，天然岩心匮乏给目前的研究工作带来诸多困难，因此如何模拟出与天然岩心相似的人造岩心迫在眉睫.为了提高人造岩心和天然岩心的相似性，本文研究了一种用与现场天然岩心相同粒度组成的河沙及固定胶结剂用量，控制压制压力在5 MPa以下，制作渗透率1000 mD～3700 mD人造岩心的新技术，经过对比采用新技术制作的人造岩心和天然岩心相似性较高，为后续研究提供了技术支撑.

1 人造岩心的配制

1.1 骨架颗粒的选取

由于绥中36-1和秦皇岛32-6油田的砂岩沉积相以水下分流河道、河口坝、远沙坝及前缘席状砂微相为主(冯增昭，1993；蒋志斌等，2007)，储层岩石多属于岩屑长石砂岩，其次为岩屑长石石英砂岩.因此可使用河沙来模拟天然岩心的骨架颗粒，现场天然岩心以中-细砂为主，根据天然岩心粒度分析结果(图 1)，制作人造岩心时粒径分布范围及各个不同级别粒径的质量含量，均严格按照这种分布特点进行筛选，其粒径比则按40～60目(40%)、60～100目(50%)、100～200目(10%)三种粒度范围筛选河沙.

图 1

Fig. 1

图 1 天然岩心粒度组成分布曲线 Fig. 1 Size composition distribution curve of natural cores

相应的40～60目粒径范围：425～250 μm；60～100目粒径范围：250～150 μm；100～200目粒径范围：150～75 μm.

制作人造岩心时，为避免用粘土胶结存在岩心遇水垮塌的问题，用等质量的胶结剂代替粘土胶结矿物.

1.2 制作步骤

人造岩心的制作步骤如下：

(1)按天然岩心粒度组成称取一定质量不同粒径的河沙并搅拌均匀(加地层水润湿)；

(2)称取一定质量环氧树脂胶结剂；

(3)混合胶结剂与河沙再次搅拌均匀；

(4)将含有胶结剂的河沙填入岩心模具，采用大型液压机在某一压力下压制5 min；

(5)将压制后的岩心模具放入烘箱，在110 ℃下烘烤2小时，将温度调至190 ℃烘烤1小时，然后关掉烘箱自然冷却，冷却至常温后取出岩心.

地层水的压缩系数数量级一般是10^-4 MPa^-1，而疏松砂岩的压缩性较大，压缩系数数量级一般是10^-2～10^-3 MPa^-1，大大超过地层水的压缩系数.研究中认为地层水的加入会抵抗一部分固骨应力，在保证点接触胶结下，可获得较好的胶结效果和孔喉保持作用.

岩电测试在地球物理界和石油界都有着十分广泛的应用(朱凯光等，2013；刘堂晏等，2013；詹艳等，2014)，随着岩电测试技术的迅猛发展(王琦等，2013；嵇艳菊等，2013)其测 试精度越来越高(朱万华等，2013；万玲等，2013)，且其应用范围也从陆地(底青云等，2013；真齐辉等，2013)延伸到深海(王猛等，2013；邓明等，2013；陈凯等，2013).岩心制作时的胶结情况常用胶结指数的大小来表示，而胶结指数的获取正是由岩电测试数据获得的，其计算公式(Archie，1942)为

式中：F为地层因素，小数；RO为含水岩石电阻率，Ω·m；R_W为岩石所含水的电阻率，Ω·m；Φ为岩石孔隙度，小数；m为岩石的胶结指数，小数.

图 2为人造岩心岩电测试结果图，从图上可看出未加地层水的批次一岩心的平均胶结指数为1.25左右；加地层水的第二批次岩心的平均胶结指数为1.43左右，相对于第一批次岩心胶结指数提高了14.4%.可见，河沙经过地层水润湿后，可提高制作岩心的胶结程度.同时批次二相对于第一批次岩心孔隙度提高了26.2%，渗透率提高了近1倍(见表 1)，可见制作过程中加入地层水孔隙度、渗透率都得到了改善.

图 2

Fig. 2

图 2 人造岩心岩电测试结果 Fig. 2 Results figure of the electrical test of artificial cores

表 1(Table 1)

表 1 人造岩心孔渗参数及制作方式 Table 1 The porosity and permeability parameters and production methods of artificial cores 批次 岩心序号 压制压力(MPa) 孔隙度(%) 渗透率(mD) 一(未加水) 1 5 34.77 1197 2 32.29 1001 3 31.21 1116 4 33.79 1109 二(加水) 1 5 42.95 1997 2 40.58 2176 3 41.40 2210 4 41.68 2354 三(加水) 1 4 41.51 3860 2 42.20 3703 3 42.58 3656 4 40.68 3594

表 1 人造岩心孔渗参数及制作方式 Table 1 The porosity and permeability parameters and production methods of artificial cores

孔隙喉道的大小是人造岩心的一个重要物性，测定其最常用的方法是压汞法(刘忠华等，2013)，但近年来随着核磁共振技术的发展，该技术除了在宏观上可以用来探测地下油气、矿产资源及地下水普查等(林婷婷等，2013；林君等，2013)，在微观上同样可以用来测量岩心孔隙喉道(刘堂晏等，2004；何雨丹等，2005).但由于核磁共振设备等原因，本文采用最常用的压汞法对三批人造岩心的孔隙喉道进行了测量，图 3是三批人造岩心的孔隙喉道频率分布曲线(何更生和唐海，2011；马文国等，2013).批次一岩心的喉道峰值为21.01 μm，主要喉道分布区间为0.37～73.54 μm；批次二岩心的喉道峰值为49.03 μm，主要喉道分布区间为1.47～98.05 μm.河沙加水后制作出的岩心孔隙喉道有所增大，可代替疏松砂岩岩样制作时的扩孔，并避免因扩孔造成的喉道代表性变差，同时也不需要采用增大平均粒径的方法来获得高孔和高渗的效果.

图 3

Fig. 3

图 3 孔隙喉道频率分布曲线 Fig. 3 Frequency distribution curve of pore throats

为进一步分析制作过程中地层水的扩孔和保孔作用，在批次二的基础上，当压制压力从5 MPa减为4 MPa时，岩心的孔隙度基本保持不变，而渗透率增加了0.7倍左右，喉道峰值变为98.05 μm，主要喉道分布区间变为3.68～147.08 μm，相较于批次二的岩心喉道增大较多.可见，随着制作压力的减小，加地层水后制作出的岩心在不扩孔的条件下可增大孔隙喉道.

3 新技术的可靠性及代表性对比分析

3.1 物性特征比较

岩心制作过程中，成功制作了多个批次的人造岩心(图 4)，部分岩心孔渗参数见表 1.

图 4

Fig. 4

图 4 人造岩心 Fig. 4 Artificial cores

根据现场天然岩心粒度组成，所制作的人造岩心，渗透率范围为1000～3700 mD，孔隙度范围为31%～42%，而目标区块孔隙度在25%～45%之间，平均渗透率为3000 mD.经过对比可以看出人造岩心颗粒的分布特征及物性是比较接近天然岩心的.

3.2 结构特征比较

储层岩性主要是以石英、岩屑、长石成分为主的中细砂岩、细砂岩和粉细砂岩，图 5为现场天然岩心的铸体薄片照片，从图片上可以看出天然岩心孔隙非常发育，分选较好，磨圆度为次圆～次棱状，颗粒间以接触式胶结和孔隙式胶结为主.

图 5

Fig. 5

图 5 天然岩心铸体薄片 Fig. 5 Casting thin sections of natural cores

研究岩石孔隙结构除了常用的铸体薄片，近年来随着地学仪器的快速发展(刘光鼎，2013)，CT扫描技术凭借不改变岩石内部结构、外部形态及测试速度快等优点，在观测孔隙结构方面得到了大量应用(于艳梅等，2012；刘向君等，2013；胡高伟等，2014).图 6为批次一人造岩心不同截面的CT扫描图像，从扫描图上可以看出，人造岩心孔隙连通性好，以孔隙式胶结和接触式胶结为主，和天然岩心的胶结方式较吻合，能够较好的模拟天然储层.

图 6

Fig. 6

图 6 批次一CT扫描图像 Fig. 6 CT scan images of first batch

3.3 胶结程度比较

天然储层压实程度低、砂质疏松、结构松散，胶结程度低、岩石强度低、遇水易软化，油层取出的岩心均为不成形的散砂.据大量现场天然岩心的岩电测试结果统计，天然岩心的平均胶结指数为1.45左右.未加地层水制作的岩心胶结较弱，加入一定量地层水后，制作岩心的胶结指数为1.43，和天然岩心的胶结指数1.45相近，同属于极弱胶结的类型，能够较好的代替天然岩心.

4.1 结 论

由以上制作岩心的方法，可以得出如下结论：

(1)地层水是制作疏松砂岩岩心的关键因素，添加地层水可代替制作疏松砂岩岩心时的扩孔，并可避免因扩孔造成的喉道代表性变差；同时添加地层水，可在不扩孔的条件下增大喉道.研究认为疏松砂岩的压缩系数远大于地层水的压缩系数，加入地层水可抵抗一部分固骨应力，故在制作疏松砂岩过程中能获得较好的孔喉保持作用.

(2)采用新技术制造的人造岩心在物性、孔隙结构、接触方式和胶结指数方面都与天然岩心接近，且制作价格低廉，重复性好，成功率高.

(3)本文介绍的虽是一种制作高渗和特高渗岩心的方法，但是可通过提高压制压力和胶结剂用量来制作中低渗的人造岩心.

4.2 展 望

疏松砂岩天然岩心是以粘土胶结为主，在油气田的开采过程中随着地层压力的下降部分粘土会脱落；而新技术制作的人造岩心是以环氧树脂作为胶结剂，在实验过程中人造岩心颗粒的剥落量与天然岩心有一定差距，同时在盐敏、酸敏伤害等方面也与天然岩心有所差距，因此在这方面的研究工作有待于进一步展开.