在油田开发的相关研究中，岩心是进行室内实验的重要基础，但在实际中由于现场取心受众多因素限制，因而在室内实验中大多都采用人造岩心来进行研究。从上世纪60年代开始，国内外陆续开始人造岩心制备研究，岩心类型及制备方法不断多样化。B.W.Hum^[1]制备出的人造岩心具有一定强度，但其物性特征与储层岩心相差较远。唐仁骐等先后研制出LC人造岩样^[2]、GM人工岩样^[3]，实验结果显示毛管压力曲线和油水相对渗透率曲线与天然岩样较为相近，但该岩样经过了高温处理，其黏土性质发生改变。为了进一步满足生产实际需要，唐仁骐等人制做了HNT人工岩心^[4]，该岩样具有较好的抗压强度。KeyuLiu，龚建明^[5]对网状河砂岩的渗透率和孔隙率的非均质性进行详细的沉积学和地质统计分析，有助于了解全球相同类型储层岩石物性的非均质性，并对今后储层模拟提供基础。于宝^[6]等人基于沉积岩石学有关岩石形成理论和油层物理相关知识，采用正交试验设计方法对纯砂岩人造岩心进行了5因素5水平的渗透率试验设计，根据正交试验设计结果，形成了混合泥质砂岩人造岩心的制作方法。徐洪波[7—9]等依据区块岩性、物性参数分析结果定量定粒径称取黏土矿物，按比例加入环保硅酸盐类复合胶结剂，在定量、定压和定时条件下，利用液压岩心制作仪制作完成，并对其进行水敏和酸化评价。邱建君^[10]、张国新^[11]采用油田储层的松散岩心制作了疏松砂岩岩样，但其主要适应特定目标储层而不能广泛应用。皮彦夫^[12]介绍了石英砂环氧树脂胶结制备大尺寸岩心的技术。韩学辉^[13]等开发了一种分散泥质胶结疏松人工岩样制作的新方法，可很好地模拟稠油油藏，但若用于砂岩气层的研究则存在一些不足，而且其胶结剂中顺磁离子，会对核磁共振的实验产生影响。李芳芳^[14]等人为制作出与真实油藏物性尽可能接近的大尺寸人造岩心，从渗透率、孔隙结构、润湿性控制、黏土矿物添加等方面研究了其制作工艺，并研究了石英砂粒度中值、加压强度、胶粘剂用量、黏土矿物含量等对人造岩心渗透率和孔隙度的影响。熊钰^[15-16]等人提出了采用露头岩石制取、人工压制、液压机压制三种方法获得疏松砂岩岩样，并且在制作过程中考虑到地层水对人造岩心物性的影响。徐宏光^[17]等提出了制作特高渗疏松岩心代替部分储层岩心。周春玲^[18]等人研究了胶结法制备人造岩心的研制方法，但当配料在模具内固化时要根据估算的大约固化时间，超过固化时间从模具内取人造岩心时，岩心容易出现和模具固化在一起的情况，取不出岩心。综合上述调研，人造岩心的制作研究主要集中在小型柱状岩心上，而柱塞岩心只能进行一维、二维空间上的流动实验，在地层三维模拟流动等众多实验中，需要考虑到地层差异、油藏非均质性等因素，仅用标准柱塞岩心难以完成，需借助三维大尺寸岩心进行模拟研究。而对于弱胶结的三维大尺寸岩心，尤其是含饱和度探针的大尺寸弱胶结岩心技术还不成熟，且在制作过程中较少考虑到对地层非均质性的模拟研究。使得其在物性方面与储层岩心存在较大差异，难以满足原地层条件下的三维渗流物理实验研究。

根据对目标区块的地层及岩石特征分析，储层以岩屑长石砂岩为主，磨圆度为次圆~次棱状，结构为中砂和细砂状，偶见粗、粉砂，粒级在0.02~0.75 m之间，分选中等，胶结疏松，胶结物为伊/蒙混层和高岭石。储层分布比较稳定，储层岩石疏松，胶结不好，大孔隙，中高渗透率，非均质性严重。结合砂岩发育程度及油气分布规律，将油田含油层段由上至下分为三组，根据测井资料分析：

Ⅰ组平均有效厚度24.7 m，孔隙度分布在28%~35%，平均孔隙度32%；渗透率分布在（300~12000）×10^-3μm²，平均渗透率2805×10^-3μm²。

Ⅱ组平均有效厚度13.3 m，孔隙度分布在27%~35%平均孔隙度31%；渗透率分布在（21~11 141）×10^-3μm²，平均渗透率1 891×10^-3μm²。

Ⅲ组平均有效厚度7.7 m，孔隙度分布在28%~33%，平均孔隙度31%；渗透率分布在（55~5 769）×10^-3μm²，平均渗透率1 651×10^-3μm²。

本研究所制作的人造岩心规格为300 mm ×300 mm×200 mm，其制备以储层砂岩为依据，考虑到粒度组成、储层厚度、非均质性、孔隙度、渗透率、胶结程度、多点饱和度测试等因素，使所制备岩心的物性与储层岩心更加相近，能够满足三维空间上的流动实验。

1 人造岩心的制作 1.1 模具设计与制作

三维大尺寸岩心制作模具见图 1、图 2。该模具可以制作含饱和度探针的三维大尺寸胶结岩心模具，模具中空箱体的内部设有与其内部尺寸相等的压板，压板上垂直设有若干根立柱，以及若干个钻孔。由于该装置设置了箱体、压板和固定架，可进行拆卸和组装，因此能够方便、快捷地制作三维大尺寸岩心。模具采用螺丝可拆式联接方式，便于模具的拆卸，压板上设计了小孔，可以引出预埋探针等，可用于含饱和度探针的大尺寸岩心的制作。

1.2 制作材料的选取

对于疏松砂岩而言，其骨架是由大小不等的砂粒胶结而成。因此，在人造岩心的材料选取上主要考虑骨架颗粒、黏土矿物以及胶结物。一般骨架颗粒的来源主要有河砂和石英砂。通过对目标区块岩心观察描述，结合粒度、薄片、黏土矿物、微量元素等岩心分析资料，该砂体为一湖成三角洲沉积，共有河道、天然堤、河口坝等九个沉积亚相。储层岩石成分以岩屑长石砂岩为主，磨圆度为次圆~次棱状。因此，考虑到目标区块的沉积相以及储层岩石的类型，选用河砂作为人造砂岩的骨架颗粒。黏土矿物一般包括高岭石、伊利石、蒙脱石等。根据研究需要以及储层岩心的矿物组成为依据进行选取。就胶结剂而言，常见的有环氧树脂、磷酸铝胶结剂以及复合型胶结剂。目前，应用最为广泛的胶结剂为环氧树脂，考虑到制作精度、胶结剂的性质以及制作成本^[19-20]，选取环氧树脂为研究中的胶结剂。综合上述因素，并考虑与目标区块储层岩心的物性相似性以及制作的成功率，最终选用河砂、膨润土以及环氧树脂作为岩心制备的材料。

1.3 制作原理及步骤

（1）使用如图 2所示的模具进行三维大尺寸疏松砂岩岩心制备：先完成模具组装，并在模具内壁贴上锡箔纸。

（2）目标储层含油层段由上至下分为三组，可将人造岩心分为上、中、底三层来进行模拟，并根据各层段的平均有效厚度来确定人造岩心各层厚度比。

（3）通过储层岩心基本参数以及人造岩心规格，确定各模拟岩层质量和组成百分比，其中岩石骨架、水、胶结剂所占比例为87%、7.2%、5.3%。

（4）将河砂烘干后，根据储层砂岩粒度组成进行分筛，筛选出中砂（40~60目）、细砂（60~100目、100~200目）、粉砂（250~300目），按照图 3中各层粒度组成进行配比，并加入胶结剂和地层水混合均匀。

（5）依次将各层混合材料装入模具中铺平，并在各层之间铺设泥质夹层，逐层人工压实（可在铺设材料时插入一定组数的饱和度探针）。

（6）各层混合材料铺设好之后，盖上压板，设定岩心高度，采用大型液压机进行压实，并压制30min。

（7）将模具放入烘箱中，在120 ℃温度下烘烤72 h，使骨架颗粒之间充分胶结，之后拆开模具，去掉锡箔纸，即可得到成型岩心（图 4）。

2 岩心的物性评价

大尺寸人造岩心的制作依据目标区块储层岩心性质进行，在制作过程中，由于各种因素的影响，所制备的岩心与储层岩心在物性方面必定存在偏差，因此，需对人造岩心的物性进行测试。评价大尺寸人造岩心的重要指标包括孔隙度、渗透率值的精度以及非均质性等。先对所制备得大尺寸岩心进行渗透率整体性测试，待测试完成之后，再从人造岩心上钻取柱塞岩心，测试出各层的孔隙度、渗透率以及胶结指数^[21]，就其层内非均质性进行评价，并与目标储层作出比较。

2.1 岩心的孔隙度和渗透率 2.1.1 大尺寸岩心渗透率测试

将所制备岩心放入胶套中密封（图 6），并在胶套外围施加适当围压，分别在岩心不同点位（图 7）通入氮气进行渗透率测定。

气测渗透率通过达西定律进行计算：

$ {K_{\rm{g}}}=\frac{{2{Q_0}{p_0}\mu L}}{{A\left( {p_1^2 - p_2^2} \right)}} \times {10^{ - 1}} $

(1)

式中：Q₀为大气压下气体的体积流量（即出口气体流量），cm³/s；p₀为大气压，MPa；L为两个测试点位之间的直线距离，cm；p₁，p₂为进、出口端的压力，MPa；A为垂直于流动方向岩心横截面积，cm²。

以点位T → L₂为例，其气体流动分布如图 8所示，假设气体流动波及体积为椭球形。椭圆方程为：

$ \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}} + \frac{{{y^2}}}{{{b^2}}}=1 $

(2)

式中：a、b为椭圆方程参数。

则横截面半径为：

$ R=y=\frac{b}{a}\sqrt {{a^2} - {x^2}} $

(3)

平均横截面积为：

$ \bar A=\frac{{\sum\limits_{i=1}^n {\rm{ \mathsf{ π} }} R_{\rm{i}}^{\rm{2}}}}{n}=\frac{{\sum\limits_{i=1}^n {\rm{ \mathsf{ π} }} {b^2}\left( {1 - \frac{{x_{\rm{i}}^{\rm{2}}}}{{{a^2}}}} \right)}}{n} $

(4)

式中：R为气体流动分布椭圆横截面半径，cm；R_i为椭圆某一横截面半径i=1，2，3，…，n，cm；x_i为椭圆曲线上某一点横坐标值i=1，2，3，…，n，cm；A为椭圆平均横截面积，cm²；n为常数，1，2，3，…。

与目标储层相比较，人造岩心各层渗透率最大误差分别为9.6%、11.4%、11.9%。一般将人造岩心渗透率与储层岩心渗透率误差的20%作为人造岩心是否合格的判定界限。测试结果表明，三维大尺寸人造砂岩岩心的渗透率具有比较高的精确度。

2.1.2 柱塞岩心的孔隙度、渗透率测试

将上述实验中的人造岩心取出，分横向和纵向均匀钻取标准柱塞岩心各4组，测试其孔隙度和渗透率（图 9）。

将测试结果与储层岩心数据进行比较（表 2、表 3）。人造岩心从上至下各层的平均孔隙度为33.6%、31.7%、29.2%，各层平均渗透率为2 982.73×10^-3μm²、1 933.52×10^-3μm²、1752.52×10^-3μm²，均与目标区块所对应的储层岩心物性较为接近。测试结果表明，弱胶结三维大尺度疏松人造砂岩的孔隙度和渗透率具有较高的精度。

通过分析以上两种测试方式的测试结果，大尺寸岩心点位测试出的渗透率波动较大，可能原因是由于其渗流截面较大，导致滑脱效应影响较为严重，以及其渗流横截面计算存在偏差所致；而柱塞岩心测定孔隙度和渗透率均接近目标储层，相对误差较小，精确度较高，表明该人造岩心的孔隙度和渗透率可模拟目标储层进行实验研究。

2.2 层内非均质评价

层内非均质性是指一个单砂层在垂向上的储渗性质变化，是直接影响单砂层注入剂波及体积的主要因素。而渗透率的非均质程度能够反映储层均质性，表征渗透率非均质程度的定量参数有渗透率变异系数，其计算公式如下：

$ {V_{\rm{k}}} = \frac{{\sqrt {\sum\limits_{i = 1} {{{(Ki - \bar K)}^2}} /n} }}{{\bar K}} $

(5)

式中：V_k为渗透率变异系数；K_i为层内某样品的渗透率值（i=1，2，3，…，n），10^-3μm²；K为层内所以样品渗透率的平均值，10^-3μm²；n为层内样品个数。

我国分类标准通常是变异系数小于0.25表示非均质性弱；当在0.25~0.7时，表示非均质性程度中等；当大于0.7时，表示非均质性程度强。对于人造岩心而言，是按照各储层的平均渗透率来进行模拟。根据计算结果（表 4），人造岩心各层的渗透率变异系数均小于0.25，表明人造岩心渗透率非均质性弱，各层均能较好地模拟储层岩石的平均渗透率。

2.3 岩心胶结程度评价

弱胶结三维大尺寸疏松砂岩的胶结程度是在岩心制备中所要考虑的重要因素。通过胶结指数可以对岩心的胶结程度进行判断，先通过岩电关系实验进行电阻率的测量^[22]，然后由阿尔奇公式计算胶结指数，计算公式如下：

$ F = \frac{{{R_{\rm{O}}}}}{{{R_{\rm{w}}}}} = \frac{1}{{{\phi ^{\rm{m}}}}} $

(6)

式中：F为地层因素；R_O为含水岩石电阻率，Ω·m；R_W为岩石所含水电阻率，Ω·m；φ为岩石孔隙度，%；m为岩石胶结指数。

在各层取两组岩心进行测试，结果见表 5。

按照胶结指数的评判标准：强胶结m ≥ 2；中等胶结1.8 ≤ m ≤ 1.9；弱胶结1.6 ≤ m ≤ 1.7；极弱胶结1.4 ≤ m ≤ 1.5；未胶结1.2 ≤ m ≤ 1.3。根据地质资料，目标区块储层岩心的胶结指数介于1.5~1.7之间，为弱胶结或接近于弱胶结。人造岩心的胶结指数介于1.5~1.65之间，表明其胶结程度为弱胶结或介于弱胶结和极弱胶结之间，与储层岩心胶结程度基本相近，所制作的岩心可替代储层岩心进行相关实验模拟。

3 结论

（1）研究中设计和加工了三维大尺寸岩心制作模具，该模具可进行多种不同类型三维大尺寸岩心的制作。模具采用螺丝可拆式联接方式，并可以引出预埋探针，实用性较强，制作岩心的成功率较高。

（2）经过多次岩心制作，形成了一种弱胶结三维大尺寸岩心的制作方法。该方法可以方便、快捷地制作出与储层非均质相似的含饱和度探针的三维大尺寸岩心，并且该制备方法可操作性强，不单单局限于弱胶结砂岩的制备，可根据目标储层变更粒度配比和胶结剂用量，以及其它宏观地层特征。

（3）经过对大尺寸人造岩心的物性测试，其孔隙度和渗透率精度较高，层内均质性较好，层间非均质性和胶结程度等与储层岩心相近，可代替储层岩心进行三维物理模拟实验研究。