專利名稱：一種微觀驅油用二維熱固化多孔介質模型及制造方法
一種微觀驅油用二維熱固化多孔介質模型及制造方法技術領域
本發明屬于石油微觀機理研究領域，涉及一種用于模擬巖心孔隙結構的多孔介質模型以及這種模型的制造方法，尤其是涉及一種油田上用于完成微觀驅油試驗的多孔介質模型以及制造方法。
背景技術：
在微觀尺度下研究流體在多孔介質中的滲流機理，對于開發石油天然氣等地下流體資源具有重要的意義。長期以來，為了研究微觀尺度下流體在多孔介質中的滲流機理，國內外科研人員研制出了多種模擬多孔介質的物理模型，主要有 I:簡化理想模型，如單層玻璃珠模型、微毛管網絡模型、石英砂夾層模型，這些模型的孔隙結構是理想化設計，不能反映真實多孔介質中復雜的孔隙結構；1:仿真孔隙結構模型，以使用光刻技術制作為特點的二維和三維的玻璃光刻模型，這種模型利用光刻技術將巖心的孔隙結構仿真的刻蝕在玻璃平面上，而且模型透明，模擬驅替過程可視，易于觀察現流體在多孔介質中流動狀況，易于采集和分析圖像，但是對于制作的技術要求較高，成本也較高; f使用真實巖心為主體的模型，一類是將真實巖心打磨至極薄的厚度，外加光源后達到孔隙可視的程度，以此作為模型，另一類是平板夾砂類型的模型，用砂石緊密填充于透明平板間制成模型，這兩類模型以真實巖心為主體，將巖心的物理化學性質做了最大限度的保留， 但是可視化程度太低，極其難于采集流體在其中滲流的圖像。發明內容
為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種微觀驅油用二維熱固化多孔介質模型以及用于制造這種模型的方法。可以重復復制多孔介質孔隙結構，制作成的模型透明度好，可視性強，可以清楚的觀察模型中的微觀滲流過程，具有很高的實用性，對于微觀滲流科學實驗有廣泛適用性。而且，制作這種模型的成本不高，工藝過程對設備的要求不高，易于在常規實驗室實現，技術操作難度低，易于推廣。
本發明獲取多孔介質孔隙結構采用的方法為復制模鑄。復制模鑄法是軟刻蝕技術的一種，軟刻蝕屬于微納加工技術，在微納電子學、光學、生物、分析化學和物理等領域有著廣泛應用，是目前許多領域研究的重要內容。這一技術的核心稱為“彈性模具(或彈性印章)”，其制備和性能將是影響軟刻蝕技術成功與否的關鍵因素，彈性模具的材料通常選用 PDMSCpolydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)，其在本領域屬于公知的材料，并且采用公知的方法制備或者通過購買獲得。
本發明的技術方案是一種微觀驅油用二維多孔介質模型，包括由熱固化樹脂和固化劑混合成型的底板2以及由熱固化樹脂和固化劑混合成型的蓋板1，其中所述蓋板和所述底板互相粘接，所述底板上具有與巖心的孔隙通道結構相對應的二維孔隙通道結構3， 所述底板上還具有與其上的所述二維孔隙通道結構連通的液體流入孔道4和液體流出孔道5。
一種制作微觀驅油用二維多孔介質模型的制作方法，其包括以下步驟(1)對巖心進行預處理對所述巖心進行封裝保護處理，以保護巖心的孔隙通道結構；(2)制作母版將熱固化樹脂和固化劑混合后澆鑄在進行了封裝保護處理的巖心周圍， 然后在恒溫箱中進行固化成型，固化成型后去除巖心的封裝保護，再進行機械加工以形成母版上的液體流入和流出孔道，以得到母版，其具有含巖心孔隙通道結構的截面；(3)制作彈性模具將聚二甲基硅氧烷(PDMS)澆鑄在母版上，然后放入真空箱中進行抽真空脫氣，抽真空脫氣后放入恒溫箱中進行固化成型，固化成型后將母版剝離，得到與母版上的所述截面的孔隙通道結構以及母版上的液體流入和流出孔道互補的鏡像結構，即得到彈性模具；(4)制作底板將熱固化樹脂和固化劑混合，然后澆鑄在所述彈性模具上，放入真空箱中進行抽真空脫氣，抽真空脫氣后放入恒溫箱中進行固化成型，固化成型后將彈性模具剝離，得到與母版上的所述截面的孔隙通道結構以及母版上的液體流入和流出孔道相同的結構，即得到底板；(5)制作蓋板將熱固化樹脂和固化劑混合，然后澆鑄在蓋板模具上，放入真空箱中進行抽真空脫氣，抽真空脫氣后放入恒溫箱中進行固化成型，固化成型后將蓋板模具剝離，得到蓋板，其與底板的大小相同。
(6)在蓋板上涂上粘接劑，將底板上有孔隙通道結構的一面與蓋板粘接，放入恒溫箱中，粘接劑固化后即得到所述二維多孔介質模型。
圖1為天然巖心俯視圖和側視圖； 圖2為母版的俯視圖和剖面圖；圖3為彈性模具的俯視圖和剖面圖； 圖4為底板的俯視圖和剖面圖； 圖5為蓋板模具俯視圖和剖面圖。
圖6為蓋板俯視圖和側視圖。
圖7為多孔介質模型俯視圖和剖面圖。
具體實施方式
下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步說明 首先，詳細描述本發明中多孔介質模型的結構。
如圖7所示，這種微觀驅油用二維熱固化多孔介質模型，包括由熱固化樹脂和固化劑混合成型的底板2以及由熱固化樹脂和固化劑混合成型的蓋板1，其中所述蓋板和所述底板互相粘接，所述底板上具有與巖心的孔隙通道結構相對應的二維孔隙通道結構3，所述底板上還具有與其上的所述二維孔隙通道結構連通的液體流入孔道4和液體流出孔道 5。這種結構實現整個模型內全部孔隙通道結構的暢通。
下面，結合附圖以及兩個具體實例對微觀驅油用二維熱固化多孔介質模型的制作方法做詳細說明。
實例1 首先，對圖1所示的巖心進行預處理。將取芯得到的天然巖心切割至厚度約為lcrn，底面直徑約3cm。對巖心進行封裝保護處理，即用松節油充分溶解松香，將巖心浸泡到松香溶液中，升溫加熱，使巖心充分飽和松香，靜置降溫，如此一來，松香以固態的形式飽和在巖心孔道中，對巖心孔道起到了保護的作用。
其次，用處理好的巖心制作母版7。將熱固化樹脂與固化劑按20:1至5:1的重量比配制，優選的重量比為10:1，其中熱固化樹脂為環氧樹脂，還可以為本領域的其他樹脂， 固化劑為本領域公知的固化劑材料，優選采用三乙醇胺。將熱固化樹脂和固化劑配制后，澆鑄在飽和了松香的巖心周圍，在恒溫箱中設定50-80°C的溫度下恒溫6-10小時，使樹脂在巖心外圍固化成型。樹脂固化后，橫向切割整個塊體，取含有主要巖心面的塊體，磨平底面， 將其放在超聲波儀器中，用松節油溶解出巖心孔隙中的松香，并在底面上加工出供液體由塊體周圍流入巖心部分的溝槽，作為液體流入孔道和液體流出孔道。清潔塊體，即得含有巖心孔隙通道結構的截面和液體流入孔道和流出孔道的塊體，其作為母版7，如圖2所示。
然后用母版7制作彈性模具6。將PDMS (polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)澆鑄在母版上，放入真空箱中抽真空脫氣25-40分鐘，優選為30分鐘，消除PDMS自身的氣泡和PDMS與母版界面上的氣泡。脫氣后放入恒溫箱中，在80°C下恒溫2小時使PDMS固化，冷卻后將PDMS與母版剝離，得到與母版上的所述巖心截面的孔隙通道結構以及母版上的液體流入和流出孔道互補的鏡像結構，即得到彈性模具6，如圖3所示。由于巖心母版孔道結構較為復雜，可能導致PDMS與母版脫離時發生粘連的情況而破壞翻模的結構，所以在澆鑄PDMS之前，可以用勻膠機在巖心母版上旋涂3滴左右的硅油，既能避免脫模過程發生粘連的情況，又不影響翻模效果。
下一步，利用彈性模具6制作具有二維孔隙通道結構的底板2。將熱固化樹脂與固化劑按20:1至5:1的重量比配制，優選的重量比為10:1，其中熱固化樹脂為環氧樹脂，固化劑為本領域公知的固化劑材料，優選采用三乙醇胺。充分攪拌均勻后放置10分鐘，混合液會自己排出部分氣泡，然后澆鑄到彈性模具上，放入真空箱中抽真空脫氣25-40分鐘，優選為30分鐘，消除樹脂與模具界面上的氣泡。放入恒溫箱中，在恒溫箱中設定50-80°C的溫度下恒溫6-10小時，至樹脂固化后，剝離彈性模具，得到與母版上的所述巖心截面的孔隙通道結構以及母版上的液體流入和流出孔道相同的結構，即得到底板，如圖4所示。
制作與底板匹配的蓋板。選取一塊表面光滑，形狀和厚度與底板相匹配的硬質材料作為蓋板的母版，以相同的方法用PDMS翻模制作成蓋板模具，如圖5所示。另外，也可采用本領域公知的鑄造技術制作蓋板模具，只要得到圖5所示的形狀的模具即可。將熱固化樹脂與固化劑按20:1至5:1的重量比配制，優選的重量比為10:1，其中熱固化樹脂為環氧樹脂，固化劑為本領域公知的固化劑材料，優選采用三乙醇胺。充分攪拌均勻后放置10分鐘，混合液會自己排出部分氣泡，然后澆鑄到蓋板模具上，放入真空箱中抽真空脫氣25-40 分鐘，優選為30分鐘，消除樹脂與模具界面上的氣泡。放入恒溫箱中，在恒溫箱中設定 50-80°C的溫度下恒溫6-10小時，至樹脂固化后，剝離蓋板模具，得到與底板匹配的蓋板， 如圖6所示。
最后將底板與蓋板粘結成模型。將熱固化樹脂與固化劑按10:1的重量比配制好作為粘接劑使用，優選采用和底板與蓋板相同的配比，以使模型內部均質。用勻膠機在蓋板一面均勻旋涂一層粘接劑，通過控制勻膠機轉速，將粘接劑厚度控制在IOMffl以下，將底板上有孔隙結構的一面與蓋板粘結，放入恒溫箱中，在模型上施加約lOOg/cm2的壓力以輔助粘接，在60°C下恒溫8小時使粘接劑固化，即制得模型如圖7所示。
實例2 在對巖心進行預處理的步驟中采用另外一種方法。將取芯得到的天然巖心切割至厚度約為1cm，底面直徑約3cm。對巖心進行封裝保護處理用常用的耐熱薄膜包裹住巖心塊，用真空封裝機將巖心塊真空封裝在薄膜中，另薄膜緊貼著巖心側壁。將熱固化樹脂與固化劑按20:1至5:1的重量比配制，優選的重量比為10:1，其中熱固化樹脂為環氧樹脂，固化劑為本領域公知的固化劑材料，優選采用三乙醇胺。將熱固化樹脂和固化劑配制后，澆鑄在巖心周圍，在恒溫箱中設定50-80°C的溫度下恒溫6-10小時，使樹脂在巖心外圍固化成型。樹脂固化后，橫向切割整個塊體，取含有主要巖心面的塊體，磨平底面，并在這一面上鑿出供液體由塊體周圍流入巖心部分的溝槽，作為液流的注入口和流出口。制作得到的母版上，薄膜層厚度極薄，與巖心和樹脂層連成一體，對翻模過程沒有影響。
然后按照與實例1相同的步驟制作彈性模具，制作底板、蓋板，最后粘結模型。
權利要求
1.一種微觀驅油用二維多孔介質模型，其特征在于包括由熱固化樹脂和固化劑混合成型的底板(2)以及由熱固化樹脂和固化劑混合成型的蓋板(1)，其中所述蓋板和所述底板互相粘接，所述底板上具有與巖心的孔隙通道結構相對應的二維孔隙通道結構(3)，所述底板上還具有與其上的所述二維孔隙通道結構連通的液體流入孔道(4)和液體流出孔道 (5)。
2.根據權利要求1所述的二維多孔介質模型，其特征在于成型底板的熱固化樹脂和固化劑的重量比為20:1至5:1。
3.根據權利要求2所述的二維多孔介質模型，其特征在于成型底板的熱固化樹脂和固化劑的重量比為10:1。
4.根據權利要求1所述的二維多孔介質模型，其特征在于成型蓋板的熱固化樹脂和固化劑的重量比為20:1至5:1。
5.根據權利要求4所述的二維多孔介質模型，其特征在于成型蓋板的熱固化樹脂和固化劑的重量比例為10:1。
6.根據權利要求1所述的二維多孔介質模型，其特征在于采用粘接劑將所述蓋板和所述底板相互粘接，所述粘接劑為熱固化樹脂與固化劑按照10:1的重量比配制。
7.根據權利要求1-6所述的二維多孔介質模型，其特征在于其中所述熱固化樹脂為環氧樹脂，所述固化劑為三乙醇胺。1
8.一種制作如權利要求1-6之一所述的微觀驅油用二維多孔介質模型的方法，其包括以下步驟(1)對巖心進行預處理對所述巖心進行封裝保護處理，以保護巖心的孔隙通道結構；(2)制作母版將熱固化樹脂和固化劑混合后澆鑄在進行了封裝保護處理的巖心周圍， 然后在恒溫箱中進行固化成型，固化成型后去除巖心的封裝保護，再進行機械加工以形成母版上的液體流入和流出孔道，以得到母版，其具有含巖心孔隙通道結構的截面；(3)制作彈性模具將聚二甲基硅氧烷(PDMS)澆鑄在母版上，然后放入真空箱中進行抽真空脫氣，抽真空脫氣后放入恒溫箱中進行固化成型，固化成型后將母版剝離，得到與母版上的所述截面的孔隙通道結構以及母版上的液體流入和流出孔道互補的鏡像結構，即得到彈性模具；(4)制作底板將熱固化樹脂和固化劑混合，然后澆鑄在所述彈性模具上，放入真空箱中進行抽真空脫氣，抽真空脫氣后放入恒溫箱中進行固化成型，固化成型后將彈性模具剝離，得到與母版上的所述截面的孔隙通道結構以及母版上的液體流入和流出孔道相同的結構，即得到底板；(5)制作蓋板將熱固化樹脂和固化劑混合，然后澆鑄在蓋板模具上，放入真空箱中進行抽真空脫氣，抽真空脫氣后放入恒溫箱中進行固化成型，固化成型后將蓋板模具剝離，得到蓋板，其與底板的大小相同；(6)在蓋板上涂上粘接劑，將底板上有孔隙通道結構的一面與蓋板粘接，放入恒溫箱中，粘接劑固化后即得到所述二維多孔介質模型。
9.根據權利要求8所述的制作方法，其特征在于所述封裝保護處理為用松節油溶解松香，將巖心浸泡到松節油溶解松香后的溶液中，進行加熱，使巖心充分飽和松香，靜置降溫，松香以固態的形式飽和在巖心的孔隙通道結構中。
10.根據權利要求8所述的制作方法，其特征在于所述封裝保護處理為用耐熱薄膜包裹巖心，用真空封裝機將巖心封裝在薄膜中。
11.根據權利要求9所述的制作方法，其特征在于所述清除巖心的封裝保護處理為 在超聲波儀器中，用松節油溶解出所述巖心孔隙通道結構中的松香。
12.根據權利要求8所述的制作方法，其特征在于在步驟(2)中，熱固化樹脂和固化劑的重量比為20:1至5:1 ；恒溫箱的溫度設定為50-70°C，在恒溫箱中進行固化成型的時間為 6-10小時。
13.根據權利要求8所述的制作方法，其特征在于在步驟(3)中，抽真空脫氣的時間為 25-40分鐘，恒溫箱的溫度設定為80°C，在恒溫箱中進行固化成型的時間為2小時。
14.根據權利要求8所述的制作方法，其特征在于在步驟(4)中，熱固化樹脂和固化劑的重量比例為20:1至5:1 ；抽真空脫氣的時間為25-40分鐘；恒溫箱的溫度設定為 50-70°C，在恒溫箱中進行固化成型的時間為6-10小時。
15.根據權利要求8所述的制作方法，其特征在于在步驟(5)中，熱固化樹脂和固化劑的重量比例為20:1至5:1 ；抽真空脫氣的時間為25-40分鐘；恒溫箱的溫度設定為 50-70°C，在恒溫箱中進行固化成型的時間為6-10小時。
全文摘要
本發明涉及一種微觀驅油用二維多孔介質模型,包括由熱固化樹脂和固化劑混合成型的底板(2)以及由熱固化樹脂和固化劑混合成型的蓋板(1)，其中所述蓋板和所述底板互相粘接，所述底板上具有與巖心的孔隙通道結構相對應的二維孔隙通道結構(3)，所述底板上還具有與其上的所述二維孔隙通道結構連通的液體流入孔道(4)和液體流出孔道(5)。另外還涉及該二維多孔介質模型的制作方法。本發明制作技術難度不高，對硬件要求低，易于在常規實驗室獲取，制作成的模型可視性好，易于觀察，且可以根據不同的母版制作不同的模型。
文檔編號G01N13/04GK102494972SQ201110371698
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月21日 優先權日2011年11月21日
發明者宋洪慶, 朱維耀, 蔡強, 覃柏, 龍運前 申請人:北京科技大學