中國(guó)礦業(yè)大學(xué)：基于3D打印透明微細(xì)孔隙模型的多孔介質(zhì)滲流規(guī)律

作 者：錢自衛(wèi)1,黃　震2,袁世沖1
單 位
1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院；2.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院

創(chuàng)新點(diǎn)：
（1）基于真實(shí)砂層試樣CT圖片，構(gòu)建了二維孔隙模型，采用高精度光固型3D打印機(jī)，制備了透明微細(xì)孔隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?br /> （2）構(gòu)建了試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了多參量對(duì)比滲流試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔隙滲流過(guò)程的可視化觀測(cè)及注水壓力的高密度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
（3）從微觀角度研究了多孔介質(zhì)滲流規(guī)律，探討了多孔介質(zhì)滲流與孔隙及喉道結(jié)構(gòu)特征的關(guān)聯(lián)性。

研究背景
孔隙是石油、天然氣、地下水等貯存的主要場(chǎng)所,開展多孔介質(zhì)滲流規(guī)律的研究是進(jìn)行油、氣、水資源開采及水害防治的重要基礎(chǔ)性工作。其中,孔隙滲流模型試驗(yàn)是開展相關(guān)研究的重要手段,但試驗(yàn)要求制備高仿真度的孔隙滲流物理模型。比如,在驅(qū)替采油領(lǐng)域常用的一維物理模型主要包括天然巖芯和人造巖芯模型,二維模型主要包括巖芯薄片、玻璃仿真物理模型,三維模型主要包括天然露頭巖芯、填砂和高溫高壓燒結(jié)而成的人造砂巖模型。

一維模型僅適于進(jìn)行簡(jiǎn)單試驗(yàn),而三維模型難以觀測(cè)到模型內(nèi)部實(shí)時(shí)試驗(yàn)現(xiàn)象并獲得相應(yīng)數(shù)據(jù),因此,二維模型應(yīng)用相對(duì)廣泛。目前常用的巖芯薄片二維模型的原料直接取自天然巖芯,由機(jī)器切成薄片后與玻璃恰當(dāng)黏結(jié)而成,其主要的問(wèn)題是模型制備的復(fù)雜性及重復(fù)性:一方面,對(duì)于膠結(jié)程度差的孔隙砂巖,制備巖芯薄片極為困難;另一方面,難以制備多組一致的模型開展多因素對(duì)比研究。同樣較常用的玻璃仿真二維模型是通過(guò)在玻璃模型上刻制孔道來(lái)反映真實(shí)孔隙結(jié)構(gòu),常用的為化學(xué)刻蝕法�；瘜W(xué)刻蝕的本質(zhì)是借助于氫氟酸對(duì)玻璃材面的腐蝕作用實(shí)現(xiàn)孔隙的制造,由于腐蝕區(qū)域、進(jìn)度控制技術(shù)的制約,同樣難以制備與真實(shí)巖石一致的孔隙結(jié)構(gòu)。

摘 要
多孔介質(zhì)滲流規(guī)律研究是油、氣、水資源開采及水害防治的基礎(chǔ)性工作,物理模型試驗(yàn)是開展此研究的重要手段�；�于真實(shí)砂層試樣CT圖片,經(jīng)剪切、二值化處理、矢量邊界提取、建模等步驟,構(gòu)建了二維孔隙模型;采用高精度光固型3D打印機(jī),選用剛性光敏材料,制備了透明微細(xì)孔隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?br />
構(gòu)建了包括注水系統(tǒng)、壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、觀測(cè)系統(tǒng)、孔隙模型及管路的試驗(yàn)系統(tǒng),開展了12個(gè)注水流量梯度、4個(gè)不同滲流方向的滲流模型試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔隙滲流過(guò)程的可視化觀測(cè)及注水壓力的高密度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),從微觀角度研究了多孔介質(zhì)滲流規(guī)律。

研究發(fā)現(xiàn):
①在多孔介質(zhì)滲流過(guò)程中分流及匯流持續(xù)發(fā)生,試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒煌�位置孔隙滲流的活躍性差異較大。

②隨著水力梯度的增大,達(dá)西定律計(jì)算的滲透系數(shù)整體呈下降趨勢(shì),在低水力梯度條件下,同一模型平面90°改變注入方向時(shí),滲透系數(shù)差異較大;水力梯度越大,水力梯度與滲透系數(shù)呈現(xiàn)相關(guān)性越強(qiáng)的冪函數(shù)關(guān)系。

③滲流速度與水力梯度呈高度相關(guān)的二次函數(shù)關(guān)系,滲流速度越高相關(guān)性越強(qiáng),符合Forchheimr型非線性滲流公式,同一模型平面90°改變注入方向時(shí),水力梯度差異較大,呈現(xiàn)明顯的各向異性特征。

④孔隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜐B流為“層流+紊流”的混合流,隨著滲流速度的增加,紊流慣性力對(duì)水力梯度的貢獻(xiàn)占比增大,其主要與孔隙介質(zhì)中孔隙及喉道結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。

部分圖片

微細(xì)孔隙模型

光敏材料固化后的單軸抗壓試驗(yàn)曲線

3D打印的孔隙模型

孔隙滲流試驗(yàn)系統(tǒng)

孔隙滲流試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

孔隙滲流過(guò)程觀測(cè)

滲透系數(shù)k與水力梯度J關(guān)系

滲流速度v與水力梯度J關(guān)系

孔隙滲流模式分析曲線(以2號(hào)下模型為例)

典型孔道結(jié)構(gòu)

作者簡(jiǎn)介

錢自衛(wèi)，男，1986年9月15日生，安徽蒙城人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院地質(zhì)工程系教師，副教授，碩士生導(dǎo)師。發(fā)表論文50余篇，其中SCI、EI檢索近20篇，出版專著1部，授權(quán)發(fā)明專利4項(xiàng)，參編能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，獲省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)2項(xiàng)。

研究方向
礦山與地下工程水害評(píng)價(jià)與治理，礦山井筒井壁腐蝕、破裂及水（砂）害防治，化學(xué)注漿技術(shù)等

來(lái)源：
錢自衛(wèi),黃震,袁世沖.基于3D打印透明微細(xì)孔隙模型的多孔介質(zhì)滲流規(guī)律[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2020,45(8):2901-2907.

QIAN Ziwei,HUANG Zhen,YUAN Shichong. Pore seepage law based on 3D printed micro-pore model[J].Journal of China Coal Society,2020,45(8):2901-2907.