中國礦業(yè)大學：基于3D打印透明微細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.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院；2.江西理工大學 資源與環(huán)境工程學院

創(chuàng)新點：
（1）基于真實砂層試樣CT圖片，構建了二維孔隙模型，采用高精度光固型3D打印機，制備了透明微細孔隙試驗模型。
（2）構建了試驗系統(tǒng)，開展了多參量對比滲流試驗，實現(xiàn)了對孔隙滲流過程的可視化觀測及注水壓力的高密度實時監(jiān)測。
（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)構特征的關聯(lián)性。

研究背景
孔隙是石油、天然氣、地下水等貯存的主要場所,開展多孔介質(zhì)滲流規(guī)律的研究是進行油、氣、水資源開采及水害防治的重要基礎性工作。其中,孔隙滲流模型試驗是開展相關研究的重要手段,但試驗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。

一維模型僅適于進行簡單試驗,而三維模型難以觀測到模型內(nèi)部實時試驗現(xiàn)象并獲得相應數(shù)據(jù),因此,二維模型應用相對廣泛。目前常用的巖芯薄片二維模型的原料直接取自天然巖芯,由機器切成薄片后與玻璃恰當黏結(jié)而成,其主要的問題是模型制備的復雜性及重復性:一方面,對于膠結(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比研究。同樣較常用的玻璃仿真二維模型是通過在玻璃模型上刻制孔道來反映真實孔隙結(jié)構,常用的為化學刻蝕法。化學刻蝕的本質(zhì)是借助于氫氟酸對玻璃材面的腐蝕作用實現(xiàn)孔隙的制造,由于腐蝕區(qū)域、進度控制技術的制約,同樣難以制備與真實巖石一致的孔隙結(jié)構。

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性工作,物理模型試驗是開展此研究的重要手段�；�于真實砂層試樣CT圖片,經(jīng)剪切、二值化處理、矢量邊界提取、建模等步驟,構建了二維孔隙模型;采用高精度光固型3D打印機,選用剛性光敏材料,制備了透明微細孔隙試驗模型。

構建了包括注水系統(tǒng)、壓力監(jiān)測系統(tǒng)、觀測系統(tǒng)、孔隙模型及管路的試驗系統(tǒng),開展了12個注水流量梯度、4個不同滲流方向的滲流模型試驗,實現(xiàn)了對孔隙滲流過程的可視化觀測及注水壓力的高密度實時監(jiān)測,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)滲流過程中分流及匯流持續(xù)發(fā)生,試驗模型不同位置孔隙滲流的活躍性差異較大。

②隨著水力梯度的增大,達西定律計算的滲透系數(shù)整體呈下降趨勢,在低水力梯度條件下,同一模型平面90°改變注入方向時,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)相關性越強的冪函數(shù)關系。

③滲流速度與水力梯度呈高度相關的二次函數(shù)關系,滲流速度越高相關性越強,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,水力梯度差異較大,呈現(xiàn)明顯的各向異性特征。

④孔隙試驗模型滲流為“層流+紊流”的混合流,隨著滲流速度的增加,紊流慣性力對水力梯度的貢獻占比增大,其主要與孔隙介質(zhì)中孔隙及喉道結(jié)構特征有關。

部分圖片

微細孔隙模型

光敏材料固化后的單軸抗壓試驗曲線

3D打印的孔隙模型

孔隙滲流試驗系統(tǒng)

孔隙滲流試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)

孔隙滲流過程觀測

滲透系數(shù)k與水力梯度J關系

滲流速度v與水力梯度J關系

孔隙滲流模式分析曲線(以2號下模型為例)

典型孔道結(jié)構

作者簡介

錢自衛(wèi)，男，1986年9月15日生，安徽蒙城人，中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院地質(zhì)工程系教師，副教授，碩士生導師。發(fā)表論文50余篇，其中SCI、EI檢索近20篇，出版專著1部，授權發(fā)明專利4項，參編能源行業(yè)標準1項，獲省部級獎項2項。

研究方向
礦山與地下工程水害評價與治理，礦山井筒井壁腐蝕、破裂及水（砂）害防治，化學注漿技術等

來源：
錢自衛(wèi),黃震,袁世沖.基于3D打印透明微細孔隙模型的多孔介質(zhì)滲流規(guī)律[J]. 煤炭學報,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.