中国矿业大学：基于3D打印透明微细孔隙模型的多孔介质渗流规律

作 者：钱自卫1,黄　震2,袁世冲1
单 位
1.中国矿业大学 资源与地球科学学院；2.江西理工大学 资源与环境工程学院

创新点：
（1）基于真实砂层试样CT图片，构建了二维孔隙模型，采用高精度光固型3D打印机，制备了透明微细孔隙试验模型。
（2）构建了试验系统，开展了多参量对比渗流试验，实现了对孔隙渗流过程的可视化观测及注水压力的高密度实时监测。
（3）从微观角度研究了多孔介质渗流规律，探讨了多孔介质渗流与孔隙及喉道结构特征的关联性。

研究背景
孔隙是石油、天然气、地下水等贮存的主要场所,开展多孔介质渗流规律的研究是进行油、气、水资源开采及水害防治的重要基础性工作。其中,孔隙渗流模型试验是开展相关研究的重要手段,但试验要求制备高仿真度的孔隙渗流物理模型。比如,在驱替采油领域常用的一维物理模型主要包括天然岩芯和人造岩芯模型,二维模型主要包括岩芯薄片、玻璃仿真物理模型,三维模型主要包括天然露头岩芯、填砂和高温高压烧结而成的人造砂岩模型。

一维模型仅适于进行简单试验,而三维模型难以观测到模型内部实时试验现象并获得相应数据,因此,二维模型应用相对广泛。目前常用的岩芯薄片二维模型的原料直接取自天然岩芯,由机器切成薄片后与玻璃恰当黏结而成,其主要的问题是模型制备的复杂性及重复性:一方面,对于胶结程度差的孔隙砂岩,制备岩芯薄片极为困难;另一方面,难以制备多组一致的模型开展多因素对比研究。同样较常用的玻璃仿真二维模型是通过在玻璃模型上刻制孔道来反映真实孔隙结构,常用的为化学刻蚀法。化学刻蚀的本质是借助于氢氟酸对玻璃材面的腐蚀作用实现孔隙的制造,由于腐蚀区域、进度控制技术的制约,同样难以制备与真实岩石一致的孔隙结构。

摘 要
多孔介质渗流规律研究是油、气、水资源开采及水害防治的基础性工作,物理模型试验是开展此研究的重要手段。基于真实砂层试样CT图片,经剪切、二值化处理、矢量边界提取、建模等步骤,构建了二维孔隙模型;采用高精度光固型3D打印机,选用刚性光敏材料,制备了透明微细孔隙试验模型。

构建了包括注水系统、压力监测系统、观测系统、孔隙模型及管路的试验系统,开展了12个注水流量梯度、4个不同渗流方向的渗流模型试验,实现了对孔隙渗流过程的可视化观测及注水压力的高密度实时监测,从微观角度研究了多孔介质渗流规律。

研究发现:
①在多孔介质渗流过程中分流及汇流持续发生,试验模型不同位置孔隙渗流的活跃性差异较大。

②随着水力梯度的增大,达西定律计算的渗透系数整体呈下降趋势,在低水力梯度条件下,同一模型平面90°改变注入方向时,渗透系数差异较大;水力梯度越大,水力梯度与渗透系数呈现相关性越强的幂函数关系。

③渗流速度与水力梯度呈高度相关的二次函数关系,渗流速度越高相关性越强,符合Forchheimr型非线性渗流公式,同一模型平面90°改变注入方向时,水力梯度差异较大,呈现明显的各向异性特征。

④孔隙试验模型渗流为“层流+紊流”的混合流,随着渗流速度的增加,紊流惯性力对水力梯度的贡献占比增大,其主要与孔隙介质中孔隙及喉道结构特征有关。

部分图片

微细孔隙模型

光敏材料固化后的单轴抗压试验曲线

3D打印的孔隙模型

孔隙渗流试验系统

孔隙渗流试验监测数据

孔隙渗流过程观测

渗透系数k与水力梯度J关系

渗流速度v与水力梯度J关系

孔隙渗流模式分析曲线(以2号下模型为例)

典型孔道结构

作者简介

钱自卫，男，1986年9月15日生，安徽蒙城人，中国矿业大学资源与地球科学学院地质工程系教师，副教授，硕士生导师。发表论文50余篇，其中SCI、EI检索近20篇，出版专著1部，授权发明专利4项，参编能源行业标准1项，获省部级奖项2项。

研究方向
矿山与地下工程水害评价与治理，矿山井筒井壁腐蚀、破裂及水（砂）害防治，化学注浆技术等

来源：
钱自卫,黄震,袁世冲.基于3D打印透明微细孔隙模型的多孔介质渗流规律[J]. 煤炭学报,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.