孟思炜等：基于面投影微立体光刻技术的三维模拟储层岩心模型制造 ·1555 的透光性，在模拟流动实验中可易于观察岩心内 的成型效果，因此本研究提出采用如图6所示的 的流动情况，同时该方法工艺简单、模型成型速度 简单立方堆积岩心模型进行微立体光刻制造. 快，因此可满足石油研究中岩心模型可定制、快速 制造、可视化的需求 2岩心模型设计 每御 2.1岩心模型特征结构提取 图5微球堆叠方式 地层岩心中的油藏存储空间由岩石颗粒的孔 Fig.5 Microsphere stacking method 喉和缝隙构成42，本文通过对如图3所示的岩 心SEM图像进行分析，提取出岩石颗粒的堆积结 构作为岩心模型的主要特征结构.由于实际岩心 中的岩石颗粒都具有复杂且不规则的几何形状， 难以有效地提取结构的特征参数，更难以研究这 些结构参数对原油驱替效率的影响，因此本文将 不规则的岩石颗粒简化为半径一致的球形颗粒， 得到如图4所示的颗粒堆积结构，该结构作为主 要的三维结构被用于设计、改进和制造岩心模型 图6简单立方堆积的岩心模型 Fig.6 Simple cubic stacked core model 2.3岩心模型孔隙度分析 为了实现岩心模型孔隙度可定制化，需要对 岩心模型孔隙度几何参数进行分析.如图7所示 立方体为简单立方堆积的微球堆叠模型基本单 元，通过调整球心距s和球半径r能够定量改变岩 图3岩心SEM图像 心模型的孔隙度6，根据以上两个结构参数计算岩 Fig.3 SEM image of the core of rock 心模型基本单元内的孔隙体积以及基本单元体 积，计算两者之比即为该结构的孔隙度，求得孔隙 度计算公式如下： 6=8362 35元-卫π+4+1 (3) 然而该模型的孔隙度可设计范围受到模型的 结构可制造性限制，通过对球颗粒的接触关系和 孔隙的联通性两方面分析考虑，可计算得出该模 图4岩石颗粒的简化建模型 型的孔隙度设计范围 Fig.4 Simplified modeling of rock particles 2.2微球堆积方式 考虑到微球堆叠岩心模型具有复杂三维孔隙 结构，能够较好地模拟地层岩石颗粒间的流动环 境，因此本研究采用微球堆叠结构设计岩心模型， 微球堆叠岩心模型具有如图5所示的包括简单立 方堆积、体心立方堆积、面心立方堆积、六方紧密 堆积等多种不同的堆积方式，不同的堆积方式也 将导致设计的多孔介质岩心模型具有不同的孔隙 结构.由于本研究采用逐层固化的方式制造岩心 困7岩心模型基本单元 模型，通过后文分析可知简单立方堆积具有更好 Fig.7 Basic unit of the core model的透光性，在模拟流动实验中可易于观察岩心内 的流动情况，同时该方法工艺简单、模型成型速度 快，因此可满足石油研究中岩心模型可定制、快速 制造、可视化的需求. 2    岩心模型设计 2.1    岩心模型特征结构提取 地层岩心中的油藏存储空间由岩石颗粒的孔 喉和缝隙构成[24−25] ，本文通过对如图 3 所示的岩 心 SEM 图像进行分析，提取出岩石颗粒的堆积结 构作为岩心模型的主要特征结构. 由于实际岩心 中的岩石颗粒都具有复杂且不规则的几何形状， 难以有效地提取结构的特征参数，更难以研究这 些结构参数对原油驱替效率的影响，因此本文将 不规则的岩石颗粒简化为半径一致的球形颗粒， 得到如图 4 所示的颗粒堆积结构，该结构作为主 要的三维结构被用于设计、改进和制造岩心模型. 50 μm 图 3    岩心 SEM 图像 Fig.3    SEM image of the core of rock 图 4    岩石颗粒的简化建模型 Fig.4    Simplified modeling of rock particles 2.2    微球堆积方式 考虑到微球堆叠岩心模型具有复杂三维孔隙 结构，能够较好地模拟地层岩石颗粒间的流动环 境，因此本研究采用微球堆叠结构设计岩心模型. 微球堆叠岩心模型具有如图 5 所示的包括简单立 方堆积、体心立方堆积、面心立方堆积、六方紧密 堆积等多种不同的堆积方式，不同的堆积方式也 将导致设计的多孔介质岩心模型具有不同的孔隙 结构. 由于本研究采用逐层固化的方式制造岩心 模型，通过后文分析可知简单立方堆积具有更好 的成型效果，因此本研究提出采用如图 6 所示的 简单立方堆积岩心模型进行微立体光刻制造. 图 5    微球堆叠方式 Fig.5    Microsphere stacking method 图 6    简单立方堆积的岩心模型 Fig.6    Simple cubic stacked core model 2.3    岩心模型孔隙度分析 为了实现岩心模型孔隙度可定制化，需要对 岩心模型孔隙度几何参数进行分析. 如图 7 所示 立方体为简单立方堆积的微球堆叠模型基本单 元，通过调整球心距 s 和球半径 r 能够定量改变岩 心模型的孔隙度 δ，根据以上两个结构参数计算岩 心模型基本单元内的孔隙体积以及基本单元体 积，计算两者之比即为该结构的孔隙度，求得孔隙 度计算公式如下： δ = 8r 3 3s 3 π− 6r 2 s 2 π+ π 4 +1 （3） 然而该模型的孔隙度可设计范围受到模型的 结构可制造性限制，通过对球颗粒的接触关系和 孔隙的联通性两方面分析考虑，可计算得出该模 型的孔隙度设计范围. r s 图 7    岩心模型基本单元 Fig.7    Basic unit of the core model 孟思炜等： 基于面投影微立体光刻技术的三维模拟储层岩心模型制造 · 1555 ·