1556 工程科学学报，第43卷，第11期 考虑球颗粒的接触关系，当相邻球颗粒之间 3岩心模型制造效果 无接触时，每个球颗粒均为悬空实体而无法统一 为一个刚性整体，因此该模型无法被制造.分析可 本文基于地层岩心中岩石颗粒的堆积结构， 知当球半径与球心距之比等于1/2时，相邻球颗粒 简化设计并通过微立体光刻技术将其制造，为了 恰好相切使得所有球颗粒相互刚性连接为一整 研究微立体光刻制造三维结构的可靠性，通过显 体，此时模型具有最大的孔隙度，计算可知该模型 微镜观察如图9所示的岩心模型实际成型情况， 的最大可设计孔隙度6max为47.6% 可发现微立体光刻岩心模型实体与建立的理想岩 考虑孔隙的连通性，当处于同一平面的相邻 心模型存在差异，主要体现在岩心实体模型的表 面存在与理想岩心模型光滑表面不同的阶梯状结 四个球颗粒互相接触时，球颗粒间的孔隙将会被 构，通过分析微立体光刻的制造过程，可知产生这 阻断，岩心模型也将由于不存在连续的孔喉结构 样的差异是由于采用了逐层固化成型的方式.如 而无法被用于流动实验.分析可知当球半径与球 图10所示，该方式制造的球体模型实际由多个薄 心距之比小于V22时，模型的孔隙才可相互连通， 圆柱组合而成，分析实体的逐层堆叠过程可得出 计算可知该模型的最小可设计孔隙度6min为3.5% 固化层厚d是影响成型表面阶梯结构尺寸的主要 通过对简单立方堆积结构的分析，我们可以 了解到简单立方堆积的微球堆叠模型可以被用于 参数，随着层厚的减小，阶梯的高度也会逐渐减 小，微立体光刻成形的岩心模型表面会更相似于 设计孔隙度处于3.5%~47.6%之间的具有三维复 杂孔喉结构的岩心模型.在目前的岩石孔隙度研 设计的理想岩心模型表面.然而，无论层厚如何减 小，阶梯结构也无法被完全消除，因此通过逐层固 究中，岩浆岩孔隙度一般为0.3%~15%，沉积岩孔 化方式无法制造光滑曲面，所以也无法完全一致 隙度一般为2.5%~31.7%，而常用于驱油实验研究 地将设计的理想岩心模型制造出来.然而即使逐 的砂岩孔隙度一般为10%~30%，因此该模型可满 层固化产生会阶梯表面，也破坏了理想岩心模型 足实验研究中岩心孔隙度的设计要求 与实体模型的一致性，但正因为制造出现了阶梯 通过孔隙度分析可知球颗粒直径应为球心距 结构，使得模型表面凹凸不平，所以微立体光刻岩 的1~V2倍，因此本研究还尝试采用随机数生成三 心模型表面实际更接近于真实岩石颗粒的不规则 维直径序列用于建立颗粒堆积的非均质岩心模 表面，因此在设计固化层厚时，可根据被模拟岩心 型.我们设计球心距为0.45mm,考虑到微立体光 的表面形貌需求进行设计，而不仅仅是取尽可能 刻的制造精度，颗粒直径在将在0.45~0.55mm范 小的固化层厚 围内随机生成，并以此建立5×5×5微球堆积岩心 模型，如图8所示为该模型的建模过程以及制造 效果，模型具有非均质特性，在三维空间内具有不 规则的孔隙尺寸分布.一方面控制随机数的生成 并建模可以对岩心孔隙度范围进行设计，另一方 Side view 面对相同非均质岩心模型微立体光刻制造具有重 复制造性.既可满足对不同油层流动环境参数的 模拟需求，也可满足相同流动环境重复性试验研 究的需求 图9微立体光刻岩心制造效果 Fig.9 Manufacturing effect of the micro-stereolithography core Side view 图8非均质岩心制造效果 图10逐层打印效果 Fig.8 Manufacturing effect of the heterogeneous core Fig.10 Layer-by-layer printing effect考虑球颗粒的接触关系，当相邻球颗粒之间 无接触时，每个球颗粒均为悬空实体而无法统一 为一个刚性整体，因此该模型无法被制造. 分析可 知当球半径与球心距之比等于 1/2 时，相邻球颗粒 恰好相切使得所有球颗粒相互刚性连接为一整 体，此时模型具有最大的孔隙度，计算可知该模型 的最大可设计孔隙度 δmax 为 47.6%. √ 2 考虑孔隙的连通性，当处于同一平面的相邻 四个球颗粒互相接触时，球颗粒间的孔隙将会被 阻断，岩心模型也将由于不存在连续的孔喉结构 而无法被用于流动实验. 分析可知当球半径与球 心距之比小于 /2 时，模型的孔隙才可相互连通， 计算可知该模型的最小可设计孔隙度 δmin 为 3.5%. 通过对简单立方堆积结构的分析，我们可以 了解到简单立方堆积的微球堆叠模型可以被用于 设计孔隙度处于 3.5%～47.6% 之间的具有三维复 杂孔喉结构的岩心模型. 在目前的岩石孔隙度研 究中，岩浆岩孔隙度一般为 0.3%～15%，沉积岩孔 隙度一般为 2.5%～31.7%，而常用于驱油实验研究 的砂岩孔隙度一般为 10%～30%，因此该模型可满 足实验研究中岩心孔隙度的设计要求. √ 2 通过孔隙度分析可知球颗粒直径应为球心距 的 1～ 倍，因此本研究还尝试采用随机数生成三 维直径序列用于建立颗粒堆积的非均质岩心模 型. 我们设计球心距为 0.45 mm，考虑到微立体光 刻的制造精度，颗粒直径在将在 0.45～0.55 mm 范 围内随机生成，并以此建立 5×5×5 微球堆积岩心 模型，如图 8 所示为该模型的建模过程以及制造 效果，模型具有非均质特性，在三维空间内具有不 规则的孔隙尺寸分布. 一方面控制随机数的生成 并建模可以对岩心孔隙度范围进行设计，另一方 面对相同非均质岩心模型微立体光刻制造具有重 复制造性. 既可满足对不同油层流动环境参数的 模拟需求，也可满足相同流动环境重复性试验研 究的需求. Top view Side view 图 8    非均质岩心制造效果 Fig.8    Manufacturing effect of the heterogeneous core 3    岩心模型制造效果 本文基于地层岩心中岩石颗粒的堆积结构， 简化设计并通过微立体光刻技术将其制造，为了 研究微立体光刻制造三维结构的可靠性，通过显 微镜观察如图 9 所示的岩心模型实际成型情况， 可发现微立体光刻岩心模型实体与建立的理想岩 心模型存在差异，主要体现在岩心实体模型的表 面存在与理想岩心模型光滑表面不同的阶梯状结 构，通过分析微立体光刻的制造过程，可知产生这 样的差异是由于采用了逐层固化成型的方式. 如 图 10 所示，该方式制造的球体模型实际由多个薄 圆柱组合而成，分析实体的逐层堆叠过程可得出 固化层厚 d 是影响成型表面阶梯结构尺寸的主要 参数，随着层厚的减小，阶梯的高度也会逐渐减 小，微立体光刻成形的岩心模型表面会更相似于 设计的理想岩心模型表面. 然而，无论层厚如何减 小，阶梯结构也无法被完全消除，因此通过逐层固 化方式无法制造光滑曲面，所以也无法完全一致 地将设计的理想岩心模型制造出来. 然而即使逐 层固化产生会阶梯表面，也破坏了理想岩心模型 与实体模型的一致性，但正因为制造出现了阶梯 结构，使得模型表面凹凸不平，所以微立体光刻岩 心模型表面实际更接近于真实岩石颗粒的不规则 表面，因此在设计固化层厚时，可根据被模拟岩心 的表面形貌需求进行设计，而不仅仅是取尽可能 小的固化层厚. Top view Side view 图 9    微立体光刻岩心制造效果 Fig.9    Manufacturing effect of the micro-stereolithography core d 图 10    逐层打印效果 Fig.10    Layer-by-layer printing effect · 1556 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期