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 1557 另一方面，本文通过分析打印过程中每一层 的微球堆叠模型球颗粒，且制造成型后采用显微 的有效固化堆积，可知如图11所示的堆积结构存 镜观察可确认岩心模型孔隙相互连通.本研究中 在无法有效固化成型的薄圆柱，这是因为固化该 我们还使用其他树脂材料作为微立体光刻耗材， 层时，薄圆柱无法与已固化的实体接触粘结，所以 将尺寸相同的微球堆叠岩心模型重复制造，岩心 固化后的薄圆柱会漂浮在树脂液中，并可能导致 模型成型效果如图13所示，其中图13(a)所示岩 岩心模型孔喉结构堵塞.考虑到体心立方堆积、 心模型采用zDental Model沙黄树脂成型，该树脂 六方紧密堆积、面心立方堆积都存在有类似的结 也属于丙烯酸树脂聚氨酯体系，可微立体成型孔 构，也存在无法有效固化粘结的缺陷层，所以最终 隙相互连通的微球堆积岩心模型，微球成型尺寸 选择采用简单立方堆积方式设计微球堆叠岩心模 与模型尺寸误差小，但透光性不足，无法观察岩心 型，该堆积结构可解决逐层固化中可能产生缺陷 模型空隙内流动：图13(b)所示岩心模型采用由光 层的问题，可获得较好的岩心模型成型效果 聚合单体HDDA、PEGDA、TMPTA、PPTTA以及 光引发剂819和光吸收剂171配置形成的光固化 树脂体系固化成型，微立体成型的三维孔隙相互 连通，并可成型较小尺寸孔喉，成型速度快但树脂 收缩率大易产生裂纹，导致结构破坏 (a) Top view 图11岩心缺陷结构 Fig.11 Core defect structure Side view 鉴于逐层固化微立体光刻会导致模型与建模 尺寸和表面形貌产生差异，因此我们通过显微镜 (b) Top view 对制造的岩心进行测量，以此标定该方法的制造 精度，如图12所示为测量尺寸.我们随机测量两 种成型平面上的微球直径各25个，并计算出平均 Side viev 值来衡量不同平面上微球的成型精度.结果显示， 在xy投影平面内尺寸误差平均值为2.36%，在 x-z和y一z平面内尺寸误差平均值为0.13% 图13不同材料的微球堆叠岩心模型成型效果.(a)zDental Model沙 520 黄树脂成型岩心：(b)自配制树脂体系成型岩心 x-y plane Fig.13 Forming effect of the core model of microsphere accumulation -x-and w plane Microsphere model by different materials:(a)the core of zDental Model sand yellow resin molding;(b)self-prepared resin system forming core 5结论 490 本文基于石油开采研究需求，提出采用微立 480 体光刻的方式进行岩心模型制造，并提出了能较 791113151719212325 Microsphere measurement sample 好模拟地层岩心结构的微球堆叠岩心模型，同时 图12岩心微球成型精度表征 对该模型的孔隙度特征以及微立体光刻制造效果 Fig.12 Characterization of core microsphere forming accuracy 进行研究，得出以下结论 4其他树脂材料成型效果 (1)本文的微立体光刻设备具有6.55m的像 素点成型尺寸精度，可制造百微米级别的三维复 本研究中使用的树脂为esun的通用刚性树 杂孔喉结构，且基于微立体光刻制造工艺和材料 脂，该树脂属于聚氨酯丙烯酸酯，在其中加入 的特性，该方法不仅能快速地设计制造岩心模型， 02%苏丹I作为光吸收剂提高微粒体光刻精度 而且制造的岩心模型具有较高的透光率可满足观 后，可微立体光刻直径为0.5mm、球心距为0.45mm 察岩心内部流动情况的需求另一方面，本文通过分析打印过程中每一层 的有效固化堆积，可知如图 11 所示的堆积结构存 在无法有效固化成型的薄圆柱，这是因为固化该 层时，薄圆柱无法与已固化的实体接触粘结，所以 固化后的薄圆柱会漂浮在树脂液中，并可能导致 岩心模型孔喉结构堵塞. 考虑到体心立方堆积、 六方紧密堆积、面心立方堆积都存在有类似的结 构，也存在无法有效固化粘结的缺陷层，所以最终 选择采用简单立方堆积方式设计微球堆叠岩心模 型，该堆积结构可解决逐层固化中可能产生缺陷 层的问题，可获得较好的岩心模型成型效果. Model defect 图 11    岩心缺陷结构 Fig.11    Core defect structure 鉴于逐层固化微立体光刻会导致模型与建模 尺寸和表面形貌产生差异，因此我们通过显微镜 对制造的岩心进行测量，以此标定该方法的制造 精度，如图 12 所示为测量尺寸. 我们随机测量两 种成型平面上的微球直径各 25 个，并计算出平均 值来衡量不同平面上微球的成型精度. 结果显示， 在 x−y 投影平面内尺寸误差平均值为 2.36%，在 x−z 和 y−z 平面内尺寸误差平均值为 0.13%. 520 510 500 490 480 Microsphere diameter/mm Microsphere measurement sample 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Microsphere model x-y plane x-z and y-z plane 图 12    岩心微球成型精度表征 Fig.12    Characterization of core microsphere forming accuracy 4    其他树脂材料成型效果 本研究中使用的树脂为 esun 的通用刚性树 脂 ，该树脂属于聚氨酯丙烯酸酯 ，在其中加 入 0.2% 苏丹Ⅰ作为光吸收剂提高微粒体光刻精度 后，可微立体光刻直径为 0.5 mm、球心距为 0.45 mm 的微球堆叠模型球颗粒，且制造成型后采用显微 镜观察可确认岩心模型孔隙相互连通. 本研究中 我们还使用其他树脂材料作为微立体光刻耗材， 将尺寸相同的微球堆叠岩心模型重复制造，岩心 模型成型效果如图 13 所示，其中图 13（a）所示岩 心模型采用 zDental Model 沙黄树脂成型，该树脂 也属于丙烯酸树脂聚氨酯体系，可微立体成型孔 隙相互连通的微球堆积岩心模型，微球成型尺寸 与模型尺寸误差小，但透光性不足，无法观察岩心 模型空隙内流动；图 13（b）所示岩心模型采用由光 聚合单体 HDDA、PEGDA、TMPTA、PPTTA 以及 光引发剂 819 和光吸收剂 171 配置形成的光固化 树脂体系固化成型，微立体成型的三维孔隙相互 连通，并可成型较小尺寸孔喉，成型速度快但树脂 收缩率大易产生裂纹，导致结构破坏. Top view Side view Side view (a) (b) Top view 图 13    不同材料的微球堆叠岩心模型成型效果. （a）zDental Model 沙 黄树脂成型岩心；（b）自配制树脂体系成型岩心 Fig.13    Forming effect of the core model of microsphere accumulation by different materials: (a) the core of zDental Model sand yellow resin molding; (b) self-prepared resin system forming core 5    结论 本文基于石油开采研究需求，提出采用微立 体光刻的方式进行岩心模型制造，并提出了能较 好模拟地层岩心结构的微球堆叠岩心模型，同时 对该模型的孔隙度特征以及微立体光刻制造效果 进行研究，得出以下结论. （1）本文的微立体光刻设备具有 6.55 μm 的像 素点成型尺寸精度，可制造百微米级别的三维复 杂孔喉结构，且基于微立体光刻制造工艺和材料 的特性，该方法不仅能快速地设计制造岩心模型， 而且制造的岩心模型具有较高的透光率可满足观 察岩心内部流动情况的需求. 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 · 1557 ·