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

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 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 孟思炜孙大兴俞佳庆莫翌邵广斌薛伟杰周德开郑立臣 Fabrication of a three-dimensional simulated reservoir core model based on area projection micro-stereolithography MENG Si-wei,SUN Da-xing.YU Jia-qing.MO Yi,SHAO Guang-bin,XUE Wei-jie,ZHOU De-kai,ZHENG Li-chen 引用本文： 孟思炜，孙大兴，俞佳庆，莫翌，邵广斌，薛伟杰，周德开，郑立臣.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 [.工程科学学报，2021,4311：1552-1559.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.06.10.001 MENG Si-wei,SUN Da-xing,YU Jia-qing.MO Yi,SHAO Guang-bin,XUE Wei-jie,ZHOU De-kai,ZHENG Li-chen.Fabrication of a three-dimensional simulated reservoir core model based on area projection micro-stereolithography[J].Chinese Journal of Engineering,.2021,43(11:1552-1559.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.06.10.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.06.10.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 玄武岩三维细观孔隙模型重构与直接拉伸数值试验 Three-dimensional microscopic model reconstruction of basalt and numerical direct tension tests 工程科学学报.2019,41(8：997htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.08.005 不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算 Three-dimensional morphology and thermodynamic calculation of inclusions in stainless steel 工程科学学报.2020,42S:14 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.03.25.s13 三维确定性模型在浅层黄土滑坡稳定性预测中的应用 Application of a 3D deterministic model for predicting shallow loess landslide stability 工程科学学报.2018.40(4：397 https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.04.002 基于泊松簇过程的三层异构蜂窝网络部署模型 Deployment model of three-layer heterogeneous cellular networks based on Poisson clustered process 工程科学学报.2017,392：309 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.02.020 矿石颗粒级配对堆浸体系三维孔隙结构的影响 Effects of ore size distribution on the pore structure characteristics of packed ore beds 工程科学学报.2020,42(8)：972htps:/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.01.17.002 基于函数型数字孪生模型的转炉炼钢终点碳控制技术 Control technology of end-point carbon in converter steelmaking based on functional digital twin model 工程科学学报.2019,41(4：521 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.04.013

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 孟思炜 孙大兴 俞佳庆 莫翌 邵广斌 薛伟杰 周德开 郑立臣 Fabrication of a three-dimensional simulated reservoir core model based on area projection micro-stereolithography MENG Si-wei, SUN Da-xing, YU Jia-qing, MO Yi, SHAO Guang-bin, XUE Wei-jie, ZHOU De-kai, ZHENG Li-chen 引用本文: 孟思炜, 孙大兴, 俞佳庆, 莫翌, 邵广斌, 薛伟杰, 周德开, 郑立臣. 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 [J]. 工程科学学报, 2021, 43(11): 1552-1559. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.10.001 MENG Si-wei, SUN Da-xing, YU Jia-qing, MO Yi, SHAO Guang-bin, XUE Wei-jie, ZHOU De-kai, ZHENG Li-chen. Fabrication of a three-dimensional simulated reservoir core model based on area projection micro-stereolithography[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(11): 1552-1559. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.10.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.10.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 玄武岩三维细观孔隙模型重构与直接拉伸数值试验 Three-dimensional microscopic model reconstruction of basalt and numerical direct tension tests 工程科学学报. 2019, 41(8): 997 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.005 不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算 Three-dimensional morphology and thermodynamic calculation of inclusions in stainless steel 工程科学学报. 2020, 42(S): 14 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s13 三维确定性模型在浅层黄土滑坡稳定性预测中的应用 Application of a 3D deterministic model for predicting shallow loess landslide stability 工程科学学报. 2018, 40(4): 397 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.002 基于泊松簇过程的三层异构蜂窝网络部署模型 Deployment model of three-layer heterogeneous cellular networks based on Poisson clustered process 工程科学学报. 2017, 39(2): 309 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.020 矿石颗粒级配对堆浸体系三维孔隙结构的影响 Effects of ore size distribution on the pore structure characteristics of packed ore beds 工程科学学报. 2020, 42(8): 972 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.17.002 基于函数型数字孪生模型的转炉炼钢终点碳控制技术 Control technology of end-point carbon in converter steelmaking based on functional digital twin model 工程科学学报. 2019, 41(4): 521 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.013

工程科学学报.第43卷.第11期：1552-1559.2021年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.11:1552-1559,November 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.10.001;http://cje.ustb.edu.cn 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 孟思炜，孙大兴2，俞佳庆”，莫翌，邵广斌2)，薛伟杰)，周德开2)，郑立臣)区 1)中国石油脚探开发研究院，北京1000832)哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点研究室，哈尔滨150000 ☒通信作者，E-mail:小henglichen@petrochina.com.cn 摘要首先搭建具有高精度面投影微立体光刻设备，通过理论分析和实验相结合的方法获得最优打印工艺参数.然后提出 一种可用于模拟地层岩心的微球堆叠岩心模型.并通过分析岩心模型成型机理，选取具有更高成型精度的堆积方式对岩心模 型进行设计.该模拟岩心制造方法具有对特殊岩心结构制造的高适应性，为实验室显微镜下研究多种EOR技术微观驱替机 理提供了新思路 关键词石油开采；三次采油技术：微立体光刻：三维岩心模型：微球堆叠岩心模型 分类号TE355 Fabrication of a three-dimensional simulated reservoir core model based on area projection micro-stereolithography MENG Si-wei,SUN Da-xing,YU Jia-qing,MO YP.SHAO Guang-bin,XUE Wei-jie2),ZHOU De-ka,ZHENG Li-chen 1)PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Robotics and System,Harbin Institute of Technology,Harbin 150000,China Corresponding author,E-mail:zhenglichen@petrochina.com.cn ABSTRACT Petroleum exploitation plays a very important role in national energy security.With continuous exploitation of oil fields in my country,the efficiency of conventional water injection oil production is decreasing year by year.Enhanced oil recovery (EOR) technologies,such as polymer flooding,microbial flooding,micro-nano flooding,and other flooding technologies have been proposed and developed for application.However,the microscopic displacement mechanism and displacement effect of these technologies are still unclear.Current oil displacement research needs to be verified by core displacement experiments.However,the current displacement experiments all use artificial cores,glass etching channels,photoetched microchannels,etc.,as the oil displacement environment.These displacement environments are insufficient in terms of oil displacement dimensions and observation phenomena.Due to this,there is an urgent need for a core manufacturing method that is more suitable for laboratory oil displacement research.In this study,we proposed a method for manufacturing a simulated three-dimensional core structure based on micro-stereolithography technology.This method not only has the advantages of fast manufacturing speed and high forming accuracy,but is also able to realize the visualization, parameterization,and customized design of a micron structure.The core model self-searched by stereo lithography has a three- dimensional pore structure in the order of hundreds of microns and can be used to simulate the experimental study of reservoir displacement flow mechanism.In this research,a high-precision surface projection micro-stereolithography equipment was built,and the optimal printing process parameters were obtained through a combination of theoretical analysis and experiments.Then,a microsphere 收稿日期：2020-06-10 基金项目：中国石油集团科学技术研究院有限公司科学研究与技术开发资助项目(2017y℃q17):国家重点研发计划政府间国际科技创新合 作重点资助专项(2018YFE0196000):国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51905135)：广东省重点研发计划资助项目(2020B090923003)

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 孟思炜1)，孙大兴2)，俞佳庆1)，莫    翌2)，邵广斌2)，薛伟杰2)，周德开2)，郑立臣1) 苣 1) 中国石油勘探开发研究院，北京 100083    2) 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点研究室，哈尔滨 150000 苣通信作者， E-mail：zhenglichen@petrochina.com.cn 摘    要    首先搭建具有高精度面投影微立体光刻设备，通过理论分析和实验相结合的方法获得最优打印工艺参数，然后提出 一种可用于模拟地层岩心的微球堆叠岩心模型，并通过分析岩心模型成型机理，选取具有更高成型精度的堆积方式对岩心模 型进行设计. 该模拟岩心制造方法具有对特殊岩心结构制造的高适应性，为实验室显微镜下研究多种 EOR 技术微观驱替机 理提供了新思路. 关键词    石油开采；三次采油技术；微立体光刻；三维岩心模型；微球堆叠岩心模型 分类号    TE355 Fabrication  of  a  three-dimensional  simulated  reservoir  core  model  based  on  area projection micro-stereolithography MENG Si-wei1) ，SUN Da-xing2) ，YU Jia-qing1) ，MO Yi2) ，SHAO Guang-bin2) ，XUE Wei-jie2) ，ZHOU De-kai2) ，ZHENG Li-chen1) 苣 1) PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083, China 2) State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150000, China 苣 Corresponding author, E-mail: zhenglichen@petrochina.com.cn ABSTRACT    Petroleum exploitation plays a very important role in national energy security. With continuous exploitation of oil fields in my country, the efficiency of conventional water injection oil production is decreasing year by year. Enhanced oil recovery (EOR) technologies, such as polymer flooding, microbial flooding, micro–nano flooding, and other flooding technologies have been proposed and developed for application. However, the microscopic displacement mechanism and displacement effect of these technologies are still unclear. Current oil displacement research needs to be verified by core displacement experiments. However, the current displacement experiments all use artificial cores, glass etching channels, photoetched microchannels, etc., as the oil displacement environment. These displacement environments are insufficient in terms of oil displacement dimensions and observation phenomena. Due to this, there is an urgent need for a core manufacturing method that is more suitable for laboratory oil displacement research. In this study, we proposed a method for manufacturing a simulated three-dimensional core structure based on micro-stereolithography technology. This method not only  has  the  advantages  of  fast  manufacturing  speed  and  high  forming  accuracy,  but  is  also  able  to  realize  the  visualization, parameterization,  and  customized  design  of  a  micron  structure.  The  core  model  self-searched  by  stereo  lithography  has  a  three￾dimensional  pore  structure  in  the  order  of  hundreds  of  microns  and  can  be  used  to  simulate  the  experimental  study  of  reservoir displacement flow mechanism. In this research, a high-precision surface projection micro-stereolithography equipment was built, and the optimal printing process parameters were obtained through a combination of theoretical analysis and experiments. Then, a microsphere 收稿日期: 2020−06−10 基金项目: 中国石油集团科学技术研究院有限公司科学研究与技术开发资助项目（2017ycq17）；国家重点研发计划政府间国际科技创新合 作重点资助专项（2018YFE0196000）；国家自然科学基金青年科学基金资助项目（51905135）；广东省重点研发计划资助项目（2020B090923003） 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期：1552−1559，2021 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 11: 1552−1559, November 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.10.001; http://cje.ustb.edu.cn

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 1553 stacked core model was proposed that can be used to simulate formation cores.By analyzing the forming mechanism of the core model, a stacking method was selected with a higher forming accuracy to design the core model.Finally,the core of a 100-micron-sized microsphere accumulation was realized by micro-stereolithography to achieve three-dimensional molding.The simulated core manufacturing method in this study has high adaptability to special core structure manufacturing and provides a new idea for studying the microscopic displacement mechanism of various EOR technologies under a laboratory microscope. KEY WORDS petroleum exploitation;enhanced oil recovery technology:micro-stereolithography;three-dimensional core model; microspherical accumulation core model 石油是一种非可再生能源，其储量随着长期 有快速可定制制造的优点，同时由于这些制造方 不断开采逐年减少，采收率逐年降低，而开采难度 法都可采用透光率较高的材料进行岩心模型制 和开采成本却逐年增高.如何提高石油采收率、 造，因此能够实现岩心模型内部流动情况的实时 降低开采成本成为石油开采领域亟待解决的关键 观测.在上述制造方法中，玻璃刻蚀和电子束光刻 问题之一-2019年，我国石油产量为1.91亿吨， 的工艺相对复杂，并且难以制造具有复杂三维孔 而进口石油总量达5.06亿吨，石油对外依存度高 喉结构的岩心模型，相比之下，面投影微立体光刻 达72.6%，远超国际公认的依存度警戒线(50%). 技术不仅具备高精度重复制造模型能力，同时也 因此，如何高效可持续开采我国剩余油藏资源，减 具有快速制造复杂三维结构的能力，因此在微尺 轻开采劳动强度，保持国产原油稳产、增产已成为 度人造岩心制造方面具有重要意义 我国石油工业迫切需要解决的问题，也是涉及国 近年来的驱油研究中，采用微立体光刻制造 家战略，能源安全的重要问题.为了深度挖潜国内 的岩心模型都仅具有二维结构特征2-2)，这些岩 主力油田生产能力，提高低渗透、薄、差储层动用 心模型相比于实际的驱油环境忽略了包括重力在 程度，大量新型提高采收率(EOR)技术如聚合物 内的许多复杂因素，不利于得出可靠的驱油研究 驱油、泡沫驱油4-、纳米驱油-、超声驱油0 结论，因此本文提出采用微立体光刻制造具有复 微生物-驱油等先进驱油方法被推广应用6 杂孔喉结构的三维岩心模型.该岩心制造方式，实 然而，大部分新型驱油方法的微观驱替机理尚不 现了百微米级三维孔隙结构的可定制制造，区别 明确，传统储层模拟方式通常存在无法直观观察、 于以往研究使用的二维孔隙模型，该方法制造的 可重复性差、特征结构难以提取等缺陷，因此迫切 岩心具有可定制、高重复性、可视化的性能，且具 需要一种可视化、可定制、可拓展的新型三维模 有三维力场结构，在该种岩心中的驱油现象更符 拟储层岩心模型 合实际驱油特点，因此本文基于该制造方法的优 早期室内油藏驱替实验研究中所使用的岩心 势和特点对岩心模型制造展开研究 模型取自天然岩心，天然岩心从地层中钻取获得， 在本研究中，首先基于面投影微立体光刻技 具有与地层岩心相同的物理化学性质和构造情 术构建人造岩心制造系统，并通过设计光路系统 况，可以用于模拟某一区块地层的流动环境.然而 和调试设置打印参数使微立体光刻系统具有制造 天然岩心提取困难、开采成本高，难以满足实验研 复杂三维微结构的能力.然后将岩石微孔隙结构 究中对岩心模型快速获取的需求，因此有研究者 抽象为微球堆叠模型，通过调整模型几何参数可 提出采用人造岩心代替天然岩心用于实验.通过 以实现孔隙度定量控制.最后通过分析固化成型 胶结剂将矿物和岩石颗粒复合可制备得到人造岩 效果对岩心模型进行评估，并提出一种适用于逐 心.该种岩心可方便快速地制造获取，但是胶结颗 层固化微立体光刻制造的复杂三维孔喉结构岩心 粒随机分布，难以对内部孔隙结构进行参数化设 模型 计，且不同岩心微观结构差异较大，实验重复性 1微立体光刻制造系统 差.此外，由于岩石颗粒透光率低，因此不利于观 察驱油过程中孔隙结构内的驱替特点和驱油现象. 1.1设备构成 为实现岩心模型参数化、可视化设计，学者们 岩心模型具有复杂的微纳结构，普通的微立 提出数字化定制岩心模型-，通过玻璃刻蚀 体光刻打印设备无法满足打印精度要求，因此本 电子束光刻20、微立体光刻打印2等制造方法进 研究中自主研制了如图1所示的上成型面投影微 行制造并应用于实验研究中，这些制造方法均具 立体光刻系统用于制造岩心模型，该系统功能组

stacked core model was proposed that can be used to simulate formation cores. By analyzing the forming mechanism of the core model, a  stacking  method  was  selected  with  a  higher  forming  accuracy  to  design  the  core  model.  Finally,  the  core  of  a  100-micron-sized microsphere  accumulation  was  realized  by  micro-stereolithography  to  achieve  three-dimensional  molding.  The  simulated  core manufacturing method in this study has high adaptability to special core structure manufacturing and provides a new idea for studying the microscopic displacement mechanism of various EOR technologies under a laboratory microscope. KEY  WORDS    petroleum  exploitation； enhanced  oil  recovery  technology； micro-stereolithography； three-dimensional  core  model； microspherical accumulation core model 石油是一种非可再生能源，其储量随着长期 不断开采逐年减少，采收率逐年降低，而开采难度 和开采成本却逐年增高. 如何提高石油采收率、 降低开采成本成为石油开采领域亟待解决的关键 问题之一[1−2] . 2019 年，我国石油产量为 1.91 亿吨， 而进口石油总量达 5.06 亿吨，石油对外依存度高 达 72.6%，远超国际公认的依存度警戒线（50%）. 因此，如何高效可持续开采我国剩余油藏资源，减 轻开采劳动强度，保持国产原油稳产、增产已成为 我国石油工业迫切需要解决的问题，也是涉及国 家战略，能源安全的重要问题. 为了深度挖潜国内 主力油田生产能力，提高低渗透、薄、差储层动用 程度，大量新型提高采收率（EOR）技术如聚合物 驱油[3]、泡沫驱油[4−5]、纳米驱油[6−8]、超声驱油[9−10]、 微生物[11−15] 驱油等先进驱油方法被推广应用[16] . 然而，大部分新型驱油方法的微观驱替机理尚不 明确，传统储层模拟方式通常存在无法直观观察、 可重复性差、特征结构难以提取等缺陷，因此迫切 需要一种可视化、可定制、可拓展的新型三维模 拟储层岩心模型. 早期室内油藏驱替实验研究中所使用的岩心 模型取自天然岩心，天然岩心从地层中钻取获得， 具有与地层岩心相同的物理化学性质和构造情 况，可以用于模拟某一区块地层的流动环境. 然而 天然岩心提取困难、开采成本高，难以满足实验研 究中对岩心模型快速获取的需求，因此有研究者 提出采用人造岩心代替天然岩心用于实验. 通过 胶结剂将矿物和岩石颗粒复合可制备得到人造岩 心. 该种岩心可方便快速地制造获取，但是胶结颗 粒随机分布，难以对内部孔隙结构进行参数化设 计，且不同岩心微观结构差异较大，实验重复性 差. 此外，由于岩石颗粒透光率低，因此不利于观 察驱油过程中孔隙结构内的驱替特点和驱油现象. 为实现岩心模型参数化、可视化设计，学者们 提出数字化定制岩心模型[17−18] ，通过玻璃刻蚀[19]、 电子束光刻[20]、微立体光刻打印[21] 等制造方法进 行制造并应用于实验研究中，这些制造方法均具 有快速可定制制造的优点，同时由于这些制造方 法都可采用透光率较高的材料进行岩心模型制 造，因此能够实现岩心模型内部流动情况的实时 观测. 在上述制造方法中，玻璃刻蚀和电子束光刻 的工艺相对复杂，并且难以制造具有复杂三维孔 喉结构的岩心模型，相比之下，面投影微立体光刻 技术不仅具备高精度重复制造模型能力，同时也 具有快速制造复杂三维结构的能力，因此在微尺 度人造岩心制造方面具有重要意义. 近年来的驱油研究中，采用微立体光刻制造 的岩心模型都仅具有二维结构特征[22−23] ，这些岩 心模型相比于实际的驱油环境忽略了包括重力在 内的许多复杂因素，不利于得出可靠的驱油研究 结论，因此本文提出采用微立体光刻制造具有复 杂孔喉结构的三维岩心模型. 该岩心制造方式，实 现了百微米级三维孔隙结构的可定制制造，区别 于以往研究使用的二维孔隙模型，该方法制造的 岩心具有可定制、高重复性、可视化的性能，且具 有三维力场结构，在该种岩心中的驱油现象更符 合实际驱油特点，因此本文基于该制造方法的优 势和特点对岩心模型制造展开研究. 在本研究中，首先基于面投影微立体光刻技 术构建人造岩心制造系统，并通过设计光路系统 和调试设置打印参数使微立体光刻系统具有制造 复杂三维微结构的能力. 然后将岩石微孔隙结构 抽象为微球堆叠模型，通过调整模型几何参数可 以实现孔隙度定量控制. 最后通过分析固化成型 效果对岩心模型进行评估，并提出一种适用于逐 层固化微立体光刻制造的复杂三维孔喉结构岩心 模型. 1    微立体光刻制造系统 1.1    设备构成 岩心模型具有复杂的微纳结构，普通的微立 体光刻打印设备无法满足打印精度要求，因此本 研究中自主研制了如图 1 所示的上成型面投影微 立体光刻系统用于制造岩心模型，该系统功能组 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 · 1553 ·

·1554 工程科学学报，第43卷，第11期 件包括隔振平台、面投影紫外光机、光阑、凸透 曝光时间太短会导致固化层之间无法可靠粘结， 镜、反射镜、位移台、微立体光刻成型基底、树脂 甚至导致光敏树脂无法完全固化而变成在树脂液 槽以及控制计算机.其中微立体光刻成型基底与 中悬浮的絮状固化物，而光照强度太大或曝光时 位移台刚性连接，控制计算机可以通过控制位移 间太长会导致固化层厚度过大、成型精度低.考 台来调整微立体光刻成型基底的位置，同时控制 虑到岩心模型的特征尺寸较小，故应选用较小的 计算机也可通过控制光机的光照时序进行逐层微 固化层厚来获得较高的打印精度.通过如下公式 立体光刻制造.该设备可打印具有良好透光性、 并结合固化成型效果可对光照强度、曝光时间等 流动性及较高打印精度的光敏树脂耗材，可固化 参数进行调试设置 成型百微米级别的特征结构尺寸，同时由于光敏 Cd=Dpln Emax (1) 树脂具有良好的透光性，因此微立体光刻成型的 岩心模型内部结构也可被观察 Emax=ISt (2) Darkroom 其中，D。为光敏树脂透射深度，mm;Emax为成型面 UV machine 所接收到的能量，J:E。为光敏树脂临界固化所需 Vertical stage 要光能，J:Ca为固化深度，mm;I为光功率密度， Wmm2;S为成型面积，mm2;t为曝光时间，s. 将光照强度、曝光时间、每层成型厚度等参数 调试至最佳后该微立体光刻设备才可制造具有较 高精度的三维岩心模型.通过多次固化成型并测 Vibration isolator 量统计，得出单像素成型尺寸为6.55um,成型尺 寸误差小于0.15m,相对误差小于2%，满足岩心 图1微立体光刻设备 模型制造要求 Fig.1 Micro-stereolithography system 1.4岩心模型打印原理 1.2光路系统 岩心模型的微立体光刻制造采用逐层固化的 岩心模型具有复杂的空间微纳结构，普通面 方式进行.首先，在计算机辅助设计软件中建立模 投影立体光刻无法满足岩心模型制造所需精度要 拟岩心三维结构模型，对模型进行层切片得到所 求，因此该微立体光刻制造系统采用组合光路将 需的每个打印幅面图形.其次，将切片图像导入控 面投影光机成像面尺寸聚焦，以此提高光照精度 制计算机中，由程序控制光机的紫外光光照时序、 并获得高精度的固化成型效果.成型件的精度主 投影图像以及微立体光刻成型基底的移动.然后， 要由DMD芯片的分辨率和光路的缩放倍数共同 在控制程序的执行下液态微立体光刻树脂将会逐 决定，本实验采用PRO6500型光学引擎，其DMD 层固化并与前一固化层相互粘结堆积，最终形成 芯片TI DLP6500分辨率为1920×1080，其微镜阵 三维岩心模型实体.最后，将成型的三维模型用丙 列对角线为16.51mm,即DMD芯片尺寸为16.51mm× 酮溶液浸泡溶去表面的残留树脂，去离子水清洗、 9.29mm.光路中，光阑通过控制光束的通过数量 干燥后则可得到如图2所示的复杂三维模型.采 进而调节光束的强弱，使投影到成型基底的紫外 用微立体光刻制造的多孔介质岩心模型具有良好 光图案不受杂光的影响以提高成型质量；凸透镜 作为聚焦元件控制紫外光图案的缩放倍数以缩小 单像素尺寸；反射镜可以改变光传播的途径，使成 像平面变为水平面以便于液态树脂光固化成型 最终，成型幅面尺寸被调整为12.4mm×7mm,得到 最终成型面单像素尺寸为6.48m 1.3固化参数 模型的成型精度与立体光刻系统中的光照强 度、曝光时间、每层成型厚度等参数密切相关.为 提高逐层固化过程中三维结构的制造精度，需要 图2复杂空间网状结构打印效果图 对这些参数进行精密调试.其中光照强度太小或 Fig.2 Print effect diagram of a complex space mesh structure

件包括隔振平台、面投影紫外光机、光阑、凸透 镜、反射镜、位移台、微立体光刻成型基底、树脂 槽以及控制计算机. 其中微立体光刻成型基底与 位移台刚性连接，控制计算机可以通过控制位移 台来调整微立体光刻成型基底的位置，同时控制 计算机也可通过控制光机的光照时序进行逐层微 立体光刻制造. 该设备可打印具有良好透光性、 流动性及较高打印精度的光敏树脂耗材，可固化 成型百微米级别的特征结构尺寸，同时由于光敏 树脂具有良好的透光性，因此微立体光刻成型的 岩心模型内部结构也可被观察. UV machine Vertical stage Darkroom Optical system Resin pool Vibration isolator 图 1    微立体光刻设备 Fig.1    Micro-stereolithography system 1.2    光路系统 岩心模型具有复杂的空间微纳结构，普通面 投影立体光刻无法满足岩心模型制造所需精度要 求，因此该微立体光刻制造系统采用组合光路将 面投影光机成像面尺寸聚焦，以此提高光照精度 并获得高精度的固化成型效果. 成型件的精度主 要由 DMD 芯片的分辨率和光路的缩放倍数共同 决定，本实验采用 PRO 6500 型光学引擎，其 DMD 芯片 TI DLP6500 分辨率为 1920 × 1080，其微镜阵 列对角线为16.51 mm，即DMD 芯片尺寸为16.51 mm× 9.29 mm. 光路中，光阑通过控制光束的通过数量 进而调节光束的强弱，使投影到成型基底的紫外 光图案不受杂光的影响以提高成型质量；凸透镜 作为聚焦元件控制紫外光图案的缩放倍数以缩小 单像素尺寸；反射镜可以改变光传播的途径，使成 像平面变为水平面以便于液态树脂光固化成型. 最终，成型幅面尺寸被调整为 12.4 mm×7 mm，得到 最终成型面单像素尺寸为 6.48 μm. 1.3    固化参数 模型的成型精度与立体光刻系统中的光照强 度、曝光时间、每层成型厚度等参数密切相关. 为 提高逐层固化过程中三维结构的制造精度，需要 对这些参数进行精密调试. 其中光照强度太小或 曝光时间太短会导致固化层之间无法可靠粘结， 甚至导致光敏树脂无法完全固化而变成在树脂液 中悬浮的絮状固化物，而光照强度太大或曝光时 间太长会导致固化层厚度过大、成型精度低. 考 虑到岩心模型的特征尺寸较小，故应选用较小的 固化层厚来获得较高的打印精度. 通过如下公式 并结合固化成型效果可对光照强度、曝光时间等 参数进行调试设置. Cd = Dp ln( Emax Ec ) （1） Emax = IS t （2） I S t 其中，Dp 为光敏树脂透射深度，mm；Emax 为成型面 所接收到的能量，J；Ec 为光敏树脂临界固化所需 要光能， J；Cd 为固化深度，mm； 为光功率密度， W·mm−2 ； 为成型面积，mm2 ； 为曝光时间，s. 将光照强度、曝光时间、每层成型厚度等参数 调试至最佳后该微立体光刻设备才可制造具有较 高精度的三维岩心模型. 通过多次固化成型并测 量统计，得出单像素成型尺寸为 6.55 μm，成型尺 寸误差小于 0.15 μm，相对误差小于 2%，满足岩心 模型制造要求. 1.4    岩心模型打印原理 岩心模型的微立体光刻制造采用逐层固化的 方式进行. 首先，在计算机辅助设计软件中建立模 拟岩心三维结构模型，对模型进行层切片得到所 需的每个打印幅面图形. 其次，将切片图像导入控 制计算机中，由程序控制光机的紫外光光照时序、 投影图像以及微立体光刻成型基底的移动. 然后， 在控制程序的执行下液态微立体光刻树脂将会逐 层固化并与前一固化层相互粘结堆积，最终形成 三维岩心模型实体. 最后，将成型的三维模型用丙 酮溶液浸泡溶去表面的残留树脂，去离子水清洗、 干燥后则可得到如图 2 所示的复杂三维模型. 采 用微立体光刻制造的多孔介质岩心模型具有良好 图 2    复杂空间网状结构打印效果图 Fig.2    Print effect diagram of a complex space mesh structure · 1554 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期

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 ·