一种基于3D打印的岩石微断层相似模型的制作方法与流程

一种基于3d打印的岩石微断层相似模型的制作方法
技术领域
1.本发明属于油气藏地质力学与工程技术领域，更具体地，涉及一种基于基于3d打印的岩石微断层相似模型的制作方法。


背景技术：

2.油气藏工程中，储层岩石普遍存在断层结构，注采活动引起的地层交变应力常常会引起断层活化，进而引起油田水窜、储气库气体泄漏等事故。断层在注采交变荷载作用下的稳定性是确定油田注采压力及储气库运行压力的关键考虑因素。
3.交变荷载作用下，断层两侧岩体周期性的沿着法向或切向相对运动，断层面相互挤压和摩擦，其力学性能逐渐劣化。断层的稳定性评价必须通过实验确定断层面的力学性能随着交变荷载的演化规律。现场原位试验通常取样难、成本高、周期长，也难以进行不同方位、不同尺寸的断层面力学试验。室内模型试验成本相对较低，且能根据断层所处的实际地质环境和受力情况开展模拟，因此室内相似模拟试验是断层面力学性能研究的重要方法。
4.断层面的力学试验是破坏性试验，试件具有不可修复和不可重复性特性，且天然状态下很难找到完成相同的断层，即使在相同的场地取样，其力学参数也会相差很大，因此室内实验很难采用天然取样的方法获取试件。制作相似模型，采用相似模型实验是断层面力学性能研究成败的关键。
5.目前室内断层面模型的制作主要通过数控电火花切割的方式实现，电火花切割加工过程中会不断产生气体和金属屑末等，需要及时排除，否则会影响加工稳定性，从而使试件的精度变差。同时，电火花雕刻对断层面的起伏的刻画精细程度较低，仅适用于相对平整的断层面重建。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提出一种能够简单而精确的制作用于力学实验的岩石微断层相似模型制作方法。该方法避免了油气井现场采样时断层面碎裂产生的实验误差，以及天然微断层试样实验破损后无法进行重复性实验的问题，不同于钻取岩芯并切割加工，不会产生气体和金属屑末。层面模型和模具采用具有较高精度的3d打印机实现，确保了岩石微断层相似模型的精准，提高了微断层力学实验的精度。
7.本发明采用的技术方案是：一种基于3d打印的岩石微断层相似模型的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
8.步骤1：采用3d激光扫描技术测量两侧断层面，获取断层面几何起伏的三维点云数据，构建断层面的三维数字模型；根据相似模型的尺寸要求，构建试件模具的三维数字模型；
9.步骤2：采用3d打印技术，分别打印出断层面的实体和试件模具实体；
10.步骤3：将断层面安装在试件模具内，以模具为外模板、以断层面为内隔板，采用水
泥砂浆浇筑出岩石微断层的相似模型；
11.所述步骤1包括：
12.步骤101：清理两侧的断层面，使断层面清洁无夹杂；
13.步骤102：采用3d激光扫描仪，扫描出两侧断层面的点云数据；
14.步骤103：基于点云数据，建立两侧断层面的样条曲面并保存为stl格式的文件；
15.步骤104：分别以两侧的样条曲面为顶面和底面，建立满足厚度要求得断层面的数字模型并保存为stl格式的文件。
16.所述步骤2包括：
17.步骤201：根据断层面起伏高差确定打印精度和单层打印厚度；
18.步骤202：对所述微断层的三维数字模型和所述试件模具的三维数字模型进行z轴定位，并根据步骤201确定的层厚沿z轴分层；
19.步骤203：将包含所述微断层的三维数字模型和所述试件模具的三维数字模型的数据文件发送至3d打印机的管理程序，打印出断层面和模具的实体模型。对3d打印的断层面模型和试件模具进行后期处理；所述后期处理包括：清理所述断层面实体模型和所述试件模具的3d打印支撑剂；对所述断层面实体模型和所述试件模具进行光学固化。
20.所述步骤3包括：
21.步骤301：将3d打印出来的断层面在试件模具内定位并固定；
22.步骤302：向所述试件模具内浇入特定配合比水泥砂浆；
23.步骤303：振动、排气，密实成型并修平表面；
24.步骤304：水泥砂浆固化成型后，拆除试件模型和断层面，拼接两侧的砂浆固化体，形成所述的岩石微断层相似模型。在所述步骤304之后，对浇筑得到的岩石微断层相似模型，采用3d激光扫描技术两侧断层面起伏的点云数据，并与原断层面点云数据对比分析以确定浇筑的精度。
25.所述试件模具的内腔为立方体，所述立方体的边长为200mm
×
200mm
×
200mm。
26.所述微断层的层面的起伏度和粗糙度可以根据层面的数字模型进行缩放。
27.本发明的有益效果在于：本发明基于3d打印的岩石微断层相似模型的制作方法，通过3d激光扫描获取微断层层面的几何形态，通过三维建模和3d打印技术构建微断层和模具的实体模型，以实体层面和模具浇筑水泥砂浆获得岩石微断层相似模型。该方法避免了油气井现场采样时断层面碎裂产生的实验误差，以及天然微断层试样实验破损后无法进行重复性实验的问题，不同于钻取岩芯并切割加工，不会产生气体和金属屑末。层面模型和模具采用具有较高精度的3d打印机实现，确保了岩石微断层相似模型的精准，提高了微断层力学实验的精度。通过水泥砂浆浇筑获得岩石微断层相似模型。避免了油气井现场采样时断层面碎裂产生的实验误差，以及天然微断层试样实验破损后无法进行重复性实验的问题。
附图说明
28.图1示出了根据本发明的一个实施例的基于3d打印的岩石微断层相似模型制作方法的流程图。
29.图2示出了根据本发明的一个实施例的基于3d打印的岩石微断层相似模型制作方
法的模具的三维数字模型。
30.图3示出了根据本发明的一个实施例的基于3d打印的岩石微断层相似模型制作方法的采用三维激光扫描获取的岩石微断层面的点云数据。
31.图4示出了根据本发明的一个实施例的基于3d打印的岩石微断层相似模型制作方法的采用三维建模技术构建的断层面数字模型。
32.图5示出了根据本发明的一个实施例的基于3d打印的岩石微断层相似模型制作方法的采用3d打印机重建的岩石微断层的实体模型。
33.图6示出了根据本发明的一个实施例的基于3d打印的岩石微断层相似模型制作方法的浇筑出的岩石微断层相似模型。
具体实施方式
34.下面将结合附图和实施例更详细地描述本发明的优选实施方式。
35.根据本发明的一种基于3d打印的岩石微断层相似模型的制作方法，包括：图1示出了根据本发明的一个实施例的基于3d打印的岩石微断层相似模型制作方法的流程图。
36.步骤1：采用3d激光扫描技术测量两侧断层面，获取断层面几何起伏的三维点云数据，构建断层面的三维数字模型；根据相似模型的尺寸要求，构建试件模具的三维数字模型。所述步骤1还包括：步骤101：清理两侧的断层面，使断层面清洁无夹杂。步骤102：采用3d激光扫描仪，扫描出两侧断层面的点云数据，如图3所示。步骤103：基于点云数据，建立两侧断层面的样条曲面并保存为stl格式的文件。步骤104：分别以两侧的样条曲面为顶面和底面，建立满足厚度要求得断层面的数字模型，如图4所示，并保存为stl格式的文件。
37.具体地，采用手持式或固定式3d激光扫描仪对断层面的几何形态进行测量，形成点云数据，采用3d点云处理软件，例如3dreshaper、topodot和cloudcompare等，对断层面点云进行显示、选取及特征提取。对点云数据进行三维重建，可采用3d建模软件，例如：solidworks、catia和pro/e，建立断层面的三维数字模型及模具的三维数字模型，并将数字模型保存为3d打印通用的stl格式的文件。
38.基于3d打印的岩石微断层相似模型制作方法还包括：在所述步骤1之后，对所述断层面进行多角度测量，然后进行三维数字模型的分析、检测和校正。
39.具体地，可对断层面进行多角度测量，例如：每隔30
°
、45
°
或60
°
，获取各个角的3d点云数据，采用点云处理软件，例如3dreshaper、topodot和cloudcompare等，提取同一点处的相对高程数据，进行多角度验证并进行修复、校正和平滑处理。
40.步骤2：采用3d打印技术，分别打印出断层面的实体和试件模具实体；所述步骤2还包括：步骤201根据断层面起伏高差确定打印精度和单层打印厚度；步骤202：对所述微断层的三维数字模型和所述试件模具的三维数字模型进行z轴定位，并根据步骤201确定的层厚沿z轴分层；步骤203：将包含所述微断层的三维数字模型和所述试件模具的三维数字模型的数据文件发送至3d打印机的管理程序，打印出断层面和模具的实体模型，如图5所示。
41.具体地，根据断层面的起伏选择打印的精度，采用三维切片软件，例如：cura、makerwat、slic3r和object等，对断层面和试件模具的3d数字模型进行定位和z轴切分，切片层厚应具有一定的精度，例如：断层面起伏差的1/20、1/50和1/100。3d打印机的最小打印层厚应小于或等于切片层厚。将存储断层面和试件模具三维数字模型的stl文件发送至3d
打印机的打印管理程序进行3d打印。优选的，使用object studio软件采用高精度模式对断层和模具的数字模型进行z轴切片，切片层厚28微米。
42.试样模具内部为空腔，3d打印时需填充支撑材料，例如：水溶性材料support fullcure706；断层面实体和试样模具实体材料选用不溶于水材料，例如：high temperature rgd525tm、vero black plustm；选定好支撑材料和模型材料后，利用3d打印机将断层面三维数字模型和试件模具的三维数字模型沿z轴自下而上逐层打印，生成断层面模型和试件模具的实体。优选的，采用的3d打印方式为sla(stereo lithography appearance)，立体光固化成型法，通过分层、堆叠的方式打印，使得生成的模型更为精密。
43.基于3d打印的岩石微断层相似模型的制作方法还包括：在所述步骤2之后，对3d打印的断层面模型和试件模具进行后期处理；所述后期处理包括：清理所述断层面实体模型和所述试件模具的3d打印支撑材料；对所述断层面实体模型和所述试件模具进行光学固化。
44.具体地，对断层面实体和试件模具实体模型进行清理，采用喷水机，例如：wj01 a高压喷水机，去除实体模型上的打印材料粉末和支撑材料；对断层面实体和试件模具实体模型进行进一步的清洗，采用清洗机，例如：form wash清洗机，去除残存的打印材料粉末和支撑材料；断层面实体模型清洗时间为20分钟，试件模具清洗时间为30分钟；对断层面和模具实体进行固化，例如：选用65℃，405nm的光线照射，断层面模型固化时间为2个小时，试样模具固化时间为5个小时；后期处理还包括拆除模型支撑、沾水打磨、和物理化学抛光等。
45.步骤3：将断层面安装在试件模具内，以模具为外模板、以断层面为内隔板，采用水泥砂浆浇筑出岩石微断层的相似模型。所述步骤3还包括：步骤301：将断层面在模具内定位并固定；步骤302：向所述试件模具内浇入特定配合比水泥砂浆；步骤303：振动、排气，密实成型并修平表面；步骤304：水泥砂浆固化成型后，脱模得到所述岩石微断层相似模型，如图6所示。
46.具体地，水泥砂浆的配合比可以根据所模拟的实际岩石的力学性能配制，例如：水泥选用42.5#普通硅酸盐水泥，添加1.2％的高效减水剂，水泥砂浆配合比为水泥:砂:水＝1:0.84:0.36。将断层面在模具内定位并固定；将水泥砂浆分三次浇筑入试件模具，第一次浇筑的厚度为内腔高度的1/3，轻微振捣30次至初步密实；第二次浇筑至内腔高度的2/3高度处，振捣30次至初步密实；第三次继续倒入水泥砂浆直至水泥砂浆冲满试件模具的整个内腔。用抹刀刮除试件模具上多余的水泥砂浆。
47.将浇筑满水泥砂浆的试件模具放置在振动台振动3～5min，重复震动2～3次，排出水泥砂浆中的气泡。将排出气泡的试件模具放置36小时，待水泥终凝试件成型后，打开试件模具底部的预留孔，用气泵向预留孔注入空气，将岩石微断层相似模型从试件模具中脱出。将岩石微断层相似模型放入标准养护室，养护室保持恒温、恒湿，例如：温度为21℃、湿度大于95％，养护28天后取出，此时的岩石微断层相似模型可进行力学实验。
48.所述试件模具的内腔为立方体，所述立方体的边长为200mm
×
200mm
×
200mm。如图2所示，试件模具腔为200
×
200
×
200mm的立方体，模具底面设置有10mm的排气孔。
49.所述步骤3还包括：在所述步骤303之前重复执行所述步骤302，直到水泥砂浆充满所述试件模具。
50.在所述步骤304之后，对浇筑得到的岩石微断层相似模型，采用3d激光扫描技术两
侧断层面起伏的点云数据，并与原断层面点云数据对比分析以确定浇筑的精度。
51.具体地，对浇筑得到的岩石微断层相似模型，采用3d激光扫描仪获取断层面的几何形态数据，对比各个特征点处的相对高差数据，整个断层面上的平均相对误差小于容差限，例如：小于5％，判定重建的岩石微断层相似模型与原断层具有相同的几何特征。