CN105928836A - 基于3d打印及spt技术的岩层液体扩散系数测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于3D打印及SPT技术的岩层液体扩散系数测量方法及装置，该测量方法首先利用3D打印机制备基于天然裂隙结构的透明单裂隙实物模型，再将模型切片；然后滴纳米荧光粒子的溶液到切片上；发射激光让荧光粒子发光；采集荧光粒子不同时刻的运动灰度图像；利用高精度紧致算法进行离散求解粒子的运动位移；进一步根据SPT公式进行曲线拟合得到岩层的扩散系数。本发明能够满足复杂结构岩体的制备，精确获取荧光粒子位移量，分辨率高，因此能进一步减小探测岩层扩散系数的误差。

Description

基于3D打印及SPT技术的岩层液体扩散系数测量方法及装置

技术领域

本发明涉及岩层扩散系数测量领域，更具体地，涉及一种基于3D打印及SPT技术的岩层液体扩散系数测量方法及装置。

背景技术

岩体的天然裂隙结构与渗流行为异常复杂，岩体裂隙渗流机制与定量描述一直是岩土、矿业、地质、石油及天然气工程高度关注的难点问题。3D打印技术已经广泛应用于多个领域，SPT技术(单粒子追踪法)可通过对粒子布朗运动的观测确定物理参量或揭示界面现象，也是流动研究最有效的实验手段。3D打印技术及SPT技术的应用可制备基于真实结构的单裂隙物理模型及观测粒子运动过程。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，首先提供一种基于3D打印及SPT技术的岩层液体扩散系数测量方法，该方法能够减小探测岩层扩散系数的误差。

本发明还提出一种基于3D打印及SPT技术的岩层液体扩散系数测量装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于3D打印及SPT技术的岩层液体扩散系数测量方法，所述方法包括以下步骤：

S1：制备基于天然裂隙结构的透明单裂隙实物切片模型；

S2：将纳米荧光粒子的溶液滴到切片上；

S3：发射激光让荧光粒子发光；

S4：采集荧光粒子不同时刻的灰度图像；

S5：利用高精度紧致算法进行离散求解粒子的运动位移；

S6：重复多组实验；

S7：利用SPT公式进行曲线拟合得到扩散系数，SPT公式为：

$\stackrel{\‾}{x^2}=2D\mathrm{\Δ}t$

其中，D为粒子扩散系数，Δt为观测时间间隔，为粒子在Δt时间内的位移量。

在一种优选的方案中，步骤S1中，制备透明单裂隙实物模型的方法为：对选取的裂隙岩石试样进行X射线断层扫描(CT)，构建单裂隙数字模型，采用3D打印机制备透明的单裂隙实物模型，然后将模型切片。

步骤S4中，采集荧光粒子运动灰度图像的方法即单粒子追踪法(SPT)为：水泵驱动含荧光粒子进行流动，激光装置发射光激发粒子发光，利用显微成像装置观察不同时刻的粒子位置，根据粒子运动速度选择不同的曝光时间，拍照采集荧光粒子的灰度图像，得到不同时刻的灰度图像即为运动灰度图像。

步骤S5中，利用高精度紧致算法进行离散求解粒子的运动位移的方法为：根据荧光粒子的运动灰度图像构造荧光粒子运动界面的Level-Set方程，对Level-Set方程重新初始化后利用紧致差分方法进行离散求解，得到荧光粒子的位置，利用荧光粒子的位置计算在曝光时间内荧光粒子的运动位移。

Level-Set方法是把随时间运动的物质界面看作某个函数φ(x,t)的零等值面，即构造函数φ(x,t)，使得在任意时刻，运动界面Γ(t)恰是φ(x,t)的零等值面。由于在任意时刻t，φ(x,t)的零等值面就是活动界面，所以函数φ(x,t)满足此式即为Level Set方程。

对Level Set方程在时间方向采用Runge-Kutta方法离散，在空间采用紧致差分离散。五阶精度的紧致差分格式为其中

$\frac{3}{5}{F}_i^{+}+\frac{2}{5}{F}_{i-1}^{+}=\frac{1}{60}{\mathrm{\δ}}_x^{-}(-{\mathrm{\φ}}_{i+2}+11{\mathrm{\φ}}_{i+1}+47{\mathrm{\φ}}_i+3{\mathrm{\φ}}_{i-1})$

$\frac{3}{5}{F}_i^{-}+\frac{2}{5}{F}_{i+1}^{-}=\frac{1}{60}{\mathrm{\δ}}_x^{+}(-{\mathrm{\φ}}_{i-2}+11{\mathrm{\φ}}_{i-1}+47{\mathrm{\φ}}_i+3{\mathrm{\φ}}_{i+1})$

其中，和分别为一阶导数的向前、向后差分算子，

一种实现上述基于3D打印及SPT技术的岩层液体扩散系数测量方法的装置，所述装置包括：

水泵驱动装置：用于驱动含荧光粒子的流体进行运动；

激光装置：使用一定波长的入射光激发荧光粒子发光；

显微成像装置：CCD景深相机采集记录不同时刻的荧光粒子运动轨迹的灰度图像；

计算机：根据不同时刻的荧光粒子运动轨迹的灰度图像计算得到岩层的扩散系数。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明基于3D打印技术可制备基于天然裂隙结构的透明单裂隙实物切片模型；利用单粒子追踪法(SPT)，根据荧光粒子的流动采集运动灰度图像，进而构造荧光粒子运动界面的Level-Set方程；利用高精度紧致算法进行离散求解Level-Set方程得到粒子的运动位移；最后利用SPT公式进行曲线拟合得到扩散系数。本发明能够满足复杂结构岩体的制备，精确获取荧光粒子位移量，分辨率高，因此能进一步减小探测岩层扩散系数的误差。

本发明基于3D打印及SPT技术的岩层液体扩散系数测量装置包括水泵驱动装置、激光装置、显微成像装置和计算机，操作简单、成本低廉，本装置是上述方法实现的基础，所述方法和***结合完成了能够获取荧光粒子精确位置、分辨率高且测得的扩散系数误差小的测量。

附图说明

图1为本发明岩层扩散系数方法的流程图。

图2为本发明岩层扩散系数装置的示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1，一种基于3D打印及SPT技术的岩层液体扩散系数测量方法，所述方法包括以下步骤：

S1：制备基于天然裂隙结构的透明单裂隙实物切片模型；

S2：将纳米荧光粒子的溶液滴到切片上；

S3：发射激光让荧光粒子发光；

S4：采集荧光粒子不同时刻的灰度图像；

S5：利用高精度紧致算法进行离散求解粒子的运动位移；

S6：重复多组实验；

S7：利用SPT公式进行曲线拟合得到扩散系数，SPT公式为：

$\stackrel{\‾}{x^2}=2D\mathrm{\Δ}t$

其中，D为粒子扩散系数，Δt为观测时间间隔，为粒子在Δt时间内的位移量。

在具体实施过程中，步骤S1中，制备透明单裂隙实物模型的方法为：对选取的裂隙岩石试样进行X射线断层扫描(CT)，构建单裂隙数字模型，采用3D打印机制备透明的单裂隙实物模型，然后将模型切片。

步骤S4中，采集荧光粒子运动灰度图像的方法即单粒子追踪法(SPT)为：水泵驱动含荧光粒子进行流动，激光装置发射光激发粒子发光，利用显微成像装置观察不同时刻的粒子位置，根据粒子运动速度选择不同的曝光时间，拍照采集荧光粒子的灰度图像，得到不同时刻的灰度图像即为运动灰度图像。

步骤S5中，利用高精度紧致算法进行离散求解粒子的运动位移的方法为：根据荧光粒子的运动灰度图像构造荧光粒子运动界面的Level-Set方程，对Level-Set方程重新初始化后利用紧致差分方法进行离散求解，得到荧光粒子的位置，利用荧光粒子的位置计算在曝光时间内荧光粒子的运动位移。

Level-Set方法是把随时间运动的物质界面看作某个函数φ(x,t)的零等值面，即构造函数φ(x,t)，使得在任意时刻，运动界面Γ(t)恰是φ(x,t)的零等值面。由于在任意时刻t，φ(x,t)的零等值面就是活动界面，所以函数φ(x,t)满足此式即为Level Set方程。

对Level Set方程在时间方向采用Runge-Kutta方法离散，在空间采用紧致差分离散。五阶精度的紧致差分格式为其中

$\frac{3}{5}{F}_i^{+}+\frac{2}{5}{F}_{i-1}^{+}=\frac{1}{60}{\mathrm{\δ}}_x^{-}(-{\mathrm{\φ}}_{i+2}+11{\mathrm{\φ}}_{i+1}+47{\mathrm{\φ}}_i+3{\mathrm{\φ}}_{i-1})$

$\frac{3}{5}{F}_i^{-}+\frac{2}{5}{F}_{i+1}^{-}=\frac{1}{60}{\mathrm{\δ}}_x^{+}(-{\mathrm{\φ}}_{i-2}+11{\mathrm{\φ}}_{i-1}+47{\mathrm{\φ}}_i+3{\mathrm{\φ}}_{i+1})$

其中，和分别为一阶导数的向前、向后差分算子，

如图2，其中，1、荧光粒子；2、水泵驱动装置；3、激光装置；4、显微成像装置；5、计算机。

一种实现上述基于3D打印及SPT技术的岩层液体扩散系数测量方法的装置，所述装置包括：

水泵驱动装置：用于驱动含荧光粒子的流体进行运动；

激光装置：使用一定波长的入射光激发荧光粒子发光；

显微成像装置：CCD景深相机采集记录不同时刻的荧光粒子运动轨迹的灰度图像；

计算机：根据不同时刻的荧光粒子运动轨迹的灰度图像计算得到岩层的扩散系数。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于3D打印及SPT技术的岩层液体扩散系数测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：制备基于天然裂隙结构的透明单裂隙实物切片模型；

S2：将纳米荧光粒子的溶液滴到切片上；

S3：发射激光让荧光粒子发光；

S4：采集荧光粒子不同时刻的运动灰度图像；

S5：利用高精度紧致算法进行离散求解粒子的运动位移；

S6：重复多组实验；

S7：利用SPT公式进行曲线拟合得到扩散系数，SPT公式为：

$\stackrel{\‾}{x^2}=2D\mathrm{\Δ}t$

其中，D为粒子扩散系数，Δt为观测时间间隔，为粒子在Δt时间内的位移量。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印及SPT技术的岩层液体扩散系数测量方法，其特征在于，步骤S1中，制备透明单裂隙实物模型的方法为：对选取的天然裂隙岩石试样进行X射线断层扫描(CT)，构建单裂隙数字模型，采用3D打印机制备透明的单裂隙实物模型，然后将模型切片。

3.根据权利要求1所述的基于3D打印及SPT技术的岩层液体扩散系数测量方法，其特征在于，步骤S4中，采集荧光粒子不同时刻的运动灰度图像的实现方法是单粒子追踪法(SPT)，具体为：水泵驱动含荧光粒子进行流动，激光装置发射光激发粒子发光，利用显微成像装置观察不同时刻的粒子位置，根据粒子运动速度选择不同的曝光时间，拍照采集荧光粒子的灰度图像，得到不同时刻的灰度图像即为运动灰度图像。

4.根据权利要求1所述的基于3D打印及SPT技术的岩层液体扩散系数测量方法，其特征在于，步骤S5中，利用高精度紧致算法进行离散求解粒子的运动位移的方法为：根据荧光粒子的运动灰度图像构造荧光粒子运动界面的Level-Set方程，对Level-Set方程重新初始化后利用紧致差分方法进行离散求解，得到荧光粒子的位置，利用荧光粒子的位置计算在曝光时间内荧光粒子的运动位移。

5.一种实现上述权利要求1至4任一项所述基于3D打印及SPT技术的岩层液体扩散系数测量方法的装置，其特征在于，所述装置包括：

水泵驱动装置：用于驱动含荧光粒子的流体进行运动；

激光装置：使用一定波长的入射光激发荧光粒子发光；

显微成像装置：CCD景深相机采集记录不同时刻的荧光粒子运动轨迹的灰度图像；

计算机：根据不同时刻的荧光粒子运动轨迹的灰度图像计算得到岩层的扩散系数。