[发明专利]基于3D打印技术的岩溶裂隙模型的制作方法及模型

说明书

本发明提供一种基于3D打印技术的岩溶裂隙模型的制作方法及模型，包括：构建岩溶裂隙模型，其包括裂隙下盘以及与其形成裂隙的裂隙上盘；在数据处理系统中生成两个粗糙度相同、开度场不同的裂隙面；将生成的两个裂隙面叠加为裂隙开度场分布；以裂隙下盘上的裂隙面的底面为参考平面，其中心点为参考原点，提取开度场的各点坐标，在数据处理系统中建立步骤S1中的裂隙下盘模型，并将生成的裂隙下盘模型进行3D打印成型；取裂隙上盘，将裂隙上盘固定在所述凹槽中从而使得裂隙上盘与裂隙下盘之间形成裂隙，并在裂隙上盘与凹槽内壁之间填满止水胶条。本发明能对岩石裂隙粗糙度进行精确控制，从而使每次试验裂隙开度场一致，提供了可靠的实验模型。

技术领域

本发明属于岩石裂隙流体实验的技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术的岩溶裂隙模型的制作方法及模型。

背景技术

地球深部多孔裂隙岩体和地表岩土孔隙中存在着多组分、多相流体，这些流体与蕴含其的岩体裂隙之间存在着复杂的相互作用，其中就包括多相渗流和地质化学溶蚀，岩体裂隙内的水-岩相互作用会导致裂隙表面的溶解和裂隙开度场的局部改变，随着时间的推移有可能改变裂隙的物质运移性质，进而反过来改变流体的流动模式。由于岩石裂隙常为地下流动和运移提供主要路径，因此开发开度、粗糙度可控的实验模型，有效地量化溶解作用对不同尺度下运移特性变化的影响，对于研究喀斯特地貌的形成机理、页岩油(气)开采、CO₂的地质封存以及地下水污染物的运移等自然和人为过程的潜在影响至关重要。尽管目前有一些手段，诸如CT(数字成像技术)、MRI(核磁共振技术)、微流控芯片技术等正投入使用，但由于CT高昂的设备价格，MRI对人体可能造成损伤以及微流控芯片尺度过小，只适用于二维溶蚀问题，无法研究三维溶解-渗流模式等局限性，开发新的技术手段来研究岩石裂隙地质化学溶蚀过程的需求迫在眉睫

由粗糙度、相关长度等因素表征的裂隙面形貌是控制裂隙内流体流动的关键因素。目前广泛应用于岩石裂隙中多组分、多相流动研究的模型大多是由天然岩石劈裂后由硅胶翻模、环氧树脂复制而成，少数采用粗糙玻璃代替裂隙面。这些模型共同的缺陷在于，无法精确控制裂隙开度和粗糙度。尽管之前有诸如专利“用于可视化实验的变开度粗糙裂隙及其制作方法”(申请号201910238486.5)公布的变开度三维裂隙，但由于其仅仅采用垫高的手段调节开度，其对裂隙具体开度场的控制不尽完善，且无法解决每次试验后替换盐晶导致的裂隙开度不同、盐晶平板与粗糙裂隙面不吻合所引起的开度过大和难以止水等问题；又如专利“用于地质过程化学溶蚀研究的微流控芯片”(申请号201910238487.X)，虽然可以通过刻蚀等方法严格控制裂隙开度和粗糙度，但因其尺度过小，无法表征岩石裂隙中的三维流动和溶解模式，故仅适用于二维地质化学过程的研究。因此，如何开发出一种能够精确控制裂隙的开度场且其尺寸能够满足研究的需要是目前该领域急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种基于3D打印技术的岩溶裂隙模型的制作方法，该方法得到的模型能够控制每次实验的裂隙开度和粗糙度相等，从而在相同的裂隙环境下，更好地研究相关变量对流动和溶解模式的影响。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于3D打印技术的岩溶裂隙模型的制作方法，包括如下步骤：

S1，构建岩溶裂隙模型，所述岩溶裂隙模型包括裂隙下盘以及放置在所述裂隙下盘中且与所述裂隙下盘之间形成裂隙的裂隙上盘，在所述裂隙下盘上设置有用于放置所述裂隙上盘的凹槽，所述裂隙面设置在所述凹槽的底面上；

S2，在数据处理系统中生成两个粗糙度相同、开度场不同的裂隙面；

S3，将步骤S2中生成的两个裂隙面叠加为裂隙开度场分布以模拟真实的开度场的分布；

S4，以裂隙下盘上的裂隙面的底面为参考平面，裂隙面底面中心点为参考原点，提取步骤S3中生成开度场的各点坐标，在数据处理系统中建立步骤S1中的裂隙下盘模型，并将生成的裂隙下盘模型进行3D打印成型；