基于3d打印及spt技術(shù)的巖層液體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于3D打印及SPT技術(shù)的巖層液體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法及裝置，該測(cè)量方法首先利用3D打印機(jī)制備基于天然裂隙結(jié)構(gòu)的透明單裂隙實(shí)物模型，再將模型切片；然后滴納米熒光粒子的溶液到切片上；發(fā)射激光讓熒光粒子發(fā)光；采集熒光粒子不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)灰度圖像；利用高精度緊致算法進(jìn)行離散求解粒子的運(yùn)動(dòng)位移；進(jìn)一步根據(jù)SPT公式進(jìn)行曲線擬合得到巖層的擴(kuò)散系數(shù)。本發(fā)明能夠滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)巖體的制備，精確獲取熒光粒子位移量，分辨率高，因此能進(jìn)一步減小探測(cè)巖層擴(kuò)散系數(shù)的誤差。
【專利說(shuō)明】
基于3D打印及SPT技術(shù)的巖層液體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及巖層擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于3D打印及SPT技術(shù)的 巖層液體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 巖體的天然裂隙結(jié)構(gòu)與滲流行為異常復(fù)雜，巖體裂隙滲流機(jī)制與定量描述一直是 巖土、礦業(yè)、地質(zhì)、石油及天然氣工程高度關(guān)注的難點(diǎn)問(wèn)題。3D打印技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多 個(gè)領(lǐng)域，SPT技術(shù)(單粒子追蹤法)可通過(guò)對(duì)粒子布朗運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)確定物理參量或揭示界面 現(xiàn)象，也是流動(dòng)研究最有效的實(shí)驗(yàn)手段。3D打印技術(shù)及SPT技術(shù)的應(yīng)用可制備基于真實(shí)結(jié)構(gòu) 的單裂隙物理模型及觀測(cè)粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的至少一種缺陷（不足），首先提供一種基于3D打 印及SPT技術(shù)的巖層液體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法，該方法能夠減小探測(cè)巖層擴(kuò)散系數(shù)的誤差。
[0004] 本發(fā)明還提出一種基于3D打印及SPT技術(shù)的巖層液體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量裝置。
[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] 一種基于3D打印及SPT技術(shù)的巖層液體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法，所述方法包括以下步 驟：
[0007] S1:制備基于天然裂隙結(jié)構(gòu)的透明單裂隙實(shí)物切片模型；
[0008] S2:將納米熒光粒子的溶液滴到切片上；
[0009] S3:發(fā)射激光讓熒光粒子發(fā)光；
[0010] S4:采集熒光粒子不同時(shí)刻的灰度圖像；
[0011] S5:利用高精度緊致算法進(jìn)行離散求解粒子的運(yùn)動(dòng)位移；
[0012] S6:重復(fù)多組實(shí)驗(yàn)；
[0013] S7:利用SPT公式進(jìn)行曲線擬合得到擴(kuò)散系數(shù)，SPT公式為：
[0014] .Y- ^ 2DM
[0015] 其中，D為粒子擴(kuò)散;系數(shù)，A t為觀測(cè)時(shí)間間隔，;c2為粒子在A t時(shí)間內(nèi)的位移量。
[0016] 在一種優(yōu)選的方案中，步驟S1中，制備透明單裂隙實(shí)物模型的方法為:對(duì)選取的裂 隙巖石試樣進(jìn)行X射線斷層掃描(CT)，構(gòu)建單裂隙數(shù)字模型，采用3D打印機(jī)制備透明的單裂 隙實(shí)物模型，然后將模型切片。
[0017]步驟S4中，采集熒光粒子運(yùn)動(dòng)灰度圖像的方法即單粒子追蹤法(SPT)為冰栗驅(qū)動(dòng) 含熒光粒子進(jìn)行流動(dòng)，激光裝置發(fā)射光激發(fā)粒子發(fā)光，利用顯微成像裝置觀察不同時(shí)刻的 粒子位置，根據(jù)粒子運(yùn)動(dòng)速度選擇不同的曝光時(shí)間，拍照采集熒光粒子的灰度圖像，得到不 同時(shí)刻的灰度圖像即為運(yùn)動(dòng)灰度圖像。
[0018]步驟S5中，利用高精度緊致算法進(jìn)行離散求解粒子的運(yùn)動(dòng)位移的方法為:根據(jù)熒 光粒子的運(yùn)動(dòng)灰度圖像構(gòu)造熒光粒子運(yùn)動(dòng)界面的Level-Set方程，對(duì)Level-Set方程重新初 始化后利用緊致差分方法進(jìn)行離散求解，得到熒光粒子的位置，利用熒光粒子的位置計(jì)算 在曝光時(shí)間內(nèi)熒光粒子的運(yùn)動(dòng)位移。
[0019] Level-Set方法是把隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)界面看作某個(gè)函數(shù)(i>(X，t)的零等值面，即 構(gòu)造函數(shù)0( x，t)，使得在任意時(shí)刻，運(yùn)動(dòng)界面r(t)恰是ci>(x，t)的零等值面。由于在任意 時(shí)刻1巾（1，〇的零等值面就是活動(dòng)界面，所以函數(shù)巾（1，〇滿足
），此式即為 Level Set方程。
[0020] 對(duì)Level Set方程在時(shí)間方向采用Runge-Kutta方法離散，在空間采用緊致差分離 散（
：五階精度的緊致差分格式爻

[0023]其中，<和6分別為一階導(dǎo)數(shù)的向前、向后差分算子，么>,於二。 [0024] 一種實(shí)現(xiàn)上述基于3D打印及SPT技術(shù)的巖層液體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法的裝置，所述 裝置包括：
[0025]水栗驅(qū)動(dòng)裝置:用于驅(qū)動(dòng)含熒光粒子的流體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；
[0026]激光裝置:使用一定波長(zhǎng)的入射光激發(fā)熒光粒子發(fā)光；
[0027]顯微成像裝置:CCD景深相機(jī)采集記錄不同時(shí)刻的熒光粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的灰度圖像；
[0028] 計(jì)算機(jī):根據(jù)不同時(shí)刻的熒光粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的灰度圖像計(jì)算得到巖層的擴(kuò)散系 數(shù)。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是:本發(fā)明基于3D打印技術(shù)可制備 基于天然裂隙結(jié)構(gòu)的透明單裂隙實(shí)物切片模型;利用單粒子追蹤法(SPT)，根據(jù)熒光粒子的 流動(dòng)采集運(yùn)動(dòng)灰度圖像，進(jìn)而構(gòu)造熒光粒子運(yùn)動(dòng)界面的Level-Set方程;利用高精度緊致算 法進(jìn)行離散求解Level-Set方程得到粒子的運(yùn)動(dòng)位移;最后利用SPT公式進(jìn)行曲線擬合得到 擴(kuò)散系數(shù)。本發(fā)明能夠滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)巖體的制備，精確獲取熒光粒子位移量，分辨率高，因 此能進(jìn)一步減小探測(cè)巖層擴(kuò)散系數(shù)的誤差。
[0030] 本發(fā)明基于3D打印及SPT技術(shù)的巖層液體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量裝置包括水栗驅(qū)動(dòng)裝置、 激光裝置、顯微成像裝置和計(jì)算機(jī)，操作簡(jiǎn)單、成本低廉，本裝置是上述方法實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，所 述方法和系統(tǒng)結(jié)合完成了能夠獲取熒光粒子精確位置、分辨率高且測(cè)得的擴(kuò)散系數(shù)誤差小 的測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0031 ]圖1為本發(fā)明巖層擴(kuò)散系數(shù)方法的流程圖。
[0032] 圖2為本發(fā)明巖層擴(kuò)散系數(shù)裝置的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 附圖僅用于示例性說(shuō)明，不能理解為對(duì)本專利的限制;為了更好說(shuō)明本實(shí)施例，附 圖某些部件會(huì)有省略、放大或縮小，并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺寸；
[0034]對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說(shuō)明可能省略是可以理解 的。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0035]如圖1，一種基于3D打印及SPT技術(shù)的巖層液體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法，所述方法包括 以下步驟：
[0036] S1:制備基于天然裂隙結(jié)構(gòu)的透明單裂隙實(shí)物切片模型；
[0037] S2:將納米熒光粒子的溶液滴到切片上；
[0038] S3:發(fā)射激光讓熒光粒子發(fā)光；
[0039] S4:采集熒光粒子不同時(shí)刻的灰度圖像；
[0040] S5:利用高精度緊致算法進(jìn)行離散求解粒子的運(yùn)動(dòng)位移；
[0041 ] S6:重復(fù)多組實(shí)驗(yàn)；
[0042] S7:利用SPT公式進(jìn)行曲線擬合得到擴(kuò)散系數(shù)，SPT公式為：
[0043] v- ^ 2DAt
[0044] 其中，D為粒子擴(kuò)散系數(shù)，A t為觀測(cè)時(shí)間間隔，.x_2為粒子在A t時(shí)間內(nèi)的位移量。
[0045] 在具體實(shí)施過(guò)程中，步驟S1中，制備透明單裂隙實(shí)物模型的方法為:對(duì)選取的裂隙 巖石試樣進(jìn)行X射線斷層掃描(CT)，構(gòu)建單裂隙數(shù)字模型，采用3D打印機(jī)制備透明的單裂隙 實(shí)物模型，然后將模型切片。
[0046]步驟S4中，采集熒光粒子運(yùn)動(dòng)灰度圖像的方法即單粒子追蹤法(SPT)為:水栗驅(qū)動(dòng) 含熒光粒子進(jìn)行流動(dòng)，激光裝置發(fā)射光激發(fā)粒子發(fā)光，利用顯微成像裝置觀察不同時(shí)刻的 粒子位置，根據(jù)粒子運(yùn)動(dòng)速度選擇不同的曝光時(shí)間，拍照采集熒光粒子的灰度圖像，得到不 同時(shí)刻的灰度圖像即為運(yùn)動(dòng)灰度圖像。
[0047]步驟S5中，利用高精度緊致算法進(jìn)行離散求解粒子的運(yùn)動(dòng)位移的方法為:根據(jù)熒 光粒子的運(yùn)動(dòng)灰度圖像構(gòu)造熒光粒子運(yùn)動(dòng)界面的Level-Set方程，對(duì)Level-Set方程重新初 始化后利用緊致差分方法進(jìn)行離散求解，得到熒光粒子的位置，利用熒光粒子的位置計(jì)算 在曝光時(shí)間內(nèi)熒光粒子的運(yùn)動(dòng)位移。
[0048] Level-Set方法是把隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)界面看作某個(gè)函數(shù)(i>(x，t)的零等值面，即 構(gòu)造函數(shù)0(x，t)，使得在任意時(shí)刻，運(yùn)動(dòng)界面r(t)恰是ci>(x，t)的零等值面。由于在任意 時(shí)刻1巾（1，〇的零等值面就是活動(dòng)界面，所以函數(shù)巾（1，〇滿足
，此式即為 Level Set方程。
[0049] 對(duì)Level Set方程在時(shí)間方向采用Runge-Kutta方法離散，在空間采用緊致差分離 散
五階精度的緊致差分格式為

[0052] 其中，<和^;分別為一階導(dǎo)數(shù)的向前、向后差分算子，=淡+1 -K說(shuō).=先_L。
[0053] 如圖2,其中，1、熒光粒子;2、水栗驅(qū)動(dòng)裝置;3、激光裝置;4、顯微成像裝置;5、計(jì)算 機(jī)。
[0054] 一種實(shí)現(xiàn)上述基于3D打印及SPT技術(shù)的巖層液體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法的裝置，所述 裝置包括：
[0055] 水栗驅(qū)動(dòng)裝置:用于驅(qū)動(dòng)含熒光粒子的流體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；
[0056]激光裝置:使用一定波長(zhǎng)的入射光激發(fā)熒光粒子發(fā)光；
[0057]顯微成像裝置:CCD景深相機(jī)采集記錄不同時(shí)刻的熒光粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的灰度圖像；
[0058]計(jì)算機(jī):根據(jù)不同時(shí)刻的熒光粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的灰度圖像計(jì)算得到巖層的擴(kuò)散系 數(shù)。
[0059]顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì) 本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可 以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本 發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于3D打印及SPT技術(shù)的巖層液體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法，其特征在于，所述方法包 括以下步驟： S1:制備基于天然裂隙結(jié)構(gòu)的透明單裂隙實(shí)物切片模型； S2:將納米熒光粒子的溶液滴到切片上； S3:發(fā)射激光讓熒光粒子發(fā)光； S4:采集熒光粒子不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)灰度圖像； S5:利用高精度緊致算法進(jìn)行離散求解粒子的運(yùn)動(dòng)位移； S6:重復(fù)多組實(shí)驗(yàn)； S7:利用SPT公式進(jìn)行曲線擬合得到擴(kuò)散系數(shù)，SPT公式為：其中，D為粒子擴(kuò)散系數(shù)，△ t為觀測(cè)時(shí)間間隔，j2_為粒子在△ t時(shí)間內(nèi)的位移量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印及SPT技術(shù)的巖層液體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法，其特征 在于，步驟S1中，制備透明單裂隙實(shí)物模型的方法為:對(duì)選取的天然裂隙巖石試樣進(jìn)行X射 線斷層掃描(CT)，構(gòu)建單裂隙數(shù)字模型，采用3D打印機(jī)制備透明的單裂隙實(shí)物模型，然后將 模型切片。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印及SPT技術(shù)的巖層液體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法，其特征 在于，步驟S4中，采集熒光粒子不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)灰度圖像的實(shí)現(xiàn)方法是單粒子追蹤法 (SPT)，具體為:水栗驅(qū)動(dòng)含熒光粒子進(jìn)行流動(dòng)，激光裝置發(fā)射光激發(fā)粒子發(fā)光，利用顯微成 像裝置觀察不同時(shí)刻的粒子位置，根據(jù)粒子運(yùn)動(dòng)速度選擇不同的曝光時(shí)間，拍照采集熒光 粒子的灰度圖像，得到不同時(shí)刻的灰度圖像即為運(yùn)動(dòng)灰度圖像。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印及SPT技術(shù)的巖層液體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法，其特征 在于，步驟S5中，利用高精度緊致算法進(jìn)行離散求解粒子的運(yùn)動(dòng)位移的方法為:根據(jù)熒光粒 子的運(yùn)動(dòng)灰度圖像構(gòu)造熒光粒子運(yùn)動(dòng)界面的Level-Set方程，對(duì)Level-Set方程重新初始化 后利用緊致差分方法進(jìn)行離散求解，得到熒光粒子的位置，利用熒光粒子的位置計(jì)算在曝 光時(shí)間內(nèi)熒光粒子的運(yùn)動(dòng)位移。5. -種實(shí)現(xiàn)上述權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述基于3D打印及SPT技術(shù)的巖層液體擴(kuò)散系數(shù) 測(cè)量方法的裝置，其特征在于，所述裝置包括： 水栗驅(qū)動(dòng)裝置:用于驅(qū)動(dòng)含熒光粒子的流體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)； 激光裝置:使用一定波長(zhǎng)的入射光激發(fā)熒光粒子發(fā)光； 顯微成像裝置:CCD景深相機(jī)采集記錄不同時(shí)刻的熒光粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的灰度圖像； 計(jì)算機(jī):根據(jù)不同時(shí)刻的熒光粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的灰度圖像計(jì)算得到巖層的擴(kuò)散系數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01N13/00GK105928836SQ201610268573
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月26日
【發(fā)明人】朱慶勇, 莊依杰
【申請(qǐng)人】中山大學(xué)