Комплексное изучение горной породы – необходимый этап для эффективной разработки месторождений нефти и газа. Такие исследования позволяют улучшить технологии повышения нефтеотдачи пластов, но само извлечение образцов горной породы (керна) очень дорого обходится нефтяным компаниям. По этой причине разрабатывают технологии для создания синтетических копий керна. Точное воспроизведение его пористой внутренней структуры в реальном масштабе – крайне сложная задача, а несоответствие с оригиналом может в дальнейшем привести к неверной оценке свойств образцов породы и пласта в целом. Ученые Пермского Политеха разработали подход к реконструкции пористых сред в реальном масштабе на основе управления параметрами процесса FFF 3D-печати и использования результатов компьютерной томографии натурального керна.

Статья с результатами опубликована в журнале «Manufacturing and Materials Processing», 2024 год. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант №22-77-00078.

Каждый образец керна уникален по своим свойствам, а использовать его для тестов зачастую можно только один раз. Искусственные копии горной породы позволяют проводить тестирование различных методов увеличения нефтеотдачи в одинаковых начальных условиях. Их создание позволит сократить отбор реального керна из скважин, так как это дорогостоящая процедура. Также 3D-печать дает возможность масштабировать горную породу и проводить более сложные комплексные исследования, которые невозможны на оригинальном керне из скважины.

Однако процесс копирования на текущий момент сопровождается погрешностями и несоответствиями с оригиналом. Это зависит от точности томографов, разрешения их изображений, ошибками при создании цифровой модели и технологий 3D-печати. Одни из важнейших критериев копии – соответствие пористости и проницаемости образцов. Полное повторение этих свойств приведет к достоверным результатам лабораторных экспериментов.

В основном копии создаются так: керн сканируется с помощью рентгеновской компьютерной томографии, в специализированных программах воспроизводится его трехмерная модель, которая затем используется при 3D-печати. Сейчас для повторения внутренней структуры образцов горных пород в реальном масштабе рассматривают разные аддитивные технологии, но до сих пор применение ни одной из них не позволило повторить пористость и проницаемость с необходимой точностью.

– Чтобы доказать возможность достоверного воспроизведения внутренней структуры горной породы, мы провели ряд исследований, в ходе которых осуществлялась 3D-печать по технологии FFF на основе результатов компьютерной томографии керна песчаника. Способ заключается в создании изделия слой за слоем посредством сварки валиков термопластичного материала, которые выдавливаются через горячее сопло экструдера. Таким методом мы изготовили более 40 образцов из пластика, постепенно улучшая стратегию печати и исследуя влияние различных технологических параметров на пористость и проницаемость образцов, что в итоге позволило добиться желаемого результата, – объясняет научный сотрудник лаборатории методов создания и проектирования систем «материал-технология-конструкция», кандидат технических наук ПНИПУ Александр Осколков.

В процессе важно было не допустить паразитного уменьшения или расширения порового пространства образцов, закупорки пор, низкой прочности соединения между слоями. Управление параметрами печати помогает избежать этих нежелательных эффектов, влиять на пористость и проницаемость образцов.

– Понимание природы зависимости свойств керна от параметров печати дает возможность гибкого управления внутренней структурой синтетических образцов и способствует достижению желаемых показателей при реконструкции горных пород с использованием 3D-технологий. В результате нашего исследования мы изготовили два образца, свойства которых максимально близки к показателям исходного керна с пористостью 14% и проницаемостью 271 миллидарси. Измерение полученных копий показало, что пористость образцов составила 13,5 и 12,8%, а проницаемость – 442 и 337 миллидарси, – поделился доцент кафедры геологии нефти и газа, кандидат технических наук ПНИПУ Александр Кочнев.

Ученые ПНИПУ доказали, что управление параметрами 3D-печати позволяет создавать структуры с различными параметрами пористости и проницаемости, что дает возможность с необходимой точностью воспроизводить керн песчаника в натуральную величину. Политехники планируют использовать результаты исследования для реконструкции структуры и других типов горных пород (известняка, глины, сланца и других), а также создания копий на основе натуральных материалов.