В России создана технология печати 3D моделей керна с высокой точностью
Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали и запатентовали технологию получения 3D-печатных копий нефтяного керна с точностью совпадения с оригиналом не менее 95%.
Настоящий керн – уникальный и дорогой образец породы, извлекаемый из скважины. Он помогает сделать выводы о нефтеносности пласта и подобрать оптимальный выбор режима добычи, тестирования закачки воды, газа, кислот, полимеров и других реагентов. При этом каждый серьезный эксперимент, проводимый с физическим объектом, необратимо меняет или разрушает образец, а идентичных кернов в природе нет.
По итогам исследования 250 копий
Модель пермских ученых полностью воспроизводит фильтрационно-емкостные свойства породы. Погрешность по пористости составляет менее 5%, по проницаемости – менее 10%. Эти данные получены по итогам работы с 250 копиями образцов керна.
Технологическая новизна состоит именно в том, что ученые используют цифровую 3D-модель керна на основе компьютерной томографии, адаптируют ее под печать, в том числе удаляя изолированные поры. Образец печатается методом послойного наплавления нитей. Важная часть разработки – не только сама печать, но и настройка траекторий, объемного расхода материала и перекрытия между укладываемыми нитями расплава.
Количество экспериментов не ограничено
Теперь вместо нескольких десятков метров керна в распоряжении ученых – огромное количество тестового материала. Его можно погружать в агрессивную среду, подвергать высокому давлению, например, подбирая верное направление обработки раствором для «выдавливания» нефти, повышая температуру для оценки оптимального градуса работы. А самое главное – условия эксперимента теперь можно корректировать бесконечное множество раз.
Компьютерное моделирование образцов керна не дает нужной точности. В частности, расчёт движения жидкости через объект целиком ИИ-модель проводит лишь приблизительно, оставляя без внимания множество аспектов. При таком моделировании впоследствии прогнозы ИИ приходилось уточнять на настоящем керне.
Создание реплик с помощью 3D-печатии и ранее привлекало внимание специалистов. Но у этого способа был ряд ограничений. Воспроизвести достоверно очень маленькие диаметры до сих пор не представлялось возможным. Сами свойства и качества печатного материала зачастую исключали соответствие горным породам. Так что на выходе получаемый материал мог не иметь ничего общего с оригиналом.
Версия, разработанная ученым ПНИПУ, практически полностью повторяет фильтрационно-емкостные свойства керна. Достичь такого соответствия удалось благодаря технологии FDM/FFF. Основой этого метода 3D-печати является экструзия термопластичного материала и формирование изделия слой за слоем по заданной траектории.
На пути к эталону
В России уже развиваются проекты цифрового керна: например, НГУ ведет работы по методикам цифрового керна с использованием синхротронного излучения СКИФ, а основой таких моделей являются данные рентгеновской томографии реальных образцов. «Роснефть» и «Иннопрактика» представили комплекс «РН-Цифровой керн», который строит цифровой двойник керна по трехмерным снимкам высокого разрешения и позволяет анализировать физические, механические и фильтрационные характеристики пород.
Первые успехи ПНИПУ в этом направлении датированы 2022 годом – тогда Российский научный фонд поддержал проект вуза, посвященный созданию высокоточных синтетических моделей образцов горных пород с воспроизведением коллекторских свойств. Через два года университет сообщил, что управление параметрами 3D-печати позволяет создавать структуры с разной пористостью и проницаемостью. Тогда были получены образцы, близкие к исходному керну с пористостью 14%. Исследователи говорили о планах перейти к другим типам пород – известняку, глине, сланцу и копиям на основе натуральных материалов.
Разработка ПНИПУ является важным шагом от чисто цифрового моделирования к гибридной модели исследований. Важно, что происходит это на фоне роста российского рынка аддитивных технологий: его объем составил 22,3 млрд рублей, рост – около 21%. Это создает благоприятную среду для внедрения 3D-печати в прикладные промышленные ниши, включая нефтегаз.
