Представьте земные недра как исполинский слоеный пирог. Поверхностный пласт — почва, глубже — песчаники, потом сменяющиеся горные породы, а в километрах от поверхности — нефтегазоносные пласты. При бурении геологи стремятся изучать состав глубоких слоев. Специальная труба с коронкой вырезает цилиндр породы — керн, буквально срез подземного ""пирога"".
Керн — бесценный источник сведений о нефтеносном пласте. Он прямо указывает наличие углеводородов, их размещение в порах и возможность извлечения. Эти образцы моделируют поведение пласта в реальности. На них испытывают режимы закачки жидкости для эффективного вытеснения нефти. Тестируют реагенты, улучшающие отделение нефти от породы. Проверяют устойчивость к скачкам давления. Ошибка при работе с настоящей скважиной чересчур дорога.
Основная сложность в дефиците керна. Из скважины в километры глубиной добывают считанные метры: извлечение экономически нецелесообразно, порода зачастую разрушается. Каждое серьезное испытание: прокачка горячих жидкостей, кислот, газа под давлением — необратимо повреждает экземпляр. Материал можно использовать лишь однократно. Невозможно проверить различные методики воздействия на идентичном образце без ожидания новой дорогостоящей порции.
Существующие подходы имеют ограничения. Первый — компьютерное моделирование. Специалисты создают цифровой двойник керна через томографию, рассчитывая движение флюидов. Но расчеты описывают лишь гидродинамику, неточно предсказывая реакцию породы на химические реагенты. Проверка симуляции требует использования оригинала, что опять ведет к его утрате.
Трехмерная печать реплик — второй перспективный метод. Однако стандартная печать распечатывает объект по цифровой модели. Главная сложность — ""захват"" томографией изолированных пор, не участвующих в фильтрации. Они искажают воссоздание ключевых ФЕС породы (пористость, проницаемость).
Другие преграды: забивание микропор расходниками принтера, невозможность точного повторения ультрамелких структур. Существенно различаются свойства природных минералов и искусственных материалов для печати. Итоговые копии иногда имеют кратные расхождения с керном по проницаемости и объему пустот. Эти минусы типичны для 3D-технологий.
Ученые Пермского Политеха первыми в России преодолели барьер: создана технология печати нефтяных кернов с совпадением фильтрационных параметров на 95%. На разработку оформлен патент — это прорыв для нефтяной отрасли!
— Мировое сообщество активно занимается решением этой задачи. В последние годы мы изучили возможности нескольких методов 3D-печати, где ранее существовали значительные пробелы. Особенно перспективной нам показалась технология FDM/FFF, как наименее изученная. Этот метод основан на экструзии термопластика и послойном формировании изделия по заданной траектории. Объединение известных подходов с нашими разработками привело к отличным результатам и определило пути дальнейшего роста, — рассказал Александр Кочнев, кандидат технических наук, доцент кафедры "Геология нефти и газа" ПНИПУ.
Наша технология включает следующие этапы:
— Сначала создается цифровая 3D-модель керна по данным компьютерной томографии. Затем модель адаптируется: удаляются изолированные поры, мешающие формированию траекторий печати и точному воспроизведению порового пространства. Следующий шаг — непосредственная 3D-печать копии керна. Здесь критически важен не только расчет особых траекторий, но и учет влияния технологических параметров на итоговые фильтрационно-емкостные свойства. Выявление этих зависимостей обеспечивает высокую точность воспроизведения и позволяет применять технологию для разных типов пород-коллекторов, — пояснил Александр Осколков, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории методов создания и проектирования систем "материал-технология-конструкция" ПНИПУ.
Разработка технологии сопровождалась масштабным экспериментом с созданием более 250 копий керна. Результаты: методика адаптации 3D-моделей для печати, стратегия построения траекторий и выявленные зависимости свойств копий от параметров печати. Исследование доказало ключевое влияние объемного расхода материала и процента перекрытия его валиков.
— Предыдущие технологии воспроизведения свойств керна часто имели низкую точность, с погрешностью до 200%. Исключение — метод SLA, но он ограничен фотополимерными смолами, чьи свойства радикально отличаются от горных пород. Наш подход FDM/FFF позволяет использовать термопластичные композиции с высокой минерализацией. Совместные эксперименты подтвердили: наша технология обеспечивает до 95% точности! Погрешность пористости — менее 5%, проницаемости — менее 10%. Напечатанный образец практически неотличим от природного керна с многокилометровой глубины, — с энтузиазмом сообщил Сергей Кривощеков, кандидат технических наук, доцент кафедры "Геология нефти и газа" ПНИПУ.
Технология дает нефтяным компаниям неограниченные возможности для экспериментов на идентичных образцах без риска для уникального природного керна. Теперь на одной копии тестируют закачку воды, на второй — газа, на третьей — эффективные полимеры для увеличения нефтеотдачи. Результаты сравнения абсолютно объективны благодаря полной идентичности образцов. Там, где раньше полагались на приблизительные оценки, теперь работают с точными данными! Технология легко масштабируется: напечатав эталон, можно создавать его копии. Это исключает затратное бурение новых скважин для добычи дополнительного керна.
Прорывная технология ученых Перми
Разработка ученых из Перми выводит уникальный природный материал из категории дефицитных, превращая его в общедоступный расходный материал для науки. Эта инновационная технология имеет все шансы стать стандартным инструментом любой геологической лаборатории.
Преимущества для науки и отрасли
Ее внедрение позволит значительно повысить точность научных экспериментов, ощутимо снизить затраты на проведение дорогостоящих исследований и сложный отбор керна. Технология открывает дорогу к более эффективным и экономичным методам добычи, которые можно будет смело внедрять в реальных условиях эксплуатации нефтяных скважин.
Источник: naked-science.ru
