Ученые Пермского «политеха» разработали способ клонирования образцов горных пород
В конце 2023 года в Перми был открыт Центр исследования керна и пластовых флюидов, который в рамках своих проектов тесно сотрудничает с Пермским национальным исследовательским политехнически университетом (ПНИПУ) и Пермским научно-образовательным центром мирового уровня «Рациональное недропользование» (Пермский НОЦ). Проводимые этим центром исследования позволяют улучшить технологии повышения нефтеотдачи пластов и являются необходимым этапом для эффективной разработки месторождений нефти и газа. С целью сокращения затрат на извлечение образцов горной породы (керна) разрабатываются технологии для создания их синтетических копий, то есть точного воспроизведения пористой внутренней структуры керна в реальном масштабе. Это крайне сложная задача, а несоответствие с оригиналом может в дальнейшем привести к неверной оценке свойств образцов породы и пласта в целом.
Ученые ПНИПУ, разработав подход к реконструкции пористых сред в реальном масштабе на основе управления параметрами процесса 3D-печати и использования результатов компьютерной томографии натурального керна, доказали, что управление параметрами дает возможность с необходимой точностью воспроизводить керн песчаника в натуральную величину. Результаты этих исследований планируется использовать для реконструкции структуры и других типов горных пород (известняка, глины, сланца и других), а также для создания копий на основе натуральных материалов.
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. 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 обеспечивает достоверный результат 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.
Александр Осколков, научный сотрудник лаборатории методов создания и проектирования систем «материал – технология –конструкция» ПНИПУ:
– 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.
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.
Александр Кочнев, доцент кафедры геологии нефти и газа ПНИПУ:
– 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.
Напомним, одно из основных направлений в деятельности Пермского научно-образовательного центра мирового уровня «Рациональное недропользование» – «Углеводороды», нацеленное на создание новых технологий эффективного освоения ограниченных, трудноизвлекаемых углеводородных ресурсов.
Пермский национальный исследовательский политехнический университет является участником Пермского НОЦ и активно задействован в реализации ряда технологических проектов, в том числе «Технологии повышения коэффициента извлечения нефти для трудноизвлекаемых запасов».
