Пермские ученые научились печатать 95%-ные копии нефтяного керна

Когда геологи бурят скважину, они используют трубу с полой коронкой, чтобы поднять на поверхность цилиндрический столб породы — керн. Это точный срез подземных слоев, который показывает, есть ли в пласте нефть, в каких пустотах она находится и сможет ли вытекать. Керн — главный, а часто и единственный прямой источник данных о пористости, проницаемости и поведении породы в агрессивной среде.

Почему керна всегда не хватает

Из многокилометровой скважины удается извлечь лишь несколько десятков метров керна: экономически невыгодно бурить по всей длине, да и порода часто крошится. Каждое серьезное испытание — прокачка горячей воды, кислоты или газа под давлением — необратимо меняет структуру образца или разрушает его. Получается, что один керн можно использовать только один раз, а идентичных образцов в природе не существует.

Проблему пытались решить двумя способами. Компьютерное моделирование на основе томографии дает лишь приблизительные расчеты — оно плохо предсказывает сложные химические реакции и поведение породы. 3D-печать тоже не спасала: цифровая модель содержит изолированные поры, не участвующие в переносе жидкости, расходный материал закупоривает каналы, а размеры пор часто слишком малы для прямой печати. В итоге копии могли отличаться от оригинала по объему порового пространства и проницаемости в разы.

Технология, обеспечивающая 95% точности

Ученые Пермского Политеха впервые в России разработали технологию, которая позволяет воспроизводить фильтрационно-емкостные свойства керна с точностью не менее 95%. На изобретение получен патент. Работа велась с методом FDM/FFF-печати — экструзией термопластичного материала слой за слоем. По словам Александра Кочнева, доцента кафедры «Геология нефти и газа» ПНИПУ, этот метод был наименее исследован, но обладал наибольшими перспективами.

Сначала создается цифровая 3D-модель керна по данным компьютерной томографии. Затем модель адаптируют: удаляют изолированные поры, которые мешают формированию траекторий печати. После этого печатают саму копию, причем критически важны технологические параметры — объемный расход материала и процент перекрытия между валиками. В ходе эксперимента было изготовлено более 250 копий, что позволило установить зависимости свойств от параметров печати.

Результаты показали: погрешность по пористости составляет менее 5%, по проницаемости — менее 10%. Это значит, что напечатанный образец почти неотличим от оригинала. В отличие от лазерной стереолитографии, ограниченной жидкими фотополимерными смолами, метод FDM/FFF позволяет использовать термопластичные композиции с высоким содержанием минералов, что делает копии более похожими на настоящую породу.

Разработка открывает путь к многократным испытаниям на идентичных образцах: можно проверять разные химические составы, режимы закачки и давления, не расходуя реальный керн. Это снизит риски при бурении, где ошибка стоит сотни миллионов рублей. Технология уже готова к применению для пород-коллекторов различных типов.