精確表征巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)，探尋微觀孔隙結(jié)構(gòu)與流體運(yùn)移、巖石力學(xué)性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，是地下油氣儲(chǔ)備與開發(fā)的核心科學(xué)問題。作為一種不透明的非均質(zhì)多孔介質(zhì)材料，巖石內(nèi)部的應(yīng)力分布及流體輸運(yùn)過程難以得到直觀、準(zhǔn)確的表征。3D打印巖心旨在提供一種與天然巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征一致、力學(xué)性能相似的人造巖心制備技術(shù)。

　　中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所油氣地下儲(chǔ)備與開發(fā)研究中心科研人員聯(lián)合西南科技大學(xué)、西南石油大學(xué)相關(guān)研究人員，在巖石高精度3D打印及其滲流、力學(xué)特性原位實(shí)驗(yàn)研究方面取得進(jìn)展：

　　1) 提出了一種利用3D打印和微CT成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)致密砂巖復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)定量表征和多相流體輸運(yùn)特性的可視化研究方法。研究團(tuán)隊(duì)利用新型的面投影微立體光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了致密砂巖孔隙模型的原位尺度打?。▇2μm光學(xué)分辨率），再現(xiàn)了致密砂巖復(fù)雜孔隙系統(tǒng)的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征與空間連通性（如圖1所示）。實(shí)現(xiàn)了3DP巖心CT圖像與原始樣品CT圖像的自動(dòng)配準(zhǔn)，并采用SSIM和PSNR指標(biāo)量化了3DP巖心孔隙結(jié)構(gòu)特征與原始巖樣間的差異性；對(duì)比分析了3DP巖心與數(shù)字巖心（DRP）模擬得到的孔徑分布（PSD）、孔隙度和絕對(duì)滲透率的差異；結(jié)合原位CT成像技術(shù)開展了3DP巖心可視化CO2驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，并與實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析（如圖2所示）。

　　2) 以石英砂（SS）、石膏粉（GP）和覆膜石英砂（CSB）為基質(zhì)，采用粘結(jié)劑噴射（BJ）和選擇性激光固化（SLC）技術(shù)制備了三種類型的3DP巖心。結(jié)合原位微X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（X-CT）和數(shù)值模擬技術(shù)研究了單軸壓縮試驗(yàn)中3DP巖心的力學(xué)性能和裂縫擴(kuò)展機(jī)制，對(duì)比分析了3D打印工藝導(dǎo)致的力學(xué)非均質(zhì)性。結(jié)果表明：所制備3DP試樣的力學(xué)強(qiáng)度通常弱于天然巖石，裂紋起裂始于其內(nèi)部的弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)，破壞后裂紋的擴(kuò)展模式以區(qū)域斷裂帶為主，因而容易呈現(xiàn)一定的力學(xué)非均質(zhì)性。結(jié)合數(shù)值模擬的反演結(jié)果表明：3D打印巖心的弱膠結(jié)部分的粘聚力約為正常膠結(jié)部分的一半，殘余粘聚力約是破壞前的0.2倍。

　　相關(guān)研究成果以“3D Printing of natural sandstone at pore scale and comparative analysis on micro-structure and single/two-phase flow properties”、“In-situ X-CT scanning and numerical modeling on the mechanical behavior of the 3D Printing rock”為題，分別發(fā)表在期刊Energy和Powder Technology上。研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金（52241602、51909225）、湖北省自然科學(xué)基金（2022CFB400）和四川省自然科學(xué)基金（2022NSFSC1161）的共同資助。

　　論文鏈接：

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544222021156

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032591023000244

圖1. 3D打印巖心與天然巖心微觀孔隙結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析.(a)基于偏光顯微鏡和CT成像得3DP巖心孔隙結(jié)構(gòu)表征；(b)基于圖像校準(zhǔn)的3DP巖心與原始巖心孔隙結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螒B(tài)特征的對(duì)比分析；(c)孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的計(jì)算與分析　　

圖2. 3D打印巖心的CO2驅(qū)油可視化實(shí)驗(yàn)

圖3. 3D打印樣品及其變形—破裂可視化實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果