«Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений»

Анализ возможностей трехмерной печати искусственного керна горных пород

УДК: 550.822.3+553.98(470.53)
DOI: 10.33285/2413-5011-2023-9(381)-19-27

Авторы:

¹ Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

Ключевые слова: трехмерная печать, керн, литолого-петрофизические свойства, критерии подобия, томография

Аннотация:

Для проектирования рациональной разработки месторождений с трудноизвлекаемыми запасами необходимо проведение детальных исследований образцов горных пород, вмещающих в себя флюид (керн). Получение кернового материала является очень дорогостоящим мероприятием, а каждый образец по сути является уникальным по своим минералогическим, физическим и химическим свойствам. В условиях разработки шельфовых месторождений ценность керновых образцов ещё более высокая, так как, как правило, такие месторождения обладают наивысшим стратегическим потенциалом развития топливно-энергетического комплекса.

При изучении керна необходимо проведение широкомасштабных исследований на стандартных, полноразмерных образцах, а также на составных моделях керна, которые с высокой степенью точности позволяют моделировать природное изменение фильтрационно-емкостных свойств как по геологическому разрезу пласта, так и по радиальному направлению. Исследования образцов горных пород направлены на определение фильтрационно-емкостных свойств, позволяющих судить о перспективности месторождения; установление гидрофильности образцов, коэффициента вытеснения и других свойств, определяющих фильтрацию флюида по поровым каналам; тестирование технологий интенсификации притока, обработок призабойной зоны пласта; тестирование методов увеличения нефтеотдачи пласта; тестирование технологий ограничений водопритока. Ряд исследований и тестирование различных технологий повышения нефтеотдачи приводят к разрушению или невозможности повторного использования образца керна. Для проведения спектра всех исследований сравнения технологий в единых условиях актуальной является задача "клонирования" образцов керна с детальным воспроизведением фильтрационно-емкостных свойств конкретного образца.

Проведен анализ существующих подходов по трехмерной печати горных пород, определены основные критерии подобия образцов, а также проведен подбор типовых объектов месторождений Пермского края для реализации технологий печати.

Список литературы:

1. Three-dimensional printing for geoscience: Fundamental research, education and applications for the petroleum Industry / S. Ishutov, T.D. Jobe, S. Zhang [et al.] // AAPG Bulletin. – 2018. – Vol. 102. – № 1. – Pp. 1–26.

2. Almetwally A.G., Jabbari H. Experimental investigation of 3D printed rock samples replicas // Journal of Natural Gas Science and Engineering. – 2020. – Vol. 76. – Pр. 103–192. – DOI: 10.1016/j.jngse.2020.103192

3. Bacher M., Schwen A., Koestel J. Three-dimensional printing of macropore networks of an undisturbed soil sample // Vadose Zone Journal. – 2015. – Vol. 14(2). – P. 10.

4. 3D printing sandstone porosity models / S. Ishutov, F.J. Hasiuk, C. Harding, J.N. Gray // Interpretation. – 2015. – Vol. 3(3). – Pр. 49–61.

5. Visual representation and characterization of three-dimensional hydrofracturing cracks within heterogeneous rock through 3D printing and transparent models / Peng Liu, Yang Ju, Pathegama G. Ranjith [et al.] // Int. Journal of Coal Science & Technology. – 2016. – Vol. 3. – Pp. 284–294. – DOI: 10.1007/s40789-016-0145-y

6. Almetwally A.G., Jabbari H. 3D Printing Replication of Porous Media for Lab-Scale Characterization Research // ACS omega. – 2021. – Vol. 6. – № 4. – Pp. 2655–2664.

7. Зинатуллина И.П., Кадырова Л.Б. Литологические особенности терригенных пород-коллекторов визейского яруса для разработки западного склона Южно-Татарского свода // Достижения, проблемы и перспективы развития нефтегазовой отрасли: материалы Междунар. науч.-практич. конф. – Альметьевск, 2018. – С. 106–112.

8. Replication of Carbonate Reservoir Pores at the Original Size Using 3D Printing / S. Ishutov, K. Hodder, R. Chalaturnyk, G. Zambrano-Narvaez // Petrophysics. – 2021. – Vol. 62. – Pр. 477–485. – DOI: 10.30632/PJV62N5-2021a3

9. Cheung C.S.N., Baud P., Wong T. Effect of grain size distribution on the development of compaction localization in porous sandstone // Geophysical Research Letters. – 2012. – Vol. 39. – № 21. – DOI: 10.1029/2012GL053739

10. Ratnikov I., Yarkova N., Romanov E. Analysis of Hydrocarbon Saturation Nature in a Heterogeneous Reservoir as Exemplified in AC10 Formation of Priobskoe Field // Mining science and technology. – 2019. – Vol. 4. – Pр. 42–56. – DOI: 10.17073/2500-0632-2019-1-42-56

11. Chilingar G.V. Relationship between porosity, permeability, and grain-size distribution of sands and sandstones // Developments in sedimentology. – Elsevier, 1964. – Vol. 1. – Pр. 71–75. – DOI: 10.1016/S0070-4571(08)70469-2

12. Валеева С.Е., Баранова А.Г., Успенский Б.В. Влияние условий седиментации на формирование пород-коллекторов бобриковско-радаевских отложений // Ученые записки Казанского ун-та. Сер. Естественные науки. – 2015. – Т. 157. – №. 4. – С. 60–72.

13. Hodder K.J., Nychka J.A., Chalaturnyk R.J. Process limitations of 3D printing model rock // Prog. Addit. Manuf. – 2018. – Vol. 3. – Pр. 173–182. – DOI: 10.1007/s40964-018-0042-6

14. Ishutov S., Hasiuk F. 3D Printing Berea Sandstone: Testing a New Tool for Petrophysical Analysis of Reservoirs // Petrophysics. – 2017. – Vol. 58. – № 6. – Pр. 592–602.

15. Simulation and Validation of Porosity and Permeability of Synthetic and Real Rock Models Using Three-Dimensional Printing and Digital Rock Physics / I. Ezdeen, M. Jouini, F. Bouchaala, J. Gomes // ACS Omega. – 2021. – Vol. 6. – № 47. – Pр. 31775-31781. – DOI: 10.1021/acsomega.1c04429

16. Increasing Density of 3D-Printed Sandstone through Compaction / K. Hodder, A. Sanchez-Barra, S. Ishutov [et al.] // Energies. – 2022. – Vol. 15. – № 5. – P. 1813. – DOI: 10.3390/en15051813

17. Characterization and microfabrication of natural porous rocks: From micro-CT imaging and digital rock modelling to micro-3D-printed rock analogs / R. Song, Y. Wang, S. Sun, J. Liu // Journal of Petroleum Science and Engineering. – 2021. – Vol. 205. – P. 108827. – DOI: 10.1016/j.petrol.2021.108827

18. Jiang C., Zhao G.-F. A Preliminary Study of 3D Printing on Rock Mechanics // Rock Mechanics and Rock Engineering. – 2015. – Vol. 48. – Pр. 1041–1050. – DOI: 10.1007/s00603-014-0612-y

19. Kruger J., du Plessis A., van Zijl G. An investigation into the porosity of extrusion-based 3D printed concrete // Additive Manufacturing. – 2021. – Vol. 37. – P. 101740. – DOI: 10.1016/j.addma.2020.101740

20. Binder saturation as a controlling factor for porosity variation in 3D-printed sandstone / K.J. Hodder, K. Craplewe, S. Ishutov, R. Chalaturnyk // Petrophysics. – 2021. – Vol. 62. – № 5. – Pр. 450-462. – DOI: 10.30632/PJV62N5-2021a1

21. Effects of Grain Size and Layer Thickness on the Physical and Mechanical Properties of 3D Printed / Y. Wang, S. Li, R. Song [et al.] // Rock Analogs. Energies. – 2022. – Vol. 15. – P. 7641. – DOI: 10.3390/en15207641

22. A Comprehensive Experimental Study on Mechanical Behavior, Microstructure and Transport Properties of 3D printed Rock Analogs / R. Song, Y. Wang, S. Ishutov [et al.] // Rock Mechanics and Rock Engineering. – 2020. – Vol. 53. – Pр. 5745-5765. – DOI: 10.1007/s00603-020-02239-4

23. Gomez J., Zambrano-Narvaez G., Chalaturnyk R. Experimental Investigation of the Mechanical Behavior and Permeability of 3D Printed Sandstone Analogues Under Triaxial Conditions // Transport in Porous Media. – 2019. – Vol. 129. – DOI: 10.1007/s11242-018-1177-0

24. Hydromechanical properties of 3D printed fractures with controlled surface roughness: Insights into shear-permeability coupling processes / T. Ishibashi, Y. Fang, D. Elsworth [et al.] // Int. Journal Rock Mechanics & Mining Sciences. – 2020. – Vol. 128. – P. 104271. – DOI: 10.1016/j.ijrmms.2020.104271

25. Modeling rock specimens through 3D printing: Tentative experiments and prospects / Q. Jiang, X. Feng, L. Song [et al.] // Acta Mechica Sinica. – 2016. – Vol. 32. – Pp. 101–111. – DOI: 10.1007/s10409-015-0524-4

26. Wettability of porous media from environmental SEM: from model to reservoir rocks / M. Robin, R. Combes, F. Degreve, L. Cuiec // Int. Symposium on Oilfield Chemistry. – Houston, Texas, 1997. – SPE-37235-MS. – DOI: 10.2118/37235-MS

27. Cuiec L., Longeron D., Pacsirszky J. Recommendations for the determination of the wettability of a specimen of reservoir rock // Rev. Inst. Français du Pétrole. – 1978. – Vol. 33. – № 6. – Pр. 907–914.

28. Применение метода рентгеновской томографии при петрофизических исследованиях керна нефтяных и газовых месторождений / С.В. Галкин, А.А. Ефимов, С.Н. Кривощеков [и др.] // Геология и геофизика. – 2015. – Т. 56. – № 5. – С. 995–1007. – DOI: 10.15372/GiG20150509

29. Савицкий Я.В. Современные возможности метода рентгеновской томографии при исследовании керна нефтяных и газовых месторождений // Вестник Пермского нац. исслед. политехнич. ун-та. Геология, нефтегазовое и горное дело. – 2015. – № 15. – С. 28–37. – DOI: 10.15593/2224-9923/2015.15.4