基于3D打印的復雜井筒模擬巖樣制作

賈 朋，孫 峰，薛世峰，房 軍，朱秀星

(中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

0 引 言

實踐教學環節對于培養學生動手能力、科研能力和創新能力尤其重要[1]。基礎知識的驗證實驗可加深學生對基本概念與知識的理解，在一定程度上訓練了學生觀察能力、動手能力和分析問題的能力[2-3]。但是，驗證性實驗無法滿足實驗教學改革中對培養學生解決問題能力和創新能力的要求。為此，將實驗教學與科研相結合，指導學生進行自主創新實驗。

自主創新實驗過程中涉及某些工具、零件的設計與加工。傳統的機加工模式需要學生具有專業的機械設計、制造工藝基礎才能將設計思想轉化為零件加工圖紙進行加工，周期長、迭代速度慢。3D打印是一種以三維數字形式構造物理對象的快速成型技術，已經在航天、軍工、醫療等領域得到了應用[4-6]。近年來，興起的開源項目使得3D打印機的成本大幅降低，使其從昂貴、高精尖的科研設備向易于操作、普及型教學與家用設備方向發展[7]。利用3D打印技術可直接根據三維CAD模型進行零件制造而不需將其轉換成專業的零件圖紙，并且可以形成復雜形狀、對制造工藝的可行性要求較低。

目前，3D打印技術已經在石油工程的教學與科研中得到了應用，比如，在實驗教學中應用CT掃描和3D打印技術來制造數字巖心，極大地提高了學生的學習興趣[8-10]。本文針對水力壓裂模擬實驗中存在的問題，結合3D打印精準、全息快速成型的特點，擬采用3D打印技術來實現不同孔眼形態、方位、傾角的射孔井實驗模型制作。所制作的模型可兼顧巖心試樣強度和射孔位置精準的需求，也可使學生直觀了解射孔井水力壓裂的基本過程，觀察裂縫的起裂與擴展現象，調動其主動思考、探究物理現象本質的積極性。

1 復雜井筒模擬巖樣的制作方法

油氣藏開發過程中，射孔是溝通井筒與地層的流體通道，對于提高儲層動用率及采收率具有重要作用。定面射孔[11-12]是針對致密儲層水力壓裂改造而產生的一種新型完井措施。與常規射孔螺旋布彈方式(見圖1(a))不同，定面射孔技術采用特殊的布彈方式，射孔后，套管內壁上射孔孔眼形成的平面(射孔孔眼平面)與套管軸向垂直或成一定角度，如圖1(b)、(c)所示。

圖1 復雜井筒結構示意圖

射孔孔眼排布可改變近井筒地應力分布，進而控制近井筒裂縫的走向。為了探究射孔參數對近井筒水力壓裂裂縫起裂與擴展機理的影響，研究者們提出了多種模擬射孔的制作方法：采用射孔槍或水力噴射器[13]對澆筑好的水泥巖樣進行射孔，該方法在射孔后容易導致試樣破碎；采用硬殼紙卷等介質形成射孔孔道后再澆筑水泥巖樣，該方法形成的介質與孔道的界面效應會影響水力壓裂裂縫的起裂與擴展；采用可溶性固體棒插入徑向開孔的鋼管中，待澆筑的水泥試樣凝固成型后，使用配制的溶劑將可溶性固體材料溶解，形成射孔孔道[14]，該方法無法實現射孔角度、形態的精確控制；采用可彎折的韌性細條狀材料，從井口伸入，在射孔處彎折伸出，待澆筑的巖樣達到預設強度時拔出韌性條狀材料，從而獲得射孔孔道[15]，該方法容易損傷射孔且難以實現射孔幾何參數的準確控制。

為解決上述問題，本文首先根據射孔形狀和角度利用三維造型軟件設計并3D打印射孔模具；然后將打印出的模具套在射孔管外進行蠟質射孔的制作；待蠟質射孔型芯凝固之后，拆除射孔模具，并將其放入混凝土試樣模具內澆筑水泥試樣；將水泥試樣養護預定時間之后，向井筒內通入循環熱水加熱融化蠟質射孔并將其沖洗干凈；最后進行水力壓裂實驗，觀察射孔形態。

2 射孔井水泥試樣制作

2.1 實驗裝置

本文采用UP Plus 2打印機制備射孔模具。打印材料有ABS和PLA兩種，可根據模型的使用條件選擇相應的材料。UP Plus 2采用熔融擠壓成型法，首先采用切片軟件對零件的三維CAD模型進行分層切片處理，生成打印機噴頭移動軌跡信息并翻譯成打印機可以識別的G代碼。送絲機構把絲狀ABS(或PLA)送進熱熔噴頭，將材料加熱至熔化狀態后擠出，被擠出的材料隨著噴頭的平移運動形成具有精確形狀的薄層。打印機通過z軸的運動將這些薄層層層堆積、緊密黏合，最終形成一個三維實體。

2.2 試樣制作步驟

(1)根據射孔參數設計3D模具。根據現場的射孔方案，確定實驗中井筒直徑，射孔的間距、孔徑、穿深、形狀以及射孔的方位角、射孔軸線與井筒軸線的夾角等基礎數據。根據射孔的基礎數據，利用Solidworks軟件設計射孔模具。本文以定面射孔為例，設計了射孔模具，如圖2所示。

(2)射孔模具的3D打印。將設計的射孔模具輸出為STL格式，導入3D打印軟件(見圖3)，利用3D打印機打印模具。使用材料為ABS，以適應熔蠟時較高的溫度。打印成型的模具如圖4所示。

圖2 射孔模具三維實體模型

圖3 3D打印軟件中的實體模型

圖4 射孔模具實物圖

(3)射孔型芯的制作。精密鑄造工藝中型芯的制作方法有很多，常用的有蠟模型芯、水溶性型芯。相對而言，水溶性型芯的配方與制造工藝復雜，而蠟模型芯具有材料容易取得、制作工藝簡單的優勢。本文采用蠟模型芯。具體制作工藝(見圖5)如下：

① 為了解決蠟模型芯存在的強度低、試樣澆注過程中容易折斷的問題，在蠟模澆注之前，先從模擬井筒的射孔中穿出幾根細鐵絲，然后將3D打印的模具套在模擬井筒上，并使細鐵絲落在模具的射孔內，鐵絲的另一端從模擬井口露出。

② (堵井眼)將橡膠塞塞入模擬井筒的井眼內，到達射孔孔眼后，再上提5 mm左右。這樣便在射孔附近形成一個蠟模澆注的容腔。

③ (封射孔澆注)堵住其中兩個射孔，并留有排氣孔，然后用注射器從一個射孔孔眼內注入熔融的蠟水，等其余射孔擠出蠟水之后，停止注入。

④ (冷卻成型、拆模)自然冷卻后，拆掉射孔模具，形成射孔型芯。

(4)混凝土試樣制作。按一定砂比攪拌混凝土，將制作的射孔井筒放入模具中，澆筑混凝土試樣，凝固、保養。

(5)脫蠟形成射孔孔道。先將細鐵絲抽出，翻轉試樣使井筒水平放置。然后，向井筒內插入細管，泵入循環熱水。熱水從細管內進入井筒，然后從環空流出，使蠟熔化，并隨循環熱水帶出井筒(熱水脫蠟)。為了使熔化后的蠟水充分流出，將試樣放置在振動臺上，邊循環熱水，邊振動。

(a)套模具

(b)澆蠟

(c)拆除模具

(d)蠟質射孔最終形態

3 結果分析

射孔井試樣制作完成后，向射孔井內注入帶壓液體。由于試樣不受圍壓作用，在較小的壓力下即可將試樣壓開。試樣壓開的形貌如圖6所示。紅色部分為殘留的蠟，結果表明蠟的殘留量很小，對射孔內流體的流動影響很小。

圖6 試樣開裂后射孔形貌

4 結 語

利用3D打印技術制作復雜井筒模擬巖樣的實驗教學，使學生對復雜井筒的結構有了更直觀的認識，鍛煉了學生針對復雜問題精確建立物理模型的能力。3D打印所想即所得的直觀建模形式，豐富了實驗教學活動，提高了學生的學習熱情，激發了學生的創新意識和探索精神。