基于3D打印的复杂井筒模拟岩样制作

贾 朋，孙 峰，薛世峰，房 军，朱秀星

(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

0 引 言

实践教学环节对于培养学生动手能力、科研能力和创新能力尤其重要[1]。基础知识的验证实验可加深学生对基本概念与知识的理解，在一定程度上训练了学生观察能力、动手能力和分析问题的能力[2-3]。但是，验证性实验无法满足实验教学改革中对培养学生解决问题能力和创新能力的要求。为此，将实验教学与科研相结合，指导学生进行自主创新实验。

自主创新实验过程中涉及某些工具、零件的设计与加工。传统的机加工模式需要学生具有专业的机械设计、制造工艺基础才能将设计思想转化为零件加工图纸进行加工，周期长、迭代速度慢。3D打印是一种以三维数字形式构造物理对象的快速成型技术，已经在航天、军工、医疗等领域得到了应用[4-6]。近年来，兴起的开源项目使得3D打印机的成本大幅降低，使其从昂贵、高精尖的科研设备向易于操作、普及型教学与家用设备方向发展[7]。利用3D打印技术可直接根据三维CAD模型进行零件制造而不需将其转换成专业的零件图纸，并且可以形成复杂形状、对制造工艺的可行性要求较低。

目前，3D打印技术已经在石油工程的教学与科研中得到了应用，比如，在实验教学中应用CT扫描和3D打印技术来制造数字岩心，极大地提高了学生的学习兴趣[8-10]。本文针对水力压裂模拟实验中存在的问题，结合3D打印精准、全息快速成型的特点，拟采用3D打印技术来实现不同孔眼形态、方位、倾角的射孔井实验模型制作。所制作的模型可兼顾岩心试样强度和射孔位置精准的需求，也可使学生直观了解射孔井水力压裂的基本过程，观察裂缝的起裂与扩展现象，调动其主动思考、探究物理现象本质的积极性。

1 复杂井筒模拟岩样的制作方法

油气藏开发过程中，射孔是沟通井筒与地层的流体通道，对于提高储层动用率及采收率具有重要作用。定面射孔[11-12]是针对致密储层水力压裂改造而产生的一种新型完井措施。与常规射孔螺旋布弹方式(见图1(a))不同，定面射孔技术采用特殊的布弹方式，射孔后，套管内壁上射孔孔眼形成的平面(射孔孔眼平面)与套管轴向垂直或成一定角度，如图1(b)、(c)所示。

图1 复杂井筒结构示意图

射孔孔眼排布可改变近井筒地应力分布，进而控制近井筒裂缝的走向。为了探究射孔参数对近井筒水力压裂裂缝起裂与扩展机理的影响，研究者们提出了多种模拟射孔的制作方法：采用射孔枪或水力喷射器[13]对浇筑好的水泥岩样进行射孔，该方法在射孔后容易导致试样破碎；采用硬壳纸卷等介质形成射孔孔道后再浇筑水泥岩样，该方法形成的介质与孔道的界面效应会影响水力压裂裂缝的起裂与扩展；采用可溶性固体棒插入径向开孔的钢管中，待浇筑的水泥试样凝固成型后，使用配制的溶剂将可溶性固体材料溶解，形成射孔孔道[14]，该方法无法实现射孔角度、形态的精确控制；采用可弯折的韧性细条状材料，从井口伸入，在射孔处弯折伸出，待浇筑的岩样达到预设强度时拔出韧性条状材料，从而获得射孔孔道[15]，该方法容易损伤射孔且难以实现射孔几何参数的准确控制。

为解决上述问题，本文首先根据射孔形状和角度利用三维造型软件设计并3D打印射孔模具；然后将打印出的模具套在射孔管外进行蜡质射孔的制作；待蜡质射孔型芯凝固之后，拆除射孔模具，并将其放入混凝土试样模具内浇筑水泥试样；将水泥试样养护预定时间之后，向井筒内通入循环热水加热融化蜡质射孔并将其冲洗干净；最后进行水力压裂实验，观察射孔形态。

2 射孔井水泥试样制作

2.1 实验装置

本文采用UP Plus 2打印机制备射孔模具。打印材料有ABS和PLA两种，可根据模型的使用条件选择相应的材料。UP Plus 2采用熔融挤压成型法，首先采用切片软件对零件的三维CAD模型进行分层切片处理，生成打印机喷头移动轨迹信息并翻译成打印机可以识别的G代码。送丝机构把丝状ABS(或PLA)送进热熔喷头，将材料加热至熔化状态后挤出，被挤出的材料随着喷头的平移运动形成具有精确形状的薄层。打印机通过z轴的运动将这些薄层层层堆积、紧密黏合，最终形成一个三维实体。

2.2 试样制作步骤

(1)根据射孔参数设计3D模具。根据现场的射孔方案，确定实验中井筒直径，射孔的间距、孔径、穿深、形状以及射孔的方位角、射孔轴线与井筒轴线的夹角等基础数据。根据射孔的基础数据，利用Solidworks软件设计射孔模具。本文以定面射孔为例，设计了射孔模具，如图2所示。

(2)射孔模具的3D打印。将设计的射孔模具输出为STL格式，导入3D打印软件(见图3)，利用3D打印机打印模具。使用材料为ABS，以适应熔蜡时较高的温度。打印成型的模具如图4所示。

图2 射孔模具三维实体模型

图3 3D打印软件中的实体模型

图4 射孔模具实物图

(3)射孔型芯的制作。精密铸造工艺中型芯的制作方法有很多，常用的有蜡模型芯、水溶性型芯。相对而言，水溶性型芯的配方与制造工艺复杂，而蜡模型芯具有材料容易取得、制作工艺简单的优势。本文采用蜡模型芯。具体制作工艺(见图5)如下：

① 为了解决蜡模型芯存在的强度低、试样浇注过程中容易折断的问题，在蜡模浇注之前，先从模拟井筒的射孔中穿出几根细铁丝，然后将3D打印的模具套在模拟井筒上，并使细铁丝落在模具的射孔内，铁丝的另一端从模拟井口露出。

② (堵井眼)将橡胶塞塞入模拟井筒的井眼内，到达射孔孔眼后，再上提5 mm左右。这样便在射孔附近形成一个蜡模浇注的容腔。

③ (封射孔浇注)堵住其中两个射孔，并留有排气孔，然后用注射器从一个射孔孔眼内注入熔融的蜡水，等其余射孔挤出蜡水之后，停止注入。

④ (冷却成型、拆模)自然冷却后，拆掉射孔模具，形成射孔型芯。

(4)混凝土试样制作。按一定砂比搅拌混凝土，将制作的射孔井筒放入模具中，浇筑混凝土试样，凝固、保养。

(5)脱蜡形成射孔孔道。先将细铁丝抽出，翻转试样使井筒水平放置。然后，向井筒内插入细管，泵入循环热水。热水从细管内进入井筒，然后从环空流出，使蜡熔化，并随循环热水带出井筒(热水脱蜡)。为了使熔化后的蜡水充分流出，将试样放置在振动台上，边循环热水，边振动。

(a)套模具

(b)浇蜡

(c)拆除模具

(d)蜡质射孔最终形态

3 结果分析

射孔井试样制作完成后，向射孔井内注入带压液体。由于试样不受围压作用，在较小的压力下即可将试样压开。试样压开的形貌如图6所示。红色部分为残留的蜡，结果表明蜡的残留量很小，对射孔内流体的流动影响很小。

图6 试样开裂后射孔形貌

4 结 语

利用3D打印技术制作复杂井筒模拟岩样的实验教学，使学生对复杂井筒的结构有了更直观的认识，锻炼了学生针对复杂问题精确建立物理模型的能力。3D打印所想即所得的直观建模形式，丰富了实验教学活动，提高了学生的学习热情，激发了学生的创新意识和探索精神。