3D打印技术在油气资源评价中的应用及展望

管丽梅 詹洪磊 祝 静 赵 昆

(油气光学探测技术北京市重点实验室，中国石油大学(北京)，北京 102249)

物理与工程

3D打印技术在油气资源评价中的应用及展望

管丽梅 詹洪磊 祝 静 赵 昆

(油气光学探测技术北京市重点实验室，中国石油大学(北京)，北京 102249)

3D打印(3-Dimensional Printing)是一种先进的增材制造技术，已经在模具生产、教育、医学等领域得到广泛应用，在石油勘探开发领域的应用亦展现出较高的研究价值。本文介绍了3D打印技术及其在相关领域的应用现状，详细阐述了3D打印技术在油气资源评价中的作用，包括地质建模、储集岩孔隙及其连通性的评价、岩石节理及裂隙的力学性质研究3个方面，并对3D打印技术在石油工业中仪器和工艺的创新性设计开发、油气储层理论研究、石油储存及运输、石油炼制及油品评价方面的应用前景提出展望。

3D打印；油气资源；石油储层；增材制造

传统的制造技术被称为“铣削”制造，是在毛坯上去除多余材料(切削)的加工方法。3D打印技术则是基于数字模型，打印机分层涂敷，“自下而上”累加材料的增材制造(Additive Manufacturing)工艺[1]，是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统[2]。该技术采用计算机软件设计数字化的产品外形及内部结构模型，将设计好的数字模型传输到3D打印机中，打印机就能完成所有制作流程，打印出实物，真正实现了一体化成型。作为一种新型制造方式，3D打印技术具有区别于传统工艺的特点：数字化设计——利用软件设计，打印得到的实物与设计的三维数字模型完全一致，并且可以方便地修改打印目标；成本低——无需制作模具，大大减少生产环节，具有明确的产业价值；成型精度高——市售的桌面3D打印机普遍能将误差控制在100μm以内[3]。美国《哈佛商业评论》认为3D打印技术是一项颠覆性技术，将为制造业带来巨大变革。工信部、财政部以及发改委三部委于2015年2月联合发布《国家增材制造产业发展推进计划(2015—2016)》，旨在加快推进我国3D打印产业健康有序发展。随后，国务院印发了部署全面推进实施制造强国战略文件——《中国制造2025》，文件明确指出：在制造业的智能化、数字化和网络化领域，3D打印发挥着不可取代的作用。3D打印技术的应用范围十分广泛，涉及模具和航空汽车零部件的生产、教育教学、医学手术辅助导板设计甚至是细胞和器官的“打印”、服装珠宝个性化设计生产、文物复制、油气资源研究等众多领域。

21世纪以来，全球油气勘探难度越来越大，勘探对象日益复杂[4]。我国油气人均占有量远低于世界平均水平。按现在国民经济以7 %左右的发展速度预估未来生产水平，近十年石油需求量与供应量将产生0.8×108～1.2×108t的差额，国内常规油气的勘探开发产量已不能满足经济发展的需要[5，6]。油气资源已经迈入了“非常规”时代。“非常规”油气资源，主要是指油页岩 、油砂矿 、煤层气 、页岩气 、致密砂岩气等油气藏[7]。与常规油气资源相比，非常规油气储集层物性差，圈闭效应不明显，开采难度高，评价的重点转向烃源岩特性、岩性、物性、脆性、含油气性与应力各向异性“六特性”[8，9]，传统的油气资源评价方法不再适用。但非常规油气资源储量非常丰富，在能源格局中的地位十分重要。分析油气的生、排、运、聚规律，优选合适的油气资源评价方法，客观地评价油气资源潜力意义重大[10]。

面对全球油气后备储量不足的现状，科研工作者试图利用多种新技术评估油气资源，辅助资源开发。3D打印在制造方式上具有的显著优势可以有效辅助油气资源准确评价。例如，3D打印用于地质建模直观描述复杂地质构造，指导实际工程开展，提高储层评估的准确性；3D打印制备高精度模型，可模拟岩层内部孔隙网络结构，用于CT扫描等常规手段的检测及研究，可计算其孔径分布和孔隙度等重要参数；3D打印替代传统浇筑方法，制作力学实验试件，用于研究岩石节理面以及裂隙试件的抗剪强度，分析其应力变形和弹性模量等力学性能。

本文介绍了3D打印技术的基本概念及其在相关领域的应用现状。详细阐述了3D打印技术在油气评价方面的应用情况，并对其未来在油气资源领域的潜在应用做出分析和展望。

1 3D打印技术

3D打印技术是一种快速成型的制造技术，根据材料固化方式的不同，目前发展的3D打印成型技术有十余种，其中主要材料成型技术如表1所示。

表1 3D打印材料成型技术分类

续表

虽然材料成型的方式各有不同，但所有的3D成型技术的打印流程均可大致划分为4个阶段。阶段1：使用计算机辅助设计(CAD computer-aided design)软件构架打印目标，概念化、数字化地创建模型。阶段2：将数字化目标进行分层处理并将其转化为3D打印机可识别的文件格式。阶段3：将文件传输至打印机并设置打印机打印速度、打印厚度等相关打印参数。阶段4：进行实体打印。流程如图1所示。由于3D打印技术尚处于发展阶段，现阶段只适用于小批量的制造，要应用于规模化的生产还需要技术本身的提高。但因为具有数字化设计、成本低、精度高的明显优势，仍被广泛地应用于各个领域，成为引领潮流的生产制造新方式。

图1 3D成型技术的打印流程

3D打印技术的应用领域涉及模具生产、精密零部件制造、医疗、教育教学、服装珠宝、文物复制等各个方面。传统热成型模具加工所使用的铣削、钻孔等技术流程复杂，使用3D打印生产热成形模具能够显著减少生产时间和成本[11]。3D打印在精密零部件加工方面独具优势，近日，美国宇航局(NASA)借助打印出了火箭发动机涡轮泵，减少了45%的组件[12]。3D打印技术在医疗领域理论研究方面主要用于制作医疗培训或模拟的解剖教学模型，实际手术方面应用则主要是植入物以及如脏模型或主动脉导管瓣膜模型等手术辅助操作工具的制造[13-16]。最新研究发现，3D打印技术也适用于活体组织和器官的培养，可能对再生医学产生前所未有的影响[17]。在教学研究中，3D打印产品有助于将概念变得直观化，营造充满活力和创造力的课堂氛围。在服装珠宝行业，3D打印则多用于个性化设计。近日，在剑桥大学举办的展览中，3D打印的甲骨文复制件替代原件进行了展出，成为文物保护的新方式[18]。

2 3D打印在油气资源评价中的应用

从工程地质到资源勘探再到油气田开发，3D打印技术被创造性地应用于石油产业链的各个方面，为地质建模、储集岩孔隙及连通性评价、岩石节理及裂缝的力学性质研究等方面提供了新的思路。

2.1 地质建模

地质建模是结合了地质、测井、地球物理数据，利用计算机图形技术形成的概念模型，作为地学信息研究的重要手段，地质建模也是油藏数值模拟技术中定量研究剩余油分布和优化油气藏开发方案的基础[19]。利用三维地质模型不仅可以直观描述复杂的地质构造情况, 形象表达地质构造的特征以及构造要素的空间关系, 结合强大的交互式空间分析功能, 可以使地质分析更为灵活、直观、准确[20]。

在工程地质领域中，3D打印在地质建模过程中主要应用于处理地理信息图像并将其打印成实物。3D打印技术能够准确地区分不同特征的地形地貌，已被用于等比例复制复杂的地形结构，拓宽了3D打印技术在地学信息技术领域应用的深度[21]。比起使用2D地图或3D数字图像，3D打印的模型更加精细和直观，有利于直观观察某个地区的地形地貌、建筑物、山脉以及矿藏分布，河流蓄水等情况，方便地形地貌的相关研究以及辅助实际工程施工。早在2013年，中国石化工程技术人员就曾使用3D打印技术制作地下气层通道的精细模型，预测和指导普光天然气田的开发，使钻井成功率达100%，克服了世界性难题[22]，也证明了3D打印技术应用于油气资源领域的准确性和可行性。由于3D打印技术存在打印尺度的限制，目前尚不能打印过大模型，对于过大的地质模型，通常采用的处理方法是分区块打印，再将各个打印区块拼接，完成等比例的地形模型或城市模型。

图2 3D打印岩石孔隙结构(a) 扫描实物获取数据; (b) 数据灰度直方处理; (c) 不同参数设置打印出的岩石孔隙结构

2.2 储集岩孔隙及其连通性的评价

作为油气勘探的重要指标，储层岩石的渗透率、饱和度与其微观孔隙结构密切相关[23]。伴随世界油气需求的持续增长与常规油气产量的不断下降，具有较大资源潜力的非常规油气逐渐成为新的领域[24]。非常规油气的两个关键参数是孔隙度小于10%，和孔喉直径小于1μm[9]。而非常规油气勘探开采难度高最根本的原因就是储层存在大量的小尺寸孔隙，油气资源就赋存在这些微小的孔隙之中，连接孔隙的孔道结构十分复杂，影响了油气的运移。使用常规的研究手段，难以表征渗透率和饱和度等用于资源评价的重要参数，导致勘探开采前的评估很难进行或很难保证准确，增加了工程开采的不确定性。水力压裂是石油开发的重要方法。影响水力压裂效果的主要因素是油气储集岩内部的孔隙结构及其连通性。每一块岩石都有单独的微观孔隙网络，压裂时破裂的方式各不相同。从某个样本实例推断整体的水力压裂情况的方法是不可靠的。

爱荷华州立大学的Franek Hasiuk提出了一个使用3D打印技术提高液压开采油气资源的方法，辅助储油地质的研究。他们使用丙乙烯-丁二烯-苯乙烯(ABS acrylonitrile butadiene styrene)等3D打印材料，经过“岩心扫描-灰度直方处理-打印机打印”的系统化孔隙结构制作流程[25]，打印出了按比例放大的储集岩中的孔隙网络，如图2所示。虽然由于CT扫描精度、3D打印机打印精度二者的限制，目前还不能按原样品1∶1比例打印孔隙结构，但这样做的好处在于将孔隙三维虚拟数字模型按一定比例转换为了有形的、可测试的实际对象[26]，这个比例是已知并且可调节的。岩石孔隙复制件可以在实验室环境下利用诸如CT、X射线衍射(XRF)、核磁共振(NMR)、低温氮吸附、扫描电镜(SEM)成像等常规的孔隙研究方法进行观察检测[27-30]。通过观察和计算其孔径分布、孔隙度、孔隙结构、渗透率等重要参数，模拟进行实际液压开采的情况，预测其流体运移情况、流体流量、孔隙形变情况。这样的方法模拟现实环境，指导石油开采，将使3D打印技术在储油地质的研究和预测中发挥重要作用。

2.3 岩石节理及裂隙的力学性质研究

随着油气资源的快速消耗和科学技术的迅猛发展，油气资源开发逐渐由地球浅部资源延伸到地球深部，但是深部资源开发中常伴随着难以有效预测与防治的重大灾害事故，与岩石应力相关的一些重大的、基础性岩石力学科学问题亟待科研工作者做出回答[31]。

岩石节理结构的力学性质研究是工程安全评估的重要途径。中国科学院武汉岩土力学研究所同样将逆向建模和3D打印结合，制作了岩石的节理面试件。同时对3D打印制作的岩石节理面试件、原样本、水泥浇筑试件做出符合度分析。原始样本、3D打印的样本与浇筑样本的四处轮廓对比显示，打印的样本明显比浇筑样本更符合原样本轮廓，水泥浇筑试件的误差在2%左右，而3D打印试件误差在1%以下，不仅如此，常规方法复制的岩石节理试件在抗剪强度测试中偏差一般在8%～20%，而使用聚乳酸材料制作的3D打印样本的抗剪强度偏差只在5%左右，误差显著降低[32]。使用3D打印的岩石节理样本不仅与原样本在轮廓上保持高度的统一，而且产生相同的机械结果。3D打印制作岩石节理面试件的方法不仅有利于实验规律的总结，而且构建了数字模型，有利于数据保护。

裂缝的发育程度及应力情况也与工程安全息息相关，并且决定着低渗储层的渗流、产出能力。但由于裂缝发育机制的复杂性,裂缝性油气藏一直是勘探的重点和难点[33]。鞠阳等人使用3D打印技术制作岩体复杂裂隙结构试件，用以研究岩石应力场情况。首先对天然煤岩进行断层扫描获得了煤岩裂隙的三维数据，对这些数据进行三维重构重建煤岩的3D数字模型，将其调整格式并输入3D打印机打印了煤岩的高精度复制件。将这些复制件与真实煤岩一起进行了后续应力场相关实验。实验结果表明：3D打印技术制备的裂隙复制件的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比等力学性能指标接近于天然裂隙煤岩[34]。使用3D打印得到的岩石试件，不仅在外形上与实物一致，只要选用合适的打印材料，可以达到试件与实际岩石在物理性质上的统一。

3 展望

现阶段的3D打印技术在油气资源的应用主要体现在油气储层评价方面，作为一种指导和预测手段辅助油气资源的开发。 随着3D打印技术的发展，未来在石油领域的应用研究可围绕以下方面展开。

首先，3D打印可应用于仪器、工艺的创新性设计和开发，例如改进热交换器，反应器，阀和机械零件的设计[35]。石油装备制造涉及物探测井、钻井采油、石油输运和炼油化工等一系列工业体系，是确保油田安全生产、提高单井产量的前提。在采油装备的设计和优化过程中，利用3D打印可便利地制造仪器或设备原型。原型是指模拟某种产品的原始设计，在开发过程中快速建立的能够反映系统最终需求的早期版本。在需求分析阶段，将最主要的关注热点通过简单的初始设计实现，并利用3D打印技术快速制造实物原型，投入系统使用，利用来自原型的反馈，加深对系统的了解，使用3D打印技术对初始设计进行补充和优化，消除不协调因素，缩短设计周期，降低研发成本，从而获得完整的、现实可行的优化方案和设计[36]。

其次，在石油勘探开发前期，3D打印将作为补充方法为开展成岩成因机理、沉积学理论、岩石声学物理测量等基础问题的研究提供实验手段。随着科技的不断发展，3D打印的成型精度将进一步提高，通过3D多材料打印技术实现实验试件内部成分与实物的匹配，而不仅仅是结构的复制，能够确保实验结果的可信度。根据研究需要，三维数字模型的设计可做人为调整，针对特定研究目的设计特殊的结构，使用常规的技术手段检测，从中总结规律，探索和完善油气储层尤其是非常规油气储层的成岩机制、岩石物质组成、沉积相沉积环境、内部孔喉结构分布及流体流动规律、岩石力学声学的物理响应机理、解释方法及含油气性评价方法。

第三，3D打印为优化储运系统、强化储运安全管理、避免环境污染提供理论依据。油气储运是连接石油工业生产、运输、化工、销售各环节的纽带。储运系统尤其是输油管道的设计主要取决于流体物理性质[37]，3D打印技术的引进将为流体的复杂性质研究带来便利；在投产前，利用3D打印技术对石油运输管道的直径、壁厚、压力、钢材等级进行模拟测试；研究不同材质、设计制造对管道的腐蚀与防护、油气运输损耗等安全方面的影响[38，39]，完善系统性能，确保安全生产，减少环境污染，降低输运过程的投资运营费用，提高产业价值。

最后，3D打印用于研究石油冶炼过程中的催化剂制造、设备腐蚀的防治措施、评价油品成焦、成漆、防锈等关键性能。催化剂的裂化活性、稳定性及再生性能直接影响炼油加工的效率，油品储罐的腐蚀关系到综合效益及生产安全，针对油品评价的运动粘度、水分、闪点、凝点和倾点、硫含量、密度、馏程、酸碱值等常规检测是油品劣化的重要报警指标，可判断油品馏分组成的轻重以及用油的正确性。3D打印结合常规技术手段，可推动石油产业链的基础理论和技术研究。

经过几十年的发展，3D打印机的价格已经有了明显的下降，目前市售的价格在5000元人民币左右的桌面3D打印机精度已经达到100μm，并且随着技术的发展，3D打印机更加精准快速，价格也将进一步降低，这使得3D打印技术的普及和在油气评价中的广泛应用具备切实的可行性。

3D打印技术与石油领域的结合是具有创新性和前瞻性的，3D打印技术在解决储油地质研究中的问题时将发挥出其独具的优势，扫清由于存在尺度问题和复杂结构给相关研究带来的障碍，促进储油地质的研究进程。

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APPLICATIONS AND PROSPECT OF 3D PRINTING FOR OIL-GAS RESOURCES EVALUATION

Guan Limei Zhan Honglei Zhu Jing Zhao Kun

(Beijing Key Laboratory of Optical Detection Technology for Oil and Gas, China University of Petroleum, Beijing 102249)

3-Dimensional printing is an advanced additive manufacturing technology,which has been widely used in mold manufacturing, education, medicine and other fields. It also shows high research value in the field of petroleum exploration and development. This article introduces 3D printing technology and its applications in the related fields. In particular, we illustrate three applications in oil and gas evaluation, including geological modeling, pore connectivity evaluation of reservoir rock, mechanics study of rock joints and cracks. In addition, several future applications of 3D printing were suggested in equipment innovation design, exploration,the transportation of oil and gas, and its prospect in the evaluation of oil product.

3-Dimensional printing; oil-gas resource; reservoir; additive manufacturing

2016-05-27；

2016-08-08

国家重大科学仪器开发专项基金资助项目(2012YQ140005)和国家自然科学基金资助项目(11574401)。

管丽梅，女，在读硕士研究生，研究方向为3D打印及应用,lmguan6546459@126.com;詹洪磊，男，在读博士生，研究方向为纳米岩石物理和3D打印技术,hlzhan@126.com;祝静，女，在读硕士研究生，研究方向为纳米岩石物理,13126692322@163.com。

赵昆，男，教授，研究方向为增材制造及油气光学工程,zhk@cup.edu.cn。

管丽梅，詹洪磊，祝静，等. 3D打印技术在油气资源评价中的应用及展望[J]. 物理与工程，2017，27(1)：77-83.