新聞科研進展
精確表征巖石微觀孔隙結構，探尋微觀孔隙結構與流體運移、巖石力學性能的內在關聯，是地下油氣儲備與開發的核心科學問題。作為一種不透明的非均質多孔介質材料，巖石內部的應力分布及流體輸運過程難以得到直觀、準確的表征。3D打印巖心旨在提供一種與天然巖石微觀孔隙結構特征一致、力學性能相似的人造巖心制備技術。
中國科學院武漢巖土力學研究所油氣地下儲備與開發研究中心科研人員聯合西南科技大學、西南石油大學相關研究人員，在巖石高精度3D打印及其滲流、力學特性原位實驗研究方面取得進展：
1) 提出了一種利用3D打印和微CT成像技術實現致密砂巖復雜孔隙結構定量表征和多相流體輸運特性的可視化研究方法。研究團隊利用新型的面投影微立體光刻技術實現了致密砂巖孔隙模型的原位尺度打印（~2μm光學分辨率），再現了致密砂巖復雜孔隙系統的三維拓撲結構特征與空間連通性（如圖1所示）。實現了3DP巖心CT圖像與原始樣品CT圖像的自動配準，并采用SSIM和PSNR指標量化了3DP巖心孔隙結構特征與原始巖樣間的差異性；對比分析了3DP巖心與數字巖心（DRP）模擬得到的孔徑分布（PSD）、孔隙度和絕對滲透率的差異；結合原位CT成像技術開展了3DP巖心可視化CO2驅油實驗，并與實驗基準數據進行了對比分析（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，采用粘結劑噴射（BJ）和選擇性激光固化（SLC）技術制備了三種類型的3DP巖心。結合原位微X射線計算機斷層掃描（X-CT）和數值模擬技術研究了單軸壓縮試驗中3DP巖心的力學性能和裂縫擴展機制，對比分析了3D打印工藝導致的力學非均質性。結果表明：所制備3DP試樣的力學強度通常弱于天然巖石，裂紋起裂始于其內部的弱膠結結構，破壞后裂紋的擴展模式以區域斷裂帶為主，因而容易呈現一定的力學非均質性。結合數值模擬的反演結果表明：3D打印巖心的弱膠結部分的粘聚力約為正常膠結部分的一半，殘余粘聚力約是破壞前的0.2倍。
相關研究成果以“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，分別發表在期刊Energy和Powder Technology上。研究工作獲得國家自然科學基金（52241602、51909225）、湖北省自然科學基金（2022CFB400）和四川省自然科學基金（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構的對比分析.(a)基于偏光顯微鏡和CT成像得3DP巖心孔隙結構表征；(b)基于圖像校準的3DP巖心與原始巖心孔隙結構拓撲形態特征的對比分析；(c)孔隙結構特征參數的計算與分析
圖2. 3D打印巖心的CO2驅油可視化實驗
圖3. 3D打印樣品及其變形—破裂可視化實驗及模擬結果