賈 朋，孫 峰，薛世峰，房 軍，朱秀星

(中國石油大學(xué)(華東)儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

實踐教學(xué)環(huán)節(jié)對于培養(yǎng)學(xué)生動手能力、科研能力和創(chuàng)新能力尤其重要[1]。基礎(chǔ)知識的驗證實驗可加深學(xué)生對基本概念與知識的理解，在一定程度上訓(xùn)練了學(xué)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(xué)改革中對培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力和創(chuàng)新能力的要求。為此，將實驗教學(xué)與科研相結(jié)合，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新實驗。

自主創(chuàng)新實驗過程中涉及某些工具、零件的設(shè)計與加工。傳統(tǒng)的機加工模式需要學(xué)生具有專業(yè)的機械設(shè)計、制造工藝基礎(chǔ)才能將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為零件加工圖紙進(jìn)行加工，周期長、迭代速度慢。3D打印是一種以三維數(shù)字形式構(gòu)造物理對象的快速成型技術(shù)，已經(jīng)在航天、軍工、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了應(yīng)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(shè)備向易于操作、普及型教學(xué)與家用設(shè)備方向發(fā)展[7]。利用3D打印技術(shù)可直接根據(jù)三維CAD模型進(jìn)行零件制造而不需將其轉(zhuǎn)換成專業(yè)的零件圖紙，并且可以形成復(fù)雜形狀、對制造工藝的可行性要求較低。

目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)在石油工程的教學(xué)與科研中得到了應(yīng)用，比如，在實驗教學(xué)中應(yīng)用CT掃描和3D打印技術(shù)來制造數(shù)字巖心，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[8-10]。本文針對水力壓裂模擬實驗中存在的問題，結(jié)合3D打印精準(zhǔn)、全息快速成型的特點，擬采用3D打印技術(shù)來實現(xiàn)不同孔眼形態(tài)、方位、傾角的射孔井實驗?zāi)Ｐ椭谱?。所制作的模型可兼顧巖心試樣強度和射孔位置精準(zhǔn)的需求，也可使學(xué)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(xiàn)象，調(diào)動其主動思考、探究物理現(xiàn)象本質(zhì)的積極性。

1 復(fù)雜井筒模擬巖樣的制作方法

油氣藏開發(fā)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(chǎn)生的一種新型完井措施。與常規(guī)射孔螺旋布彈方式(見圖1(a))不同，定面射孔技術(shù)采用特殊的布彈方式，射孔后，套管內(nèi)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(fù)雜井筒結(jié)構(gòu)示意圖

射孔孔眼排布可改變近井筒地應(yīng)力分布，進(jìn)而控制近井筒裂縫的走向。為了探究射孔參數(shù)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(jìn)行射孔，該方法在射孔后容易導(dǎo)致試樣破碎；采用硬殼紙卷等介質(zhì)形成射孔孔道后再澆筑水泥巖樣，該方法形成的介質(zhì)與孔道的界面效應(yīng)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(xiàn)射孔角度、形態(tài)的精確控制；采用可彎折的韌性細(xì)條狀材料，從井口伸入，在射孔處彎折伸出，待澆筑的巖樣達(dá)到預(yù)設(shè)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(xiàn)射孔幾何參數(shù)的準(zhǔn)確控制。

為解決上述問題，本文首先根據(jù)射孔形狀和角度利用三維造型軟件設(shè)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(jìn)行蠟質(zhì)射孔的制作；待蠟質(zhì)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(nèi)澆筑水泥試樣；將水泥試樣養(yǎng)護(hù)預(yù)定時間之后，向井筒內(nèi)通入循環(huán)熱水加熱融化蠟質(zhì)射孔并將其沖洗干凈；最后進(jìn)行水力壓裂實驗，觀察射孔形態(tài)。

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(jù)模型的使用條件選擇相應(yīng)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(jìn)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(gòu)把絲狀A(yù)BS(或PLA)送進(jìn)熱熔噴頭，將材料加熱至熔化狀態(tài)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(jù)射孔參數(shù)設(shè)計3D模具。根據(jù)現(xiàn)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(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)射孔的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用Solidworks軟件設(shè)計射孔模具。本文以定面射孔為例，設(shè)計了射孔模具，如圖2所示。

(2)射孔模具的3D打印。將設(shè)計的射孔模具輸出為STL格式，導(dǎo)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(yīng)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?zāi)Ｐ托?、水溶性型芯。相對而言，水溶性型芯的配方與制造工藝復(fù)雜，而蠟?zāi)Ｐ托揪哂胁牧先菀兹〉?、制作工藝簡單的?yōu)勢。本文采用蠟?zāi)Ｐ托?。具體制作工藝(見圖5)如下：

① 為了解決蠟?zāi)Ｐ托敬嬖诘膹姸鹊?、試樣澆注過程中容易折斷的問題，在蠟?zāi)沧⒅?，先從模擬井筒的射孔中穿出幾根細(xì)鐵絲，然后將3D打印的模具套在模擬井筒上，并使細(xì)鐵絲落在模具的射孔內(nèi)，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(nèi)，到達(dá)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?zāi)沧⒌娜萸弧?/p>

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(nèi)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(yǎng)。

(5)脫蠟形成射孔孔道。先將細(xì)鐵絲抽出，翻轉(zhuǎn)試樣使井筒水平放置。然后，向井筒內(nèi)插入細(xì)管，泵入循環(huán)熱水。熱水從細(xì)管內(nèi)進(jìn)入井筒，然后從環(huán)空流出，使蠟熔化，并隨循環(huán)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(huán)熱水，邊振動。

(a)套模具

(b)澆蠟

(c)拆除模具

(d)蠟質(zhì)射孔最終形態(tài)

3 結(jié)果分析

射孔井試樣制作完成后，向射孔井內(nèi)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(jié)果表明蠟的殘留量很小，對射孔內(nèi)流體的流動影響很小。

圖6 試樣開裂后射孔形貌

4 結(jié) 語

利用3D打印技術(shù)制作復(fù)雜井筒模擬巖樣的實驗教學(xué)，使學(xué)生對復(fù)雜井筒的結(jié)構(gòu)有了更直觀的認(rèn)識，鍛煉了學(xué)生針對復(fù)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(xué)活動，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和探索精神。