Исследователь из Техасского университета A&M разработал новый подход, основанный на 3D-печати, для точного моделирования гидравлического разрыва пласта или процесса добычи нефти и природного газа (фрекинга).
Работая с местным исследовательским университетом Colorado School of Mines, инженеру Габриэлю Татману удалось разработать чёткие печатные модели, которые показывают влияние расходных материалов, используемых во время гидроразрыва пласта, явления, обычно скрытого от глаз.
Предполагается, что эти модели, созданные с использованием данных о трещинах горных пород, полученных с реальных участков бурения нефтяных скважин, могут раскрыть ранее не наблюдавшееся поведение гидравлического разрыва пласта и, в конечном итоге, позволят отраслевым компаниям оптимизировать свои усилия по добыче нефти и газа.
«Мы можем моделировать поверхности разломов, используя общие геостатистические подходы, учитывающие характеристики конкретного пласта», — пояснил Татман. «С помощью 3D-печати мы можем создавать физические версии этих смоделированных поверхностей для экспериментальных приложений».
«МЫ НЕ ПЕРВЫЕ, КТО ПЕЧАТАЕТ ПОВЕРХНОСТИ КАМНЕЙ НА 3D-МАШИНЕ, НО МЫ ПЕРВЫЕ, КТО ВЫПОЛНЯЕТ 3D-ПЕЧАТЬ СМОЛОЙ ДЛЯ ЭТОГО КОНКРЕТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ».
По сути, «фрекинг» описывает процесс добычи, в котором бурение используется для доступа к обширным ресурсам сланцевой нефти и газа под водой. Чтобы эффективно извлекать это топливо из сланцевой породы, воду, заполнители и химикаты необходимо нагнетать в подводные пласты под высоким давлением, что, по мнению критиков, может нанести долговременный ущерб окружающей среде.
Как только этот начальный этап завершен, песчинки разного размера, называемые «проппантами», смываются в трещины, созданные в виде суспензии, чтобы удерживать их открытыми, чтобы нефть и газ могли течь в скважину. Кроме того, так называемые «отклонители», изготовленные из растворимых/извлекаемых химических или механических материалов, также, как правило, используются для стратегического блокирования путей расклинивающего наполнителя и помогают направлять добытые ресурсы.
Помимо воздействия гидроразрыва на окружающую среду, эта практика остается жизненно важной для запасов нефти во многих странах: Управление энергетической информации США (EIA) оценивает, что в 2020 году 65% сырой нефти в стране было получено из сланца. Однако по самой своей природе механика гидроразрыва пласта происходит глубоко под землей, что затрудняет ее полное понимание и совершенствование.
Чтобы лучше понять горные породы, Татман начал играть с идеей использования 3D-печати еще будучи студентом, когда ему удалось создать отливку, содержащую сложную структуру канала потока, растворённого в кислоте. Впечатленный его работой, профессор A&M из Техаса Дин Чжу призвал своего студента проверить потенциал подхода в дальнейших исследованиях, что в конечном итоге привело к открытию его модели добычи полезных ископаемых.
Став аспирантом, Татман сумел применить свой процесс печати горных пород для имитации гидроразрыва пласта, производя четкие образцы с детализацией поверхности трещин микрометрового уровня. Когда проппант и отклонитель пропускаются через эти модели, можно впервые напрямую наблюдать за их поведением, что его коллеги из Техасского A&M назвали «новаторским» для добычи сланца.
По сравнению с существующими исследованиями «проводимости» потока проппанта, которые часто основаны на использовании стандартного лабораторного оборудования, подход исследователя, как утверждается, дает более реалистичные модели поверхности трещины, которые потенциально можно использовать для изготовления форм, способных производить воспроизводимые испытания цемента, структур и, в конечном итоге, достижение более стабильных результатов экспериментов по гидроразрыву пласта.
Признавая, что характеристики трещин имеют тенденцию различаться в каждой сланцевой формации, Татман говорит, что его подход в конечном итоге будет использован для помощи в будущих исследованиях путем создания базы данных поведения проппанта для разных коллекторов.
На самом деле, инженер также считает, что 3D-печать может быть развернута аналогичным образом в других областях, таких как понимание поведения закупоривающих агентов в геометрии червоточин, сформированных в резервуарах, обработанных кислотой, однако, в то время как Тэтман гордится своим вклад в проект, теперь он собирается заняться постоянной работой в отрасли.
«(За) последние пять лет уровень развития, наблюдаемый в мире 3D-печати, был феноменальным», — заключил Татман. «3D-печать — это то, чем я увлекаюсь еще со школы. Я действительно горжусь тем, что могу совместить хобби с исследовательской стороной и интегрировать их в нечто продуктивное».
Из-за удаленного характера морских горных работ нефтегазовые компании все чаще обращаются к 3D-печати для производства запасных частей и обеспечения своих планов бурения. Protolabs, например, выпустила в прошлом году свой отчет «Время принятия решений», в котором было обнаружено, что до 83% отраслевых фирм теперь могут использовать 3D-печать таким образом.
Поставщик энергетических услуг Hunting PLC также признал потенциал технологии в нефтегазовом секторе, приобретя 27% бюро 3D-печати Cumberland Additive. При этом фирма сделала свой первый шаг в сектор аддитивного производства, и, как говорят, она рассматривает приобретенные технологии как совместимые с потребностями своей оффшорной клиентуры.
В Бразилии Carl Zeiss, SENAI и Petróleo Brasileiro (Petrobras) также работают над продвижением применения 3D-печати металлом в нефтегазовой отрасли страны. В течение следующих 18 месяцев или около того компании намерены проверить новые методологии DED и PBF для производства критически важных промышленных компонентов, уделяя особое внимание роли старения и деградации порошка в формировании дефектов.