基于3D打印技术的石油运聚实验教学研究

摘  要：地下的原油运移和聚集成藏是石油高校的核心教学内容。由于单纯理论授课和缺少实物模型模拟实验，导致学生对石油在地下的运移机理和聚集模式认识模糊，因此需要借助高科技手段进行尝试和探索。作者利用3D打印技术完成教材中的经典石油运聚模式，以差异聚集模型、断层运移模型和盖层封闭模型为例，注入油气观察实验过程和分析原油运聚模式，阐述3D打印技术与石油专业实验教学的交叉融合。经实践证明，该研究可以为石油地质核心课程提供典型的实验教学内容，突破学生对抽象油气运聚模式的理解瓶颈，不仅提高学生的实验兴趣，还能激发其主动探索的创新思维，对于培养学生的工程实践能力与创新能力具有重要意义。

关键词：3D打印；原油运移；创新思维；石油地质学；实验教学

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）26-0015-04

Abstract： Underground crude oil migration and accumulation are the core teaching contents of petroleum colleges and universities. Due to the simple theoretical teaching and the lack of physical model simulation experiment， students have a vague understanding of the underground migration mechanism and accumulation mode of oil， so it is necessary to try and explore with the help of high-tech technical means. The author applied 3D printing technology to complete the classic oil migration and accumulation mode in the textbook，and takes differential accumulation model， fault migration model and cap seal model as examples to observe the experimental process of oil injection and analyze the crude oil migration and accumulation model， and expounds the cross integration of 3D printing technology and experimental teaching of petroleum major. The practice has proved that this study can provide typical experimental teaching content for the core courses of petroleum geology， break through the bottleneck of students'understanding of abstract oil and gas migration and accumulation mode， not only improve students' interest in experiments， but also stimulate their innovative thinking of active exploration， which is of great significance for cultivating students' engineering practice ability and innovation ability.

Keywords： 3D print; oil migration; innovative thinking; petroleum geology; experimental teaching

3D打印技术也被称作快速成型技术，诞生于20世纪80年代后期，是一种新型的制造和加工工艺，以数字模型（3D设计文件）为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过3D打印机，逐层打印的方式来构造物体的制造技术[1-2]。由于其在产品设计、生产、应用等领域的广泛性得到快速发展，并逐步向工业生产领域过渡，它被誉为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”[3-5]。作为前沿热点制造技术，3D打印技术已逐步应用于航天、军工、石油和医疗等领域[3-6]。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，使钻井成功率明显提高，克服了世界性难题，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。实验教学内容和方法改革要紧跟工业界发展形势，因此3D打印实验教学也将在教育领域的手段和思维方面带来重大变革[6-7]。实体模型是实验研究最直接有效的工具，3D打印技术制作模型具有可个性化设计，制作过程相比于传统工艺简便，生产周期短等优势，在培养学生自主学习能力和创新实践能力等方面能起到关键的作用[8-10]。2012年，《教育部、财政部关于实施高等学校创新能力提升计划的意见》（教技〔2012〕6号）明确指出改进和加强工科专业大学生创新创业教育，着重培养大学生创新思维和工程实践能力。原油和天然气作为能源战略的核心，各个国家均已认识到人才培养和队伍建设是油气勘探的首要任务，高层次应用型人才成为了重要竞争力，因此深入研究如何将高新技术融入到实验教学和培养学生的自主创造能力具有重要的现实意义。

一  3D打印技术在石油地质教学中的重要意义

石油的赋存条件和产出状态以及油藏的富集分布规律是指导石油勘探和开发的理论基础[11]，搞清楚油气藏形成和分布规律对石油勘探有非常重要的意义。地质学家对石油与天然气在地下究竟是怎样运移和形成油气藏的认识并不十分准确[12-13]，地下石油运移和聚集成藏往往需要经历百万年的时间，地质学家很难直观地观测到石油的运移方向和聚集模式，目前主要依靠实验分析化验数据进行推测。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，在石油勘探开发前期，3D打印将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[10]。目前正在探索和完善油气储层成岩机制、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[14]。在课堂教学中石油的运移和聚集过程显得非常抽象且空洞，同学们普遍反映在学习过程中存在困难。

近年来，培养掌握石油地质工程专业理论知识，具有较强解决实际问题能力的创新复合型人才成为石油高校教育研究重点。学生创新创业教育是工科专业重中之重，培养大学生创新思维和工程实践能力需要加强。实验教学对于培养学生自主学习能力和创新实践能力等方面起着关键作用[15-16]，在培养大学生自主学习动手实践能力、激发创新思维方面起到至关重要的作用。通过对国外高校相关专业人才培养方案调研，各知名高校培养方式多样化，更侧重于个人与团队合作能力的塑造，目的直接指向现代工业的需求，随着在校学生规模的不断扩大以及优质科研资源的快速积累，如何提高自主设计实验比例、及时将石油开发新技术融入到实验教学中、积极探索石油专业实验教学新模式成为学校实验教学适应创新人才培养需求的研究热点[17-18]。本次研究通过将3D打印技术引入专业地质实验教学中，使地下油气藏由“想象”变为“现实”。教育实践证明，3D打印技术的研究型实验教学新模式不仅能够帮助学生理解教材中的概念模型，还极大地提高了学生实验兴趣，激发学生主动探索的创新思维，对于培养学生的工程实践能力与创新能力具有重要意义。

二  3D打印技术在实践教学中的应用

石油在地下运移和聚集的模型有很多，在《石油地质学》课本及油田实际勘探中，石油有多种运移通道和油气聚集模式。选择什么样的模型让学生能在有限的时间内完成，且便于后期直观的实验观察，综合各种因素考虑，本次研究选取三种较简单又具有代表性的模型进行研究。实验绘图用到SOLIDWORKS机械制图软件，3D打印耗材为PLA材料，3D打印机型号为创想三维CR-5060。

（一）  油气差异聚集实验

油气的差异聚集原理是石油地质学课程中油气运移的重点内容，如图1（a）所示在区域性的倾斜背景下，连通的储集层存在一系列溢出点海拔依次增高的圈闭，则会形成油气差异聚集现象。在油田勘探过程中，也发现较多的此类油气运移聚集模式，由下往上分别为纯气藏、油气藏、纯油藏。学生通过软件绘制出模型示意图，并通过3D打印机打印出模型进行组装，模拟地质条件，最后进行注油和注气实验（图1（b）），第一阶段在模型底部慢慢充注原油，原油首先冲满第一个圈闭，持续充注，原油依次冲满2号、3号、4号圈闭，整个过程可清晰地观察到原油的运移过程。第二阶段充注气体，发现气体的运移与实验充注的速度有关系，观察实验现象，得出与油田实际勘探中相似的结论。实验过程中也存在与教材有出入的情况，给实验人员留下思考的空间，为进一步实验设计奠定基础，培养学生的动手能力和创新思考能力。

（二）  断层运移实验

断层中石油运移模型能非常直观地观察石油的运移过程。当地下构造活动强烈，岩层所受的力超过了岩层所能承受的强度，岩体就会破裂，只有当断裂两侧的岩体沿断裂面发生明显的错动和位移时，称之为断层（图2（a））。断层是油气运移的主要通道和高速通道，但是断层也可以封堵油气形成断层圈闭油气藏[13]。断层相对于油气的运移和封堵是油气地质学家研究的重难点，可利用不同角度的断层模型实验，探讨不同产状断层对石油运移和聚集的影响因素。实验过程比较简单，在断层底部注入原油，原油沿着断层往上运移，观察不同角度断层对原油的不同疏导作用（图2（b））。断层角度较小，原油沿着断层全部运移到储层中，并没有沿着断层顶部散失。断层角度稍大时，部分原油沿着断层运移到储层中，部分原油沿着断层顶部散失。断层角度调高，大部分原油沿着断层顶部流失，几乎很少原油能运移到储层中。本次实验效果较好，能够清晰地观察到原油运移的整个运移过程，考察了实际地质体中不同产状的断层对石油运移的影响。

（三）  不同孔隙封闭油气突破实验

盖层的封闭性模拟实验模型石油勘探中盖层的封闭能力非常重要，地下储集层中的原油具有浮力向上运动的趋势，需要不渗透层向上盖住才能保证油气得以保存不至于散失掉，这样的不渗透层就是盖层，即盖层为油气藏保存的保护层[12]。盖层也具有一定的孔隙，原油受到油水界面张力引起的毛细管力而被封闭在储层中（图3（a）），盖层毛细管力的大小与毛细管半径和润湿角有关系，盖层的孔隙半径越小，封闭能力越强。本次实验重点测试不同半径的盖层对原油和气体的封闭能力，打印不同的锥形模型，锥形模具中分别为不同半径的连通孔（图3（b）），将大孔模型放入透明水槽中，慢慢注入水，可观察到模型中的水与水槽中的水上升速度相同，直到水全部淹没模型，模型中没有气体，说明大孔对气体没有封闭能力。继续在模型底部注入原油，原油沿着模型底部向上运移，当原油在模型充注的厚度越来越高时，原油开始往外渗流，直到剩下约1 cm的油柱，说明大孔产生的毛细管力不能封闭天然气，只能封闭少量的原油。采用相同的方法对小孔模型进行实验，发现小孔模型上部为气体，下部为原油，说明小孔模型不仅能封闭气体，还能封闭更高的油柱。本实验模具能够分析不同孔隙半径的盖层对原油的封闭高度，依此分析不同半径的盖层对原油和气体的封闭能力。