精确表征岩石微观孔隙结构，探寻微观孔隙结构与流体运移、岩石力学性能的内在关联，是地下油气储备与开发的核心科学问题。作为一种不透明的非均质多孔介质材料，岩石内部的应力分布及流体输运过程难以得到直观、准确的表征。3D打印岩心旨在提供一种与天然岩石微观孔隙结构特征一致、力学性能相似的人造岩心制备技术。

　　中国科学院武汉岩土力学研究所油气地下储备与开发研究中心科研人员联合西南科技大学、西南石油大学相关研究人员，在岩石高精度3D打印及其渗流、力学特性原位实验研究方面取得进展：

　　1) 提出了一种利用3D打印和微CT成像技术实现致密砂岩复杂孔隙结构定量表征和多相流体输运特性的可视化研究方法。研究团队利用新型的面投影微立体光刻技术实现了致密砂岩孔隙模型的原位尺度打印（~2μm光学分辨率），再现了致密砂岩复杂孔隙系统的三维拓扑结构特征与空间连通性（如图1所示）。实现了3DP岩心CT图像与原始样品CT图像的自动配准，并采用SSIM和PSNR指标量化了3DP岩心孔隙结构特征与原始岩样间的差异性；对比分析了3DP岩心与数字岩心（DRP）模拟得到的孔径分布（PSD）、孔隙度和绝对渗透率的差异；结合原位CT成像技术开展了3DP岩心可视化CO2驱油实验，并与实验基准数据进行了对比分析（如图2所示）。

　　2) 以石英砂（SS）、石膏粉（GP）和覆膜石英砂（CSB）为基质，采用粘结剂喷射（BJ）和选择性激光固化（SLC）技术制备了三种类型的3DP岩心。结合原位微X射线计算机断层扫描（X-CT）和数值模拟技术研究了单轴压缩试验中3DP岩心的力学性能和裂缝扩展机制，对比分析了3D打印工艺导致的力学非均质性。结果表明：所制备3DP试样的力学强度通常弱于天然岩石，裂纹起裂始于其内部的弱胶结结构，破坏后裂纹的扩展模式以区域断裂带为主，因而容易呈现一定的力学非均质性。结合数值模拟的反演结果表明：3D打印岩心的弱胶结部分的粘聚力约为正常胶结部分的一半，残余粘聚力约是破坏前的0.2倍。

　　相关研究成果以“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”为题，分别发表在期刊Energy和Powder Technology上。研究工作获得国家自然科学基金（52241602、51909225）、湖北省自然科学基金（2022CFB400）和四川省自然科学基金（2022NSFSC1161）的共同资助。

　　论文链接：

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544222021156

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032591023000244

图1. 3D打印岩心与天然岩心微观孔隙结构的对比分析.(a)基于偏光显微镜和CT成像得3DP岩心孔隙结构表征；(b)基于图像校准的3DP岩心与原始岩心孔隙结构拓扑形态特征的对比分析；(c)孔隙结构特征参数的计算与分析　　

图2. 3D打印岩心的CO2驱油可视化实验

图3. 3D打印样品及其变形—破裂可视化实验及模拟结果