Ключевые слова: аддитивная технология, 3D-печать, скважинный фильтр, фильтрующий элемент, пескопроявление, механические примеси, гироидная структура, трижды периодическая поверхность минимальной энергии.
Аддитивные технологии стремительно развиваются и внедряются во все отрасли, вытесняя традиционные технологии, поскольку позволяют изготовить функциональные изделия, которые не уступают по своим эксплуатационным свойствам продукции, выпущенной серийно с применением традиционных технологий. Изделия, изготовленные с использованием аддитивного технологического процесса, широко применяются в ряде отраслей, в том числе и нефтегазовой, благодаря экономии исходного сырья, возможности безотходной переработки изделий после истечения срока эксплуатации, а также доступности и дешевизны полимерного сырья. Кроме того, возможна мгновенная передача на производство 3D-модели детали по сети в любую точку мира. Использование методов аддитивного (послойного) наращивания позволяет получать материалы со сложной структурой, к которым относятся проницаемые изделия, нашедшие широчайшее применение во многих отраслях промышленности.
Данная статья посвящена применению аддитивного технологического процесса для разработки скважинного фильтра с целью предотвращения попадания механических примесей в добываемую продукцию. Для предотвращения пескопроявлений принято выделять химические, физико-химические, механические (физические) методы и их комбинации (комбинированный метод) [3] (табл. 1). В статье центральное внимание уделено механическому методу, заключающемуся в оснащении добывающих скважин противопесочными фильтрами. Существует классификация [5] фильтров, основанная на принципе устройства фильтрующего элемента: намывные гравийные, щелевые, проволочные и перфорированные фильтры.
ТАБЛИЦА 1. Методы предотвращения выноса механических примесей
Материалы с гироидной структурой заполнения
Для разработки материалов с прогнозируемыми свойствами на макроструктурном уровне применяются трижды периодические поверхности. Изготовление материалов с упорядоченной структурой трижды периодических минимальных поверхностей стало доступно ввиду активного развития аддитивных технологий.
Структуры с топологией трижды периодической поверхности минимальной энергии (ТППМЭ) состоят из повторяющихся элементов с минимально возможной площадью. Представителями данных поверхностей являются гироиды, обладающие трижды периодической структурой, т. е. периодичностью вдоль трех осей. Параметры периодичности можно варьировать в зависимости от целевых свойств получаемого объекта [1]. На рис. 1 представлена структура с топологией ТППМЭ со следующими параметрами: ширина линии 0,5 мм, плотность 7% (параметры при проектировании). Гироиды могут быть описаны тригонометрическим уравнением (1):
sin(x) ∙ cos(y) + sin(y) ∙ cos(z)+ sin(z) ∙ cosx = t, (1)
Где: где x, y, z – координаты декартовой системы координат; t – параметр.
РИСУНОК 1. Структура с топологией трижды периодической поверхности минимальной энергии – гироид
Существует ряд работ, целью которых стало изучение свойств материалов с топологией ТППМЭ. Материалы с гироидной структурой заполнения сочетают низкую массу и высокие удельные механические характеристики, в связи с чем они могут найти применение во многих отраслях, в том числе нефтегазовой. Учитывая достоинства данных проницаемых структур, целесообразно изготавливать фильтрующие элементы с гироидной структурой для предотвращения попадания механических примесей в добываемую жидкость. Ключевыми задачами являются анализ главных полимерных материалов на рынке аддитивных технологий и выбор полимера для изготовления фильтрующих элементов.
Анализ полимерных материалов и выбор полимера для изготовления фильтрующих элементов
Полимер должен обладать термостойкостью, химической стойкостью к составу флюида, высокими прочностными и износостойкими характеристиками. Целесообразно рассматривать распространенные полимеры, чтобы не сталкиваться с логистическими проблемами.
В качестве материала для изготовления фильтрующего элемента стоит рассматривать полимеры: полилактид (PLA), акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) и полиамид, поскольку они по-прежнему остаются главными полимерными материалами на рынке аддитивных технологий [4].
Полилактид не применяется для производства сильно нагруженных деталей, обладает низкой износостойкостью, биоразлагаем. Кроме того, полимер размягчается при температуре около 60 оС и неустойчив к воздействию нефти. Полилактид – один из самых дешевых полимеров для 3D-печати, настройка печати данным полимером не требует много времени. PLA обладает низкой усадкой при печати.
Акрилонитрилбутадиенстирол применим для производства средненагруженных деталей, эксплуатирующихся при неинтенсивных нагрузках. Данный полимер сохраняет свои свойства до 90 оС, нестоек к ароматическим углеводородам, кетонам и сложным эфирам. Стоимость акрилонитрилбутадиенстирола несколько выше, чем у полилактида. При печати данным полимером требуется подогреваемый рабочий стол, поскольку он склонен к значительной усадке. 3D-модели из ABS долговечны, влагостойки, нежелательно попадание на них ультрафиолета [2].
Полиамид применим для изготовления высоконагруженных деталей, эксплуатирующихся в условиях интенсивного износа. Стоимость полиамида выше, чем у ранее рассмотренных полимеров. Перед 3D-печатью необходима сушка филамента, поскольку полиамид гигроскопичен [4]. Полиамидные детали устойчивы к воздействию нефтепродуктов и могут эксплуатироваться без снижения механических свойств до 100-115 оС.
Анализ показал, что оптимальным вариантом полимера для изготовления фильтрующих элементов является полиамид.
Проектирование и изготовление фильтрующих элементов
Проектирование опытного образца фильтрующего элемента кубической формы с гироидной структурой без граничных стенок реализовано в системе автоматизированного проектирования КОМПАС-3D, а также современных программных продуктах, которые позволяют выбирать варианты заполнения спроектированной формы различными структурами. Для создания различных по размеру пор в структуре использован параметр «плотность», т. е. степень заполнения. Вторым ключевым параметром при проектировании является ширина линии, т. е. размер нити, выдавливаемой из сопла экструдера при 3D-печати [1].
Анализ рис. 2 показал, что при одинаковой степени заполнения, для получения более высокой степени очистки от механических примесей целесообразно применять фильтрующий элемент, напечатанный с использованием полимерной нити меньшего диаметра, выдавливаемой из сопла экструдера 3D-принтера. В то время как при одинаковом размере линии при печати для более тонкой очистки следует применять фильтрующий элемент с наибольшей степенью заполнения. Для первоначальной настройки диаметра фильтрационных каналов, учитывая гранулометрический состав выносимых механических примесей, стоит применять параметр «плотность», т. к. изменение данного параметра с шагом 10% вносит больший вклад в изменение размера фильтрационных каналов, нежели изменение параметра «ширина линии» с шагом 0,1 мм. Параметр «ширина линии» целесообразно применять во вторую очередь для более тонкой настройки диаметра каналов.
РИСУНОК 2. Первый слой гироидной структуры при печати
a – ширина линии 0,2 мм, плотность 10%; б – ширина линии 0,2 мм, плотность 20%; в – ширина линии 0,3 мм, плотность 10%; г – ширина линии 0,3 мм, плотность 20%
Технология 3D-печати позволяет создавать проницаемые структуры. Изготовление опытных образцов фильтрующих элементов предлагается с использованием аддитивной технологии 3D-печати по методу FDM (послойное наплавление полимерной нити). Данный метод печати является самым используемым и занимает первое место среди всех методов печати, поскольку прост и доступен. Суть метода заключается в продавливании расплавленного материала из сопла, создавая заданное изделие слой за слоем. Для изделий, напечатанных методом FDM, характерна анизотропия свойств.
С целью создания различных по размеру каналов изготовлены кубические образцы с длиной ребра 30 мм со степенью заполнения 40-70% (пористость 0,3-0,6 д. ед.). Все образцы напечатаны с использованием полиамидной нити диаметром 0,2 мм [1].
Определение проницаемости фильтрующих элементов с гироидной структурой
Определение проницаемости полученных фильтрующих элементов реализовано на фильтрационной установке. Проницаемость фильтрующего элемента с гироидной структурой заполнения определялась по закону Дарси в направлении координатных осей OX, OY, OZ по отдельности (рис. 3).
РИСУНОК 3. Направления фильтрации через фильтрующий элем
Определение проницаемости проводилось при ламинарном режиме потока, поскольку число Рейнольдса менее 400. В направлениях ОХ и OY значения проницаемости близки, а проницаемость по направлению OZ значительно превышает проницаемость по направлению OХ. Получена ожидаемая взаимосвязь между степенью заполнения образца и его проницаемостью: чем больше степень заполнения (настраиваемый параметр при печати), тем меньше проницаемость фильтрующего элемента (табл. 1).
ТАБЛИЦА 2. Зависимость проницаемости от степени заполнения фильтрующего элемента
Выводы
В рамках механического метода предотвращения выноса механических примесей предложено использовать фильтрующие элементы с гироидной структурой заполнения. Проектирование опытных образцов фильтрующих элементов реализовано в системе автоматизированного проектирования КОМПАС-3D, а также современных программных продуктах, которые позволяют выбирать варианты заполнения спроектированной формы различными структурами.
При выборе параметров печати на этапе проектирования фильтрующего элемента необходимо учитывать гранулометрический состав горной породы, т.е. содержание в породе разных по размеру зёрен в процентах для каждой фракции. Кроме того, при определении размеров каналов должны быть учтены такие факторы как дебит скважины, вязкость нефти, степень сцементированности коллектора, специфика кольматации фильтра. Вследствие этого фильтрующий элемент целесообразно проектировать с учетом индивидуальных условий добычи [1].
Проведен анализ главных полимерных материалов на рынке аддитивных технологий и выбор полимера для изготовления фильтрующих элементов. Изготовление фильтрующих элементов выполнено с использованием аддитивной технологии 3D-печати из полиамида. Изготовлены кубические образцы с длиной ребра 30 мм со степенью заполнения 40-70% (пористость 0,3-0,6 д. ед.). Все образцы напечатаны с использованием полимерной нити шириной 0,2 мм.
Определена проницаемость фильтрующих элементов, которые целесообразно проектировать под конкретные условия добычи с учетом полученной взаимосвязи между параметрами печати и тонкостью очистки от механических примесей.
Литература
1. Анашкин Н. В. Повышение межремонтного периода работы нефтедобывающих скважин с помощью фильтра / Н. В. Анашкин, Д. А. Каушанский // Бурение и нефть. - 2025. - № 9. - С. 28-30.
2. Жуков А. В. Пластмассы для аддитивных технологий / А. В. Жуков, А. А. Никифоров, А. С. Яковишин // Вестник СГТУ. - 2021. - № 4 (91). - С. 57-70.
3. Кильмаматов А. А. Совершенствование физико-химических технологий укрепления прискважинных зон на месторождениях нефти и газа Сербии / А. А. Кильмаматов, М. М. Трипкович, Н. Н. Ефимов, В. И. Ноздря, А. И. Ермолаев // Нефтепромысловое дело. - 2021. - № 12(636). - С. 54-62.
4. Петров П. А. Обзор рынка PETG-пластиков и исходные данные для задачи машинного обучения / П. А. Петров, Г. Р. Аглетдинова // Аддитивные технологии. - 2025. - №3. - С. 50-54.
5. Штурн Л. В. Отечественные фильтры для заканчивания скважин / Л. В. Штурн, А. А. Кононенко, С. О. Денисов // Территория НЕФТЕГАЗ. - 2010. - № 6. - С. 57-61.
