流體在岩石孔隙中的運移規律及其流固耦合效應是地下油氣儲備與開發的核心科學問題，也是導致不同工程災害或工程難題的重要因素。精確表徵岩石微觀孔隙結構，探尋微觀孔隙結構與宏觀物理性質的內在關聯，實現岩石宏觀物理引數的精確計算，是開展深部巖體相關工程研究的基礎。
中國科學院武漢岩土力學研究所油氣地下儲備與開發研究中心科研人員聯合沙特阿卜杜拉國王科技大學、加拿大阿爾伯塔大學、澳大利亞莫納什大學、西南科技大學相關研究人員，在3D列印岩石力學特性及孔隙結構表徵研究方面取得進展。
在重建岩石微觀CT影象的基礎上，科研人員創新地引入3D列印技術，實現了岩土複雜多孔介質模型的精確、快速製備。採用不同的尺度升級列印方案、列印工藝與列印材料，製備出7類共20樣次的岩石3D列印孔隙結構模型（圖1）；結合氦孔隙度和高壓壓汞測試獲取了3D列印模型的微觀結構特徵引數，透過與數字模型、以及文獻結果的對比分析，表明製備的3D列印孔隙結構模型能夠較好地再現天然岩石的微觀結構特徵。研究進一步指出3D列印技術在多孔介質微觀結構特徵研究中存在的不足，為岩石3D列印模型的最佳化研究奠定了理論基礎。
圖1.3D列印模型孔隙結構特徵細節對比。
針對採用聚合物材料的3D列印岩石難以模擬天然岩石強度和變形特徵、以及顆粒表面物化特性的缺陷，科研人員採用三類不同的天然顆粒材料為基材製作了3D列印岩石模擬物。透過室內單軸——三軸壓縮、高精度CT掃描、掃描電鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）和能譜分析（Energy Dispersive Spectrometer, EDS）等多種實驗測試手段的聯合表徵，系統性地研究了3D列印岩石模擬物的微觀孔隙結構（孔隙型別、孔隙尺寸、膠結劑分佈和顆粒接觸型別）（圖2）、強度及變形特徵、裂紋擴充套件及破壞演化過程（圖3）、潤溼性和滲透特性；透過與天然岩石的對比，驗證了3D列印岩石模擬物在替代天然樣品開展流動測試分析和岩石力學研究中的可行性。圖片
圖2.不同3D列印岩石中典型孔隙型別（不規則粒間孔-規則粒間孔-“蜂窩狀”孔）。
相關研究成果以A comprehensive experimental study on mechanical behavior, microstructure and transport properties of 3D-printed rock analogs和Characterization and microfabrication of natural porous rocks: from micro-CT imaging and digital rock modelling to micro-3D-printed rock analogs為題，分別發表在Rock Mechanics and Rock Engineering和Journal of Petroleum Science and Engineering上。研究工作得到國家自然科學基金、阿卜杜拉國王科技大學科研基金和國家留學基金管理委員會的共同資助。圖片
圖3.壓縮破壞樣品的SEM影象（a）（b）（c）（d）為SS樣品微觀破壞模式圖；（e）（f）（g）為CSB樣品微觀破壞模式圖；（h）（i）（j）為GP樣品微觀破壞模式圖；（k）為石膏樣品的宏觀壓縮破壞形式。
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