Разработка и применение цифровых двойников пластовых пород на основе цифровых моделей микрофлюидных явлений; применение цифровых двойников пластовых пород в исследованиях процессов химического заводнения нефтеносных пластов

Объектом исследования являются: 1. Одно- и двухфазные потоки нефть/вода в поровых структурах при наличии ПАВ под воздействием градиента давления. 2. Частицы в испаряющейся жидкой среде и морфологии результирующих паттернов при наличии ПАВ и минеральных добавок с тепловым и вибрационным воздействием. Цель работы: 1. Разработка методики полного цикла работы с цифровыми двойниками пластовых пород: изготовление микрофлюидных чипов с заданной геометрией поровой структуры, проведение физических и численных экспериментальных исследований двухфазного течения в процессе вытеснения нефти водой. 2. Изучение процессов формирования диссипативных структур в каплях и тонких пленках коллоидных растворов, находящихся в потоке энергии, и разработка методов динамического управления процессами самоупорядочивания и самоорганизации микро- и нанообъектов в диссипативных жидкостных системах. Методика исследований. Для исследования процессов одно- и двухфазных течений в поровых породах разработан экспериментальный стенд, позволяющий проводить эксперименты с микрофлюидными чипами типа Rock-on-a-chip — плоскими моделями поровой структуры, при наличии ПАВ и минеральных добавок под воздействием градиента давления. Наличие двух вариантов микрофлюидных насосов позволяет проводить исследования в режимах постоянного давления или постоянного объемного расхода, с возможностью дополнительного контроля этих величин специализированными микрофлюидными датчиками. Подключение подающих жидкость микрофлюидных линий осуществляется через 6-портовый микрофлюидный селектор с помощью коннекторов ВГЖХ, обеспечивающих герметичность при давлениях более 30 атм. В качестве приоритетной технологии изготовления микрофлюидных чипов выбрана фотополимерная 3D печать, позволяющая в короткие сроки пройти путь от моделирования геометрии поровой структуры до изготовления и тестирования чипа. Конструкция держателя микрофлюидных чипов позволяет легко производить первичное заполнение порового пространства нефтью, и осуществлять очистку и промывку чипа для повторных измерений. В процессе разработки оптимальной технологии изготовления микрофлюидных чипов с поровой структурой был протестирован ряд решений с геометрией подвода вытесняющей жидкости: равномерный и древовидный подводы к боковой границе поровой структуры, а также локальный подвод в пору внутри структуры. Исследования проводились на микрофлюидных чипах, изготовленных из фотополимера FunToDo Nano Clear. Размеры поровой области в зависимости от геометрии составляли 17×10 мм для прямоугольной области и 10 мм в диаметре для круглой области. Глубина сетки каналов составляла 50 мкм. Вытеснение изначально заполняющей поровое пространство нефти проводили водой и водным раствором ПАВ Triton X100 концентрацией 1 CMC. Наблюдение за мгновенным положением фронта вытеснения, формируемым межфазной границей нефть — вода, проводили оптической системой на базе 4K видеокамеры Logitech Brio, модифицированной под крепление C-mount, и телецентрического объектива Kowa HR F2/35. Благодаря естественной окраске нефти определение межфазной границы, и площади каналов, занятой вытесняющей жидкостью, осуществлялось простым способом попиксельной обработки кадров видеозаписи. По результатам измерения определяли объемное содержание нефти и вытесняющей жидкости в поровом пространстве, рассчитывали остаточную нефтенасыщенность и оценивали эффективность извлечения. Равномерности подвода на текущем этапе масштабирования поровой структуры при размерах каналов более 100 мкм достичь не удается из-за неоднородности распределения гидродинамического сопротивления по сетке каналов, даже в случае применения древовидного подвода. Поэтому в основном эксперименты проводились при локальном подводе вытесняющей жидкости в пору, для двух геометрий порового пространства. Вытеснение нефти проводили при трех значениях давления: 50, 100 и 300 мБар для круглой геометрии и 100, 300 и 600 мБар для прямоугольной геометрии поровой области. Было установлено, что в среднем объем вытесненной нефти составлял 80–95% для круглой геометрии и 70–90% для прямоугольной геометрии поровой области, вне зависимости от наличия ПАВ в вытесняющей жидкости. Оказалось, что выбранный для экспериментов ПАВ Triton X100 недостаточно понижает поверхностное натяжение воды, что препятствует смыванию нефтяной пленки с внутренней поверхности каналов, поэтому необходимо проведение подготовительной работы по выбору оптимальных ПАВ для более эффективного вытеснения нефти. Также было показано прямое влияние давления на скорость вытеснения нефти для обеих геометрий поровой области. Параллельно с разработкой методики создания микрофлюидных чипов и исследованием двухфазных течений жидкостей в сетках микроканалов был проведен ряд дополнительных исследований: качества изготовления поверхности каналов микрофлюидного чипа, включающий в себя шероховатость поверхности и однородность канала по толщине, а также измерения физических параметров жидкостей и твердых тел, используемых при проведении экспериментов. Последняя на текущий момент методика изготовления микрофлюидных чипов фотополимерной 3D печатью позволила достичь стабильной печати отдельных каналов шириной до 100 мкм. Шероховатость внутренней поверхности таких каналов, оцененная по стандартной методике, характеризуется параметрами среднее арифметическое отклонение профиля Ra = 0.9 мкм, наибольшая средняя высота неровностей профиля Rmax = 2.4 мкм, средний шаг неровностей по вершинам S = 50.76 мкм. Однородность ширины каналов оценили с помощью оптической микроскопии на микрофлюдном чипе с единичным прямым каналом шириной 500 мкм, измеряя его ширину в вдоль канала с шагом 1 мм. Средняя ширина канала по результатам 30 измерений составляет (507.5 ± 0.5) мкм, максимальное отклонение на исследованном диапазоне равно 5.8 мкм. Исследование физических свойств жидкостей, используемых в эксперименте — нефти и воды, проводили на оборудовании лаборатории. Были измерены температурные характеристики поверхностного и межфазного натяжения нефти и воды, зависимость плотности нефти от температуры, вязкость нефти, тепловые характеристики нефти. Указанные значения использовались при подготовке математической модели фильтрации нефти, в которой рассчитывается двумерная задача двухфазного течения нефти и воды с добавлением ПАВ, изменяющих параметры смачивания материала скелета поровой породы. Подвод вытесняющей жидкости осуществляется локально, через пору в центре круглой области поровой структуры. Получено распределение фаз и мгновенное положение фронта вытеснения в зависимости от времени в процессе вытеснения нефти водой из пористой структуры. Второй блок исследований, посвященный эффектам капиллярной конвекции и их применению для управления распределением концентрации микро- и наночастиц в слоях коллоидных растворов. В качестве управляющих воздействий применялись: локальный нагрев/охлаждение, специфическая геометрия кюветы с раствором, акустические волны низко- и среднечастотного диапазона. Влияние локального теплового воздействия изучали, используя последовательную смену положительного и отрицательного градиента температуры на подложке в центре ячейки, заполненной коллоидным раствором полистирольных частиц в изопропаноле. Нагрев и охлаждение слоя обеспечивал элемент Пельтье, закрепленный на торце медного стержня, вмонтированного заподлицо в дно кюветы. Степень теплового воздействия регулировали, изменяя электрическую мощность на элементе Пельтье. Диаметр частиц составлял 50 мкм, начальная толщина слоя жидкости 200 мкм. Были определены температурные распределения и зависимости площади кольцевых структур, формируемых конвективными потоками в слое, в зависимости от мощности на элементе Пельтье. Показана возможность формирования кольцевых структур с заданными размерами при последовательном воздействии сначала отрицательного, а затем положительного градиента температур. Влияние геометрии кюветы, и формируемых на ее стенках менисков смачивания, на испарительную конвекцию и формирование паттернов при испарении суспензии талька в изопропаноле было исследовано для трех-, четырех- и пятиугольных, а также звездообразных кювет. Показана возможность формирования сложных распределений микро- и наночастиц при испарительной конвекции на достаточно больших (до нескольких см2) площадях. Исследовано влияние акустического воздействия на процесс естественного испарения капли водного раствора полистирольных частиц, и результирующее распределение частиц (т.н. «кофейное пятно»). Показана возможность управления плотностью засева частиц, в т.ч. получение равномерной концентрации по площади, первоначально занятой каплей жидкости. Исследовано влияние добавления полимерного ПАВ Полоксамер P407, а также соли NaCl, на процесс испарения капли воды и результирующее распределение частиц полистирола на подложке. Продемонстрирована возможность получения распределения частиц на подложке в виде серии концентрических колец после высыхания капли с добавлением ПАВ, а также использование полистирольных частиц в качестве центров кристаллизации в процессе роста кристаллов поваренной соли, что наряду с акустическим воздействием позволяет управлять распределением кристаллов по площади поверхности подложки, первоначально занимаемой каплей жидкости.