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 (НЦМУ «Передовые цифровые технологии», соглашение № 075-15-2022-314 от 21.04.2022)

Направление исследований: 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 в ходе выполнения этапа № 3 в 2022 г. является: технология изготовления микрофлюидных чипов методом фотополимерной 3D печати с размерами каналов до 10 мкм, с последующей модификацией внутренней поверхности каналов; однофазное и двухфазное течения (вытеснение нефти водой и водой с ПАВ) в системе одиночных каналов и сети каналов (эквивалентными диаметрами до 10 мкм); зависимости расхода жидкости от прикладываемого давления при однофазном и многофазном течении в микрофлюидных чипах с размерами каналов до 10 мкм; технология анализа томограмм керновой породы и синтеза на их основе микрофлюидных чипов с сохранением ключевых характеристик и параметров геометрии реальных образцов керна. Целью работы, согласно плану выполнения научно-исследовательского проекта, в 2022 г. (этап № 3): 1. Изготовление 2D системы каналов с размером канала менее 1 мкм; 2. Исследование однофазного и двухфазного течения в системе субмикронных каналов на подложке; 3. Семейство зависимостей расхода жидкости от прикладываемого давления; 4. Разработка цифровых моделей микрофлюидных явлений в системе субмикронных каналов. В ходе выполнения исследовательской работы параллельно проводились исследования в области создания и модификации поверхности микрофлюидных чипов и их тестирования с различными режимами течения жидкостей, а также анализа томограмм керна и синтеза моделей поровой породы для создания 3D моделей микрофлюидных чипов. На основе анализа томограмм керновой породы была восстановлена 3D модель поровой структуры (скелета) реального керна, что позволило определить её пористость. Кроме того, на основе модели керна построили сетку выбранного участка размером 1х1х1 мм, и провели численное исследование однофазного течения жидкости в нём. Полученные данные использовали для статистического анализа такой характеристики линий тока как извилистость, и подбора функции её распределения по образцу. На основе известных параметров и характеристик 3D модели керна, с помощью специально разработанного алгоритма были построены модели микрофлюидных чипов с сохранением ключевых характеристик и параметров геометрии реальных образцов керна. Модели представляют собой плоские упаковки параллельно расположенных извилистых каналов синусоидальной формы, ширина, глубина и длина (зависящая от амплитуды синусоиды) для которых непосредственно определяются проницаемостью и извилистостью реального образца. Для численного моделирования двухфазных течений в поровой среде при малых капиллярных числах был модифицирован стандартный решатель interFoam из пакета математического моделирования OpenFOAM. Модификация позволила достичь лучшего баланса между капиллярными силами и силами давления, что значительно снизило возмущения на границе раздела фаз. Проведена модернизация материально-технической базы. Освоена фотополимерная 3D печать на промышленном принтере BMF MicroArch S240 с размером вокселя 10 мкм, что позволяет создавать микрофлюидные чипы с шириной канала до 10 мкм. Кроме того, проекционный механизм печати принтера позволяет использовать его в качестве литографа для формирования масок при изготовлении чипов методом травления в стеклянной пластине. Для модификации поверхности каналов микрофлюидного чипа тонкопленочными технологиями был закуплен ряд оборудования: камера плазменной обработки (очистка и активация поверхности для повышения адгезии), вакуумный сушильный шкаф (термическая обработка и сушка пленок фоторезистов), центрифуга (нанесение тонких пленок методом spin-coating). Опробовано несколько методик модификации поверхностных свойств фотополимерного материала. Использование композитных смол, содержащих мелкодисперсный порошок диатомитовой земли, повышает гидрофобность поверхности, но из-за особенностей протестированных фракций порошка и методики печати получение детализированных моделей невозможно. Положительный результат получен при использовании методов dip-coating и spin-coating для тонкопленочного нанесения растворов TEOS на фотополимерные пластины микрофлюидных чипов. Оба метода показали сходные результаты, позволяя получать покрытия порядка 100…200 нм на поверхности фотополимеров, в том числе на внутренних стенках каналов. Используя жидкий позитивный фоторезист, на стеклянных пластинах сформированы маски для дальнейшего изготовления микрофлюидных чипов с заданной геометрией микроканалов методом травления. Детализация масок получена на пределе разрешения проектора промышленного 3D принтера, и достигает 10 мкм. Исследованы процессы вытеснения нефти в микрофлюидных чипах с синтетической поровой средой. Исследования проводились на двух геометриях: с шириной канала до 100 и до 10 мкм соответственно. Показано положительное влияние добавления в вытесняющий раствор ПАВ ОП-10, а также повышения давления, на скорость и объем вытесняемой нефти. Проведены тестовые эксперименты с микрофлюидными чипами с различным числом упаковок извилистых каналов. Определено семейство зависимостей объемного расхода от приложенного давления, что позволяет выбрать оптимальный диапазон давления для работы.