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

Направление исследований: Изготовление физической модели керна – 3D сети каналов субмикронного размера. Исследование однофазного и двухфазного течения (как на предыдущем этапе) в 3D сети. Семейство зависимостей расхода жидкости от прикладываемого давления. Разработка цифровых двойников пластовых пород на основе цифровых моделей микрофлюидных явлений. Важнейшие результаты по направлению научных исследований, полученные в период реализации соглашения в отчётном году с момента заключения соглашения: Модифицирован и улучшен подход генерации синтетических поровых структур на основе хаотического распределения зерен, формируемых путём случайного размещения дисков круглой формы с радиусом случайной величины в рамках заданного диапазона. Вариация управляющих параметров алгоритма генерации позволяет получать геометрии для синтетических поровых моделей с широким спектром величин пористости, распределения порового размера, абсолютной проницаемости. Проведена генерация массива из 10 тыс. синтетических поровых моделей с вариацией двух ключевых параметров, один из которых определяет расстояние между зернами, а второй — средние размеры зерна. Полученный набор структур используется для численного моделирования однофазного течения и определения интегральных и средних характеристик (фазовые проницаемости), а также для создания микрофлюидных чипов при проведении экспериментальных исследований фильтрации нефти. Для моделирования течения в полученных геометриях синтетических поровых структур была проведена модификация стандартного решателя из пакета OpenFOAM для стационарных однофазных течений, с учетом поправки Хеле-Шоу для моделирования течений в узких щелевых каналах. Указанное приближение выбрано в связи с геометрией изготавливаемых микрофлюидных чипов: при постоянной глубине каналов 10–20 мкм ширина каналов размер пор варьируется в диапазоне от десятков до сотен мкм (в зависимости от настройки параметров генератора). Проведено численное исследование однофазного течения в двумерных ячейках Хеле-Шоу, построенных на базе ряда выбранных сгенерированных геометрий синтетических поровых структур. Проведен анализ полученных полей скорости и кинематического давления, рассчитана абсолютная фазовая проницаемость для всех вариантов сгенерированных геометрий. Разработана методика нанесения методом spin-coating тонкослойного покрытия оксида кремния с включениями сторонних минералов (в частности, опробованы наполнители из субмикронных частиц диатомитовой земли и оксида алюминия). Исследованы характеристики смачиваемости для четырех видов покрытий на поверхности фотополимерного образца: гладкий слой оксида кремния; слой оксида кремния с добавлением частиц диатомитовой земли фракцией до 600 нм; слой оксида кремния с добавлением частиц оксида алюминия фракцией до 1000 нм; слой оксида кремния с добавлением частиц оксида алюминия фракцией до 6000 нм. Показано уменьшение угла смачивания для дистиллированной воды с 70 на образце чистого фотополимера до 32 градусов на гладком покрытии диоксида кремния (значение сопоставимо с контактными углами воды на боросиликатном стекле). Добавление частиц наполнителя в слой диоксида кремния приводит к повышению контактного угла для дистиллированной воды за счет увеличения шероховатости образца. Поверхность образцов с покрытиями была исследована с помощью электронной микроскопии. Подтверждено формирование кластеров субмикронных частиц на поверхности слоя диоксида кремния. Получены карты распределения химических элементов. Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о возможности применения разработанной методики модификации поверхности фотополимерных микрофлюидных чипов для обеспечения соответствия их физико-химических характеристик реальному керну. Проведено исследование вытеснения нефти водой из микрофлюидных чипов с 5 вариантами сгенерированных сеток микроканалов со значениями факторов IDF и ODF в диапазоне 2500 – 7000. Поверхность каналов была предварительно закрыта диоксидом кремния. С увеличением значения факторов доля остаточной нефти сокращалась с 80 до 29%, что согласуется со значениями пористости и проницаемости, рассчитанными для используемых поровых сеток. Проведено исследование вытеснения нефти растворами 4 модельных ПАВ (CTAB, DTAB, SDS, OP-10) в микрофлюидных чипах с одной из ранее сгенерированных геометрий синтетической поровой модели. Минимальная ширина каналов между порами составляла около 10 мкм, средние размеры пор 100…200 мкм, глубина каналов и пор 10 мкм, пористость модели — около 35%. Поверхность фотополимера модифицировали слоем оксида кремния с наполнением диатомитовой землей. Вытеснение нефти проводили при постоянном перепаде давления 500 мБар между входом и выходом микрофлюидного чипа. Первоначальное вытеснение осуществляли дистиллированной водой до достижения квазистационарного состояния, затем проводили довытеснение раствором ПАВ концентрацией 1 ККМ. Продемонстрировано уменьшение доли остаточной нефти в поровом пространстве при применении растворов ПАВ. Растворы CTAB и DTAB показали высокую эффективность вытеснения, при этом не образуя эмульсии в порах: раствор ПАВ дополнительно вытеснял до 10% нефти, находившейся в поровом пространстве. Раствор SDS активно эмульсифицировал нефть в порах, что привело к дополнительному вытеснению 7% нефти из порового пространства. ОП-10 из-за относительно высокого поверхностного натяжения раствора оказался наименее эффективным реагентом из 4 используемых. Проведенное исследование показало возможность применения подхода к быстрому скринингу эффективности растворов ПАВ в микрофлюидных системах. На основе полученных данных разработана модель не параметрического Машинного Обучения (Случайного Леса) на языке Python для прогноза графиков относительной проницаемости (ОФП) по нефти и воде используя информацию от рентгненограмм и ряда характеристик реальных кернов. Разработан способ представления и векторизации как графиков ОФП, так и рентгенограмм, для сжатия информации и более надежного прогноза. Установлены наиболее важные параметры максимально влияющие на прогноз графиков ОФП.