Исследователи НЦМУ «Передовые цифровых технологии» ТюмГУ изучают микро- и наномир жидкостей

Одно из основных направлений исследований лаборатории – изучение капиляров нефтяных пластовых пород на микро- и наноуровнях. О том, какие выводы им уже удалось сделать, читайте в интервью.

В рамках деятельности Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» ТюмГУ исследователи занимаются разработкой и анализом применения цифровых двойников пластовых пород на основе цифровых моделей микрофлюидных явлений. Для этого используются специально созданные микрочипы и экспериментальный стенд, применяемый для изучения фильтрации нефти в микроканалах. О том, как продвигаются исследования и какими преимуществами обладают разработанные микрочипы, нам рассказала Наталья Иванова, руководитель Научно-исследовательской лаборатории фотоники и микрофлюидики Тюменского государственного университета.

‒ Наталья Анатольевна, почему сегодня ученым-нефтяникам стали особенно интересны исследования в области микро- и наномира?

‒ Есть такие месторождения, где нефтеносные пласты имеют очень малый размер пор. Он настолько мал, что на его уровне действует уже «другая физика», определенные условия, отличающиеся от классических законов гидравлики. Одно дело, когда жидкость движется в каналах поперечными размерами сотни микрон, другое – в доли микрона. Добыть нефть из последних гораздо сложнее.

‒ Чем это обуславливается?

‒ Когда мы переходим к очень малым размерам, начинают влиять эффекты другого масштаба. Например, мы можем говорить о тех же двойных электрических слоях. Возьмем канал порядка ста микрон. Он примерно соответствует толщине волоса. Это тоже малый размер, но достаточный для современной работы с нефтью. На стенках такого канала происходит множество процессов, но в рамках размера ими зачастую пренебрегают. Когда же мы работаем с керном, каналы которого могут быть гораздо меньше, эти процессы становятся ключевыми. Важно, например, распределение зарядов вдоль поверхности этого канала. И наоборот, не таким значимым станет параметр вязкости.

‒ Чем будет полезно понимание этих процессов?

‒ Как минимум, оно позволит определить нефтенасыщенность и проницаемость, понять, как будет двигаться жидкость и как эффективнее выкачивать нефть. Исследования по достижению таких результатов сейчас ведутся в двух направлениях. Одно опирается на разработку новых подходов добычи нефти, второе ‒ на модернизацию уже сложившихся. Но и то, и другое направление требует точнейших исследований. И первым делом нужно понять, что происходит в керне в столь малых размерах.

‒ А нам неизвестно, что происходит в керне?

‒ Не совсем. Методы прогнозирования еще не способны дать полных данных, потому что нет глубокого понимания, что происходит на субмикронном уровне в керне ‒ каждом отдельном кусочке породы, где находится нефть. Сейчас, конечно, используются различные технологии, позволяющие представить подобные процессы. Те же методы томографии позволяют видеть структуру образца в цифровом варианте. Однако это достаточно дорогостоящий проект, и он не позволяет ответить на все стоящие перед наукой вопросы.

‒ Что предлагают исследователи Вашей лаборатории?

‒ Мы разрабатываем микрочипы, принцип которых заимствован из биотехнологий. С его помощью мы буквально создаем отдельную микролабораторию. Разработанные микрофлюидные чипы позволяют имитировать поровое пространство породы, задать ей определенные свойства: размеры, шероховатость и смачиваемость поверхности, наличие узлов, форму поперечного сечения. Мы визуализируем процессы, проходящие в пластах породы, и можем понять механизмы, действующие в микроканалах. Созданные нами микрочипы мы заполняем нефтью и смотрим, как меняются процессы выкачивания ее под воздействием различных факторов: от света до новых нефтепромысловых реагентов.

‒ Какие микрочипы уже созданы?

‒ Мы освоили технологии изготовления микрофлюидных чипов с микроканалами глубиной 20 мкм и шириной 50 мкм с применением технологий 3D-моделирования и фотополимерной 3D-печати. Кроме того, в рамках проекта был разработан экспериментальный стенд для исследования фильтрации нефти в микроканалах.

‒ Насколько такие микрофлюидные чипы соответствуют образцам  настоящих кернов?

‒ Природные керны на уровне микро- и наномира представляют для нас такие “черные ящики”. Построенная абстрактная модель позволяет выявить основные принципы происходящих там процессов. Для получения сходных с природными образцами физико-химических свойств поверхности апробирована технология покрытия внутренней поверхности микроканалов диоксидом кремния. В природе кремнезем и другие силикаты могут составлять до 87% массы литосферы.

‒ Какого рода исследования были проведены?

‒ На основе цифровой модели микрофлюидного чипа проведено численное моделирование процесса вытеснения нефти водой при различных условиях. Например, при подаче постоянного расхода вытесняющей жидкости или при ее нагнетании при постоянном давлении. Исследовано влияния угла смачивания на динамику процесса. Разрабатывается методика учета влияния концентрации поверхностно-активных веществ на угол смачивания и коэффициент поверхностного натяжения в математической модели многофазного многокомпонентного течения флюидов. Нами был экспериментально исследован процесс коагуляции микрочастиц в модельной системе тонкого слоя коллоидного раствора под воздействием сил межфазного натяжения. Мы подготовили массив данных для моделирования взаимодействия свободных микрочастиц породы в керне. Проведено комплексное измерение физико-химических свойств жидкостей, используемых в экспериментальных исследованиях. Все результаты исследований позволяют получить информацию, которая увеличит прогностические возможности модели.

‒ В каких направлениях будет проходить дальнейшие этапы исследования?

‒ Сейчас нами ведется работа над технологией создания в каналах микрофлюидных чипов микровключений, имитирующих частицы песка в порах. Запланировано экспериментальное исследование влияния поверхностно-активных веществ на степень вытеснения нефти водой из микроканалов с заданной геометрией.