Особенности двухфазных режимов течений и теплообмена при нефтевытеснении нанофлюидами в микрофлюидных моделях

Abstract

Актуальность темы. Современные методы повышения нефтеотдачи являются значительно более сложными, дорогостоящими и экологически вредными, чем традиционные. При применении этих методов в пластах происходят сложные процессы: фазовые переходы, химические реакции и превращения веществ, капиллярные и гравитационные процессы и др. В настоящий момент известны следующие методы увеличения нефтеотдачи пласта: паротепловое воздействие на пласт, внутрипластовое горение, вытеснение нефти горячей водой, закачка воздуха в пласт, воздействие на пласт газом (двуокисью углерода, азотом, дымовыми газами и др), вытеснение нефти водными растворами ПАВ (включая пенные системы), вытеснение нефти растворами полимеров, вытеснение нефти композициями химических реагентов, ультразвуковое воздействие и др. Традиционно методы увеличения нефтеотдачи разрабатываются путем проведения лабораторных фильтрационных экспериментов по заводнению кернов. Фильтрационные исследования на керне дают некоторую информацию о кинетике и количестве вытесненной нефти, однако имеют ряд недостатков, например, сложность и длительность проведения испытаний, отсутствие наблюдения за механизмом и явлениями, происходящими на микроуровне пор, а также воспроизводимость результатов. В качестве альтернативы исследованиям на керне в последние годы интенсивно развиваются микрофлюидные исследования. Одним из перспективных направлений исследования нефтеотдачи является использование микрофлюидных чипов для моделирования течений в пористых средах. Создание существенного фундаментального задела и разработка на его основе новых микро- и нанофлюидных технологий в задачах нефтегазовой индустрии путем применения жидкостей модифицированных наночастицами, традиционно вытесняющими агентами, а также новой методологии лабораторных исследований с помощью микрофлюидных чипов. Таким образом, актуальность исследования связана с созданием и подбором состава вытесняющей жидкости для увеличения нефтеотдачи при заводнении. Несмотря на то, что основным вытесняющим агентом на сегодняшний день остаётся вода различной солёности, возрастает количество исследований, рассматривающих возможности применения других жидкостей или газов. В рамках научного исследования, проведены экспериментальные исследования, по вытеснению нефти из микрофлюидного чипа имитирующего горную породу, с помощью наножидкостей, а также с помощью традиционных вытесняющих агентов растворов ПАВ и полиакриламида. Целью работы является изучение возможностей применения микрофлюидных технологий в задачах увеличения нефтеотдачи с помощью нанофлюидов. Для её достижения решаются следующие основные задачи: – Создание экспериментальной микрофлюидной установки по исследованию высокоэффективных способов интенсификации нефтеотдачи пласта. – Исследование физико-химических свойств нефтеносных флюидов и вытесняющих жидкостей. Определение их вязкости, реологии, межфазного натяжения, краевого угла смачивания и других необходимых характеристик. – Исследование влияния эффективности применение наножидкостей и традиционно вытесняющих агентов для задачи повышения нефтеотдачи в микрофлюидных чипах имитирующих горную породу. – Исследование задач гидродинамики и теплообмена в микрочипах, имитирующих пористую горную породу. – Проведение систематических экспериментов по вытеснению нефти из микрофлюидных чипов имитирующих горную породу, с помощью традиционных вытесняющих агентов. – Сравнительный анализ эффективности применения растворов ПАВ, полимеров и наносуспензий. Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: 1. Впервые рассмотрено порядка десятка наносуспензий, приготовленных разбавлением силиказолей, в качестве вытесняющих жидкостей. 2. Впервые исследовано влияние размера, а также влияние различной морфологии растворов наносуспензий на процесс вытеснения нефти. 3. Показано, что с уменьшением размера наночастиц коэффициент вытеснения возрастает. Применение суспензий марки 1030 с минимальным размером наночастиц (10нм) в качестве вытесняющей жидкости приводит к максимальному увеличению нефтевытеснения (до 72%). 4. Исследовано влияние вязкости нефти на эффективность вытеснения наносуспензиями. Показано, что добавка наночастиц в вытесняющую жидкость положительно сказывается на эффективности вытеснения для всех рассмотренных образцов нефти. 5. Впервые приведены результаты сравнительного анализа сопоставления эффективности применения растворов ПАВ, полимеров и наносуспензий. 6. Показано, что что добавки наночастиц, полимеров и ПАВ дают в среднем сопоставимое максимальное приращение коэффициента вытеснения для микрофлюидных чипов. При этом при низких концентрациях добавок (менее 0,1 масс. %) растворы ПАВ являются более эффективными для повышения коэффициента вытеснения по сравнению с растворами полимеров и наносуспензиями 7. Выполнен сравнительный анализ потерь давления при нефтевытеснении из микрофлюидной модели растворами полимеров, ПАВ и различными наносуспензиями. Полученные результаты послужат фундаментальной основой для дальнейших различных разработок. Использование наножидкостей в технологиях разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений в перспективе позволит повысить эффективность существующих технологий добычи углеводородного сырья. Теоретическая значимость результатов определяется в разработке новой методики для оценки коэффициента вытеснения с помощью различных вытесняющих жидкостей. Проведенные систематические экспериментальные исследования позволили установить и описать основные факторы влияющие на эффективность добычи нефти с помощью микрофлюидного чипа, а также полученные результаты экспериментальных исследований можно использовать в качестве верификационных данных для проведения математического моделирования. Практическая значимость результатов определяется применением растворов вытесняющих жидкостей для усовершенствования способа увеличения коэффициента вытеснения нефти в микрофлюидных чипах имитирующие сложную структуру горной породы. Показано, что с увеличением концентрации (суспензии, ПАВ, полимеров) можно дополнительно повысить коэффициент вытеснения нефти. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием проверенных измерительных приборов, современных аппаратных и программных средств для обработки данных, сопоставлением и согласованием полученных результатов с известными в литературе данными, использованием физически обоснованных математических моделей и результатами их систематического тестирования и сопоставления с эталонными решениями и экспериментами. Личный вклад автора. Представленные результаты получены лично автором и при его непосредственном участии. Часть исследований по смачиваемости и межфазному натяжению выполнена совместно с М. И. Пряжниковым. Программа по определению коэффициента вытеснения разработана совместно с И.А. Денисовым. Апробация работы. Материалы исследования были представлены на 6 всероссийских и международных конференциях: XV Международная научно-техническая конференция "Актуальные вопросы архитектуры и строительства" (2022), XVIII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Проспект Свободный" (2022,2024), I Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская теплофизика» (2023), VIII Всероссийская научная конференция "Теплофизика и физическая гидродинамика" Научная молодежная школа (2023), XIII Всероссийский Съезд по теоретической и прикладной механике "Теплофизика и физическая гидродинамика: современные вызовы" (ТФГСВ2023) Публикация. По результатам научно-квалификационной работы опубликованы 9 статей в научных журналах, включенных в Перечень ВАК, из них 5 статей – в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science. Объём и структура НКР. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованный источников. Текстовая часть содержит 156 страниц, включая 130 рисунков и 11 таблиц. Список литературы состоит из 87 источников. Краткое содержание работы. Во введении обоснована актуальность работы, приведен краткий обзор современных исследований по тематике научно-квалификационной работы, сформулирована цель работы и научная новизна исследований, отмечена теоретическая и практическая значимость полученных результатов, представлены положения, выносимые на защиту. Первая глава посвящена анализу современного состояния применения микро и нанофлюидных технологий в различных направлениях нефтегазового дела. Вторая глава посвящена методике проведения эксперимента на микрофлюидном чипе, позволяющий моделировать сложную пористую структуру горных пород с исследовательскими приложениями в добыче нефти и газа. На основе полученных экспериментальных данных, разработано приложение, позволяющее оценить коэффициент вытеснения нефти по фотографиям распределения нефти и вытесняющей жидкости в поровом пространстве микрофлюидного чипа. Приведены данные используемых образцов нефти разной марки отличающиеся плотностью и вязкостью. В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования применения наносуспензий для увеличения нефтеотдачи. Проведена серия экспериментов по изучению влияния расхода воды и влияния температуры на коэффициент вытеснения. Изучено влияние концентрации, размера и формы наночастиц на коэффициент вытеснения. Концентрация варьировалась от 0 до 2мас.%. Установлено, что коэффициент вытеснения возрастает с уменьшением размера наночистиц. Изучено влияния свойств нефти разной марки на коэффициент вытеснения нефти. Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям по заводнению микрофлюидных чипов, в качестве вытесняющих жидкостей использовались растворы полиарикламида разных марок с различной молекулярной массой, плотностью заряда. Массовыми концентрациями полимеров варьировались от 0.01% до 0.1%. Проведен сравнительный анализ эффективности вытеснения при применении полимерных растворов и суспензий наночастиц. Показано, что растворы полимеров дают сопоставимые результаты по сравнению с использованием суспензий наночастиц, при этом перепад давления на прокачку различных стадий нефтевытеснения у растворов полимера более чем в 6 раз выше, чем при вытеснении наносуспензиями. В пятой главе приведены систематические экспериментальные исследования по вытеснению нефти из микрофлюидных чипов с помощью растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ). Массовая концентрация растворов ПАВ варьировалась от 0% до 0.25%. Проведены исследования влияния ПАВ и наночастиц на межфазное натяжения и краевого угла смачивания. Выполнен сравнительный анализ сопоставления эффективности применения растворов ПАВ, полимеров и наносуспензий. В заключении сформулированы основные результаты и выводы настоящей работы.