Ученые представили новый алгоритм моделирования нефти на молекулярном уровне. Этот метод позволит оптимизировать стратегии ее добычи и фильтрации. Результаты опубликованы в журнале Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.
Моделирование нефти на молекулярном уровне необходимо для понимания ее поведения в различных условиях, например, в пористых структурах. Одна из проблем в этой области — недостаток точных моделей. Распространенная примитивная однокомпонентная модель упрощает состав нефти, что приводит к недостоверным результатам.
Коллектив ученых из Сколтеха, Центра вычислительной физики МФТИ, AIRI и МГУ предложил свое решение для создания достоверной модели пористого пространства в недрах Земли. Они сфокусировались на определении краевого угла смачивания на границе кварц—нефть—рассол (солевой раствор). В результате создали алгоритм, основанный на сложной 15-компонентной модели нефти с использованием экспериментальных данных.
В предложенном алгоритме модельная ячейка имеет вид щелевидной поры, образованной кварцевыми пластинами, между которыми находятся вода и нефть. Несмачивающая жидкость—нефть образует каплю в форме сплюснутого цилиндра, который замыкается через границы ячейки. Проекция капли жидкости имеет четыре точки тройного фазового контакта. Угол смачивания рассчитывается как среднее арифметическое углов в этих точках.
Рисунок 1. Снимок расчетной модели в системе кварц(серый)—вода(синий)—нефть(зеленый) для определения угла контакта. Источник: Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects
Ключевым достижением данного исследования стал учет многокомпонентности нефти, включая асфальтены и метан. Это позволило увеличить точность моделирования молекулярных взаимодействий.
«Наше исследование подтвердило, что асфальтены являются ключевым компонентом нефти при изучении смачиваемости. Метан идет рука об руку с нефтью и может составлять значительную долю ее состава даже по массе. Игнорирование чуть ли не самого большого по доле компонента не может давать корректные результаты при моделировании. В однокомпонентной модели эти вещества вообще игнорируются, что является существенным искажением реальности», — отметил Илья Копаничук, старший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ.
С помощью нового алгоритма ученые изучили влияние различных факторов на величину контактного угла. Температурное моделирование показало тенденцию уменьшения угла с увеличением температуры. Увеличение метана приводит к увеличению контактного угла и снижению смачиваемости. Высокая соленость рассола приводит к уменьшению угла. Минимальные изменения в угол вносят содержание ароматических соединений и изменения давления. Таким образом, величину контактного угла можно рассматривать как функцию от температуры, содержания метана, давления и солености раствора. Это открывает возможности для управления смачиваемостью в реальных условиях, например, за счет изменения состава закачиваемого рассола.
Рисунок 2. Снимок молекулярной конфигурации в системе кварц—нефть—вода с учетом ароматических соединений и метана. А) давление в системе 120 бар В) давление в системе 600 бар. Источник: Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.
Преимуществами предложенного алгоритма является дешевизна и простота управления параметрами системы. Например, возможностью подобрать состав нефти по данным с любого месторождения. Ограничением метода является недоступность моделирования структур размером более 0,1 микрона.
«Новый численный метод для расчёта контактного угла отличается от имеющихся альтернатив линейной сложностью определения угла на каждом шаге системы и отсутствием необходимости в точной настройке алгоритма под растворённые компоненты: метан в воде и воду в нефти. Это позволяет ускорить расчёты, обрабатывать большие массивы информации в сочетании с простотой управления процессом расчётов», — отметил первый автор Пётр Ховенталь, аспирант программы «Нефтегазовое дело» Сколтеха.
Результаты исследования хорошо согласуются с экспериментальными данными. Разработанный алгоритм также имеет ценность для исследовании в области микрофлюидики.
Следующим этапом исследования станет развитие единого мирового стандарта для расчета углов смачивания нефтей. В долгосрочной перспективе авторы планируют создать универсальную цифровую модель нефти, которая может стать основой для новых технологий добычи и переработки.
