Ученые из МФТИ и Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН изучили, как наличие минералов вдоль стенок поры влияет на распределение фаз двухфазной системы, а также на транспортные свойства воды и нефти. Расчеты показали, что на транспортные свойства существенно влияет не только факт наличия минералов вдоль стенок поры, но и доля каждого из минералов, а также их взаимное расположение. Результаты помогут усовершенствовать модели движения жидкостей через горные породы. Работа опубликована в журнале Advances in Water Resources. Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ №25-79-00318.
Чтобы предсказать движение воды, нефти и других флюидов через пористую среду, ученым необходимо понимать не только размеры и форму ее микроскопических пор, но и физико-химические характеристики поверхности пор. Одной из таких характеристик является смачиваемость, которая описывает способность жидкости поддерживать контакт с твердой поверхностью.
Смачиваемость характеризуется контактным углом: углом, который образуется в месте соприкосновения двух несмешивающихся жидкостей (вода и нефть) и твердой поверхности (минерал). Если угол, образуемый водой с поверхностью, небольшой, то говорят, что вода смачивает поверхность, а такая поверхность называется гидрофильной. Если же, напротив, угол контакта воды с поверхностью велик, то вода не смачивает поверхность, а такая поверхность называется гидрофобной.
В классических моделях пористых материалов отдельной поре соответствует одно значение угла контакта. Однако в реальности структура горной породы устроена сложнее: стенка одной и той же поры может состоять из нескольких минералов, которые по-разному взаимодействуют с водой и нефтью. Экспериментальные исследования с использованием микрокомпьютерной томографии показали, что контактные углы могут значительно различаться не только между соседними порами, но даже внутри одной поры. Это важно учитывать, поскольку от расположения воды и нефти внутри поры зависит то, насколько легко каждая из этих фаз сможет пройти через эту пору. Таким образом, физико-химические свойства поверхности стенок поры оказывают влияние на проницаемость горной породы и на перераспределение жидкостей в ней.
Одним из наиболее эффективных методов моделирования процессов фильтрации жидкостей через горную породу являются поросетевые модели. Некоторые из них уже учитывают, что разные поры могут иметь разную смачиваемость. Однако внутри отдельной поры поверхность считалась однородной. Поэтому такие модели не позволяют учитывать ситуацию, когда разные участки стенки одной поры обладают разной смачиваемостью.
Исследователи из МФТИ и Института физики Земли решили выяснить, насколько сильно неоднородная смачиваемость внутри отдельной поры влияет на распределение жидкостей и рассчитанную проницаемость.
«В наших исследованиях мы рассматривали конфигурации флюидов — нефти и воды — в порах, где разные участки стенки обладают разной смачиваемостью: одни участки более гидрофильны, другие — более гидрофобны»,— пояснил Кирилл Герке, старший научный сотрудник Центра вычислительной физики ЛФИ МФТИ.
Физики использовали упрощенные двумерные поры квадратного и треугольного сечения — такие геометрии широко применяются в поросетевых моделях. Ученые варьировали сатурацию нефти внутри поры, долю минерала с иной смачиваемостью (второго минерала) на ее стенке, его положение, а также различные пары значений контактных углов.
Наталья Косареваn.kosarevaИзменить профиль
Сначала авторы определяли равновесное распределение воды и нефти внутри поры с заданными положением и долей второго минерала. Затем отдельно было рассчитано, насколько легко вода и нефть могут проходить через получившуюся структуру. Полученные результаты ученые сравнивали со случаем, когда вся стенка поры состоит из одного минерала.
Расчеты показали, что локальное изменение смачиваемости принципиально меняет привычную картину распределения жидкостей. В однородной гидрофильной поре вода обычно стремится расположиться около стенок и в углах, тогда как нефть занимает область ближе к центру. Если же вдоль стенки поры появляется участок второго минерала с отличным углом контакта, то эта картина нарушается: вода преимущественно удерживается около наиболее гидрофильных участков, а нефть — около менее гидрофильных или у гидрофобных. Поэтому нефть в некоторых случаях может оказаться у стенки даже при небольшой ее доле в объеме поры, а на гидрофильных участках могут сохраняться тонкие водные пленки.
Также было показано, что важно учитывать не только долю второго минерала в поре, но и его расположение. Две поры с одинаковой формой, долей минералов и сатурацией нефти могут иметь разную конфигурацию распределения фаз из-за различного взаимного расположения минералов вдоль стенок поры.
Неоднородная смачиваемость внутри поры также оказывает влияние на относительную проницаемость фаз. Эта величина характеризует, насколько легко одна жидкость проходит сквозь пору в присутствии другой.
«Мы сравнили нашу модель с классическими и показали, что последние могут вносить значительную ошибку — до 50%, если не учитывать различную смачиваемость минералов. Мы ожидали увидеть влияние, но что оно будет настолько выражено, оказалось для нас неожиданным»,— рассказала Анна Ипатова, научный сотрудник, Центра вычислительной физики ЛФИ МФТИ.
Методика имеет существенное ограничение: расчеты выполнены для двумерных поровых элементов. Перенос такого подхода на реальные трехмерные структуры потребует намного больших вычислительных ресурсов.
Однако уже на этом этапе результаты показали, что простого усреднения свойств поверхности может быть недостаточно для точного моделирования многофазного течения в пористых средах. Учет этой микроскопической неоднородности может стать одним из шагов к новому поколению поросетевых моделей, более точно описывающих движение многофазных жидкостей в реальных породах.
«Мы хотим ускорить моделирование и перевести методику в 3D. Для этого разрабатываются методы иерархического отжига и новые асимптотически оптимальные решатели для описания поведения межфазной границы. Кроме того, мы планируем использовать методы искусственного интеллекта для быстрой параметризации поросетевых моделей — сначала на основе двумерных расчетов, а в будущем и трехмерных»,— рассказал Кирилл Герке.
Исследование выполнено при поддержке РНФ (грант №25-79-00318).
Научная статья: Anna Ipatova, Andrey S. Zubov, Nickolay D. Kondratyuk, Kirill M. Gerke; Accounting for heterogeneous wettability in pore network elements // Advances in Water Resources; Volume 216, 2026; DOI: https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2026.105412.
