В связи с техническими работами в центре обработки данных, возможность загрузки и скачивания файлов временно недоступна.
 

Моделирование неустойчивого вытеснения жидкостей из пористых сред с учетом внешних воздействий, направленных на повышение нефтеотдачиНИР

Modeling of unstable displacement of liquids from porous media taking into account external effects aimed at increasing oil recovery

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 20 февраля 2020 г.-31 декабря 2020 г. Моделирование неустойчивого вытеснения жидкостей из пористых сред с учетом внешних воздействий, направленных на повышение нефтеотдачи (этап 1, 2020 год)
Результаты этапа: Одна из технологий добычи жидких углеводородов заключается в вытеснении их из пористых пластов под воздействием градиента давления. Однако, когда более вязкая жидкость (нефть) вытесняется менее вязкой (вода), вытесняющая жидкость имеет тенденцию прорываться через слой вытесняемой жидкости, образуя в нем каналы, называемые «вязкими пальцами». Результирующая нестабильность приводит к нарушению изначально плоской границы раздела и к прорыву отдельных пальцев вытесняющей жидкости. В результате образования и роста водяных пальцев нефть может быть захвачена внутри пористого резервуара, что значительно снижает качество вытеснения и снижает добычу нефти - более половины углеводородов может оставаться в резервуаре. С развитием неустойчивости граница раздела жидкости искривляется, отдельные пальцы вытесняющей жидкости прорываются, и площадь границы раздела увеличивается. За отчётный период были проведены исследования в следующих направлениях: 1)Возможность расчета площади поверхности раздела фаз при трехмерном моделировании имеет большое прикладное значение. Во-первых, это позволит учесть мелкомасштабную неустойчивость, которая развивается на относительно небольших масштабах (несколько сантиметров): обычно процесс вытеснения моделируется на масштабе нефтяного месторождения (сотни метров), и когда используется крупная сетка, проблема оказывается подсеточной. В таких задачах расчет площади поверхности позволит охарактеризовать размер зоны смешения и учесть мелкомасштабную неустойчивость при перемасштабировании. Во-вторых, площадь контакта важна в случае химических реакций во время добычи нефти, например, при использовании реагентов или термогазового метода. Размер площади поверхности смешения является критическим параметром для точного моделирования такого вытеснения, так как влияет на интенсивность процесса. В рамках выполнения данного проекта была проведена количественная оценка развития неустойчивости. При численном моделировании процесса неустойчивого вытеснения вязкой жидкости из пористой среды на каждом шаге по времени рассчитывалась площадь поверхности раздела фаз и исследовалось влияние различных параметров на изменение площади границы между вытесняемой и вытесняющей жидкостями. Неизвестные параметры математической модели определялись на основе данных эксперимента по вытеснению нефти водой из образцов неокомского песчанника.Были получены следующие основные результаты: -В результате сравнительного анализа экспериментальных данных, получены уникальные возможности для определения неизвестных параметров модели, а именно капиллярных характеристик горных пород и насыщающих жидкостей. На основании экспериментальных данных определены коэффициенты в математических моделях и исследовано развитие фронта вытеснения для различных параметров. -Предложен новый метод подсчета площади изоповерхностей. Для корректной оценки площади необходимо использовать весовые коэффициенты, которые получены и приведены в данной работе. Данный метод можно применять для расчета площади нерегулярных межфазовых поверхностей при моделировании неустойчивого вытеснения из пористой среды. -Проведен анализ эволюции поверхности раздела фаз для расчетов с различными определяющими параметрами в том числе для расчетов соответствующим экспериментам. - Показано, что в случае, когда отношение вязкостей жидкостей около 1, вытеснение близко к поршневому. Неустойчивость в этом случае не развивается, случайные отклонения от плоской формы сглаживаются стабилизирующими факторами. - В случае, когда отношение вязкостей больше 1, развивается неустойчивость и площадь поверхности раздела жидкостей увеличивается, затем достигнув некоторого максимального значения (прорыв первого «вязкого пальца») резко падает. - Выявлено, что чем выше значение отношение вязкостей, тем большего значения достигает площадь раздела фаз. - Также показано, что неустойчивость фронта возрастает с ростом числа Пекле - Для фильтрации при постоянном перепаде давления, чем выше перепад давления, тем сильнее развивается неустойчивость, при этом фронт вытеснения доходит до границы быстрее. Результаты проведенных исследований были опубликованы в работах: - Эволюция поверхности раздела фаз при вытеснении вязких жидкостей из пористой среды, Смирнов Н.Н., Никитин В.Ф., Коленкина (Скрылева) Е.И.,Газизова Д.Р., Известия РАН. Механика Жидкости и Газа, 2021, том 56, стр.80-93 DOI: 10.31857/S0568528121010126 -Evolution of a Phase Interface in the Displacement of Viscous Fluids from a Porous Medium N. N. Smirnov , V.F. Nikitin , E. I. Kolenkina (Skryleva), and D. R. Gazizova, FLUID DYNAMICS, Vol. 56, No. 1, 2021, pp.79-92, DOI: 10.1134/S0015462821010122 2) Эффекты связанные с развитием неустойчивости границы раздела фаз существенно снижают качество вытеснения. При этом возникают две проблемы. Первая, это не всегда полное вытеснение углеводородов при нагнетании воды нагнетательные скважины, поскольку вода может прорываться в добывающие скважины, оставляя нетронутые целики нефти. Вторая, это не вполне качественная очистка трещины гидроразрыва, в результате которой в качестве коллектора для нефти работает не вся трещина, а только незначительная ее часть. Дело в том, что после создания трещины гидроразрыва производится ее очистка от жидкости гидроразрыва, которая откачивается, будучи вытесняемой нефтью. Так как жидкость гидроразрыва изначально делается более вязкой, чем нефть, чтобы избежать утечек в пласт, вытеснение её нефтью носит неустойчивый характер с возможностью создания застойных зон не вытесненной жидкости гидроразрыва, блокирующих поступление нефти в трещину и дальнейший переток в добывающую скважину. Учитывая, что производство трещины - дорогостоящая операция, необходимо заранее при ее проектировании иметь надежный прогноз ее полной очистки и введения в эксплуатацию. Поэтому роль фундаментальных исследований возникновения неустойчивости при вытеснении вязких жидкостей из пористой среды с учетом внешних воздействий трудно переоценить. В рамках данного проекта путем численного моделирования процесса неустойчивого вытеснения нефти из пористого пласта было исследовано влияние наличия и размера трещины гидроразрыва пласта на динамику и качество вытеснения нефти. Трещина гидроразрыва моделировалась как область повышенной проницаемости и пористости. Кроме того, был исследован процесс очистки трещины гидроразрыва от жидкости гидроразрыва. На основании результатов численных экспериментов, установлена связь качества очистки трещины гидроразрыва с её геометрическими параметрами и со свойствами жидкости гидроразрыва. Были получены следующие основные результаты: - В малых трещинах процесс очистки идет быстрее и процесс фильтрации происходит более равномерно. - В случае, когда жидкость гидроразрыва имеет более высокую вязкость, чем вытесняющий агент, возможно, что прорыв произойдет около скважины, а не через трещину. То есть целевая задача – гидроразрыв не работает, трещина оказывается не подключенной к процессу фильтрации. - Прорыв жидкости к добывающей скважине тем быстрее, чем больше вязкость жидкости гидроразрыва. - Для исследуемых жидкостей гидроразрыва с вязкостями µ = 100 мПа * с и µ = 80 мПа * с разница между насыщенностями жидкости ГРП в области около трещины в разные моменты времени составила около 3-4%. - В случае, когда трещины имеют длину 200 м, суммарная добыча нефти на начальном этапе больше на 41%, чем для трещины длиной 100 м. При этом качество нефти в добыче отличается незначительно для этих двух расчетов. - В первые 5 лет эксплуатации месторождения выгоднее добывать нефть при наличии одной или двух трещин гидроразрыва. При этом качество нефти значительно не отличается в случае наличия одной или двух трещин гидроразрыва, но оно падает быстрее, чем в случае отсутствия трещины. Результаты проведенных исследований были опубликованы в работах: - Вычислительное моделирование вытеснения жидкости из пористой среды с учетом наличия трещины гидроразрыва, Фахретдинова Р.Р., Душин В.Р., Смирнов Н.Н., Никитин В.Ф., Коленкина Е.И., Макеева М.Н., Сборник материалов VII Всероссийской конференции с международным участием, посвященной памяти профессоров Г.З Гершуни, Е.М. Жуховицкого и Д.В. Любимова, с. 397-412 - Modeling of Liquid Displacement from the Porous Medium Taking Into Account the Presence of Hydraulic Fracture, Kolenkina(Skryleva) E.I., Smirnov N.N., Nikitin V.F., Fakhretdinova R.R. and Makeeva M.N., Proceedings of the XLVIII International Conference “Advanced Problems in Mechanics” 3) В случае многофазной фильтрации капиллярные эффекты оказывают значительное влияние на динамику вытеснения, поэтому изучение капиллярных эффектов имеет огромное прикладное значение. Изучение капиллярных эффектов в обычных условиях затруднено: в обычных пористых средах течения трудно визуализировать, а в средах с крупными порами капиллярная пропитка невозможна из-за влияния силы тяжести. В рамках данного проекта были рассмотрены результаты экспериментов по капиллярной пропитке высокопроницаемых пористых сред в условиях микрогравитации. Пористая среда моделировалась насыпкой стеклянных шариков, что позволяет легко визуализировать течение, а также моделировать зоны с различной проницаемостью используя шарики различного диаметра. Микрогравитация достигалась с помощью параболических полетов. Был проведен анализ безразмерных уравнений движения многофазных сред для оценки роли инерционных членов уравнения при моделировании подобных процессов. Также при моделировании капиллярных эффектов был учтён эффект гистерезиса: при многократной пропитке пористой среды течение жидкости происходит быстрее в случае, когда среда уже была смочена (при проведении экспериментов во время параболических полётов с каждой последующей параболой уровень жидкости достигал большего уровня, так как течение происходило по уже смоченной во время предыдущих парабол среде). На основе полученной математической модели проведено численное моделирование процесса многократной капиллярной пропитки однородной и неоднородной пористой среды, при этом на экспериментальном базисе были определенны эмпирические константы математической модели. Были получены следующие основные результаты: - Рассмотрены эксперименты по течению жидкости в пористой среде в условиях микрогравитации. Пропитка происходит быстрее в уже смоченной пористой среде. - Получены коэффициенты, показывающие, что для рассматриваемого случая порядки конвективных и нестационарных членов уравнения сохранения импульса существенно меньше порядков других членов - Рассмотрена математическая модель с учетом гистерезиса, когда режим пропитки несколько раз сменяется режимом дренажа. - На основе предложенной модели проведено численное моделирование процесса течения жидкости через пористую среду. - На основании экспериментальных данных подобраны эмпирические константы в математической модели. - Проведено сравнение результатов численного моделирования и экспериментальных данных. Было показано, что результаты численного моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными. Результаты проведенных исследований были опубликованы в работе: - Microgravity Investigation of Capillary-Driven Imbibition into an Inhomogeneous Porous Medium, Kolenkina E.I., Nikitin V.F., Dushin V.R., Smirnov N.N., Shamina A.A., Weisman Yu G., в сборнике Proceedings of 71st International Astronautical Congress (IAC) – The CyberSpace Edition, 12-14 October 2020, с. IAC-20,A2,2,3,x57771 4)Были разработаны математические модели, описывающей неустойчивое вытеснение углеводорода из пористого пласта с учётом химических взаимодействий между фазами: - вытесняющая жидкость содержит в себе реагент, растворяющий известняковый скелет, в результате чего увеличивается пористость среды и связанная с ней соотношением Кармана-Козени проницаемость. -вытеснение производится посредством нагретой смеси воды и газа, в результате экзотермических химических реакций выделяется тепло, вязкость нефти понижается, что ускоряет процесс вытеснения Также были разработаны методы прямого численного моделирования таких процессов. Полученные математические модели и численные алгоритмы лягут в основу исследований в последующие этапы реализации проекта.
2 25 марта 2021 г.-28 декабря 2021 г. Моделирование неустойчивого вытеснения жидкостей из пористых сред с учетом внешних воздействий, направленных на повышение нефтеотдачи (этап 2, 2021 год)
Результаты этапа:
3 25 марта 2022 г.-31 декабря 2022 г. Моделирование неустойчивого вытеснения жидкостей из пористых сред с учетом внешних воздействий, направленных на повышение нефтеотдачи (этап 3, 2022 год)
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".