Группа ученых Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского федерального университета в рамках мегагранта Российского научного фонда разработала программный пакет для моделирования процессов динамической адсорбции катализаторов в условиях многофазного течения. Подробности исследования опубликованы в журнале International Communications in Heat and Mass Transfer.

В 2021 году КФУ стал победителем конкурса на получение грантов Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития РФ» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными. Предусмотрено финансирование в размере 128 миллионов рублей на проведение исследований в рамках рассчитанного на четыре года проекта «Разработка новых технологических подходов к каталитическому подземному облагораживанию высоковязкой и сверхвязкой нефти».

Одним из направлений работы в рамках мегагранта стала разработка программного комплекса для моделирования динамической адсорбции водорастворимых катализаторов при нефтевытеснении в цифровых кернах. Общеизвестно, что для частичной переработки углеводородного сырья и повышения качества тяжелой нефти в пластовых условиях непосредственно на месторождениях при паротепловом воздействии необходимо применение водо- или нефтерастворимых катализаторов. При попадании в пористую среду они могут быть подвержены явлению адсорбции, в процессе которого частицы катализатора осаждаются на поверхности геологических пород, иными словами «поглощаются» твердыми веществами. С одной стороны, адсорбция оказывает негативное влияние, поскольку определенный объем катализатора теряется (при осаждении на поверхности частиц). С другой стороны, адсорбированные частицы могут «сработать» и оказаться полезными при повторном паротепловом воздействии, сопровождающем процесс акватермолиза. Если статическая адсорбция катализатора в условиях его неподвижности хорошо изучена, то результаты по адсорбции в динамических условиях (при движущемся фильтрационном потоке) ранее отсутствовали.

«Новизна нашей работы, результаты которой отражены в научной статье, заключается в том, что рассматривается динамическая адсорбция при многофазных течениях, то есть в процессе нефтевытеснения, что подразумевает свои эффекты и особенности. До этого мы вели работу с однофазными течениями, когда катализатор был растворен в воде и двигался в образце, в котором тоже содержится вода», – пояснил доцент кафедры математических методов в геологии ИГиНГТ Тимур Закиров.

Для решения поставленной задачи ученые КФУ использовали технологию «Цифровой керн» и разработали программный пакет для моделирования процессов динамической адсорбции катализаторов в условиях многофазного течения. Математическая модель позволяет исследовать как водо-, так и нефтерастворимые катализаторы, а также учитывает все наиболее важные параметры разработки, такие как вязкость нефти, межфазное натяжение, краевой угол смачивания и т.д.

По словам ученого, зная вязкость нефти и другие параметры разработки месторождения, возможно спрогнозировать, какое количество катализатора будет потеряно в результате адсорбции. При определенных параметрах разработки, в частности при низких межфазных натяжениях, значительная часть катализатора адсорбируется на поверхности частиц, что существенно снизит эффективность каталитического акватермолиза. С экономической точки зрения важность прогнозированного «потерянного» количества катализатора обусловлена его существенной стоимостью.

«На основании проведенных исследований мы заранее будем знать, что при определенных параметрах разработки будут большие потери, и тогда закачивать катализатор не имеет смысла. Зная, что при других параметрах разработки потери катализатора малы, мы будем понимать, что участие катализатора в паротепловом воздействии на нефть будет более эффективным», – оценил практическую значимость исследования Закиров.

В рамках исследования впервые проведена классификация режимов динамической адсорбции катализатора при нефтевытеснении. Показано, что при низкой интенсивности адсорбции уменьшение скорости течения катализатора в поровом пространстве способствует увеличению адсорбированного количества. А при высокой интенсивности адсорбции поглощенное количество катализатора определяется эффективностью нефтевытеснения.

«Одной из актуальных научных задач проекта является исследование поведения закачиваемых в пласт катализаторов в пористой среде. Это очень важно для предсказания эффективности использования технологии и подбора оптимальных условий применения реагентов на глубине до 1 тысячи метров. Полученные в ходе математических расчетов закономерности позволят продвинуться в решении данной задачи», – заявил руководитель проекта, заведующий кафедрой разработка и эксплуатации месторождений трудноизвлекаемых углеводородов ИГиНГТ Михаил Варфоломеев.

По словам Закирова, ряд заказчиков уже проявил заинтересованность в приобретении программного продукта, с помощью которого получены результаты исследования.

Информация об адсорбированном количестве катализатора в динамических условиях играет важную роль для предсказания эффективности внутрипластового облагораживания высоковязкой и сверхвязкой нефти, запасы которой составляют большую часть жидких углеводородов России.