Разработка коллекции микрофлюидных чипов для изучения многофазных потоков в задачах нефтегазовой индустрии

Abstract

Актуальность. Микрофлюидные чипы, имитирующие структуру горной породы, являются одним из немногочисленных методов, позволяющих визуализировать микромасштабные гидродинамические процессы, протекающие в пористых средах. Целью данной работы является описание методики разработки микрофлюидных чипов-моделей горных пород с различной проницаемостью и характеристиками смачиваемости, на основе которой была разработана коллекция микрофлюидных чипов, которую рекомендовано использовать для решения задач в нефтегазовой индустрии. Методы. Для реализации поставленной цели применялись методы лабораторного и численного моделирования. Предложены и апробированы на практике новые алгоритмы построения искусственных топологий пористых тел с изотропными и анизотропными характеристиками проницаемости, а также адаптирована методика оцифровки натуральных изображений для получения на их основе топологий чипов. Результаты и выводы. Полученные результаты демонстрируют успешную реализацию рассматриваемой методики. С ее помощью были разработаны различные топологии чипов-моделей, имитирующих горную породу, которые и легли в основу разработки коллекции. Особое внимание было уделено созданию топологий, направленных на изучение течения жидкости в зоне трещины гидроразрыва пласта и буровых растворов, а также для моделирования течений на масштабе отдельных пор в районах трещин и стыков пород с разными фильтрационно-емкостными характеристиками. Основным выводом исследования является то, что созданную коллекцию микрофлюидных чипов рекомендовано использовать для лабораторного моделирования физико-химических процессов в прискважинной зоне, а также для тестирования разрабатываемых математических моделей и верификации численных алгоритмов

Relevance. Microfluidic chips simulating the structure of rocks are one of the few methods that allow visualizing microscale hydrodynamic processes occurring in porous media. Aim. To describe the methodology for developing microfluidic chip models of rocks with different permeability and wettability characteristics, on the basis of which a collection of microfluidic chips was developed. The latter is recommended for use in solving problems in the oil and gas industry. Methods. To achieve this goal, laboratory and numerical modeling methods were used. New algorithms for constructing artificial topologies of porous bodies with isotropic and anisotropic permeability characteristics were proposed and tested in practice, and a technique for digitizing natural images was adapted to obtain chip topologies on their basis. Results and conclusions. The obtained results demonstrate the successful implementation of the considered method. With its help the authors developed various topologies of the chip models simulating rock, which easily formed the basis for the development of the collection. Particular attention was paid to the creation of topologies aimed at studying the flow of liquid in the zone of a hydraulic fracturing crack and drilling muds, as well as for modeling flows on the scale of individual pores in the areas of cracks and joints of rocks with different filtration-capacitive characteristics. The main conclusion of the study is that the created collection of microfluidic chips is recommended for use in laboratory modeling of physical and chemical processes in the nearwellbore zone, as well as for testing the developed mathematical models and verifying numerical algorithms