Учёные представили новый алгоритм моделирования нефти на молекулярном уровне. Этот метод позволит оптимизировать стратегии её добычи и фильтрации. Результаты опубликованы в журнале Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.

Моделирование нефти на молекулярном уровне необходимо для понимания её поведения в различных условиях, например в пористых структурах. Одна из проблем в этой области — недостаток точных моделей. Распространённая примитивная однокомпонентная модель упрощает состав нефти, что приводит к недостоверным результатам.

Коллектив учёных из Сколтеха, Центра вычислительной физики МФТИ, AIRI и МГУ предложил своё 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 нефть и вода. Система нефть — вода в поре 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.

«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 научной статьи Пётр Ховенталь, аспирант программы «Нефтегазовое дело» Сколтеха.

Ключевым достижением данного исследования стал учёт 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 идёт рука об руку с нефтью и может составлять значительную долю её 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 учёные 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 солёность 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 солёности раствора. Это открывает возможности для управления смачиваемостью в реальных условиях, например, за счёт изменения состава закачиваемого рассола.

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.

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 расчёта углов смачивания нефтей. В долгосрочной перспективе авторы планируют создать универсальную цифровую модель нефти, которая может стать основой для новых технологий добычи и переработки.