Способ изготовления микромодели пористой породы с минеральным покрытием Российский патент 2025 года по МПК G06T17/05 B33Y80/00 B33Y50/00 B01D21/26 G01V1/28 

Область техники

Изобретение относится к области нефтедобычи, технологии лабораторного исследования и анализа средств повышения нефтеотдачи, и может быть использовано как инструмент для скрининга эффективности новых типов композиций для методов увеличения нефтеотдачи (МУН), разрабатываемых под конкретное месторождение, а также для получения качественных и количественных характеристик процесса вытеснения нефти из порового пространства c целью тестирования численных моделей фильтрации.

Уровень техники

Разработка химических методов повышения нефтеотдачи (ХМУН) под конкретные месторождения включает проведение лабораторных тестов по вытеснению с их помощью остаточной нефти из стандартных образцов пластовой породы (кернов) или насыпных моделей. Это позволяет определить коэффициент вытеснения (или довытеснения) нефти и некоторые физико-химические свойства, по которым судят об эффективности ХМУН. Однако в современных реалиях увеличения темпов добычи и снижения расходов на сопутствующие исследования такие подходы имеют ряд ограничений: 1) не дают информацию о характере движения и распределения фаз в поровом пространстве, которая имеет решающее значение для оптимизации композиций ХМУН и проверки аналитических и численных моделей, 2) керновые исследования крайне дорогостоящи и затратны по времени, и 3) механические свойства и структура насыпных моделей существенно отличаются от реальной породы.

Применение двумерных микромоделей осадочных пород на основе микрофлюидных чипов, изготавливаемых из твердых материалов с прозрачных верхними и нижними стенками, обладает рядом преимуществ по сравнению с кернами и насыпными моделями: 1) визуализация процессов многофазного переноса, 2) возможность всестороннего исследования влияния многообразия структуры пространства на перенос, 3) возможность изготовления набора идентичных образцов для получения статистических данных и проверки достоверности результатов и 4) снижение расходов на проведение исследований.

Основные требования, предъявляемые к таким микромоделям, заключаются в том, что они должны воспроизводить/имитировать структурные характеристики исследуемой породы (размеры пор и/или зерен, распределение пор по размерам и по объему образца), фильтрационно-емкостные свойства породы (пористость, проницаемость) и геохимические свойства породы (покрытие поверхности порового пространства минералами, соответствие свойств смачиваемости).

Известны способы [Buchgraber и др. 2011; Gunda и др., 2011; Patent US 2021/0001223 A1] изготовления микрофлюидных микромоделей в стеклянных или кремниевых пластинках с помощью фотолитографии, где в качества масок используется либо изображения срезов керна [Buchgraber и др. 2011], полученные методом микротомографии, либо двумерные образы порового пространства, сформированные путем преобразования реконструированных, трехмерных томографических изображений керна с помощью комплекса разных алгоритмов [Gunda и др., 2011; Patent US 2021/0001223 A1]. Известен способ [Mousavi и др. 2021] изготовления микромодели порового пространства, представляющего собой томографические изображения срезов керна, на основе 3D фотополимерной печати из фотополимерной смолы с ее последующим отвердеванием при облучении ультрафиолетовым светом.

Несмотря на реалистичность, до определенной степени, структурных характеристик, получаемых микрофлюидных моделей породы-коллектора, их общим недостатком является использования стекла, кремния или фотополимера в качестве основы, что не обеспечивает достаточного композиционного сходства порового пространства таких моделей с природными породами. В природе породы изобилуют включениями разнообразных минералов и комплексов, которые существенно влияют на характер распределения фаз, смачивающие свойства породы, пористость и проницаемость. Кроме этого, фотолитографический способ изготовления достаточно трудоемок и требует использования агрессивных материалов для травления.

Известна микромодель [Singh и др. 2017] пористой среды, состоящая из пластинки толщиной 500 мкм, отрезанной от керна из подземного резервуара углеводородов и помещенная герметично в ячейку из полидиметилсилоксана с входным и выходным каналами. Такая микромодель позволяет визуализировать течение в поровом пространстве реального образца подземной породы-коллектора и потенциально может улучшить понимание реактивного транспорта и других подземных процессов. К недостаткам данной модели можно отнести следующее: (1) модель не может быть использована многократно, и кроме того, каждый последующий эксперимент будет проводиться с образцом, имеющим несколько отличную структуру и распределение пор что затруднит проверку воспроизводимости результатов; (2) учитывая большую площадь контакта с материалом ячейки, условия смачиваемости будут отличаться от таковых в реальной породе; и (3) для изучения потока в среде требуется применение сложнейшего и дорогостоящего оборудования.

Известен способ [Zhang и др. 2019] модификации поверхности микромоделей породы, изготовленных из боросиликатного стекла, кварца и полидиметилсилоксана методом фотолитографии, природными минералами такими как диоксид кремния, бентонитовая и монтмориллонитовая глины, методом послойного нанесения частиц этих минералов из раствора полиэлектролита. Недостатками данного способа являются следующие: (1) покрытие осуществляется только одним типом частиц, (2) сложность процедуры нанесения комбинаций частиц разных минералов за счет подбора и поочередного комбинирования электрических зарядов полиэлектролитов, которые являются основой для суспензии, (3) чувствительность и неустойчивость покрытия к солености вытесняющего раствора.

Заявленное изобретение решает задачу устранения недостатков существующих способов путем создания двумерной микрофлюидной модели породы-коллектора поверхность порового пространства, которой имеет схожие минералогический состав и смачивающие свойства с породой-коллектором с целью проведения исследований многофазного переноса в данной модели и тестирования реагентов увеличения нефтеотдачи.

Сущность изобретения

Технический результат заявляемого способа заключается в сокращении материальных и временные расходов на проведение лабораторных исследований новых реагентов для МУН, путем использования микромоделей пластовой породы, изготавливаемых с помощью аддитивных технологий, с минерализацией поверхности их порового пространства.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления микромодели пористой породы, формируют электронный образ микрофлюидной модели воспроизводящей структуру/морфологию образца породы, распечатывают микрофлюидную модель из оптически прозрачного фотополимера на 3D-принтере, облучают микрофлюидную модель ультрафиолетовым светом, наносят на поверхность микрофлюидной модели слой суспензии, величающий частицы минералов взвешенных в растворе жидкого кремнийсодержащего материала, центрифугируют, высушивают микрофлюидную модель в сушильном шкафу.

Предусмотрено, что слой суспензии наносят с помощью процедуры спикоутинга или дипкоутинга. Суспензию формируют на основе раствора, включающего тетраэтилортосиликат и частицы минералов, таких как кремнеземы или глиноземы.

Предусмотрено, что суспензию формируют с использованием порошка диатомовой земли, фракцией около 6 мкм.

Предусмотрено, что суспензию формируют с использованием частиц оксида алюминия, размером от 800 до 1500 нм.

Предусмотрено, что частицы минералов диспергируют ультразвуком в дистиллированной воде до уменьшения размеров частиц в диапазоне от 100 до 600 нм.

Предусмотрено, что что частицы минералов диспергируют ультразвуком в спиртоводном растворе.

Изобретение поясняется графическими материалами:

Фиг. 1 – схема, показывающая этапы осуществления способа;

Фиг. 2 – изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), поверхности фотополимера покрытой: (а) частицами SiO₂, сформированными из раствора тетраэтилортксилата, (б) комбинацией частиц SiO₂ и частиц диатомовой земли, и (в) комбинацией частиц SiO₂ и частиц Al₂O₃.

Осуществление изобретения

Способ обеспечивает создание двумерной микрофлюидной модели породы-коллектора (реалистичного образца породы нефтеносного коллектора с минеральным покрытием) поверхность порового пространства, которая имеет схожие минералогический состав и смачивающие свойства с породой-коллектором с целью проведения исследований многофазного переноса в данной модели и тестирования реагентов увеличения нефтеотдачи.

Задача изготовления микромодели пористой породы с заданными характеристиками решается путем 3D печати компьютерного образа микрофлюидной модели порового пространства из прозрачного или полупрозрачного в оптическом диапазоне фотополимера, воспроизводящего структуру и/или фильтрационные характеристики пластовой породы, и последующего покрытия поверхности микромодели минеральным составом, дающим схожие минералогические и физическо-химические свойства с породой.

В способе изготовления микромодели пористой породы с минеральным покрытием, формируют электронный (компьютерный) образ микрофлюидной модели, воспроизводящей структуру/морфологию образца породы, распечатывают микрофлюидную модель из оптически прозрачного фотополимера на 3D-принтере, облучают микрофлюидную модель ультрафиолетовым светом, наносят на поверхность микрофлюидной модели слой суспензии, центрифугируют, высушивают микрофлюидную модель в сушильном шкафу.

Слой суспензии наносят с помощью процедуры спикоутинга или дипкоутинга. Суспензия частиц осадочных пород сформирована на основе раствора, включающего тетраэтилортосиликат. Суспензия сформирована с использованием порошка диатомовой земли, который представляет собой окаменелые отложения панцирей водорослей диатомей, фракцией около 6 мкм, и/или с использованием частиц оксида алюминия, размером от 800 до 1500 нм.

Способ реализуется следующим образом. Компьютерный образ микрофлюидной модели открытого типа (Фиг. 1.), воспроизводящей структуру/морфологию образца любым выбранным способом или алгоритмом, передается на компьютер управляющий 3D-принтером. Модель распечатывается на принтере высокого разрешения из оптически прозрачного фотополимера, а затем, изготовленная микрофлюидная модель подвергается дополнительному облучению ультрафиолетовым светом для предания ей механической прочности и жесткости скелета порового пространства. После изготовления фотополимерной модели на ее поверхность наносят тонкий слой суспензии с помощью процедуры спикоутинга или дипкоутинга и затем высушивают в сушильном шкафу.

Суспензия нано-, субмикронных и микронных частиц осадочных пород разного типа требуемой концентрации и композиции создается на основе раствора, включающего тетраэтилортосиликат компонент, который позволяет закрывать поверхность полимера слоем диоксида кремния (SiO₂) создавая таким образом основу, имитирующую химических свойства песчаных коллекторов. Кроме того, эта основа позволяет частицам закрепляться на поверхности микромодели, формируя шероховатое покрытие, характерное для природных образцов породы-коллектора. Частицы можно подбирать и комбинировать таким образом, чтобы имитировать все многообразие минералов, встречающихся в осадочных породах, глиноземы, кремнеземы и др.

Изготовленная предложенным способом двумерная микрофлюидная модель помещается в держатель и сверху накрывается герметично стеклом или пластиной фотополимера изготовленного и модифицированного согласно описанной выше процедуре.

Примеры (фиг.2).

Микромодель порового пространства, предоставляющая собой прямоугольное углубление с расположенными в нем столбиками произвольного поперечного сечения и такого распределения, что значения пористости и/или абсолютной проницаемости рассчитанные для такой структуры соответствуют образцу породы-коллектора. Модель распечатывают из фотополимера методом проекционной микростереолитографии с послойной фотополимеризацией всего материала при УФ облучении.

С целью обеспечения сходства по минералогическому составу и физико-химическим свойствам с реальным образцом песчаного коллектора, включающего цементирующие минералы глиноземистых и кремнистых отложений осадочных пород, поверхность микромодели покрывается слоем соответствующей композиции.

Порошок диатомовой земли, который представляет собой окаменелые отложения панцирей водорослей диатомей, фракцией около 6 мкм диспергировали ультразвуком в дистиллированной воде до уменьшения размеров частиц в диапазоне от 100 до 600 нм. Готовили раствор тетраэтилортосиликата в этаноле с добавлением полученной суспензии в соотношении и добавляли серную кислоту около 3% от общего объема. Полученную смесь наносили на поверхность микрофлюидной модели из фотополимера с помощью центрифугирования (800 об/мин, 30 сек) для получения равномерного слоя и высушивали в сушильном шкафу. Толщина однородного слоя диоксида кремния SiO₂, сформированного тетраэтилортосиликатом составила около 170 нм по данным эллипсометрии. Частицы диатомита, закрепленные в сформированном слое, частично возвышались над ним создавая, таким образом, естественную шероховатость поверхности и меняя её физико-химические свойства.

Аналогичным образом наносили частицы оксида алюминия (Al₂O₃), которые предварительно диспергировали до размеров от 800 до 1500 нм, имитирующие глиноземные (алюмосиликатные) компоненты породы.

На фиг. 2 показаны изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), поверхности фотополимера покрытой: (а) частицами SiO₂, сформированными из раствора тетраэтилортксилата, (б) комбинацией частиц SiO₂ и частиц диатомовой земли, и (в) комбинацией частиц SiO₂ и частиц Al₂O₃.

Покрытие слоем оксида кремния S_iO₂ сформировано в виде чешуек размерами не выше 50 нм равномерно распределёнными по площади (Фиг. 1а).

Частицы диатомитовой земли также располагаются равномерно по поверхности, но из-за их размера частицы формируют более шероховатый профиль поверхности, а само покрытие более гранулировано (Фиг. 2б). Частицы оксида алюминия меняют картину поверхности из-за их большего размера - поверхность засевается крупными кристаллами (около 2 мкм), которые коагулируют в конгломераты, оставляя часть поверхности незанятой и покрытой только оксидом кремния.

Результаты энерго-дисперсионной спектроскопии элементного состава покрытия микрофлюидной модели показывают присутствие элементов, составляющих минералы, таких как Si, Al и O.

Предлагаемый способ может быть применен для покрытия поверхности микрофлюидной модели породы-коллектора композицией большего набора частиц, имитирующих природные породы, или частицами непосредственно породы-коллектора полученных, например, путем дезинтеграции керна.

Предложенный способ изготовления микрофлюидной модели нефтеносного коллектора, включающий 3D печать цифрового образа модели порового пространства породы с использованием прозрачного фотополимера и последующего нанесения минерального покрытия на поверхность поровой структуры, позволяет получить микрофлюидную модель в котоой:

1. Минеральное покрытие представляет собой сплошной слой диоксида кремния с вкраплениями минеральных частиц, обеспечивающее сходство шероховатости поверхности стенок пор и ее композиционного состава с природной породой;

2. Минеральное покрытие наносится на поверхность полимерной модели путем центрифугирования капли суспензии необходимого объема до формирования равномерного слоя с последующим его высушиванием;

3. Суспензия состоит из частиц минералов, взвешенных в спиртоводном растворе жидкого кремнийсодержащего материала, например, тетраэтилсиликата, с заданной концентрацией и диапазоном размеров;

4. Частицы минералов представляют собой кремнеземы (например, окаменелые раковины диатомей) и глиноземы (например, кристаллы оксида алюминия), являющиеся компонентами осадочных пород;

5. Размеры частиц изменяются от сотен нанометров до единиц микрометров путем их ультразвукового диспергирования в спиртоводном растворе упомянутом в п. 3.

В целом заявленное изобретение позволяет повысить эффективность химических методов увеличения нефтеодачи путем применения двумерного микрофлюидного аналога породы-коллектора как инструмента для экспресс-скрининга химических композиций и их оптимизации для выбранных условий.

Основные требования, предъявляемые к таким микромоделям, заключаются в том, что они должны воспроизводить/имитировать структурные характеристики исследуемой породы (размеры пор и/или зерен, распределение пор по размерам и по объему образца), фильтрационно-емкостные свойства породы (пористость, проницаемость) и геохимические свойства породы (покрытие поверхности порового пространства минералами, соответствие свойств смачиваемости). Предложенный способ обеспечивает снижение затрат на лабораторные исследования и разработки композиций МУН любой природы.

Источники:

1. Buchgraber M., Clemens T., Castanier L. M., Kovsce A. R. A Microvisual Study of the Displacement of Viscous Oil by Polymer Solutions. SPE Reservoir Eval. Eng., 2011, 14, 269–280.

2. Gunda N.S.K., Bera B., Karadimitriou N.K., Mitra S.K., Hassanizadeh S. M. Reservoir-on-a-Chip (ROC): A new paradigm in reservoir engineering. Lab Chip, 2011, 11, 3785.

3. Patent US 2021/0001223 A1, 07.01.2021. Wang M., Lei W., Liu T., Yang G. Reservoir chip and methods for producing the same.

3. Singh R., Sivaguru M., Fried G.A., Fouke B.W., Sanford R.A., Carrera M., Werth C.J. (2017) Real rock-microfluidic flow cell: A test bed for real-time in situ analysis of flow, transport, and reaction in a subsurface reactive transport environment, J. Contam. Hydrol. 204, 28–39.

4. Zhang Y., Yesiloz G., Sharahi H.J., Khorshidian H., Kim S., Sanati-Nezhad A., Hejazi S.H. (2019) Geomaterial-functionalized microfluidic devices using a universal surface modification approach, Adv. Mater. Interf. 6, 23, 1900995.

5. Mousavi S.M., Sadeghnejad S., Ostadhassan M. Evaluation of 3D printed microfluidic networks to study fluid flow in rocks. Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP Energies nouvelles 76, 50 (2021).

Изобретение относится к технологии лабораторного исследования и анализа средств повышения нефтеотдачи. Предложен способ изготовления микромодели пористой породы с минеральным покрытием, заключающийся в том, что формируют электронный образ микрофлюидной модели, воспроизводящей структуру/морфологию образца породы, распечатывают микрофлюидную модель из оптически прозрачного фотополимера на 3D-принтере, облучают микрофлюидную модель ультрафиолетовым светом, наносят на поверхность микрофлюидной модели слой суспензии на основе раствора, включающего тетраэтилортосиликат и частицы минералов, таких как кремнеземы или глиноземы, центрифугируют, высушивают микрофлюидную модель в сушильном шкафу. Технический результат – повышение эффективности химических методов увеличения нефтеодачи, которое заключается в сокращении материальных и временные расходов на проведение лабораторных исследований новых реагентов для методов увеличения нефтеотдачи. 5 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

1. Способ изготовления микромодели пористой породы с минеральным покрытием, характеризующийся тем, что формируют электронный образ микрофлюидной модели, воспроизводящей структуру/морфологию образца породы, распечатывают микрофлюидную модель из оптически прозрачного фотополимера на 3D-принтере, облучают микрофлюидную модель ультрафиолетовым светом, наносят на поверхность микрофлюидной модели слой суспензии на основе раствора, включающего тетраэтилортосиликат и частицы минералов, таких как кремнеземы или глиноземы, центрифугируют, высушивают микрофлюидную модель в сушильном шкафу.

2. Способ изготовления микромодели пористой породы с минеральным покрытием по п.1, отличающийся тем, что слой суспензии наносят с помощью процедуры спикоутинга или дипкоутинга.

3. Способ изготовления микромодели пористой породы с минеральным покрытием по п.1, отличающийся тем, что суспензию формируют с использованием порошка диатомовой земли, фракцией около 6 мкм.

4. Способ изготовления микромодели пористой породы с минеральным покрытием по п.1, отличающийся тем, что суспензию формируют с использованием частиц оксида алюминия, размером от 800 до 1500 нм.

5. Способ изготовления микромодели пористой породы с минеральным покрытием по п.1, отличающийся тем, что частицы минералов диспергируют ультразвуком в дистиллированной воде до уменьшения размеров частиц в диапазоне от 100 до 600 нм.

6. Способ изготовления микромодели пористой породы с минеральным покрытием по п.1, отличающийся тем, что что частицы минералов диспергируют ультразвуком в спиртоводном растворе.