Ученые из Сколковского института науки и техники разработали новый алгоритм моделирования нефти на молекулярном уровне, позволяющий упростить ее добычу и фильтрацию. Результаты исследования опубликованы в журнале Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.
Моделирование нефти на молекулярном уровне используется для понимания ее «поведения» в пористых структурах нефтяных коллекторов, которые осложняют извлечение углеводородов из-под земли. На сегодняшний день чаще всего используется однокомпонентная модель, которая не очень точно отражает состав нефти, что приводит к недостоверным результатам.
Ученые из Сколтеха, МГУ и Института искусственного интеллекта AIRI попытались создать более достоверную модель, взяв за основу так называемый контактный угол — показатель, отражающий степень смачиваемости различных компонентов нефти жидкостью. В результате авторам удалось создать алгоритм, основанный на сложной 15-компонентной модели нефти с использованием экспериментальных данных.
В новом алгоритме ячейка коллектора имеет вид щелевидной поры, образованной кварцевыми пластинами, между которыми находятся нефть и вода. Нефть и вода образуют в поре каплю в форме сплюснутого цилиндра, который замыкается через границы ячейки. Проекция капли жидкости имеет четыре точки тройного фазового контакта. Контактный угол рассчитывается как среднее арифметическое углов в этих точках.
«Новый численный метод для расчета контактного угла отличается от имеющихся альтернатив линейной сложностью определения угла на каждом шаге системы и отсутствием необходимости в точной настройке алгоритма под растворенные компоненты: метан в воде и воду в нефти. Это позволяет ускорить расчеты, обрабатывать большие массивы информации в сочетании с простотой управления процессом расчетов», — цитирует Сколтех аспиранта Петра Ховенталя.
Ключевым достижением исследования стал учет 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 идет рука об руку с нефтью и может составлять значительную долю ее 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», — приводит Сколтех слова одного из авторов исследования, кандидата химических наук Ильи Копаничука.
Новый алгоритм позволил оценить влияние различных факторов на величину контактного угла: последний уменьшается с повышением температуры и увеличением концентрации подземного рассола. В свою очередь, повышение концентрации метана приводит к увеличению контактного угла, тогда как содержание ароматических соединений практически не оказывает на этот показать никакого влияния. В результате с помощью алгоритма можно подобрать состав нефти по данным с любого месторождения.
