Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Целью исследований, выполненных коллективом в этом году, является комплексное изучение влияния на добавок наночастиц на коллоидную устойчивость, реологию, фильтрацию, антифрикционные свойства и смазывающую способность растворов на углеводородной основе; экспериментальное и расчётное исследование вытеснения нефти из керна с разной начальной водонасыщенностью с помощью наноэмульсий и наносуспензий. Были получены следующие результаты. 1. Изготовлено и проведено систематическое изучение физико-химических свойств более двух десятков различных буровых растворов на углеводородной основе с добавками наночастиц. Проведено систематическое экспериментальное исследование влияния наночастиц различной концентрации и размера на свойства этих буровых растворов. Концентрация наночастиц в буровых эмульсиях менялась от 0,25 до 2 масс%, а средний размер наночастиц - от 18 до 100 нм. В результате многочисленных лабораторных экспериментов отработаны рецептуры и технология приготовления устойчивых буровых растворов на углеводородной основе с добавками наночастиц. Изучено влияние наночастиц на вязкость, реологические, фильтрационные и антифрикционные свойства, а также на коллоидную устойчивость данных буровых растворов. Такое комплексное исследование проведено впервые. 2. Показано, что при помощи даже небольших добавок наночастиц можно регулировать вязкие характеристики буровых растворов на углеводородной основе. В большинстве случаев добавление наночастиц приводит к значительному увеличению вязкости (при концентрации наночастиц 2 масс% увеличение составляло от 30 до 500% в зависимости от вида углеводородной фазы и типа микрокольматанта) буровой эмульсии, она увеличивается с ростом концентрации наночастиц и уменьшением их размеров Впервые проведены систематические исследования зависимости реологии буровых растворов на углеводородной основе от размера наночастиц. Установлено, что с ростом размера частиц предел текучести и параметр консистенции растворов на УВ основе снижается, в то время как показатель нелинейности слабо зависит от размера наночастиц. 3. Впервые проведено систематическое экспериментальное исследование по изучению влияния добавок наночастиц различного размера на фильтрационные потери буровых растворов на углеводородной основе с различными микрокольматантами. Показано, что это влияние имеет сложный характер и зависит от соотношения между размерами и концентраций микро- и наночастиц. Также показано, что с уменьшением размера наночастиц фильтрационные потери существенно снижаются. 4. Установлено, что добавка наночастиц в буровые растворы может приводить в целом к улучшению их антифрикционных свойств. При этом антифрикционный эффект как правило наблюдается уже при малых концентрациях наночастиц и усиливается с уменьшением их среднего размера. 5. Изучено влияние добавки наноразмерного оксида кремния на коллоидную стабильность различных буровых растворов на углеводородной основе. Показано, что добавка наночастиц позволяет значительно повысить коллоидную устойчивость буровых растворов на углеводородной основе. Так, 2масс% наночастиц оксида кремния позволяет уменьшить скорость коалесценции буровой эмульсии с микрочастицами барита более чем в 6 раз. При этом положительное действие добавок наночастиц на стабильность имеет место для различных видов углеводородной основы и используемых утяжелителей и микрокальматантов. 6. Проведено экспериментальное исследование влияния нановолокон оксида алюминия на характеристики буровых эмульсии: на вязкость, реологию, фильтрационные и антифрикционные свойства, а также на коллоидную устойчивость бурового раствора на УВ основе. Проведенные исследования продемонстрировали в целом положительные результаты. Было показано, что в диапазоне концентраций не превышающем 0,5масс% нановолокна оксида алюминия значительно меняют реологические характеристики, снижают фильтрационные потери и уменьшают коэффициент трение буровых растворов на углеводородной основе, не ухудшая значительно их коллоидную устойчивость. Это делает данный материал перспективным для применения при разработке буровых растворов. 7. Изучено влияние начальной водонасыщености образцов керна на значение коэффициента извлечения нефти наносуспензией и наноэмульсией. Установлено, что с увеличением начальной водонасыщенности величина КИН монотонно снижается и в случае вытеснения водой, и в случае вытеснения наносуспензией. Показано, что проницаемость кернов после вытеснения нефти наносуспензиями становится в среднем ниже, чем после вытеснения нефти водой. Эффективность применения наносуспензии с увеличением начальной обводненности в целом снижается, но может быть повышена подбором оптимальной концентрации, размера и материала наночастиц. Для всех рассмотренных уровней начальной водонасыщенности керна с увеличением концентрации наночастиц в заводняющей жидкости КИН увеличивается. Впервые исследовано влияние размера наночастиц на значение коэффициента извлечения нефти для различной начальной водонасыщенности керна. Было показано, что с уменьшением размера частиц значение коэффициента извлечения нефти увеличивается для всех рассмотренных значений начальной водонасыщенности. Изучено влияние начальной водонасыщенности на значение коэффициента извлечения нефти наноэмульсиями на основе дизельного топлива и нефти. Было установлено, что в целом наноэмульсии с точки зрения повышения КИН обладают большим потенциалом по сравнению с наносуспензиями. 8. Разработана математическая модель переноса и диффузии наночастиц в пределах водной фазы при несмешивающемся вытеснении нефти наносуспензией из пористой среды. Проведено систематическое расчетное исследование влияние начальной водонасыщености образцов керна на значение коэффициента извлечения нефти наносуспензией и наноэмульсией. Численное моделирование качественно подтвердило все обнаруженные в эксперименте закономерности по вытеснению нефти с помощью наносуспензий и наноэмульсий для различной начальной водонасыщенности и позволило объяснить механизмы этих процессов. 9. Всего по проекту за прошедший период опубликовано 3 статьи в научных изданиях, индексируемых в базах данных WoS Core Collection и SCOPUS, две статьи из которых, опубликованы в журналах первого квартиля Q1. Подана заявка на патент. Еще три статьи на момент написания отчета приняты в печать в журналы (ПЖТФ, Theoretical and Computational Fluid Dynamics, Petroleum), два из которых журналы первого квартиля. Результаты проекта были представлены на двух всероссийских и международных конференциях. Таким образом, все запланированные работы по проекту выполнены в полном объеме.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Целью исследований, выполненных коллективом в этом году, является комплексное изучение влияния на добавок наночастиц на термостабильность буровых растворов на водной и углеводородной основе; экспериментальное и расчетное исследование выноса шлама с помощью модифицированных наночастицами буровых растворов; экспериментальное и расчетное исследование последовательной и циклической закачки наноэмульсий и наносуспензий для вытеснения нефти из кернов. В ходе выполнения проекта в этом году были получены следующие результаты. 1. Проведено систематическое исследование термодеструкции буровых растворов на водной и углеводородной основах с добавками наночастиц (НЧ). Показано существенное стабилизирующее действие добавок наночастиц к высокотемпературной деградации реологических свойств буровых растворов на углеводородной основе. Исследование влияния концентрации НЧ на коллоидную устойчивость буровых растворов показало, что коллоидная устойчивости базового бурового раствора после испытания на термостарение значительно улучшается с добавкой НЧ уже при минимальной их концентрации Проанализировано влияние размера НЧ на коллоидную устойчивость буровых растворов на углеводородной основе с добавкой наночастиц в процессе термостарения. Показано, что с уменьшением размеров наночастиц устойчивость буровых растворов на УВ основе к процессам термодеструкции существенно повышается. 2. Проведено экспериментальное исследование выноса шлама буровыми растворами на углеводородной и водной основах, модифицированными наночастицами. Были получены зависимости эффективности выноса шлама и потерь давления от концентрации и размера наночастиц для нескольких буровых растворов. Экспериментально установлено, что с увеличением концентрации наночастиц и уменьшением их размера в буровых растворах эффективность промывки скважины от шлама увеличивается. Подобное систематическое экспериментальное исследование выполнено впервые. 3. Проведено расчетное исследование влияние добавок в буровые растворы на углеводородной основе наночастиц различного состава и размера на эффективность выноса шлама из горизонтальной и наклонной скважины. Полученные расчетные результаты по исследованию выноса шлама модифицированными наночастицами растворами на углеводородной основе качественно хорошо согласуются с результатами проведенных экспериментальных исследований. Все обнаруженные в расчетах закономерности по влиянию добавок наночастиц в буровые растворы на УВ основе удалось подтвердить экспериментально. Влияние добавок наноматериалов на транспорт шлама вызвано их влиянием на реологию рассматриваемых буровых растворов. Добавки приводят к уменьшению индекса течения и увеличению пластической вязкости и предельного напряжение сдвига растворов. Эффект от добавки усиливается при увеличении концентрации наночастиц и уменьшении их размера. С практической точки зрения наилучший эффект по улучшению промывки скважины от шлама достигается с использование углеводородных растворов с добавкой 0,25 мас. % нановолокон оксида алюминия. Применение более высоких концентраций добавок нецелесообразно. 4. Проведено экспериментальное исследование последовательной и циклической закачки наноэмульсий и наносуспензий для вытеснения нефти из кернов. В результате довытеснения нефти наносуспензиями после закачки двух поровых объёмов воды было получено, что добавка наночастиц в вытесняющую жидкость приводит к дополнительному росту коэффициента вытеснения нефти из кернов. Показано, что дальнейшая закачка двух поровых объемов воды после закачки двух поровых объемов наносуспензии приводила к дополнительному росту коэффициента вытеснения нефти. Впервые было обнаружено, что наблюдается запаздывание действия (отложенный эффект) добавки наночастиц при периодической закачке наносуспензий. В целом, по итогам данной серии экспериментов было показано, что применение периодической закачки наносуспензий позволяет дополнительно увеличить количество вытесненной нефти на 17% по сравнению с вытеснением водой. 5. Проведено численное исследование процесса вытеснения нефти из пористой среды с помощью периодической закачки воды и нанофлюидов. Показано, что использование периодической закачки позволяет получить коэффициент вытеснения нефти сопоставимый с последовательным вытеснением наносуспензией. Таким образом, периодическая закачка позволяет уменьшить расход наносуспензии для вытеснения нефти из пористой среды. Показано, что длительная закачка наносуспензий позволяет получить большее увеличение коэффициента вытеснения нефти по сравнению с периодической закачкой наносуспензии и воды, но приведет к большему расходу вытесняющей наносуспензии. 6. Проведен анализ и систематизация полученных в рамках проекта результатов и сформулированы на их основе практические рекомендаций по применению наносуспензий и наноэмульсий в технологиях разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений. Таким образом, все запланированные работы по проекту выполнены в полном объеме.