Разработка новых микро и нанофлюидных технологий для задач нефтегазовой индустрии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-30022

НазваниеРазработка новых микро и нанофлюидных технологий для задач нефтегазовой индустрии

Руководитель Минаков Андрей Викторович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" , Красноярский край

Конкурс №81 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-311 - Гидромеханика многофазных сред

Ключевые слова методы увеличения нефтеотдачи, микрофлюидика, микрочипы, наносуспензии, наночастицы, углеродные нанотрубки, буровые растворы, жидкости для гидроразрыва, закачка СО2, цифровой керн, низкопроницаемые коллектора

Код ГРНТИ30.51.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Нефтегазовая индустрия является одной из важнейших отраслей экономики России. Новые экономические реалии требуют создания отечественных принципиально новых высокоэффективных технологий разработки месторождений углеводородов. Одним из возможных и перспективных способов решения этих задач может стать использование микро и нанофлюидных технологий. В данном проекте будут выполнены систематические исследования возможностей применения микро и нанофлюидных технологий в задачах разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. В рамках проекта будут разработаны новые буровые растворы, жидкости ГРП, жидкости глушения скважин и нефтевытесняющие флюиды, модифицированные наночастицами, новые математические модели для описания многофазных течений при транспорте частиц шлама в скважинах и нефтеотдачи в трехмерных цифровых моделях керна, а также новые методики лабораторных исследований с помощью микрофлюидных чипов. Фундаментальной научной проблемой является комплексное изучение многофазных сред и потоков в каналах и пористых средах, применительно к задачам разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, а также создание новых методик численного моделирования и методологии лабораторного эксперимента, основанного на микрофлюидных технологиях. Новизна проекта состоит в комплексном экспериментально-теоретическом подходе к систематическому изучению применения нанофлюидов в задачах нефтегазовой индустрии, а также в применении в проводимых исследованиях новых микрофлюидных технологий (микрочипы и цифровой керн). В проекте будут получены следующие принципиально новые результаты: 1. Будут разработаны новые рецептуры буровых растворов, модифицированных добавлением наночастиц различного размера и состава, включая углеродные нанотрубки, и систематически изучены их свойства. 2. Будут разработаны новые рецептуры жидкостей для гидроразрыва пласта, модифицированных добавлением наночастиц различного размера и состава, включая углеродные нанотрубки, и систематически изучены их свойства. 3. Будут разработаны новые рецептуры жидкостей глушения для глушения скважин, модифицированных добавлением наночастиц различного размера и состава, включая углеродные нанотрубки, и систематически изучены их свойства. 4. Будут разработаны новые рецептуры нефтевытесняющих флюидов на основе ПАВ-полимерных композиций, газожидкостных систем с CO2, и эмульсионных растворов, модифицированных добавлением наночастиц различного размера и состава, включая углеродные нанотрубки и систематически изучены их свойства. 5. Будут разработаны математические модели и отечественное программное обеспечение для описания многофазного течения при транспорте частиц шлама буровыми растворами в скважине и получены результаты их тестирования. 6. Будут разработаны математические модели и отечественное программное обеспечение для моделирования многофазных потоков в трехмерных цифровых моделях керна и получены результаты их тестирования. 7. Будет создана коллекция микрофлюидных чипов- моделей горных пород с различной проницаемостью и характеристиками смачиваемости. 8. Будет разработана новая методология лабораторных исследований нефтевытесняющих флюидов, буровых растворов, жидкостей глушения, и гелей ГРП с помощью микрофлюидных чипов-моделей горных пород. Программа исследований проекта включает в себя изучение коллоидных процессов, реологии, трения, многофазной фильтрации и вытеснения флюидов, межфазного натяжения и смачиваемости. В проекте впервые будет сочетаться последовательное систематическое экспериментальное исследование свойств и характеристик, новых нанофлюидов и разработка оригинальных математических моделей и систематическое численное моделировании этих процессов. Это позволит лучше понять природу исследуемых эффектов и установить комплексные механизмы взаимодействия между различными явлениями. Поэтому реализация проекта актуальна не только для практических приложений, но и с точки зрения получения фундаментальных знаний.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Минаков А.В., Лысакова Е.И., Скоробогатова А.Д., Пряжников М.И., Ивлева Ю.О., Воронин А.С., Симунин М.М. Experimental study of the effect of crystalline aluminum oxide nanofibers on the properties of oil-based drilling fluids Journal of Molecular Liquids, Vol. 388, No. 122676, P. 1-14 (год публикации - 2023)
10.1016/j.molliq.2023.122676

2. Лысакова Е.И., Скоробогатова А.Д., Неверов А.Л., Пряжников М.И., Жигарев В.А., Воронин А.С., Шабанова К.А., Минаков А.В. Comparative analysis of the effect of single-walled and multi-walled carbon nanotube additives on the properties of hydrocarbon-based drilling fluids Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Vol. 678, No. 132434 (год публикации - 2023)
10.1016/j.colsurfa.2023.132434

3. Минаков А.В., Гузей Д.В., Иванова С.В., Пряжников М.И. Comprehensive numerical study of sequential injection of SiO2-nanofluids for enhanced oil recovery Journal of Molecular Liquids, Vol. 391, No. 123307 (год публикации - 2023)
10.1016/j.molliq.2023.123307

4. Лысакова Е.И., Скоробогатова А.Д., Минаков А.В. Effect of nanoparticle and carbon nanotube additives on thermal stability of hydrocarbon-based drilling fluids Energies, Vol. 16 (19), No. 6875 (год публикации - 2023)
10.3390/en16196875

5. Филимонов С.А., Гузей Д.В., Якимов А.С., Пряжников А.И., Жигарев В.А., Минаков А.В. Verification and validation of a network algorithm for single-phase flow modeling using microfluidic experiments Journal of Applied and Computational Mechanics, Vol. 9, No. 4, P. 1156-1167 (год публикации - 2023)
10.22055/JACM.2023.43814.4131

6. Лысакова Е.И., Скоробогатова А.Д., Жигарев В.А., Пряжников М.И., Минаков А.В. Влияние добавок одностенных и многостенных углеродных нанотрубок на реологические характеристики обратных эмульсий Письма в Журнал технической физики, Т. 49, Вып. 19, С. 35-38 (год публикации - 2023)
10.21883/PJTF.2023.19.56271.19663

7. Лысакова Е.И., Скоробогатова А.Д., Неверов А.Л., Пряжников М.И., Минаков А.В. Исследование влияние добавок многостенных углеродных нанотрубок на реологию буровых растворов на углеводородной основе Теплофизика и Аэромеханика (год публикации - 2023)

8. Гаврилов А.А, Игнатенко Я.С. Numerical Simulation of Taylor—Couette—Poiseuille Flow at Re = 10,000 Fluids, Vol. 8(10), No. 280 (год публикации - 2023)
10.3390/fluids8100280

9. Жигарев В.А., Гузей Д.В., Лысакова Е.И., Скоробогатова А.Д., Минаков А.В. Расчетное исследование влияния добавки наноматериалов в буровой раствор на эффективность выноса из горизонтальной скважины Известия вузов. Физика, Номер 11, Том 66,С. 26-34 (год публикации - 2023)
10.17223/00213411/66/11/3

10. Минаков А.В., Пряжников М.И., Неверов А.Л., Суходаев П.О., Жигарев В.А. Wettability, interfacial tension, and capillary imbibition of nanomaterial-modified cross-linked gels for hydraulic fracturing Capillarity, Vol. 12, №. 2, P. 27-40 (год публикации - 2024)
10.46690/capi.2024.08.01

11. Лысакова Е.И., Скоробогатова А.Д., Неверов А.Л., Пряжников М.И., Рудяк В.Я., Минаков А.В. Physico-chemical studies and development of water-based drilling fluid formulations with carbon nanotube additives Journal of Molecular Liquids, Vol. 411, No. 125448 (год публикации - 2024)
10.1016/j.molliq.2024.125448

12. Минаков А.В., Пряжников М.И., Неверов А.Л., Суходаев П.О., Лысакова Е.И., Скоробогатова А.Д. A systematic study of the effect of nano-additives on the functional characteristics of hydraulic fracturing gels Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Vol. 702, No. 135057 (год публикации - 2024)
10.1016/j.colsurfa.2024.135057

13. Минаков А.В., Лысакова Е.И., Неверов А.Л., Пряжников М.И., Жигарев В.А. Исследование фильтрационных характеристик наномодифицированных гелей для гидроразрыва пласта Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), No. 11, C. 50–63 (год публикации - 2024)
10.25018/0236_1493_2024_11_0_50

14. Минаков А.В., Пряжников М.И., Неверов А.Л.,. Скоробогатова А.Д, Шульженко П.Д. Модифицированные одностенными углеродными нанотрубками гуаровые гели для гидроразрыва пласта Письма в журнал технической физики, Т. 50, Вып. 17, С. 3-6 (год публикации - 2024)
10.61011/PJTF.2024.17.58571.19911

15. Минаков А.В., Неверов А.Л., Пряжников М.И., Скоробогатова А.Д. Коллоидная устойчивость гелей гидроразрыва пласта на основе гуара с добавкой наночастиц Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Химия, Т. 17, No. 3, С. 438-447 (год публикации - 2024)

16. Лукьяненко К.А., Пряжников А.И., Гузей Д.В., Жигарев В.А., Минаков А.В. Application of Additive Technologies for the Development of Microfluidic Chip Models of Rocks Журнал Сибирского Федерального университета. Серия: Техника и Технологии, Т. 17, No. 5, с. 550–564 (год публикации - 2024)

17. Гаврилов А.А., Гузей Д.В., Дектерев А.А., Минаков А.В. Verification of a Numerical Method for Modeling Two-phase Flows of Immiscible Liquids with the Transfer of Modifying Additives in Three-dimensional Digital Core Models Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics, Vol. 17, No. 6, P. 817–828 (год публикации - 2024)

18. Шебелев А.В,. Гаврилов А.А., Минаков А.В. Numerical study of non-Newtonian flows with solid particles in pipes and annular channels Eurasian Journal of Mathematical and Computer Applications (год публикации - 2024)

19. Лысакова Е.И., Скоробогатова А.Д., Неверов А.Л., Пряжников М.И., Рудяк В.Я., Минаков А.В. A comprehensive study of the effect of multi‑walled carbon nanotubes as an additive on the properties of oil‑based drilling fluids Journal of Materials Science, Vol. 59, P. 4513–4532 (год публикации - 2024)
10.1007/s10853-024-09492-w

20. Жигарев В.А., Гузей Д.В., Лысакова Е.И., Рудяк В.Я., Минаков А.В. Моделирование транспорта шлама в скважине раствором с многостенными углеродными нанотрубками Сибирский журнал индустриальной математики, Т. 27, № 3, C. 57–73 (год публикации - 2024)
10.33048/SIBJIM.2024.27.305

21. Филимонов С.А., Гаврилов А.А., Лукьяненко К.А., Пряжников А.И., Минаков А.В. Development and testing of hybrid (PNM–CFD) mathematical model and numerical algorithm for description of fluid flows in three-dimensional digital core models Chemical Engineering Research and Design, Vol. 211, P. 53–65 (год публикации - 2024)
10.1016/j.cherd.2024.09.039

22. Минаков А.В., Пряжников А.И., Лубенец С.С., Пряжников М.И., Волченко Е.Н., Пригожих В.А. Enhanced oil recovery by flooding of biodegradable xanthan gum polymer solutions modified with nanoparticles: a microfluidic study Polymer, Vol. 342. Article 129320 (год публикации - 2025)
10.1016/j.polymer.2025.129320

23. Пряжников А.И., Пряжников М.И., Бен Ахмед Х., Волченко Е.Н., Минаков А.В. Исследование течений сшитого геля на основе полиакриламида в микрофлюидной модели трещины гидроразрыва пласта Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) (Mining Informational and Analytical Bulletin), № 8. С. 17-28 (год публикации - 2025)
10.25018/0236_1493_2025_8_0_17

24. Якимов А.С., Мешкова В.Д., Гузей Д.В., Пряжников А.И., Минаков А.В. Разработка коллекции микрофлюидных чипов для изучения многофазных потоков в задачах нефтегазовой индустрии Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов., Т. 336. № 5. С. 17-28 (год публикации - 2025)
10.18799/24131830/2025/5/4732

25. Лысакова Е.И., Скоробогатова А.Д., Неверов А.Л., Минаков А.В. Investigation of the effect of spherical nanoparticle additives on the properties of drilling fluids modified by carbon nanotubes Nano-Structures & Nano-Objects , Vol. 41. Article 101442 (год публикации - 2025)
10.1016/j.nanoso.2025.101442

26. Рудяк В.Я, Лысакова Е.И., Минаков А.В. Viscosity and rheology of drilling fluids modified with nanoparticles. Review. Nanobiotechnology Reports, №6 (год публикации - 2025)

27. Лысакова Е.И., Минаков А.В., Скоробогатова А.Д., Пряжников М.И. Сравнительный анализ влияния различных нанодобавок на характеристики буровых растворов на основе дизельного топлива Записки Горного института (Journal of Mining Institute), Т. 276, № 1, С. 30–40 (год публикации - 2025)

28. Гаврилов А.А., Гузей Д.В., Пряжников А.И., Якимов А.С., Минаков А.В. Development and microfluidic testing of a new numerical algorithm and software for modeling immiscible fluid flows in digital core models Fuel , Vol. 386. Article 134253 (год публикации - 2025)
10.1016/j.fuel.2024.134253

29. Филимонов С.А., Минаков А.В. Развитие поросетевого подхода для моделирования переноса модифицирующих добавок в процессе нефтевытеснения Сибирский журнал индустриальной математики (Journal of Applied and Industrial Mathematics), Т. 28. № 3. С. 104-116 (год публикации - 2025)
10.33048/SIBJIM.2025.28.307

30. Шебелев А.В., Минаков А.В., Гаврилов А.А. Systematic numerical study of cuttings transport using drilling fluids modified with single-walled carbon nanotubes Particuology, Vol. 104. P. 229-244 (год публикации - 2025)
10.1016/j.partic.2025.07.001

31. Пряжников М.И., Бен Ахмед Х., Волченко Е.Н., Минаков А.В. Синтез и изучение вязкоупругих свойств сшитых аминосиланом и глиоксалем гелей на основе полиакриламида Журнал Сибирского федерального университета. Химия (Journal of Siberian Federal University. Chemistry) , Т. 18 (2). С. 294-304 (год публикации - 2025)

32. Филимонов С.А., Минаков А.В., Гузей Д.В. Поросетевое моделирование процесса вытеснения нефти из микрофлюидного чипа водными растворами, модифицированными различными добавками Автоматизация и информатизация, № 5 (622). С. 51-57 (год публикации - 2025)

33. Пряжников А.И., Ваганов Р.А., Лубенец С.С., Якимов А.С., Пряжников М.И., Минаков А.В. Microfluidic investigation of the efficiency of oil recovery by surfactant solutions modified with nanoparticles Journal of Molecular Liquids, Vol. 438. Article 128672 (год публикации - 2025)
10.1016/j.molliq.2025.128672

34. Ваганов Р.А., Жигарев В.А., Пряжников М.И., Шебелева А.А., Немцев И.В., Минаков А.В. Improving the efficiency of surfactant and polymer solutions by modifying them with nanoparticle additives to increase oil recovery Chemical Engineering Science, Vol. 321. Article 122732 (год публикации - 2025)
10.1016/j.ces.2025.122732

35. Минаков А.В., Скоробогатова А.Д., Лысакова Е.И., Казанина С.Д., Волченко Е.Н., Пряжников М.И. Влияние одностенных углеродных нанотрубок на вязкоупругие и теплофизические характеристики буровых растворов с различным содержанием углеводородной фазы Коллоидный журнал, Выпуск № 6 (год публикации - 2025)

36. Жигарев В. А., Лесик Е. И., Купцов М.А. Разработка экологически безопасной композиции на основе биоразлагаемых ПАВ и наночастиц оксида кремния для повышения нефтеотдачи пласта Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов (год публикации - 2026)

37. Гаврилов А.А., Шебелев А.В., Минаков А.В. Modelling of the pressure-driven tube flow of the shear-thinning fluids with solid particles Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, Vol. 341. Article 105430 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jnnfm.2025.105430

38. Гаврилов А.А., Шебелев А.В., Минаков А.В. Statistical model of turbulent flow of shear-thinning viscoplastic fluid with solid particles Computers and Fluids, Vol. 304. Article 106878 (год публикации - 2025)
10.1016/j.compfluid.2025.106878

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Нефтегазовая индустрия является одной из важнейших отраслей экономики России. Новые экономические реалии требуют создания отечественных высокоэффективных технологий разработки месторождений углеводородов. Одним из возможных и перспективных способов решения этих задач может стать использование микро- и нанофлюидных технологий. Целью проекта является создание существенного фундаментального задела и разработка на его основе новых микро- и нанофлюидных технологий в задачах нефтегазовой индустрии. За второй год проекта в этом направлении были получены следующие результаты: 1. Продолжены лабораторные физико-химические исследования по разработке рецептур жидкостей ГРП с добавками наночастиц и углеродных нанотрубок. В этом году основной упор был сделан на изучении особенностей взаимодействия наномодифицированных гелей ГРП с проппантом и деструкторами. Действие добавки наночастиц увеличивается с увеличением загрузки и уменьшением размера частиц проппанта. Обнаружено, что нанодобавки в зависимости от концентрации и размера способны существенно сократить или увеличить время деструкции геля. 2. Продолжены экспериментальные исследования свойств модифицированных нанотрубками буровых растворов. Получены результаты комплексных сравнительных исследований влияния добавок различных наноматериалов на основные функциональные характеристики буровых растворов на углеводородной основе. Показано, что при прочих равных условиях для получения сопоставимых результатов по эффекту нанотрубок необходимо практически в 200 раз меньшее количество в сравнении со сферическими наночастицами. Показано, что добавление углеродных нанотрубок приводит к значительному повышению коэффициента теплопроводности буровых растворов. При этом было установлено, что её приращение в среднем тем выше, чем выше содержания УВ фазы и чем ниже теплопроводность базового раствора. 3. Проведено систематическое численное исследование транспорта частиц шлама, разработанными в проекте буровыми растворами на водной и углеводородной основе, модифицированными УНТ. В качестве добавок рассматривались одностенные и многостенные углеродные нанотрубки (ОУНТ и МУНТ), а также гибридные нанодобавки. Установлены механизмы влияния концентрации и вида нанодобавок на характеристики течения буровых растворов с частицами шлама. 4. Проведены лабораторные исследования по разработке нефтевытесняющих флюидов на основе ПАВ-полимерных композиций с добавлением наночастиц различного размера и состава, в том числе углеродных нанотрубок. В результате было приготовлено и проведено изучение свойств более шестидесяти различных вытесняющих жидкостей. Впервые установлено наличие оптимальных концентраций и размеров сферических наночастиц для повышения вязкости, вязко-пластических и вязко-упругих характеристик наномодифицированых полимерных растворов. Показана возможность управлять характеристиками смачивания и межфазного натяжения растворов ПАВ и полимеров с помощью их модификации наночастицами. 5. Проведены микрофлюидные исследования разработанных нефтевытесняющих флюидов на основе ПАВ-полимерных композиций, модифицированных добавлением наночастиц различного размера и состава, включая углеродные нанотрубки. Рассмотрено более 30 различных ПАВ-полимерных композиций. Анализ результатов показал, что модификация растворов ПАВ, полимеров и их композиций наночастицами позволяет дополнительно повысить коэффициент вытеснения нефти. С увеличением концентрации и уменьшением размера частиц нанодобавки положительный эффект от дополнительной модификации таких растворов наночастицами усиливается. 6. Проведены лабораторные фильтрационные исследования разработанных нефтевытесняющих флюидов на основе ПАВ-полимерных композиций, модифицированных добавлением наночастиц различного размера и состава, включая углеродные нанотрубки. Исследовано влияние концентрации, размера и типа нанодобавки, на коэффициент вытеснения нефти и проницаемость керна разработанными ПАВ-полимерными композициями. При фильтрационных исследованиях на кернах установлено, что модификация растворов ПАВ, полимеров и их композиций наночастицами позволяет дополнительно повысить коэффициент вытеснения. 7. Продолжена работа по разработке математических моделей для описания многофазных потоков в трехмерных цифровых моделях керна на основе VOF метода. Разработана математическая модель и численная методика для описания многофазных потоков в трехмерных цифровых моделях керна на основе VOF метода, с учетом неньютоновской реологии заводняющего флюида. Реологические параметры модели при этом зависят от локальной концентрации модифицирующей добавки. Разработана математическая гибридная 1D-3D модель для описания потоков жидкости в трехмерных цифровых моделях керна. Реализован оригинальный способ связи одномерного поросетевого решателя и трехмерного CFD решателя в совмещенную гидродинамическую модель, путем построения единого поля давления для всей рабочей области. Разработана математическая модель и реализован программный модуль для поросетевого моделирования транспорта модифицирующих добавок (растворы полимеров, ПАВ и наночастиц) в процессе заводнения в трехмерных цифровых моделях керна, с учетом степенной модели неньютоновской реологии флюидов. 8. Проведены систематические расчетные исследования по изучению течений разработанных нефтевытесняющих флюидов на основе ПАВ-полимерных композиций, модифицированных добавлением наночастиц. С помощью численного моделирования изучены особенности течений этих флюидов при вытеснении нефти. Установлены зависимости коэффициента вытеснения и потерь давления от вида модифицирующей добавки и условий закачки. 9. Изготовлено более 100 различных микрофлюидных чипов более 10 различных топологий с различной проницаемостью и смачиваемостью. Проведена их экспериментальная апробация. С помощью изготовленных микрофлюидных чипов выполнен большой объем экспериментальных работ по исследованию эффективности разрабатываемых в рамках проекта ПАВ-полимерных композиций и жидкостей ГРП, модифицированных нанодобавками. Результаты, полученные в экспериментах на изготовленных микрофлюидных чипах, использовались для тестирования разрабатываемых в рамках проекта математических моделей и численных алгоритмов.

Публикации