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 25-13-00313

НазваниеРазвитие подходов многомасштабного моделирования смесей углеводородов и диоксида углерода в гетерогенных нанопористых средах при различных термодинамических условиях: связь методов и масштабов

Руководитель Хлюпин Алексей Николаевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-604 - Многомасштабное компьютерное моделирование структуры и свойств материалов

Ключевые слова Методы увеличения нефтеотдачи, нетрадиционные месторождения, углеводороды в нанопорах улавливание и закачка СО2, динамика в пористых средах, физическая химия, молекулярная динамика, теория функционала плотности, порово-сетевые модели, машинное обучение

Код ГРНТИ29.29.41

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Одним из приоритетов научно технологического развития РФ является переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике. Это может быть реализовано за счёт повышения эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, а также формирования новых более экологичных источников энергии и способов её хранения или усовершенствования существующих объектов электроэнергетики. Для решения первой проблемы можно прибегнуть к закачке СО2 в месторождения с трудноизвлекаемые запасами нефти и газа, что при эффективной эксплуатации может привести повышению добычи. Кроме того, такой подход считается перспективным способом утилизации углекислого газа и улучшит экологическую ситуацию во время добычи. Кроме того, разработка материалов сорбентов для улавливания углекислого газа также имеет более широкую область потенциального применения, включающую в себя уменьшение выбросов на промышленных предприятиях по производству цементов или стали и нефтеперерабатывающих заводах. Улавливание СО2 (в смеси с продуктами распада углеводородов) повысит чистоту производства водорода из ископаемого топлива, а также улучшит экологическую ситуацию при производстве электроэнергии на тепловых электростанциях или при разработке современных биоэнергетических объектов. Итак, закачка CO2 является перспективным методом повышения нефтеотдачи нетрадиционных коллекторов. Под нетрадиционными коллекторами понимаются месторождения со сверхнизкой проницаемостью, где размеры пор, содержащих углеводороды, может достигать нескольких нанометров. В данном случае необходимо исследовать поведения смесей углеводородов и CO2 в нанопоровом пространстве, которое отличается от классического представления поведения этих смесей в силу специфики накладываемой различными молекулярными взаимодействиями, которыми нельзя пренебрегать на наномасштабе. В представленном проекте предполагается использовать современные методы молекулярного моделирования, а именно Теорию Функционала Плотности (Density Functional Theory - DFT) и Молекулярную Динамику (Molecular Dynamics - MD) для описания поведения смеси углеводородов и CO2 в нанопорах нетрадиционного коллектора. В рамках проекта предполагается разработка нового подхода объединяющего DFT и MD для исследования поведения флюидов в нанопорах. С помощью молекулярной динамики будет рассчитываться течение флюида в поровом пространстве и эффективные транспортные свойства с учетом распределения компонентного состава (DFT) в ансамбле связных пор. Такая комбинация подходов позволит ускорить и упростить расчеты поведения системы в мультимасштабном поровом пространстве. Предлагаемый метод будет впервые применен для расчета свойств различных смесей углеводородов и углекислого газа в нанопористых материалах. Далее транспортные и фильтрационные свойства пористой среды будут моделироваться с помощью Порово-Сетовой Модели (Pore-Network Model - PNM), которая позволяет описывать фильтрацию на масштабе образца, c учетом эффектов полученных в нанопорах. С помощью машинного обучения мы сможет параметризовать порово-сетевую модель для быстрого и эффективного расчета потоков в реальных образцах мультимасштабных нано-микро пористых сред. В результате будет разработана многомасштабная методика моделирования и исследования свойств углеводородов в гетерогенном поровом пространстве в зависимости от концентрации углекислого газа, термодинамических условий и компонентного состава флюида. Впоследствии данные результаты могут быть применены для разработки технологических методик по закачке углекислого газа в пласт как средства повышения нефтеотдачи. Таким образом, целью проекта является решение одновременно фундаментальной и прикладной задачи описания фильтрации флюидов в мультимасштабных пористых средах с помощью нового подхода на основе связки молекулярной динамики, теории функционала плотности, машинного обучения и порово-сетевых моделей.

Ожидаемые результаты
В рамках Проекта предполагается достичь следующих результатов: 1. Научные результаты: - создание методики по настройке межмолекулярыных параметров взаимодействия для описания многокомпонентных систем в нанопорах с помощью теории функционала плотности; - валидация моделей теории функционала плотности с результатами опубликованных экспериментальных работ этом направлении; - применение комбинированного подхода MD и DFT для исследования свойств смесей углеводородов с углекислым газам в поровом пространстве и при различных термодинамических условиях; - создание многомасштабной модели для расчета транспортных свойств пористых материалов на наномасштабе с учетом термодинамических эффектов; - верификация на на образцах породы нетрадиционных коллекторов, что недоступно для методов молекулярного моделирования без перехода к порово-сетевым моделям. Предлагаемая мультимасштабная методика позволит описывать поведение углеводородов и их смесей с диоксидом углерода в нетрадиционных системах и спрогнозировать эффективную добычу. Основные результаты работы будут опубликованы в ведущих мировых и российских научных журналах и представлены на международных конференциях. 2. Практические результаты: В рамках проекта будет разработана целая библиотека программных кодов для физического моделирования: - расчетные коды на основе классического DFT для решения задачи фазового равновесия, компонентного состава и EoS в нанопорах для смеси газов и жидкостей (углеводороды + СО2); - коды настройки и оптимального подбора параметров потенциалов межмолекулярного взаимодействия по экспериментальным данным и данным MD моделирования; - коды экстракции и создания поросетевой модели пустотного пространства материалов на основе 3D цифровых моделей - коды моделирования течений в поросетевых моделях, совместно с расчетом термодинамических свойств на основе DFT; - программные коды (общедуступнцые) для отображения графиков и интересующих макроскопических рассчитанных параметров. Данные коды будут выложены в открытый доступ и доступны для исследовательских целей. Кроме того они будут снабжены техническим описанием, примерами расчетов и руководством пользователя (в т.ч. на русском языке). Таким образом, разработанные нами библиотеки программных кодов для физического моделирования станут доступны для использования любыми исследовательскими группами и командами в РФ. На текущий момент в данной области приходится использовать иностранные программные решения, не всегда свободно доступные для отечественных исследователей. Резюмируя, результаты могут способствовать развитию технологии увеличения нефтеотдачи посредством закачки СО2, решению задачи улавливания и хранения углекислого газа в пласте в рамках стратегии декарбонизации. Такие технологии все еще находятся на стадии разработки. Чтобы сделать их экономически более рентабельными, предстоит решить несколько важных задач: определение количества необходимого газа, расчет оптимального давления закачки для заданной температуры пласта, улавливание углекислого газа из атмосферы непосредственно на месторождении для дальнейшего использования. Чтобы решить эти задачи, в первую очередь предстоит провести фундаментальные исследования, посвященные различным процессам и явлениям на молекулярном уровне. В данном проекте предполагается создание нового комбинированного подхода к моделированию углеводородов и углекислого газа в нанопорах. Одним из преимуществ нового подхода будет заключаться в значительном ускорении расчетов свойств рассматриваемых флюидов в нанопористых материалах и породах.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---