Вытеснение вязкого масла в пористой среде водой может происходить по четырем различным механизмам в зависимости от внешнего давления. К такому выводу пришла группа французских гидродинамиков, исследовав подобный процесс в упорядоченной системе из пересекающихся под прямым углом микроканалов. Результаты работы, опубликованной в Physical Review Letters, могут оказаться полезными для повышения эффективности нефтедобычи при прокачке нефти через пористые минералы.

Процесс вытеснения нефти из пористой горной породы с помощью воды — один из механизмов увеличить количество добываемой нефти и повысить эффективность источника. Известно, что вытеснение при этом происходит очень неравномерно, и внутри микроканалов пористых минералов может оставаться довольно большое количество нефти. Но несмотря на это, процесс подобного «выдавливания» оказался к настоящему моменту очень мало не изучен. Подавляющее большинство уже опубликованных работ посвящено вытеснению жидкости в пористых системах, в которых более вязкая жидкость вытесняет менее вязкую жидкость или газ, а в случае с водой и нефтью наблюдается как раз обратная ситуация.

Группа французских гидродинамиков под руководством Дени Бартоло (Denis Bartolo) из Лионского Университета решила исследовать этот случай и в своей работе рассмотрела двумерную решетку пересекающихся каналов, заполненных силиконовым маслом, которое постепенно вытесняется водой. Такая сетка, состоящая из каналов шириной 80 микрон, объединенных в ячейки шириной 200 микрон, моделирует пористую среду минерала. Отношение вязкости воды к вязкости воды составило 560. Приложенная к жидкости сила была направлена по диагонали квадратной ячейки.

C. Odier et al./ Physical Review Letters, 2017

Оказалось, что в такой системе в зависимости от скорости жидкости возможно четыре различных сценария, по которым происходит постепенное замещение масла на воду. Определяется выбор сценария соотношением сил взаимодействия между водой, маслом и твердой поверхностью. Движущими силами при этом являются возможное возникновение неустойчивости Релея — Плато (распада жидкости на отдельные капли, если радиус кривизны поверхности слишком мал) и смена механизмов переноса жидкости в каналах.

Четыре различных сценария распространения воды по каналам, заполненным маслом. Масштабная метка имеет длину один миллиметр. C. Odier et al./ Physical Review Letters, 2017

Тот или иной способ распространения воды по такой системе каналов выбирается в зависимости от соотношения скорости водной фазы к поверхностному натяжению на границе между маслом и водой. Так, при самых маленьких скоростях, вода распространяется преимущественно вдоль каналов, поворачивая через каждые 5–10 периодов на 90 градусов. При увеличении скорости происходит переход во второй режим, в котором вода распространяется узкими потоками практически вдоль внешней силы, не делая при этом никаких крюков.

В третьем режиме образуется система сильно разветвленных узких потоков, в среднем направленных вдоль внешней силы. Сливаясь, они через какое-то время могут образовать один широкий поток. При самых больших скоростях жидкость образует сложные асимметричные ветвистые структуры, и мощными потоками распространяется вдоль каналов, которые иногда «протекают» поперек потока и могут в результате образовать соседний параллельный поток.

Чтобы разобраться, что в каждом из случаев происходит при вытеснении одной жидкости другой, гидродинамики использовали конфокальную микроскопию, с помощью которой смогли оценить форму фронта натекающей жидкости. Оказалось, что при малых скоростях жидкости динамика распространения определяется гидродинамическими неустойчивостями, а при больших — эффектами двухфазного переноса: из-за того, что вязкое масло не успевает полностью вытесниться жидкостью, в узлах решетки, а иногда и на более протяженных участках каналов в потоке воды в сохраняются капли масла.

По словам авторов работы, образование структур каналов при пропитке пористого материала похоже на рост дендритных структур при кристаллизации, и увеличение скорости жидкости приводит к фрагментации структуры. Однако исходя из полученных данных можно определить оптимальный режим, при котором масло практически полностью замещается водой, и в дальнейшем результаты работы можно будет использовать для увеличения эффективности прокачки нефти в пористых породах.

Материалы со сложной пористой структурой из пересекающихся микроканалов используются не только в качестве модели пористых минералов. Например, похожие губчатые материалы на основе микрогелей можно применять для создания искусственных органов, а твердые пористые металлические элементы, по которым течет жидкость, японские разработчики использовали для охлаждения моторов гуманоидных роботов.

Автор: Александр Дубов