Многоуровневые исследования механизма всасывания воды в нефтенасыщенные поры со сложной структурой и смешанной смачиваемостью: обзор за последние 10 лет

Почему крошечные поры в породе важны для будущей энергетики

Большая часть оставшейся в мире нефти заперта в породах настолько плотных, что жидкости едва перемещаются по ним. Тем не менее внутри таких пород вода иногда сама проникает в микроскопические поры и вытесняет нефть благодаря капиллярным силам — подобно тому как вода впитывается в бумажное полотенце. В этой обзорной статье подводятся итоги десяти лет исследований, чтобы понять, как форма этих крошечных пор и склонность их поверхностей к нефти или воде совместно управляют этим «самоуправляемым» извлечением нефти, и как новые методы визуализации, теория и компьютерное моделирование могут помочь извлечь больше энергии из действующих месторождений с меньшим вредом для окружающей среды.

Как вода просачивается в плотные породы

В пластах с низкой проницаемостью матрица породы напоминает лабиринт из нерегулярных каналов и полостей. Когда вода вводится в окружающие трещины, она может втягиваться в эту матрицу, вытесняя нефть к трещинам и в конечном счёте к эксплуатационным скважинам — процесс, известный как всасывание (imbibition). Авторы показывают, что в этом поведении доминируют два фактора: структура пор и смачиваемость. Структура пор описывает размеры пор, степень их связности и извилистость путей потока. Смачиваемость характеризует, «любит» ли поверхность породы воду или нефть. Поверхности, предпочитающие воду (водообладающие), усиливают капиллярное притяжение, приводящее к всасыванию, тогда как поверхности, предпочитающие нефть (нефтеобладающие), могут практически его блокировать. Поскольку в реальных породах встречаются смешанные участки с разными предпочтениями, понимание этого тонкого баланса является ключевым для прогнозирования объёмов извлекаемой нефти.

Заглядывая в породы на разных масштабах

За прошедшее десятилетие исследователи использовали набор экспериментальных инструментов, чтобы наблюдать всасывание от порового до пластового масштаба. Рентгеновская микрокомпьютерная томография (micro‑CT) позволяет восстанавливать трёхмерные изображения поровой сети и отслеживать перераспределение нефти и воды во время всасывания без разрушения образца. Эти исследования показывают, что всасывание в основном происходит через связанные поровые сети в определённых диапазонах размеров, а узкие горлышки и тупиковые поры часто удерживают остаточную нефть. На сантиметровом «керновом» масштабе лабораторные тесты демонстрируют, как общая проницаемость породы, наличие трещин, внешнее давление и химия флюидов влияют на скорость и глубину проникновения воды. На метрово‑километровом уровне крупномасштабные физические модели и полевые пилоты показывают, что сеть трещин может значительно повысить добычу нефти — но если трещины слишком открыты, они также создают каналы, по которым вода обходит большую часть породы.

От простых формул к сложным компьютерным моделям

Обзор прослеживает эволюцию теории от идеализированных аналогий с гладкой стеклянной трубкой к продвинутым математическим описаниям реальных пород. Ранние модели рассматривали одну гладкую капиллярную трубку, связывая размер поры, предпочтение поверхности и капиллярное давление. Новые формулировки включают извилистые пути, нерегулярные поперечные сечения, шероховатые стенки и статистический «фрактальный» подход к поровой сети, чтобы лучше отразить сложность. На промежуточных масштабах модели связывают пороговое давление и сопротивление потоку с мерами нерегулярности пор, тогда как уравнения пластового масштаба объединяют всасывание с временем закрытия скважины, объёмом закачки и геометрией трещин для прогноза добычи. Параллельно с теорией численные инструменты — такие как модели поровой сети, решения методом решётчатого Больцмана и фазово‑полевая методика — моделируют, как нефть и вода протекают через сложные геометрии и как изменения смачиваемости — часто вызванные ПАВ или низкосолевыми растворами — влияют на восстановление.

Настройка поверхностей пород, чтобы выжать больше нефти

Важной темой является целенаправленное управление смачиваемостью для усиления всасывания. Лабораторные и полевые исследования показывают, что химические добавки, такие как поверхностно‑активные вещества, и специально подобранные низкосолевые рассолы могут сдвинуть поверхность пор от нефтеобладаемой к водообладаемой, позволяя капиллярным силам втягивать воду глубже в матрицу и вытеснять больше нефти. Однако те же обработки часто уменьшают межфазное натяжение между нефтью и водой, что может ослабить те самые капиллярные силы, движущие всасыванием. Численные и теоретические исследования указывают на то, что оптимальное восстановление требует тщательного баланса: сделать поверхности достаточно водообладающими, чтобы инициировать поток, но не снижать межфазное натяжение настолько сильно, чтобы капиллярное притяжение исчезло. Смешанная смачиваемость — участки с нефтеобладающими и водообладающими поверхностями в пределах одной поры — выступает особенно важным и сложным состоянием для характеристики и моделирования.

Связь крошечных пор с крупными энергетическими решениями

В статье делается вывод, что улучшение извлечения нефти из плотных пластов зависит от освоения как геометрии поровой сети, так и «пэчворка» предпочтений поверхности на разных масштабах. Приоритеты на будущее включают создание реалистичных трёхмерных цифровых образцов пород со сложной смешанной смачиваемостью, использование оперативной четырёхмерной КТ‑томографии для отслеживания движения флюидов и объединение искусственного интеллекта с микрофлюидными чипами для вывода и управления шаблонами смачиваемости. Соединяя физику порового масштаба с рабочими характеристиками пласта, этот многоуровневый подход может направлять более безопасное, эффективное и с меньшим выбросом углерода использование существующих нефтяных месторождений, оттягивая потребность в новом бурении в ходе глобального энергетического перехода.

Цитирование: Liu, Q., Wang, Q., Liang, B. et al. Multi-scale studies of oil–water imbibition mechanism on complex pore structures and mixed-wettability: a recent 10-year review. Sci Rep 16, 11979 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42527-7

Ключевые слова: спонтанное всасывание, скважины с низкой проницаемостью, структура пор, изменение смачиваемости, трещиноватые месторождения