Микрофлюидное исследование синергетических механизмов системы «микросферы–микроорганизмы» для повышения нефтеотдачи

Почему важно выжимать больше нефти из старых скважин

Большая часть легко доступной нефти в мире уже откачана, оставив упрямые залежи, захваченные в крошечных порах горных пород. По мере старения месторождений добыча часто сводится к большому объему воды и лишь небольшой доле нефти, хотя значительная часть первоначальной нефти все ещё остаётся на месте. В этом исследовании рассматривается новый способ извлечь больше оставшейся нефти, используя совместные действия синтетических частиц и живых микробов — многообещающий, более экологичный и эффективный путь продлить жизнь существующих резервуаров без бурения большого числа новых скважин.

Командный подход в скрытых каналах породы

Традиционные методы вымывания захваченной нефти опираются на химические вещества — полимеры и ПАВ, которые сгущают воду или изменяют смачивание породы. В реальных пластах такие методы могут не завоевать успеха, поскольку поток стремится идти по нескольким «магистралям», обходя большие объёмы породы. Две более современные идеи — закачка мягких микросфер и использование гидрофобных микробов — помогают по-разному, но имеют и слабые стороны. Микросферы могут расширяться и перекрывать крупнейшие каналы, заставляя поток заходить в узкие зоны, но их химическое воздействие быстро ослабевает. Микробы медленно выделяют природные ПАВ, которые ослабляют сцепление нефти, но распределяются неравномерно и мало исправляют проблему канализации. Исследователи решили проверить, может ли комбинирование этих подходов в единой «компонентной системе» дать результат лучше, чем каждый из них по отдельности.

Наблюдение за движением нефти и воды через стеклянную модель породы

Для проверки гибридной стратегии команда изготовила стеклянные чипы с лабиринтом пор, скопированным с образца реальной породы. Они заполнили миниатюрную «породу» модельной нефтью, затем имитировали работу месторождения: сначала промывка водой до стадии, когда из образца выходит почти только вода, а затем закачка одного из трёх агентов — только микросфер, только микробов или их смеси — с последующей дополнительной водой. Микроскопы высокого разрешения позволяли наблюдать в реальном времени, как масляные сгустки распадаются, перемещаются или остаются на месте в разных частях поровой сети. Компьютерный анализ изображений превращал цветовые пятна нефти и воды в числовые данные, показывая, сколько нефти осталось в основных потоковых путях по сравнению с боковыми зонами.

Как крошечные партнёры меняют прилипание и поток нефти

Снимки, сделанные во время и после закачки, показали, что составная смесь сильнее изменила поведение поверхности породы, чем любой из компонентов по отдельности. Сначала ПАВ внутри микросфер медленно вымывались, делая породу менее нефтесмачиваемой и отвязывая масляные плёнки от стенок пор. В период покоя без потока микробы начинали синтезировать собственные ПАВ, дополнительно ослабляя нефть, которая до этого была лишь частично мобилизована. Измерения кажущегося контактного угла — того, как резко капля нефти встречается с поверхностью породы — подтвердили, что и микробы, и комбинированная система облегчали отделение нефти, тогда как сами по себе микросферы почти не влияли на это свойство после прекращения закачки.

Создание долговечных пробок, перенаправляющих воду

Кроме ослабления сцепления нефти, составная система успешно направляла воду в ранее забытые углы породы. Исследователи добавили в текущую воду флуоресцентные трассеры и применили метод микрочастичной PIV (particle image velocimetry) для картирования скоростей в порах. Они обнаружили, что по сравнению с одиночными агентами составная смесь выравнивала скорости потока в основных каналах и боковых зонах, что указывает на исчезновение ситуации, когда вода мчится лишь по нескольким путям. Микроскопия объяснила почему: микробы и полимерные микросферы сцеплялись, образуя мелкие кластеры, которые застревали в самых широких каналах, служа гибким каркасом для прикрепления микробов. Эти кластеры сопротивлялись разрушению сдвиговыми силами и сохраняли частичные закупорки даже при последующей промывке чистой водой, направляя больше потока в боковые поры, где оставалась нефть.

Больше нефти при меньшем расходе химии — и что это означает

Когда эксперименты завершились, комбинированная система микросфера–микробы извлекла примерно на 7% больше нефти, чем только микробы, и на ~5% больше, чем только микросферы — при этом использовала лишь половину объёма микросфер по сравнению с одиночной закачкой микросфер. Проще говоря, два компонента действовали как эстафета: микросферы первым изменяли взаимодействие нефти и воды и перестраивали пути потока, а затем микробы в период простоя продолжали вырабатывать природные ПАВ, удерживавшие нефть в состоянии, удобном для вымывания. Работа показывает, что продуманное сочетание инженерных частиц и естественных микроорганизмов может помочь извлечь значительный дополнительный объём нефти из зрелых, средне- и низкопроницаемых пластов при снижении расхода химикатов. Дальнейшие исследования в трёхмерных моделях и на реальных месторождениях потребуются для тонкой настройки таких систем, но эксперименты на поровом масштабе дают ясное представление о том, как этот неожиданный дуэт может работать под землёй.

Цитирование: Li, H., Zhu, W., Song, Z. et al. Microfluidic investigation of synergistic mechanisms of microsphere-microbial compound system for enhanced oil recovery. Sci Rep 16, 14253 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44131-1

Ключевые слова: повышение нефтеотдачи, микрофлюидика, микросферы, микробная закачка, струение в пористой среде