고분자 기공의 실험적 및 수치적 조사

May 06, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8245(2023) 이 기사 인용

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폴리머는 석유 회수 강화(EOR), 유정 적합성, 이동성 제어 등과 같은 다양한 현장 응용 분야를 위해 석유 및 가스 산업에서 효과적으로 사용되어 왔습니다. 다공성 암석과의 고분자 분자간 상호 작용, 특히 지층 막힘 및 관련 투과성 변경은 업계에서 일반적인 문제입니다. 이 연구에서는 미세유체 장치를 활용하여 고분자 분자의 동적 상호 작용과 수송 거동을 평가하기 위해 형광 고분자와 단일 분자 이미징이 처음으로 제시되었습니다. 실험적 관찰을 재현하기 위해 기공 규모 시뮬레이션이 수행되었습니다. "Reservoir-on-a-Chip"으로도 알려진 미세유체 칩은 기공 규모에서 발생하는 흐름 과정을 평가하기 위한 2D 대리 역할을 합니다. 미세유체 칩을 설계하는 동안 2~10nm 범위의 석유 함유 저류암의 기공-목구멍 크기가 고려됩니다. 소프트 리소그래피를 사용하여 PDMS(폴리디메틸실록산)로부터 마이크로모델을 만들었습니다. 폴리머를 모니터링하기 위해 추적자를 기존에 사용하는 것은 폴리머와 추적자 분자가 분리되는 경향으로 인해 제한이 있었습니다. 처음으로 우리는 폴리머 기공 막힘 및 막힘 해제 과정의 동적 거동을 관찰하기 위한 새로운 현미경 방법을 개발했습니다. 우리는 수성상 내에서 이동하는 동안 폴리머 분자와 클러스터링 및 축적에 대한 직접적인 동적 관찰을 제공합니다. 유한 요소 시뮬레이션 도구를 사용하여 현상을 시뮬레이션하기 위해 기공 규모 시뮬레이션을 수행했습니다. 시뮬레이션에서는 폴리머 축적 및 유지를 경험한 흐름 채널 내에서 시간이 지남에 따라 흐름 전도도가 감소하는 것으로 나타났으며 이는 폴리머 유지에 대한 실험적 관찰과 일치합니다. 수행된 단일상 유동 시뮬레이션을 통해 우리는 수성상 내 태그가 지정된 폴리머 분자의 유동 거동을 평가할 수 있었습니다. 또한 실험적 관찰과 수치 시뮬레이션을 모두 사용하여 흐름 중에 나타나는 유지 메커니즘과 겉보기 투과성에 미치는 영향을 평가합니다. 이 연구는 다공성 매체의 폴리머 유지 메커니즘을 평가하는 데 새로운 통찰력을 제공합니다.

폴리머 범람은 기존 저장소1,2에서 석유 회수를 화학적으로 향상시키는 유망한 기술입니다. 이 방법은 주입수에 수용성 고분자 분자를 첨가하여 상 점도를 높이는 것을 의미합니다. 점도 향상은 보다 유리한 이동성 비율과 물-오일 분율 흐름 특성으로 이어져 변위 공정의 스윕 효율성을 향상시킵니다. 폴리머 플러딩은 성숙한 EOR 방법으로 간주되지만 폴리머 플러딩의 전체 필드 구현은 제한적입니다6. 이는 폴리머 유도 형성 손상이 주요 원인인 현장 규모에서 프로세스를 성공적으로 구현하는 데 어려움이 있기 때문일 수 있습니다. 폴리머로 인한 지층 손상은 지층의 투과성을 감소시켜 복구 성능에 영향을 미칠 수 있으며 유정 주입성의 지속적인 악화로 나타납니다12,13,14,15. 폴리머 주입성은 수질, 주입수와 지층수 사이의 비호환성, 미세 이동 등과 관련이 있습니다13,16. 기공-목 막힘 또는 간단히 폴리머 막힘과 관련된 폴리머로 인한 형성 손상은 기공 공간에 갇힌 폴리머에 의해 생성됩니다.

수십 년 동안 저수지 암석의 다공성 매질과 폴리머 보유를 통해 폴리머 수송 거동을 연구하기 위해 상당한 노력이 기울여졌습니다. 세 가지 주요 메커니즘은 다공성 암석으로 유입되는 동안 폴리머의 전반적인 보유, 즉 폴리머 흡착, 유체 역학적 보유 및 기계적 포착에 기여하는 것으로 알려져 있습니다27,28. 그러나 모든 노력에도 불구하고 폴리머 포착을 일으키는 메커니즘은 완전히 이해되지 않았습니다. 그 이유 중 하나는 저류 메커니즘이 일반적으로 노심 범람 실험 중 차압 및 유출 농도 프로파일로부터 간접적으로 추론된다는 것입니다. 따라서 그들은 서로 다른 메커니즘을 구별하지 못하고 암석에 대한 개별적인 영향을 포착하지 못합니다.