Витіснення в'язкої олії в пористому середовищі водою може відбуватися за чотирма різними механізмами залежно від зовнішнього тиску. До такого висновку прийшла група французьких гідродинаміків, дослідивши подібний процес у впорядкованій системі з мікроканалів, що перетинаються під прямим кутом. Результати роботи, опублікованої в, можуть виявитися корисними для підвищення ефективності нафтовидобутку при прокачуванні нафти через пористі мінерали.
Процес витіснення нафти з пористої гірської породи за допомогою води - один із способів збільшити кількість видобутої нафти і підвищити ефективність джерела. Відомо, що витіснення при цьому відбувається дуже нерівномірно, і всередині мікроканалів пористих мінералів може залишатися досить велика кількість нафти. Але незважаючи на це, процес такого «витискування» виявився до теперішнього моменту дуже мало вивчений. Переважна більшість вже опублікованих робіт присвячена витісненню рідини в пористих системах, в яких більш в'язка рідина витісняє менш в'язку рідину або газ, а у випадку з водою і нафтою спостерігається якраз зворотна ситуація.
Група французьких гідродинаміків під керівництвом Дені Бартоло (Denis Bartolo) з Ліонського Університету вирішила дослідити цей випадок і в своїй роботі розглянула почесну решітку каналів, що перетинаються, заповнених силіконовою олією, яка поступово витісняється водою. Така сітка, що складається з каналів шириною 80 мікрон, об'єднаних в комірки шириною 200 мікрон, моделює пористе середовище мінералу. Ставлення в'язкості масла до в'язкості води склало 560. Додана до рідини сила була спрямована по діагоналі квадратної комірки.
Виявилося, що в такій системі залежно від швидкості рідини можливо чотири різних сценарії, за якими відбувається поступове заміщення олії на воду. Визначається вибір сценарію співвідношенням сил взаємодії між водою, маслом і твердою поверхнею. Рушійними силами при цьому є можливе виникнення нестійкості Релея - Плато (розпаду рідини на окремі краплі, якщо радіус кривизни поверхні занадто малий) і зміна механізмів перенесення рідини в каналах.
Той чи інший спосіб розповсюдження води по такій системі каналів вибирається в залежності від співвідношення швидкості водної фази до поверхневого натягнення на кордоні між маслом і водою. Так, при найменших швидкостях, вода поширюється переважно вздовж каналів, повертаючи через кожні 5-10 періодів на 90 градусів. При збільшенні швидкості відбувається перехід у другий режим, в якому вода поширюється вузькими потоками практично вздовж зовнішньої сили, не роблячи при цьому ніяких крюків.
У третьому режимі утворюється система сильно розгалужених вузьких потоків, в середньому спрямованих уздовж зовнішньої сили. Зливаючись, вони через якийсь час можуть утворити один широкий потік. При найбільших швидкостях рідина утворює складні асиметричні гілкові структури, і потужними потоками поширюється вздовж каналів, які іноді «протікають» поперек потоку і можуть в результаті утворити сусідній паралельний потік.
Щоб розібратися, що в кожному з випадків відбувається при витісненні однієї рідини іншої, гідродинаміки використовували конфокальну мікроскопію, за допомогою якої змогли оцінити форму фронту натікаючої рідини. Виявилося, що при малих швидкостях рідини динаміка поширення визначається гідродинамічними нестійкостями, а при великих - ефектами двофазного перенесення: через те, що в'язка олія не встигає повністю витіснитися рідиною, у вузлах решітки, а іноді і на більш протяжних ділянках каналів у потоці води зберігаються краплі олії.
За словами авторів роботи, утворення структур каналів при просоченні пористого матеріалу схоже на зростання дендритних структур при кристалізації, і збільшення швидкості рідини призводить до фрагментації структури. Однак виходячи з отриманих даних можна визначити оптимальний режим, при якому олія практично повністю заміщається водою, і надалі результати роботи можна буде використовувати для збільшення ефективності прокачування нафти в пористих породах.
Матеріали зі складною пористою структурою з мікроканалів, що перетинаються, використовуються не тільки в якості моделі пористих мінералів. Наприклад, схожі губчасті матеріали на основі мікрогелів можна застосовувати для створення штучних органів, а тверді пористі металеві елементи, за якими тече рідина, японські розробники використовували для охолодження моторів гуманоїдних роботів.