Project

Vloeistofstromingssimulaties in poreuze geomaterialen op meerdere schalen

Looptijd
01-01-2013 → 31-12-2016
Financiering
Gewestelijke en gemeenschapsmiddelen: IWT/VLAIO
Mandaathouder
Onderzoeksdisciplines
  • Natural sciences
    • Fluid physics and dynamics
    • Hydrogeology
  • Engineering and technology
    • Modelling and simulation
Trefwoorden
poreuze geomaterialen sedimentaire gesteenten twee-fasige stromingssimulatie
 
Projectomschrijving


In veel geologische toepassingen is de stroming van verschillende vloeistoffen doorheen poreuze geologische materialen belangrijk, bv. bij de sanering van vervuilde grondwaterlagen, de opslag van CO2 in geologische reservoirs in de ondergrond en bij petroleum winning. Om dergelijke toepassingen te modelleren, worden de geologische materialen in kwestie als continue poreuze materialen met effectieve eigenschappen beschouwd. Aangezien deze effectieve eigenschappen zich manifesteren als gevolg van wat er gebeurt in de pori¨en van het materiaal, moeten we de transportprocessen op de porie-schaal bestuderen om te verstaan hoe en waarom zulke effectieve eigenschappen vari¨eren doorheen de ruimte en overheen de tijd. Aangezien het bekomen en testen van stalen in veel gevallen een limiterende factor is door de hoge kostprijs die heermee gepaard gaat, zijn numerieke modellen een sleuteltechnologie aan het worden om nieuwe inzichten in deze materie te verkrijgen. Dit kan cruciaal zijn om de onzekerheid in het veld te verkleinen. Het werk dat in deze thesis is neergeschreven is gericht op twee-fasige stroming van vloeistoffen en/of gassen in sedimentaire gesteenten, en betreft een ge¨ıntegreerde experimentele en numerieke studie. Het behandelt voornamelijk twee openstaande problemen omtrent deze problematiek. Ten eerste hebben beeld-gebaseerde numerieke modellen problemen met het omgaan met de verschillende ruimtelijke schalen die voorkomen in gesteenten met brede poriegrootte-verdelingen. Dit is het gevolg van de afweging die er moet gemaakt worden tussen resolutie en beeldgrootte, zowel in de beeldvorming als in de simulaties zelf. Daardoor is het uitvoeren van twee-fasige stromingssimulaties in een aantal belangrijke klassen van gesteenten (zoals veel carbonaatgesteenten en weinig-doorlatende zandstenen) een openstaand vraagstuk. Om dit probleem aan te pakken werd een nieuw model ontwikkeld om capillaire drukken, relatieve permeabiliteiten en resistiviteitsindexen tijdens ontwatering (“rainage ” en drenking (“mbibition ” van gesteenten met een brede verdeling aan porie-groottes te berekenen. Het nieuwe model is gebaseerd op informatie die wordt onttrokken aan 3D micro-tomografische beelden van de interne poriestructuur van een steen, en wordt aangevuld met informatie over de pori¨en die in deze beelden niet geresolveerd zijn. In deze nieuwe methode wordt er eerst een porie-netwerk model ge¨extraheerd van de geresolveerde pori¨en met behulp van een “aximal ball”algoritme, waarna pori¨en die raken aan een gebied met niet-geresolveerde porositeit verbonden worden door een nieuw soort netwerk-element. Deze netwerk-elementen dragen gemiddelde eigenschappen van de niet-geresolveerde porositeit, en de nieuwe methode laat daarom toe om effici¨ente simulaties uit te voeren op beelden met vergelijkbare groottes als enkel-schalige netwerk modellen, maar dan op complexere stalen. Dit was met de meeste voorgaande methoden niet mogelijk. De voorgestelde aanpak laat toe om de belangrijkste gedragingen van een volledig geresolveerd netwerkmodel te reproduceren, zowel bij ontwatering als bij drenking, en bij verschillende verdelingen van hydrofobiciteit in de porieruimte. Verder kwamen simulaties op netwerken ge¨extraheerd uit beelden van carbonaatgesteenten goed overeen met experimentele metingen. Een sensitiviteitsanalyse van het model toegepast op carbonaatgesteenten en weinig-doorlatende klei-rijke zandstenen leidde tot resultaten die in kwalitatieve overeenstemming waren met experimenten uit de literatuur, en liet toe om de link tussen het twee-fasige stromingsgedrag en de porie-kenmerken van deze complexe gesteenten te onderzoeken. Het tweede probleem dat werd aangepakt in deze thesis heeft te maken met de validatie van modellen op de porie-schaal. De effectieve eigenschappen die deze modellen voorspellen moeten vergeleken worden met experimentele metingen hiervan, maar dit wordt bemoeilijkt door het typisch grootte-verschil tussen de modellen en experimenten. Verder geeft een dergelijke vergelijking niet altijd een duidelijke indicatie van de reden waarom het model en het experiment van elkaar afwijken. Daarom is het erg nuttig om twee-fasige vloeistofmodellen te vergelijken met experimenten waarin de evolutie van de vloeistofverdeling in 3D wordt gevisualiseerd. Daartoe moet men echter het proces visualizeren terwijl het plaatsvindt in een steen, en dit moet gebeuren met een tijdsresolutie in de orde van enkele tientallen seconden, en een spatiale resolutie in de orde van micrometers. Bij vroegere experimenten werd dit bereikt door metingen te doen aan synchrotrons, maar in deze thesis wordt aangetoond dat dit ook mogelijk is met laboratoriumtoestellen die vele malen goedkoper en daardoor dus makkelijker beschikbaar zijn. Een experiment waarbij kerosine in een water-gesatureerde zandsteen wordt gepompt toont aan dat individuele Haines-sprongen (het vullen van individuele porien) tijdens een ontwateringsprocess konden gevisualizeerd worden. Aangezien de beeldkwaliteit logischerwijze lager ligt dan bij synchrotrons, moest de beeldanalyse procedure aangepast worden aan het hoge beeldruis-niveau. Deze werkwijze werd zo ontworpen dat voor individuele porien kon gevolgd worden met welke vloeistoffen ze verzadigd waren. De resultaten geven aan dat dynamische effecten ten gevolge van visceuze krachten en intertiaalkrachten tijdens Haines jumps vermoedelijk geen significante invloed hebben op de evolutie van de vloeistofverdeling tijdens ontwatering. Dit proces zou daarom adequaat kunnen beschreven worden met behulp van quasi-statische modellen, zoals het porie-netwerk model dat in deze thesis werd voorgesteld.