[論文レビュー] Forced Imbibition in Stratified Porous Media: Fluid Dynamics and Breakthrough Saturation

Nancy Lu, Daniel B. Amchin+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2021

Enhanced Oil Recovery Techniques参考文献 83被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、異なる透水性を有する2つの平行な層からなる層状多孔質媒体における強制吸引の挙動を調査するため、解析的モデルおよびポーレネットワークモデルを構築した。その結果、ブレイクスルーにおける不毛相の体積分率が最適なキャピラリー数 Ca* で最小化されることが明らかになった。この Ca* は、媒体の構造および流体の粘度比に依存し、オイル回収や地下水浄化などの応用分野における定量的設計ルールを提供する。

ABSTRACT

Imbibition, the displacement of a nonwetting fluid by a wetting fluid, plays a central role in diverse energy, environmental, and industrial processes. While this process is typically studied in homogeneous porous media with uniform permeabilities, in many cases, the media have multiple parallel strata of different permeabilities. How such stratification impacts the fluid dynamics of imbibition, as well as the fluid saturation after the wetting fluid breaks through to the end of a given medium, is poorly understood. We address this gap in knowledge by developing an analytical model of imbibition in a porous medium with two parallel strata, combined with a pore network model that explicitly describes fluid crossflow between the strata. By numerically solving these models, we examine the fluid dynamics and fluid saturation left after breakthrough. We find that the breakthrough saturation of nonwetting fluid is minimized when the imposed capillary number Ca is tuned to a value Ca$^*$ that depends on both the structure of the medium and the viscosity ratio between the two fluids. Our results thus provide quantitative guidelines for predicting and controlling flow in stratified porous media, with implications for water remediation, oil/gas recovery, and applications requiring moisture management in diverse materials.

研究の動機と目的

• 異なる透水性を有する平行な層からなる多孔質媒体における強制吸引の流体力学的挙動を理解すること。
• ブレイクスルー時間および不浄相体積分率がキャピラリー数および粘度比にどのように依存するかを定量化すること。
• 残留不浄相体積分率を最小化する最適な流れの条件を同定すること。
• 均質モデルと現実の層状系との間のギャップを、吸引プロセスにおいて埋める。

提案手法

• グローバルキャピラリー数 Ca ≡ µw(Q/A)/γ を用いたキャピラリー力と粘性力のバランスに基づく解析的モデルを構築。
• 層間の横流れを明示的にシミュレートするポーレネットワークモデルを構築。
• 両モデルを数値的に解き、インletからブレイクスルーまでの完全な吸引ダイナミクスをシミュレート。
• キャピラリー数 Ca および粘度比を変化させ、それらがブレイクスルー時間および体積分率に与える影響を調査。
• マクロな流量 Q および界面エネルギー γ を用いて Ca を定義し、異なる系間での比較を可能にする。
• 実験的観察（流量増加に伴い細粒層から粗粒層への優先的侵入の切り替え）と一致する結果を得た。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多孔質媒体における層状構造は、強制吸引の挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ブレイクスルー時間および不浄相体積分率は、キャピラリー数および粘度比にどのように依存するか？
• RQ3 層状媒体において、ブレイクスルーにおける不浄相体積分率が最小化されるキャピラリー数は何か？
• RQ4 層間の横流れは、流体の分布およびブレイクスルー挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ5 不浄相の残留量を最小化するための普遍的な設計ルールを導出できるか？

主な発見

• ブレイクスルーにおける不浄相体積分率（SO）は、特定のキャピラリー数 Ca* で最小化され、この Ca* は2つの層間の透水性対比および粘度比に依存する。
• 低キャピラリー数では、キャピラリー力により湿潤相が細粒層に優先的に侵入するが、高キャピラリー数では粘性力により粗粒層に侵入する。
• 細粒層と粗粒層における優先的侵入の遷移は、Ca* で発生し、これは層間におけるキャピラリー力と粘性力のバランスを示している。
• 層間の横流れは、特に中程度の Ca 値において、流体分布を顕著に変化させ、ブレイクスルーを遅らせる。
• SO を最小化する最適な Ca* は普遍的ではなく、特定の透水性比および粘度比に依存する。
• 本モデルは、オイル回収や地下水浄化などの応用分野における注入プロトコル設計の予測フレームワークを提供する。