[論文レビュー] Using Microfluidic Device to Study Rheological Properties of Heavy Oil

Kiarash Keshmiri, Saeed Mozaffari+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2016

Petroleum Processing and Analysis参考文献 5被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、幅30 µm、深さ9 µmのマイクロフラウドチャネルを用いて、純粋な液体および希釈されたビトゥーメンの毛細管駆動流れを調査した。その結果、純粋な液体は理論的な毛細管充填運動に従うが、30%を超える濃度のビトゥーメンでは、動的接触角とバルク接触角の差異に起因する、徐々に増大するずれが生じることが明らかになった。本研究は、マイクロチャネルが多孔質な鉱床における重油の流れをモデル化する有効なツールであることを示している。

ABSTRACT

In this study, capillary-driven flow of different pure liquids and diluted bitumen samples were studied using microfluidic channel (width of 30 um and depth of 9 um). Capillary filling kinetics of liquids as a function of time were evaluated and compared with theoretical predictions. For pure liquids including water, toluene, hexane, and methanol experimental results agreed well with theoretical predictions. However, for bitumen samples, as concentration of bitumen increased the deviation between theoretical and experimental results became larger. The higher deviation for high concentrations (i.e. above 30%) can be due to the difference between dynamic contact angle and bulk contact angle. Microchannels are suitable experimental devices to study the flow of heavy oil and bitumen in porous structure such as those of reservoirs.

研究の動機と目的

• マイクロスケールのチャネルにおける重油およびビトゥーメンの毛細管駆動流れ挙動を調査すること。
• メタンスルホン酸のような高粘度で複雑な流体であるビトゥーメンに対して、理論的毛細管充填モデルの正確さを評価すること。
• ビトゥーメンの流れにおける理論的予測と実験結果のずれの原因を特定すること。
• マイクロフラウドデバイスが多孔質な鉱床構造内の流れを模擬するのに適しているかどうかを評価すること。
• ビトゥーメン濃度の上昇が流れの運動および接触角ダイナミクスに与える影響を定量化すること。

提案手法

• 毛細管駆動流れを制御するため、幅30 µm、深さ9 µmのマイクロフラウドチャネルを加工した。
• 毛細管駆動流れを用いて液体をマイクロチャネル内に吸引し、時間経過に伴う充填運動を記録した。
• 実験的毛細管充填時間とルーカス＝ワッシュバーン方程式に基づく理論的予測を測定・比較した。
• 純粋な液体（水、トルエン、ヘキサン、メタノール）および異なる濃度の希釈ビトゥーメンを用いて実験を行った。
• 理論と実験のずれを分析し、特に動的接触角効果に注目した。
• 濃度の影響が流れ挙動に与える影響を評価し、多孔質媒体におけるスケールの鉱床への適用可能性を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的毛細管充填モデルは、マイクロチャネル内での純粋な液体の流れをどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 ビトゥーメンの濃度が上昇するに従い、理論的毛細管充填運動にどの程度ずれが生じるか？
• RQ3 高濃度ビトゥーメンにおいて、実験結果と理論的予測のずれが増大する主な原因は何か？
• RQ4 マイクロフラウドデバイスは、多孔質鉱床構造内での重油のリオロジカル挙動を正確に模擬できるか？
• RQ5 高粘度のビトゥーメン流れにおいて、動的接触角はバルク接触角とどのように異なるか？

主な発見

• 純粋な液体（水、トルエン、ヘキサン、メタノール）の実験的毛細管充填運動は、理論的予測とよく一致した。
• ビトゥーメン試料では、濃度が上昇するにつれて理論的モデルからのずれが顕著に増大し、特に30%を超える濃度で顕著であった。
• 高濃度でのずれの主な原因は、動的接触角とバルク接触角の差異に起因することが同定された。
• マイクロチャネルは多孔質鉱床内の流れ条件を効果的に再現でき、重油のリオロジーを研究するのに適している。
• 本研究は、標準的な毛細管流れモデルが、濃度の高いビトゥーメンの複雑な界面挙動を完全に捉えていないことを確認した。
• 結果は、閉じた多孔質環境内での重油の流れをモデル化するにあたり、動的接触角効果の重要性を強調している。