[논문 리뷰] Forced Imbibition in Stratified Porous Media: Fluid Dynamics and Breakthrough Saturation

Nancy Lu, Daniel B. Amchin외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 04.

Enhanced Oil Recovery Techniques참고 문헌 83인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 두 개의 서로 다른 밀도를 가진 평행한 투과성층을 가진 층상 다공성 매체에서 강제 침투 현상을 연구하기 위해 분석 모델과 다공성 네트워크 모델을 개발한다. 연구 결과, 비극성 유체의 탈출 농도가 최소가 되는 최적의 표면장력 수치 Ca*가 존재하며, 이는 매체의 구조와 유체 점성비에 따라 달라지며, 석유 회수 및 지하수 정화와 같은 응용 분야에 정량적 설계 규칙을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다른 투과성도를 가진 평행한 다공성 매체에서 강제 침투의 유체 역학을 이해하기 위해.
• 탈출 시간과 비극성 유체 농도가 표면장력 수치와 점성비에 따라 어떻게 달라지는지 정량화하기 위해.
• 잔류 비극성 유체 농도를 최소화하는 최적의 유량 조건을 규명하기 위해.
• 동질 모델과 실제의 층상 시스템 간의 격차를 강제 침투 과정에서 메우기 위해.

제안 방법

• 전역 표면장력 수치 Ca ≡ µw(Q/A)/γ를 사용한 표면장력- visco-력 균형 기반의 분석 모델을 개발한다.
• 층 간의 교차 유동을 명시적으로 시뮬레이션하는 다공성 네트워크 모델을 구축한다.
• 모든 모델을 수치적으로 해결하여 입구에서 탈출까지의 전체 침투 역학을 시뮬레이션한다.
• 탈출 시간과 농도에 대한 영향을 탐색하기 위해 표면장력 수치 Ca와 점성비를 다양하게 조절한다.
• macroscopic 유량 Q와 계면장력 γ를 사용하여 Ca를 정의함으로써 다양한 시스템 간 비교가 가능하도록 한다.
• 유량 증가에 따라 미세 층에서 거친 층으로의 선호적 침투 전환 현상을 실험 관측 결과와 비교하여 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다공성 매체의 층상 구조가 강제 침투의 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 탈출 시간과 비극성 유체 농도는 표면장력 수치와 점성비에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 층상 매체에서 탈출 비극성 유체 농도가 최소가 되는 표면장력 수치는 얼마인가?
• RQ4 층 간의 교차 유동이 유체 분포와 탈출 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비극성 유체 잔류량을 최소화하기 위한 일반적인 설계 규칙를 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 탈출 비극성 유체 농도(SO)는 특정 표면장력 수치 Ca*에서 최소가 되며, 이는 두 층 간의 투과성 대비와 점성비에 의해 결정된다.
• 낮은 표면장력 수치에서는 표면장력에 의해 젖는 유체가 미세 층을 선호적으로 침투한다; 높은 Ca에서는 점성력에 의해 거친 층을 침투한다.
• 미세 층과 거친 층 중 어느 쪽이 선호적으로 침투되는지의 전환점은 Ca*에서 발생하며, 이는 층 간 표면장력과 점성력의 균형을 나타낸다.
• 층 간 교차 유동은 유체 분포를 크게 변화시키며, 특히 중간 범위의 Ca 값에서 탈출을 지연시킨다.
• SO를 최소화하기 위한 최적의 Ca*는 일반적이지 않으며, 특정 투과성 비율과 점성비에 따라 달라진다.
• 이 모델은 석유 회수 및 지하수 정화와 같은 응용 분야에서 주입 프로토콜을 설계하기 위한 예측 프레임워크를 제공한다.