[논문 리뷰] Using Microfluidic Device to Study Rheological Properties of Heavy Oil

Kiarash Keshmiri, Saeed Mozaffari외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 28.

Petroleum Processing and Analysis참고 문헌 5인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 30 µm 너비, 9 µm 깊이의 마이크로유체 채널을 사용하여 순수한 액체와 희석된 비트룸의 모세관 유동을 조사하며, 순수한 액체는 이론적 모세관 충진 동역학을 따르는 반면, 30% 이상의 농도에서 비트룸 샘플은 동적 접촉각과 전체 접촉각 간의 괴리로 인해 점점 더 큰 편차를 보임을 밝혀냈다. 이 작업은 마이크로채널이 다공성 저류층 내에서의 고점성 오일 유동을 모델링하는 데 효과적인 도구임을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 마이크로스케일 채널 내에서 고점성 오일 및 비트룸의 모세관 유동 거동을 조사하기 위해.
• 비트룸과 같은 점성 및 복잡한 유체에 대해 이론적 모세관 충진 모델의 정확도를 평가하기 위해.
• 비트룸 유동에서 이론적 예측과 실험 결과 간의 편차 원인을 규명하기 위해.
• 마이크로유체 장치가 다공성 저류층 구조 내 흐름을 시뮬레이션하는 데 적합한지 평가하기 위해.
• 비트룸 농도 증가가 흐름 동역학과 접촉각 역학에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 제어된 모세관 유동 실험을 위해 너비 30 µm, 깊이 9 µm의 마이크로유체 채널을 제작하였다.
• 모세관 유동을 이용해 액체를 마이크로채널을 통해 끌고 들어가며 시간에 따른 충진 동역학을 기록하였다.
• 루카스-워싱턴 방정식에 기반한 이론적 예측과 실험적 모세관 충진 시간을 측정하고 비교하였다.
• 순수한 액체(물, 톨루엔, 헥산, 메탄올)와 다양한 농도의 희석 비트룸 샘플을 시험하였다.
• 이론과 실험 간의 편차를 분석하며 특히 동적 접촉각 효과에 초점을 맞추었다.
• 농도가 흐름 거동에 미치는 영향을 평가하여 다공성 매체 스케일의 저류층에의 적용 가능성을 점검하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이론적 모세관 충진 모델은 마이크로채널 내 순수한 액체의 흐름을 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ2 비트룸 샘플의 농도가 증가함에 따라 이론적 모세관 충진 동역학에서 얼마나 큰 편차가 발생하는가?
• RQ3 고농도 비트룸에서 실험 결과와 이론적 예측 간의 증가하는 편차의 원인은 무엇인가?
• RQ4 마이크로유체 장치는 다공성 저류층 구조 내 고점성 오일의 유변학적 거동을 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ5 고점성 비트룸 흐름에서 동적 접촉각은 전체 접촉각과 어떻게 다를까?

주요 결과

• 순수한 액체(물, 톨루엔, 헥산, 메탄올)의 실험적 모세관 충진 동역학은 이론적 예측과 매우 유사하게 나타났다.
• 비트룸 샘플의 경우, 특히 30% 이상의 농도에서 이론 모델과의 편차가 뚜렷이 증가하였다.
• 고농도에서의 편차의 주요 원인은 동적 접촉각과 전체 접촉각 간의 차이로 규명되었다.
• 마이크로채널은 다공성 저류층 내의 흐름 조건을 효과적으로 재현하여 고점성 오일의 유변학 연구에 적합한 도구임을 입증하였다.
• 이 연구는 표준 모세관 흐름 모델이 농축된 비트룸의 복잡한 표면계면 거동을 완전히 반영하지 못함을 확인하였다.
• 결과는 고립되고 다공성 환경에서의 고점성 오일 흐름 모델링에서 동적 접촉각 효과의 중요성을 강조한다.