Academic literature on the topic 'Ecoulement multiphasique en milieux poreux'

Le coefficient d'électrofiltration est simulé par méthode Lattice Boltzmann dans un chenal 2-D sur une grande gamme de salinité. L'influence de la permittivité et de la viscosité est discutée. La validité de l'équation d'Helmholtz Smoluchowski à de forts potentiels zeta est évaluée. Un modèle de conductivité intrinsèque est développé en prenant en compte les variations locales de conductivité, qui ont un impact significatif en la présence d'espèces polyvalentes. Étendu aux conditions non saturées, l'algorithme montre que la densité de charge électrique associée à l'interface eau-air est une composante clé. Le coefficient présente une attitude non monotone, avec une augmentation par rapport à l'état saturé. L'amplitude de cette augmentation dépend de l'état dynamique des bulles, mobiles ou piégées. L'aspect transport multiphasique est complété par une étude numérique de l'impact de la forme des échantillons sur la mesure des lois reliant saturation et pression capillaire en hydrologie
The electrokinetic coefficient is simulated in a large range of salinities using the Lattice Boltzmann method in a 2-D channel. The effect of permittivity and viscosity is discussed. The validity of the Helmholtz Smoluchowski equation using strong zeta potentials is assessed. A model of bulk fluid conductivity is derived, taking into account the local variations of conductivity which have a significant impact in the presence of polyvalent counterions. Extended to unsaturated conditions, the model shows that the electrical charge density associated to the air-water interface is a key component. The coefficient shows a non monotonous behaviour, with an enhancement compared to the saturated state. The magnitude of this enhancement depends on the dynamic state of the bubbles, moving or entrapped. The multiphase transport aspect is associated to a numerical study of the influence of the sample geometry on the measurement of the capillary pressure / saturation relationships used in hydrology

Le gaz de charbon est une ressource énergétique dont l'exploitation peut être accélérée par injection de gaz carbonique (CO₂) combinant ainsi production de méthane (CH₄) et stockage du gaz carbonique produit par sa combustion. La structure du réservoir est considérée comme un milieu à double porosité avec des fractures naturelles (cleats) et une matrice contenant une phase solide et des nanopores (de taille inférieure à 2 nm) où le gaz est stocké par adsorption sur la paroi solide. Le CO₂ est plus facilement adsorbé que le CH₄. Un modèle théorique multiéchelle combinant adsorption, transport et poromécanique du réservoir est développé. À la plus petite échelle, les molécules de gaz sont considérées comme des sphères dures interagissant par un potentiel de Lennard-Jones. Une nouvelle méthode numérique utilise la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT) et la théorie fondamentale de la mesure (FMT) pour calculer la distribution des densités moléculaires d'un mélange de gaz pour une géométrie quelconque des nanopores. La paroi solide exerce un potentiel extérieur répulsif à très courte distance et attractif à plus grande distance sur les molécules de gaz. À partir des distributions moléculaires des gaz, la force de solvatation exercée par la phase fluide sur la surface des nanopores est calculée précisément. La méthode de l'homogénéisation asymptotique permet de passer de l'échelle du nanopore à l'échelle microscopique et d'obtenir la réponse de la matrice de charbon. Le modèle poroélastique de Biot est modifié par la force de solvatation qui agit comme le principal facteur gouvernant le gonflement ou la contraction de la matrice. Les équations moyennes de conservation de la masse des deux gaz (CH₄ et CO₂) dans la matrice prennent en compte les phénomènes d'adsorption caractérisés par des coefficients de partition et une diffusion effective de type Knudsen. Une seconde homogénéisation vise à obtenir la loi macroscopique à l'échelle du réservoir en combinant le réseau de cleats et la matrice solide. Le contact à l'interface matrice-cleats est caractérisé par la loi hyperbolique de Barton-Bandis qui modifie la rigidité effective ainsi que la perméabilité du réservoir. Après homogénéisation, le réservoir est un milieu hétérogène et anisotrope du fait de la structure des cleats et de la variation spatiale de la pression du fluide. Une équation moyenne macroscopique pour la diffusion des gaz dans la matrice et le transport gaz-eau dans les cleats est développée en considérant l'échange de masse entre la matrice et les cleats gouverné par l'approximation de Warren et Root. Des simulations numériques démontrent la corrélation cruciale entre les distributions de pression de gaz, l'ouverture des cleats et la rigidité du réservoir. L'injection de CO₂ améliore significativement la production de CH₄. Elle permet le stockage souterrain de CO₂ contribuant à réduire les émissions de gaz à effet de serre
Coal seam gas is an energy resource whose exploitation can be enhanced by injectingcarbon dioxide (CO₂), thus combining the production of methane (CH₄) and the storage of carbon dioxide produced by its combustion. The structure of the reservoir is considered to be a double-porosity medium with natural fractures (cleats) and a matrix containing a solid phase and nanopores (less than 2 nm in size) where the gas is stored by adsorption on the solid wall. CO₂ is more easily adsorbed than CH₄. A multiscale theoretical model combining adsorption, transport and reservoir poro-mechanics is developed. At the smallest scale, the gas molecules are considered as hard spheres interacting through a Lennard-Jones potential. A new numerical method uses Density Functional Theory (DFT) and Fundamental Measure Theory (FMT) to calculate the distribution of molecular densities of a mixture of gases for any nanopore geometry. The solid wall exerts an external potential that is repulsive at very short distances and attractive at longer distances on the gas molecules. From the molecular distributions of the gases, the solvation force exerted by the fluid phase on the surface of the nanopores is precisely calculated. The asymptotic homogenization method is performed to upscale the nanopore-scale model and to obtain the response of the coal matrix at the microscale. The Biot poroelastic model is modified by the solvation force, which acts as the main factor governing matrix swelling or contraction. The average mass conservation equations for the two gases (CH₄ and CO₂) in the matrix take into account adsorption phenomena characterized by partition coefficients and an effective Knudsen-type diffusion. A second homogenization aims at obtaining the macroscopic law at the reservoir scaleby combining the cleats network and the solid matrix. The joint stiffness at the matrix-cleats interface is characterized by the hyperbolic Barton-Bandis law, which modifies the effective stiffness and the permeability of the reservoir. After homogenization, the reservoir is a heterogeneous and anisotropic medium due to the structure of the cleats and the spatial variation of the fluid pressure. A macroscopic average equation for gas diffusion in the matrix and gas-water transport in the cleats is developed by considering the mass exchange between the matrix and the cleats governed by the Warren and Root approximation. Numerical simulations illustrate the crucial correlation between gas pressure distributions, cleat opening and reservoir stiffness. CO₂ injection significantly improves CH₄ production and enables a underground storage of CO₂, which contributes to reducing green-house gas emissions

L'objectif principal de ces travaux de thèse est l'étude expérimentale de la mobilisation de l'huile dans le cadre de la récupération assistée du pétrole à base de tensioactif dans un milieu poreux en deçà de la saturation en huile résiduelle. A saturation en huile résiduelle, le réseau d'huile est déconnecté et constitué de ganglions dans l'ensemble du milieu poreux. Cette huile résiduelle est difficile à produire dans les conditions classiques de récupération du pétrole à cause du piégeage capillaire des ganglions, piégeage corrélé à la tension interfaciale entre l'huile et l'eau. Le déplacement de la solution de tensioactif et sa caractérisation a été réalisé au travers d'injections en milieux poreux naturels. L'étude a été réalisée dans un premier temps en conditions monophasiques, c'est-à-dire en absence d'huile. Les courbes de percée ont été analysées pour étudier les paramètres de dispersivité et d'adsorption des échantillons. Les expériences sont ensuite utilisées pour améliorer la modélisation du transport du tensioactif en milieu poreux. Pour le cas diphasique, nous avons développé un système microfluidique avec une géométrie de pore variable, le plus représentatif possible d'un milieu poreux naturel. Il s'agit dans les expériences d'injecter un petit ganglion d'huile à travers un canal central et de balayer la puce microfluidique avec la solution tensioactive dans des conditions contrôlées. L'objectif est d'étudier le déplacement du ganglion d'huile au sein du micromodèle. De nouveaux mécanismes sont identifiés et une voie de modélisation des phénomènes physique est proposée
The main objective of the PhD is to study experimentally the oil mobilization using surfactant in a porous media below the residual oil saturation. At the residual oil saturation, the oil network is disconnected and organized in ganglia of different sizes and shapes all along the sample. This residual oil is difficult to produce in the classical conditions of water flooding because of capillary trapping created by the interfacial tension between oil and water. Injection of surfactant is able to mobilize the remaining oil at flow rates consistent with the real case of an oil mature reservoir. The use of surfactant allows lowering the interfacial tension by several orders of magnitude, towards ultra-low values (10-3 mN/m), strongly decreasing the capillary forces and so, mobilizing the oil. The first main study of the PhD work was to characterize the displacement of the surfactant injected in a sandstone sample in monophasic conditions (without oil). Breakthrough curves have been analyzed in term of dispersivity and adsorption. Experiments have shown that a better way to model the surfactant transport is to use a Langmuir kinetic adsorption model. For the diphasic case, we have developed a microfluidic 2D system with a random pore geometry of controlled conditions. The experiments are based on the injection of a small ganglia through a central channel, then, a surfactant flood is generated. The aim is to see how ganglia are displaced within the micromodel. New mechanisms have been identified and a way to model those phenomena has been proposed. A better understanding of surfactant and oil transport in porous media is key for chemical enhanced oil recovery processes

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire portent sur des méthodes d'homogénéisation et d'approximation numérique pour des écoulements mono ou multiphasiques en milieux poreux hétérogènes. Les applications visées proviennent des problèmes de l'ingénierie pétrolière, la gestion des déchets radioactifs et la gestion des ressources en eau souterraines. On s'intéresse à des méthodes numériques pour le calcul des coefficients effectifs obtenus par des méthodes asymptotiques de mise à l'échelle, à des méthodes d'éléments finis mixtes, à des méthodes de volumes finis et à leur implémentation. Des méthodes numériques ont été développées pour la simulation des écoulements miscibles ou immiscibles en milieux poreux hétérogènes. Trois thèmes sont abordés. Le premier traite de l'homogénéisation pour des écoulements mono ou multiphasiques en milieux poreux. Les résultats de convergence obtenus sont établis à l'aide de la convergence à deux échelles et/ou la L-convergence. Le calcul des paramètres effectifs nécessite la résolution de problèmes locaux sur une cellule de base. Les méthodes numériques utilisées sont de type éléments finis conformes, éléments finis mixtes et volumes finis. Nous avons développé une plate-forme (Homogenizer++), en Java, de calcul de paramètres effectifs. Homogenizer++ est basée sur une Interface Homme Machine conviviale et utilisée comme un pré-processing à des simulations numériques d'écoulements en milieux poreux hétérogènes. Le deuxième thème porte sur l'approximation numérique de systèmes d'écoulements diphasiques miscibles ou immiscibles en milieux poreux. Le modèle miscible fait intervenir une équation elliptique couplée à une équation de diffusion-convection-réaction linéaire. Tandis que le modèle immiscible fait intervenir une équation elliptique couplée à une équation de diffusion-convection nonlinéaire et dégénérée. On utilise une méthode d'éléments finis mixtes pour l'approximation de l'équation elliptique combinée à un schéma volumes finis pour l'équation de diffusion-convection. Pour chaque système, on montre que le schéma est $L^\infty$ et BV stables, sous une condition CFL, et satisfait le principe du maximum discret. Ensuite, on établit des résultats de convergence vers la solution faible du problème. Les simulations numériques réalisées confirment l'efficacité des schémas numériques proposés. Un estimateur a posteriori d'un schéma volume finis pour l'équation de Darcy a été développé pour des maillages anisotropiques. On montre théoriquement et numériquement l'efficacité de cette méthode d'adaptation de maillage. Enfin le dernier thème concerne des méthodes d'approximation numérique pour des problèmes de ressources en eau souterraines. Une méthode sans maillage couplée à un algorithme génétique a été développée et implémentée pour une équation de diffusion modélisant un écoulement monophasique en milieux poreux. Puis on montre numériquement l'efficacité d'une méthode combinant les éléments frontières et un algorithme génétique pour un problème d'intrusion d'eau marine dans les nappes aquifères.

Afin d'optimiser le deplacement d'huile et la prevention des venues d'eau, par injection de polymeres hydrosolubles, il est necessaire de mieux comprendre la physique des ecoulements dans les conditions prevalant au voisinage des puits. Ce travail traite des ecoulements non-stationnaires des solutions de polymeres en milieux, sujet pour lequel il y a peu d'informations dans la litterature. C'est pourquoi nous avons etudie l'ecoulement des polyacrylamides neutre (pam) et partiellement hydrolyse (hpam) dans les massifs de carbure de silicium (sic) de differentes permeabilites (140, 480, 1100, 3300 millidarcy). Nous avons opere a des ph de l'ordre de 7, a 20 g/l en nacl pour le pam et a 5 et 20 g/l en nacl pour le hpam, pour s'approcher des conditions des reservoirs. Nous avons donc montre que ces polymeres, lineaires flexibles de haut poids moleculaire, produisent des ecoulements non-stationnaires quand le gradient de vitesse est superieur au seuil d'elongation des macromolecules. Ces phenomenes apparaissent dans les milieux poreux adsorbants de permeabilites faibles ou moyennes. Ils peuvent conduire a un colmatage severe des massifs poreux sur une distance courte, qui est de l'ordre du centimetre pour les plus faibles permeabilites. La vitesse de colmatage augmente avec le gradient de vitesse, la concentration du polymere et l'energie d'adsorption, mais elle decroit quand la taille des pores augmente. Les resultats obtenus ont pu etre interpretes en considerant un mecanisme d'elongation et adsorption-pontante des macromolecules. Ce mecanisme est coherent avec la theorie de la transition pelote-etat etire de de gennes (1974) et avec les travaux de chauveteau et moan (1984) sur les effets rheoepaississants lies a cette transition. La prise en compte des effets non-stationnaires permet d'avoir une description plus correcte des ecoulements autour des puits. En particulier, elle ouvre des nouvelles perspectives a l'optimisation de la technique de la prevention des venues d'eau par injection de polymeres et donc a une meilleure prevision de ses probabilites d'echec ou de succes, suivant les caracteristiques du reservoir

L'objectif principal de ces travaux de thèse est l'étude expérimentale de la mobilisation de l'huile dans le cadre de la récupération assistée du pétrole à base de tensioactif dans un milieu poreux en deçà de la saturation en huile résiduelle. A saturation en huile résiduelle, le réseau d'huile est déconnecté et constitué de ganglions dans l'ensemble du milieu poreux. Cette huile résiduelle est difficile à produire dans les conditions classiques de récupération du pétrole à cause du piégeage capillaire des ganglions, piégeage corrélé à la tension interfaciale entre l'huile et l'eau. Le déplacement de la solution de tensioactif et sa caractérisation a été réalisé au travers d'injections en milieux poreux naturels. L'étude a été réalisée dans un premier temps en conditions monophasiques, c'est-à-dire en absence d'huile. Les courbes de percée ont été analysées pour étudier les paramètres de dispersivité et d'adsorption des échantillons. Les expériences sont ensuite utilisées pour améliorer la modélisation du transport du tensioactif en milieu poreux. Pour le cas diphasique, nous avons développé un système microfluidique avec une géométrie de pore variable, le plus représentatif possible d'un milieu poreux naturel. Il s'agit dans les expériences d'injecter un petit ganglion d'huile à travers un canal central et de balayer la puce microfluidique avec la solution tensioactive dans des conditions contrôlées. L'objectif est d'étudier le déplacement du ganglion d'huile au sein du micromodèle. De nouveaux mécanismes sont identifiés et une voie de modélisation des phénomènes physique est proposée
The main objective of the PhD is to study experimentally the oil mobilization using surfactant in a porous media below the residual oil saturation. At the residual oil saturation, the oil network is disconnected and organized in ganglia of different sizes and shapes all along the sample. This residual oil is difficult to produce in the classical conditions of water flooding because of capillary trapping created by the interfacial tension between oil and water. Injection of surfactant is able to mobilize the remaining oil at flow rates consistent with the real case of an oil mature reservoir. The use of surfactant allows lowering the interfacial tension by several orders of magnitude, towards ultra-low values (10-3 mN/m), strongly decreasing the capillary forces and so, mobilizing the oil. The first main study of the PhD work was to characterize the displacement of the surfactant injected in a sandstone sample in monophasic conditions (without oil). Breakthrough curves have been analyzed in term of dispersivity and adsorption. Experiments have shown that a better way to model the surfactant transport is to use a Langmuir kinetic adsorption model. For the diphasic case, we have developed a microfluidic 2D system with a random pore geometry of controlled conditions. The experiments are based on the injection of a small ganglia through a central channel, then, a surfactant flood is generated. The aim is to see how ganglia are displaced within the micromodel. New mechanisms have been identified and a way to model those phenomena has been proposed. A better understanding of surfactant and oil transport in porous media is key for chemical enhanced oil recovery processes

Le mécanisme physique de production de réservoirs d'huiles par déplétion est l'expansion de gaz dissout. Pour les huiles lourdes, les simulateurs réservoir commerciaux parviennent à reproduire les historiques de production mais ne sont pas fiables en ce qui concerne les prédictions. Une nouvelle approche à l'échelle de Darcy, modélisant les étapes fondamentales du processus de déplétion (nucléation et croissance de bulles, écoulement des phases. . . ) est présentée. Le modèle développé laisse apparaître numériquement des fronts de nucléation qui se propagent dans la carotte de manière analogue aux ondes de choc. Par ailleurs, une théorie asymptotique aboutissant à deux autres modèles mathématiques a été développée. Cette théorie a également permis d'identifier des nombres sans dimensions caractéristiques des huiles lourdes. Enfin, un modèle physique de mobilité du gaz, basé sur une théorie de la percolation est présenté. Ce modèle ouvre la voie à la prédictibilité des modèles de déplétion d'huiles lourdes.

La modélisation du transport réactif est utilisée dans de nombreuses applications énergétiques et environnementales liées aux écoulements souterrains. La modélisation de tels problèmes conduit à un système hautement non linéaire d'EDP couplées à des équations différentielles ordinaires ou algébriques. Deux types d'approches pour la résolution numérique des problèmes de transport réactif sont largement utilisés dans la littérature. L'une est l'approche de séparation des opérateurs qui consiste à découpler les problèmes d'écoulement et de transport réactif. Ces derniers sont résolus séquentiellement à chaque pas de temps. L'autre stratégie est basée sur une approche entièrement couplée dans laquelle le système entier est résolu simultanément. Le but de la thèse de doctorat est le développement d'un schéma implicite en volumes finis pour la modélisation numérique d'écoulements multicomposants monophasiques et diphasiques avec transport réactif en milieu poreux.Deux nouveaux modules de transport réactif seront implémentés dans DuMuX, un simulateur libre pour les problèmes d'écoulements et de transport dans les milieuw poreux. Des simulations numériques bi et tridimensionnels comprenant des benchmarks et du calcul haute performance, seront effectuées pour valider les modules
Reactive transport modeling is used in many energy and environmental applications related to subsurface flows. Modeling such problems leads to a highly nonlinear system of PDEs coupled with algebraic or ODEs. Two types of approaches for the numerical solving of reactive transport problems are widely used in the literature. One is the operator-splitting approach which consists in splitting the flow and reactive transport problems. These latter are solved sequentially at each time step. The other strategy is based on the fully coupled approach in which the entire system is solved simultaneously. The goal of the PhD thesis is the development of a fully coupled fully implicit finite volume scheme for numerical modeling of single and two-phase multicomponent flows with reactive transport in porous media. New reactive transport modules will be implemented in DuMuX, a free and open-source simulator for flow and transport processes in porous media. Numerical simulations for 2D and 3D including benchmark tests and high performance computing will be performed to validate the modules

L’objectif est de construire le modèle homogénéisé d’un écoulement diphasique en milieu poreux et fracturé, en mettant en évidence le phénomène de mélange dynamique (mixing) entre les phases, provoqué par l’hétérogénéité du milieu. L’attention est concentrée sur l’influence de la capillarité. L’homogénéisation à double échelle a été appliquée. Le mixing se manifeste sous forme de la dispersion hydrodynamique et de l’advection renormalisée. Le tenseur de dispersion, déterminé à travers le problème cellulaire, est une fonction non linéaire de la saturation, vitesse d’écoulement, rapport de viscosité et du nombre capillaire. Pour les milieux fracturés, une méthode streamline configurations a été avancée pour le cas diphasique. Elle permet d’obtenir la dispersion et la perméabilité effective sous forme analytique pour des réseaux de fracture périodiques, ou semi-analytique pour des réseaux aléatoires. La simulation d’un déplacement diphasique à la base du nouveau modèle a été réalisée
The objective of the thesis is to develop the homogenized model of a two-phase flow through a porous and fractured medium by highlighting the dynamic mixing between the phases, caused by the medium heterogeneity. Attention is focused on the influence of the capillarity. The two-scale homogenization is applied. The mixing is manifested in form of the hydrodynamic dispersion and renormalized advection. The dispersion tensor, determined by the cell problem, is a nonlinear function of saturation, flow velocity, viscosity ratio and capillary number. For a fractured medium the method of streamline configurations was advanced for a two- phase case. This method enables to obtain the dispersion tensor and the effective permeability in analytical form for periodic fractured networks or in semi-analytical form for random networks. The simulation of two- phase displacement based on the new model is performed