Fluid-Fluid Invasion Patterns and their Relevance for Geological CO2 Storage

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Mehrphasenfließen in porösen Medien spielt eine entscheidende Rolle für eine ganze Bandbreite an natürlichen und industriellen Prozessen wie z.B. geologische CO2 Speicherung, produktionsteigernde Entölungsverfahren in Kohlenwasserstofflagerstätten, etc. Wenn eine gering viskose Flüssigkeit in ein poröses Medium injiziert wird um eine höher viskose Flüssigkeit zu verdrängen, dann treten mit zunehmendem Abstand vom Bohrloch zuerst viskositätsgetriebene Fließinstabilitäten auf, welche durch Dichteunterschiede, lokale Permeabilitätsinhomogenitäten und Kapillardruckeffekte amplifiziert werden. Zudem haben Benetzungseigenschaften einen entscheidenden Einfluss auf das Migrationsverhalten von Fluiden in porösen Medien. All diese auftretenden strömungsmechanischen Fließeigenschaften können mit gegenwärtigen Modellen nur begrenzt reproduziert werden. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein experimentelles Verfahren entwickelt, welches die systematische Variation der Benetzungseigenschaften in Bezug auf ein vorab gewähltes Fluidpaar erlaubt und infolge der Einfluss des Benetzungswinkels auf das Strömungsverhalten studiert werden kann. Dabei wird eine Glaskugelpackung mit dem höher viskosen Fluid gesättigt, bevor das gering viskose Fluid injiziert und das dabei entstehende Verdrängungsmuster abgebildet wird. Hierbei sind die Injektionsrate bzw. der Benetzungswinkel die einzigen variierenden Parameter. Wenn die injizierte Phase hydrophobe Eigenschaften verglichen zum indigenen, den Porenraum benetzenden Fluid aufweist, können typische Verdrängungsmuster, hervorgerufen durch viskose oder durch kapillare Kräfte, reproduziert werden. Wenn allerdings die Injektionsrate konstant gehalten und der Kontaktwinkel des injizierten Fluids nach und nach einen Übergang von der hydrophoben zur hydrophilen Phase erfährt, dann kann beobachtet werden, wie die verdrängende Phase eine immer stabiler werdende Front ausbildet. Die sich dabei ableitenden Ergebnisse geben daher Einblick, welche unser Verständnis über Mehrphasenfließprozesse entscheidend verbessert und zudem die Möglichkeiten zu produktionsteigernden Maßnahmen kohlenwasserstoffführender Lagerstätten unterstreicht. Wenn das injizierte Fluid zudem eine geringere Dichte verglichen zum indigenen Formationsfluid aufweist, wird das Migrationsverhalten bei sehr geringen Fließgeschwindigkeiten von Gravitations- und Kapillarkräften dominiert, wie z.B. in der Peripherie einer CO2 Injektionssonde. Um diese Phänomene experimentell zu erkunden, wurde weiters eine vertikale Hele-Shaw Zelle entwickelt, welche mit mehreren Lagen verschieden körniger Glaskugelpackungen gefüllt ist. Die vertikale Erstreckung der Zelle erlaubt eine quantitative Analyse auf der Meterskala. Die Ergebnisse zeigen ein heterogenes vertikales Strömungsmuster trotz der homogenen Porenraumverteilung innerhalb der Kugelpackungen. Das resultierende komplexe, gravitativ getriebene Migrationsverhalten des nicht-perkolierenden 2-Phasen Systems wird von episodischem Aufsteigen einzelner Fluidcluster dominiert.

Details

Titel in ÜbersetzungFluid-Fluid Verdrängungsmechanismen und deren Relevanz fuer geologische CO2 Speicherung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Juanes, Ruben, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Matthäi, Stephan, Beurteiler A (intern)
StatusVeröffentlicht - 2014