Analyse expérimentale-numérique de l'écoulement diphasique dans des modèles de milieu poreux sur puce microfluidique

Experimental-numerical analysis of two-phase flow within microfluidic chip porous medium models

• Auteur / Autrice : Haohong Pi
• Direction : Abdelaziz Omari, Giuseppe Sciumè
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 02/07/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Azita Ahmadi-Sénichault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olga Barrera
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefano Dal Pont, Irina Panfilova

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement diphasique

Modèles mathématiques

Équations de Cahn-Hilliard

Équations de Navier-Stokes

Microfluidique

Écoulement en milieux poreux

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Écoulement biphasique immiscible

Mécanique des fluides

Modèle de milieu poreux

Méthode de phase-Field

Modèle microfluidique

Modèle de Navier-Stokes-Cahn-Hilliard

Immiscible two-Phase flow

Fluid mechanics

Porous medium model

Phase-Field method

Microfluidic model

Navier-Stokes-Cahn-Hilliard model

Résumé

Les expériences de déplacement en milieu poreux sont la méthode habituellement utilisée pour étudier l'écoulement biphasique immiscible. Cependant, malgré les aspects de reproductibilité, un inconvénient majeur est que ces expériences de type ''boîte noire'' ne permettent pas d'observer et de capturer les phénomènes clés à l'échelle des pores, y compris les interactions interfaciales et les détails sur la mobilisation de l'huile piégée (par exemple, la taille et la distribution des ganglions résiduels). C'est pourquoi les dispositifs micromodèles microfluidiques sont désormais largement utilisés dans les expériences de récupération assistée d'huile (EOR) en laboratoire. Ils préservent les détails structurels de la roche tout en offrant des avantages tels que la facilité de nettoyage et la répétabilité. Le suivi visuel du déplacement des fluides est particulièrement important car il peut fournir plus de détails sur le comportement des phases mouillantes et non mouillantes dans les milieux poreux, aidant à élaborer des stratégies ciblées pour améliorer les taux de récupération du pétrole. Cette thèse explore la dynamique complexe des écoulements biphasiques immiscibles en combinant des modèles de milieux poreux microfluidiques, souvent appelés « réservoir-sur-puce », avec des simulations numériques.Dans nos expériences, nous avons utilisé des techniques morphologiques pour surveiller et enregistrer le comportement de déplacement dans un écoulement biphasique, en étudiant systématiquement les effets de différents nombres capillaires (Ca) et rapports de viscosité (M) sur les mécanismes d'écoulement et la mobilisation de l'huile résiduelle. Les résultats ont indiqué que pendant l'inondation par l'eau, le déplacement présentait des caractéristiques de doigté visqueux à des valeurs plus basses de Ca et M. En augmentant le débit pour améliorer Ca de dix fois, l'huile résiduelle montrait une invasion latérale et même arrière des chemins de flux sans changements significatifs dans la taille des grappes. Avec l'augmentation de M, la taille des grappes et la taille maximale des grappes ont diminué, conduisant à une distribution plus uniforme de l'huile résiduelle et à une Sor plus faible. Le mécanisme de mobilisation de l'huile résiduelle s'est manifesté par la rupture des ganglions, les nouveaux petits ganglions formés étant mobilisés sous des pressions plus élevées. La distribution des grappes d'huile résiduelle est conforme à la théorie de percolation, où l'exposant de mise à l'échelle τ est de 2,0. Tous les résultats expérimentaux pour Sor et les valeurs de Ca correspondantes se sont regroupés sur la courbe classique de désaturation capillaire (CDC).Les résultats expérimentaux ont servi de fondement pour développer un modèle numérique utilisant une approche de champ de phase. Ce modèle, basé sur le système d'équations de Cahn-Hilliard-Navier-Stokes, capture efficacement le comportement d'écoulement biphasique de fluides immiscibles dans des domaines confinés. Il intègre les équations de conservation de la masse et de la quantité de mouvement, enrichies par la dynamique de séparation de phase et les considérations d'énergie interfaciale. Les simulations numériques, exécutées sur la plateforme d'éléments finis en source ouverte Fenics, s'alignent qualitativement et quantitativement avec les observations expérimentales, confirmant la précision du modèle pour prédire les comportements fluidiques sous diverses conditions physiques, et avançant notre compréhension de la dynamique des fluides à l'échelle des pores. Les simulations se concentrent sur l'analyse de l'influence des propriétés des fluides et des conditions opérationnelles sur les mécanismes de déplacement à l'échelle des pores.

The core-flood experiments are the usual method used to study the immiscible biphasic flow. However, beside reproducibility aspects, a significant drawback is that with these black box experiments, we cannot observe and capture key phenomena at the pore scale, including interfacial interactions and details about mobilization of the trapped oil (e.g. size and distribution of residual ganglia). This is why microfluidic micromodel devices are now extensively used in lab EOR experiments. They preserve the structural details of the rock while offering advantages such as easy cleaning and repeatability. Visual tracking of fluids displacement is particularly important as it can provide more details about the behavior of wetting and non-wetting phases in porous media, aiding in targeted strategies to enhance oil recovery rates. This thesis explores the intricate dynamics of immiscible two-phase flows combines microfluidic porous medium models, often referred to as “reservoir-on-a-chip”, with numerical simulations.In our experiments, we used morphological to monitor and record displacement behavior in biphasic flow, systematically studying the effects of different capillary numbers (Ca) and viscosity ratios (M) on the flow mechanisms and the mobilization of residual oil. The results indicated that during waterflooding, displacement exhibited characteristics of viscous fingering at lower Ca and M values. By increasing the flow rate to enhance Ca tenfold, the residual oil showing lateral and even backward invasion of flow paths without significant changes in cluster size. With increasing M, both the cluster size and the maximum cluster size decreased, leading to a more uniform distribution of residual oil and lower Sor. The mobilization mechanism of residual oil manifested as ganglia breakup, with newly formed smaller ganglia being mobilized under higher pressures. The distribution of residual oil clusters is consistent with percolation theory, where the scaling exponent τ is 2.0. All experimental results for Sor and corresponding Ca values collapsed onto the classical Capillary Desaturation Curve (CDC).The experimental findings served as a foundation for developing a numerical model using a phase-field approach. This model, based on the Cahn-Hilliard-Navier-Stokes system of equations, effectively captures the bi-phasic flow behavior of immiscible fluids within confined domains. It incorporates conservation of mass and momentum equations, enhanced by phase separation dynamics and interfacial energy considerations. The numerical simulations, executed on the open-source finite element platform Fenics, align qualitatively and quantitatively with experimental observations, affirming the accuracy of model in predicting fluid behaviors under varied physical conditions, advancing our understanding of pore-scale fluid dynamics. Simulations focus on dissecting the influence of fluid properties and operational conditions on the displacement mechanisms at the pore scale.