Reactive flow during water flooding - from pore to core

Kalsitt-kanal eksperimentene fokuserer på oppløsning av kalsitt i kontakt med en svakt konsentrert saltsyre (HCl) ved ulike strømnings-rater. Et interferometer-mikroskop måler dybden i kanalen over tid, og oppløsnings-raten beregnes. Både oppløsnings-raten og oppløsnings-profilen fra eksperimentet stemmer godt overens den numeriske modellen. Det eksperimentelle arbeidet er publisert i journalen "Lab on a Chip".

I kritt eksperimentene måtte vi bygge en tynn-polert kritt-prøve inn i en form av flere lag epoxy, glass, tape og lim for å gi et system som tillater observasjon av vann-injeksjon. Her har vi hatt fokus på å etablere en protokoll som gir prøver av jevnt høy kvalitet, dvs. 1) vann strømmer gjennom prøven uten å lekke, 2) man kan observere vannstrømmen med et mikroskop, 3) prøven er solid nok til å tåle vann-trykket som driver væsken gjennom prøven. Vi har også forsøkt med olje-fylte kritt-prøver der oljen har samme optiske indeks som kritt. Når vann pumpes inn i prøven reduseres gjennomsiktigheten, og olje-vann fronten kan følges over tid.

I det numeriske arbeidet bruker vi en Lattice-Boltzmann (LB) modell koblet til en geo-kjemisk løser som gjør oss i stand til å studere strukturelle endringer av pore-rommet forårsaket av utfelling og oppløsning av mineraler. Modellen er i dette prosjektet utvidet til å predikere hvordan fukt-preferansen endres når mineralogien endres. Vår tilnærming til fukt-endring er basert på endringer i overflate-ladningen til mineralene.

Det reaktive overflatearealet i et porøst system endrer seg når det kommer i kontakt med vann som ikke er i likevekt med mineraler på overflaten. Utfelling av nye mineraler kan dekke over de opprinnelige mineralene, og derfor er det reaktive overflatearealet en dynamisk størrelse. Data modellene utviklet i dette prosjektet tar hensyn til dette, og kan forutsi hvor raske de kjemiske endringene er. Kjerne-skala simuleringer vi har utført med denne modellen gir mye bedre resultater enn tradisjonelle modeller (publisert i Advances in Water Resources). Hvor raske de kjemiske endringene er kan ha stor praktisk påvirkning når man ønsker å forutsi hvor langt fra injeksjons-punktet de kjemiske endringene kan nå. I en serie pore-skala simuleringer med den samme modellen, har vi undersøkt hvordan utfelling av magnesitt på kalsitt påvirker den effektive reaksjons-raten. Fra kjerne-flømming eksperimenter vet vi at magnesitt danner lokaliserte krystaller mer eller mindre tilfeldig plassert i pore-rommet. Det eksisterer foreløpig ingen teori som beskriver hvor f.eks. magnesitt har størst preferanse for å felle ut. I simuleringene våre har vi derfor variert tettheten av nukleasjons-steder for magnesitt og undersøkt effekten på permeabilitet, overflate-areal, og effektiv reaksjons-rate. Det viser seg at nukleasjons-tettheten i stor grad påvirker alle disse parametrene, og at det derfor er noe man må ta hensyn til i modelleringen av denne typen reaktiv strømning (publisert som konferanse-artikkel i EAGE IOR 2017).