Parâmetros chave no escoamento de soluções poliméricas através de meio poroso : estudos experimentais e de modelagem

Orientador: Rosângela Barros Zanoni Lopes MorenoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: O escoamento de soluções poliméricas em meios porosos está relacionado a muitas aplicações, como a recuperação avançada de petróleo (EOR). O desempenho da injeção de polímeros para EOR está relacionado às propriedades da solução polimérica e suas interações com o meio poroso. Estudos experimentais são fundamentais para prever o comportamento dessas soluções sob condições de EOR e melhorar tal técnica. Experimentos envolvendo soluções poliméricas e meios porosos são complexos e o desenvolvimento de modelos matemáticos pode auxiliar seus desenvolvimentos. O objetivo deste trabalho é investigar os mecanismos de transporte de soluções poliméricas através de meios porosos. Os fenômenos investigados são: volume poroso inacessível (IAPV), retenção hidrodinâmica, adsorção, redução da permeabilidade (RRF), viscosidade in-situ, dispersão, degradação mecânica e digitação viscosa miscível. Este trabalho também objetiva o desenvolvimento de um simulador focado no planejamento e análise experimentais. O trabalho é dividido em duas partes: modelagem e experimental. O simulador desenvolvido é capaz de representar o transporte de fluido, polímero e sal através de um meio poroso unidimensional. O simulador é uma modelagem de difusão hidráulica e advecção-reação-dispersão de componentes. Essas equações são acopladas a duas equações de transporte, para fluidos e espécies, e seis equações constitutivas, para fenômenos relacionados a polímero, fluido e escoamento. O modelo é resolvido pelo método das diferenças finitas e implementado no Matlab®. A validação do simulador é feita através de comparação com soluções analíticas e ajuste de histórico a um experimento relatado na literatura. O simulador é usado para o planejamento e análise dos experimentos. A parte experimental concentra-se em testes de injeção monofásicos em testemunhos de arenito sob diferentes velocidades de escoamento, concentrações de polímero e permeabilidades. Mecanismos físicos propostos na literatura são estendidos e novos são propostos para explicar as observações. O IAPV aumenta com a concentração do polímero, o que pode dever-se ao aumento da incompatibilidade de tamanho polímero-poro ou ao aumento da camada depletada, como corroborado pela redução da viscosidade reômetro-in-situ sem efeitos elongacionais. O IAPV diminui com o aumento da velocidade de escoamento, através da passagem forçada através das gargantas do poro induzida pelo fluxo, ou redução da camada depletada pelo alinhamento de cadeias. O IAPV do polímero aumenta com a redução da permeabilidade, o que leva à proposição de um critério de seleção e descarte para EOR. A adsorção do polímero em meio poroso fresco segue uma isoterma do tipo IV, enquanto os resultados de re-adsorção indicam uma do tipo I. O mecanismo de re-adsorção proposto pode estar relacionado à dessorção local de uma seção de cadeia polimérica e adsorção de moléculas livres. A retenção hidrodinâmica aumenta com a velocidade de escoamento até atingir um patamar, indicando que algum polímero retido pode ser liberado próximo a poços de injeção. Os resultados indicam que há retenção hidrodinâmica relevante sob altas taxas de escoamento e ela é intensificada por baixas permeabilidades, o que indica que essa retenção não deve ser desprezada em EOR. Os resultados revelam que a estrutura da rede de poros é importante para o RRF e a viscosidade elongacional de polímeros. Os resultados indicam que a retenção hidrodinâmica pode ser tão influente quanto a adsorção no RRF. A degradação mecânica do polímero aumenta com a concentração do polímero, o que pode estar relacionado ao aumento do grau de interação entre as cadeias. A degradação mecânica diminui com o aumento da taxa de cisalhamento da medição, indicando uma degradação preferível nas cadeias maiores. A dispersão longitudinal do polímero é consideravelmente maior do que a do sal, o que aponta o tamanho molecular como importante nesta propriedade. A dispersão longitudinal aumenta com a concentração do polímero, o que pode estar relacionado ao aumento do emaranhamento das cadeias poliméricas. No contexto de transporte de polímeros através de meios porosos e aplicação da injeção de polímeros para EOR, a investigação integrada desenvolvida neste trabalho contribui principalmente para: o avanço de técnicas experimentais, a proposição de técnicas para melhoria da injeção de polímeros, e o entendimento dos fenômenos influenciadores no transporte de polímeros em meios porososAbstract: The flow of polymer solutions in porous media is related to many applications, one of them being enhanced oil recovery (EOR). The polymer flooding performance is directly related to the polymer solution properties and its iteractions with the porous medium. Due to its complexity, experimental studies are key to predict the behavior of these solutions under EOR conditions and improve the technique. Experiments involving polymer solutions and porous media are complex and the development of mathematical models and simulators can help their development. The objective of this work is to investigate the transport mechanisms of polymer solutions through porous media. The investigated phenomena are: inaccessible pore volume (IAPV), retentions of reversible (hydrodynamic retention) and irreversible (adsorption) nature, permeability reduction (RRF), in-situ viscosity, dispersion, mechanical degradation, and miscible viscous fingering. This work also targets the development of a simulator focused on experimental planning and analysis. Therefore, this work is divided into two main parts: modeling, and experimental. The developed simulator is capable of representing the transport of fluid, polymer and salt through one-dimensional porous medium. The simulator is modelled by hydraulic diffusion, and advection-reaction-dispersion of components. These equations are coupled with two transport equations, for fluid and species transport, and six constitutive equations, for specific phenomena related to polymer, fluid, and flow. The model is solved by the finite difference method and implemented in a Matlab® algorithm. The simulator validation is done through comparison with simple analytical solutions first, and then by history matching an experiment reported in the literature. The simulator is used for the planning and analysis of experiments. The experimental studies focus on single-phase sandstone core flooding, and consider different conditions of flow velocity, polymer concentration, and core permeability. Physical mechanisms are extended from past literature or proposed to explain the experimental observations. The IAPV increases with polymer concentration, which may be related to increased polymer-pore size incompatibility, or depleted layer enlargement, as corroborated by the viscosity reduction from bulk to in-situ in the absence of elongational effects. The IAPV decreases with increasing flow velocity possibly through flow-induced forced passage through pore throats, or chain alignment-induced depleted layer reduction. Polymer IAPV increases with permeability reduction, which leads to the proposition of a screening criterion for EOR. Adsorption of polymer in fresh porous medium follows a type IV isotherm, while re-adsorption results indicate a type I isotherm. The proposed re-adsorption mechanism can be related to local polymer section desorption and adsorption of free molecules. Hydrodynamic retention increases with flow velocity until it reaches a plateau, which indicates that some trapped polymer can be liberated near injection wells during EOR. The results indicate that relevant polymer hydrodynamic retention takes place takes place under high flow rates and is intensified by low permeabilities, which indicate that hydrodynamic retention should not be neglected in EOR. The results indicate that the pore network structure play a major role in the RRF and elongational viscosity of polymers. The results indicate that hydrodynamic retention may be as influential as adsorption in the RRF mechanism. Polymer mechanical degradation increases with polymer concentration, which may be related to increased degree of interaction between chains. Mechanical degradation decreases with increasing measurement shear rate, approaching Newtonian behavior, and indicating preferable degradation on larger chains. Polymer longitudinal dispersion is considerably higher than the salt one, which points the molecular size as an important agent on this property. Longitudinal dispersion increases with polymer concentration, which may be related to increased entanglement of polymer chains. In the context of polymer transport through porous media and the application of polymer flooding for EOR, the integrated investigation developed in this work mainly contributes to: the furthering of experimental techniques, the proposition of techniques to improve polymer flooding, and the understanding of the phenomena influencing polymer transport in porous mediaDoutoradoReservatórios e GestãoDoutor em Ciências e Engenharia de Petróleo1484676 ; 1643856CAPE