Experimentelle Untersuchungen zum Mehrphasenfluss in porösen Medien

Abstract

Zur Erforschung volumengetriebener Mehrphasenströmungen wurde das Voranschreiten einer wässrigen Phase in ein anfänglich mit einer öligen Phase gefülltes poröses Medium mittels zeitaufgelöster Röntgentomographie untersucht. Hierzu wurden spezielle Kugelschüttungen sowie eine besondere Probenpräparation verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass das Verdrängungsverhalten der wässrigen Flüssigkeitsfront innerhalb eines bestimmten Parameterbereichs nur durch die Kapillarität bestimmt wird. Oberhalb einer kritischen Geschwindigkeit der verdrängenden wässrigen Phase oder Viskosität der verdrängten öligen Phase hingegen muss ein Einfluss dieser Parameter in Betracht gezogen werden. Im kapillar-dominierten Bereich bildet die Flüssigkeitsfront im Frühstadium in einem benetzenden System eine kompakte Frontform aus, wohingegen die Flüssigkeitsfront in einem nicht-benetzenden System eine sehr verzweigte Frontform ausbildet. Hierbei zeigt sich, dass die globale Frontform anhand von lokalen und darüber hinaus benetzungsabhängigen Verdrängungsprozessen verstanden werden kann. Im Spätstadium bildet die ölige Phase nur oberhalb eines kritischen Kontaktwinkels ein perkoliertes Ölnetzwerk aus. Dieses Netzwerk wird mit zunehmender Wasserinjektion kontinuierlich ausgedünnt und führt zu einer charakteristischen finalen zurückbleibenden Ölsättigung und einer wohldefinierten Morphologie der zurückbleibenden Ölcluster.

The forced imbibition of an aqueous phase into an initially oil filled bead matrix is studied. The advancement of the water front is imaged using time resolved x-ray tomography. Therefore a special bead pack and sample preparation technique is used. The displacement behaviour of the aqueous phase depends only on the capillarity for a certain parameter regime. Increasing the flow rate of the invading aqueous phase or the viscosity of the defending oily phase above certain threshold values the dependence of both viscosity and velocity has to be considered. In the capillary dominated regime a compact front develops at early times in a wettable system whereas a branched front develops for a non-wettable system. In this context the global advancement and displacement behaviour of the water front can be understood by local wettability dependent displacement processes. For later times the oily phase develops a percolated network only above a critical contact angle. During further injection of the aqueous phase this network is reduced in volume constantly leading to a characteristic residual oil saturation and characteristic morphology of the remaining oil.