Influence of geometry and wettability on two-phase flow in porous media

Abstract

Fluid invasion pattern for two-phase flow in porous media is controlled by many factors. In this thesis, we focus on the influences of wettability and geometry on the evolution of fluid invasion pattern. Starting from the classical Cieplak & Robbins’ model, it was illustrated that in the capillarity-dominated regime, decreasing the porosity leaded to a change of dominating invasion mode, touch events, for in- termediate contact angles. The important role of touch events was further shown when wetting heterogeneity was added to the model system. To quantify the fluid invasion pattern, three different methods were developed, which not only illustrated the wettability-dependent invasion pattern with a compact domain for low advanc- ing contact angle and a fingering structure in high advancing contact angle, but also identified an invasion regime for the drainage process during the later stage of fluid in- vasion in the experiments with spherical beads. This regime was further investigated with a model which extends the 2D Cieplak & Robbins’ model to three dimensional space. Further liquid imbibition experiments in sands with different grain-shapes and surface roughness with X-ray tomography revealed the important role of macroscopic and microscopic geometry in altering the fluid invasion pattern. With the proposed quantification methods in this thesis, a new invasion pattern for imbibition process in the Ottawa sands was identified. In the last part, two different algorithms were developed to evaluate the intersection volume between spherical particle and polyhedron, which was employed in the 3D Cieplak & Robbins’ model.

Das Verdrängungsmuster für Zweiphasenströmung in porösen Medien wird von vielen Faktoren bestimmt. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die Einflüsse von Benetzbarkeit und Geometrie auf das Einstehen der Verdrängungsmuster. Ausgehend vom klassischen Cieplak & Robbins’ Modell wurde gezeigt, dass im kapillardominierten Regime eine Verringerung der Porosität zu einer Änderung des dominierenden Verdrängungsmodus, dem sog. ”touch-event”, für mittlere Kontaktwinkel führt. Die wichtige Rolle von ”touch-events” wurde weiter gezeigt, als die Benetzungsheterogenität dem Modellsystem hinzugefügt wurde. Zur Quantifizierung des Flüssigkeits- Verdrängungsmusters wurden drei verschiedene Methoden entwickelt, die nicht nur das von der Benetzbarkeit abhängige Verdrängungsmuster mit einer kompakten Domäne für niedrige fortschreitende Kontaktwinkel und einer verzweigten Struktur bei hohen fortschreitenden Kontaktwinkeln darstellten, sondern auch ein Invasionsregime für den Drainageprozess in der späteren Phase der Flüssigkeitsinvasion in den Experimenten mit sphärischen Glaskugeln identifizierten. Dieses Regime wurde mit einem Modell weiter untersucht, das das 2D Cieplak & Robbins’ Modell auf den dreidimensionalen Raum erweitert. Weitere Verdrängungsexperimente in Sanden mit unterschiedlichen Kornformen und Oberflächenrauhigkeiten mittels Röntgentomographie zeigten die wichtige Rolle der makroskopischen und mikroskopischen Geometrie bei der Veränderung des Flüssigkeits-Verdrängungsmusters. Mit den in dieser Arbeit vorgeschlagenen Quantifizierungsmethoden konnte ein neues Verdrängungsmuster für den Imbibitionsprozess in Ottawa-Sand identifiziert werden. Im letzten Teil wurden zwei verschiedene Algorithmen entwickelt, um das Schnittvolumen zwischen kugelförmigem Partikel und Polyeder zu evaluieren, das im 3D Cieplak & Robbins’ Modell verwendet wurde.