Influence of viscoelasticity on the displacement of capillary entrapments

Abstract

It is already evident that the viscoelastic nature of polymer solutions affects the displacement processes when such fluids are used as displacing fluids, for example in polymer flooding. However, a clear explanation of how exactly viscoelasticity plays a role at the microscale and enhances microscopic displacement efficiency in porous media is still lacking. In this dissertation, a possible mechanism of displacing capillary entrapment under the sole influence of elastic stresses is presented. A model system consisting of two serpentine channels connected in the middle by a capillary channel has been designed to represent a single pore entrapment. The serpentine channel is particularly important to mimic the tortuous nature of flow in porous media. Direct experimental observations in this model system show that the interface between the entrapped phase and the viscoelastic polymer solution used as the displacing phase becomes unstable above a certain shear rate, eventually leading to the complete removal of the entrapped phase. The results of Particle Image Velocimetry experiments of the polymer flow in the serpentine channel show that the origin of these interfacial fluctuations is the velocity fluctuations due to purely elastic instabilities and strong elastic secondary flow structure.

Wenn Polymerlösungen als Verdrängungsmittel verwendet werden, z.B. beim ”Polymerfluten”, wurde bereits nachgewiesen, dass die Viskoelastizität von Polymerlösungen die Verdrängungsprozesse beeinflusst. Es gibt jedoch keine klare Erklärung dafür, welche Rolle die Viskoelastizität bei der Verdrängung auf der Mikrometerskala spielt und wie sie die mikroskopische Verdrängungseffizienz in porösen Medien verbessert. In dieser Dissertation wird ein möglicher Mechanismus für die Verdrängung von Kapillareinschlüssen unter dem ausschließlichen Einfluss von elastischen Spannungen in der verdrängenden Flüssigkeit vorgestellt. Das verwendete mikrofluidische Modellsystem, das aus zwei Serpentinen-Kanälen besteht, die in der Mitte durch einen Kanal verbunden sind, wurde so gestaltet, dass es einen einzelnen Poreneinschluss simuliert. Die Serpentinen-Kanäle sind besonders wichtig, um die gewundene Natur der Strömung in porösen Medien zu imitieren. Direkte experimentelle Beobachtungen in diesem Modellsystem zeigen, dass die Grenzfläche zwischen der eingeschlossenen Phase und der viskoelastischen Verdrängungsphase oberhalb einer kritischen Scherrate instabil wird, was schließlich zur vollständigen Entleerung der eingeschlossenen Phase führt. Die Analyse des geschwindigkeitsabhängigen Strömungsverhaltens der Polymerl ösung im Serpentinen-Kanal mittels μPIV zeigt, dass der Ursprung dieser Grenzfl ächenfluktuationen die Geschwindigkeitsschwankungen aufgrund von rein elastischen Instabilitäten und stark elastischen sekundären Strömungsstrukturen sind. Daraus lässt sich schließen, dass diese elastizitätsbedingten Instabilitäten die Verschiebung des kapillaren Einschlusses in den porösen Medien verursachen.