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Open Access
Die Bedeutung perkolierender und nichtperkolierender Phasen bei Mehrphasenströmungen in porösen Medien auf Laborskala
(2011) Doster, Florian; Hilfer, Rudolf (Prof. Dr. Dr.)
Das Verständnis makroskopischer Phänomene bei Mehrphasenströmungen in porösen Medien ist sowohl von wissenschaftlicher Seite als auch für Anwendungen von großem Interesse. Obwohl seit über einem Jahrhundert intensiv daran geforscht wird und die Phänomene auf der Porenskala durch die Gleichungen der klassischen Hydrodynamik beschrieben werden, ist bis heute keine Theorie vorhanden, die auf Labor- und Feldskala Hysterese und residuale Fluidkonfigurationen bei Mehrphasenströmungen umfassend und physikalisch richtig beschreibt. Die Berücksichtigung der unterschiedlichen hydrodynamischen Eigenschaften von perkolierenden und nichtperkolierenden Fluidanteilen auf makroskopischen Skalen könnte der Schlüssel zu einem besseren Modell sein. Hilfer schlägt ein Modell vor (Phys. Rev. E. 73, 016307 (2006)), in welchem diese Unterschiede nicht ignoriert werden. Erste quasistationäre Lösungen dieses Modells geben Hoffnung, dass durch das Einbeziehen dieser Unterschiede in der Modellbildung Schwachpunkte traditioneller Ansätze behoben werden können. Weitergehende Untersuchungen dieses Modells und seiner Gleichungen bilden die Aufgabenstellung dieser Dissertation. Um die Gleichungen zu studieren, wurden Umformungen und Näherungen formuliert, die analytische Lösungen ermöglichen. Außerdem wurden Schließbedingungen formuliert, die die Lösung zeitabhängiger Fragestellungen erlauben. Vier Anfangs- und Randwertprobleme wurden analytisch bzw. quasianalytisch gelöst. Sie sind Verallgemeinerungen des Buckley-Leverett-Problems, der schwerkraftgetriebenen Umverteilung, des McWhorter-Sunada-Problems und des Philip-Problems. Ferner wurden vier numerische Algorithmen entwickelt, die Anfangs- und Randwertprobleme für unterschiedliche mathematische Formulierungen und physikalische Näherungen des Modells lösen. Mit diesen Algorithmen wurden Laborexperimente simuliert. Die Experimente können drei Klassen zugeordnet werden. Die erste Klasse bilden Experimente mit einer geschlossenen porösen Säule. In diesen Experimenten bewirken allein die Schwerkraft und Kapillar- und Grenzflächenkräfte eine Umverteilung der Fluide. Die Ergebnisse zeigen, dass das Modell hysteretisches Verhalten in Sättigungsverteilungen beschreiben kann. Sie illustrieren außerdem Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu bestehenden Modellen. Die gewonnenen Aussagen können im Labor überprüft werden. Die zweite Klasse bilden Experimente, bei denen eine poröse Säule von einem von außen aufgeprägten Fluss durchströmt wird. Die Simulationen zeigen, dass die Beschreibung der Dynamik residualer Sättigungen mit diesem Modell möglich ist. Die dritte Klasse bilden Experimente mit Druckrandbedingungen. Solche Experimente werden im Labor zur Bestimmung und Überprüfung von Kapillardrucksättigungsbeziehungen durchgeführt. Die Simulation eines solchen Experiments stimmt gut mit Messwerten aus der Literatur überein. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass zumindest einige Schwächen traditioneller Ansätze durch die Berücksichtigung der unterschiedlichen hydrodynamischen Eigenschaften von perkolierenden und nichtperkolierenden Fluidanteilen behoben werden können. Für das neue Modell wurden analytische und quasianalytische Lösungen bestimmt und Verfahren entwickelt, numerische Lösungen zu berechnen. Einige der numerischen Lösungen wurden mit experimentellen Daten verglichen. Es konnte eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse gezeigt werden. Die übrigen Lösungen dienen als Vorschlag für Experimentatoren. Eine Durchführung dieser Experimente im Labor würde wichtige Erkenntnisse zur Qualität des Modells liefern.
Open Access
The FluidFlower validation benchmark study for the storage of CO2
(2023) Flemisch, Bernd; Nordbotten, Jan M.; Fernø, Martin; Juanes, Ruben; Both, Jakub W.; Class, Holger; Delshad, Mojdeh; Doster, Florian; Ennis-King, Jonathan; Franc, Jacques; Geiger, Sebastian; Gläser, Dennis; Green, Christopher; Gunning, James; Hajibeygi, Hadi; Jackson, Samuel J.; Jammoul, Mohamad; Karra, Satish; Li, Jiawei; Matthäi, Stephan K.; Miller, Terry; Shao, Qi; Spurin, Catherine; Stauffer, Philip; Tchelepi, Hamdi; Tian, Xiaoming; Viswanathan, Hari; Voskov, Denis; Wang, Yuhang; Wapperom, Michiel; Wheeler, Mary F.; Wilkins, Andrew; Youssef, AbdAllah A.; Zhang, Ziliang
Successful deployment of geological carbon storage (GCS) requires an extensive use of reservoir simulators for screening, ranking and optimization of storage sites. However, the time scales of GCS are such that no sufficient long-term data is available yet to validate the simulators against. As a consequence, there is currently no solid basis for assessing the quality with which the dynamics of large-scale GCS operations can be forecasted. To meet this knowledge gap, we have conducted a major GCS validation benchmark study. To achieve reasonable time scales, a laboratory-size geological storage formation was constructed (the “FluidFlower”), forming the basis for both the experimental and computational work. A validation experiment consisting of repeated GCS operations was conducted in the FluidFlower, providing what we define as the true physical dynamics for this system. Nine different research groups from around the world provided forecasts, both individually and collaboratively, based on a detailed physical and petrophysical characterization of the FluidFlower sands. The major contribution of this paper is a report and discussion of the results of the validation benchmark study, complemented by a description of the benchmarking process and the participating computational models. The forecasts from the participating groups are compared to each other and to the experimental data by means of various indicative qualitative and quantitative measures. By this, we provide a detailed assessment of the capabilities of reservoir simulators and their users to capture both the injection and post-injection dynamics of the GCS operations.