Steam injection into saturated porous media : process analysis including experimental and numerical investigations

Abstract

The extensive use of chemicals in industry coupled with the lack of understanding their potential threat to the environment and human health has resulted in substantial soil and groundwater contamination during the 20th century in many industrialized areas. Sites contaminated by dense non-aqueous phase liquids (DNAPL's) turned out to be rather problematic. The fact that DNAPL's have a higher density than water enables them to migrate below the ground water table causing extensive contaminations in the saturated zone. Conventional remediation techniques show major difficulties in the remediation of DNAPL and induced the development of innovative remediation techniques for such sites. One of the most promising is the injection of steam into the subsurface. This technique has been successfully applied to the remediation of DNAPL contaminations in the unsaturated zone. Today, the application of steam injection for the treatment of contaminations in the saturated zone is in the focus of research interest. Although the physical processes elapsing during steam injection are basically the same either in the saturated and unsaturated zone, there are distinct differences in their relevancy.

This work contributes to increasing the insight into the non-isothermal multi-phase system emerging during steam injection into saturated porous media. An essential prerequisite for this is to identify and understand important processes and parameters influencing the system behavior. First, experimental investigations are carried out in a saturated two-dimensional flume. The established understanding of the system behavior was incorporated into the development of a numerical model. In this process, special attention was placed on an accurate description of system behavior and a robust operation of the model. Instabilities occurring at fully saturated conditions were analyzed, and appropriate measures were taken to prevent them. The developed model was subsequently used for simulating steam injection experiments and later utilized for the verification of the model code. In order to demonstrate the predictive qualities of the model, a field scale steam injection was simulated.

The experimental and numerical investigations resulted in an improved understanding of the non-isothermal multi-phase system emerging during steam injection into saturated porous media. The relevant processes and parameters influencing the propagation of the steam front at saturated conditions could be identified. This provided the possibility of deriving characteristic typecurves for steam propagation in saturated porous media.

Der massive Einsatz von synthetischen Chemikalien in der Industrie führte in der Vergangenheit zu erheblichen Verunreinigungen des Untergrundes und somit auch des Grundwassers. Besonders problematisch sind Verunreinigungen mit Schadstoffen aus der Gruppe der DNAPL (dense non-aqueous phase liquids), da diese schon in geringen Konzentrationen human-toxisch sind und im Verdacht stehen krebserregend zu sein. DNAPL's haben eine größere Dichte als Wasser und können somit zu Verunreinigungen in der mit Grundwasser gesättigten Bodenzone führen. Konventionellen Verfahren wie z.B. Pump & Treat haben oftmals erhebliche Schwierigkeiten das Sanierungs- ziel bei DNAPL Schadensfällen zu erreichen. Dies initiierte die Entwicklung einer Reihe innovativer Technologien für die Sanierung solcher Schadensfälle. Ein viel versprechendes Verfahren ist dabei die thermische Sanierung mittels Dampfinjektion. Das Verfahren der Dampfinjektion ist bereits erfolgreich für Schadensfälle in der ungesättigten Bodenzone oberhalb des Grundwasserspiegels eingesetzt worden. DNAPL Schadensfälle sind jedoch nicht auf die ungesättigte Bodenzone beschränkt und deshalb wird momentan die Anwendbarkeit des Verfahrens zur Sanierung von Kontaminationen in der gesättigten Bodenzone untersucht. Obwohl die Prozesse der Dampfausbreitung dabei prinzipiell ähnlich sind, wie in der ungesättigten Bodenzone, so kann sich dennoch deren Einfluß auf das Prozessverhalten stark unterscheiden.

Mit der vorliegenden Arbeit konnte das Prozessverständnis für das nicht-isotherme Mehrphasensystem, welches sich bei der Dampfinjektion in ein gesättigtes poröses Medium einstellt, verbessert werden. Eine essentielle Voraussetzung dafür war die Identifikation der relevanten Prozesse und Parameter. Dazu wurden in einem ersten Schritt experimentellen Untersuchungen zur Dampfinjektion in einer zweidimensionalen Küvette durchgeführt. Das gewonnene Prozessverständnis wurde in die Entwicklung eines numerischen Modells einbezogen. Dabei wurde auf eine möglichst exakte Wiedergabe des Prozessverhaltens und ein robustes Verhalten des numerischen Modells Wert gelegt. Probleme, die auftraten wurden analysiert und geeignete Maßnahmen getroffen um diese zu umgehen. Das numerische Modell wurde im Anschluß zur Simulation der durchgeführten Experimente verwendet und konnte dabei erfolgreich verifiziert werden. Die Prognosefähigkeit des Modells wurde durch die Simulation der Dampfausbreitung im Vorfeld einer Pilot-Sanierung unter Beweis gestellt.

Die Verknüpfung von experimentellen und numerischen Untersuchungen resultierte in einem verbesserten Prozessverständnis des untersuchten Mehrphasensystems. Die für die Dampfausbreitung in einem gesättigten porösen Medium relevanten Prozesse und Parameter konnten identifiziert und Planungshilfen zur Abschätzung der Dampfausbreitung entwickelt werden.