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We investigate how the formation of heterogeneity and structures in flows through explicit porous microstructures depends upon the geometric and topological observables of the porous medium. Using direct numerical simulations of single-phase, isothermal, laminar fluid flow through realistic three-dimensional stochastically generated pore structures, hereafter referred to as pore spaces, the characteristics of the resulting steady state velocity fields are related to physical characteristics of the pore spaces. The results suggest that the spatially variable resistance offered by the geometry and topology of the pore space induces a highly heterogeneous fluid velocity field therein. Focus is placed on three different length scales: macroscopic (cm), mesoscopic (mm), and microscopic (microns). At the macroscopic length scale, volume averaging is used to relate porosity, mean hydraulic radius, and their product to the permeability of the pore space. At the mesoscopic scale, the effect of a medium's porosity on fluid particle trajectory attributes, such as passage time and tortuosity, is studied. At the final length scale, that of the microscopic in-pore fluid dynamics, finite time Lyapunov exponents are used to determine expanding, contracting, and hyperbolic regions in the flow field, which are then related to the local structure of the pore space. The results have implications to contaminant transport, mixing, and how chemical reactions are induced at the pore-scale. A description of the adopted numerical methods to simulate flow and generate the pore space are provided as well.

[pt] O presente trabalho tem como objetivo a modelagem de escoamentos através de meios porosos, sob o ponto de vista da Teoria Contínua de misturas. O fluido e o sólido, que compõe o meio poroso, são tratados como constituintes contínuos de uma mistura binária, onde não ocorrem reações químicas. Em todas as situações aqui tratadas o fluido é suposto Newtoniano e incompressível, enquanto o meio poroso é rígido, homogêneo e isotrópico. O trabalho pode ser dividido em duas partes principais. Na primeira são modelados escoamentos através de regiões contendo meios porosos saturados e regiões onde só existe o fluido. São discutidas condições de compatibilidade sobre as interfaces, que separam as regiões, e é estabelecido um modelo para escoamentos, nos quais não exista fluxo de massa através das interfaces. A segunda parte trata de escoamentos em meios porosos insaturados, onde é preciso se considerar o efeito de forças capilares. Nesta parte é estabelecido um modelo e são simuladas situações unidimensionais. São estudados vários casos entre eles o enchimento de uma placa porosa, com e sem efeitos de atrito e de forças gravitacionais. A obtenção de resultados, nestes casos, exige a solução numérica de um sistema hiperbólico não-linear de equações diferenciais. / [en] This work aims to a modelling of flow through a porous media based upon the Continuum Theory of Mixtures. The fluid and the solid, which composes the porous media, are assumed as continuous constituent of a binary mixture where chemical reactions do not occur. In all situations here considered, the fluid is assuned Newtonian and incompressíble, while the porous media is rigid, homogeneus and isotropic. This work can be divided in two main parts. In the first one, flows are modelled through regions containing saturated porous media and regions where there is nothing but the fluid. Conditions of compatibility in the interfaces that divide the regions are discussed and a flow modelling is stablished where there are no crosaflow through the interfaces. The second part is concerned with flows in unsaturated porous media, where the effect of capillery pressure is considered. In this Part a model is stablished and unidimensíonal situations are simulated. Several cases are studied and the filling-up of a porous plate is among them, with and without frictíon effect and gravitational forces. The obtainment of results, in such cases, requires the numeric solution of a non-linear hyperbolíc system of differential equations.

[pt] Este estudo procurou observar e quantificar os parâmetros operacionais que governam as propriedades permoporosas da torta de filtração, formada após o escoamento de uma solução de glicerina com uma determinada concentração de sólidos. A formação de um reboco externo de baixa permeabilidade é um dos fatores mais importantes para minimizar da invasão do filtrado de fluido na rocha reservatório. A contaminação do reservatório pelo filtrado do fluido pode trazer vários problemas operacionais, que serão discutidos nesta dissertação. A eficiência do sistema de fluidos em minimizar a invasão é normalmente avaliada através de ensaios padrão de filtração estática. Neste trabalho dois objetivos centrais são definidos: Identificar os parâmetros operacionais que governam as propriedades permoporosas do reboco externo através de ensaios de filtração estática e disponibilizar uma metodologia para a avaliação da invasão do filtrado do fluido de perfuração na geometria poço-reservatório (escoamento radial), a partir de ensaios de laboratório de filtração estática (escoamento linear). Os resultados indicam que a solução da lei Darcy para o problema de filtração com formação de torta incompressível mostrou - se adequada para grande maioria dos ensaios experimentais com solução de glicerina contendo agentes obturantes. O mesmo não se verificou para ensaios com solução de goma xantana como meio contínuo. Os resultados experimentais obtidos mostraram também que, para uma mesma solução de glicerina contendo agente obturante, os valores de permeabilidade da torta de filtração obtidos na geometria linear e na geometria radial são semelhantes. Desta forma, pode - se validar a metodologia de previsão do grau da invasão de fluidos de perfuração na rocha reservatório (configuração radial) a partir de ensaios convencionais de laboratório (configuração linear). / [en] This work deals with the understanding of the major operational parameters governing filter cake building drilling fluids invasion through reservoir rocks. The ability of the fluid system to prevent invasion is normally evaluated by standardized static filtration experiments. In these tests, the fluid is pressurized through a filter paper or into a consolidated inert porous medium. The volume which crosses the porous core is monitored along the time. Darcy flow modeling of non-compressible cakes proved to reproduce adequately the filtration of a Newtonian fluid + particulate system through ceramic and sinterized steel disks. Pressure differential, particle size and shape proved to be relevant parameters affecting filter cake permeability and porosity. The present study proposes, through the coupling of a linear filtration formulation (lab configuration) and a radial single phase formulation (wellbore vicinity), to predict fluid invasion depth of fluid filtrate in the reservoir rock. Modeling is validated with linear and radial lab tests. The proposed methodology is a requirement for optimum drilling fluid design to be used in the drilling of reservoir sections in both exploratory and development wells.

[pt] O escoamento de emulsões é encontrado em diversos processos de recuperação e produção de petróleo. O escoamento de emulsões em meios porosos depende de diversos parâmetros como a relação do tamanho das gotas ao tamanho dos poros, a razão de viscosidades, a vazão volumétrica e o efeito destes parâmetros ainda não é bem compreendido. Uma análise detalhada na escala microscópica dos fenômenos envolvidos se faz essencial para a melhora do entendimento completo do escoamento de emulsões em um reservatório. Isto permitiria o desenvolvimento de melhores modelos de simulação para o escoamento multifísico em meios porosos. Neste trabalho, o escoamento de emulsões óleo-água através de um capilar com garganta foi estudado através de experimentos e teoria. A análise experimental consistiu da visualização sob um microscópio do escoamento e da medição da queda de pressão em função da vazão para diferentes emulsões. A análise teórica englobou o estudo do escoamento em regime permanente de uma gota de óleo imersa em água através de um capilar e o estudo do escoamento transiente da mesma gota através de um capilar com uma garganta. Os resultados mostram que os modelos de escoamento de emulsões em meios porosos não devem ser baseados em propriedades macroscópicas da emulsão quando o tamanho das gotas da fase dispersa for da mesma ordem de grandeza do tamanho dos poros. Neste caso, a queda de pressão é função da tensão interfacial, a razão de viscosidades, a vazão e a razão entre o tamanho das gotas e o diâmetro do poro. Os resultados apresentados neste trabalho podem ser usados no projeto de emulsões apropriadas para controle de mobilidade em operações de recuperação avançada através de injeção de emulsões. / [en] Flow of emulsions is found in many petroleum recovery and production processes and it is often referred to in the context of tertiary oil recovery. The characteristics of emulsion flow in porous media depend on several parameters such as medium drop size to pore size ratio, viscosity ratio, flow rate and the effect of these parameters is far from being entirely understood. A detailed analysis at a microscopic scale of the flow is essential to improve the understanding of flow of an emulsion in a reservoir. This would lead to the development of better simulation models, henceforth increasing the predictability capability of reservoir simulators for enhanced oil recovery applications. In this work, flow of oil-water emulsions through constricted capillaries, used as model for the geometry inside a porous media, is studied experimentally and theoretically. The experimental approach consisted of measuring pressure drop response as a function of flow rate for different emulsions and visualizing the flow under an optical microscope to understand the phenomena involved. The theoretical approach is divided in two parts. First, the immiscible steady flow of a infinite single drop suspended in an less viscous fluid through a capillary was analyzed by solving the Navier- Stokes equations with the appropriate boundary conditions for free-surface flow. The second part of the theoretical analysis consisted of solving the transient flow of a drop suspended in a less viscous fluid through a capillary with a constriction. It is shown the effect of capillary number and viscosity ratio over the main responses of the flow. The results show that models of emulsion flow in a porous media cannot be based on the macroscopic properties of the emulsion when the drop diameter is of the same order of magnitude as the pore throat diameter. In this case flow rate-pressure drop is a strong function of the interfacial tension, viscosity ratio, flow rate and drop to pore size ratio. The results can be used to design appropriate emulsions to control the water mobility during EOR operations by emulsion injection.

Experimental data convincingly show that viscosity of a fluid may change significantly with pressure. This observation leads to various generalizations of well-known models, like Darcy's law, Stokes' law or the Navier-Stokes equations, among others. This thesis investigates three such models in a series of three published papers. Their unifying topic is development of existence theory and finding a weak solution to systems of partial differential equations stemming from the considered models.

The theory of homogenization allows to find for a given system of partial differential equations governing a model with a very complicated internal struc- ture a system governing a model without this structure, whose solution is in a certain sense an approximation of the solution of the original problem. In this thesis, methods of the theory of homogenization are applied to three sys- tems of partial differential equations. The first one governs a flow of a class of non-Newtonian fluid through a porous medium. The second system is utilized for modeling of a flow of a fluid through an electric field wherein the viscosity depends significantly on the intensity of the electric field. For the third system is considered an elliptic operator having growth and coercivity indicated by a general anisotropic inhomogeneous N-function. 1

[pt] A injeção de emulsão em meio poroso como método de recuperação avançada pode se tornar realidade na operação de campos de petróleo devido à maior rigidez no descarte de água produzida e aos potenciais ganhos na produção de óleo. Para entender o comportamento macroscópico desta técnica de EOR, é necessário compreender o fenômeno microscópico. Com este objetivo, fez-se a modelagem numérica do escoamento de uma gota imersa em fase contínua escoando em capilar restrito utilizando o método de Lattice-Boltzmann. Este método foi escolhido devido à sua facilidade de ser aplicado em geometrias complexas de rocha e fluido e ao bom compromisso na representação dos fenômenos de microescala. Para entender a influência de cada parâmetro, foram realizadas diversas simulações em domínio tridimensional, alterando a velocidade do fluxo, a razão de viscosidades dos fluidos, a relação entre os diâmetros da gota e do tubo e a magnitude da tensão interfacial. Observou-se que a passagem da gota pela restrição causa uma redução na mobilidade do escoamento, representada por um aumento na perda de carga, pela conjunção dos efeitos viscosos e capilares. Obteve-se correlação negativa do fator redutor de mobilidade 𝑓 com a razão de viscosidade e com o tamanho da gota, assim como fora determinado numericamente por Roca-Reyes (2011) com o método level-set. Foi notada uma pequena sensibilidade de 𝑓 ao número de capilaridade, assim como estabelecido experimentalmente por Robles-Castillo (2011). Verificou-se a importância de se determinar o conjunto adequado de parâmetros do sistema para ter sucesso na implantação de injeção de emulsões. / [en] Emulsion injection in porous medium as an Enhanced Oil Recovery method can turn out to be reality in the operation of onshore and offshore fields, due to increasing rigidity in the disposal of produced water and also due to the potential additional oil production. In order to understand macroscopic behavior of this EOR method, it is necessary to understand the microscopic phenomenon. With this objective, it was performed the numerical modeling of the flow of a droplet immerse in continuous phase through a constricted capillary using the Lattice-Boltzmann method. This method was chosen due to its simplicity on being applied to complex rock geometries and multiphasic flow and due to its good commitment in representing microscopic phenomena. Focusing on understanding the influence of each parameter on flow behavior, several simulation studies were performed altering flow velocity, viscosity ratio, ratio between droplet s and pipe s diameter and interfacial tension. A reduction in mobility is observed as the droplet passes through the restriction caused by the conjunction of viscous and capillary effects. A negative correlation of mobility reduction factor 𝑓 in relation to the viscosity ratio and to droplet size was noticed, as it had been observed before by Roca-Reyes (2011) in a numerical implementation of level-set method. Weak correlation between 𝑓 and capillary number was determined, as in previous experimental essay performed by Robles-Castillo (2011). In this study, it was verified the importance of determining the appropriate set of system parameters, in order to achieve success in the implementation of emulsion injection.

Neste trabalho é apresentada uma nova modelagem matemática para a descrição do escoamento de um líquido incompressível através de um meio poroso rígido homogêneo e isotrópico, a partir do ponto de vista da Teoria Contínua de Misturas. O fenômeno é tratado como o movimento de uma mistura composta por três constituintes contínuos: o primeiro representando a matriz porosa, o segundo representando o líquido e o terceiro representando um gás de baixíssima densidade. O modelo proposto possibilita uma descrição matemática realista do fenômeno de transição insaturado/saturado a partir de uma combinação entre um sistema de equações diferenciais parciais e uma desigualdade. A desigualdade representa uma limitação geométrica oriunda da incompressibilidade do líquido e da rigidez do meio poroso. Alguns casos particulares são simulados e os resultados comparados com resultados clássicos, mostrando as consequências de não levar em conta as restrições inerentes ao problema. / This work is concerned with a new mathematical modelling for describing the flow of an incompressible fluid (a liquid) through a rigid, homogeneous and isotropic porous medium, from a Continuum Mixtures point of view. The phenomenon is regarded as the motion of a mixture composed by three overlaping continuous constituents: the first one representing the porous matrix, the second one representing the liquid and the third one representing a (very) low density gas. The proposed mathematical modelling allows a realistic mathematical description for the unsaturated/saturated transition process by means of a combination between a system of partial differential equations and an inequality. This inequality represents a geometrical constraint arising from the liquid incompressibility merged with the porous matrix rigidity. The simulation of some interesting particular cases is carried out presenting a comparison between the obtained results and the classical ones, showing the consequences of disregarding the constraints associated to the phenomenon.

Neste trabalho é apresentada uma nova modelagem matemática para a descrição do escoamento de um líquido incompressível através de um meio poroso rígido homogêneo e isotrópico, a partir do ponto de vista da Teoria Contínua de Misturas. O fenômeno é tratado como o movimento de uma mistura composta por três constituintes contínuos: o primeiro representando a matriz porosa, o segundo representando o líquido e o terceiro representando um gás de baixíssima densidade. O modelo proposto possibilita uma descrição matemática realista do fenômeno de transição insaturado/saturado a partir de uma combinação entre um sistema de equações diferenciais parciais e uma desigualdade. A desigualdade representa uma limitação geométrica oriunda da incompressibilidade do líquido e da rigidez do meio poroso. Alguns casos particulares são simulados e os resultados comparados com resultados clássicos, mostrando as consequências de não levar em conta as restrições inerentes ao problema. / This work is concerned with a new mathematical modelling for describing the flow of an incompressible fluid (a liquid) through a rigid, homogeneous and isotropic porous medium, from a Continuum Mixtures point of view. The phenomenon is regarded as the motion of a mixture composed by three overlaping continuous constituents: the first one representing the porous matrix, the second one representing the liquid and the third one representing a (very) low density gas. The proposed mathematical modelling allows a realistic mathematical description for the unsaturated/saturated transition process by means of a combination between a system of partial differential equations and an inequality. This inequality represents a geometrical constraint arising from the liquid incompressibility merged with the porous matrix rigidity. The simulation of some interesting particular cases is carried out presenting a comparison between the obtained results and the classical ones, showing the consequences of disregarding the constraints associated to the phenomenon.