L'écoulement à travers un milieu poreux d'un fluide non newtonien, est un problème récurrent rencontré dans de nombreux domaines de l'industrie et dont la difficulté réside à la fois dans la géométrie complexe du milieu poreux et dans le caractère non-linéaire des matériaux utilisés. Dans cette thèse, nous adoptons une approche différente de celle menée dans les travaux antérieurs, en nous basant principalement sur l'expérimentation. En procédant à des essais systématiques d'injection dans un milieu poreux dont nous pouvons contrôler les données géométriques, nous montrons qu'un gradient de pression seuil, étant proportionnel au seuil du fluide et inversement proportionnel à la taille typique des pores, doit systématiquement être dépassé pour mettre le fluide en écoulement.En outre, nous étudions la possibilité de regrouper, via un redimensionnement, l'ensemble des résultats sur une courbe maîtresse et établir ainsi une base pour l'établissement d'une loi générale d'écoulement / The flow of a non-newtonian fluid through a porous medium is a matter of importance in several industrial applications whose difficulty arises from both the complex geometry of the porous medium and the non-linear behaviour of the complex fluids. In this thesis we investigate the flow of Herschel-Bulkley fluids via a mainly experimental approach and aim to set a generalized law for this particular type of complex fluid in porous medium.Our experimental set-up allows us to perform systematic trials of injection in model porous media whose we can control geometrical parameters. We show that a threshold pressure gradient, proportional to the yield stress and inversely proportional to the particles mean diameter has to be systematically surpassed to make the fluid flow through the porous medium. We also investigate the possibility, thanks to a resizing, to gather all the experimental data on a master curve representative of a generalized law

Understanding how the water produced in an operating polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is transported in cathode catalyst layer (CCL) is crucial to improving performance and efficiency. In this thesis, a multiple-relaxation-time (MRT) lattice Boltzmann method (LBM) is employed to simulate the high density ratio, multiphase water transport in in the CCL. The three-dimensional structure of the catalyst layer is reconstructed based on experimental data acquired with a dual beam scanning electron microscope/focused ion beam system and a stochastic method using lower order statistical functions (e.g. porosity and two point correlation functions). Simulations of the water transport dynamics are performed to examine the effect of a range of physical parameters: wettability, viscosity ratio, pressure gradient, and surface tension. The water penetration patterns in the catalyst layers reveal a complex fingering process and transition of the water transport pattern from a capillary fingering regime to a stable displacement regime is observed when the wettability potential of the catalyst layer changes. The second part of the analysis focuses on quantifying the impact of liquid water distribution and accumulation in the catalyst layer on effective transport properties by coupling two numerical methods: the two-phase LBM is used to determine equilibrium liquid water distribution, and then a finite volume-based pore-scale model (FV-PSM) is used to compute transport of reactant and charged species in the CL accounting for the impact of liquid water saturation .The simulated results elucidate and quantify the significant impact of liquid water on the effective oxygen and water vapor diffusivity, and thermal conductivity in CLs. / Graduate

Most theoretical treatments of Nuclear Magnetic Resonance (NMR) measurements of porous media assume ideal pore geometries for the pores (i.e. slabs, spheres or cylinders) with welldefined surface-to-volume ratios (S/V). This same assumption is commonly adopted for naturally occurring materials, where the pore geometry can differ substantially from these ideal shapes. In this paper the effect of the roughness of the pore surface on the T2 relaxation spectrum is studied. By homogenization of the problem using an electrostatic approach it is found that the effective surface relaxivity can increase dramatically in the presence of rough surfaces. This leads to a situation where the system responds as a pore with a smooth surface, but with significantly increased surface relaxivity. As a result the standard approach of assuming an idealized geometry with known surface to-volume and inverting the T2 relaxation spectrum to a pore size distribution is no longer valid. The effective relaxivity is found to be fairly insensitive to the shape of the roughness but strongly dependent on the width and depth of the surface geometry.

In many events affecting our civil infrastructure, such as contamination or weathering, it is likely that only the surfaces of the affected building materials will be available for non-destructive measurements. In this work, we describe and analyze surface gas permeability measurements on a variety of natural and engineered building materials using two types of relatively new, non-destructive surface permeameters. It is shown that the surface gas permeability measurements correlate well with each other and could provide rapid estimates of macroscopic gas permeability and degradation of materials due to weathering. It is hypothesized that surface permeability can be used to predict macroscopic wicking of water. The results indicated that macroscopic wicking correlated reasonably well with surface permeability measurements of uniform materials with low permeabilities such as sandstones and clay brick.

Le travail actuel traite le problème de l'écoulement gaz-liquide compositionnel pour la représentation d'un puits dans des simulations de réservoir. L'objectif est de développer les rapports analytiques qui pourraient lier la pression de puits, la saturation et les concentrations de composant à leurs valeurs moyennes dans chaque zone de l'influence de puits. Nous avons montre que des N-2 équations décrivant le transport des concentrations de phase peuvent être transformées en équations ordinaires (différentiation en ce qui concerne la pression) indépendantes du temps et de l'espace examinant le long des lignes de courant. Ces équations transformées représentent des relations thermodynamiques additionnelles réduisant le degré de liberté thermodynamique. En raison de ceci le variance thermodynamique du modèle compositionnel limite s'avère égal à 1 pour tout nombre de composants chimiques. Cette transformation assurent se découplage total du modèle compositionnel limite dans le nouveau modèle thermodynamique et le modèle hydrodynamique, qui peut être resoved inedpendently d'un un autre. Le modèle thermodynamique décompose est totalement indépendant sur l'hydrodynamique, et décrit le comportement d'équilibre d'un système gaz-liquide ouvert. Ce modèle contient les équations d'équilibre et la EOS classiques, aussi bien que les N-2 nouvelles équations appelées la "Delta-loi", qui déterminent la variation de composition d'un système ouvert dans lequel la masse de chaque composant n'est pas conservée. Le modèle hydrodynamique décompose a été utiliser pour développer les solutions asymptotiques des problèmes d'écoulement de gaz-condensat. Le problème a été montré perturbé singulièrement avec la formation d'une couche limite à voisinage du puits. Dans cette couche la propriété basique de contraste des mobilities de gaz et de liquide est perturbée. On développe une technique spéciale qui permet de construire des expansions asymptotiques sous forme de deux diverses séries: le primer est valide loin du puits (l'expansion extérieure), alors que le second dans valide à voisinage du puits (la couche limite ou l'expansion intérieure). En appliquant la méthode asymptotique suggérée, nous avons développé les solutions asymptotiques pour le problème de l'écoulement multicompositionnel de gaz-condensat àu puits dans un domaine borné à un débit variable. En plusieurs cas la solution peut être obtenue sous la forme analytique, alors qu'en cas général de l'écoulement la méthode mène à une solution de semi-analytical, présentée comme problème initial pour une équation. Cette solution, même étant présenté en forme non-analytique, est beaucoup plus simple que le modèle compositionnel original, car l'équation pour la saturation ne dépend pas de la pression locale, mais dépend de la pression de bord seulement. Dans le dernier chapitre nous avons prolongé cette approche au cas quand la pression capillaire n'est pas négligée. Nous avons supposé cependant que les forces capillaires sont inférieures à la différence de pression entre le puits et la bord de réservoir, dus à ce que nous avons appliqué la méthode de perturbation pour petit nombre capillaire inverse. On obtient les solutions asymptotiques améliorées qui tiennent compte de l'effet capillaire. Simulations numériques montrées que ces effets sont maximaux àu voisinage du puits. Le cas d'une exploitation à long terme du réservoir. Tout d'abord, la simulation traditionnelle du comportement de réservoir peut être effectuée avec l'ECLIPSE en ajoutant la méthode de Peaceman de représentation bonne, qui est une relation analytique pour la pression de puits par l'intermédiaire du débit de production. Cette relation inclut une saturation condensat qui peut être évaluée comme saturation moyenne de réservoir. Une telle simulation fournit un bon résultat pour la pression de puits (ou le débit de production), et un bon résultat pour la saturation de bord, mais des données faibles pour la saturation de puits. Cette valeur peut être calculée en utilisant les solutions asymptotiques suggérées dans le présent projet. Le cas d'un puits de production à court terme (un essai de puits). Il est suffisant de simuler le comportement de réservoir dans le domaine de l'influence de puits, en supposant que l'état de frontière demeure invariable (et connu a priori). Dans ce cas-ci les solutions asymptotiques suggérées dans le travail de presnet peuvent être directement employées pour simuler le problème (sans employer l'ECLIPSE). Le problème de l'écoulement de gaz-condensat à une fracture. Nous avons construit un champ plutôt arbitraire avec des lignes de courant orientées à la fracture, en supposant que la fracture joue le rôle d'une décharge, et les lignes de courant sont stationnaire. Pour une ligne de courant arbitraire nous avons reformulé le modèle d'écoulement de gaz-condensat dans des coordonnées cartésiennes. Pour ce problème nous avons développé les expansions asymptotiques / The present work deals with the problem of the compositional gas-liquid flow for the well representation in reservoir simulations. The objective is to develop analytical relationships which would be able to link the wellbore pressure, saturation and component concentrations to their mean values within each zone of the well influence. It is shown that N-2 equations describing the transport of phase concentrations can be transformed into the space- and time-independent ordinary differential equations (differentiation with respect to pressure) when examined along flow streamlines. These transformed equations represent additional thermodynamic relations reducing the thermodynamic degree of freedom. Due to this the thermodynamic variance of the limit compositional model is shown to be equal to 1 for any number of chemical components. This transformation ensure a total splitting of the limit compositional model into the new thermodynamic model and a hydrodynamic model, which may be resoved inedpendently of one another. The split thermodynamic model is totally independent on the hydrodynamic one, and describes the equilibrium behaviour of an open gas-liquid system. This model contains the classic equilibrium equations and EOS, as well as N-2 new differential equations called the "delta-law" which determine the composition variation in an open system, in which the mass of each component is not conserved. The split hydrodynamic model consists of two equations for pressure and saturation. The split hydrodynamic model was used to develop asymptotic solutions of gas-condensate flow problems. The problem was shown to be singularly perturbed with formation of a boundary layer in the vicinity of the well. In this layer the basic contrast property of gas and liquid mobilities is perturbed. A special technique is developed which enables to construct asymptotic expansions in the form of two various series, one of them is valid far from the well (the exterior expansion), while the second one in valid in the vicinity of the well (the boundary-layer or interior expansion). By applying the suggested asymptotic method, we have developed the asymptotic solutions for the problem of multi-component gas-condensate flow to a well in a bounded domain at a variable flow rate. In several cases the solution may be obtained in the analytical form, while in general case of flow the method leads to a semi-analytical solution presented as an initial problem for a differential equation. This solution, even being presented in non-analytical form, is much simpler than the original compositional model, as the equation for saturation does not depend on the local pressure, but on the boundary pressure only. In the last chapter we extended this approach to the case when the capillary pressure is not neglected. We assumed however that the capillary forces are lower than the pressure difference between the wellbore and reservoir boundary, due to which we applied the perturbation method over the small inverse capillary number. The improved asymptotic solutions are obtained which take into account the capillary effect. Numerical simulations shown that these effects are maximal in the vicinity of the well. For the practice, the obtained asymptotic solutions may be used in the following way to resolve the problem of gas-condensate well representation. The case of a long-term exploitation of the reservoir}. First of all, the traditional simulation of the reservoir behaviour can be performed with ECLIPSE by adding the Peaceman method of well representation, which is an analytical relation for the wellbore pressure via the production rate. This relation includes a condensate saturation which can be evaluated as a mean reservoir saturation. Such a simulation provides a good result for the wellbore pressure (or the production rate), and a good result for the boundary saturation, but poor data for the wellbore saturation. This value can be calculated next by using the asymptotic solutions suggested in the presented project. The case of a short-term well production (a well test). It is sufficient to simulate the reservoir behaviour in the domain of the well influence, by assuming that the boundary state remains invariable (and known a priori). In this case the asymptotic solutions suggested in the presnet work can be directly used to simulate the problem (without using ECLIPSE)

L’objectif est de construire le modèle homogénéisé d’un écoulement diphasique en milieu poreux et fracturé, en mettant en évidence le phénomène de mélange dynamique (mixing) entre les phases, provoqué par l’hétérogénéité du milieu. L’attention est concentrée sur l’influence de la capillarité. L’homogénéisation à double échelle a été appliquée. Le mixing se manifeste sous forme de la dispersion hydrodynamique et de l’advection renormalisée. Le tenseur de dispersion, déterminé à travers le problème cellulaire, est une fonction non linéaire de la saturation, vitesse d’écoulement, rapport de viscosité et du nombre capillaire. Pour les milieux fracturés, une méthode streamline configurations a été avancée pour le cas diphasique. Elle permet d’obtenir la dispersion et la perméabilité effective sous forme analytique pour des réseaux de fracture périodiques, ou semi-analytique pour des réseaux aléatoires. La simulation d’un déplacement diphasique à la base du nouveau modèle a été réalisée / The objective of the thesis is to develop the homogenized model of a two-phase flow through a porous and fractured medium by highlighting the dynamic mixing between the phases, caused by the medium heterogeneity. Attention is focused on the influence of the capillarity. The two-scale homogenization is applied. The mixing is manifested in form of the hydrodynamic dispersion and renormalized advection. The dispersion tensor, determined by the cell problem, is a nonlinear function of saturation, flow velocity, viscosity ratio and capillary number. For a fractured medium the method of streamline configurations was advanced for a two- phase case. This method enables to obtain the dispersion tensor and the effective permeability in analytical form for periodic fractured networks or in semi-analytical form for random networks. The simulation of two- phase displacement based on the new model is performed

Throughout recent years, computer based programs have been applied to solve and analyse industrial problems encountered global fields such as automobile design for reduction of CO2-gas, designing wind parks aimed at increasing power output etc. One of these developed programs is Computational Fluid Dynamics (CFD) which numerically solves complex flow behaviour based on computer power. As there is an ongoing expansion of CFD usage in industry, certain issues need to be addressed as they are becoming more frequently encountered. The general demand for the simulation of larger control volumes and more advanced flow processes result in an extensive requirement of computer resources. Moreover, the implementation of commercial CFD codes in small-scaled industrial companies seems to generally be utilised as a black box based on the knowledge of fluid mechanic theory. Increased partnerships between industry and the academic world involving various CFD based design processes generally yield to a verbal communication interface, which is a crucial step in the process given the level of dependency between both sides. Based on these notions, a method for establishing time efficient CFD-models with implementation of volume forces as sink terms in the momentum equation is presented. The internal structure, or parts of the structure, in the simulation domain is removed which reduces the geometrical complexity and along with it, computational demand.  These models are the basis of assessing the benefits of utilizing a numerical based design process in industry in which the CFD code is used as a communication tool for knowledge sharing with counterparts in different fields. / As there is an ongoing expansion of CFD usage in industry, certain issues need to be addressed as they are becoming more frequently encountered. The general demand for the simulation of larger control volumes and more advanced flow processes result in an extensive requirement of computer resources. Moreover, the implementation of commercial CFD codes in small-scaled industrial companies seems to generally be utilised as a black box based on the knowledge of fluid mechanic theory. Increased partnerships between industry and the academic world involving various CFD based design processes generally yield to a verbal communication interface, which is a crucial step in the process given the level of dependency between both sides. Based on these notions, a method for establishing time efficient CFD-models with implementation of volume forces as sink terms in the momentum equation is presented. The internal structure, or parts of the structure, in the simulation domain is removed which reduces the geometrical complexity and along with it, computational demand.  These models are the basis of assessing the benefits of utilizing a numerical based design process in industry in which the CFD code is used as a communication tool for knowledge sharing with counterparts in different fields.

La thèse traite du transport de particules colloïdales en milieu poreux. L'influence des propriétés physico-chimiques et hydrodynamiques sur le dépôt et détachement de particules de latex a été étudiée en réalisant des expériences durant lesquelles des grandeurs macroscopiques (concentration dans les effluents, réduction de perméabilité) et microscopiques (variation de porosité par atténuation gamma) ont été mesurées. / This thesis deals with colloidal particle transport in porous media. The influence of physicochemical and hydrodynamic conditions on the deposition and detachment of latex particles was studied by performing a series of experiments during which macroscopic (effluent concentration, permeability reduction) and microscopic (porosity variation) properties were measured.

Lorsqu'un fluide complexe s'écoule à travers un milieu poreux, à la non-linéarité de l'écoulement s'ajoute la spécificité de la structure poreuse, qui est souvent multi-échelle. Il émerge alors un grand nombre de problématiques fondamentales liées à l'interaction entre le fluide et la structure poreuse. L'interprétation et la modélisation de la grande variété des phénomènes physiques à petite échelle ainsi que leurs répercussions à grande échelle soulèvent de nombreuses questions. Dans cette thèse, les fluides étudiés sont des solutions de polymères, et les milieux poreux sont, entre autre, des roches issues de réservoirs pétroliers. Dans le contexte des méthodes de récupération améliorée pour les gisements pétroliers, l’injection d’eau avec polymères fait en effet partie des méthodes couramment utilisées, permettant d’augmenter l’efficacité du balayage et donc la production d’huile sur différents types de réservoirs. De part la rhéologie non-Newtonienne ainsi que les phénomènes particuliers proches de la paroi que développent les molécules de polymères, les fluides modélisés dans cette thèse peuvent être qualifiés de complexes. L'objectif de cette thèse est d'étudier la rhéologie non-Newtonienne ainsi que le comportement des molécules de polymère proches de la paroi. On relie alors ces phénomènes aux propriétés effectives macroscopiques. Pour cela, on simule numériquement les écoulements à travers desimages tomographiques de milieux poreux. Ainsi, on souhaite mieux cerner la physique qui est en jeu et également proposer des pistes d'amélioration des modèles actuellement implémentés dans les simulateurs de réservoirs. Dans une première partie de ce travail de thèse, on s'intéresse à la transition du régime d'écoulement macroscopique, de Newtonien à non-Newtonien, induite parune solution de polymère. Par des simulations numériques de l'écoulement à travers un large panel de milieux poreux, on étudie la transition entre ces deux régimes. Une analyse de la mécanique de l'écoulement permet de proposer un modèle simple et d'évaluer en ordre de grandeur la vitesse moyenne de transition. Ensuite, on étudie le glissement apparent induit par un mécanisme de répulsion des chaînes de polymère à la paroi liquide/solide. On propose un modèle à l'échelle des pores de ce phénomène et, par comparaison avec des données expérimentales,on montre que ce modèle permet de retrouver avec une précision acceptable les comportements macroscopiques observés. Enfin, avec des simulations directes sur des milieux périodiques, on relie les phénoménologies micro- et macroscopiques d'écoulements non-Newtoniens. D'un point de vue fondamental, on étudie notamment la compétition entre la non-linéarité induite par la rhéologie non-Newtonienne et le désordre inhérent à la structure poreuse. Les modèles actuellement utilisés dans les simulateurs de réservoirs sont reconsidérés au vu des résultats. / When a complex fluid is flowing through a porous medium, in addition to the fluid intrinsic physics, the multi-scale properties of the porous structure play a significant role. From the interaction between these features arise a great number of complex physical phenomena. The understandingand the modelling of the variety of these phenomena involved at the small scales and their impact on the large scales is the subject of intense work. In this thesis, the fluids we consider are polymer solutions and the porous media are typical sandstones met in petroleum applications. In petroleumengineering, the injection of a polymer slug into the oil-bearing reservoir is indeed a method commonly used in enhanced oil recovery. This method allows to increase the sweep efficiency, hence to improve the oil production of the reservoir. Due to the non-Newtonian rheology induced by the polymer molecules as well as specific mechanisms occurring at the liquid/solid interface, a polymer solution may be qualified as a complex fluid. The goal of this thesis is to investigate the non-Newtonian rheology and the behaviour of the polymer molecules near the liquid/solid interface. These phenomena are related to macro-scale effective properties. To thoroughly address this goal, we perform numerical simulations of flows through porous media. The goal is to obtain a better understanding of the underlying physics and, furthermore, we wish to propose possible improvements of the models that are currently used in reservoir simulators. Primarily, we are interested in the macro-scale transition from a Newtonian to a non-Newtonian flow. This transition is induced by the non-Newtonian rheology. By simulating flows through a wide panel of porous media, we study the macro-scale transition. An analysis of the fluid mechanics involved allows us to propose a simple model for the critical average velocity at which the transition occurs. In addition, we study the apparent slip induced by a repulsive mechanism of the polymer chains from the liquid/solid interface. We propose a pore-scale model to this mechanism. By performing comparisons with experimental datasets, we show that the model allows for a good description of the observed macro-scale behaviour. Finally, with direct simulations over periodic media, we link the phenomenology at the micro- and macro-scale for the flow of non-Newtonian fluids. On a fundamental level, we study the competition that emerges between the nonlinearity induced by the rheology and the disorder inherent to the porous structure. The results are related to modelscommonly used in reservoir simulators.

Les milieux poreux sont omniprésents dans le quotidien des hommes du 21ème siècle que ce soit par hasard ou par nécessité. Certains permettent le transport d’une ou plusieurs phases fluides immiscibles, une situation à la fois courante et critique dans de nombreuses applications industrielles. Le transport d’une phase mouillante, l’imbibition, a été largement étudiée mais un certain nombre de problèmes restent ouverts. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur trois d’entre eux. La fragmentation de phase induite par la gravité dans une jonction asymétrique a été étudiée. La dynamique et un critère d’apparition ont été prédits analytiquement puis confirmés expérimentalement. Ensuite, l’évolution de l’épaisseur d’un front d’imbibition dans un réseau de capillaires a été simulée numériquement. Les résultats ont permis de lever une controverse de la littérature. Enfin, l’imbibition dans un milieu constitué de lames flexibles déformables a été explorée numériquement et expérimentalement. Il a été montré que la déformabilité des lames induit leur coalescence et agit sur la dynamique de l'imbibition. / Porous media are ubiquitous in today’s society due to chance or necessity. Some of them allow the transportation of one or several immiscible fluid phases simultaneously. This property is both usual and critical in many industrial processes. The transport of a wetting phase, imbibition, has been widely studied but lots of issues remain opened. In this manuscript, three of them are addressed. Gravity induced phase fragmentation has been studied in an asymmetric pore junction. Fragmentation criterion and dynamic are predicted analytically and confirmed experimentally. Then, the broadening of an imbibition front in a capillary network has been investigated numerically. Results resolved a controversy in the literature. Finally, imbibition in a medium made of flexible sheets has been studied both numerically and experimentally. It showed that sheets flexibility induces their clustering and influences the imbibition dynamic.