Conventional and unconventional reservoirs are both critical in oilfield developments. After waterflooding treatments over decades, the petrophysical properties of a conventional reservoir may change in many aspects. It is crucial to identify the variations of these petrophysical properties after the long-term waterflooding treatments, both at the pore and core scales. For unconventional reservoirs, the productivity and performance of hydraulic fracturing in shales are challenging because of the complicated petrophysical properties. The confining pressure imposed on a shale formation has a tremendous impact on the permeability of the rock. The correlation between confining pressure and rock permeability is complicated and might be nonlinear. In this thesis, a series of laboratory tests was conducted on core samples extracted from four U.S. shale formations to measure their petrophysical properties. In addition, a special 2D microfluidic equipment that simulates the pore structure of a sandstone formation was developed to investigate the influence of injection flow rate on the development of high-permeability flow channels. Moreover, the multiple linear regression (MLR) model was applied with the predictors based on the development stages to quantify the variations of reservoir petrophysical properties. The MLR model outcome indicated that certain variables were effectively correlated to the permeability. The 2D microfluidic model demonstrated the development of viscous fingering when the injection water flow rate was higher than a certain level, which resulted in reduced overall sweep efficiency. These comprehensive laboratory experiments demonstrate the role of confining pressure, Klinkenberg effect, and bedding plane direction on the gas flow in the nanoscale pore space in shales. / Master of Science / Conventional and unconventional hydrocarbon reservoirs are both important in oil-gas development. The waterflooding treatment is the injection of water into a petroleum reservoir to increase reservoir pressure and to displace residual oil, which is a widely used enhanced oil recovery method. However, after waterflooding treatments for several decades, it may bring many changes in the properties of a conventional reservoir. To optimize subsequent oilfield development plans, it is our duty to identify the variations of these properties after the long-term waterflooding treatments, both at the pore and core scales. In unconventional reservoirs, hydraulic fracturing has been widely used to produce hydrocarbon resources from shale or other tight rocks at an economically viable production rate. The operation of hydraulic fracturing in shales is challenging because of the complicated reservoir pressure. The external pressure imposed on a shale formation has a tremendous impact on the permeability of the rock. The correlation between pressure and rock permeability is intricate. In this thesis, a series of laboratory tests was conducted on core samples to measure their properties and the pressure. Moreover, a statistical model was applied to quantify the variations of reservoir properties. The results indicated that certain reservoir properties were effectively correlated to the permeability. These comprehensive investigations demonstrate the role of pressure, special gas flow effect, and rock bedding direction on the gas flow in the extremely small pore in shales.

Une méthodologie pour mesurer la perméabilité plane d’un milieu fibreux par un flux d’air transitoire est développée. Le procédé, basé sur la mesure de pression d’un gaz aux bornes du système, au cours d’un écoulement transitoire, est pratique, propre et rapide, et permet d'éviter l'utilisation d'un débitmètre de gaz et offre la possibilité d'étudier le transport d’un gaz à l'intérieur du milieu fibreux.Le transport du gaz dans un milieu poreux fibreux est décrit par plusieurs modèles suivant les différents régimes d'écoulement. La perméabilité, dépendant uniquement de l’architecture fibreuse, est déterminée par une méthode inverse, en ajustant les résultats de la simulation aux données expérimentales obtenues par une hausse ou une chute de la pression. Les résultats pour la perméabilité visqueuse Kv des tissus sergés des verre/carbone (Kv allant de 10-11 à 10-10 m2) mesurée à l'aide d’un gaz corrèlent bien à la perméabilité mesurée avec des techniques d'injection ou compression utilisant un liquide. L'écart avec la loi de Darcy causé par le glissement du gaz sur les tissus à faible perméabilité (tissus unidirectionnels de carbone: Kv de 10-14 à 10-12 m2) est analysé et un paramètre lié au tissu montre une dépendance avec la perméabilité, avec une tendance similaire au paramètre de Klinkenberg utilisé pour les sols et les roches.Les erreurs expérimentales dues à des dimensions, à l’effet thermique, à la variation de pression, à la manipulation des échantillons, et à du gaz emprisonné sur les bords sont analysés. Il en ressort que la sensibilité des capteurs de pression et des volumes de gaz piégés sur les bords sont les facteurs les plus importants.La mise en place d’une méthode permettant une mesure directe de la perméabilité à l’aide d’un gaz du tenseur 2D de perméabilité est proposée pour les problèmes de gaz piégés sur les bords. Les expériences simulées montrent que les mesures basées sur la pression mesurée à trois positions pourraient fournir des résultats fiables et précis pour des tissus avec des rapports d’anisotropie perméabilité (K1/K2) allant de 0,1 à 10, et avec des orientations principales quelconques. / A methodology to measure in-plane permeability of fibrous media using a transient one dimensional air flow is developed. The method, based on the measurement of gas pressure at the boundaries throughout the transient flow, is convenient, clean and fast, avoids usage of a gas flow meter and offers a way to study the gas transport within fibrous media. The gas transport through fibrous porous media is described by several models to comply with different flow regimes. The permeability, only depending on the fibrous structure, is determined by inverse method, fitting the simulation results to the experimental data obtained using rising or dropping pressure methods. The results of viscous permeability Kv of Glass/Carbon Twill Woven fabrics (viscous permeability Kv ranging from 10-11 to 10-10 m2) measured using gas match well the permeability measured with liquid compression and injection techniques from previous works. The deviation from Darcy's law caused by gas sliding effect on low permeability Carbon Uni-Directional fabrics (Kv from 10-14 to 10-12 m2) is analyzed and a related parameter of fabric material shows a dependence in permeability, with a similar trend as the Klinkenberg sliding parameter in soils and rocks.The experimental errors due to dimensions, thermal effect, pressure variation, sample handling, and trapped gas at boundaries are analyzed. It comes out that the sensitivities of pressure sensors and trapped gas volumes at the boundaries have the most important effects. A design for 2D measurement using gas to obtain 2D permeability tensor in one single test is proposed to avoid the issues of trapped gas at boundaries. Simulated experiments show that the measurements based on pressure measured at three proposed locations could provide robust and accurate results for fabrics of anisotropic permeability ratios (K1/K2) ranging from 0.1 to 10, with various principal permeability direction orientations.

A methodology to measure in-plane permeability of fibrous media using a transient one dimensional air flow is developed. The method, based on the measurement of gas pressure at the boundaries throughout the transient flow, is convenient, clean and fast, avoids usage of a gas flow meter and offers a way to study the gas transport within fibrous media. The gas transport through fibrous porous media is described by several models to comply with different flow regimes. The permeability, only depending on the fibrous structure, is determined by inverse method, fitting the simulation results to the experimental data obtained using rising or dropping pressure methods. The results of viscous permeability Kv of Glass/Carbon Twill Woven fabrics (viscous permeability Kv ranging from 10-11 to 10-10 m2) measured using gas match well the permeability measured with liquid compression and injection techniques from previous works. The deviation from Darcy's law caused by gas sliding effect on low permeability Carbon Uni-Directional fabrics (Kv from 10-14 to 10-12 m2) is analyzed and a related parameter of fabric material shows a dependence in permeability, with a similar trend as the Klinkenberg sliding parameter in soils and rocks.The experimental errors due to dimensions, thermal effect, pressure variation, sample handling, and trapped gas at boundaries are analyzed. It comes out that the sensitivities of pressure sensors and trapped gas volumes at the boundaries have the most important effects. A design for 2D measurement using gas to obtain 2D permeability tensor in one single test is proposed to avoid the issues of trapped gas at boundaries. Simulated experiments show that the measurements based on pressure measured at three proposed locations could provide robust and accurate results for fabrics of anisotropic permeability ratios (K1/K2) ranging from 0.1 to 10, with various principal permeability direction orientations.

In this work, numerical and experimental methods are used to characterise the effects of convective transport in an anode-supported tubular solid oxide fuel cell (SOFC). To that end, a computational fluid dynamics (CFD) model is developed to compare a full transport model to one that assumes convection is negligible. Between these two approaches, the variations of mass, temperature, and electrochemical performance are compared. Preliminary findings show that convection serves to reduce the penetration of hydrogen into the anode, and becomes more important as the thickness of the anode increases. The importance of the permeability of SOFC electrodes on the characterization of convection is also investigated. Experiments performed on Ni-YSZ anodes reveal that permeability is a function of the cell operating conditions, and increases with increasing Knudsen number. An empirical Klinkenberg relation is validated and proposed to more accurately represent the permeability of electrodes in a CFD model. This is a departure from an assumption of constant permeability that is often seen in the literature. It is found that a varying permeability has significant effects on pressure variation in the cell, although according to the electrochemical model developed in this work, variation in permeability is only found to have minor effects on the predicted performance. Furthermore, it is revealed that an electrochemical model which makes the simplifying assumption of constant overpotential is in error when predicting current and temperature variation. In this work, this is found to predict an unrealistic spatial variation of the current. It is suggested that this approach be abandoned for the solution of a transport equation for potential which couples the anodic and cathodic currents. This will lead to a more realistic prediction of temperature and performance. / Thesis (Master, Mechanical and Materials Engineering) -- Queen's University, 2008-11-04 13:54:35.743

Parmi la multitude des données pétrophysiques utilisées pour décrire une formationgéologique, certaines permettent spécifiquement d'en prédire la capacité de production,à savoir : la porosité, la perméabilité intrinsèque et le coefficient de Klinkenberg.Dans le cas particulier des gas shales, ces trois propriétés essentielles sont extrêmementdifficiles à mesurer précisément, compte tenu de la complexité de cesroches. Cette thèse s'inscrit dans la continuité de travaux menés au laboratoire I2M départementTREFLE, sur l'analyse et l'amélioration de la méthode Pulse Decay, quiconstitue la méthode de mesure transitoire classiquement utilisée dans l'industriepétrolière pour identifier une ou plusieurs des propriétés d'intérêt. Les multiplespoints faibles de la méthode Pulse Decay sont ici présentés, de même que les pointsforts de la nouvelle méthode issue du perfectionnement de la méthode Pulse Decay,à savoir la méthode Step Decay, développée au laboratoire I2M et brevetée en partenariatavec TOTAL. Plus précisément, les performances de la méthode Step Decaysont ici étudiée aussi bien numériquement qu'expérimentalement, en condition homogène,comme en condition hétérogène. Ce manuscrit fournit également les résultatsd'une analyse portant sur la méthode Pulse Decay sur broyat, qui forme une alternativepossible à la méthode Pulse Decay sur carotte mais dont la fiabilité est fortementremise en question. / Among the multitude of petrophysical data used to describe a geological formation,some of them allow specifically to predict the production capacity, namely: the porosity,the intrinsic permeability and the Klinkenberg coefficient. In the particular case ofgas shales, these three essential properties are extremely difficult to measure precisely,because of the complexicity of these rocks. This thesis is the continuity ofworks led in I2M laboratory-TREFLE department, on the analysis and the improvementof the Pulse Decay method, which is the classical transient method of measurementused in the oil&gas industry to identify one or several of the properties ofinterest. The numerous weaknesses of the Pulse Decay method are here presented,as the strengths of the new method derived from the improvement of the Pulse Decaymethod, namely the Step Decay method, developed in I2M laboratory and patentedin partnership with TOTAL. More exactly, the performances of the Step Decaymethod are here studied numerically as well as experimentally, in homogeneouscondition, as in heterogeneous condition. This manuscript provides also the results ofan analysis dealing with the Pulse Decay method on cuttings, which forms a possiblealternative to the Pulse Decay method on plug but which reliability is highly questioned.

Des gaz vont être générés par corrosion des conteneurs de déchets radioactifs au niveau d'un stockage en couche géologique profonde. Une bulle de gaz se crée et monte en pression. Si le gaz pénètre difficilement la formation géologique, l'augmentation de pression pourra la fissurer et créer des chemins préférentiels à la migration de radionucléides. Les argilites du Callovo-Oxfordien sont ici caractérisées. Un dispositif permettant de mesurer de très faibles perméabilités à l'hydrogène/hélium a été utilisé couplé au Dusty Gas Model. Les argilites proches de la saturation ont une porosité accessible au gaz inférieure à 1% voire 0,1% de la porosité totale. A partir de l'étude de l'effet Knudsen cette porosité pourrait être due à des pores de 50 à 200 nm de diamètre mis en évidence lors de la caractérisation des réseaux. En intégrant ces résultats dans un modèle opérationnel de l'ANDRA, la pression maximale atteinte au sein d'une alvéole de stockage serait de 83 bar.

Le mécanisme de Réduction Sélective de Perméabilité (RSP) résultant de l'adsorption de polymère ou d'un gel en milieu poreux a été largement reporté dans la littérature dans le domaine du régime de Darcy. Néanmoins, peu d'études ont été dédiées à l'impacte de l'adsorption de polymère en milieu poreux quand des écoulements diphasiques ont lieu en régime non-linéaire lesquels sont d'intérêt dans une large gamme d'applications. L'objectif de cette thèse est de présenter quelques résultats expérimentaux sur l'effet de l'adsorption d'une couche de polymère sur des écoulements gaz/eau à faible pression moyenne, i.e. quand l'effet Klinkenberg peut être considéré, aussi bien qu'à débits élevés quand les effets inertiels sont significatifs.<br /><br />L'étude expérimentale a consisté à l'injection d'eau et de diazote dans différents milieux poreux non consolidés de Carbure de Silicium (SiC) possédant des perméabilités différentes. Plus spécialement, notre objectif a été d'étudier des écoulements de gaz à différentes saturations en eau avant et après adsorption de polymère en régimes raréfié et inertiel. En bon accord avec les travaux précédents, en régime darcéen, nous observons une augmentation de la valeur de saturation irréductible en eau et une forte réduction de la perméabilité relative à l'eau, alors que celle au gaz est peu affectée. A faible pression moyenne dans la phase gazeuse, l'intensité de l'effet Klinkenberg est fortement augmentée avec la saturation en eau en l'absence de polymère, alors que, pour une même saturation, la présence d'une couche de polymère adsorbé réduit cet effet. En régime inertiel, une réduction des effets inertiels est observée quand le gaz est injecté après adsorption de polymère en tenant compte des modifications en terme de saturation en eau et de perméabilité. Des données expérimentales sont discutées en accord avec des hypothèses proposées pour expliquer ces effets.

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