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Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 1998. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 309-318). Available also in a digital version from Dissertation Abstracts.

Com a atual preocupação ambiental e a necessidade de se conhecer os processos que regem o movimento da água e de solutos no solo, são necessários estudos que possibilitem aumentar a eficiência do uso de insumos no setor agrícola, que de certa forma possam mitigar o impacto das atividades deste setor sobre contaminação de águas subterrâneas. Portanto, objetivou-se com a presente pesquisa verificar os parâmetros de transporte do íon nitrato, diante de uma análise da influência dos respectivos íons acompanhantes, a partir de fontes distintas de nitrato, em seu deslocamento, com a elaboração de curvas de distribuição de efluentes (Breakthrough Curves (BTC)), em condições de amostras de solo deformadas e indeformadas. O trabalho foi realizado em condições de solo saturado e regime permanente, via aplicação de uma solução de nitrato na concentração de 50 g m-3 de NO3 -, por três diferentes fontes (Ca(NO3)2, NH4NO3 e KNO3), para dois tipos distintos de solos tropicais: Latossolo Vermelho Amarelo e Nitossolo Vermelho. O experimento foi conduzido no Laboratório de Solos e Qualidade de Água, do Departamento de Engenharia de Biossistemas da Escola Superior de Agricultura \"Luiz de Queiroz\", em Piracicaba - SP. Os parâmetros de transporte do íon nitrato na concentração de 50 g m-3 nos respectivos solos foram obtidos por um ajuste numérico utilizando-se o software STANMOD. Pelos resultados obtidos, pôde-se verificar que o deslocamento do nitrato está atrelado com as caraterísticas dos solos e que houve maiores efeitos de lixiviação para o Nitossolo Vermelho. Em termos da influência dos cátions acompanhantes do nitrato, em suas diferentes fontes distintas, pode-se dizer que não foram observados seus efeitos na mobilidade do nitrato no perfil do solo. / With the current environmental concerns and the need to understand the processes that govern the movement of water and solutes in soil, studies are needed to allow increasing the efficiency of input use in agriculture that somehow can mitigate the impact of activities of this sector on groundwater contamination. Therefore, the objective of this work was to verify the transport parameters of the nitrate, by analyzing the influence of the accompanying cation on nitrate displacement, through the development of distributions curves of effluents (Breakthrough Curves (BTC)), under conditions of disturbed and undisturbed samples in saturated soil and steady state conditions, via application of nitrate solution at a concentration of 50 g m-3 NO3 -, by three different sources (Ca(NO3)2, NH4NO3 and KNO3) and for two types of tropical soils: Yellow Oxisol and Anfisol. The experiment was conducted in the Laboratory of Soil and Water Quality, Department of Biosystems Engineering from Escola Superior de Agricultura \"Luiz de Queiroz\", Piracicaba - SP. The transport parameters of the nitrate at a concentration of 50 g m-3 in their respective soils were obtained by a numerical fit using the software STANMOD. From the results, it could be seen that the nitrate displacement is linked with the soil characteristics and the leaching was higher in Anfisol. In terms of the influence of accompanying cations of nitrate, in its various different sources, it can be said that their effects were not observed in nitrate mobility in the soil profile.

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Thèse ou mémoire avec insertion d’articles / Les puits de pétrole et de gaz ont leur propre cycle de vie: le forage, la production, et finalement le bouchage et l'abandon (P&A) des puits. Les opérations de P&A impliquent généralement la mise en place d'un bouchon de ciment dans des sections spécifiques du puits de forage, afin de fournir des isolations zonales et de prévenir toute fuite. L'une des techniques courantes de mise en place d'un bouchon de ciment est la méthode du dump bailing, dans laquelle un coulis de ciment est injecté via un conteneur excentrique dans le puits de forage rempli d'un fluide in situ. Le processus est affecté par divers paramètres d'écoulement, tels que la différence de densité (flottabilité), le taux d'injection, les considérations géométriques, l'angle d'inclinaison, le rapport de viscosité et la contrainte d'écoulement. Motivée par cette application industrielle, cette thèse de doctorat étudie l'écoulement par injection miscible flottante d'un fluide lourd (dense) dans une conduite inclinée à extrémité fermée remplie d'un fluide léger (moins dense). Pour ce faire, des expériences accompagnées de méthodes semi-analytiques et informatiques complémentaires sont utilisées pour analyser les effets des paramètres susmentionnés sur la dynamique de l'écoulement. Pour généraliser nos résultats, nous les présentons en utilisant les nombres adimensionnels pertinents de l'écoulement, y compris le nombre de Reynolds (Re) qui représente les contraintes inertielles par rapport aux contraintes visqueuses, le nombre de Froude (Fr) qui montre le rapport des forces d'inertie aux forces de flottabilité, le nombre d'Archimède (Ar) et le nombre de flottabilité (χ) qui sont tous deux le rapport des contraintes de flottabilité aux contraintes visqueuses, le nombre de Bingham (B) qui représente la limite d'élasticité par rapport aux contraintes visqueuses, le rapport de viscosité (M), l'angle d'inclinaison (β), le rapport de rayon (Rc) qui est le rapport du rayon intérieur du tube intérieur au rayon intérieur du tube extérieur, le rapport d'aspect (δ) qui représente le rapport de la hauteur de dégagement au rayon intérieur du tube extérieur, et l'excentricité (E). Pour les flux d'injection miscibles flottants iso-visqueux, on observe quatre étapes distinctes au cours du développement du flux: le jet initial, la région de mélange, la région d'affaissement et le front de fluide lourd atteignant l'extrémité de la conduite et retournant vers la région de mélange. Les caractéristiques de l'écoulement sont quantifiées pour chaque phase d'écoulement, sur la base de Re, Ar, Fr et β. Cette étude est ensuite étendue aux effets des rapports de viscosité faibles à modérés (0.04 ≤ M ≤1), à divers rapports d'aspect (δ) et à la dynamique de l'écoulement dans la région annulaire entre la conduite d'injection (intérieure) et la conduite extérieure. On constate que le placement de fluide le plus efficace se produit lorsque δ est petit. En outre, la diminution de M améliore l'élimination du fluide in situ, en augmentant la vitesse du front du fluide lourd dans la section circulaire du domaine d'écoulement. Les résultats des flux d'injection de contrastes de viscosité élevés (0.0025 ≤ M ≤ 0.10) montrent qu'une séparation du front du fluide lourd se produit lorsque M est petit, Re est grand, et β ≫ 30, ce qui conduit à classer les flux en régimes de séparation et de non-séparation, dans un plan de groupe adimensionnel basé sur une combinaison de Ar, β, Re, et M. Pour l'injection miscible flottante d'un fluide à forte limite d'élasticité dans un fluide newtonien léger, des expériences complémentaires et une modélisation semi-analytique ont permis d'identifier trois régimes d'écoulement distincts, à savoir les régimes de rupture, d'enroulement et de flambage (bulging). Dans cette étude, un modèle d'approximation de la lubrification est développé en utilisant l'équation constitutive de Herschel-Bulkley. Sur la base d'une prédiction raisonnable du début de la cédulation, les régimes d'écoulement sont classés par rapport à une combinaison élégante des paramètres d'écoulement sans dimension, y compris B, χ, M, et δ. Un bon accord est obtenu entre la carte des régimes d'écoulement fournie par le modèle et les expériences. Le modèle permet d'étudier les variations de la limite de transition du régime en fonction du rapport des rayons (Rc) et de l'excentricité (E). Les trois principaux régimes d'écoulement observés sont étudiés plus en détail à l'aide de techniques d'imagerie par caméra à grande vitesse, de fluorescence induite par laser et de vélocimétrie Doppler à ultrasons. En conséquence, les caractéristiques détaillées de l'écoulement et les sous-régimes à plus long terme sont analysés. En particulier, le régime de rupture est étudié en termes de processus de cédulation, d'encolure et de pincement, de longueur des filaments et de leurs comportements de chute ultérieurs. Le régime d'enroulement est évalué en termes de comportements d'enroulement régulier, libre et irrégulier. Enfin, le régime de flambage (bulging) est analysé en termes d'apparition d'une partie tombante détachée et de profondeur de pénétration maximale. / Oil and gas wells have their own life cycle: drilling, production, and eventually plug and abandonment (P&A) of the wells. P&A operations usually involve the placement of a cement plug in specified sections of the wellbore, to provide zonal isolations and prevent any leakages. One of the common cement plug placement techniques is the dump bailing method, in which cement slurry is injected via an eccentric container into the wellbore filled with an in-situ fluid. The process is affected by various flow parameters, such as the density difference (buoyancy), the injection rate, the geometrical considerations, the inclination angle, the viscosity ratio, and the yield stress. Motivated by this industrial application, in this Ph.D. thesis, buoyant miscible injection flow of a heavy (dense) fluid into an inclined closed-end pipe filled with a light (less dense) fluid is studied. To do so, experiments accompanied by complementary semi-analytical and computational methods are used to analyze the effects of the aforementioned parameters on the flow dynamics. To generalize our results, we present them using the relevant dimensionless numbers of the flow, including the Reynolds number (Re) which represents the inertial stresses to the viscous stresses, the Froude number (Fr) which shows the ratio of the inertial forces to the buoyant forces, the Archimedes number (Ar) and the buoyancy number (χ) which both are the ratio of the buoyant stresses to the viscous stresses, the Bingham number (B) which represents the yield stress to viscous stresses, the viscosity ratio (M), the inclination angle (β), the radius ratio (R[subscript c]) which is the ratio of the inner radius of the inner pipe to the inner radius of the outer pipe, the aspect ratio (δ) which represents the ratio of the releasing height to the inner radius of the outer pipe, and the eccentricity (E). For iso-viscous buoyant miscible injection flows, four distinct flow stages during the flow development are observed: the initial jet, the mixing region, the slumping region, and the heavy fluid front reaching the pipe end and returning toward the mixing region. The flow features are quantified for each flow stage, based on Re, Ar, Fr and β. Then, this study is extended by considering the effects of low-to-moderate viscosity ratios (0.04 ≤ M ≤1), various aspect ratios (δ), and taking into account the flow dynamics in the annular region between the injection (inner) pipe and the outer pipe. It is found that the most efficient fluid placement occurs when δ is small. Also, decreasing M enhances the removal of the in-situ fluid, via increasing the heavy fluid front velocity in the circular section of the flow domain. The results of high viscosity contrasts (0.0025 ≤ M ≤ 0.10) injection flows show that a heavy fuid front separation occurs when M is small, Re is large, and β ≫ 30, leading to classify the flows into separation and non-separation regimes, in a dimensionless group plane based on a combination of Ar, β, Re, and M. For the buoyant miscible injection of a heavy yield stress fluid into a light Newtonian fluid, using complementary experiments and semi-analytical modelling, three distinct flow regimes, namely, the breakup, coiling, and buckling (bulging) regimes are identified. In this study, a lubrication approximation model is developed using the Herschel-Bulkley constitutive equation. Based on a reasonable prediction to the yielding onset, the flow regimes are classified versus an elegant combination of the dimensionless flow parameters, including B, χ, M, and δ. A good agreement is achieved between the flow regime map provided by the model and experiments. Using the model, the regime transition boundary variations versus the radius ratio (R[subscript c]) and the eccentricity (E) are investigated. The three main observed flow regimes are further investigated based on high-speed camera imaging, laser-induced fluorescence, and ultrasound Doppler velocimetry techniques. Accordingly, detailed flow features and sub-regimes at longer times are analyzed. In particular, the breakup regime is studied in terms of the yielding, necking and pinch-off process, the length of filaments, and their subsequent falling behaviours. The coiling regime is evaluated in terms of the regular, free and irregular coiling behaviours. Finally, the buckling (bulging) regime is analyzed in terms of the appearance of a detached falling part and the maximum penetration depth.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Les puits de pétrole et de gaz sont scellés par le processus de cimentation primaire pendant les opérations de forage. L'étanchéité du puits est obtenue en plaçant du ciment dans la zone cible, qui est un espace étroit créé entre le trou de forage foré et l'extérieur d'un tubage en acier (ou d'un revêtement) qui est abaissé à l'intérieur du puits. Le ciment doit déplacer et éliminer le fluide en place d'abord dans le tubage, puis dans la section annulaire du puits avec un minimum de mélange. L'intégrité des bouchons de ciment placés est cruciale pendant toute la durée du forage du puits, ainsi que pendant la production du puits. Dans un tel écoulement par déplacement, plusieurs paramètres d'écoulement et propriétés du fluide contrôlent l'inter-pénétration des fluides, parmi lesquels les propriétés non newtoniennes (limite d'écoulement avec caractéristiques d'amincissement par cisaillement) des fluides impliqués sont considérées comme critiques. Presque toutes les études similaires antérieures dans la littérature envisagent l'injection d'un fluide newtonien dans un fluide non newtonien. Cependant, lors du processus de cimentation du puits, le fluide déplacé peut également posséder des propriétés non newtoniennes. Par conséquent, dans cette étude, l'imposition d'un fluide viscoplastique lourd dans un fluide newtonien léger est étudiée expérimentalement dans un tuyau vertical à grand allongement. Les densités des fluides sont légèrement différentes et ils sont miscibles. Le flux de déplacement est descendant. Les effets de la limite d'élasticité et du débit imposé sur la dynamique de l'écoulement, le mélange des fluides et la qualité de l'écoulement de déplacement sont analysés. Les résultats sont généralement utiles pour améliorer la qualité du processus de cimentation des puits primaires dans l'industrie pétrolière et gazière. / The oil and gas wells are sealed by the primary cementing process during drilling operations.The well sealing is achieved by placing cement into the target area, which is a narrow gapcreated between the drilled borehole and the outside of a steel casing (or liner) that is lowered down inside the well. The cement should displace and remove the in-place fluid initially in the casing and then in the annulus section of the well with minimum possible mixing. The integrity of placed cement plugs is crucial over the entire drilling time of the well, as wellas during the production of the well. In such a displacement flow, several flow parameters and fluid properties control the interpenetration of the fluids, among which non-Newtonianproperties (yield stress with shear thinning features) of the involved fluids are considered critical. Almost all previous similar studies in the literature consider injecting a Newtonianfluid into a non-Newtonian one. However, in the well cementing process, the displaced fluidcan also possess non-Newtonian properties. Therefore, In this study, the imposing of a heavy viscoplastic fluid into a light Newtonian fluid is investigated experimentally in a vertical pipewith a large aspect ratio. The densities of fluids are slightly different, and they are miscible.The displacement flow is downward. The effects of yield stress and the imposed flow rate onthe flow dynamics, the fluids mixing, and the quality of the displacement flow are analyzed.The results are generally helpful to improve the quality of the primary well cementing processin the oil and gas industry.

L’objet de cette thèse est de développer des méthodologies permettant d’identifier la distribution spatiale des valeurs de perméabilité dans des échantillons de roches. Nous avons tout d’abord développé en laboratoire des expériences d’injection de fluide miscible très visqueux dans des échantillons initialement saturés par une saumure peu visqueuse. Pendant l’injection, l’évolution au cours du temps de la pression différentielle entre les deux faces de l’échantillon a été enregistrée par des capteurs de pression. En outre, des mesures scanner ont fourni une carte 3D de la porosité ainsi que des cartes 3D décrivant la distribution spatiale des concentrations dans l’échantillon à différents temps. Nous avons mis en place une méthode d’interprétation donnant directement le profil 1D de la perméabilité le long de la direction d’écoulement à partir de la pression différentielle mesurée au cours du temps. Cette méthode a été validée numériquement et expérimentalement. Puis, afin d’affiner la description de l’agencement des valeurs de perméabilité dans l’échantillon, c’est à dire d’obtenir un modèle 3D de perméabilité représentatif de l’échantillon, nous avons développé une méthodologie itérative de calage des pressions et des concentrations. Cette méthode passe par deux étapes : une optimisation simple pour capturer l’hétérogénéité dans la direction de l’écoulement et une optimisation complexe pour capturer l’hétérogénéité transverse. Cette méthode a été validée à partir de tests numériques. La méthode a été appliquée à deux des expériences d’injection de fluide visqueux. Nous avons pu alors déterminer des modèles de perméabilité capables de reproduire assez bien les données de pression et de concentration acquises pendant l’injection / The objective of this study is to develop new methodologies to identify the spatial distribution of permeability values inside the heterogeneous core samples. We developed laboratory viscous miscible displacements by injecting high viscosity glycerin into the core samples initially saturated by low viscosity brine. The pressure drop across the samples was measured as a function of time until breakthrough. Meanwhile, CT scan measurements provided a 3D porosity map plus several 3D maps of concentration distribution inside the core samples at different times. A simple permeability mapping technique was developed deducing a one-dimensional permeability profile along the flow direction from the measured pressure drop data. The method was validated with both numerical and laboratory experiments. To go beyond one-dimensional characterization of permeability into cores, we developed an iterative process for matching pressure and concentration data. This method consisted of two steps: a simple optimization for capturing the permeability heterogeneity along the flow direction axis and a complex optimization for capturing transversal permeability heterogeneities. The methodology was validated by numerical data. It was also applied to the data collected from two laboratory viscous miscible displacements. We showed that the final 3D permeability models reproduce well the measured pressure drop and concentration data

Master of Science / Department of Chemical Engineering / Mary Rezac / Polymeric membranes have been playing important roles in gas or liquid separations. Polyimide polymers are of interest due to their commercially availability along with good transport, thermal and mechanical properties. In this study, two common commercial polyimide polymers, Matrimid and P84 were blended, to combine the good transport property of Matrimid with the plasticization resistance of P84. Matrimid/P84 blend solutions ranging from 0-100 wt. % Matrimid were prepared to make blend films. Physical properties (density, d-spacing, thickness), transport properties (permeability of H2, N2, CH4, Ar, He, CO2, and gas pairs selectivity), thermal property (mass loss curves of TGA), and liquid solutes (water, methanol, toluene, butanol, 1-propanol, 2-propanol) desorption behavior were measured or characterized. Rules of changing behavior of the properties with mass fraction of Matrimid were investigated, summarized, and interpreted mathematically. As Matrimid mass fraction increases, there are more mobility and space between polymer chains, therefore there are smaller density, larger d-spacing, larger fractional free volume (FFV) and larger permeability. The selectivity-permeability relationship follows the trade-off line. Thermal mass loss curve of the blend films in air have presented intermediate characteristic with rising fraction of Matrimid compared to individual polymers. A partial-miscible behavior has been found from the correlation between permeability and FFV. The desorption behavior was found to be reasonably described by the case III model, where the diffusion rate is similar with relaxation rate of polymers.

Dans ce document sont présentées des expériences sur les instabilités de cisaillement dans l'écoulement concentrique à co-courant de deux fluides miscibles. Les deux fluides sont de même masse volumique mais le fluide à la paroi a une viscosité supérieure à celle du fluide de coeur. Deux paramètres de contrôle sont utilisés, le nombre de Reynolds et le rayon du fluide de coeur. Nous avons toujours obtenu un écoulement instable et deux motifs d'instabilités ont été observés : perles et champignons. Nous avons établi le diagramme d'existence de ces motifs dans le plan des paramètres de contrôle. Pour les motifs de la forme de champignons et pour certaines valeurs de paramètres de contrôle, les instabilités apparaissent très près de l'injection et montre une largeur de spectre fine. Ce comportement pourrait être la signature d'une transition entre des instabilités convectives et des instabilités absolues. Nous avons essayé de caractériser l'état absolu ou convectif du système par des mesures expérimentales, notamment par des expériences de forçage de la fréquence. Nous avons comparé nos résultats à des simulations numériques qui s'accordent en partie à nos résultats expérimentaux, et à une analyse de stabilité linéaire aux grandes longueurs d'onde.

This thesis is concerned with the modelling of miscible fluid flow through porous media, with the intended application being the displacement of oil from a reservoir by a solvent with which the oil is miscible. The primary difficulty that we encounter with such modelling is the existence of a fingering instability that arises from the viscosity and the density differences between the oil and solvent. We take as our basic model the Peaceman model, which we derive from first principles as the combination of Darcy’s law with the mass transport of solvent by advection and hydrodynamic dispersion. In the oil industry, advection is usually dominant, so that the Péclet number, Pe, is large. We begin by neglecting the effect of density differences between the two fluids and concentrate only on the viscous fingering instability. A stability analysis and numerical simulations are used to show that the wavelength of the instability is proportional to Pe^−1/2, and hence that a large number of fingers will be formed. We next apply homogenisation theory to investigate the evolution of the average concentration of solvent when the mean flow is one-dimensional, and discuss the rationale behind the Koval model. We then attempt to explain why the mixing zone in which fingering is present grows at the observed rate, which is different from that predicted by a naive version of the Koval model. We associate the shocks that appear in our homogenised model with the tips and roots of the fingers, the tip-regions being modelled by Saffman-Taylor finger solutions. We then extend our model to consider flow through porous media that are heterogeneous at the macroscopic scale, and where the mean flow is not one dimensional. We compare our model with that of Todd & Longstaff and also models for immiscible flow through porous media. Finally, we extend our work to consider miscible displacements in which both density and viscosity differences between the two fluids are relevant.