Comparação entre experimentos de drenagem em micromodelos de matrizes porosas e simulações numéricas via método de Lattice-Boltzmann

Abstract

Na área de recuperação de óleos-crus (petróleo), utiliza-se micromodelos a fim de compreender o transporte multifásico em meios porosos (Lenormand et al., 1988), uma vez que permitem analisar de forma simplificada os fenômenos existentes em ro- chas reais. Na última década, avanços nas etapas de fabricação têm permitido obter modelos mais precisos, com poros na ordem de micrômetros, com o termo Rock-on-a- Chip se tornando comum para designá-los. Concomitantemente, trabalha-se também com ferramentas de simulação computacional para análise de escoamentos multifá- sicos, as quais apresentaram avanço significativo na última década (McClure et al., 2021), devido ao crescimento do poder computacional fornecido pelas unidades de processamento gráfico (GPUs). Dessa forma, integrar ambas as abordagens permite obter benefício mútuo: os experimentos viabilizam validar as simulações, e estas oti- mizam a etapa de projeto dos micromodelos. Contudo, a quantidade de trabalhos disponíveis na literatura cujo objetivo é o de comparar experimentos e simulações em micromodelos é ainda bastante reduzida. Dessa forma, o que se objetiva com o pre- sente trabalho é avaliar potencialidades e limitações das ferramentas atualmente em uso no setor de pesquisa em meios porosos. Propõe-se, portanto, analisar três geo- metrias distintas, cada uma com uma particularidade, com vistas a identificar a confor- midade do modelo computacional com a física do problema, e avaliar sua capacidade de reproduzir os resultados experimentais, de forma que se concluiu a necessidade de modelos com diferenças no tamanho de garganta de ordem superior à resolução simulada. Também, busca-se responder ao questionamento de se o processo de fa- bricação utilizado é capaz de gerar geometrias com a qualidade necessária para que o modelo físico seja semelhante ao computacional, do que se conclui que a manufatura atendeu satisfatoriamente às expectativas. Por fim, faz-se a análise de outros regimes de escoamento, cuja análise experimental mostrou-se inviável devido a aspectos de obtenção de imagens, com fins de observar o comportamento das simulações frente ao Diagrama de Lenormand (Lenormand et al., 1988), trabalho fundamental na litera- tura da área. Os resultados obtidos foram coerentes com a previsão estabelecida na literatura, validando o software utilizado.

In the field of enhanced oil recovery, micromodels are widely used to investigate multi- phase transport in porous media (Lenormand et al., 1988), as they enable a simplified analysis of phenomena occurring in real reservoir rocks. Over the last decade, ad- vances in manufacturing techniques have made it possible to produce increasingly ac- curate models with pore sizes on the order of micrometers, leading to the widespread adoption of the term Rock-on-a-Chip to describe such devices. Concurrently, compu- tational tools for multiphase flow simulation have experienced significant development (McClure et al., 2021), largely driven by the increasing computational power provided by graphics processing units (GPUs). The integration of experimental and computa- tional approaches offers mutual benefits: experiments enable the validation of numer- ical models, while simulations assist in the design and optimization of micromodels. Despite these advances, the number of studies dedicated to the comparison of experi- mental and numerical results in micromodels remains limited. Therefore, the objective of the present work is to evaluate the capabilities and limitations of the tools currently employed in porous media research. To this end, three distinct geometries, each ex- hibiting a particular characteristic, are analyzed to assess the consistency of the com- putational model with the underlying physics and its ability to reproduce experimental observations. The results indicate that pore-throat size differences larger than the simulated resolution are required for an adequate representation of the physical sys- tem. Furthermore, the study investigates whether the adopted manufacturing process is capable of producing geometries of sufficient quality to ensure similarity between the physical and computational models. The results show that the fabrication method satisfactorily met these requirements. Finally, additional flow regimes are analyzed whose experimental investigation proved impractical due to imaging limitations. These simulations were performed to evaluate their behavior with respect to the Lenormand Diagram (Lenormand et al., 1988), a seminal work in the porous media literature. The obtained results were consistent with the patterns predicted in the literature, providing further validation of the simulation software.