Transport of fine particles. Application to injectivity in geothermal reservoirs
Transport de particules fines. Application à l'injectivité dans les réservoirs géothermaux
Résumé
When exploiting renewable resources, such as geothermal energy, the injection of fluids into underground reservoirs can drastically impact the permeability of the porous medium near the injection wells. Fine suspended particles (colloids), whether initially present in the injected fluids or detached from the porous matrix by the pressure gradient, are transported, aggregated, irreversibly or reversibly deposited,and/or lead to pore clogging. The consequence of this pore-clogging (filtration, bridging, or particle aggregation) on permeability results in a drastic decrease in injectivity in the wells, potentially leading to their abandonment. Studying clogging phenomena is crucial to control injectivity better and propose effective unclogging solutions to maintain well exploitation. Thus, this work aims to understand the evolution of the permeability of a porous medium during the injection of a suspension, to predict the injectivity drop, and tooptimize injection processes through numerical models. At the scale of exploitation sites (macroscopic), classical approaches for modeling particle transport and clogging rely on heuristic parameters and restrictive assumptions that limit their predictive capabilities. Notably, considering electrochemical effects on particle deposition, aggregation, and detachment and their feedback on flow can be improved. This thesis aims to provide a solution for modeling colloidal transport in porous media. The strategy adopted is based on a cascade modeling approach across spatio-temporal scales of the porous medium. First, we focus on microscopic scales (molecular, pore, and porenetwork scale) where particle-fluid and fluid-matrix interfaces, the sites of hydromechanical and electrochemical phenomena controlling clogging mechanisms, are well described. We have developed and validated a new numerical approach to simulate colloidal transportat the pore scale. It is based on an Euler-Lagrange method of the CFD-DEM type, where a continuous phase describes the fluid, and particle transport is represented by a discrete phase (individual tracking). In particular, our approach overcomes the classical limitations on the size of computational cells relative to the size of particles. The developed model is a foundation for studying the predominance of physicochemical variables on clogging (infiltration velocity, particle concentration, solution pH and salinity, pore and particle size,etc.). Subsequently, and in a logic of upscaling, we no longer consider particles as discrete elements but as a concentration field. Todo this, we revisit the theory of colloidal deposition around a cylinder to analytically determine macroscopic deposition kinetic laws. Finally, the numerical model simulates particle retention in porous media. It captures the three main clogging mechanisms (size exclusion,arch formation, and aggregation). It allows for determining porosity-permeability relationships and retention kinetics depending on flow regimes, solution chemistry, and suspension properties represented by appropriate dimensionless numbers. The advances brought by this work improve the understanding of clogging mechanisms and guide the development of models on larger scales.
Lors de l’exploitation de ressources renouvelables, comme pour l’énergie géothermique, l’injection de fluides dans les réservoirs souterrains peut impacter drastiquement la perméabilité du milieu poreux au voisinage des puits d’injection. Les particules fines en suspension chargées (colloïdes), qu’elles soient initialement présentes dans les fluides injectés ou qu’elles soient détachées de la matrice poreuse parle gradient de pression, vont être transportées, s’agréger, se déposer irréversiblement ou non, et/ou conduire au colmatage des pores.La conséquence de ce colmatage des pores (filtration, pontage ou agrégation de particules) sur la perméabilité conduit à une diminution drastique de l’injectivité dans les puits pouvant entraîner leur abandon. L’étude des phénomènes de colmatage est primordiale pour mieux contrôler l’injectivité et proposer des solutions de décolmatage efficaces afin de maintenir l’exploitation des puits. Ainsi l’enjeu de ce travail porte sur la connaissance de l’évolution de la perméabilité d’un milieu poreux, lors de l’injection d’une suspension en son sein, afin de prédire la chute d’injectivité et d’optimiser des processus d’injections à travers des modèles numériques. A l’échelle des sites d’exploitation (macroscopique), les approches classiques pour modéliser le transport particulaire et le colmatage reposent sur des paramètres heuristiques et des hypothèses restrictives qui limitent leurs capacités prédictives. Notamment, la prise en compte des effets électrochimiques sur le dépôt, l’agrégation et le détachement de particule ainsi que leur rétroaction sur l’écoulement est perfectible.Dans cette thèse, il est donc question d’apporter une solution quant à la modélisation du transport colloïdal dans des milieux poreux.La stratégie adoptée est basée sur une approche de modélisation en cascade d’échelles spatio-temporelles du milieu poreux. Dans un premier temps, nous nous intéressons aux échelles microscopiques (échelle moléculaire, du pore, et du réseaux de pores) où les interfaces particule-fluide et fluide-matrice, sièges des phénomènes hydromécaniques et électrochimiques contrôlant les mécanismes de colmatage,sont bien décrites. Nous avons développé et validé une nouvelle approche numérique pour simuler le transport colloïdal à l’échelle du pore. Elle s’appuie sur une méthode Euler-Lagrange du type CFD-DEM où le fluide est décrit par une phase continue et le transport des particules est représenté par une phase discrète (suivi individuel). En particulier, notre approche s’affranchit des limitations classiques sur la taille des cellules de calcul par rapport à la taille des particules. Le modèle développé nous sert de socle pour étudier la prépondérance des grandeurs physico-chimiques sur le colmatage (vitesse d’infiltration, concentration des particules, pH et salinité de la solution,taille des pores et des particules, etc...). Dans un second temps et dans une logique de remontée en échelle, nous ne considérons les particules non plus comme des éléments discrets mais comme un champ de concentration. Pour ce faire, nous revisitons la théorie de le dépôt des colloïdes autour d’un cylindre afin de déterminer analytiquement des lois macroscopiques de cinétique de dépôt. Enfin, le modèle numérique est utilisé pour simuler la rétention de particules dans le milieux poreux. Il capture les trois principaux mécanismes de colmatage (exclusion de taille, formation d’arche, et agrégation). Il permet de déterminer des relations porosité-perméabilité et la cinétique de rétention en fonction des régimes d’écoulement, de la chimie de la solution et des propriétés de la suspension représentés par des nombres a dimensionnés adéquats. Les avancées apportées par ces travaux améliorent la compréhension des mécanismes de colmatage et guident le développement de modèles à plus larges échelles
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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