Pore-scale modeling of pore-clogging by aggregation of particles

Modélisation à l’échelle des pores du colmatage par agrégation de particules

Laurez Maya Fogouang (1, 2) , Cyprien Soulaine (2) , Philippe Leroy (1) , Laurent André (1, 2)

1 BRGM - Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM)
2 ISTO - Institut des Sciences de la Terre d'Orléans - UMR7327

The injection of cold water into the subsurface to recharge the aquifer during the exploitation of geothermal resources mobilizes fine particles (colloids) which can detach, precipitate, or even deposit irreversibly clogging the porous formation at the vicinity of the well. These processes very often lead to a reduction in the operating time of the wells and additional operating costs are required in order to separate and remobilize the aggregates thus formed. At the reservoir-scale, these processes are described using CFT (Colloidal Filtration Theory) and the Kozeny-Carman relationship. Such models, however, rely on heuristic parameters which have to be tune to fit with experimental datas, which limit their predictive capabilities. In this work, we developed a numerical code for the transport of colloidal particles at the pore scale. The code relies on a four-way unresolved-resolved CFD-DEM (Computational Fluid Dynamics - Discrete Element Method) coupling that includes hydro-mechanical interactions (e.g. collision, drag, lift, gravity) and electro- chemical interactions (e.g. Van der Waals attraction and electrostatic double layer repulsion commonly known as DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) forces) between the particles, the fluid and the porous formation. The code, implemented within the open-source platform OpenFOAM, has been verified on cases for which reference solutions exist. We use the numerical model to investigate the deposition/remobilisation kinetics and the permeability/porosity relationship at the pore-scale under various flow, particle size and concentration, pH and salinity conditions. These new insights into the transport and deposition of colloidal particles in porous media will guide the development of reservoir-scale models rooted in the elementary physical principles.

L'injection d'eau froide dans le sous-sol pour recharger l'aquifère lors de l'exploitation des ressources géothermiques mobilise des particules fines (colloïdes) qui peuvent se détacher, se précipiter, voire se déposer de manière irréversible colmatant ainsi la formation poreuse au voisinage du puits. Ces procédés conduisent très souvent à une réduction du temps d'exploitation des puits et des coûts d'exploitation supplémentaires sont nécessaires pour séparer et remobiliser les agrégats ainsi formés. A l'échelle du réservoir, ces processus sont décrits à l'aide de la CFT (Colloidal Filtration Theory) et de la relation de Kozeny-Carman. De tels modèles reposent cependant sur des paramètres heuristiques qui doivent être ajustés pour s'adapter aux données expérimentales, ce qui limite leurs capacités prédictives. Dans ce travail, nous avons développé un code numérique pour le transport de particules colloïdales à l'échelle des pores. Le code repose sur un couplage CFD-DEM (Computational Fluid Dynamics - Discrete Element Method) four-way non résolues et résolues qui inclut des interactions hydromécaniques (par exemple collision, traînée, portance, gravité) et des interactions électrochimiques (telles que l'attraction de Van der Waals et de répulsion électrostatique double couche communément appelées forces DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) entre les particules, le fluide et la formation poreuse. Le code, implémenté au sein de la plateforme open-source OpenFOAM, a été vérifié sur des cas pour lesquels des solutions de référence existent. Nous utilisons le modèle numérique pour étudier la cinétique de dépôt/remobilisation et la relation perméabilité/porosité à l'échelle des pores dans diverses conditions de débit, de taille et de concentration des particules, de pH et de salinité. Ces nouvelles connaissances sur le transport et le dépôt de particules colloïdales dans les milieux poreux guideront le développement de modèles à l'échelle du réservoir ancrés dans les principes physiques élémentaires.

Domaines: Sciences de l'environnement

Laurez Maya Fogouang, Cyprien Soulaine, Philippe Leroy, Laurent André. Pore-scale modeling of pore-clogging by aggregation of particles. 15th Annual International Conference on porous Media : Interpore 2023, May 2023, Edimbourg, United Kingdom. ⟨hal-04034624⟩