Pore to Core Scale Simulation of the Mass Transfer with Mineral Reaction in Porous Media

Modélisation des phénomènes de transferts de masse dans les milieux poreux soumis à une réaction de surface : de l’échelle du pore à l’échelle de la carotte

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^* Corresponding author

Abstract

Pore Network Model (PNM) is used to simulate mass transfer with mineral reaction in a single phase flow through porous medium which is here a sandstone sample from the reservoir formation of the Pakoslaw gas field. The void space of the porous medium is represented by an idealized geometry of pore-bodies joined by pore-throats. Parameters defining the pore-bodies and the pore-throats distribution are determined by an optimization process aiming to match the experimental Mercury Intrusion Capillary Pressure (MICP) curve and petrophysical properties of the rock such as intrinsic permeability and formation factor. The generated network is used first to simulate the multiphase flow by solving Kirchhoff’s laws. The capillary pressure and relative permeability curves are derived. Then, reactive transport is addressed under asymptotic regime where the solute concentration undergoes an exponential evolution with time. The porosity/permeability relationship and the three phenomenological coefficients of transport, namely the solute velocity, the dispersion and the mean reaction rate are determined as functions of Peclet and Peclet-Damköhler dimensionless numbers. Finally, the role of the dimensionless numbers on the reactive flow properties is highlighted.

Résumé

Le PNM (Pore Network Model) est utilisé afin de modéliser les transferts de masse induits par des réactions minérales au cours d’un écoulement monophasique dans milieu poreux, représentant ici un échantillon de grès provenant du champ gazier de Pakoslaw (Pologne). L’espace poral est symbolisé au sein du PNM par une géométrie idéalisée comprenant des corps de pores sphériques joints par des gorges de pores cylindriques. Les paramètres définissant la distribution de ces éléments sont estimés par un procesus d’optimisation qui permet de reproduire les données expérimentales d’intrusion capillaire par mercure (MICP, Mercury Intrusion Capillary Pressure) ainsi que les propriétés pétrophysiques de la roche telles que la perméabilité et le facteur de formation. Le réseau poreux ainsi généré est utilisé dans un premier temps pour simuler les écoulements multiphasiques par résolution des lois de Kirchhoff. Les courbes de pression capillaire et de perméabilité relative sont alors déduites. Dans un second temps, le transport réactif est intégré avec l’hypothèse d’un régime asymptotique pour lequel les concentrations de solutés présentent une évolution exponentielle avec le temps. La relation porosité/permeabilité et les trois coefficients phénoménologiques de transport (vitesse du soluté, dispersion et vitesse moyenne de réaction) sont calculés en fonction des nombres adimensionnels Peclet et Peclet Damkolher. Enfin, le rôle des nombres adimensionnels sur les propriétés de l’écoulement réactif est souligné.