Untersuchungen zum universellen Skalenverhalten von Residualgasphasen mittels micro-Computer-Tomographie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Fokus des Forschungsprojektes standen Untersuchungen zum Einfluss von Porenstruktur und physico-chemischen Oberflächeneigenschaften, wie Benetzbarkeit und Rauigkeit, auf die Mehrphasenströmung in porösen Medien mittels Röntgen-Computertomographie (= µ-CT). Die Benetzbarkeit kontrolliert die Geometrie der Verdrängungsfront – kompakt oder fraktal - und folglich auch die Dynamik des kapillaren Einfangprozesses (Capillary Trappings). Die Forschungsergebnisse sind die Grundlage für eine erfolgreiche Anwendung der unterirdische CO2-Speicherung mit hoher Speichereffizienz (= effizientes Capillary Trapping). Ziel des Forschungsprojektes war es, die porenskaligen Eigenschaften getrappter Gascluster mittels universellen Skalengesetzen, wie sie von der Perkolations-Theorie vorhergesagt wird, zu beschreiben. Von grundlegendem Interesse war die Frage, unter welchen Bedingungen, die im Projekt untersuchten porösen Medien zur gleichen Universalitätsklasse gehören, und welchen Einfluss, Porenstruktur, Mikrostruktur der Festkörperoberfläche und heterogene Benetzbarkeit auf den Trapping-Prozess haben. Dieses Projektziel wurde mit Hilfe einer Struktur- und Clusteranalyse poröser Medien (Glaskugeln, Sande, Sandstein) mit unterschiedlichem Rauigkeitsgrad mittels µ-CT erreicht. Damit konnten aber nur statische Fluid-Fluid-Muster (= Pattern) analysiert werden. Die Dynamik des Einfangprozesses (Capillary Trappings) wurde mit optischen Visualisierungsexperimenten an Mikromodellen untersucht. Der Einfluss von heterogener Benetzbarkeit wurde durch kontrollierte Änderung des Kontaktwinkels im Übergansbereich partiellbenetzend/nichtbenetzend mittels Silanisierung silikatischer OF untersucht. Das wichtigste Forschungsergebnis ist, dass Sand- und Glaskugel-Packungen eine völlig unterschiedliche und entgegengesetzte funktionelle Kontaktwinkelabhängigkeit der kapillaren Einfangeffizienz zeigen. Während Glaskugelpackungen bei kleinen Kontaktwinkel kein Trapping zeigen, ist die Trappingeffizienz bei natürlichen Sanden maximal. Da beide porösen Medien ähnliche morphologische Eigenschaften aufweisen (ähnliche Minkowski-Funktionen: Porosität, Oberflächendichte, mittlere Krümmungsdichte, Euler-Zahldichte), folgern wir, dass dieser Unterschied im Verhalten durch den Unterschied in der Oberflächenrauigkeit verursacht wird. Dies ermöglicht eine vollständige Benetzung und damit Precursor Thick-Film Flow für natürliche Sande. Folglich ist der Glättungseffekt der Verdrängungsfront (kooperative Porenfüllung), der zu diesem scharfen Übergang in Glaskugel-Packungen führt (wie er in der neueren Literatur intensiv untersucht wurde), nur in künstlichen porösen Medien (d. h. solchen mit glatter Oberfläche, hoher Porosität und kreisförmigen Körnern) relevant.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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The Impact of Wettability and Surface Roughness on Fluid Displacement and Capillary Trapping in 2‐D and 3‐D Porous Media: 1. Wettability‐Controlled Phase Transition of Trapping Efficiency in Glass Beads Packs. Water Resources Research, 56(10).
Geistlinger, Helmut & Zulfiqar, Bilal
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The Impact of Wettability and Surface Roughness on Fluid Displacement and Capillary Trapping in 2‐D and 3‐D Porous Media: 2. Combined Effect of Wettability, Surface Roughness, and Pore Space Structure on Trapping Efficiency in Sand Packs and Micromodels. Water Resources Research, 56(10).
Zulfiqar, Bilal; Vogel, Hannes; Ding, Yi; Golmohammadi, Saeed; Küchler, Matthias; Reuter, Danny & Geistlinger, Helmut
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Impact of Wettability and Gravity on Fluid Displacement and Trapping in Representative 2D Micromodels of Porous Media (2D Sand Analogs). Water Resources Research, 57(10).
Golmohammadi, Saeed; Ding, Yi; Kuechler, Matthias; Reuter, Danny; Schlueter, Steffen; Amro, Mohd & Geistlinger, Helmut
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New Structural Percolation Transition in Fractional Wet 3D‐Porous Media: A Comparative μ‐CT Study. Water Resources Research, 57(10).
Geistlinger, Helmut; Zulfiqar, Bilal; Schlueter, Steffen & Amro, Mohd
