Нелинейные режимы конвекции бинарной смеси в двухслойной пористой среде различной конфигурации
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.2.11Ключевые слова:
конвекция, диффузия, термодиффузия, бинарная смесь, углеводородная смесь, пористая среда, двухслойная средаАннотация
Представлены результаты численного исследования возникновения конвекции и ее нелинейных режимов в бинарной смеси жидких углеводородов, заключенной в двухслойной пористой среде. Состав смеси, тепловые условия и геометрия позволяют интерпретировать задачу как простую модель литологически ограниченной залежи месторождения углеводородов. Расчетная область представляет собой вытянутый в горизонтальном направлении прямоугольник, разделенный на два слоя. В одном из рассмотренных случаев эти слои равной высоты, а в другом – разной, так как граница раздела слоев имеет форму дуги окружности, обращенной выпуклостью вниз, что имитирует синклинальную геологическую складку. Слои обладают равной пористостью, но разной проницаемостью. В области существует геотермальный градиент со средним значением температуры, характерным для глубины 2000 м, что соответствует средней глубине залегания нефти. Задача решается в рамках модели Дарси–Буссинеска с учетом эффекта термодиффузии. Прослежены процессы образования и установления нелинейных режимов конвекции, распределение концентрации компонентов смеси для различных значений проницаемости слоев и их зависимость от того, какой из этих слоев лучше проницаем. Найдено, что в слоях с близкими значениями устанавливается стационарный режим течения при любой из конфигураций границы раздела, а также формируется «крупномасштабная» конвекция. При значительной разности проницаемостей возникающая конвекция «локальна», могут наблюдаться либо квазипериодические колебания сложной формы, либо нерегулярные колебания. При этом проникновение течения в слой с меньшей проницаемостью незначительно.
Скачивания
Библиографические ссылки
Szulczewski M., Hesse M., Juanes R. Carbon dioxide dissolution in structural and stratigraphic traps // J. Fluid Mech. 2013. Vol. 736. P. 287-315. https://doi.org/10.1017/jfm.2013.511
Simmons C., Bauer-Gottwein P., Graf T., Kinzelbach W., Kooi H., Li L., Werner A. Variable density groundwater flow: From modelling to applications // Groundwater modelling in arid and semi-arid areas / Ed. H. Wheater, S. Mathias, X. Li. Cambridge University Press, 2010. P. 87-118. https://doi.org/10.1017/CBO9780511760280.008
Baghooee H., Montel F., Galliero G., Yan W., Shapiro A. A new approach to thermal segregation in petroleum reservoirs: Algorithm and case studies // J. Petrol. Sci. Eng. 2021. Vol. 201. 108367. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2021.108367
Parameswari K., Mudgal B.V. Assessment of contaminant migration in an unconfined aquifer around an open dumping yard: Perungudi a case study // Environ. Earth Sci. 2015. Vol. 74. P. 6111-6122. https://doi.org/10.1007/s12665-015-4634-x
Kozeny J. Uber Kapillare Leitung des Wassers im Boden: Sitzungsber. Sitz. Akad. Wiss. Wien. 1927. Vol. 136. P. 271-306.
Carman P.C. Fluid fow through granular beds // AIChE. 1937. Vol. 15. P. 150-166.
Nield D.A., Bejan A. Convection in porous media. Springer, 2013. 778 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-5541-7
Klimenko L.S., Maryshev B.S. Numerical simulation of microchannel blockage by the random walk method // Chem. Eng. J. 2020. Vol. 381. 122644. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122644
Maryshev B.S., Klimenko L.S. Porous media cleaning by pulsating filtration flow // Microgravity Sci. Technol. 2022. Vol. 34. 5. https://doi.org/10.1007/s12217-021-09922-3
Nield D.A., Kuznetsov A.V. The onset of convection in an anisotropic heterogeneous porous medium: A new hydrodynamic boundary condition // Transp. Porous Med. 2019. Vol. 127. P. 549-558. https://doi.org/10.1007/s11242-018-1210-3
Kolchanova E.A., Kolchanov N.V. Onset of solutal convection in layered sorbing porous media with clogging // Int. J. Heat Mass Trans. 2022. Vol. 183. 122110. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.122110
Hewitt D.R., Neufeld J.A., Lister J.R. High Rayleigh number convection in a porous medium containing a thin low-permeability layer // J. Fluid Mech. 2014. Vol. 756. P. 844-869. https://doi.org/10.1017/jfm.2014.478
Zech A., Zehner B., Kolditz O., Attinger S. Impact of heterogeneous permeability distribution on the groundwater flow systems of a small sedimentary basin // J. Hydrol. 2016. Vol. 532. P. 90-101. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.11.030
Salibindla A.K.R., Subedi R., Shen V.C., Masuk A.U.M., Ni R. Dissolution-driven convection in a heterogeneous porous medium // J. Fluid Mech. 2018. Vol. 857. P. 61-79. https://doi.org/10.1017/jfm.2018.732
Soboleva E. Density-driven convection in an inhomogeneous geothermal reservoir // Int. J. Heat Mass Tran. 2018. Vol. 127. P. 784-798. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.08.019
Zubova N.A., Lyubimova T.P. Convection of ternary mixture in anisotropic porous medium // AIP Conf. Proc. 2021. Vol. 2371. 050013. https://doi.org/10.1063/5.0059568
Зубова Н.А., Любимова Т.П. Нелинейные режимы конвекции трехкомпонентной смеси в двухслойной пористой среде // Вычисл. мех. сплош. сред. 2021. Т. 14, № 1. С. 110-121. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.1.10
De Paoli M., Zonta F., Soldati A. Dissolution in anisotropic porous media: Modelling convection regimes from onset to shutdown // Phys. Fluid. 2017. Vol. 29. 026601. https://doi.org/10.1063/1.4975393
Li Q., Cai W.H., Li B.X., Chen C.-Y. Numerical study of density-driven convection in laminated heterogeneous porous media // Journal of Mechanics. 2020. Vol. 36. P. 665-673. https://doi.org/10.1017/jmech.2020.32
Barbier E. Geothermal energy technology and current status: An overview // Renew. Sustain. Energ. Rev. 2002. Vol. 6. P. 3-65. https://doi.org/10.1016/S1364-0321(02)00002-3
Kocberber S., Collins R.E. Impact of reservoir heterogeneity on initial distributions of hydrocarbons // Proc. of the SPE Annual Technical Conference and Exhibition. New Orleans, Louisiana, USA, September 23-26, 1990. P. 175-201. https://doi.org/10.2118/20547-MS
Schmitt R.W. Double diffusion in oceanography // Annu. Rev. Fluid Mech. 1994. Vol. 26. P. 255-285. https://doi.org/10.1146/ANNUREV.FL.26.010194.001351
Pedersen K.S., Hjermstad H.P. Modeling of compositional variation with depth for five north sea reservoirs // Proc. of the SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Houston, Texas, USA, September 28-30, 2015. SPE-175085-MS. https://doi.org/10.2118/175085-MS
Collell J., Galliero G., Vermorel R., Ungerer P., Yiannourakou M., Montel F., Pujol M. Transport of multicomponent hydrocarbon mixtures in shales organic matter by molecular simulations // J. Phys. Chem. C. 2015. Vol. 119. P. 22587-22595. http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b07242
Mialdun A., Minetti C., Gaponenko Yu., Shevtsova V., Dubois F. Analysis of the thermal performance of SODI instrument for DCMIX configuration // Microgravity Sci. Technol. 2013. Vol. 25. P. 83-94. http://dx.doi.org/ 10.1007/s12217-012-9337-2
Алхасов А.Б. Возобновляемая энергетика. М.: Физматлит, 2012. 256 с.
Forster S., Bobertz B., Bohling B. Permeability of sands in the coastal areas of the southern Baltic Sea: mapping a grain-size related sediment property // Aquatic Geochemistry. 2003. Vol. 9. P. 171-190. https://doi.org/10.1023/B:AQUA.0000022953.52275.8b
Iscan A.G., Kok M.V. Porosity and permeability determinations in sandstone and limestone rocks using thin section analysis approach // Energy Sources, Part A. 2009. Vol. 31. P. 568-575. https://doi.org/10.1080/15567030802463984
Gebhardt M., Kohler W., Mialdun A., Yasnou V., Shevtsova V. Diffusion, thermal diffusion, and Soret coefficients and optical contrast factors of the binary mixtures of dodecane, isobutylbenzene, and 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene // J. Chem. Phys. 2013. Vol. 138. 114503. https://doi.org/10.1063/1.4795432
McKibbin R., O’Sullivan M.J. Onset of convection in a layered porous medium heated from below // J. Fluid Mech. 1980. Vol. 96. P. 375-393. https://doi.org/10.1017/S0022112080002170
McKibbin R., O’Sullivan M.J. Heat transfer in a layered porous medium heated from below // J. Fluid Mech. 1981. Vol. 111. P. 141-173. ]https://doi.org/10.1017/S0022112081002334
###
Szulczewski M., Hesse M., Juanes R. Carbon dioxide dissolution in structural and stratigraphic traps. J. Fluid Mech., 2013, vol. 736, pp. 287-315. https://doi.org/10.1017/jfm.2013.511
Simmons C., Bauer-Gottwein P., Graf T., Kinzelbach W., Kooi H., Li L., Werner A. Variable density groundwater flow: From modelling to applications. Groundwater modelling in arid and semi-arid areas, ed. H. Wheater, S. Mathias, X. Li. Cambridge University Press, 2010. Pp. 87-118. https://doi.org/10.1017/CBO9780511760280.008
Baghooee H., Montel F., Galliero G., Yan W., Shapiro A. A new approach to thermal segregation in petroleum reservoirs: Algorithm and case studies. J. Petrol. Sci. Eng., 2021, vol. 201, 108367. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2021.108367
Parameswari K., Mudgal B.V. Assessment of contaminant migration in an unconfined aquifer around an open dumping yard: Perungudi a case study. Environ. Earth Sci., 2015, vol. 74, pp. 6111-6122. https://doi.org/10.1007/s12665-015-4634-x
Kozeny J. Uber Kapillare Leitung des Wassers im Boden: Sitzungsber [On capillary flow of water in soil: session report]. Sitz. Akad. Wiss. Wien., 1927, vol. 136, pp. 271-306.
Carman P.C. Fluid fow through granular beds. AIChE, 1937, vol. 15, pp. 150-166.
Nield D.A., Bejan A. Convection in porous media. Springer, 2013. 778 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-5541-7
Klimenko L.S., Maryshev B.S. Numerical simulation of microchannel blockage by the random walk method. Chem. Eng. J., 2020, vol. 381, 122644. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122644
Maryshev B.S., Klimenko L.S. Porous media cleaning by pulsating filtration flow. Microgravity Sci. Technol., 2022, vol. 34, 5. https://doi.org/10.1007/s12217-021-09922-3
Nield D.A., Kuznetsov A.V. The onset of convection in an anisotropic heterogeneous porous medium: A new hydrodynamic boundary condition. Transp. Porous Med., 2019, vol. 127, pp. 549-558. https://doi.org/10.1007/s11242-018-1210-3
Kolchanova E.A., Kolchanov N.V. Onset of solutal convection in layered sorbing porous media with clogging. Int. J. Heat Mass Trans., 2022, vol. 183, 122110. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.122110
Hewitt D.R., Neufeld J.A., Lister J.R. High Rayleigh number convection in a porous medium containing a thin low-permeability layer. J. Fluid Mech., 2014, vol. 756, pp. 844-869. https://doi.org/10.1017/jfm.2014.478
Zech A., Zehner B., Kolditz O., Attinger S. Impact of heterogeneous permeability distribution on the groundwater flow systems of a small sedimentary basin. J. Hydrol., 2016, vol. 532, pp. 90-101. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.11.030
Salibindla A.K.R., Subedi R., Shen V.C., Masuk A.U.M., Ni R. Dissolution-driven convection in a heterogeneous porous medium. J. Fluid Mech., 2018, vol. 857, pp. 61-79. https://doi.org/10.1017/jfm.2018.732
Soboleva E. Density-driven convection in an inhomogeneous geothermal reservoir. Int. J. Heat Mass Tran., 2018, vol. 127, pp. 784-798. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.08.019
Zubova N.A., Lyubimova T.P. Convection of ternary mixture in anisotropic porous medium. AIP Conf. Proc., 2021, vol. 2371, 050013. https://doi.org/10.1063/5.0059568
Zubova N.A., Lyubimova T.P. Nonlinear convection regimes of a ternary mixture in a two-layer porous medium. Vychisl. mekh. splosh. sred – Computational Continuum Mechanics, 2021, vol. 14, no. 1, pp. 110-121. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.1.10
De Paoli M., Zonta F., Soldati A. Dissolution in anisotropic porous media: Modelling convection regimes from onset to shutdown. Phys. Fluid., 2017, vol. 29, 026601. https://doi.org/10.1063/1.4975393
Li Q., Cai W.H., Li B.X., Chen C.-Y. Numerical study of density-driven convection in laminated heterogeneous porous media. Journal of Mechanics, 2020, vol. 36, pp. 665-673. https://doi.org/10.1017/jmech.2020.32
Barbier E. Geothermal energy technology and current status: An overview. Renew. Sustain. Energ. Rev., 2002, vol. 6, pp. 3-65. https://doi.org/10.1016/S1364-0321(02)00002-3
Kocberber S., Collins R.E. Proc. of the SPE Annual Technical Conference and Exhibition. New Orleans, Louisiana, USA, September 23-26, 1990. P. 175-201. https://doi.org/10.2118/20547-MS
Schmitt R.W. Double diffusion in oceanography. Annu. Rev. Fluid Mech., 1994, vol. 26, pp. 255-285. https://doi.org/10.1146/ANNUREV.FL.26.010194.001351
Pedersen K.S., Hjermstad H.P. Proc. of the SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Houston, Texas, USA, September 28-30, 2015. SPE-175085-MS. https://doi.org/10.2118/175085-MS
Collell J., Galliero G., Vermorel R., Ungerer P., Yiannourakou M., Montel F., Pujol M. Transport of multicomponent hydrocarbon mixtures in shales organic matter by molecular simulations. J. Phys. Chem. C, 2015, vol. 119, pp. 22587-22595. http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b07242
Mialdun A., Minetti C., Gaponenko Yu., Shevtsova V., Dubois F. Analysis of the thermal performance of SODI instrument for DCMIX configuration. Microgravity Sci. Technol., 2013, vol. 25, pp. 83-94. http://dx.doi.org/ 10.1007/s12217-012-9337-2
Alkhasov A.B. Vozobnovlyayemaya energetika [Renewable energy]. Moscow, Fizmatlit, 2012. 256 p.
Forster S., Bobertz B., Bohling B. Permeability of sands in the coastal areas of the southern Baltic Sea: mapping a grain-size related sediment property. Aquatic Geochemistry, 2003, vol. 9, pp. 171-190. https://doi.org/10.1023/B:AQUA.0000022953.52275.8b
Iscan A.G., Kok M.V. Porosity and permeability determinations in sandstone and limestone rocks using thin section analysis approach. Energy Sources, Part A, 2009, vol. 31, pp. 568-575. https://doi.org/10.1080/15567030802463984
Gebhardt M., Kohler W., Mialdun A., Yasnou V., Shevtsova V. Diffusion, thermal diffusion, and Soret coefficients and optical contrast factors of the binary mixtures of dodecane, isobutylbenzene, and 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene. J. Chem. Phys., 2013, vol. 138, 114503. https://doi.org/10.1063/1.4795432
McKibbin R., O’Sullivan M.J. Onset of convection in a layered porous medium heated from below. J. Fluid Mech., 1980, vol. 96, pp. 375-393. https://doi.org/10.1017/S0022112080002170
McKibbin R., O’Sullivan M.J. Heat transfer in a layered porous medium heated from below. J. Fluid Mech., 1981, vol. 111, pp. 141-173. ]https://doi.org/10.1017/S0022112081002334
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2022 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
