Effects of Buoyancy Forces on Immiscible Water/Oil Displacements in a Vertically Oriented Porous Medium Effets des facteurs de flottabilité sur les déplacements non-miscibles eau/huile dans un milieu poreux vertical

Abstract

The effects of buoyancy forces on liquid-liquid displacement processes occurring in porous media are important in a variety of practical situations, in particular during the displacement of oil from partially-depleted underground reservoirs by means of aqueous solutions. Most previous studies involving the visualization of water/oil displacements in porous media have been undertaken in horizontal two-dimensional porous medium cells. The objective of the present work was to determine the effects of buoyancy forces; on the fingering pattern and oil recovery by conducting immiscible displacement experiments in two-dimensional consolidated porous medium cells aligned in the vertical plane. In order to obtain a clear understanding of the favourable and unfavourable effects of buoyancy forces, experiments were carried out in three different flow modes, namely horizontal, vertical upward, and vertical downward. As the effects of buoyancy forces are negligible for two-dimensional porous media in the horizontal flow mode, the recoveries obtained in this mode were used as a reference for comparison with those obtained in the two vertical modes. Displacements using five different density ratios were studied. The breakthrough time and percentage oil recovery were measured in each case. The effects of buoyancy forces, viscous forces, and capillary forces, as well as the injection flow rate, were also recorded. The results obtained indicate that the effects of buoyancy forces are very pronounced at low flow rates and low oil/water density ratios, and that even a slight increase in the flow rate causes the buoyancy forces to rapidly become less significant. Les facteurs de flottabilité exercent un effet important sur les déplacements liquide/liquide en milieu poreux dans toute une gamme de situations pratiques, en particulier lorsqu'on veut déplacer l'huile de roches réservoirs partiellement épuisées à l'aide de solutions aqueuses. La plupart des études effectuées jusqu'ici ont fait intervenir la visualisation des déplacements eau/huile en deux dimensions, dans des milieux poreux horizontaux. L'objectif de la présente recherche est de déterminer les effets des facteurs de flottabilité sur le phénomène de digitation et la récupération de l'huile, en effectuant des expériences de déplacements non-miscibles sur des milieux poreux consolidés, bi-dimensionnels, à cellules alignées dans un plan vertical. Pour bien comprendre les effets positifs et négatifs des facteurs de flottabilité, nous avons effectué des expériences avec trois modes d'écoulement différents : horizontal, vertical ascendant et vertical descendant. L'effet des facteurs de flottabilité étant négligeable pour les milieux poreux bi-dimensionnels en cas d'écoulement horizontal, les données de récupération obtenues dans ce cas ont servi de référence pour comparaison avec les données obtenues en cas d'écoulement vertical. L'étude des déplacements a été effectuée avec cinq solutions de densité différente. Dans chaque cas, nous avons mesuré le temps de percée et le pourcentage de récupération de pétrole. Les effets des facteurs de flottabilité, de capillarité et de viscosité ont été enregistrés, ainsi que le débit d'injection. Les résultats obtenus indiquent que les facteurs de flottabilité exercent un effet très prononcé à faible débit et pour une faible densité huile/eau, et que la moindre augmentation du débit entraîne une baisse rapide de cet effet.