Sujet de Thèse de Doctorat : Ecoulement de polymères en milieux

Sujet de Thèse de Doctorat : Ecoulement de polymères en milieux poreux :
modèles d'écoulement non-newtonien, changement d'échelle et calcul de
propriétés effectives
Dans le contexte des méthodes de récupération améliorée pour les gisements pétroliers,
l’injection d’eau avec polymères fait partie des méthodes les plus utilisées, permettant
d’augmenter l’efficacité du balayage et donc la production d’huile sur différents types de
réservoirs.
Malgré de nombreuses études expérimentales et des efforts de modélisation continus depuis
plusieurs décennies, la simulation des écoulements de polymère en milieux poreux repose
sur des modèles en partie heuristiques dont la validité expérimentale n’est pas toujours
vérifiée. En particulier, une description auto-consistante des propriétés effectives in situ, i.e.,
porosité, perméabilité, viscosité et coefficients de dispersion, fait défaut dans les modèles
existants. En général, ceux-ci sont basés sur une conceptualisation heuristique de
l'écoulement à l'échelle de Darcy, ce qui permet difficilement de les relier à la physique des
processus à l'échelle du pore, de comprendre leurs limitations et de déterminer leurs
domaines de validité. En conséquence, la valeur prédictive des modèles actuels et la fiabilité
des outils de simulation correspondants restent assez limités.
L’objectif de ce travail de recherche est de développer des modèles homogénéisés
permettant la description du transport de polymères en milieux poreux. Dans un premier
temps, nous proposons d'établir un modèle à l'échelle du pore basé sur les équations de
Stokes en formulation newtonienne généralisée, incluant la prise en compte des effets de
volumes exclus et de conditions limites de glissement. Dans un second temps, en s'appuyant
sur des résultats de simulation numérique, les équations différentielles à l'échelle du pore
seront moyennées en espace pour obtenir une description homogénéisée qui permettra a
fortiori des simulations à l'échelle du réservoir. Le calcul des propriétés effectives associées
à ces équations macroscopiques se fera par résolution numérique de « problèmes de
fermeture » dans des géométries représentatives de milieux poreux et pour différents
régimes d’écoulement.
Profil du candidat :
Le candidat aura nécessairement une formation approfondie en physique et/ou mathématiques. Des
connaissances en mécanique des fluides, modélisation des écoulements non-newtoniens,
phénomènes de transport en milieux poreux/multiphasiques ou techniques de changement d'échelles
sont également souhaitables.
Contacts :
Romain de Loubens, [email protected]
Michel Quintard, [email protected]
Yohan Davit, [email protected]
Encadrement :
Michel Quintard : DR CNRS, Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse.
Yohan Davit : CR CNRS, Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse.
Romain de Loubens : Ingénieur en Modélisation des Réservoirs, Total, Pau.
Situation géographique :
Groupe d’Etude des Milieux Poreux, IMFT, Toulouse (10 months/year)
Centre Scientifique et Technique Jean Féger, Total, Pau (2 months/year)
Salaire (indicatif) : environ 26000€ brut + intéressement et participation
Proposal for a funded Ph.D.: Polymer flow through porous media: nonnewtonian flow models, upscaling and calculation of effective properties
In the context of Enhanced Oil Recovery (EOR) methods, the injection of water with polymer
is considered as one of the most attractive strategies to improve the sweep efficiency and
thus the oil production in various types of reservoirs.
In spite of quite extensive experimental studies and modeling efforts throughout the last
decades, the simulation of polymer flow through porous media still relies on partially heuristic
models, whose experimental validity is not always verified. In particular, a self-consistent
description of in situ effective properties, i.e., porosity, permeability, viscosity and dispersion
coefficients of polymer solutions is still lacking in existing models. In general, these models
are derived from a heuristic conceptualization of transport phenomena at the Darcy-scale, an
approach which does not allow for a clear connection with micro-scale processes, and that
may restrict our understanding of their limitations and our ability to define their domains of
validity. Consequently, the predictive value of the theoretical models and the reliability of the
computational tools may be regarded as quite limited.
The objective of the proposed research work is to devise homogenized models that can be
used to describe polymer flow through porous media. As a first step, we propose to develop a
continuous pore-scale model relying on a generalized Newtonian Stokes' flow formulation in
conjunction with a description of excluded volumes and slip boundary conditions. As a
second step, the partial differential equations at the pore-scale will be averaged in space to
derive a homogenized description of the flow that may be used for numerical simulations at
the reservoir-scale. Effective properties associated with these macro-scale equations will be
calculated by solving numerically the so-called “closure problems” over representative porous
structures and at different flow conditions.
Requirements:
The Ph.D candidate should have an education in physics and/or mathematics. The following qualities
are desirable: experience in fluid mechanics, modeling non-Newtonian flow, transport phenomena in
porous media/multiphase systems or upscaling techniques.
Contacts:
Romain de Loubens, [email protected]
Michel Quintard, [email protected]
Yohan Davit, [email protected]
Advisors:
Michel Quintard: DR CNRS, Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse.
Yohan Davit: CR CNRS, Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse.
Romain de Loubens: Ingénieur en Modélisation des Réservoirs, Total, Pau.
Geographic location:
Groupe d’Etudes sur les Milieux Poreux, IMFT, Toulouse (10 months/year)
Centre Scientifique et Technique Jean Féger, Total, Pau (2 months/year)
Indicative salary: around 26000€ gross + profit sharing scheme