Dispersión de trazadores en flujos de soluciones poliméricas en medios porosos

En este trabajo se presenta el estudio de las propiedades de transporte a través deun medio poroso de un trazador salino diluido en una solución de polímero. Los mediosporosos son fabricados a partir de microesferas de vidrio y pueden ser de simple o dobleporosidad. El objetivo del trabajo es utilizar las caracteristicas reofluidizantes de lassoluciones de polímero para aumentar la influencia de las heterogeneidades del medioporoso sobre el campo de velocidades de flujo y reforzar el contraste entre las zonas dealta y baja velocidad en el medio. Los experimentos consisten en la inyección de una solución salina de NaNO3 enel medio. La concentración de polímero permanece constante durante los mismos. En laentrada del medio se induce una variación abrupta de concentración de sal. A la salidadel mismo se obtienen las curvas de dispersión (variación de la concentración de sal enfunción del tiempo) por medio de medidas conductimétricas. El análisis de las curvas serealiza por medio de ajustes con modelos teóricos (en ciertos casos mediante laevaluación directa del ancho del frente) para determinar un coeficiente de dispersión (ladispersividad es igual a la relación entre el coeficiente de dispersión y la velocidadmedia del flujo). Los experimentos han sido realizados tanto con la técnica clásica de “transmisión”, donde se deja que el frente de variación de concentración atraviesecompletamente la muestra, como con la técnica de “eco” en la cual se invierte lavelocidad de flujo antes que el frente de variación de concentración llegue a la salida delmedio y en ese caso se detecta la variación de concentración en la entrada de la muestraporosa. Esta ultima técnica nos provee información complementaria sobre la presenciaeventual de heterogeneidades a gran escala (zonas estratificadas o canales de diferentepermeabilidad) donde la contribución al aumento de la \\dispersividad es particularmentereversible en relación al cambio de la dirección del flujo. En este trabajo fueron usadas soluciones reofluidizantes de un polisacáridoneutro (escleroglucano) de diferentes concentraciones: el exponente característico deldecrecimiento de la viscosidad con la velocidad de deformación varió entre 0.4 y 0.8 enel rango donde la variación puede ser aproximada por una ley de potencia. Las medidasde esfuerzos normales muestran que estas soluciones son muy poco elásticas. Losmedios porosos de simple porosidad utilizados están formados por empaquetamientosdc esferas de vidrio de un diámetro típico de l mm. Los medios de doble porosidadestán formados por granos porosos de diámetro dg= 500 μm y de porosidad 30% que seobtiene por medio del sinterizado de esferas de vidrio de diámetro 110 μm (los blocssinterizados son partidos y tamizados para obtener el grano poroso). Debido al pequeñocontrataste de densidad asociado a la presencia del trazador, podemos observarinestabilidades inducidas por la gravedad según el sentido del contraste de densidadentre el fluido inyectado y desplazado (el flujo es dirigido hacia arriba). Las medidas de dispersividad, realizadas con las soluciones Newtonianas,confirman la existencia de un aumento mucho mas fuerte de la dispersividad con elnumero de Péclet, para medios de doble porosidad que para los de simple. Esto seobserva para Pe del orden de 10 (el numero de Péclet Pe = Udg/Dm caracteriza larelación entre los efectos de la convección y la difusión molecular). Este aumento esdebido a la transición entre los regímenes de transporte convectivo y difusivo en elinterior de los granos y al hecho que a velocidades elevadas, donde el transporteconvectivo es dominante, el contraste de velocidad entre el interior y el exterior de losgranos aumenta la dispersión en relación al los medios de simple porosidad. Estacaracterística de aumento neto de la dispersividad con el número de Péclet songlobalmente conservadas para los medios de doble porosidad que hemos utilizado consoluciones poliméricas (siempre en el caso de configuración de desplazamiento estable). Para las soluciones de polímero, el resultado mas marcado es el hecho que, a unnumero de Péclet dado, observamos un aumento neto de la dispersividad con laconcentración de polímero (es decir con el exponente característico n de la variación dela viscosidad). Este resultado es atribuido a las características reofluidizantes de lasolución que incrementa el contraste entre los caminos de alta y baja velocidad quepudieran encontrarse dentro de un medio poroso. El aumento es particularmenteimportante a números de Péclet intermedios (del orden de algunas decenas) y, en estedominio de velocidades, las curvas de dispersión se apartan notablemente de laspredicciones clásicas de la ecuación de convección - difusión Gaussiana. Observamosun arribo anticipado del frente de variación de concentración - índice de la presenciaposible de caminos de flujo preferencial en el interior del medio -. Una primerexplicación natural es pensar en un aumento del contraste de velocidad entre el interiory exterior de los granos debido a las soluciones de polímero. Este aumento debería, sinembargo, en este caso ser particularmente fuerte a números de Péclet muy elevados locual no se observa experimentalmente. Por otra parte, este aumento significativo de ladispersividad se observa igualmente en los medios de doble porosidad y simpleporosidad. Una hipótesis complementaria es la presencia de heterogeneidades a granescala (canales preferenciales, estratificación, capas sobre las paredes ...) perocorresponden a contrastes relativamente débiles de permeabilidad. La influencia de lasmismas pueden ser considerablemente amplificadas por las soluciones reofluidizantes. Esta hipótesis a sido evaluada comparando los resultados de las mediciones dedispersión en transmisión y eco: la dispersividad medida con esta ultima técnica puedeen efecto ser reducida por la reversibilidad parcial del escalamiento del frente deconcentraciones asociado a presencia de heterogeneidades a gran escala. Hemosefectivamente observado una reversibilidad parcial neta de la dispersión para lassoluciones de polímero mas concentradas (η = 0.6) y mas débil para las menosconcentradas (η = 0.4) y despreciable para las soluciones newtonianas. Estos resultadostienden a confirmar la influencia - al menos parcial - de grandes heterogeneidades. Elloindica igualmente que un aumento considerable de la sensibilidad de las medidas dedispersión a la presencia de heterogeneidades débiles pudo ser obtenida utilizandosoluciones reofluidizantes en lugar de fluidos newtonianos elegidos en primer lugar parael transporte del trazador. Los electos de inestabilidad inducidos por gravedad en las configuraciones deflujo gravitacionalmente inestable son, sobre todo, importantes cuando las velocidadesdel flujo son bajas y los poros de gran tamaño. Para las soluciones newtonianas lasinestabilidades no son observables para números de Péclet superiores a 200: lasvariaciones de concentración verifican la ecuación de convección - difusión clásica (curvas de dispersión Gaussiana) y el coefieiente de dispersión medido es el mismo enla configuración estable e inestable de desplazamiento de los fluídos. Para los númerosde Péclet entre 50 y 200, las curvas poseen forma Gaussiana pero la dispersividad essuperior en el caso inestable. Para números de Péclet inferiores a 50, las curvas dedispersión se apartan sensiblemente de la solución de la ecuación de convección - difusión . Para los fluídos newtonianos (agua y solución de glicerol de viscosidad 7x10ˉ³ Pa.s), los valores de dispersividad dependen únicamente del número de Péclet tanto enel caso estable como en el caso inestable. Para los experimentos realizados con lassoluciones de polímero reofluidizante, las inestabilidades aparecen para un número de Péclet mas bajo que para las soluciones newtonianas. La diferencia es mas notoriacuando el exponente característico de la viscosidad es mas elevado. Este resultadoindica que el parámetro dominante que controla la aparición de las inestabilidades es laviscosidad de los fluídos y no la difusión molecular (esta posee el mismo valor para lassoluciones poliméricas que para el agua, mientras que la viscosidad aumenta). Ha sidoposible definir un criterio de aparición de las inestabilidades a partir del parámetro Gque representa la relación entre los gradientes de presión de origen hidrostático yviscoso (en el caso de soluciones reofluidizantes, el termino de viscosidad es calculado apartir del valor de la viscosidad efectiva en el medio poroso, valor deducido de medidasde gradientes de presión en función del caudal). Hemos encontrado un valor únicocritico Gc que caracteriza la apararon de las inestabilidades para diferentes soluciones Newtonianas y no-Newtoniana utilizadas en nuestros experimentos. In this work the study of the transport properties of a saline tracer diluted in apolymer solution through a porous medium is presented. The porous media aremanufactured with glass micro-spheres and they can be of simple or double porosity. The aim of this work is to use the characteristic non-newtonian of the shear thinningpolymer solution to increase the influence of the heterogeneities of the porous media onthe flow velocity field, and to reinforce the contrast between the high and the lowvelocity zones in the media. The experiments consist of the injection of a saline solution of NaNO3 in themedia. The polymer concentration remains constant during the experiences. At the inletof the sample an abrupt variation of the salt concentration is induced. At the outlet of thesample the dispersion curves are obtained (variation of the salt concentration as afunction of the time) by conductimetric measures. The analysis of the curves is carriedout by means of adjustments with theoretical models (in certain cases by means of thedirect evaluations of the Width of the front) to determine a dispersion coefficient (Thedispersivity is the ratio between the dispersion coefficient and the flow velocityaverage). The experiments have been carried out whith the classic "transmission"technique, where the concentration variation front is allowed to cross the samplecompletely, and with the " echo " technique in which the flow velocity is inverted beforethe front of concentration variation arrives at the exit of the media, and in that case theconcentration variation is detected at the inlet of the porous sample. The last techniqueprovides us complementary information on the eventual presence of heterogeneities on agreat scale (stratified areas or channels with different permeability) where thecontribution to the increase of the dispersivity is particularly reversible in relation to thechange of the flow direction. In this work shear thinning solutions of a neuter polysaccharide (escleroglucano)with different concentrations were used: the characteristic exponent of the viscositydecay with the deformation velocity varied between 0.4 and 0.8 in the range where thevariation can be approached by a power law. The measures of normal efforts show thatthese solutions are not greatly elastic. The simple porosity media used are formed bypackagings of glass spheres with a typical diameter of l mm. The double porosity mediaare formed by porous grains with diameter dg = 500 mm and with porosity 30% that oneobtains by grinding sintered glass spheres with diameter 11O mm (the sintered blocksare left and sifted to obtain the porous grain). due to the small density contrastassociated with the presence of the saline tracer, we can observe instability induced bythe gravity according to the sense of the density contrast between the injected fluid andthe displaced fluid (the flow is directed up). The dispersivity measures carried out with the Newtonian solutions, confirm thatthe increase of the dispersivity with the Péclet number for double porosity media isstronger than for those of simple porosity. This is observed for Pe of the order of 10 (the Péclet number, (Pe = Udg/Dm). this Pe characterises the ratio between the convectioneffects and the molecular diffusion effects). This increase is due to the transitionbetween the convective transport and diffusive transport inside the grains and to the factthat high velocities, where the convective transport is dominant, the velocity contrastbetween the inside and the outside of the grains increases the dispersion in relation tothe simple porosity media. This Characteristic, the net dispersivity increase with the Péclet number is globally conserved for the double porosity media that we have used (always in the stable displacement cases). The result, for polymer solutions, remarked the fact that, to a given Pécletnumber, we observe an increase of the dispersivity with the polymer concentration (withthe characteristic exponent "n" ofthe viscosity variation). This result is attributed to theshear thinning character of the solution that increases the contrast between the highvelocity and low velocity paths inside the porous media. The increase is particularlyimportant to Péclet numbers of the order of dozens, and in this velocity domain thedispersion curves move notably away from the classic predictions of the convection-diffusionequation. We observe a premature arrival of the concentration variation front,index of the possible presence of preferential paths flow in the media. We find a firstnatural explanation in the increase of the velocity contrast between the inlet and theoutlet of the grains due to the polymer solutions. This increase, however, would havebeen particularly strong to a high Péclet number that which is not observedexperimentally. On other hand. this significant dispersivity increase is observed equallyin the double and simple porosity media. A complementary hypothesis is the presenceof heterogeneities on a great scale (preferential channels, stratification, layers on thewalls...) but they correspond to relatively weak permeability contrast. The influence ofthe same ones can be amplified considerably by the shear thinning solutions. This hypothesis had been evaluated comparing the results of the dispersionmeasurements in transmission and echo: the dispersivity measured with the echotechnique can be reduced by the partial reversibility of the scaling from theconcentration front associated with the heterogeneities presence on a great scale. Wehave observed net partial dispersion reversibility indeed for the polymer solution moreconcentrated (n=0.6) and weak for the less concentrated ones (n=0.4) and worthless forthe newtonian solutions. These results confirm -at least partially- big heterogeneities. Itindicates that a considerable sensibility increase of the dispersion measures is due to thepresence of weak heterogeneities that are observed using shear thinning solutions. The instabilities driven by gravity effects in the flow configurations are mainlyimportant to a low flow velocity and for great pore size. For the newtonian solutions theunstable effects are not observable for Péclet numbers superior to 200: the concentrationvariation verifies the classic convection-diffusion equation (gaussian form ofthe curves)and the dispersion coefficient measured is the same for unstable and stable configurationof the fluid displacement. For Péclet numbers between 50 and 200, the curves have agaussian form but the dispersivity is superior in the unstable cases. For Péclet numbersinferior to 50, the dispersion curves move sensibly away from the gaussian form. Fornewtonian fluid (glicerol solution in water with viscosity 0.007 Pas), the dispersivityvalues depend only on the Péclet number as much in the stable case as the unstable case. For the experiment carried out with shear thinning polymer solution, the instabilitiesappear for a Péclet number lower than the newtonian case. The difference is morenotorious in high values of the characteristic exponent "n" of the polymeric solutions. This result indicates that the dominant control parameter of the appearance of theinstabilities is the fluid viscosity and not the molecular diffusion. It has been possible todefine an approach of appearance of the instabilities starting from the parameter G thatrepresents the ratio among the gradients of hydrostatic pressure and the viscous pressure (in the case of shear thinning fluid, the viscosity is calculated starting from the effectiveviscosity value in the porous media, deduced from the pressure gradients measurementsas a function of the flow). We have found a unique value of G that characterizes theappearance of instabilities as much for newtonian as non-newtonian fluids used in ourexperiences. Fil: D'Onofrio, Alejandro. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.