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Tipo: Tese
Título: Modeling nanoparticle-stabilized foam flow in porous media: mathematical analysis and uncertainty quantification
Autor(es): Assis, Tatiana Danelon de
Primeiro Orientador: Chapiro, Grigori
Membro da banca: Rocha, Bernardo Martins
Membro da banca: Bedrikovetsky, Pavel
Membro da banca: Farajzadeh, Rouhi
Membro da banca: Voskov, Denis
Resumo: Este trabalho propõe um modelo em equilíbrio local e um modelo de balanço populacional para estudar o escoamento de espuma estabilizada por nanopartículas em meios porosos. Em ambos, incluímos o efeito das nanopartículas reduzindo a mobilidade da espuma em uma versão do modelo SBP (Stochastic Bubble Population model), com base em experimentos da literatura para nanopartículas de sílica. O modelo de balanço populacional, além de incluir a textura da espuma como variável, incorpora retenção de partículas e redução de permeabilidade. O modelo em equilíbrio local é um sistema não estritamente hiperbólico de leis de conservação. Obtemos a solução analítica global, que nos permitiu quantificar o efeito das nanopartículas no escoamento de espuma. Quando apenas gás é injetado, o tempo de breakthrough e a produção de água aumentam com a concentração de nanopartículas, mas esse efeito é menos pronunciado para altas concentrações. Contraintuitivamente, durante a coinjeção gás-água para uma certa faixa de parâmetros, adicionar nanopartículas resulta em um efeito insignificante na produção de água. Também investigamos uma versão simplificada deste modelo (usando permeabilidades relativas quadráticas), possibilitando expressões algébricas para construir os perfis de solução. Estudamos a propagação de incertezas e sensibilidade para o modelo quadrático, com foco no tempo de breakthrough, produção de água e queda de pressão. As nanopartículas reduzem significativamente a propagação da incertezas devido à estabilização da espuma. Os resultados sugerem que seria estatisticamente viável medir o efeito das nanopartículas experimentalmente. Atingimos a convergência mesmo usando o método de Monte Carlo, evidenciando como as soluções analíticas reduzem drasticamente os custos computacionais. Para o modelo de balanço populacional, apresentamos uma solução semi-analítica em estado estacionário. Estudamos o escoamento de espuma considerando concentrações de nanopartículas de 0.1, 0.5 e 1.0 wt%, com e sem NaCl, usando parâmetros de retenção experimentais. Concentrações mais altas aumentam a viscosidade da espuma, reduzem a saturação de água e melhoram a eficiência de varredura, enquanto para 0.1 wt% é insignificante. Negligenciar a retenção de partículas geralmente subestima a queda de pressão, especialmente em cenários com retenção significativa. No entanto, enquanto as nanopartículas retidas aumentam a pressão ao reduzir a permeabilidade, a perda de nanopartículas suspensas diminui a pressão ao reduzir a viscosidade aparente da espuma. Consequentemente, ao considerar tanto a perda de nanopartículas quanto a permeabilidade reduzida, a queda de pressão é maior do que em modelos que ignoram a retenção. Em contraste, omitindo os efeitos da retenção na permeabilidade, a queda de pressão é menor.
Abstract: This work proposes a local equilibrium model and a population balance model to study foam flow assisted by nanoparticles in porous media. In both cases, we include the nanoparticle effect reducing foam mobility in a version of the Stochastic Bubble Population model, based on literature experimental data for silica nanoparticles. The population balance nanoparticle-stabilized foam model, besides including foam texture as a variable, incorporates particle retention and the resulting permeability reduction. The local equilibrium model is a non-strictly hyperbolic system of conservation laws. We obtain the global analytical solution, which allows us to quantify the effect of nanoparticles on foam flow. When only gas is injected, the breakthrough time and water production increase with the nanoparticle concentration, but this effect is less pronounced for high concentrations. Counterintuitively, during water-gas co-injection for a certain parameter range, adding nanoparticles yields a negligible effect on water production. We also investigate a simplified version of this model (using quadratic relative permeability functions), allowing for algebraic expressions to construct the solution profiles. We conduct uncertainty quantification and sensitivity analysis for the quadratic model, focusing on breakthrough time, water production, and pressure drop. Nanoparticles significantly reduce uncertainty propagation due to foam stabilization. Our findings indicate that the effect of nanoparticles exceeds the model’s uncertainty, suggesting that measuring it experimentally is statistically feasible. We achieve convergence even using the Monte Carlo method, evidencing how analytical solutions drastically reduce computational costs. For the population balance model, we obtain a semi-analytical solution under steady-state conditions. We study foam flow considering nanoparticle concentrations of 0.1, 0.5, and 1.0 wt%, with and without NaCl, using retention parameters from experiments. Higher concentrations increase foam viscosity, reduce water saturation, and improve sweep efficiency, while 0.1 wt% shows minimal impact. Neglecting nanoparticle retention generally underestimates pressure drop, especially in scenarios with significant retention. However, while retained nanoparticles increase pressure by reducing permeability, the loss of suspended nanoparticles decreases pressure by reducing the foam’s apparent viscosity. Consequently, when considering both nanoparticle loss and reduced permeability, the pressure drop is higher than in models that ignore retention. In contrast, omitting retention effects on permeability, the pressure drop is lower.
Palavras-chave: Espuma estabilizada por nanopartículas
Escoamento em meios porosos
Retenção de partículas
Quantificação de incertezas
Análise de sensibilidade
Nanoparticle-stabilized foam
Flow in porous media
Particle retention
Uncertainty quantification
Sensitivity analysis
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Idioma: eng
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Sigla da Instituição: UFJF
Departamento: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Programa: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Licenças Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/18051
Data do documento: 13-Jan-2025
Aparece nas coleções:Doutorado em Modelagem Computacional (Teses)



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