Authors:	Hinz, Christian
Title:	Reactive flow in porous media based on numerical simulations at the pore scale
Online publication date:	10-Mar-2020
Year of first publication:	2020
Language:	english
Abstract:	Long-term evolution of permeability and tortuosity due to porosity changes evoked by reactivity of aqueous solutions is of paramount importance for predicting waterrock interaction. This challenge is best tackled by introducing pore-scale modeling, where the modeling domain is a highresolution tomographic image of the porous media. This thesis presents such a novel reactive fluid dynamics modelling approach combining numerical flow, transport and geochemical solvers. A voxel based Navier-Stokes-Brinkman solver in a finite volume formulation is coupled to the thermodynamic equilibrium code PhreeqC. A Lagrangian transport approach realizes the sequential simulation of advection, diffusion and reaction. Virtual particles transport aqueous solutions that equilibrate with the pore fluid. The thus changed species distributions potentially induce local disequilibria at reactive grain surfaces and initiate dissolution and precipitation reactions. The novel approach enables to couple at high spatial and temporal resolution transport with reactivity of the fluid, and the quantity of mineral alteration in the pore matrix depending on both, the local geochemical equilibrium and mineral phase reaction kinetics. The approach is realized by high-performance parallelized computations that are performed directly on the voxel grid of digital rock samples. SrSO4 precipitation is modelled with a diffusive geochemical system in a sand grain matrix. Retreat of calcite cements in a sandstone matrix due to dissolution reactions is directly visualized by digital rock physics experiments. Results highlight the necessity of considering the effect of local pore alterations on the development of system-specific transport parameters. Die Entwicklung von Permeabilität und Tortuosität, ausgelöst durch reaktive wässrige Lösungen, ist von größter Bedeutung für die Vorhersage von Fluid-Gestein-Interaktionen. Modellierungen auf der Porenskala, in einem hochauflösenden tomographischen Bild der porösen Medien, können diese Herausforderung am besten bewältigen. Die vorliegende Dissertation stellt einen neuartigen reaktiven fluiddynamischen Modellierungsansatz vor, der numerische Strömungs-, Transport- und geochemische Löser kombiniert. Ein voxelbasierter Navier-Stokes-Brinkman-Löser mit endlicher Volumenformulierung ist mit dem thermodynamischen Gleichgewichtscode PhreeqC gekoppelt. In einem Transportansatz nach Lagrange realisieren virtuelle Partikel die Simulation advektiven und diffusiven Transports wässriger Lösungen, die mit dem Porenfluid equilibriert werden. So können lokal Ungleichgewichte an reaktiven Mineraloberflächen entstehen und Lösungs-, bzw. Fällungsreaktionen auslösen. In hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung werden Transport, Fluid-Reaktivität und Veränderungen der Mineralmasse in der Porenmatrix gekoppelt; abhängig sowohl vom lokalen geochemischen Gleichgewicht als auch von der Reaktionskinetik der Mineralphase. Der reaktive Transport wird mit leistungsstarken parallelisierten Berechnungen direkt auf dem Voxelgitter digitaler Gesteinsproben realisiert. Sowohl SrSO4 Ausfällung in einer diffusionskontrollierten Sandkornmatrix als auch die Auflösung von Kalzitzementen eines Reservoirsandsteins werden simuliert. Die Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit, den Effekt lokaler Porenraumveränderungen bei der Entwicklung systemspezifischer Transportparameter zu berücksichtigen.
DDC:	550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3102
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000034554
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	IX, 115 Blätter
Appears in collections:	JGU-Publikationen