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International audience; A fully coupled HM –XFEM method with cohesive zone model: application to fluid-driven fracture network

My research is focused on the upscaling of reactive- transport processes in homogeneous and heterogeneous porous media. A particular attention is paid to biological reactions and the impact of biofilms on hydrdynamics behavior of the system., Mes différentes activités de recherche qui s'insèrent dans une problématique axée autour du transport multi-échelle en milieu poreux sont détaillées ici au travers de 3 volets: (1) Influence des hétérogénéités sur les processus de transfert (2) Prise en compte des effets de couplage en transport réactif (3) Impact des processus biologiques sur l'hydrodynamique et le transport Un survol des défis qui restent à surmonter et des perspectives à venir de ce travail de recherche concluent le document.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; L’évolution temporelle d’un milieu poreux sous l’effet des processus physico-chimiques (e.g., altération, précipitation des phases minérales dans les roches) et de l’activité biologique (croissance de biofilm bactérien, bio-obstruction des pores) constitue encore à l’heure actuelle un défi scientifique majeur d’un point de vue de la modélisation numérique. Les variations locales de la géométrie du domaine (obstruction ou élargissement des pores) induisent en effet une chenalisation de l’écoulement et du transport qui va évoluer au cours du temps. Si différentes méthodes numériques – lagrangiennes ou eulériennes - ont été développées (méthode de capture du front, méthode d’interface diffuse de type « Level Set » ou Volume Of Fluid), elles restent souvent peu adaptées à des modélisations 3D à l’échelle du pore (temps de calcul, remaillage parfois nécessaire, problème de gain ou de perte de masse). Nous combinons ici une méthode IBM (Immersed Boundary Method) à une méthode LBM (Lattice Boltzman Method) pour le calcul de l’écoulement en 3D tandis qu’une approche de type VOF (Volume of Fluid) et une discrétisation en Volume Finis est utilisée pour le transport des espèces chimiques. L’intérêt ici de la méthode LBM-IBM est de pouvoir bénéficier de la précision de la formulation Lattice-Boltzmann tout en travaillant sur un maillage fixe, un terme correcteur venant modifier la vitesse au voisinage des interfaces mobiles. Une application du modèle à la croissance bactérienne en milieu poreux est présentée.

International audience

Many acidizing treatments in carbonate reservoirs do not produce expected increase of productivity, especially in the case of open-hole horizontal wells. This is due to the poor modelling of near well-bore mechanisms. The unstable dissolution of the porous medium leads to the formation of highly conductive channels called wormholes, which are difficult to model quantitatively. A Darcy-scale dissolution model is proposed involving a Darcy-Brinkman equation for the flow part coupled with a local non-equilibrium dissolution model. A 3D numerical simulator has been developed to solve for the resulting PDEs using an operator splitting technique and high resolution TVD schemes. Results are shown for 2D and 3D configurations for both homogeneous and heterogeneous systems. The qualitative and quantitative features of the numerical results are discussed with respect to the published literature and compared to the experimental results. Experiments consist in injecting under-saturated salt water into a quasi 2D porous medium made of a thin layer af salt grains. Dissolution instability, channel development and wormhole propagation are recorded by making use of a video camera. Based on the 2D results, a first attempt is made at deriving a core-scale dissolution model based on cross-sectional averages. Several possibilities are explored including one-equation models, i.e., the core-scale medium incorporates the wormholes and the remaining porous matrix, and two-equation for which the wormholes are treated separately. Theoretical implications are discussed based on numerical experiments, Les traitements d'acidification sont généralement utilisés pour stimuler l'injection et/ou la productivité des puits dans les formations de carbonates. Cependant, de nombreux traitements ne produisent pas les résultats attendus en terme de gain de productivité à cause de la mauvaise modélisation autour du puits des mécanismes physiques intervenant durant le processus d'injection acide. La nature instable du phénomène de dissolution en milieu poreux entraîne la formation de canaux fortement conductifs appelés wormholes, qui sont difficiles à modéliser quantitativement. Un modèle de dissolution à l'échelle de Darcy est proposé comprenant une équation de Darcy-Brinkman pour la partie écoulement couplée avec un modèle de dissolution en non-équilibre local. Un simulateur numérique 3D a été développé pour résoudre ce système d'équations en utilisant une méthode de pas fractionnaire et des schémas TVD. Les résultats sont présentés sur des configurations 2D et 3D aussi bien pour des systèmes homogènes qu'hétérogènes. Les résultats numériques sont discutés d'un point de vue qualitatif et quantitatif par rapport à la littérature et comparés aux résultats expérimentaux. Les expériences ont été réalisées sur un massif de sel quasi 2D dans lequel on a injecté une solution d'eau salée sous-saturée. Les instabilités de dissolution, le développement des canaux et la propagation des wormholes ont été enregistrés à l'aide d'une caméra vidéo. En se basant sur les résultats 2D, la possibilité d'une description du phénomène à l'échelle de la section, c'est-à-dire en effectuant des moyennes sur des sections du domaine, a été explorée. Plusieurs approches sont utilisées, tels que les modèles à une équation, où le milieu considéré incorpore la physique du wormhole et la matrice poreuse environnante, et les modèles à deux équations pour lesquels les wormholes sont traités séparément. Les implications théoriques sont discutées en se basant sur les résultats numériques.

The storage of hydrogen in the subsurface to compensate fluctuations in energy demand and supply is considered an important part of future energy strategies. It has been observed that, within the period of storage, there is a partial conversion of hydrogen in the presence of carbon dioxide to methane. This has been attributed to the activity of microorganisms (archaea and bacteria) indigenous to the storage site. The talk will look at pore-scale phenomena including the interplay of different microbes (methanogens, acetogens, and acetotrophs) within a biofilm at the gas—water interface, the growth and decay of the multi-species biofilm, and the diffusion, consumption, and production of the dissolved gases. A numerical model with interface tracking, based on a volume-of-fluid method, is proposed for investigating these effects. The aim of the study is the description and quantification of the dominant processes which determine the amount of biomass such a reservoir can support and the rate at which the microorganisms produce methane as a contribution to explaining the observed field-scale phenomenon.

My research is focused on the upscaling of reactive- transport processes in homogeneous and heterogeneous porous media. A particular attention is paid to biological reactions and the impact of biofilms on hydrdynamics behavior of the system.; Mes différentes activités de recherche qui s'insèrent dans une problématique axée autour du transport multi-échelle en milieu poreux sont détaillées ici au travers de 3 volets: (1) Influence des hétérogénéités sur les processus de transfert (2) Prise en compte des effets de couplage en transport réactif (3) Impact des processus biologiques sur l'hydrodynamique et le transport Un survol des défis qui restent à surmonter et des perspectives à venir de ce travail de recherche concluent le document.

Many acidizing treatments in carbonate reservoirs do not produce expected increase of productivity, especially in the case of open-hole horizontal wells. This is due to the poor modelling of near well-bore mechanisms. The unstable dissolution of the porous medium leads to the formation of highly conductive channels called wormholes, which are difficult to model quantitatively. A Darcy-scale dissolution model is proposed involving a Darcy-Brinkman equation for the flow part coupled with a local non-equilibrium dissolution model. A 3D numerical simulator has been developed to solve for the resulting PDEs using an operator splitting technique and high resolution TVD schemes. Results are shown for 2D and 3D configurations for both homogeneous and heterogeneous systems. The qualitative and quantitative features of the numerical results are discussed with respect to the published literature and compared to the experimental results. Experiments consist in injecting under-saturated salt water into a quasi 2D porous medium made of a thin layer af salt grains. Dissolution instability, channel development and wormhole propagation are recorded by making use of a video camera. Based on the 2D results, a first attempt is made at deriving a core-scale dissolution model based on cross-sectional averages. Several possibilities are explored including one-equation models, i.e., the core-scale medium incorporates the wormholes and the remaining porous matrix, and two-equation for which the wormholes are treated separately. Theoretical implications are discussed based on numerical experiments; Les traitements d'acidification sont généralement utilisés pour stimuler l'injection et/ou la productivité des puits dans les formations de carbonates. Cependant, de nombreux traitements ne produisent pas les résultats attendus en terme de gain de productivité à cause de la mauvaise modélisation autour du puits des mécanismes physiques intervenant durant le processus d'injection acide. La nature instable du phénomène de dissolution en milieu poreux entraîne la formation de canaux fortement conductifs appelés wormholes, qui sont difficiles à modéliser quantitativement. Un modèle de dissolution à l'échelle de Darcy est proposé comprenant une équation de Darcy-Brinkman pour la partie écoulement couplée avec un modèle de dissolution en non-équilibre local. Un simulateur numérique 3D a été développé pour résoudre ce système d'équations en utilisant une méthode de pas fractionnaire et des schémas TVD. Les résultats sont présentés sur des configurations 2D et 3D aussi bien pour des systèmes homogènes qu'hétérogènes. Les résultats numériques sont discutés d'un point de vue qualitatif et quantitatif par rapport à la littérature et comparés aux résultats expérimentaux. Les expériences ont été réalisées sur un massif de sel quasi 2D dans lequel on a injecté une solution d'eau salée sous-saturée. Les instabilités de dissolution, le développement des canaux et la propagation des wormholes ont été enregistrés à l'aide d'une caméra vidéo. En se basant sur les résultats 2D, la possibilité d'une description du phénomène à l'échelle de la section, c'est-à-dire en effectuant des moyennes sur des sections du domaine, a été explorée. Plusieurs approches sont utilisées, tels que les modèles à une équation, où le milieu considéré incorpore la physique du wormhole et la matrice poreuse environnante, et les modèles à deux équations pour lesquels les wormholes sont traités séparément. Les implications théoriques sont discutées en se basant sur les résultats numériques.