Steam injection into saturated porous media [Elektronische Ressource] : process analysis including experimental and numerical investigations / von Steffen Oliver Ochs
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Steam injection into saturated porous media [Elektronische Ressource] : process analysis including experimental and numerical investigations / von Steffen Oliver Ochs

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Heft 159 Steffen Oliver Ochs Steam injection into saturated porous media – process analysis including experimental and numerical investigations - Steam injection into saturated porous media– process analysis including experimental andnumerical investigations –Von der Fakult¨at Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der Universit¨at Stuttgartzur Erlangung der Wur¨ de eines Doktors derIngenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) genehmigte AbhandlungVorgelegt vonSteffen Oliver Ochsaus Dettingen/TeckHauptberichter: Prof. Dr.-Ing. Rainer HelmigNebenberichter: Prof. Dr. rer. nat. Volker SchulzNebenberichter: Prof. Dr. Johannes BruiningTag der mundlic¨ hen Prufung¨ : 18.12.2006Institut fur¨ Wasserbau der Universit¨at Stuttgart2006Heft 159 Steam injection into saturatedporous media– process analysis includingexperimental and numericalinvestigations –vonDr.-Ing.Steffen Oliver OchsEigenverlag des Instituts für Wasserbau der Universität StuttgartD93 Steam injection into saturated porous media – process analysisincluding experimental and numerical investigations –Ochs, Steffen Oliver:Steam injection into saturated porous media – process analysis including experimental andnumericalinvestigations–/vonSteffenOliverOchs. Institutfur¨ Wasserbau, Universit¨atStuttgart.- Stuttgart: Inst. fur¨ Wasserbau der Univ., 2006(Mitteilungen / Institut fu¨r Wasserbau, Universit¨at Stuttgart ; H. 159)Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss.

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Published 01 January 2007
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Language English
Document size 7 MB


Heft 159 Steffen Oliver Ochs

Steam injection into saturated
porous media – process analysis
including experimental and numerical
investigations - Steam injection into saturated porous media
– process analysis including experimental and
numerical investigations –
Von der Fakult¨at Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der Universit¨at Stuttgart
zur Erlangung der Wur¨ de eines Doktors der
Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung
Vorgelegt von
Steffen Oliver Ochs
aus Dettingen/Teck
Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. Rainer Helmig
Nebenberichter: Prof. Dr. rer. nat. Volker Schulz
Nebenberichter: Prof. Dr. Johannes Bruining
Tag der mundlic¨ hen Prufung¨ : 18.12.2006
Institut fur¨ Wasserbau der Universit¨at Stuttgart
2006Heft 159 Steam injection into saturated
porous media
– process analysis including
experimental and numerical
investigations –
von
Dr.-Ing.
Steffen Oliver Ochs
Eigenverlag des Instituts für Wasserbau der Universität StuttgartD93 Steam injection into saturated porous media – process analysis
including experimental and numerical investigations –
Ochs, Steffen Oliver:
Steam injection into saturated porous media – process analysis including experimental and
numericalinvestigations–/vonSteffenOliverOchs. Institutfur¨ Wasserbau, Universit¨atStuttgart.
- Stuttgart: Inst. fur¨ Wasserbau der Univ., 2006
(Mitteilungen / Institut fu¨r Wasserbau, Universit¨at Stuttgart ; H. 159)
Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2006
ISBN 3-933761-63-8
NE: Institut fu¨r Wasserbau < Stuttgart >: Mitteilungen
¨Gegen Vervielf¨altigung und Ubersetzung bestehen keine Einw¨ande, es wird lediglich um
Quellenangabe gebeten.
Herausgegeben 2007 vom Eigenverlag des Instituts fur¨ Wasserbau, Universit¨at Stuttgart
Druck: Sprint-Digital-Druck GmbH, StuttgartDanksagung
An dieser Stelle m¨ochte ich die Gelegenheit nutzen, mich bei all den Personen zu bedanken,
die maßgeblich zum Gelingen der vorliegenden Arbeit beigetragen haben.
Zuerst m¨ochte ich mich bei meinem Hauptberichter Rainer Helmig bedanken, der schon
im Laufe meines Studiums das Interesse an der Fluidmechanik geweckt hat und mir die
M¨oglichkeit gegeben hat meine Kenntnisse in der Modellierung von Str¨omungs- und Trans-
portprozessenimRahmenmeinerT¨atigkeitamLehrstuhlfur¨ HydromechanikundHydrosys-
temmodellierung zu vertiefen. Besonders danke ich ihm fur¨ seine Anregungen und die
F¨ahigkeit in schwierigen Phasen der Arbeit zu motivieren. Bei Prof. Volker Schulz (Trier)
¨und Prof. Johannes Bruining (Delft) m¨ochte ich mich fur¨ die Ubernahme der Mitberichte
bedanken.
Mein besonderer Dank gilt Holger Class und Arne F¨arber, die immer ein offenes Ohr fur¨
meinefachlichenFragenhattenundmitdenenichzahlreichefruchtbareDiskussionenfuhr¨ en
konnte. Holger Class hat nicht nur wertvolle Vorarbeiten im Bereich der Modellierung
nichtisothermer Prozesse im Untergrund geleistet, sondern war auch ein wichtiger Teil der
schw¨abische Enklave am Lehrstuhl. Arne F¨arber bin ich sehr zu Dank verpflichtet, da er
einen Numeriker bereitwillig in die Welt der ”Experimentatoren” eingefuhrt¨ hat und mir
stets mit seinen fundierten Kenntnissen zur Seite stand.
Herzlich m¨ochte ich mich bei allen Mitarbeitern am Institut fur¨ Wasserbau bedanken, die
durchihrenkollegialenUmgangeinexzellentesArbeitsklimaschufen. Darub¨ erhinausm¨ochte
ich mich bedanken bei:
¨- Andreas Bielinski und Ulrich Olmann, die mich in auf dem Weg zur Promotion be-
gleitet haben und zu Freunden wurden.
- Hans-PeterKoschitzky,OliverTr¨otschlerundJu¨rgenBraunfur¨ dieNutzungderVEGAS-
Labore und der Messdaten aus der Pilotsanierung.
- ClaudiaMuller,¨ DingJieundLiYangfur¨ dasEngagementw¨ahrendihrerDiplomarbeit.
- Henning Eickhoff, Jurgen¨ Laich, Steffen H¨agele, und Wolfgang Rempp fur¨ die Hilfe bei
diversen Instandsetzungsarbeiten.
Zum Schluss m¨ochte ich mich bei meiner Familie bedanken, die mir stets die notwendige
Unterstut¨ zung zu Teil werden ließ. Meinen Eltern danke ich, daß sie mir meine Ausbildung
erm¨oglicht haben. Meiner Frau Tanja m¨ochte ich fur¨ den Ruc¨ khalt in den letzten Jahren
undfur¨ unsereKinderChiaraMadlenundJosiasEmanueldanken, derenL¨achelnamAbend
die beste Motivation fur¨ meine Arbeit war. Ihnen ist diese Arbeit gewidmet.Die wesentlichen Dinge,
¨um in diesem Leben Gluck zu erlangen, sind:
etwas zu vollbringen, etwas lieben und auf etwas zu hoffen...
Joseph Addison
brit. Diplomat u. Schriftsteller
1672 - 1719Contents
Abstract I
Zusammenfassung i
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Steam Injection - a Competitive Remediation Technique . . . . . . . 2
1.1.2 Injection into Unsaturated / Saturated Porous Media . . . . . 4
1.2 Objective of the Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Conceptual Model 9
2.1 Fundamental Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Phases and Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 State of Aggregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3 Phase Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 System Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Fluid Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.3 Properties of Porous Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.4 Composite Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Flow and Transport Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 Advection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.2 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.3 Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.4 Mass Transfer Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.5 Thermal Conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.6 Thermal Convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.7 Thermal Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3 Mathematical and Numerical Model 37
3.1 Governing Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.1 Mass Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.1.2 Momentum Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.3 Mass Balance Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.4 Energy Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
III Contents
3.1.5 Energy Balance Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2 Closure Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.1 Simplifying Assumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2 Equations of State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.3 Constitutive Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.4 Auxiliary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 Choice of Primary Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4 MUFTE-UG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.5 Initial and Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.6 Discretization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.6.1 Discretization of Balance Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.6.2 Box-Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.7 Linearization and Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 Experimental Investigations 55
4.1 Experimental Set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Measurement Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.1 Temperature Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2.2 Saturationt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.3 Steam Injection Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.4 Steam Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3 Determination of Soil Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3.1 Permeability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3.2 Porosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.3 Capillary Pressure Saturation Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.4 Summary of Soil Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.1 Experimental Results: Medium Sand, High Steam Injection Rate . . 84
4.4.2 Experimental Medium Sand, Low Steam Injection Rate . . . 88
4.4.3 Experimental Results: Coarse Sand, High Steam Injection Rate . . . 92
4.4.4 Conclusions: Experimental Investigations . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5 Development of a Robust Numerical Model 98
5.1 Three Phase / Three Component (3p3cni) Model . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2 Two Phase / Two Component (2p2cni) Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.3 Problems at Saturated Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.3.1 Intermittent Pressure Fluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3.2 Spurious Water Flux into Steam Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.3.3 Coupling of Primary Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.4 A Robust Model for Saturated Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.5 A Model for General Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111