Mechanism of two phase thermo-fluid behavior in porous media and its high accuracy numerical analysis based on multi-scale effect

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19KK0109
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: 椋木 俊文 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 准教授 (30423651)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大谷 順 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 教授 (30203821) ; 才ノ木 敦士 熊本大学, 国際先端科学技術研究機構, IROAST准教授 (70802049)
• Project Period (FY): 2019-10-07 – 2023-03-31
• Keywords: オイルサンド / ビチューメン / 高粘性流体 / Ｘ線ＣＴ画像解析

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，間隙内部の微視的領域の油の存在とその挙動に着眼点を置き，水-油の二相の間隙内における挙動を再現しシミュレートすることによって，オイルサンドにおける油の回収工法などの実問題の妥当性評価に生かす貢献することを最終目的としている．そのため、初年度では共同研究者との研究手法の確認とX線CT用高拘束圧流体注入・載荷実験装置の開発に向けて、情報収集を始めるとともに、オイルサンドの物性と力学特性について調べることが重要である。そこで2019年度では、オイルサンドに関する研究論文、技術報告書を十分にレビューし、数値解析手法と実験装置の設計に取り掛かった。
数値解析手法としては、オイルサンドの回収方法にVAPEX法と呼ばれる有機溶剤注入によりビチューメンを溶解させ、それを回収する方法があるが、文献調査および石油掘削技術者からの聞き取り調査結果から、オイルサンド用内では密度流とDarcy-Brinkman方程式が適用できるビチューメン速度場が段階的に生じている可能性があることがわかってきた。
オイルサンドは砂岩のように粒子間が固結しているわけではなく、砂粒子の中にビチューメンが堆積していることから、間隙中の流体が高粘性状態で、かつ高拘束圧下において得られる強度パラメーターを求める必要があることがわかってきた。これについては、実験装置の開発が不可欠であるが、同時にオイルサンドを手に入れることが容易でないことから、模擬供試体を作ることを検討してきた。その結果、ある配合量でホウ砂とポリビニルアルコールを混ぜることにより、高粘度の流体を作製することができるようになった。この高粘度流体で飽和した模擬オイルサンドとしての供試体を対象に、どのような力学特性を持ち、また流動挙動を示すかをX線CTを用いて評価するために、X線CT用高拘束圧流体注入・載荷実験装置の設計を開始した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本申請採択の連絡を受けた後、フランス、ロレーヌ大学の共同研究先との調整の結果、年度内が難しいということになり、4月中旬から2週間共同研究打ち合わせのためにロレーヌ大学を訪問する予定であった。しかし、COVID-19の影響で、これらの計画を実行できなくなったため、メールでの情報交換を行っている。本研究では、オイルサンド材料を対象とした力学、水理学実験の実施とその現象をマイクロX線CTスキャナによって内部観察することと、対象材料内部のビチューメン（オイルサンド内の油のこと）の流動挙動を評価することが目的であることから、初年度はカナダのアルバータ州に存在するCore Research Centreからオイルサンドを入手する計画であったが、これも困難な状況となったことから、後半に実施予定の数値解析の計画を少し前倒しにしている。ここでは、これまでの情報収集の結果、多孔質材料内部におけるビチューメン挙動は、二相流動挙動だけではなく、ビチューメン回収のために注入する有機溶剤によって密度流が発生することもわかってきたことから、密度流とDarcy-Brinkmanモデルを導入した流動解析モデルを構築中である。また、X線CT用高拘束圧流体注入―載荷実験装置の設計にも取り掛かっている。また、研究分担者らも同様の状況のため、共同研究先への出張計画を大きく変更し、大容量の3次元個別要素法が実施可能な環境と拡張有限要素法が実施可能な数値計算のための環境整備に取り掛かっている。

Strategy for Future Research Activity

共同研究相手先とは、引き続きメールやテレビ会議システムを利用しながら情報交換を継続的に実施していく。研究分担者の研究進捗状況を確認するため2か月に一度ミーティングを行い、研究進捗状況を確認していく予定である。実験現象をあらかじめ予測するために、流動モデルについては密度流とDarcy-Brinkmanモデルを導入した流動解析を実施し、X線CT用高拘束圧流体注入―載荷実験装置で得られる現象について検討していく。また、先んじて導入した3次元個別要素法を用いて、高拘束圧状態と高粘性を有するオイルサンドの変形挙動を評価していく。

Causes of Carryover

2019年度内において、共同研究相手先の日程調整が困難であったことに加え、COVID-19の問題により海外出張計画が大きく変更せざる負えなくなった。このため、2019年度実施予定であった出張計画を2020年度に移動させている。現状、COVID-19の安全確認が期待できる2020年の年度末に出張計画中である。また、この計画変更に伴い、研究期間の後半に計画していた数値解析で使用するソフトとそれを十分に動かすためのコンピューターを導入する計画である。