Nomsothermal multiphase flow of brine and gas through saline media

Abstract

[EN] A new formulation for the coupled analysis of thermo- hydro- mechanical problems in saline media is presented. The work ranges from the establishment of the mass, momentum and energy balance equations to its numerical solution by means advanced numerical techniques, including the derivation of some constitutive laws. The resulting computer program (CODE-BRIGHT) can be used to analyze real problems of sealing systems built with porous salt aggregates, which was the original motivation of the work.

The balance equations have been formulated taking into account that three main species or components are present in saline media. These are: salt, water and air. One of the peculiarities of saline media with respect to other geological media is that solid phase dissolves at elevated concentrations in the liquid phase which is referred as to brine. Another interesting aspect is the presence of brine inclusions in the solid phase. Dissolution and precipitation of salt leads to a creep strain mechanism. The shape of grains changes by dissolution of salt in zones of stress concentration while recrystallization takes place in zones of lesser stress level. In addition the grains also deform by the ductile behaviour of the crystalline solid. We have derived a new constitutive law for stress- strain behaviour of porous salt aggregates, which is based on coupling an idealized geometry of grains with the basic strain mechanisms.

Once the computer code was developed and verified, it has been used to study different phenomena. We present the analysis of porosity variations induced by temperature gradients in unsaturated porous salt aggregates. Temperature differences induce a flux of water vapour counteracted by an opposite brine flux. This flux drags dissolved salt, hence a salt flux towards the hot side takes place. This phenomenon, which may cause strong variations of porosity, has not been studied before. Secondly, the analysis of the behaviour of a brick dam subject to compression in the mine gallery is presented. We show that the hydromechanical coupling is crucial to understand what happens. Initially, there is a brine flux towards the dam because of its large suction. When the pores of the backfill reach saturation, the flux is reversed because convergence of the rock salt cause pore pressure to build up at the dam. A few applications to other problems related to nonsaline media show that the formulation is very versatile.

[ES] Presentamos una formulación nueva para el análisis de problemas Termo-hidro-mecánicos en medios salinos. Esta formulación incluye, desde la obtención de ecuaciones de balance de masa, momento y energía hasta su resolución numérica, incluyendo la derivación de algunas ecuaciones constitutivas. El programa de calculo resultante (Code Bright) puede usarse para analizar problemas reales de sistemas de sellado construidos con agregados porosos de sal, que era la motivación original de este trabajo.

Las ecuaciones de balance se han formulado teniendo en cuenta que en un medio salino existen tres especies o componentes mayoritarios. Estos son: la sal, el agua y el aire. Uno de los aspectos diferenciadores respecto a otros medios geológicos es que la fase sólida se disuelve a concentraciones elevadas en la fase liquida a la que se llama Salmuera. Otro aspecto interesante es la presencia de inclusiones de salmuera en la fase sólida. La disolución y precipitación de la sal da lugar a un mecanismo de deformación por fluencia. La forma de los granos de sal cambia por disolución en las zonas donde se concentran las tensiones y recristalizacion en las zonas de menor estado tensional. Además los granos también se deforman por el carácter muy dúctil del propio sólido cristalino. Hemos derivado una nueva ley constitutiva tensión deformación para los agregados porosos de sal, que se basa en acoplar una geometría idealizada de los granos con los mecanismos fundamentales de deformación.

Una vez que se ha desarrollado y verificado el programa de cálculo, este ha sido aplicado para el estudio de diferentes fenómenos. Presentamos el análisis de las variaciones de porosidad inducidas por gradientes de temperatura en agregados porosos de sal no saturados. Las diferencias de temperatura inducen un flujo de vapor que es contrarrestado por un flujo de salmuera. Este arrastra la sal disuelta y da lugar a un flujo de sal hacia zonas de temperatura más alta.