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Villiam Bortolotti

Professore associato

Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali

Settore scientifico disciplinare: ING-IND/30 IDROCARBURI E FLUIDI DEL SOTTOSUOLO

Temi di ricerca

Parole chiave: Simulazioni di bacini geotermici Immagini a risonanza magnetica Proprietà di trasporto Risonanaza Magnetica Nucleare Analisi di carote Analisi NMR non distruttive Simulazione Numerica Flusso in Mezzi Porosi Problemi di Inversione Paste Cementizie

Il lavoro di ricerca è prevalentemente volto a indagare, mediante la risonanza magnetica (MR) e avvalendosi anche di simulazioni numeriche, la struttura e le proprietà di trasporto dei mezzi porosi, con particolare riferimento alle rocce d'interesse per l'industria petrolifera e nelle attività di Geotermia. La simulazione di processi che avvengono in sistemi descritti da modelli matematici non lineari, come nel caso dei fenomeni di flusso mono o polifase, anche non isotermo, nei mezzi porosi e porosi-fratturati è di comune e vitale importanza sia per l'industria sia per la ricerca scientifica. Il confronto dei risultati MR, anche di imaging, con quelli delle simulazioni permette di migliorare la comprensione della validità dei modelli utilizzati e dei processi di flussaggio, nonché di valutare più accuratamente le caratteristiche e le proprietà petrofisiche dei mezzi porosi. Un ulteriore tema di ricerca, strettamente legato ai precedenti, è il così detto Problema Inverso, in 1 e 2 dimensioni. Sovente l'insieme di dati acquisiti negli esperimenti è collegato ad un modello parametrizzato, di cui si vuole una stima dei parametri. L'uso e lo sviluppo di algoritmi di fitting dei dati sperimentali è un'attività che trova vaste applicazioni in diversi campi d'indagine. Tali campi di ricerca trovano applicazione, tra l'altro, nell'ingegneria petrolifera, nell'ingegneria degli acquiferi, nell'ingegneria dei giacimenti geotermici (sia ad alta che a bassa entalpia) e in tutti quei problemi interessati dall'infiltrazione di fluidi in mezzi porosi consolidati e non consolidati.

Lo sviluppo e l'evoluzione della ricerca volta all'individuazione e messa a punto di tecniche avanzate di core analysis richiede l'approfondimento della conoscenza della struttura e delle proprietà petrofisiche dei mezzi porosi, nonché delle interazioni dei fluidi saturanti con le superfici dei pori. La metodologia adottata si basa sul confronto tra misure petrofisiche di tipo tradizionale e misure a risonanza magnetica (MR) con l'ulteriore supporto di simulazioni numeriche (in particolare nei riguardi dei processi di flusso e trasporto). Il confronto tra misure petrofisiche MR e tradizionali (con particolare riferimento a porosità, permeabilità, superficie specifica, bagnabilità, fattore di formazione, saturazioni) su campioni consolidati (rocce) e non consolidate (sabbie) e sistemi modello si propone con sempre maggior forza come il metodo d'elezione per lo sviluppo delle conoscenze sul comportamento di fluidi in geometrie ristrette. La rilassometria MR, ovvero, la misura e lo studio dei tempi di rilassamento tipici dei fenomeni NMR, può fornire informazioni basilari sulla struttura dello spazio poroso, in quanto le curve di rilassamento rappresentano, a parità di natura dei fluidi saturanti, una vera e propria “impronta digitale” dello spazio poroso. Nella pratica il rilassamento MR permette di investigare numerose altre proprietà petrofisiche e le loro interrelazioni. Mediante la tecnica MRI (Magnetic Resonance Imaging), che sinteticamente si può definire come un'estensione spazialmente risolta della MR, si possono ottenere informazioni, in modo non distruttivo e non invasivo, sulle proprietà del mezzo poroso in sezioni e regioni interne al campione studiato. Si possono quantificare micro- e macro-porosità, fino all'identificazione e quantificazione di eventuali fratture. Si tratta evidentemente di ricerche di considerevole interesse per diversi settori dell'industria, in particolare per quella del petrolio. Nella pratica della core analysis i vantaggi sono notevoli e svariati. Per esempio, nell'industria petrolifera, nel caso di serbatoi carbonatici, la valutazione del contributo delle fratture alla porosità totale, la loro distribuzione spaziale e interconnessione sono essenziali per le previsioni di produzione. La tecnica MRI si applica con successo anche allo studio dei processi di spiazzamento e/o di flusso, permettendo di estendere significativamente la comprensione del moto mono o polifasico nei mezzi porosi. In particolare il raffronto dei risultati delle prove MR/MRI con quelli delle simulazioni numeriche porta a una migliore comprensione della validità dei modelli utilizzati sia per descrivere i processi di flussaggio, sia per meglio comprendere i mezzi porosi e le loro proprietà. L'uso della simulazione numerica per sistemi e processi descritti da modelli matematici caratterizzati da equazioni non lineari, com'è ad esempio il caso dei fenomeni di flusso mono o polifase, sia isotermo sia non-isotermo, nei mezzi porosi e porosi-fratturati, è di comune e indispensabile utilizzo sia in ambito industriale, sia per scopi di ricerca. Trova applicazioni, tra l'altro, nell'ingegneria petrolifera, nell'ingegneria degli acquiferi, nello sfruttamento delle risorse geotermiche ad alta e media entalpia e nello studio dei fenomeni d'infiltrazione di fluidi in mezzi porosi consolidati e non consolidati.
Strettamente legato ai precedenti temi di ricerca vi è il così detto Problema Inverso. Sovente l'insieme di dati acquisiti negli esperimenti è collegabile a un modello parametrizzato, di cui se ne vuole una stima dei parametri. L'uso e lo sviluppo di algoritmi di fitting è un'attività che trova vaste applicazioni in diversi campi d'indagine. Basti citare il fondamentale tema del model calibration (o history matching) tipico della validazione dei modelli per reservoir.
Lo sviluppo di queste ricerche necessariamente richiede, oltre ad una approfondita comprensione delle diverse e vaste teorie che governano i vari fenomeni coinvolti, di occuparsi della strumentazione di laboratorio e di utilizzare ed eventualmente sviluppare software dedicato. Per la strumentazione le principali attività possono riguardare: - la realizzazione di appositi circuiti idraulici (per spiazzamenti polifase) e di celle porta-campione (celle triassiali con confinamento per evitare possibili fenomeni di by-pass di superficie dei fluidi) che permettano di eseguire le prove di flusso all'interno del bore degli strumenti MR e MRI. Ciò impone, tra l'altro, l'uso di materiali non magnetici per evitare interferenze con la strumentazione stessa; - la modifica e/o progettazione e realizzazione di nuove sequenze (insieme di specifiche istruzioni che governano la strumentazione MR durante le misure), sia per gli strumenti MR sia per lo strumento MRI. Per il software le principali attività possono riguardare: -l'individuazione di appropriati algoritmi numerici già esistenti, nonché la loro implementazione e il loro utilizzo; -eventuale progettazione e implementazione di nuovi algoritmi numerici e/o modifica di algoritmi numerici esistenti (normalmente scritti in linguaggio Fortran 77, 90, 95); -utilizzo di pacchetti software commerciali (es: FemLab, Eclipse, iTOUGH2) per validare /confrontare i risultati ottenuti dai software sviluppati nell'ambito della ricerca; -realizzazione di filtri e interfacce software (sviluppati in ambito Visual Studio 6, 15 e 17 e scritti in C++) di adattamento dei diversi formati dei dati per permetterne un loro confronto.

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