Luận văn thạc sĩ về phục hồi dầu nâng cao bằng tiêm bọt khí CO2

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật môi trường study on enhanced oil recovery by co2 microbubbles injection, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện

Trường đại học

Kyushu University

Chuyên ngành

Earth Resources Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

dissertation

2022

112
3
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu phục hồi dầu nâng cao bằng cách tiêm CO2 bọt khí là một phương pháp tiềm năng nhằm cải thiện hiệu suất khai thác dầu trong các mỏ dầu. Phương pháp này không chỉ giúp tăng cường lượng dầu thu hồi mà còn góp phần vào việc giảm thiểu khí thải nhà kính. Trong bối cảnh hiện tại, việc áp dụng kỹ thuật phục hồi dầu bằng tiêm CO2 trở nên cần thiết hơn bao giờ hết, đặc biệt khi các dự án CO2-EOR gặp phải những thách thức như hiệu ứng mật độ, sự dẫn khí và hiệu suất quét kém trong các môi trường rỗng không đồng nhất. Sử dụng bọt khí CO2 có thể giúp vượt qua những thách thức này, từ đó nâng cao hiệu quả khai thác dầu và đạt được các mục tiêu về thu giữ CO2.

II. Đặc điểm và quy trình thử nghiệm

Chương này trình bày quy trình thử nghiệm và các phương pháp đo lường nhằm đánh giá các đặc tính của bọt khí CO2. Các dung dịch bọt khí CO2 được chuẩn bị bằng cách khuấy khí CO2 vào dung dịch polymer xanthan gum và chất hoạt động bề mặt sodium dodecyl sulfate (SDS). Thông qua các thử nghiệm, sự ổn định và phân bố kích thước bọt khí được xác định. Kết quả cho thấy, nồng độ SDS và XG có ảnh hưởng lớn đến kích thước và độ ổn định của bọt khí CO2. Cụ thể, tăng nồng độ SDS hay XG làm giảm kích thước bọt nhưng lại tăng độ ổn định của chúng. Ngược lại, nồng độ NaCl cao làm giảm độ ổn định do ảnh hưởng của trọng lực và sự hợp nhất bọt.

2.1. Đánh giá độ ổn định của bọt khí CO2

Độ ổn định của bọt khí CO2 được đánh giá qua các thử nghiệm thoát nước, cho thấy rằng bọt khí có thể duy trì cấu trúc tốt hơn so với các loại bọt thông thường. Kết quả từ các thử nghiệm này đã chỉ ra rằng bọt khí CO2 có khả năng hoạt động hiệu quả trong các điều kiện không đồng nhất, mở ra hướng đi mới cho kỹ thuật phục hồi dầu.

III. Hiệu suất chặn của bọt khí CO2 trong môi trường rỗng

Chương này nghiên cứu khả năng chặn của bọt khí CO2 trong các môi trường rỗng đồng nhất và không đồng nhất. Thông qua các thí nghiệm trên mô hình cát, các dung dịch bọt khí CO2 được tạo ra và tiêm vào các hệ thống cát đơn và cát đôi. Kết quả cho thấy, bọt khí CO2 có khả năng chặn lỗ rỗng nhờ vào hiệu ứng Jamin, từ đó làm tăng cường sức cản trong môi trường rỗng. Khả năng chặn đạt giá trị tối ưu khi tỷ lệ khí:lỏng là 20% trong môi trường rỗng đồng nhất. Hơn nữa, bọt khí CO2 cho thấy khả năng kiểm soát dòng chảy tốt trong các khu vực có độ thẩm thấu cao và linh hoạt trong việc lưu thông qua các chỗ hẹp ở khu vực có độ thẩm thấu thấp.

3.1. Đánh giá khả năng chặn trong môi trường không đồng nhất

Trong các thử nghiệm với mô hình cát không đồng nhất, bọt khí CO2 vẫn duy trì hiệu suất quét tốt, điều này chứng tỏ rằng phương pháp này có thể được áp dụng hiệu quả trong các mỏ dầu có tính không đồng nhất cao, nơi mà các phương pháp tiêm CO2 truyền thống gặp nhiều khó khăn.

IV. Đánh giá hiệu suất phục hồi dầu

Chương này đánh giá hiệu suất phục hồi dầu từ các thử nghiệm tiêm bọt khí CO2. Các thử nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ 45oC, trong đó quy trình tiêm bao gồm việc tiêm nước muối trước khi tiêm bọt khí CO2. Kết quả cho thấy, khoảng 61,4% lượng dầu ban đầu đã được phục hồi sau 3 thể tích lỗ rỗng (PV) nước tiêm. Sau khi tiêm 5 PV bọt khí CO2, hiệu suất phục hồi dầu được cải thiện thêm 23,6%. Đặc biệt, trong mô hình cát không đồng nhất với tỷ lệ thẩm thấu thấp/cao là 1:4, việc tiêm bọt khí CO2 đã cải thiện tổng lượng dầu phục hồi lên tới 86,9%. Kết quả cho thấy rằng bọt khí CO2 rất có lợi cho việc phục hồi dầu nâng cao trong các mỏ dầu không đồng nhất.

V. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc tiêm bọt khí CO2 là một phương pháp hứa hẹn để cải thiện hiệu suất phục hồi dầu trong các mỏ dầu không đồng nhất. Những phát hiện chính từ nghiên cứu bao gồm khả năng chặn hiệu quả của bọt khí CO2 và sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất phục hồi dầu. Để tối ưu hóa quy trình này, cần có thêm các nghiên cứu sâu hơn về các điều kiện vận hành và tính chất của bọt khí trong các môi trường khác nhau. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến trong việc tạo ra và kiểm soát bọt khí CO2 sẽ mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp dầu khí trong việc nâng cao hiệu quả khai thác và bảo vệ môi trường.

09/01/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

STUDY ON ENHANCED OIL RECOVERY BY CO2 MICROBUBBLES INJECTION Le Nguyen Hai Nam September 2022 STUDY ON ENHANCED OIL RECOVERY BY CO2 MICROBUBBLES INJECTION A dissertation submitted to the Department of Earth Resources Engineering, Graduate School of Engineering, Kyushu University, Japan in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Earth Resources Engineering by Le Nguyen Hai Nam September 2022 ABSTRACT Injecting carbon dioxide (CO2) to enhance oil recovery (EOR) during the tertiary stage is expected to be a reasonable and sustainable method to dismiss greenhouse gas emissions. However, in many current CO2-EOR projects, their performance is not always achievable due to several drawbacks, such as density effect, gas channeling, and poor sweep efficiency in heterogeneous porous media. All those challenges limit the effectiveness of CO2-EOR and raise the additional cost. Therefore, it is supposed that using CO2 microbubbles would potentially overcome the challenges in the heterogeneous reservoir and promote a practical approach to achieving both oil improvement and CO2 sequestration goals.

Microbubbles – Colloidal Gas Aphrons (CGAs) have been reported as unique bubbles with micro-size (10-100 m) consisting of a multilayer shell of surfactant molecules and a spherical gaseous core. The previous studies reported the significant stability of microbubbles in comparison with conventional foam and their flow restriction ability. However, there have been few sufficient studies on the characteristic of CO2 microbubble and their selective plugging performance to improve oil recovery in the heterogeneous reservoir. In this thesis, CO2 microbubbles injection is proposed and examined with designed laboratory experiments.

Experimental study thoroughly includes CO2 microbubbles system generation, characteristics determination, and flow behavior in porous media from homogeneous sandpack and heterogeneous sandpack models. In addition, various features, consisting of CO2 microbubbles fluid characteristics, formation permeability, and operation conditions, were experimentally evaluated for their influences on flow performance in the simulated reservoir. Based on the findings from flow experiments in porous media, the oil recovery flooding scheme using CO2 microbubbles has been proposed and successfully performed in sandpack models. In conclusion, CO2 microbubbles injection is a promising method to overcome permeability differential issues in heterogeneous reservoirs, thereby enhancing CO2-EOR operation efficiency.

This thesis consists of five chapters. i Chapter 1 reviews the fundamental of the oil recovery process from literature. The overview of CO2-EOR was discussed with the associated challenges. Therein also highlighted the importance of microbubbles used in petroleum engineering.

The research problem statement and objectives were presented in that regard. Chapter 2 introduces the experimental process with an overview of measurement methods and analysis. It evaluated the effects of varying the concentrations of a xanthan gum (XG) polymer, a surfactant (sodium dodecyl sulfate: SDS), and sodium chloride (NaCl) on both the stability and bubble size distribution (BSD) of CO2 microbubbles. CO2 microbubble dispersions were prepared using a high-speed homogenizer in conjunction with the diffusion of gaseous CO2 through aqueous solutions.

The stability of each dispersion was ascertained using a drainage test, while the BSD was determined by optical microscopy and fitted to either normal, log-normal or Weibull functions. The results showed that a Weibull distribution gave the most accurate fit for all experimental data. Increases in either the SDS or XG polymer concentration were found to decrease the microbubble size. However, these same changes increased the microbubble stability as a consequence of structural enhancement.

Stability was also reduced as the NaCl concentration was increased because of the gravitational effect and coalescence. Chapter 3 investigates the plugging performance of CO2 microbubbles in both homogeneous and heterogeneous porous media through a series of sandpack experiments. First of all, CO2 microbubble fluids were generated by stirring CO2 gas diffused into polymer (Xanthan gum (XG)) and surfactant (Sodium dodecyl sulfate (SDS)) solution with different gas: liquid ratios. Then, CO2 microbubbles fluids were injected into single-core and dual- core sandpack systems.

The results show that the rheological behaviors of CO2 microbubble fluids in this study followed the Power-law model at room temperature. The apparent viscosity of CO2 microbubble fluid increased as the gas: liquid ratio increased. CO2 microbubbles could block pore throat due to the “Jamin effect” and increase the resistance in porous media. The blocking ability of CO2 microbubbles reached an optimal value at the gas:liquid ratio of 20 % in the homogeneous porous media.

Moreover, the selective pugging ability of CO2 microbubbles in dual-core sandpack tests was significant. CO2 microbubbles ii exhibited a good flow control performance in the high permeability region and flexibility to flow over the pore constrictions in the low permeability region, leading to an ultimate fractional flow proportion (50%:50%) in the dual-core sandpack model with a permeability differential of 1. The fractional flow ratio was considerable compared with a polymer injection. At the higher heterogeneity of porous media (0.0 darcy), CO2 microbubble fluid could still establish a good swept performance.

This makes CO2 microbubble fluid injection a promising candidate for heterogeneous reservoirs where conventional CO2 flooding processes have limited ability. Chapter 4 evaluates the performance of CO2 microbubbles on oil recovery from the single sandpack and parallel sandpack flooding tests. All flooding tests were conducted at 45oC. The flooding scheme consisted of the injection of brine water (20000 mg/L NaCl concentration) followed by the CO2 microbubble injection.

In the single sandpack flooding test, about 61.4 % of the original oil in place (OOIP) was recovered after 3 pore volume (PV) of water flooding.5 PV of CO2 microbubble was injected, which caused a blockage in pore spaces. The oil recovery was improved by 23.6% by the chase water flooding at the following stage. In the heterogeneous sandpack model with the low/high permeability ratio of 1:4, the CO2 microbubble could adjust to fractional flows in the heterogeneous reservoir and displace the remaining oil in the low permeability region. As a result, the injection of CO2 microbubbles improved the total oil recovery up to 86.9% compared to the injection of base solution with 75.

When the low/high permeability ratio of the parallel sandpack is reduced to 1:2, injecting CO2 microbubbles enhanced the oil recovery to 93. The displacement efficiency increases with the decrease of sandpack heterogeneity. The results suggest that CO2 microbubble is favorable to enhanced oil recovery in heterogeneous reservoirs. Chapter 5 concludes the present research by highlighting the major findings and further research suggestions.

iii TABLE OF CONTENTS ABSTRACT. I TABLE OF CONTENTS. IV LIST OF FIGURES. VII LIST OF TABLES.

XIII CHAPTER 1 INTRODUCTION .1 Enhanced Oil Recovery Using Carbon Dioxide (CO2-EOR).2 CO2 microbubbles – Colloidal gas aphrons. 10 CHAPTER 2 EXPERIMENTAL DESIGN AND CHARACTERIZATION OF CO2 MICROBUBBLES .1 Preparation of base solutions.2 Preparation of CO2 microbubble fluids .3 CO2 microbubble stability assessments.4 Determination of CO2 microbubble size .4 Results and Discussions .1 Visualization of CO2 microbubbles.3 CO2 microbubble size distribution .4 Factors affecting the BSD of CO2 microbubbles. 39 CHAPTER 3 FLOW PERFORMANCE OF CO2 MICROBUBBLES IN POROUS MEDIA .2 CO2 microbubble fluids preparation .3 Measurement of rheological property .5 Preparation of sandpacks .6 CO2 microbubble fluid flow tests .3 Results and Dicussions .1 Characterization of CO2 microbubbles .2 CO2 Microbubble Fluid Flow in Homogeneous Porous Media .3 CO2 Microbubble Fluid Flow in Heterogeneous Porous Media. 65 CHAPTER 4 EVALUATION OF ENHANCED OIL RECOVERY PERFORMANCE BY CO2 MICROBUBBLES FLOODING.3 Results and Discussion .1 Oil recovery in single sandpack .2 Oil recovery in parallel sandpack.

81 CHAPTER 5 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATION .1 Major findings of the research. 87 vi LIST OF FIGURES Figure 1.1 Long-term world energy consumption with projection to 2050(adapted from U. Energy Information Administration, October 2021) .2 Overview of oil recovery stages .1 Schematic diagram of the preparation of CO2 microbubbles: (1) Homogenizer, (2) Polymer and surfactant solution, (3) Porous stone (gas diffuser), (4) Gas flow meter, (5) Pressure regulator, (6) CO2 gas tank .2 Apparatus of CO2 microbubbles generation .3 Schematic process of drainage test .4 Set up for visualization of CO2 microbubbles: (1) Microscope, (2) charge- coupled device (CCD) camera, (3) computer, and (4) glass-slide.5 Analyzing procedure of a CO2 microbubbles sample. (a) Raw image, (b) 8-bit image enhanced by contrast, (c) Image after thresholding, (d) Bubbles counting and analyzing .6 The difference between CO2 microbubbles and conventional foam, introduced in their structure.7 Experimental photograph of CO2 microbubbles drainage with SDS ( 3g/L) and XG (0 g/L) .8 Effect of SDS concentration on the stability of CO2 microbubbles (with 0 g/L XG) .9 Effect of XG concentration on the stability of CO2 microbubbles (with 3 g/L SDS).10 Effect of NaCl concentration on the stability of CO2 microbubbles (with 3 g/L SDS and 5 g/L XG) .11 Micrographs of CO2 microbubbles: (a) S1 sample, (b) S2 sample, (c) S3 sample, (d) S4 sample, (e) S5 sample, (f) S6 sample, and (g) S7 sample.12 Bubble size distribution (BSD curves predicted by Normal, Log-normal and Weibull model for (a) S1 sample, (b) S2 sample, (c) S3 sample, (d) S4 sample, (e) S5 sample, (f) S6 sample, and (g) S7 sample.13 Q-Q plots for (a) S1 sample, (b) S2 sample, (c) S3 sample, (d) S4 sample, (e) S5 sample, (f) S6 sample, and (g) S7 sample.14 Influence of SDS concentration (1, 2, 3 g/L) upon bubble size.

(b) BSD at three SDS concentrations, experimental and fitted results are represented using icons and solid lines, respectively .15 Influence of XG concentration (1,3,5 g/L) upon bubble size. (b) BSD at three XG concentrations, experimental and fitted results are represented using icons and solid lines, respectively.16 (a) Influence of NaCl concentration (0, 10, 20 g/L) upon bubble size. (b) BSD at three NaCl concentrations, experimental and fitted results are represented using icons and solid lines, respectively .17 Microscopic views of CO2 microbubbles samples, 60 minutes after preparation (a) S1 sample, (b) S2 sample, (c) S3 sample. And (d) Bubble size distribution functions.18 Microscopic views of CO2 microbubbles samples, 60 minutes after preparation (a) S5 sample, (b) S4 sample, (c) S3 sample.

And (d) Bubble size distribution functions.19 Microscopic views of CO2 microbubbles samples, 60 minutes after preparation (a) S3 sample, (b) S6 sample, (c) S7 sample. And (d) Bubble size distribution functions.1 Diagram of the experimental setup for CO2 microbubble fluid flow in sandpacks.2 Flowchart of the experimental procedure.3 Micrographs of CO2 microbubbles with different gas:liquid ratios.4 Bubble size distribution of CO2 microbubbles with different gas: liquid ratios.5 Stability of CO2 microbubble fluids at different gas: liquid ratios.6 Values of (a) R2 and (b) RMSE of fitting models with CO2 microbubble fluids at different gas: liquid ratios.7 Fitting cures of Power-law model for CO2 microbubble fluids at different gas: liquid ratios.8 The plot of viscosity vs. shear rate for CO2 microbubble fluids at different gas: liquid ratios.9 (a) Injection CO2 microbubble fluid; (b) Produced fluid from sandpack; (c) Microscopic image of CO2 microbubbles in porous media.10 Schematic representation of blockage mechanism as CO2 microbubble enters the pore throat.11 Pressure drop changes during CO2 microbubble fluid injecting as a function of gas: liquid ratios. Pressure drop changes during CO2 microbubble fluid injecting into sandpack with different permeabilities.13 Pressure drop changes during CO2 microbubble fluid injecting with different flow rates.14 Fractional flows of (a) CO2 microbubble fluid with  = 20% and (b) XG polymer solution (5000 mg/L) in dual-core sandpack (permeability ratio of 1.15 Pressure drops of CO2 microbubble fluid with  = 20% and XG polymer solution (5000 mg/L) in dual-core sandpack (permeability ratio of 1.16 Schematic illustration of the flow of CO2 microbubble fluid in heterogeneous porous media.17 Fractional flows of CO2 microbubble fluid with  = 20% in dual-core sandpacks with different permeability ratios: (a) 0.18 Pressure drops of CO2 microbubble fluid with  = 20% in dual-core sandpacks with different permeability ratios: 0.1 General sketch of problem in this chapter .2 Size distribution of CO2 microbubbles .3 Schematic of sandpack flooding test .4 Oil recovery performance from single sandpack flooding test.5 Oil displacement in micrometers scale and corresponding effluents at the flooding stages ( major flow) .6 Fractional flow in parallel sandpack with base solution injection (Permeability ratio of 1:4) .

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Luận văn thạc sĩ "Phục hồi dầu nâng cao bằng tiêm bọt khí CO2" của tác giả Lê Nguyễn Hải Nam tại Trường Đại học Kyushu, năm 2022, nghiên cứu về phương pháp tiêm bọt khí CO2 nhằm cải thiện hiệu suất phục hồi dầu. Bài viết cung cấp cái nhìn sâu sắc về các kỹ thuật và ứng dụng của công nghệ này trong ngành khai thác dầu khí, từ đó mở ra hướng đi mới cho việc tối ưu hóa quy trình khai thác tài nguyên.

Để mở rộng thêm kiến thức về các nghiên cứu liên quan, bạn có thể tham khảo bài viết Cấu trúc nano vàng bạc trên silic trong nhận biết phân tử hữu cơ bằng tán xạ Raman, nơi khám phá ứng dụng của các vật liệu nano trong công nghệ hiện đại. Bên cạnh đó, bài viết Dầu sinh học omega 3 6 từ vi tảo Schizochytrium mangrovei TB17 và lợi ích cho sức khỏe cũng là một tài liệu hữu ích, giúp bạn hiểu rõ hơn về các loại dầu sinh học và ứng dụng của chúng trong y học và dinh dưỡng. Cuối cùng, bài viết Hoạt tính sinh học của hợp chất tử vi nấm biển tại miền Trung Việt Nam sẽ cung cấp thêm thông tin về các hợp chất tự nhiên và tiềm năng ứng dụng của chúng trong ngành hóa học và sinh học.

Những tài liệu này không chỉ giúp bạn mở rộng kiến thức mà còn cung cấp những góc nhìn khác nhau về các chủ đề liên quan đến nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực khoa học tự nhiên.