From innovative microfluidic evaluations to field applications of Alkali-Polymer EOR
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Anwendung von Alkali-Polymer (AP) im österreichischen Matzen Feld und einem von der OMV betriebenen rumänischen Feld vorgestellt. Besonders hervorgehoben wird die Integration der Mikrofluidiktechnologie im EOR-Verdrängungsprozess, wobei der Fokus auf AP unter Laborbedingungen und dessen weitere Umsetzung im Feldszenario liegt. Der kumulative Teil setzt sich aus vier Publikationen zusammen, die drei verschiedene potenzielle Feldprojekte abdecken und entsprechend die Ausarbeitung von Feldversuchen darstellen. Diese Arbeiten zielten darauf ab, Mikrofluidiktechnologie zu integrieren, um Untersuchungsverfahren zu optimieren, die Effizienz zu verbessern und die Betriebskosten zu senken. Die Hauptbeiträge und Erkenntnisse sind in folgende sechs Hauptbereiche gegliedert. Als erstes werden die Effekte des AP Flutens im Hinblick auf Reaktivität mit einem Öl mit einer hohen Gesamtsäurezahl als eine effiziente EOR-Methode für die 16TH Lagerstätte im österreichischen Matzen Feld untersucht. Der Einfluss von rekombiniertem Öl auf das Phasenverhalten und die Verdrängungseffizienz ist signifikant, da das Vernachlässigen der Gaseffekte in gasfreien Ölexperimenten den inkrementellen Förderfaktor um 15% unterschätzt. Experimente und Analysen wurden mittels Viskositätsmessungen und Alkali-Phasentests mit ausgegasten und rekombienierten Öl Proben mit einer hohen Gesamtsäurezahl durchgeführt. Nachfolgend wurden Mikrofluidik Experimente vorgenommen, um die Auswirkungen auf die Verdrängungseffizienz im Porenmaßstab zu verstehen. Zweitens werden Mikromodell- und Kernflutversuche für die 8TH-Lagerstätte im selben Matzen-Feld vorgestellt. Es werden weitreichende Kriterien zur Auswahl von drei verschiedenen Polymeren für die heterogene Lagersätte ausgearbeitet und evaluiert. Hierzu wurden Mikromodelle mit zwei Permeabilitätsschichten auf Basis der physikalischen Eigenschaften des Bentheimer Sandsteins konstruiert. Die Studie ergab, dass eine engere Molekulargewichtsverteilung in Polymeren zu weniger Absorption und besserer Injektivität führt. Bei dem zweiphasen Kernfluten konnte gezeigt werden, dass eines der Polymere nicht injiziert werden konnte. Die Ergebnisse stimmen mit den Flutsexperimenten aus der Mikrofluidik überein. Als Fortsetzung zur der Studie in der 8TH Lagerstätte konzentrierte sich der nächste Schritt darauf, die Verwendung von Polymeren in Kombination mit Alkali zur Verbesserung der \Virtschaftlichkeit des Projekts zu optimieren. Der Ansatz bestand darin, ,,gealterte" Polymerlösungen zu verwenden, um Reservoirbedingungen zu reproduzieren und die Verdrängungseffizienz, sowie die Polymeradsorption zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Polymerhydrolyse bei hohem pH-\Vert zunimmt, was zu einer um 60% höheren Viskosität in AP-Lösungen führt. Mikromodell Experimente zeigen reproduzierbare Ölförderungswerte von 80% in Zonen hoher Permeabilität und 15% in Zonen niedriger Permeabilität. Ebenfalls wurde festgestellt, dass Polymerlösungen mit niedrigerer Konzentration, die in Alkali gealtert wurden, dieselbe Verdrängungseffizienz wie nicht gealterte Polymere aufweisen. Nach einer erfolgreichen Bewertung von AP Anwendungen im Matzen Feld untersuchte die Studie anschließend ein rumänisches Feld. Mittels AP Fluten galt es als Ziel dieser Studie die Verdrängung des hochviskosen Öls erheblich zu optimieren. Für die Auswahl passender Chemikalienkonzentrationen wurden die Ergebnisse der Phasentests, Mikromodell und Kernflutexperimente als Bewertungsmaßstäbe hinzugezogen. Mit den aus Laboruntersuchungen erzeugten Ergebnissen wurden die Versuchsprojekte in der 8TH Lagerstätte eingeleitet. Zunächst wurden „Partitioning Inter-Well Tracer Tests" (PITTs) durchgeführt, um die verbleibende Ölsättigung (Sor) nach der AP Injektion zu ermitteln. Kernflutexperimente und PITTs wurden im Matzen 8TH und 16TH durchgeführt, um Labor und Feldergebnisse zu vergleichen. Der Fokus dieses Feldversuchsprojekts lag in der Auswahl eines Polymerprodukts, welches die signifikantesten Vorteile für die Produktion und den Betrieb bietet. Die AP Injektionen im Feldversuch liefen im zweiten Quartal 2023 an und sollen bis Ende 2024 fortgesetzt werden. Die Disseration liefert neben signifikanten Forschungsergebnissen, die die Mikrofluidik Technologie auf eine höhere Stufe der Technologiebereitschaft (TRL) für EOR Anwendungen bringen, wichtige Impulse für einen verbesserten Arbeitsablauf in der zukünftigen Forschung und Anwendung. Damit konnte ein wesentlicher Beitrag zur Erforschung der Relevanz von Visualisierungsprozessen im Porenmaßstab geleistet werden. Die vorliegende Studie definiert nicht nur experimentelle Methoden im EOR Bereich neu, sondern hebt auch die skalierbaren Vorteile der Mikrofluidik Technologie hervor, um Kosten zu senken und die Vorauswahl von EOR Produkten zu beschleunigen. Auf Grundlage dieser Arbeit konnte mittels Visualisierung und Verständnis der \Vechselwirkungen von Fluiden und AP EOR-Mechanismen im Mikromaßstab ein chemischer „Cocktail" für eine Feldanwendung selektiert werden. Infolgedessen wird der konventionell erforderliche Laborfußabdruck erheblich reduziert. Die Implementierung von Mikrofluidik reduziert die Menge an umfangreichen konventionellen Untersuchungen, indem sie schnelle und aufschlussreiche Experimente bietet. Somit konnte die hier vorgestellte Mikrofluidik Technologie erfolgreich weiterentwickelt und implementiert werden.
Chemical Enhanced Oil Recovery (cEOR) methods have been proven important
for optimizing oil recovery from depleted oil reservoirs. Among cEOR techniques,
Polymer (P) flooding is technically proven as effective due to the increased
viscosity of the displacing fluid. When in combination with other chemical agents
e.g., Alkali (A), Surfactants (S), the oil recovery has shown to be more effective.
To define effectiveness and compatibility of cEOR methods with the specific
reservoir, tailored laboratory investigations are of need. Apart from being
deployed in other industries for investigations, microfluidics technologies have
found its use in the oil and gas industry within the last decade. For instance, for
pressure-volume-temperature (PVT) fluid testing or for fast screening and
visualizing pore scale displacement processes of cEOR.
Within this cumulative dissertation key contributions on the understanding of
alkali-polymer (AP) application in the Austrian Matzen field and a Romanian
field operated by OMV are provided. Spotlighting the integration of microfluidics
technology in EOR, here the focus goes on the screening of AP in laboratory
settings and further validity in the field scenario.
Through a combination of four high impact publications covering three different
potential field projects and conception of field pilot accordingly, this research
demonstrates and provides strong arguments how microfl uidics technology was
extensively used to optimize procedures, improve efficiency, and lower operational
costs. The main contributions and findings are clustered in 6 main areas.
First, the effects of AP flooding on high total acidic number (TAN) oil are
investigated as an efficient EOR method for the 16TH reservoir in the Austrian
Matzen field. Phase behavior tests reveal that the generated emulsions are
thermodynamically unstable macro-emulsions. The impact of using live oil on the
phase behavior and displacement efficiency is significant, as neglecting the gas
effects in dead oil experiments underestimates the incremental recovery factor by
over 15%. Experiments and analysis were conducted on live and dead high-TAN
oil, using viscosity measurements and alkali phase behavior scans. Microfluidic
experiments were conducted to understand the displacement efficiency effects on
pore scale. Second, micromodel and coreflooding evaluations for the 8TH reservoir in the
Austrian Matzen field are presented. Key elements for selection among three
different polymers for the heterogenous reservoirs are given. Two-layered
micromodels were constructed based on Bentheimer sandstone physical
characteristics. The impacts of injectivity and displacement efficiency were
assessed using single and two-phase coreflooding experiments. The study found
that narrower molecular weight distribution (MWD) in polymers resulted in less
retention and better injectivity. Two-phase core floods showed that one of the
polymers could not be injected, with pressure response remaining high even when
chase brine is injected which was in accordance with microfluidic flooding
experiments.
As a continuation for the 8TH reservoir, the next step focused on optimizing
the use of polymers in combination with alkali to improve project economics. The
approach was to use aged polymer solutions to mimic reservoir conditions and to
compare displacement efficiencies and polymer adsorption. Results show that
polymer hydrolysis increases at high pH, leading to 60% higher viscosity in AP
solutions. Micromodel experiments show reproducible recoveries of 80% in high
permeability zones and 15% in low-permeability zones. It was also shown that
lower concentration polymer solutions aged in alkali show the same displacement
efficiency as non-aged polymers.
Subsequently, with a successful assessment of AP in the Matzen field, the study
then investigated a Romanian field, showing that alkali-polymer flooding can
significantly improve oil production by efficiently mobilizing the highly viscous oil.
The evaluation used phase behavior assessments, micromodel and coreflooding
experiments to select appropriate chemical concentrations.
With the results obtained from laboratory investigations, pilot testing in the
fields was initiated for 8TH. First, Partitioning Inter-Well Tracer Tests (PITTs)
were conducted to evaluate remaining oil saturation (Sor) after AP injection.
Coreflooding experiments and PITTs were performed in the Matzen 8. TH and
16.TH to compare laboratory and field results. Second, following this work's
extensive laboratory investigation in collaboration with OMV, it was decided to
advance to a field pilot project, selecting the polymer product that offers the most
benefits for production and operation. Alkali Polymer flooding began in the second quarter of 2023 and is scheduled to continue to the end of 2024. A
breakthrough of the Alkali Polymer is anticipated the third quarter of 2024.
Finally, an additional contribution of this thesis is the boost of microfluidics
technology in the Technology Readiness Level (TRL) scale for EOR applications,
providing a robust framework for future research and implementation. This
comprehensive study not only redefines experimental methodologies in EOR but
also highlights the scalable benefits of microfluidics technology in reducing cost
and accelerating EOR screening.
Overall, the dissertation successfully manages to optimize a chemical cocktail
for a field application through detailed microfluidics visualization and
understanding of fluid interactions and alkali-polymer EOR mechanisms on a
microscale, significantly reducing the laboratory footprint traditionally required.
This shift reduces the amount of extensive conventional investigations by utilizing
quick and insightful micromodel experiments. Thus, successfully maturing and
implementing the here applied microfluidics technology stronger highlights its
importance and need of integration in laboratory workflows.
Preview
Cite
Access Statistic
Rights
Use and reproduction:
