Reaction Kinetics of Fresh & Spent Acid in Dolomite Rock at High Pressures. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis_writeup_draft___complete.pdf - Published Version Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

تقوم عملية تحفيز ابار البترول بتحميض الصخور الكربونية بزيادة مساحة النفاذية وذلك بالتفاعل مع الصخر وتكوين ثقوب ممتدة بالقرب من مدخل البئر. خلال عملية التحميض يتم التحكم في شكل وسرعة تكون الثقوب الحلزونية (wormhole) الممتدة بواسطة معدل الحقن ومعامل انتشار الحمض. من السهل الحصول على معدل الحقن خلال العملية، إلا ان معامل الانتشار يكون عادة مجهول نسبة لنوع السائل وظروف التفاعل. بناءً على الدراسات السابقة، عادة يتم اخذ معامل الانتشار في عملية تصميم الثقوب الحلزونية عند ضغط 1000 رطل لكل بوصة مربعة والذي يعتبر منخفض مقارنة بالظروف الحقيقية للمكامن. إضافة الى ذلك، فإن نماذج التثقيب الحالية تستخدم معامل انتشار الاحماض المركزة وهو ما يؤدي الى زيادة التوقع في معاملات الانحلال نتيجة لتجاهل امتداد الثقوب داخل الطبقات. و للقيام بقياس امتداد الثقوب بصورة مثلى يجب استخدام معامل انتشار في ظروف مشابهة لظروف استهلاك الحمض وعلى ضغط مماثل لضغط المكمن. في هذا البحث تمت دراسة معاملات انتشار حمض الهيدروكلوريك عند تفاعله مع صخور الدولومايت. تم استخدام جهاز القرص الدوار للحصول على حركية التفاعل في ظروف ضغط عالية عند سرعات دوران متفاوتة (250 – 1250 دورة في الدقيقة) وذلك عند درجة حرارة تعادل 65 درجة مئوية. تم تحليل عينات من الحمض المستهلك باستخدام جهاز الامتصاص الذري الطيفي. إضافة الى ذلك تم مسح الأقراص باستخدام التصوير المقطعي الدقيق باستخدام الاشعة السينية للحصول على صور ثلاثية الابعاد. تم القيام بالمجموعة الأولى من التجارب باستخدام تركيز ثابت لحمض الهيدروكلوريك يعادل 15 % من الحجم، اما المجموعة الثانية فقد استخدمت فيها قيم متفاوتة لتراكيز الحمض المستهلك (12.5، 10 و7.5 % من الحجم). من خلال التجارب تبين ان معدلات التحلل ومعامل الانتشار تقل قيمتهما عند درجات الضغط العالية وذلك بسبب تكون غاز ثاني أكسيد الكربون والذي تزيد ذوبانيته ويميل الى حجز انتشار ايون الهيدروجين من المحلول الى الصخر. في المقابل، وجد ان هنالك نقصان طفيف في النتائج عندما تم استهلاك حمض الهيدروكلوريك بنسبة 12.5% من الحجم وذلك بسبب ضغط تفاعل صخر الدولومايت. علاوة على ذلك، يعتبر تفاعل حمض الهيدروكلوريك مع الصخر عملية انتقال مادة محدودة عند السرعات المنخفضة لدوران القرص في حين ان التفاعل يكون محدود عند السرعات العالية للقرص الدوار. إضافة الى ذلك فقد تأثر معامل الانتشار بشكل كبير بمسامية الصخر نسبة لاختلاف مساحة سطح التفاعل وهو ما ادي الى زيادة معدلات التحلل والتي تم ملاحظتها بواسطة التصوير المقطعي الدقيق باستخدام الاشعة السينية. يمكن استخدام معلومات التفاعل الحركي المتحصل عليها في تصميم عمليات التحميض وهو ما سيساعد على التنبؤ الموثوق بمعاملات التفاعل لمعدل حقن الحمض والحجم وجدولة الضخ، الذي سينعكس على دقة التنبؤ بالإنتاج.

English Abstract

Carbonate matrix acidizing extends a well’s effective drainage radius by dissolving rock and forming wormholes near the wellbore. Wormholing during matrix acidizing of carbonate reservoirs is controlled by the fluid injection rate and acid diffusion coefficient (De) which dictates the speed and profile of the wormholes. Injection rate is easily obtained from the job execution whereas the diffusion coefficient is unknown parameter of the fluid and reaction conditions. Acid diffusion coefficient data used in modelling of wormholing processes are commonly obtained at 1000 psi system pressure, which is too low to represent realistic reservoir conditions. Moreover, the conventional wormhole models use the diffusion coefficient of fresh acid to predict the wormholing process which overestimates the dissolution rate as it is not representative of the wormhole penetration deeper into the formation. In order to properly quantify the acid penetration inside the formation, the diffusion coefficient of acid acquired from high pressure reservoir conditions and representing the level of acid spending at the tip should be employed. In this research, the effects of diffusion coefficients of HCl acid as it reacts with pure dolomite rock disks were investigated. A rotating disk apparatus was used to obtain the reaction kinetics data at high pressure conditions at various disk rotational speeds (250 – 1250 rpm) at a temperature of 65ºC. Samples of the reacted acid were collected and analyzed using Atomic Absorption Spectroscopy. In addition, the disks were scanned using X-ray micro computed tomography to characterize the 3D image of the disks. The first set of experiments were conducted using 15 wt. % HCl concentration whereas the second set of experiments were conducted at various spent acid concentrations (12.5, 10 & 7.5 wt. %). It was concluded that dissolution rates and diffusion coefficient decreased at high pressure condition since CO2 was more soluble in aqueous solution and tends to buffer the diffusion of hydrogen ions from the bulk to the rock surface. On the other hand, when the fresh acid was spent to 12.5 wt. %, there was a slight decrease in the diffusion coefficient results because of the slow reaction rate of dolomite. Moreover, HCl/dolomite reaction was mass transfer limited at low disk rotational speeds and reaction limited at high disk rotational speeds. In addition, diffusion coefficient was significantly affected by rock porosity due to variation in surface reaction area which caused increase in dissolution rates as observed by Micro XCT images of the reacted disk. The new set of kinetics data can be implemented in acidizing job design model which can provide more reliable parameters estimation such as acid injection rate, volume, pumping schedule leading to more accurate production forecast.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum Petroleum > Well Completion and Stimulation
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Sultan, Abdullah
Committee Members:	Khamsin, Sidqi Abu and Abbad, Mustapha
Depositing User:	MUHAMMAD ALI KHALID (g201207660)
Date Deposited:	09 Mar 2015 08:35
Last Modified:	01 Nov 2019 15:45
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139476