Numerical Modeling of Flow in Karst Reservoirs

Numerical Modeling of Flow in Karst Reservoirs. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
PhD_Dissertation_Sarim_Jamal_OnlineCopy_12Aug2018.pdf
Restricted to Repository staff only until 12 August 2020.

Download (9MB)

Arabic Abstract

إن محاكاة تدفق السوائل في خزانات الحجر الجيري هي مهمة صعبة بالنسبة لمجال النفط و الغاز. تزداد هذه الصعوبات في خزانات الكارست لوجود بعض الظواهر الجولوجية مثل التشققات و الفجوات و الكهوف و التي تكون بابعاد دقيقه او كبيره و التي تؤدي الي وجود مناطق ندفق حر و بالمجمل تؤدي الي تعقيد طبيعة تدفق السوائل. يتناول هذا البحث محاكاة حركة السوائل في خزانات الكارست التي تحتوي علي ظواهر جولوجية كبيره المقياس مثل الكهوف. ان السبب الرئيسي للبحث في هذا الموضوع هو قابلية الكهوف لتخزين كميات ضخمة من الهيدروكاربونات بالاضافة الي انها تسهل حركتها في باطن الارض. في هذا البحث سوف نستخدم معادلة برينكمان لمحاكاة حركة السوائل. ان الدافع وراء استخدام هذه المعادلة هو انها تقوم بدمج حركة السوائل في كل من النسيج الصخري و مناطق التدفق الحر في معادلة واحدة و بالتالي تقليل الخطء الناتج عن محاكاة السطح المشترك بينهم. في هذا البحث حاولنا إجراء دراسات محاكاة للتدفق ونقل الشوائب في مكامن الكارست باستخدام معادلة برينكمان على نطاق ميداني. تم إجراء مقارنات مع نموذج دارسي وقد تم دراسة تأثير رقم بيكلت على نقل الشوائب. كما قمنا ايضا بدرسة ظروف التدفق غير المستقر في مكامن الكارست المائية عن طريق اضافة جزء التدفق غير مستقر لمعادلة برينكمان. لقد قمنا بحل معادلات بقاء الكتلة للشوائب في حالة السريان غير المستقر في طبقات المياه الجوفية الكارستية ودرسنا تأثيرات ظروف التدفق غير المستقر على نقل الشوائب في نموذجين مختلفين من طبقات المياه الجوفية ومقارنتها بالنتائج التي تم الحصول عليها من معادلة برنكمان المستقرة. معظم الطرق المتاحة لمحاكة ظروف التدفق في خزانات الكارست تتطلب وقت كثير مثل معادلة برينكمان او معادلة دارسي ستوك او انها غير دقيقة مثل معادلة دارسي. في هذه الدراسة قمنا بتطوير نموذجين بديلين ( نمذجة القطاعات و نموذج دارسي مع توزيع نفاذية محسنة DMOPD) و كلاهما يعطي نتائج متماثلة الي حد كبير مع نموذج برينكمان ولكن بوقت اقل للحسابات. في النهاية قمنا بتعديل معادلة برنكمان لكي تكون ملائمة لنمذجة سائلين في خزانات الكارست. لقد قمنا ايضا باستخدام DMOPD لمحاكاة حركة النفط و الماء في خزانات الكارست.

English Abstract

Modelling and simulation studies of fractured carbonate reservoirs is a challenging problem in the oil and gas industry. This challenge increases furthermore in Karst reservoirs, due to the presence of geomorphological features such as fractures, vugs, and caves etc. on a micro and macro scale, which introduce complex flow regimes due to introduction of non-Darcy flow in the free flow region. This research deals with modelling flow in karst reservoirs while taking into consideration the heterogeneities introduced, due to macro scale features, such as caves. The motivation to model flow in caves lies in the fact that caves are responsible for large hydrocarbon accumulation and also acts as highly permeable conduits for flow. In this work we will use the Brinkman’s equation to model flow in karst reservoirs. The use of Brinkman’s equation is motivated by the fact that it simplifies the numerical modelling by allowing the use of a single equation to model the effect of both free flow and porous regions, thus in effect reducing the error due to improper modelling of the interface between the two regions. In this research we have attempted to perform simulation studies of flow and tracer transport in karst reservoirs using the Brinkman’s equation on a field scale. Comparisons have been made to the Darcy’s model and the effect of Peclet number on tracer transport have been studied. We have also considered the effects of unsteady flow conditions in karst aquifers by assessing the addition of an unsteady flow term to the Brinkman’s equation. We solved the coupled mass conservation-transport equations that models unsteady fluid transport in karst aquifers and studied the effects of unsteady flow conditions on tracer transport in two different sample aquifers and compared to the results obtained from the steady flow Brinkman’s equation. The methods available to model flow within karst reservoirs are either computationally expensive (Brinkman’s model or Darcy-Stokes model) or provides inaccurate results (Darcy’s model). In this research we have developed two different alternative models (Sector Modelling Approach and Darcy Model with Optimized Permeability Distribution (DMOPD) Approach), that provides excellent match with the Brinkman’s model but is computationally very cheap. Finally, we have modified the Brinkman’s equation to model two phase flow within karst reservoirs. We have also used the DMOPD approach to simulate two phase flow of oil-water in karst reservoirs.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Petroleum > Reservoir Modelling and Simulation
Divisions: College Of Engineering Sciences > Petroleum Engineering Dept
Committee Advisor: Awotunde, Abeeb A.
Committee Members: Abdulraheem, Abdulazeez and Al-Yousef, Hasan Y.A. and Almohammed, Mayiz A. and Fairag, Faisal A.
Depositing User: MD JAMAL (g201310390)
Date Deposited: 05 Nov 2019 11:25
Last Modified: 06 Nov 2019 08:31
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140792