AN INVESTIGATION OF GEMINI SURFACTANT ADSORPTION ON CARBONATE ROCKS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Ph.D. Dissertation) Ph.D. Dissertation Shams Kalam g201306530 - Final Version.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 4 April 2024. Download (6MB)

Arabic Abstract

يعد إمتزاز الفاعل النشط السطوحي (فنس) من أكبر التحديات التي تواجه طرق الإستخلاص المعزز الكيميائي للزيت المستندة على حقن محاليل الفنس، حيث أنه يؤثر سلبا على إقتصاديات و كفاءة مثل مشاريع الإستخلاص هذه. يتمحور هذا البحث حول تخفيض إمتزاز فنس من نوع جمناي موجب القطبية تم إبتكاره في الجامعة على بعض معادن صخور المكامن إضافة إلى عينات من نتوءين سعوديين لحجر الدولومايت. يتميز هذا الفنس بتحمله لدرجات الحرارة العالية كما يظهر ذوبانية ممتازة في الأجاجات مرتفعة الملوحة نظرا للتموضع المناسب لوحدات الإثوكسي بين الرأس المحب للماء و الذيل الكاره للماء في جزيء الفنس. و تظهر هذه الدراسة أساليب واعدة لخفض إمتزاز هذا الفنس البديع على مختلف أنواع صخور المكامن. تم توصيف الصخور بواسطة تقنيات إنحراف الأشعة السينية و إستشعاع الأشعة السينية و التحليل الطيفي لدون الحمراء بواسطة إبدال فورييه و المسح الألكتروني الميكروسكوبي. كذلك إستخدمت كروماتوغرافيا السوائل ذات الأداء العالي مدمجة مع كاشف للتبخر الضوئي المشتت لقياس إمتزاز الفنس. كما أجريت قياسات كلا من الإمتزاز الساكن و المتحرك. تم في البدء التحقيق في آلية إمتزاز الفنس. و يقترح أن طبقة مزدوجة ذات بنية تصابعية تتكون على الصخور الكربونية بينما الطبقة المزودجة التي تتكون على الصخر الرملي لا تكون كذلك. و بالتحقيق في إمتزاز الفنس على معادن منفردة كشف أن معادن الطين أبدت تأثيرات سلبية اكبر بالمقارنة مع المعادن السيلكونية كالكوارتز و فلسبار البوتاسيوم. أما على المعادن الكربونية كالكلسايت و الدولومايت فكان الإمتزاز ضئيلا. و لقد إتبعت ثلاث إستراتيجيات لتقليل إمتزاز الفنس على الصخور الكربونية. (1) تم إختبار الميثيلين الأزرق، و هو مثبط بديع للإمتزاز. و بإضافة الميثيلين الأزرق بتركيز 500 جزء في المليون لمحلول الفنس تم خفض إمتزاز الفنس على عينات الدولومايت السعودي بواقع ثمان مرات. و لذا يقترح أن جزيئات الميثيلين الأزرق تنشيء جسرا بين الفنس موجب القطبية و بين المواقع سالبة القطبية على السطح الصلب مما يحدث تنافرا كهربيا ساكنا، و الذي بدوره يخفض من إمتزاز الفنس. (2) تم تحليل وقع نقطة الشحن الصفرية للصخور. فبإضافة حمض النمليك (الفورميك) بتركيز 1% تم خفض الرقم الهيدرجيني لمحلول الفنس إلى دون نقطة الشحن الصفرية مما أدى إلى خفض إمتزاز الفنس نتيجة للتنافر الكهربي الساكن. كما أدت هذه الإضافة إلى تقليص الإمتزاز الساكن للفنس على حجر دولومايت دولف و حجر دولومايت غف و حجر انديانا الجيري إلى 0.16 و 0.14 و 0.13 مغ/غم على التوالي. (3) تم أيضا التحقيق في تأثير الماء منخفض الملوحة. فبتوسعة الطبقة الكهربية المزدوجة تم خفض كلا من الإمتزاز الساكن و المتحرك للفنس على حجر انديانا الجيري إلى 0.18 و 0.11 مغ/غم على التوالي و ذلك بإستخدام مياه الخليج العربي مخففة عشر مرات لتحضير محلول الفنس.

English Abstract

Surfactant adsorption has been a great challenge for surfactant-based chemical enhanced oil recovery (cEOR) techniques as it adversely affects the overall economics and efficiency of a cEOR project. This research focuses on reducing adsorption of an in-house, synthesized, cationic, Gemini surfactant (GS12) on some reservoir rock minerals as well as two Saudi dolomite rock outcrops. GS12 is tolerant of high reservoir temperatures and exhibits excellent solubility in high salinity brines due to the proper placement of ethoxy units between the hydrophilic head and hydrophobic tail group of the surfactant molecule. This study’s findings show very promising techniques to reduce adsorption of this novel surfactant on various reservoir rock types. Rock characterization was carried out using X-Ray Diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and scanning electron microscopy (SEM) techniques. High-performance liquid chromatography (HPLC) integrated with an evaporative light scattering detector (ELSD) were utilized to measure surfactant adsorption. Both static and dynamic adsorption tests were conducted. The adsorption mechanism of GS12 was first investigated. It is proposed that an interdigitated bilayer forms on carbonate rocks whereas in sandstone rock a non-interdigitated bilayer forms. Investigating GS12 adsorption on individual minerals revealed that clay minerals showed more negative effects as compared to silicate minerals (quartz and K-feldspar). Carbonate minerals (calcite and dolomite) showed very little adsorption. To reduce GS12 adsorption on carbonate rocks three strategies were investigated. (1) Methylene blue (MB) - A novel adsorption inhibitor – was tested. Adding 500ppm MB to the GS12 solution caused a reduction of about eight times to the surfactant’s adsorption on the Saudi dolomite samples. It is proposed that MB molecules form a bridge between the cationic GS12 and the negative binding sites of the adsorbents, resulting in electrostatic repulsion, which consequently reduces surfactant adsorption. (2) The impact of rock’s point of zero charge (PZC) was analyzed. Adding 1% formic acid lowered the surfactant solution’s pH below PZC, resulting in GS12 adsorption reduction due to electrostatic repulsion. Such addition also decreased GS12 static adsorption values on Guelph dolomite, Guff dolomite, and Indiana limestone to 0.16, 0.14, and 0.13 mg/g-rock, respectively. The dynamic adsorption of GS12 on Indiana limestone was reduced to 0.041 mg/g-rock. (3) The effect of low salinity water (LSW) was investigated as well. By expanding the electric double layer, the static and dynamic adsorption of GS12 on Indiana limestone was reduced to 0.18 and 0.11 mg/g-rock, respectively, using ten times diluted Arabian Gulf water to prepare the GS12 solution.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Petroleum > Enhanced Oil Recovery
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Abu-Khamsin, Sidqi A.
Committee Co-Advisor:	Patil, Shirish
Committee Members:	Kamal, Muhammad Shahzad and Mahmoud, Mohamed and Mohanty, Kishore
Depositing User:	Mr. SHAMS KALAM
Date Deposited:	06 Apr 2023 08:33
Last Modified:	06 Apr 2023 08:33
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142364