INVESTIGATION OF CO2 HYDRATE FORMATION KINETICS AND PORE-SCALE DYNAMICS FOR ENHANCED CARBON SEQUESTRATION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Final Thesis - Muhammad Habiburrahman) Muhammad Habiburrahman-Thesis_v7.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 8 January 2026. Download (5MB)

Arabic Abstract

يعتبرتخزين ثاني أكسيد الكربون على شكل هيدرات في البيئات الجوفية الباردة احدى الطرق البديله للتغلب علىتحدي الحد من انبعاثات الكربون نظرًا لقدرتها على الحبس المستقر طويل الأجل. تستكشف هذه الدراسة السلوك على مستوى المسام وعلى مستوى الرقائق لهيدرات ثاني أكسيد الكربون في الوسائط المسامية الدقيقة، مع التركيز على تكوينها وتوزيعها وديناميكيات انتشارها تحت ظروف ديناميكية حرارية وحركية محكومة. تم استخدام نظام ميكروفلويديك يعمل عند درجات حرارة منخفضة وضغط عالٍ (LTHP) مع تقنيات تصوير متقدمة لتوصيف شكل الهيدرات ونموها، بينما تم استخدام جهاز الضغط العالي المزود بتقنية التحريك والتحليل الزمني المؤتمت (HPS-ALTA) لتقييم حركية المضافات الكيميائية تحت ظروف التبريد المستمر. على مستوى المسام، شكلت هيدرات ثاني أكسيد الكربون السائلة هياكل ثابتة تملأ المسام مما أدى إلى تقليل كبير في النفاذية، بينما مرت هيدرات ثاني أكسيد الكربون الغازية بمرحلتين من التحول من مراحل داكنة مسامية إلى مراحل شفافة غير مسامية. على مستوى الرقائق، تأثر توزيع ثاني أكسيد الكربون وانتشار الهيدرات بشكل كبير بمعدلات الحقن ودرجات التبريد الفائق، حيث عززت المعدلات العالية التولد النواتجي الناتج عن القص، وسرعت درجات التبريد الفائق النمو عبر تعزيز القوى الدافعة الديناميكية الحرارية. كشف تقييم المضافات الكيميائية المبتكرة، بما في ذلك الفاعل السطحي المزدوج (GS-12) والطين العضوي القابل للذوبان في الماء (Laponite-RD)، عن آليات مميزة مثل تقليل التوتر السطحي، وتكوين المذيلات، وتعديل تفاعلات الماء مع ثاني أكسيد الكربون. أظهر GS-12 وSDS أداءً متفوقًا في تسريع تكوين الهيدرات وتحسين سعة تخزين ثاني أكسيد الكربون على المستويين المجهري والرقائقي، متفوقين على العوامل الديناميكية الحرارية مثل التتراهيدروفوران (THF). تقدم هذه النتائج رؤى حاسمة حول آليات تكوين الهيدرات والاستخدام الاستراتيجي للمضافات لتعزيز تخزين .الكربون في البيئات الجوفية الباردة

English Abstract

The challenge of mitigating carbon emissions has driven interest in storing CO2 as hydrates within cold subsurface environments, utilizing their potential for stable, long-term sequestration. This study explores the pore-scale and chip-scale behavior of CO2 hydrates in microfluidic porous media, focusing on their formation, distribution, and propagation dynamics under controlled thermodynamic and kinetic conditions. A low-temperature, high-pressure (LTHP) microfluidic system combined with advanced imaging techniques was employed to characterize hydrate morphology and growth, while a High-Pressure Stirred Automated Lag Time Apparatus (HPS-ALTA) was used to evaluate the kinetics of chemical promoters under constant cooling conditions. At the pore scale, liquid CO2 hydrates formed stable, pore-filling structures that drastically reduced permeability, while gaseous CO2 hydrates underwent a two-stage transformation from porous, dark phases to non-porous, transparent phases. At the chip scale, CO2 distribution and hydrate propagation were significantly influenced by injection rates and subcooling, with higher rates promoting shear-induced nucleation and greater subcooling accelerating growth through enhanced thermodynamic driving forces. The evaluation of novel chemical promoters, including a gemini surfactant (GS-12) and water-soluble organoclay (Laponite-RD), revealed distinct mechanisms such as interfacial tension reduction, micelle formation, and modified water-CO2 interactions. GS-12 and SDS demonstrated superior performance in accelerating hydrate formation and optimizing CO2 storage capacity at both pore-scale and chip-scale levels, outperforming thermodynamic agents like tetrahydrofuran (THF). These findings provide critical insights into the mechanisms of hydrate formation and the strategic use of promoters to enhance cold subsurface carbon storage.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering Petroleum
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Sultan, Abdullah
Committee Members:	Yu, Wei and Al-Afnan, Saad
Depositing User:	MUHAMMAD HABIBURRAHMAN (g202214880)
Date Deposited:	09 Jan 2025 11:48
Last Modified:	09 Jan 2025 11:48
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143236