Hydrogen Generation through in-situ Combustion Gasification of Heavy Oil using Thermochemical Fluids. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF PhD Draft_final version 1 (1) (1).pdf Restricted to Repository staff only until 11 January 2027. Download (4MB)

Arabic Abstract

في ظل التحولات الجذرية التي يشهدها المشهد العالمي للطاقة، والمدفوعة بالجهود الدولية الرامية الى مواجهة تغير المناخ وتعزيز أمن الطاقة، يعد الهيدروجين ناقلا للطاقة النظيفة حيث يحظى باعتراف واسع لدوره في دعم التحول نحو الأنظمة المستدامة والمساهمة في التخفيف من تحديات التغير المناخي، إذ أن تقنية التغويز بالاحتراق الموضعي (ISCG) في مكامن النفط تعتبر من بين الأساليب المختلفة المقترحة لإنتاج الهيدروجين وتعتبر من الوسائل الواعدة لاستغلال الكميات الكبيرة من النفط الغير القابل للاستخلاص والمتبقية في المكمن. تعتمد هذه التقنية على إشعال جزء من النفط في الموقع لتحفيز سلسلة من التفاعلات الكيميائية، مثل التحلل الحراري (Pyrolysis)، والتحلل المائي الحراري (Aquathermolysis)، والتي تسهم مجتمعة في توليد الهيدروجين، ومع ذلك لا تزال المساهمة الفردية لكل من هذه التفاعلات في عملية إنتاج الهيدروجين غير مفهومة بشكل كاف، مما يستدعي إجراء المزيد من الدراسات لتحديد أدوارها بدقة. علاوة على ذلك، فإن كمية الطاقة العالية المطلوبة لبدء عملية الاحتراق داخل المكمن تشكل عائقا اقتصاديا كبيرا، مما يؤثر سلبا على الجدوى الاقتصادية لإنتاج الهيدروجين باستخدام هذه الطريقة. تهدف هذه الدراسة الي تحقيق هدفين رئيسيين: أولا، تقييم جدوى استخدام السوائل الكيميائية المنتجة للحرارة كمصدر لتحفيز الاحتراق الموضعي من خلال إشعال جزء من النفط الخام داخل المكمن؛ وثانيا، دراسة المساهمة الفردية للتفاعلات الكيميائية الأساسية في توليد الهيدروجين داخل المكمن. ولتحقيق ذلك، تم تحضير محاليل مائية بتركيزات مختلفة من كلوريد الأمونيوم (NH4Cl) ونتريت الصوديوم (NaNO2) بهدف تحديد أعلى درجة حرارة يمكن الوصول إاليها نتيجة التفاعلات الطاردة للحرارة. بالتزامن مع ذلك، تم قياس درجة حرارة اشتعال النفط الخام باستخدام فرن أنبوبي مفتوح مزود بكاميرا ثابتة لرصد لحظة الاشتعال. تم تقييم كفاءة السوائل الكيمائية المنتجة للحرارة من خلال مقارنة درجات الحرارة الناتجة عن التفاعل مع درجة حرارة اشتعال النفط الخام المقاسة. علاوة على ذلك، أجريت سلسلة من التجارب باستخدام النفط الخام ومخلوط النفط الخام مع بعض الإضافات الأخرى باستخدام مفاعل حراري وذلك لمحاكاة مسارات التفاعلات الكيميائية. بالتزامن مع ذلك، تم تحديد درجة الاشتعال للنفط الخام باستخدام جهاز مكون من جهاز تسخين كهربائي، دورق مكور، ميزان حرارة رقمي ومشعل كهربائي. تم تقييم مقدرة السوائل الكيميائية المنتجة للحرارة على توليد كمية من الحرارة كافية لرفع درجة حرارة النفط الخام الي درجة الاشتعال ومن ثم تم استخدام مشعل كهربائي لإحداث الإشغال. بالإضافة الى ذلك أجريت العديد من التجارب باستخدام النفط الخام في مفاعل حراري، وذلك بهدف محاكاة مسارات التفاعلات الحرارية الكيميائية وتحديد كمية الهيدروجين المنتج. تقدم هذه الرسالة رؤى قيمة حول توليد الهيدروجين من النفط الخام في المكمن عبر تفاعلات التغويز. بالإضافة الى ذلك، توفر البيانات المتحصل عليها من نواتج تفاعلات التغويز المختلفة فهما شاملا لعمليات التحلل الحراري (Pyrolysis)، والتحلل المائي الحراري (Aquathermolysis) للنفط الخام، مما قد يساهم في تحسين وتطوير نماذج التفاعلات التغويز الحالية الخاصة بتوليد الهيدروجين المصممة بالبرامج الحاسوبية.

English Abstract

The global energy landscape is undergoing a significant transformation, driven by international efforts aimed at addressing climate change and strengthening energy security. Hydrogen is widely recognized as a clean energy carrier that supports sustainable energy transitions and contributes to the mitigation of climate change challenges. Among the various methods explored for hydrogen production, in-situ combustion gasification (ISCG) of oil reservoirs is considered a promising technique for utilizing the substantial volumes of unrecoverable oil remaining in the reservoir. ISCG entails the initiation of combustion within the reservoir to trigger a series of thermochemical reactions, such as pyrolysis, aquathermolysis, and partial oxidation, that collectively contribute to hydrogen generation. However, the individual contribution of these reactions to the overall hydrogen yield remains insufficiently understood, necessitating further investigation to quantify their respective roles. In addition, the high energy input required to initiate combustion within the reservoir presents a significant cost barrier, which impacts the economic feasibility of hydrogen production through this method. The objectives of this study are twofold: first, to evaluate the feasibility of utilizing thermochemical fluids as a heat source to initiate in-situ combustion by igniting a portion of the crude oil within the reservoir; and second, to assess the individual contributions of key gasification reactions to in-situ hydrogen generation. To achieve this, aqueous solutions with varying concentrations of ammonium chloride (NH4Cl) and sodium nitrite (NaNO2) were formulated to determine the maximum temperature achievable from their exothermic reactions. Simultaneously, the ignition temperature of the crude oil was measured using setup consisting of hot plate, rounded flask, digital thermometer and electric igniter. The effectiveness of the thermochemical fluids in initiating combustion was evaluated by comparing the reaction temperatures to the measured ignition point of the crude oil. Furthermore, a series of experiments was conducted using crude oil and crude oil blends in a fixed-bed micro-activity test (MAT) unit to simulate distinct thermochemical reaction pathways and quantify the resulting hydrogen yields. The results showed that the threshold initiation temperature of hydrogen generation and coke formation in both reactions was about 500°C. The experiments demonstrated that the introduced sandstone enhanced hydrogen generation and coke formation through pyrolysis reaction at high temperatures. The maximum volume of hydrogen generated in the presence of sandstone during the pyrolysis reaction reached 8.15 ml at 600 ºC, whereas the hydrogen generated from the mixture of 70% crude oil and 30% deionized water via aquathermolysis reached only 6.72 at the same temperature. This study provides valuable insights into in-situ hydrogen generation from crude oil via in-situ gasification reactions. Furthermore, the obtained data from various gasification reactions products offers a comprehensive understanding of crude oil and pyrolysis and aquathermolysis processes, which may contribute to improving and advancing existing reaction models for in-situ hydrogen generation through in-situ combustion gasification of crude oil. gasification reactions. Moreover, the data obtained from various gasification reaction products offer a comprehensive understanding of crude oil pyrolysis and aquathermolysis processes, which may contribute to refining and advancing existing reaction models for in-situ hydrogen generation via crude oil gasification.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Petroleum > Enhanced Oil Recovery Petroleum > Fluid Separation and Processing
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Alarifi, Sulaiman
Committee Co-Advisor:	Mahmoud, Mohamed
Committee Members:	Al Shehri, Dhafer and Raza, Arshad and Nemitallah, Medhat
Depositing User:	MOHAMED JAD (g201201940)
Date Deposited:	11 Jan 2026 12:50
Last Modified:	11 Jan 2026 12:50
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144011