PORE EVOLUTION DURING PRODUCED WATER RE-INJECTION IN VUGGY POROUS MEDIA. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MSc Thesis Report) Adnan Ahsan MSc Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 25 January 2027. Download (13MB)

Arabic Abstract

Large amounts of water are produced during hydrocarbon extraction from mature fields. This produced water may contain hazardous chemicals (e.g. oils, produced chemicals etc.) and solid particulate (fines), making it unfit for surface disposal. Produced water re-injection (PWRI), which is the continued reinjection of this produced water back into subsurface formations, is an environmentally friendly technique in enhanced oil recovery (for pressure maintenance), geothermal energy extraction (as the working fluid) and environmental management (surface pollution prevention) to remove the water from the surface. This process is however impeded by the fines entrapment during injection, which results in pore space clogging and ultimately permeability reduction, which hampers the well injectivity. This problem is more pronounced in complex heterogeneous formations, where the pore heterogeneity alters the flow behavior significantly. In this study, we use real time microfluidic experiments for the evaluation of pore-scale clogging behavior through particle retention during produced water reinjection in vuggy porous media. The structural heterogeneity, focusing on the presence of vugs, are replicated using a microfluidic device fabricated through soft lithography modeled after the pore geometry of a Bentheimer Sandstone. Three unique pore configurations are synthetically generated, i.e. no vug (homogeneous), single vug and dual vugs. High speed imaging is used to record real time particle migration, entrapment, and clogging events under the controlled injection of aqueous suspensions of polystyrene particles of multiple sizes (5 and 10 𝜇m) and concentrations (0.5%, 1%, 2.5% and 5% w/w). The dynamic clogging behavior is systematically studied under the influence of fluid injection rate, injected particle size distribution and pore heterogeneity. The combined experimental–numerical framework enables quantitative assessment of temporal porosity evolution, spatial distribution of clogging, and corresponding permeability reduction as a function of particle size, concentration, flow rate, and vug geometry. The results demonstrate that vugs act as dominant clogging hotspots by inducing flow recirculation and localized straining at vug entrances and exits, leading to earlier onset and greater severity of permeability loss compared to homogeneous media. The findings provide pore-scale insights that improve the mechanistic understanding of injectivity decline in heterogeneous carbonate reservoirs and offer guidance for designing more robust PWRI strategies.

English Abstract

تُنتَج كميات كبيرة من المياه أثناء استخراج الهيدروكربونات من الحقول الناضجة. وقد تحتوي هذه المياه المصاحبة على مواد كيميائية خطرة (مثل الزيوت والمواد الكيميائية المصاحبة للإنتاج، إلخ) وعلى جسيمات صلبة دقيقة (الناعِمات/الفاينز)، مما يجعل التخلص منها على السطح غير مناسب. وتُعد إعادة حقن المياه المصاحبة (PWRI)، وهي الاستمرار في إعادة حقن هذه المياه مرة أخرى في التكاوين تحت السطح، تقنيةً صديقةً للبيئة تُستخدم في الاستخلاص المعزّز للنفط (للمحافظة على الضغط)، واستخراج الطاقة الحرارية الجوفية (كمائع تشغيل)، والإدارة البيئية (للحد من تلوث السطح) بهدف إزالة المياه من سطح الأرض. غير أن هذه العملية تتعرّض للعوائق بسبب احتجاز الجسيمات الدقيقة أثناء الحقن، مما يؤدي إلى انسداد الفراغات المسامية وفي نهاية المطاف إلى انخفاض النفاذية، وهو ما يضعف قابلية الحقن (الإنجكتيفيتي) للبئر. وتزداد حدة هذه المشكلة في التكاوين المعقّدة غير المتجانسة، حيث تؤثر لا تجانسية المسام تأثيرًا كبيرًا في سلوك الجريان. في هذه الدراسة، نستخدم تجارب ميكروفلويدية آنية (في الوقت الحقيقي) لتقييم سلوك الانسداد على مقياس المسام الناتج عن احتجاز الجسيمات أثناء إعادة حقن المياه المصاحبة في أوساط مسامية كَرْسِيّة (ذات فجوات/كهوف مسامية Vugs). وتمت محاكاة عدم التجانس البنيوي، مع التركيز على وجود الفجوات المسامية (Vugs)، باستخدام جهاز ميكروفلويدي مُصنَّع بتقنية الليثوغرافيا اللينة ومصمَّم وفق هندسة مسامية مستندة إلى صخر بنتهايمر الرملي (Bentheimer Sandstone). وتم توليد ثلاث تكوينات مسامية مميّزة بصورة اصطناعية، وهي: دون فجوات (وسط متجانس)، وفجوة واحدة، وفجوتان. كما استُخدم تصوير عالي السرعة لتسجيل هجرة الجسيمات واحتجازها وحدوث الانسداد في الزمن الحقيقي تحت ظروف حقن مضبوطة لمعلّقات مائية من جسيمات بوليسترين بأحجام متعددة (5 و10 ميكرومتر) وتركيزات مختلفة (0.5%، 1%، 2.5%، و5%). وتمت دراسة السلوك الديناميكي للانسداد بصورة منهجية تحت تأثير معدل حقن السائل، وتوزيع أحجام الجسيمات المحقونة، وعدم تجانس المسام. يُمكّن الإطار التجريبي–العددي المدمج من إجراء تقييم كمي لتطور المسامية مع الزمن، والتوزيع المكاني لمواضع الانسداد، والانخفاض المقابل في النفاذية بوصفه دالة في حجم الجسيمات وتركيزها ومعدل الجريان وهندسة الفجوات المسامية. وتُظهر النتائج أن الفجوات المسامية (Vugs) تعمل كنقاط ساخنة مهيمنة للانسداد من خلال إحداث تدوير للجريان (Flow Recirculation) وترشيح/إجهاد موضعي (Localized Straining) عند مداخل الفجوات ومخارجها، مما يؤدي إلى بدءٍ مبكر وبشدة أكبر لفقدان النفاذية مقارنةً بالوسط المتجانس. وتوفر هذه النتائج رؤى على مقياس المسام تعزز الفهم الآلي لتدهور قابلية الحقن في المكامن الكربوناتية غير المتجانسة، وتقدم إرشادات لتصميم استراتيجيات أكثر متانة لإعادة حقن المياه المصاحبة (PWRI).