Mitigating CO2 Emissions from Geothermal Wells in Carbonate Reservoirs Using Chemical Treatments. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Final MS Thesis Draft- Mazin Osman.pdf - Draft Version Restricted to Repository staff only until 4 June 2027. Download (6MB)

Arabic Abstract

الميكانيكية للصخر .تهدف هذه الرسالة إلى دراسة طرق كيميائية لتقليل توليد مكافئ ثاني أكسيد الكربون الناتج من الصخور الكربوناتية أثناء تجارب غمر لبية تحاكي ظروف الطاقة الحرارية الأرضية في حجر جيري من نوع إنديانا، مع التركيز على إضافات السيليكا وعمليات الغمر المسبق بعوامل الخلب في ماء البحر الأحمر وفي ماء .البحر الأحمر الغني بثاني أكسيد الكربون ،جمعت الدراسة بين الفحص الكيميائي الساكن، والتجارب عالية ا لوصيف الصخر، والنمذجة الحرارية . وغبار السيليكا ودقيق السيليكا .ثم أجريت تجارب الغمر اللبي على عينات GLDAو EDTA الكيميائية المدروسة ،جافة من حجر إنديانا الجيري بطول 10 بوصات وقطر 1.5 بوصة، داخل حامل لب مسخن إلى 100 درجة مئوية وبضغط حصر 2000 رطل لكل بوصة مربعة، وضغط خلفي 1500 رطل لكل بوصة مربعة، ومعدل حقن اسمي تضمنت المرحلة الأولى حقن ماء البحر الأحمر، ثم حقن المادة الكيميائية، ثم حقن ماء البحر الأحمر 0.5 سم³/دقيقة . أما المرحلة الثانية فقد استخدمت ماء البحر الأحمر الغني بثاني أكسيد الكربون في مرحلتي البداية مرة أخرى . والغسل النهائي .تم تحليل الراشح باستخدام الكروماتوغرافيا الأيونية وقياس الكربون غير العضوي الكلي، ون من قيم كما استُخدمت قياسات والمسامية، وحجم المسام، والكتلة الجافة، والخواص المرنة قبل وبعد الغمر ،CT الكبريتات . لربط التغيرات الكيميائية بتغيرات الصخر .وتم تفسير القياسات الحرارية باستخدام نموذجي الاتزان الحراري المحلي LTE وعدم الاتزان الحراري المحلي LTNE. أظهرت النتائج أن غبار السيليكا ودقيق السيليكا كانا أكثر الإضافات ملاءمة بين المواد المختبرة .ففي فحوصات الضغط والحرارة تحت ثاني أكسيد الكربون، لم تؤد سوائل السيليكا بتركيز 0.1 %إلى زيادة إطلاق الكالسيوم أقوى ذوبان EDTA والمغنيسيوم مقارنة بالحالة الأساسية، كما حافظت على وسط قريب من التعادل، بينما سبّب .في المرحلة الأولى من الغمر اللبي، خفضت مرحلة غبار السيليكا بتركيز GLDA كربوناتي، وكان تأثير متوسطا من 105.20 ملغم في مرحلة ماء البحر الأحمر الأساسية TIC مكافئ ثاني أكسيد الكربون المحسوب من wt 0.1% كما أعطى إلى 50.10 ملغم أثناء مرحلة غبار السيليكا، ثم إلى 28.13 ملغم أثناء الغسل النهائي بماء البحر الأحمر . دقيق السيليكا قيمة منخفضة لمكافئ ثاني أكسيد الكربون خلال م رالمرحلة الأولى، بينما أظهر EDTA مسامية . .استجابة أكثر اعتدالا مع تأثير واضح للخلب على قياسات الكالسيوم والمغنيسيوم الحرة GLDA في المرحلة الثانية، تسبب ماء البحر الأحمر الغني بثاني أكسيد الكربون في تفاعل كربوناتي مبكر واضح في جميع التجارب .خلال مرحلة غبار السيليكا بتركيز 0.1%، انخفض مكافئ ثاني أكسيد الكربون التراكمي المحسوب من 357.51 ملغم في عينات ما قبل المعالجة الظاهرة إلى 129.69 ملغم في عينات غبار السيليكا TIC من الظاهرة .وخلال مرحلة دقيق السيليكا بتركيز 0.1%، انخفض من 248.42 ملغم إلى 109.65 ملغم .وعلى النقيض بتركيز 5 %مكافئ ثاني أكسيد الكربون من 221.60 ملغم في عينات ما قبل المعالجة EDTA من ذلك، زاد عمل كغمر مسبق نشط في EDTA الظاهرة، مما يدل على أن EDTA الظاهرة إلى 783.33 ملغم أثناء عينات أما بتركيز 5 %فقد خفض القيمة من 399.57 ملغم إلى 279.30 ملغم GLDA إذابة الكربونات وليس كسائل مثبط . .في العينات الظاهرة، إلا أن قياسات الكالسيوم والمغنيسيوم الحرة تأثرت بشكل كبير بالخلب والإطلاق المتأخر وبشكل عام، أظهرت تجارب السيليكا تغيرات محدودة في خصائص الصخر بعد الغمر وعدم وجود انسداد مستمر كما أظهرت الدراسة الحرارية أن درجة حرارة المخرج انخفضت من الحالة الساخنة الأولية إلى شديد في الجريان . قدما أداء متقاربا جدا في تمثيل درجة حرارة المخرج، مما LTNEو LTE نحو 70 درجة مئوية، وأن نموذجي .كوصف عملي على مقياس المخر ج الغمر اللبي للصخور الكلسية يعتمد على التأثير المشترك لماء البحر الأحمر الغني بثاني أكسيد الكربون، وذوبان الكربونات، وتوزيع الأيونات المرتبط بالكبريتات، والتخصص الكيميائي للمعادن الذائبة، واستقرار الحالة الحرارية .وقد ساعد غبار السيليكا ودقيق السيليكا على تقليل إطلاق الكربون غير العضوي أثناء مراحل الحقن الكيميائي دون إحداث إعاقة جريان مستمرة، بينما زاد من ذوبان الكربونات وينبغي استخدامه بحذر كغمر مسبق قصير فقط عندما تكون هناك حاجة إلى خلب EDTA أما واستجابة الضغط، وسلوك ،TIC ولكنه يتطلب تفسيرا يعتمد على ،EDTA فكان أقل شدة من GLDA المعادن . .وتدعم هذه النتائج منهجا مركزا الغسل النهائي، وتغيرات خصائص الصخر، وليس على قياسات الأيونات الحرة فقط على المكمن لاختيار المعالجات الكيميائية، بحيث لا يتم تقييم المواد بناء على التحكم في القشور فقط، بل أيضا بناء .على تأثيرها في توليد مكافئ ثاني أكسيد الكربون، وقابلية الحقن، وسلامة الصخور الكربوناتية الكلمات المفتاحية :انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الحرارية الأرضية؛ المكامن الكربوناتية؛ حجر إنديانا الجيري؛ ماء ؛ مكافئ ثاني أكسيد الكربون؛TIC ؛ الغمر اللبي؛GLDA ؛EDTA البحر الأحمر؛ غبار السيليكا؛ دقيق السيليكا؛ LTE؛ LTNE

English Abstract

Carbonate-hosted geothermal reservoirs can generate and release CO2 through coupled brine-CO2-rock reactions, especially when carbonate minerals dissolve under pressurized, high-temperature flow. These reactions also influence scaling tendency, corrosion risk, permeability, pore structure, and mechanical response. This thesis investigates chemical methods for reducing carbonate-derived CO2-equivalent generation during geothermal- style core flooding in Indiana limestone, with emphasis on silica additives and chelating- agent preflushes under Red Sea water (RSW) and CO2-rich RSW conditions. The study combined static chemical screening, high-pressure high-temperature (HPHT) disk aging, staged core flooding, effluent chemistry, rock characterization, and thermal modeling. EDTA, GLDA, silica fume, and silica flour were screened in RSW and under CO2 exposure at 70°C. Dynamic core floods were then conducted in dry Indiana limestone cores with a 10 in length and 1.5 in diameter using a core holder heated to 100°C, 2000 psi confining pressure, 1500 psi backpressure, and a nominal injection rate of 0.5 cm³/min. Phase 1 used RSW baseline injection, followed by a chemical slug and RSW postflush. Phase 2 repeated the same structure using CO2-rich RSW as the baseline and postflush fluid. Effluent samples were analyzed by IC and TIC, and CO2-equivalent generation was estimated from TIC and checked using Ca²⁺/Mg²⁺ stoichiometry with sulfate correction. Pre- and post-flood CT, porosity, pore volume, dry mass, and dynamic elastic properties were used to connect chemistry to rock alteration. Temperature records were interpreted using LTE and LTNE heat-transfer models. The results show that silica fume and silica flour were the most suitable mitigation additives among the tested fluids. In HPHT CO2 screening, the 0.1% silica fluids did not increase Ca/Mg release relative to the base case and maintained near-neutral pH, while EDTA produced the strongest carbonate attack and GLDA showed intermediate behavior. In Phase 1 core flooding, the 0.1 wt% silica fume stage lowered cumulative TIC-based CO2-equivalent from 105.20 mg during the baseline RSW stage to 50.10 mg during the silica fume stage, with 28.13 mg during the RSW postflush. Silica flour also gave a low TIC-based CO2-equivalent during the slug, with a cumulative value of 0.0368 g across five PVs. EDTA generated the largest inorganic-carbon response during Phase 1, while GLDA produced a more moderate TIC response and showed strong chelant-control effects on free Ca and Mg measurements. In Phase 2, CO2-rich RSW produced strong early carbonate reaction in all runs. During the 0.1% silica fume stage, cumulative TIC-based CO2-equivalent decreased from 357.51 mg in the visible RSW-Before samples to 129.69 mg in the visible silica fume samples. During the 0.1% silica flour stage, it decreased from 248.42 mg to 109.65 mg. In contrast, 5% EDTA increased TIC-based CO2-equivalent from 221.60 mg during the visible RSW- Before samples to 783.33 mg during the visible EDTA samples, indicating that EDTA acted as an active carbonate-dissolving preflush rather than a suppression fluid. The 5% GLDA stage reduced TIC-based CO2-equivalent from 399.57 mg to 279.30 mg in the visible samples, but free Ca²⁺ and Mg²⁺ measurements were strongly affected by complexation and delayed release. Across the silica runs, post-flood CT and petrophysical data showed only limited bulk alteration and no evidence of severe sustained plugging. The thermal study showed that the outlet temperature decreased from the initially hot state toward approximately 70°C and that LTE and LTNE models gave nearly identical outlet- temperature performance, supporting LTE as a practical outlet-scale description for this run. Overall, the thesis demonstrates that CO2-equivalent generation in calcite-dominated geothermal core floods is controlled by the combined effects of CO2-rich brine, carbonate dissolution, sulfate-related ion partitioning, chemical speciation, and thermal stabilization. Silica fume and silica flour reduced net inorganic-carbon release during the additive stages without causing severe flow impairment, whereas EDTA increased carbonate dissolution and should be used only cautiously as a short preflush where metal complexation is required. GLDA was less aggressive than EDTA but requires interpretation using TIC, pressure response, postflush behavior, and rock-property changes rather than free-ion IC alone. These findings support a reservoir-centered mitigation approach in which chemical selection is evaluated not only by scale-control potential, but also by its impact on CO2- equivalent generation, injectivity, and carbonate-rock integrity. Keywords: geothermal CO2 emissions; carbonate reservoirs; Indiana limestone; Red Sea water; silica fume; silica flour; EDTA; GLDA; core flooding; TIC; CO2-equivalent; LTE; LTNE.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum > Reservoir Engineering and Management
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Thesis Advisor:	Rahul Gajbhiye,
Thesis Committee Members:	Mohamed Mahmoud, Amjed Mohamed,
Depositing User:	MAZIN DAFAALLA
Date Deposited:	07 Jun 2026 05:25
Last Modified:	07 Jun 2026 05:25
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144509