EFFECT OF WATER QUALITY ON SPONTANEOUS IMBIBITION IN CARBONATE CORES

Abstract

Forskningsspørsmålet i dette arbeidet var effekten av vannkvalitet på spontan oppsuging (SI) i karbonatkjerner. Målet var å endre fra oljefuktende til vannfuktende tilstand kjerner for å oppnå mer spontan oppsuging av vann og forbedret produksjon av olje. Hovedmålet var å forstå hvordan den ioniske sammensetningen av oppsugd vann dikterer fuktighetsendringen. For å gjennomføre disse eksperimentene var det nødvendig å bygge en rigg designet for å operere ved 96°C for en uavbrutt SI. Vi brukte kjerner fra to steder; fra Ainsa i Spania og fra Angola. Disse kjernene ble ansett som representative for et Equinor-operert oljefelt utenfor Brasil. Basert på petrofysiske egenskaper var kjernematerialet fra Angola mer heterogent enn det fra Ainsa. X-ray diffraction (XRD) og back-scatter electron imaging (SEM) resultater klassifiserte kjernematerialene som kalkstein uten anhydrid. Dette prosjektet sammenligner også to aldringsprosesser, og design for den mest effektive prosessen.

Effekten av ionisk sammensetning på fukting ble studert ved å analysere utvinning av olje fra SI av formasjonsvann (FW), syntetisk sjøvann (SSW) eller modifiserte versjoner av syntetisk vann ved 96°C. Den ioniske sammensetningen av SSW ble endret ved å øke magnesium (Mg2+) og sulfat (SO2−4) ion konsentrasjonene. Tre forskjellige modifiserte syntetiske sjøvann; en med to ganger sulfatkonsentrasjon og fire ganger magnesiumkonsentrasjon (SSW-2S4Mg), et annet vann med to ganger sulfatkonsentrasjon og åtte ganger magnesiumkonsentrasjon (SSW-2S8Mg), og til slutt et med lavt saltinnhold der NaCl-konsentrasjonen ble redusert til 10% av SSW-konsentrasjon (0,1-NaCl-SSW). For reproduserbarhet av resultatene ble to kjerner brukt i hver runde av SI-eksperimentene. Kontaktvinkelmålinger utført ved romtemperatur på polerte steinprøver eldet ved både 25°C (romtemperatur) og ved 96°C ble også utført ved bruk av samme salt-vann løsninger for å supplere resultatene av spontan oppsuging. Zeta-potensiale målinger ble utført på Angola 8μm stein-partikler suspendert i hver av test-vannene for å studere stein-vann overflaten ved 25°C og 70°C.

En forbedret SI-rigg som tillater en uavbrutt SI-prosess ble bygget, og fungerte jevnt uten lekkasjer, trykk opp-bygging og uten å koke vannet. Fra SI-eksperiment fikk vi økt oljeproduksjon på 6-10% med SSW etter FW, noe som viser at SSW er en EOR-væske i kalksteinkjerner. Utvinning på 4-6% og 4-10% med SSW-2S4Mg og SSW-2S8Mg, viste henholdsvis at berikelse av SSW med Mg2+ og SO2−4 ioner gir økt vannfukt i kalksteinkjerner, noe som forårsaker mer spontan oppsuging. Eksperimentet med Ainsa-kjerner ga en ekstra utvinning på 5% med 0,1-NaCl-SSW etter SSW, noe som viser virkningen av selektiv fortynning. Ytterligere utvinning av 13% med SSW-2S4Mg bekreftet at reduksjon av NaCl-innholdet i SSW forbedrer aktiviteten til potensielt bestemmende ioner i fuktigendrings-prosessen i kalksteinskjerner. Dette ble også bekreftet med kontaktvinkel målinger på vannvåte prøver etter aldring i 0,1-NaCl-SSW i 3 dager.

Ulike aldrings-metoder ble studert ved å elde to Ainsa-kjerner med enten dynamisk eller statisk elding. For denne sammenligningen ble et nytt eksperimentelt oppsett for dynamisk aldring designet og bygget. Dette oppsettet kan takle høye temperaturer og trykk under 35 bar. Spontane oppsuging resultater viste at dynamisk aldring er en bedre aldringsprosess for å forandre fuktighet enn statisk elding. En produksjon på 12% ble registrert i kjernen eldet dynamisk, mot 4% for statisk elding, da SSW ble introdusert i tertiær modus.

The research topic in this work was the effect of water quality on spontaneous imbibition (SI)in carbonate cores. The target was to alter the oil wetting state in outcrop cores to a more water wet state in order to have spontaneous imbibition of brine and improved crude oil recovery. The main aim was to understand how the ionic composition of imbibing brine dictates the wettability change. In order to carry out these experiments a rig designed to operate at 96°C for an uninterrupted SI was needed. Outcrop cores used were of two origins; outcrop cores from Ainsa in Spain and from Angola, and these outcrop cores were considered representative of an Equinor operated oil field off-shore Brazil. Based on petrophysical properties, the core material sourced from Angola was more heterogeneous than that from Ainsa. X-ray diffraction (XRD) and back-scatter electron imaging (SEM) results classified the rock materials as limestone without anhydrite. The research also compares two aging processes, and design for the most efficient process.

The effect of ionic composition on wettability alteration was studied by analysing oil recoveries due to SI of formation water (FW), synthetic seawater (SSW) or modified versions of synthetic seawater at 96°C . The ionic composition of SSW was altered by increasing the magnesium (Mg2+) and sulfate (SO2−4) ion concentrations. Three different modified synthetic sea waters; one with two times sulfate concentration and four times magnesium concentration (SSW-2S4Mg), a second water with two times sulfate concentration and eight times magnesium concentration (SSW-2S8Mg), and finally a low salinity water where the NaCl concentration is reduced to 10% of the SSW concentration (0.1-NaCl-SSW). For reproducibility of results, two cores were used in each run of SI experiment. Contact angle measurements conducted at room temperature on polished rock chips aged both at 25°C (room temperature) and at 96°C were also done using the same set of brines to supplement results of spontaneous imbibition. Zeta potential measurements were conducted on Angola 8μm rock particles suspended in each of the test brines to study the rock-brine interface at 25°C and 70°C.

An improved SI rig that allows an uninterrupted SI process was set up and worked smoothly without leakages, pressure build up and water boiling. From SI experiment, improved oil recoveries of 6-10% with SSW after FW, showed that SSW is an EOR fluid in limestone cores. Recoveries of 4-6% and 4-10% with SSW-2S4Mg and SSW-2S8Mg, respectively, showed that enriching SSW with Mg2+and SO2−4ions improves the water wetting state in limestone cores and causes more spontaneous imbibition. The experiment with Ainsa cores gave a recovery of 5% with 0.1-NaCl-SSW after SSW showed the impact of selective dilution. Additional recovery of 13% with SSW-2S4Mg confirmed that reducing the NaCl content in SSW improves the activity of potential determining ions in the wettability alteration process in limestone cores. This was also confirmed with contact angles on water wet samples after aging in 0.1-NaCl-SSW for 3 days

Different aging methods were studied by aging two Ainsa cores with either dynamic or static aging. For this comparison, a new experimental set up for dynamic aging was designed and built. This setup could handle high temperatures and pressures below 35 bars. Spontaneous imbibition results showed that dynamic aging is a better wettability alteration process than static aging. A recovery of 12% was recorded in the core aged dynamically and 4% for the statically aged when SSW was introduced in a tertiary mode