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A LABORATORY STUDY OF FOAM FOR EOR IN NATURALLY FRACTURED RESERVOIRS William R. Rossen Bander. I. AlQuaimi

A LABORATORY STUDY OF FOAM FOR EOR IN NATURALLY … faculteit... · 2020. 8. 10. · Foam Generation Velocity Effect Roughness Effect Aperture Effect Gravity Effect Goals and Strategy

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  • A LABORATORY STUDY OF FOAM FOR EOR IN NATURALLY FRACTURED RESERVOIRS

    William R. RossenBander. I. AlQuaimi

  • 2

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Backround

    • Gas‐injection EOR can displace nearly all oil contacted, but sweep efficiency is very poor, because of reservoir heterogeneity, gravity segregation and viscous instability

    • Foam can help fight all three causes of poor gas sweep• In reservoir rock, foam shows two flow regimes:• High‐Quality regime: result of foam collapse at limiting Pc

    • Low‐Quality regime: thought to reflect invariant bubble size, roughly size of pores

    • Fractured reservoirs have especially poor sweep efficiency

    • Foam generation in fractures is uncertain

  • 3

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Goals and Strategy

    • Develop rules for foam generation and properties in fractures that would apply broadly to fractures of different apertures, different geometries.

    • Conduct studies in a medium where foam can be directly observed.  • Conduct experiments on samples as large as possible (avoid entrance effects).

    • Obtain a variety of samples with very different fracture apertures, permeabilities, and scales of roughness

    Implementation• Conduct experiments in model fractures between glass plates, one 

    roughened, one smooth • large size, cost effective, and available in different geometries

  • 4

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Model Fracture aperture size

  • 5

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Model Fracture Correlation Length

  • 6

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Experimental Setup

  • 7

    Initial Study: Trapping and Mobilization in Fractures

    • Trapping and mobilization of bubbles is a key to foam mobility.

    • Trapping and mobilization of non‐wetting phase in rock is represented as function of capillary number, [kp/]

    • In fractures, permeability k is primarily a function of average aperture, but trapping depends on roughness

    • What is best definition of capillary number for trapping in fractures?

  • 8

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Desaturation‐experiment example (16x10 cm image) 

    Trapping and Mobilization of gas (no foam)

  • 9

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Trapping and Mobilization

    𝑁𝑘 𝛻𝑃𝛾𝑐𝑜𝑠𝜃

    Conventional Nca

    New Nca

    𝑁𝛻𝑃𝑘𝛾

    122

    𝑑𝑑

    𝐿𝑔𝑑

    1

    1 𝑑𝑑

    0,00

    0,20

    0,40

    0,60

    0,80

    1,00

    1,20

    1,E‐05 1,E‐04 1,E‐03 1,E‐02

    Normalized

     air saturatio

    n

    Nca

    Sample 1

    Sample 2

    Sample 3

    Sample 4

    Sample 5

    0,00

    0,20

    0,40

    0,60

    0,80

    1,00

    1,20

    1,0E‐03 1,0E‐02 1,0E‐01 1,0E+00

    Normalized

     air saturatio

    n

    Nca

    Sample 1

    Sample 2

    Sample 3

    Sample 4

    Sample 5

    Force balance on trapped ganglion leads to new Nca for fractures

  • 10

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Foam Generation and Propagation

    1. In-situ Foam Generation

    2. Pre-generated Foam

  • 11

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    0,0

    2,0

    4,0

    6,0

    8,0

    10,0

    12,0

    0,0 20,0 40,0 60,0 80,0

    Q, m

    l/min

    ΔP, mbar

    P2

    P3

    • First model : narrow aperture, regular pattern• Single‐phase water injection to determine 

    hydraulic aperture• Two inner ports used for pressure gradient• The hydraulic aperture estimated to be 66 µm

    40 cm

    9 cm9 cm

  • 12

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    1. In‐situ Foam Generation• Can we generate foam, in-situ, in a

    fracture?

    • How effective is it in reducing gas mobility in the fracture?

  • 13

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    1. In‐situ Foam Generation• Can we generate foam, in-situ, in a

    fracture?Foam generated in our model fracture by mechanisms similar to “3D” porous media

  • 14

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    2.2X1.5  cm image, fg = 0.25, and ut = 0.0021 m/s0.65X0.40  cm image, fg = 0.37, and ut = 0.0021 m/s

    Snap‐off Leave‐Behind

  • 15

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    1

    2 3 4

    0.150 s0.117 s0.083 s

    0.0 s

    1

    0.84X0.64  cm image, fg = 0.88 ut = 0.0021 m/s, and  t = 0.15s

    Lamella Division

  • 16

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    1. In‐situ Foam Generation• Can we generate foam, in-situ, in a

    fracture?

    • How effective is it in reducing gas mobility in the fracture?

  • 17

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    ~0 72278

    2389

    0

    500

    1000

    1500

    2000

    2500

    3000

    Gas Injection (Nowater)

    Water Injection(No gas)

    Water + Gas (fg =0.37)

    Foam (fg = 0.37)

    Pressure gradien

    t, mbar/m

    ut =  0.0021 m/s 

    Foam Injection Benchmark

  • 18

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Foam Quality Scan

    1

    23

    4

    567

    8

    0

    500

    1000

    1500

    2000

    2500

    3000

    0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

    Pressure gradien

    t ,mba

    r/m

    fg

    (Fixed ut = 0.0021 m/s)

  • 19

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Foam Bubble Size Analaysis (fixed ut = 0.0021 m/s)

    fg = 0.25

    0.37

    0.52

    0.75

    0.88

    0.96

    Images captured during stabilized pressure drop 27 cm from injection port

    Gaswater

    Effect of Gas Fraction (Foam Quality)

  • 20

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Foam Bubble Size Analaysis (fixed ut = 0.0021 m/s)

    Foam Bubble Size Analaysis (fixed ut = 0.0021 m/s)

    71 2

    3

    4

    5 6

    0

    8

    0,00

    0,05

    0,10

    0,15

    0,20

    0,25

    0,30

    0,35

    0,000

    0,005

    0,010

    0,015

    0,020

    0,025

    0,030

    0,035

    0,040

    0,045

    0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

    AverageBu

    bbleSize, m

    m2

    µ app, p

    a s

    fg

    Foam mobility inversely related to bubble size

  • 21

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Foam Bubble Size Analaysis (fixed ut = 0.0021 m/s)Foam Bubble Size Analaysis

    fg = 0.37 vt = 0.0021 m/s      Surfactant Concentration 1% wt

    0.8 X 0.77 cm Images

    321

    Inlet Outlet

    Distance from in let, mm 20 120 270

    Average bubble size, mm2 0.250 0.138 0.081

    Bubble size, std. dev. , mm2 0.205 0.125 0.056

    Number of bubbles 165 217 303

    Bubble sizes evolve along fracture: “entrance effect”

  • 22

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    2. Pre‐generated Foam

    1. Fine‐textured foam

    2. Coarse‐textured foam

  • 23

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    0,000

    0,005

    0,010

    0,015

    0,020

    0,025

    0,030

    0,035

    0,040

    0,045

    0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

    µ app, p

    a s

    fg

    In‐situ Generated Pre‐generated 400 Micron Pre‐generated 7 Micron

    vt = 0.0021 m/s

    {might local‐equilibrium value lie between pre‐generated and in‐situ‐generated?

  • 24

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    y = 0,0001x‐0,899y = 0,0003x‐0,806

    y = 0,0002x‐0,815

    y = 0,0002x‐0,765

    0,01

    0,1

    0,001 0,01

    µ app, p

    a s

    Total Superficial Velocity Ut, m/s

    fg = 0.24fg = 0.51fg = 0.88fg = 0.96

    shear‐thinning rheology

  • 25

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Low Quality

    High QualityOsterloh & Jante,(1992)

    two flow regimes

  • 26

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    1.0X0.86 cm image, fg = 0.37and ut = 0.0021 m/s

    9.1X8.9 cm image, fg = 0.92and ut = 0.0021 m/s

    Flow

     dire

    ction

    high‐quality regime: caused by intermittent generation

  • 27

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Foam Generation and Propertiesin Five Different Model Fractures

  • 28

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Model Fracture aperture size

  • 29

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Model Fracture Correlation Length

  • 30

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Section 1 2 3 4

    Distance from inlet, mm 60 150 230 360

    Average bubble size, mm2 2.48 0.66 0.60 0.53

    Bubble size, std. dev. , mm2 7.84 0.57 0.48 0.36

    Number of bubbles 37 160 176 194

    1 3 42

    Sample 5:  fg = 0.46, ut = 0.0007 m/s; black is gas and white is water. Image size 1.6X1.6 cm.

  • 31

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Sample 4  fg = 0.70, ut = 0.0016 m/s; black is gas and white is water. Image size 1.4X1.0 cm.

    Section 1 2 3 4

    Distance from inlet, mm 60 150 230 360

    Average bubble size, mm2 NA 0.36 0.26 0.14

    Bubble size, std. dev. , mm2 NA 0.47 0.40 0.16

    Number of bubbles NA 207 216 479

    2 3 4

  • 32

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    0

    200

    400

    600

    800

    1000

    1200

    1400

    0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

    Pressure gradien

    t,mba

    r/m

    fg

    0.0077 m/s

    0.0047 m/s

    0.0032 m/s

    0.0016 m/s

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    700

    800

    0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

    Pressure gradien

    t, mba

    r/m

    fg

    0.0036 m/s

    0.0022 m/s

    0.0015 m/s

    0.0007 m/s

    two foam‐flow regimes

    NOT!

  • 33

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Summary of all fractures: Mobility Reduction Factors

    Sample 4

    Sample 2

    Sample 5

    Sample 3

    Sample 1

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    0 200 400 600 800

    MRF

    dH, µmaperture

  • 34

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Summary of all fractures: Mobility Reduction Factors

    787

    2031

    563

    34

    23

    799137

    162116

    0

    1000

    2000

    3000

    4000

    5000

    6000

    0 200 400 600 800

    Lp, µ

    m

    dH, µm

    Samples 1, 2 and 3 Sample 4 (increasing dH)Sample 5 (Increasing dH)

    MRF

    aperture

    Correlation Length of R

    oughne

    ss

  • 35

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    Increase aperture at fixed roughness: two cases

  • 36

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

    Pressure gradien

    t ,mba

    r/m

    fg

    dH = 114.9 µm dH = 144.7 µm dH = 170.1 µm

    Sample 5

    Wide aperture

  • 37

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    • Images are captured in section 4, fixed fg of 0.45, and bubbles at the edges are excluded• Images are identical in size (1.1X0.86 cm)

    dH, µm 114.9 144.70 170.10

    Average bubble size , mm2 0.468 0.74 0.943

    Standard Deviation, mm2 0.343 0.438 1.02

    No of bubbles 120 55 54

    Larger aperture  bigger bubbles

  • 38

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    0

    200

    400

    600

    800

    1000

    1200

    0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

    Pressure gradien

    t ,mba

    r/m

    fg

    dH = 51.0 µm dH = 71.9 µm dH = 206.9 µm

    Wide aperture

  • 39

    CharacterizedFractures

    Trapping & Mobilization

    Foam Generation

    VelocityEffect

    RoughnessEffect

    Aperture Effect Gravity Effect

    • Images are captured in section 4, fixed fg of 0.45, and bubbles at the edges are excluded• Images are identical in size (1.7X1.5 cm)

    dH 51.00 71.90 206.9

    Average bubble size, mm2 0.097 0.148 1.37

    Standard deviation, mm2 0.114 0.133 1.32No. of bubbles 972 750 78

    Larger aperture  bigger bubbles

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    Summary and Conclusions

    • Foam generation was observed in the model fractures, mainly by capillary snap‐off and lamella division.

    • Hydraulic aperture alone is not enough to determine foam‐generation and mobility reduction.  Roughness scale, both laterally and vertically, plays a significant role. Slit‐shaped throats & wet conditions favor snap‐off.

    • Bubble size was inversely related to pressure gradient, as expected• Shear‐thinning behaviour was observed as velocity increases.• Two flow regimes were observed in 2 cases out of 3. However, the 

    high‐quality regime evidently reflected reduced and fluctuating generation, not collapse of foam at limiting capillary pressure Pc*. Bubbles were smaller than pore size in low‐quality regime.

    • With  fixed roughness, pressure gradient decreases with increasing hydraulic aperture. Foam bubbles became larger as aperture increases.

  • 41

    Reports and Publications

    • The dissertation has details on both the Nca and foam experiments and analysis and is available online. Search for AlQuaimi at

    https://www.tudelft.nl/en/library/

    • Journal and Conference Publications• AlQuaimi, B. I., Rossen, W. R. (2017), New capillary number definition 

    for displacement of residual nonwetting phase in natural fractures.Geophys. Res. Lett., 44 (11), 5368–5373.

    • AlQuaimi, B. I., Rossen,W. R. (2017), Capillary Desaturation Curve for Residual Nonwetting Phase in Natural Fractures. Accepted by SPE Journal.

    • AlQuaimi, B. I., and Rossen, W. R., "Characterizing Foam Flow in Fractures for Enhanced Oil Recovery," presented at the EAGE IOR Symposium, Stavanger , April 24‐27, 2017.

  • Thank YouFor Your Attention

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