SUPERVISOR
مرتضی طبایی (استاد راهنما) مهدی نصیری سروی (استاد مشاور) مسعود ریاضی (استاد راهنما)
STUDENT
Hosein RezvaniSimakani
حسین رضوانی سیمکانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده معدن
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Experimental Investigation of Improvement of Surface Properties Using a Combination of Aluminium Oxide Nanoparticles and Smart Water and Its Effect on Fluid Flow in Porous Medium
Attention to nanotechnology for EOR purposes has been Attention to nanoparticles for EOR purposes has been proliferated in the last decades due to their unique properties. On the other hand, smart water is an efficient EOR method that has been noticed by reservoir engineers. This research attempts to benefit from the synergistic effects of both methods (nanoparticles + smart water) for improved oil production. For this purpose, the smart water was first synthesized in the laboratory by NaCl and MgSO 4 salts, according to the compositional analysis of a seawater sample and the effect of different acids (HCl and C 2 H 4 O 2 ) and bases (NH 3 and NaOH) on the stability of Al 2 O 3 nanofluids were monitored by the imaging technique. The asphaltenic oil/water IFT measurements were designed in two cases: (1) constant NaCl concentration and constant MgSO 4 concentration, both at different concentrations of Al 2 O 3 nanoparticles and different temperatures. The contact angle measurements of oil/nano-smart water/quartz system were carried out for different concentrations of Al 2 O 3 nanoparticles, NaCl, and MgSO 4 at different temperatures. The effect of nanoparticles on the oil/water interfacial viscosity, asphaltene adsorption, and the viscosity of oil bulk and water/oil emulsion was also investigated. In the end, the optimum cases obtained from IFT and contact angle measurements were analyzed by absorbance spectrum for further stability investigation and then were injected into an oil-wet porous medium in a glass micromodel. The stability investigation indicated that HCl provided the highest stability time at pH 2.6, which mainly results from the development of surface charges and repulsive forces between particles in suspension. The results on IFT measurements showed the minimum IFT in two cases: (1) a 50% reduction in IFT value (from 38.1 to 18.9 mN.m -1 ) with the addition of 4 times MgSO 4 seawater concentration (at NaCl seawater concentration) and 0.2 gr/L Al 2 O 3 nanoparticles and (2) a 60% reduction in IFT value (from 38.1 to 15.9 mN.m -1 ) by the reduction of NaCl seawater concentration by 3 times (at MgSO 4 seawater concentration) and 0.1 gr/L Al 2 O 3 nanoparticles, both at pH 2.6 and 60?. The results show that the reduction of inactive ions (Na + and Cl - ) of the base fluid is of greater importance, compared to the increase in potential determining ions (Mg 2+ and SO 4 2- ) since it provides lower IFT values with lower nanoparticle concentrations. The contact angle results show that increasing MgSO 4 seawater concentration by 4 times (at NaCl seawater concentration) has changed the quartz wettability from strongly oil-wet (155°) to the strongly water-wet (42°) over 24 hours. Compared to the IFT results, contact angle measurements show that the increase in potential determining ions of base fluid is of greater importance for wettability alteration. The viscosity measurements showed that the catalytic Al 2 O 3 nanoparticles are able to reduce oil bulk and oil/water interfacial viscosity. With this, a new mechanism was proposed for IFT reduction by nanoparticles. The asphaltene adsorption analysis on the 70/30 vol% (oil/water) samples indicated a good fitting to Langmuir Isotherm type (I) with a monolayer adsorption. In the end, the results on the injection of the optimum cases to the porous medium showed an improved oil production by the addition of Al 2 O 3 nanoparticles. The highest recovery factor was observed for the second optimum case obtained from IFT results which resulted in the production of 40% of the original oil in place as a secondary injection and 10% additional recovery factor in the process of DW/smart water/nano-smart water as a tertiary injection
توجه به نانوذرات به دلیل ویژگی های منحصر به فرد آن ها برای ازدیاد برداشت نفت در دهه های اخیر با رشد چشمگیری همراه بوده است. از طرفی آب هوشمند نیز به عنوان روش ازدیاد برداشتی مؤثر مورد توجه بسیاری از مهندسین مخزن قرار دارد. در این مطالعه سعی بر آن است که با ترکیب دو روش فوق (نانوذرات + آب هوشمند) از پتانسیل مفید هر دو روش در بهبود تولید نفت از مخزن استفاده شود. بدین منظور، ابتدا آب هوشمند مورد استفاده بر اساس آنالیز نمونه ای از آب دریای خیج فارس با نمک های NaCl و MgSO 4 ساخته و میزان پایداری نانوذرات آلومینا در آب هوشمند پایه به وسیله ی تنظیم pH توسط دو اسید (HCl و C 2 H 4 O 2 ) و دو باز (NH 3 و NaOH) با روش عکس برداری از رسوب بررسی شد. آزمایش های کشش بین سطحی آب/نفت آسفالتینی در دو حالت غلظت غلظت سدیم کلرید ثابت و غلظت منیزیم سولفات ثابت برای غلظت های مختلف نانوذره در دماهای مختلف طراحی شدند. آزمایش های زاویه تماس بر روی سطح کوارتز برای غلظت های مختلف دو نمک و نانوذره در دماهای مختلف انجام شدند. همچنین تأثیر غلظت های مختلف نانوذره بر ویسکوزیته بین سطحی آب/نفت، جذب آسفالتین و ویسکوزیته ی نفت و امولسیون های تشکیل شده نیز صورت گرفت. در انتها، حالات بهینه ی به دست آمده از آزمایش های کشش بین سطحی و زاویه تماس برای بررسی بیشتر پایداری مورد آنالیز طیف جذب قرار گرفته و سپس به درون محیط متخلخل اشباع از نفت و آب همزاد در میکرومدل شیشه ای تزریق شدند. نتایج پایداری نشان می دهند که هیدروکلریک اسید بیشترین پایداری را در حدود 2.6 = pH ایجاد می کند که به دلیل ایجاد بارهای سطحی و نیروهای دافعه ای بین ذرات سوسپانسیون است. مطابق آزمایش های کشش بین سطحی، بیشترین کاهش در دو حالت اتفاق می افتاد: (1) کاهش 50 درصدی کشش بین سطحی (از 38.1 به 18.9 میلی نیوتن بر متر) با افزایش 4 برابری غلظت آب دریای منیزیم سولفات در غلظت آب دریای سدیم کلرید در حضور 0.2 گرم بر لیترنانوذره در دمای 60 درجه سانتیگراد و (2) کاهش 60 درصدی کشش بین سطحی با کاهش 3 برابری غلظت آب دریای سدیم کلرید در غلظت آب دریای منیزیم سولفات در حضور 0.1 گرم بر لیتر نانوذره (از 38.1 به 15.9 میلی نیوتن بر متر) در دمای 60 درجه سانتیگراد. این نتایج نشان می دهد که کاهش یون های خنثی (سدیم و کلر) نسبت به افزایش یون های تعیین کننده (منیزیم و سولفات) در سیال پایه در کاهش کشش بین سطحی آب-نفت از اولویت بیشتری برخوردار است چرا که با غلظت کمتر نانوذره کاهش کشش بین سطحی بیشتری را سبب می شود. آزمایش های زاویه تماس مربوط به سیستم نفت/نانو-آب هوشمند/کوارتز نشان می دهند که با افزایش 4 برابری غلظت منیزیم سولفات در غلظت آب دریای سدیم کلرید در حضور 0.1 گرم بر لیتر نانوذره میزان ترشوندگی از شدیداً نفت دوستی (155 درجه) تا شدیداً آب دوستی (42 درجه) در بازه ی 24 ساعت تغییر می کند. برخلاف نتایج کشش بین سطحی، نتایج زاویه تماس نشان می دهند که افزایش غلظت یون های تعیین کننده در مقایسه با کاهش یون های غیرفعال در سیال پایه در کاهش زاویه تماس در حضور نانوذرات از اهمیت بیشتری برخوردار است. نتایج حاصل از ویسکوزیته ی نفت خام نیز نشان می دهند که این نانوذره به دلیل خاصیت کاتالیزوری دارای قابلیت کاهش ویسکوزیته ی بالک نفت خام و ویسکوزیته بین سطحی آب/نفت است. بر این اساس مکانیزم جدیدی برای کاهش کشش بین سطحی ارائه شد. میزان جذب نانوذرات روی آسفالتین نیز در نمونه های 70/30 درصد حجمی نفت/آب نیز بررسی شد و مشاهده شد که این جذب از مدل جذب تک لایه لانگموئیر نوع (1) تبعیت می کند. نتایج حاصل از تزریق غلظت های بهینه به محیط متخلخل نشان دادند که اضافه شدن نانوذره اکسید آلومینیوم به سیال تزریقی می تواند منجر به بهبود تولید نفت ناشی از تغییر ترشوندگی، کاهش کشش بین سطحی، جذب آسفالتین و در نهایت بهبود نسبت تحرک به دلیل کاهش ویسکوزیته ی بالک نفت و افزایش ویسکوزیته ی فاز تزریقی به دلیل تشکیل و پایداری امولسیون شود. بر این اساس بیشترین میزان بازیافت نهایی مربوط به تزریق نانو-آب هوشمند حاصل از تست دوم کشش بین سطحی به میکرومدل بود که بازیافت نهایی 40 درصد را در فرآیند تزریق ثانویه و افزایش 10 درصدی بازیافت نهایی کل (بعد از تزریق ثانویه آب هوشمند پایه) را در فرآیند تزریق آب مقطر-آب هوشمند-نانو آب هوشمند به عنوان تزریق ثالثیه بر جای گذاشت.