SUPERVISOR
مرتضي طبايي (استاد راهنما) مهدي نصيري سروي (استاد مشاور) مسعود رياضي (استاد راهنما)
STUDENT
Hosein RezvaniSimakani
حسين رضواني سيمکاني
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 دليل ويژگي هاي منحصر به فرد آن ها براي ازدياد برداشت نفت در دهه هاي اخير با رشد چشمگيري همراه بوده است. از طرفي آب هوشمند نيز به عنوان روش ازدياد برداشتي مؤثر مورد توجه بسياري از مهندسين مخزن قرار دارد. در اين مطالعه سعي بر آن است که با ترکيب دو روش فوق (نانوذرات + آب هوشمند) از پتانسيل مفيد هر دو روش در بهبود توليد نفت از مخزن استفاده شود. بدين منظور، ابتدا آب هوشمند مورد استفاده بر اساس آناليز نمونه اي از آب درياي خيج فارس با نمک هاي NaCl و MgSO 4 ساخته و ميزان پايداري نانوذرات آلومينا در آب هوشمند پايه به وسيله ي تنظيم pH توسط دو اسيد (HCl و C 2 H 4 O 2 ) و دو باز (NH 3 و NaOH) با روش عکس برداري از رسوب بررسي شد. آزمايش هاي کشش بين سطحي آب/نفت آسفالتيني در دو حالت غلظت غلظت سديم کلريد ثابت و غلظت منيزيم سولفات ثابت براي غلظت هاي مختلف نانوذره در دماهاي مختلف طراحي شدند. آزمايش هاي زاويه تماس بر روي سطح کوارتز براي غلظت هاي مختلف دو نمک و نانوذره در دماهاي مختلف انجام شدند. همچنين تأثير غلظت هاي مختلف نانوذره بر ويسکوزيته بين سطحي آب/نفت، جذب آسفالتين و ويسکوزيته ي نفت و امولسيون هاي تشکيل شده نيز صورت گرفت. در انتها، حالات بهينه ي به دست آمده از آزمايش هاي کشش بين سطحي و زاويه تماس براي بررسي بيشتر پايداري مورد آناليز طيف جذب قرار گرفته و سپس به درون محيط متخلخل اشباع از نفت و آب همزاد در ميکرومدل شيشه اي تزريق شدند. نتايج پايداري نشان مي دهند که هيدروکلريک اسيد بيشترين پايداري را در حدود 2.6 = pH ايجاد مي کند که به دليل ايجاد بارهاي سطحي و نيروهاي دافعه اي بين ذرات سوسپانسيون است. مطابق آزمايش هاي کشش بين سطحي، بيشترين کاهش در دو حالت اتفاق مي افتاد: (1) کاهش 50 درصدي کشش بين سطحي (از 38.1 به 18.9 ميلي نيوتن بر متر) با افزايش 4 برابري غلظت آب درياي منيزيم سولفات در غلظت آب درياي سديم کلريد در حضور 0.2 گرم بر ليترنانوذره در دماي 60 درجه سانتيگراد و (2) کاهش 60 درصدي کشش بين سطحي با کاهش 3 برابري غلظت آب درياي سديم کلريد در غلظت آب درياي منيزيم سولفات در حضور 0.1 گرم بر ليتر نانوذره (از 38.1 به 15.9 ميلي نيوتن بر متر) در دماي 60 درجه سانتيگراد. اين نتايج نشان مي دهد که کاهش يون هاي خنثي (سديم و کلر) نسبت به افزايش يون هاي تعيين کننده (منيزيم و سولفات) در سيال پايه در کاهش کشش بين سطحي آب-نفت از اولويت بيشتري برخوردار است چرا که با غلظت کمتر نانوذره کاهش کشش بين سطحي بيشتري را سبب مي شود. آزمايش هاي زاويه تماس مربوط به سيستم نفت/نانو-آب هوشمند/کوارتز نشان مي دهند که با افزايش 4 برابري غلظت منيزيم سولفات در غلظت آب درياي سديم کلريد در حضور 0.1 گرم بر ليتر نانوذره ميزان ترشوندگي از شديداً نفت دوستي (155 درجه) تا شديداً آب دوستي (42 درجه) در بازه ي 24 ساعت تغيير مي کند. برخلاف نتايج کشش بين سطحي، نتايج زاويه تماس نشان مي دهند که افزايش غلظت يون هاي تعيين کننده در مقايسه با کاهش يون هاي غيرفعال در سيال پايه در کاهش زاويه تماس در حضور نانوذرات از اهميت بيشتري برخوردار است. نتايج حاصل از ويسکوزيته ي نفت خام نيز نشان مي دهند که اين نانوذره به دليل خاصيت کاتاليزوري داراي قابليت کاهش ويسکوزيته ي بالک نفت خام و ويسکوزيته بين سطحي آب/نفت است. بر اين اساس مکانيزم جديدي براي کاهش کشش بين سطحي ارائه شد. ميزان جذب نانوذرات روي آسفالتين نيز در نمونه هاي 70/30 درصد حجمي نفت/آب نيز بررسي شد و مشاهده شد که اين جذب از مدل جذب تک لايه لانگموئير نوع (1) تبعيت مي کند. نتايج حاصل از تزريق غلظت هاي بهينه به محيط متخلخل نشان دادند که اضافه شدن نانوذره اکسيد آلومينيوم به سيال تزريقي مي تواند منجر به بهبود توليد نفت ناشي از تغيير ترشوندگي، کاهش کشش بين سطحي، جذب آسفالتين و در نهايت بهبود نسبت تحرک به دليل کاهش ويسکوزيته ي بالک نفت و افزايش ويسکوزيته ي فاز تزريقي به دليل تشکيل و پايداري امولسيون شود. بر اين اساس بيشترين ميزان بازيافت نهايي مربوط به تزريق نانو-آب هوشمند حاصل از تست دوم کشش بين سطحي به ميکرومدل بود که بازيافت نهايي 40 درصد را در فرآيند تزريق ثانويه و افزايش 10 درصدي بازيافت نهايي کل (بعد از تزريق ثانويه آب هوشمند پايه) را در فرآيند تزريق آب مقطر-آب هوشمند-نانو آب هوشمند به عنوان تزريق ثالثيه بر جاي گذاشت.