CO2 Foam Dynamics During CO2 Enhanced Oil Recovery and CO2 Storage

Abstract

Den stadig voksende befolkningen, økende velstand og økonomisk vekst fører til økende etterspørsel etter energi. Forbrenning av fossile brensler står for 80% av den globale energi produksjonen, noe som gjør det til en verdifull energikilde. Det forventes at verdensbefolkningen skal øke med to milliarder i løpet av de neste 30 årene, og energietterspørselen forventes å øke med 1% per år frem til 2030. Denne raske veksten og økende etterspørselen indikerer at fossile brensler forblir viktige for samfunnet i de kommende årene. Som en konsekvens trues menneskeheten av menneskeskapte klimaendringer, der energiproduksjonen står for tre fjerdedeler av de globale utslippene av klimagasser. En rask endring i energisystemet er nødvendig for å forsyne verden med tilstrekkelig energi og redusere klimaendringer.

Karbonfangst og -lagring (carbon capture and storage, CCS) er et viktig tiltak for å begrense global oppvarming og oppnå klimamålene erklært i Parisavtalen. Denne teknologien innebærer å fange CO2 fra industrielle og energirelaterte kilder og permanent lagre CO2 isolert fra atmosfæren. Storskala implementering av CCS står for øyeblikket over økonomiske utfordringer. Bruk av CO2 som et produkt kan gi økonomisk støtte for storskala CCS. Bruk av CO2 for økt olje utvinning (enhanced oil recovery, EOR) er en veletablert og lovende teknologi som bidrar til økt profitt og samtidig økt oljeproduksjon.

CO2 EOR har blitt utført i over 50 år og er en velkjent teknologi som bidrar til den pågående energiomstillingen. Imidlertid er effektiviteten til denne teknologien begrenset av utfordringer knyttet til høy CO2 mobilitet og reservoarheterogenitet. CO2 skum er en teknologisk løsning hvor CO2 og en surfaktantløsning blandes for å redusere mobiliteten til CO2 og forbedre fortrengningen i EOR og CO2 lagring prosesser. Tidligere CO2 skum testpiloter på feltskala har blitt rapportert som teknisk vellykket med bevis på skumdannelse, forbedret fortrengningsevne og økt oljeutvinning. Andre tester derimot ble ansett som mislykket på grunn av injeksjonsproblemer og dårlig skumpropagering i reservoaret. Derfor er det et behov for en grundigere forståelse av skumdynamikk, styrke, stabilitet og størrelsesavhengige fortrengningsmekanismer for å videreutvikle teknologien.

Denne avhandlingen er basert på seks vitenskapelige artikler som til sammen utgjør en flerskala studie av CO2 skum for mobilitetskontroll for EOR og CO2 lagring. Studien gir innsikt i grunnleggende konsepter innen skum, undersøker innflytelse av ulike faktorer, som tilstedeværelse av olje og konsentrasjon av surfaktantløsning, på CO2 skum oppførsel og evaluerer effektiviteten av CO2 skum for å forbedre oljeutvinning og øke CO2 lagringskapasitet.

The ever-growing population, increasing prosperity, and economic growth leads to increased energy demand. The combustion of fossil fuels accounts for 80% of the global energy mix, making it a valuable energy source. The global population is expected to increase by two billion in the next 30 years, and energy demand is predicted to increase by 1% a year to 2030. This rapid growth and increasing demand indicate that fossil fuels will remain important for society in the coming years. Consequently, humanity is threatened by human-induced climate change, with energy production accounting for three-quarters of global greenhouse gas emissions. A rapid change in the energy system is needed to supply the world with sufficient energy and mitigate climate change.

Carbon capture and storage (CCS) is an important measure to limit global warming and achieve the climate goals stated in the Paris Agreement. The technology includes capturing CO2 from industrial and energy-related sources and permanently storing CO2 isolated from the atmosphere. Large-scale implementation of CCS currently faces economic barriers. Utilization of CO2 as a commodity can provide a financial incentive for large-scale CCS. Using CO2 for enhanced oil recovery (EOR) is a well-established and promising technology that provides economic revenue while increasing oil production.

CO2 EOR has been performed for over 50 years and is a proven technology contributing to the ongoing energy transition. However, the effectiveness of this technology is limited by challenges associated with high CO2 mobility and reservoir heterogeneity. Foaming CO2 is a technological solution where CO2 and a foaming solution are mixed to reduce CO2 mobility and improve sweep efficiency in EOR and CO2 storage processes. Previous foam field tests have been reported as technical successes with evidence of foam generation, improved sweep efficiency, and enhanced oil recovery. Others were deemed unsuccessful due to injectivity problems and limited foam propagation in the reservoir. Thus, a more thorough understanding of foam dynamics, strength, stability, and size-dependent displacement mechanisms is needed to advance the technology.

This thesis is based upon six scientific papers, which together constitute a multi-scale study of CO2 foam for mobility control for EOR and associated CO2 storage. The study provides insight into the fundamental concepts of foam, investigates the influence of various factors, such as the presence of oil and foaming solution concentration, on CO2 foam behavior, and evaluates the effectiveness of CO2 foam in improving oil recovery and increasing CO2 storage capacity.