Pore-level Dense Phase CO2 Foam Dynamics during CO2 EOR and CO2 Storage

Abstract

Rask befolkningsvekst, økende velstand og økonomisk ekspansjon bidro til at behovet for energi økte med 1.3% i 2022. Det økende energibehovet kan sees på som en trussel ettersom energiproduksjon representerer tre fjerdedeler av de globale klimagassutslippene og menneskeskapte klimaendringer intensiveres. Det er avgjørende med rask omstilling av energisystemet for å imøtekomme de økende energibehovene samtidig som man demper klimaendringenes innvirkninger. Foreslåtte løsninger inkluderer investeringer i fornybar energi, utnyttelse av hydrogen og å finne nye måter å håndtere CO2-utslipp fra fossile brensler på, i tråd med målene i Parisavtalen.

Forkortelsen CCUS (carbon capture, utilization and sequestration) innebærer fangst, bruk og lagring av karbondioksid (CO2) og fremstår som en lovende teknologi for å håndtere utfordringene som økende energibehov og klimaendringer fører med seg. CCUS innebærer å fange CO2 fra en stor utslippskilde og bruke eller lagre den ved injeksjon i akviferer eller uttømte olje- og gassfelt. CO2 for økt oljeutvinning (enhanced oil recovery - EOR) er en veletablert teknologi, men effektiviteten av denne teknologien er begrenset grunnet høy CO2-mobilitet og reservoarheterogenitet. CO2 skumteknologi, der CO2 og en såpeløsning blandes for å danne skum, kan redusere CO2-mobilitet og forbedre EOR og CO2-lagringsprosesser. Til tross for vellykkede feltskala tester er det fortsatt begrenset forståelse av skumdannelse, fortrengningsdynamikk og stabilitet i reservoaret. Ny kunnskap er derfor viktig for å fremme teknologien.

Denne doktorgradsavhandlingen er basert på fire vitenskapelige artikler som fokuserer på pore-nivå-mekanismer til CO2 skum for EOR og CO2-lagring. Studien gir innsikt i de grunnleggende konseptene av skum på pore-nivå, undersøker innflytelsen av ulike faktorer, som tilstedeværelsen av olje og konsentrasjonen av såpeløsningen, på CO2 skumdannelse og stabilitet.

Artikkel 1 presenterer en serie av CO2 injeksjoner på høye trykk i et realistisk porenettverk. Kvantitativ analyse av bobledynamikk, skumdannelse, fortrengningsprosesser og nedbrytningsmekanismer ble utført. Beregnet gassmobiliteten på pore-nivå ble bekreftet med tilsvarende eksperimenter på kjerne-skala.

Artikkel 2 er en studie av CO2 skumdynamikk ved reservoar betingelser over flere lengdeskalaer. Effekten av restolje ble studert, sammen med bruk av en hybrid nanopartikkel-såpeløsning for mobilitetskontroll i både CO2 EOR og lagringsprosesser. I fravær av restolje ble skumstabiliteten eller -viskositeten ikke påvirket ved tilsetning av nanopartikler. Studien bekrefter at såpeløsningen har hovedansvaret for skumdannelsen.

Artikkel 3 undersøker stabiliteten (såkalt Ostwald ripening) av et statisk CO2 skum ved reservoarbetingelser dannet med ulike skumløsninger i et realistisk porenettverk. Mekanismer ansvarlig for forgroving og forfining av skum ble studert.

Artikkel 4 utvider arbeidet i Artikkel 3 og undersøker stabiliteten til CO2 skum sammen med ulike restoljer og konsentrasjoner av såpeløsning og nanopartikler. Nedbrytningsmekanismene for skum ble kartlagt med og uten restolje til stede.

Rapid population growth, rising prosperity, and economic expansion increased energy demand by 1.3% in 2022 with fossil fuels constituting 77% of the global energy mix. However, meeting this demand poses a threat as human-induced climate change intensifies, with the energy sector responsible for three-quarters of global greenhouse gas emissions. Urgent action is crucial to transition the energy system to meet growing energy needs while mitigating climate change impacts. Solutions proposed include investing in renewable energy, utilization of hydrogen, and finding innovative ways to manage CO2 emissions from fossil fuels, aligning with the goals of the Paris Agreement.

Carbon capture, utilization, and sequestration (CCUS) emerges as a promising technology to tackle the challenges posed by increasing energy demands and climate change. CCUS involves capturing CO2 from a major emission source and utilizing or storing it by injection into aquifers or depleted oil and gas fields. CO2 for enhanced oil recovery (EOR) is a well-established technology, but the effectiveness of this technology is limited due to the high mobility of CO2 and reservoir heterogeneity. CO2 foam technology, where CO2 and a foaming solution are mixed to generate foam can reduce CO2 mobility and improve sweep efficiency in EOR and CO2 storage processes. Despite successful field-scale tests, others have been unsuccessful due to injectivity issues and difficulty attributing additional displacement specifically to CO2 foam, which is related to a limited understanding of foam generation, flow dynamics, and stability at reservoir conditions. Thus, a more thorough understanding of foam generation, flow dynamics, and stability is needed to advance the technology.

This dissertation is based on four scientific papers, which study the pore-level mechanism of CO2 foam for EOR and CO2 sequestration. The study provides insights into the fundamental pore-level concepts of foam and investigates the influence of various factors, such as the presence of oil and foaming solution concentration, on CO2 foam generation and stability.

Paper 1 presents a series of unsteady-state dense phase CO2 injections into a realistic pore network with an extended field of view. A quantitative analysis of CO2 bubble dynamics was performed, and foam generation, flow dynamics, and decay mechanisms were revealed. The fraction of trapped bubbles (> 0.97) was used to calculate the gas mobility at the pore-level that corroborated with the core-scale.

Paper 2 presents a comprehensive investigation of CO2 foam dynamics under reservoir conditions across multiple scales. The effect of residual oil on foam generation and stability was studied both at the pore-level and core-level. The study investigated hybrid nanoparticle-surfactant foam for CO2 mobility control in both CO2 EOR and sequestration processes and was compared to foam generated with pure surfactant and nanoparticle solutions. In the absence of oil, adding nanoparticles to the surfactant-based foaming solutions did not enhance foam stability or noticeably impact foam viscosity. Using foaming solutions with nanoparticles alone produced minimal to no foam, indicating surfactant's primary role in foam generation.

Paper 3 investigates the Ostwald ripening mechanism for a static dense phase CO2 foam generated with different foaming solutions in a realistic pore network. The study compared the stability of CO2 foam generated by a hybrid nanoparticle–surfactant solution to CO2 foam stabilized by only surfactant or nanoparticles. In addition, both coarsening and anti-coarsening mechanisms were revealed.

Paper 4 extends on the work presented in Paper 3 and evaluates the pore-level stability of dense phase CO2 foam generated with different foaming solutions, in the presence of miscible and immiscible oil. The impact of increasing surfactant concentration and including nanoparticles on foam stability, in the absence and presence of oil was determined. In addition, the decay mechanisms were identified both for the absence and the presence of oil. The observations revealed foam destabilization mechanisms in the presence of oil at high pressure conditions.