Determination of CO2-Synthetic Oil Miscibility Condition Using Vanishing Interfacial Tension Method = Vanishing Interfacial Tension 방법을 이용한 CO2-Synthetic Oil의 혼화상태 측정

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Miscibility condition is an essential parameter for EOR
(Enhanced Oil Recovery) process. In order to optimize the process of
CO2 injection, estimating miscibility pressure (MMP and FCMP) should
be performed. Slim tube method has been widely used by industry for measuring miscibility condition. But, it consumes more time, sample,
and no standard specification and procedure.(Johns et al., 2000; Johns
and Orr, 1996; Luo and Chen, 2001) On the other hand, VIT (Vanishing
Interfacial tension) method is cost effective, quick (1-2 days) and
accurate for determining of MMP using less crude oil sample. (Sequeira,
2008) And, previous many experiments for investigating miscibility
condition have been implemented using dead oil. That is why main
objectives of this study is to determine CO2-Synthetic oil’s miscibility
condition using VIT (Vanishing Interfacial Tension) and visual
observation method at reservoir condition. Dead oil was mixed with
methane gas to manufacture synthetic oil and simulate real reservoir
condition. Constant Composition Expansion Test was also conducted to
measure Pb (bubble point pressure). It is compared to the pre-tested
data from authorized organization (LEMIGAS) and validate reliability of
synthetic oil. Measured Pb is 1075 psi at 68.8 °C. This result is
similar to LEMIGAS's pvt data (1,116 psi). It presents that the
methane gas was totally soluble inside M-37 dead oil and the
experimental method was reliable. Also, Pb was measured as a function
of GOR (200, 270 SCF/STB) and temperature (40, 60, 68 °C) to find
correlation between them. After that, miscibility condition which is
- III
MMP (Minimum Miscibility Pressure) and FCMP (First Contact
Miscibility Pressure) are obtained through VIT method by extrapolating
two linear slope line (first, second slope) to determine miscibility
pressure (MMP, FCMP) respectively. VIT method was also conducted
to show the effect of solution gas, temperature and oil composition on
miscibility condition. The effect on FCMP of solution gas is minor. On
the other hand, estimated FCMP is increased much more than
determined MMP for both dead oil and synthetic oil due to temperature
effect. As a result, temperature effect compared with solution gas
effect is more pronounced parameter. When comparing heavier oil
(25.2°) with light oil (41.38°), heavier oil has three distinct pressure
intervals. It shows the presence of heavier oil components at the
interface with CO2 and it affects to the appearance of second, third
intervals and slope reduction. Also, by observing the oil drop color and
shape, miscibility condition can be determined. Determining MMP and
FCMP by Visual IFT observation has high reliability with low error
(%) compared to VIT (Graphical extrapolation) method. Based on
accurate evaluation of the miscibility condition, this study can contribute
to the design and performance of a CO2 injection EOR project in a field
application by ensuring a miscible CO2 flooding process with high oil
recovery.
Keyword: Synthetic oil-CO2 miscible condition (MMP, FCMP),
VIT (Vanishing Interfacial Tension) method, CCE test,
Visual observatio

국문 초록 (Abstract)

오일 회수증진 공법에서 혼화상태는 필수요소 중 하나이다. CO2
주입의 최적화 과정을 위해서는 혼화압력인 MMP와 FCMP 측정이 우선
되어야 한다. 기존의 연구에서는 혼화상태 측정을 위해 슬림튜브를 이용한
방법을 선호하였다. 그러나 이 방법은 시간과 재료가 많이 소모가 되며
구체적인 과정의 기준이 다소 미약하다. 반면에, VIT 방법은 최소혼화압력
측정을 위해 적은 양의 오일을 이용하면서 가격 효율적이고, 신속 정확한
방법이라고 여겨진다. 또한 이전의 혼화상태측정 연구에서는 대부분 dead
oil을 이용하는 방식으로 이루어져왔다. 이를 종합하여, 본 연구는 실제
저류층 조건에서 VIT 및 관찰적 방법을 이용하여 CO2-synthetic oil의
혼화상태를 측정하고자 한다. Dead oil은 실제 저류층 조건모사를 위해
메탄과 혼화되었다. 또한, 버블포인트 압력측정을 위해 Constant
Composition Expansion Test를 시행하였다. 이를 통해 직접 만든
synthetic oil과 공인된 기관인 LEMIGAS로부터 사전 검증된 자료를
비교함으로써 오일의 신뢰성을 증명하고자 하였다. 측정된 버블포인트
압력 값은 68.8 °C 조건에서 1,075 psi 였다. 이 결과는 LEMIGAS의 pvt
자료의 1,116 psi와 근접한 값을 갖는다. 이는 메탄이 M-37 dead oil에
- 116
완전히 용존 되어 있으며 실험적 방법이 신뢰할 만하다는 것을 나타낸다.
또한 버블포인트 압력에 GOR (200, 270 SCF/STB)과 온도 (40, 60, 68
°C)가 미치는 상관관계를 입증하였다. 그 후 혼화 상태인 MMP, FCMP는
VIT 방법에 의해 첫 번째, 두 번째 기울기에 보외법(extrapolation)을
적용하여 각각 MMP와 FCMP 값을 측정하였다. 또한 VIT 방법은 용존
가스, 온도와 오일의 성분적 특성이 혼화상태에 미치는 영향을 보여주기
위해 이용되었다. 그 결과, FCMP에 미치는 용존 가스의 영향은
미미하였다. 그러나 온도 영향의 경우에는 온도가 증가함에 따라 dead oil
및 synthetic oil 두 경우 모두 MMP보다 FCMP가 더 큰 폭으로
증가하였다. 혼화상태에 온도가 미치는 영향이 용존 가스의 영향보다 더
크다는 것을 보여준다. 또한 heavier oil (25.2°)과 light oil (41.38°)을
비교할 때 heavier oil은 세 개의 다른 압력 구간을 갖는다. 이는 오일
방울과 CO2의 경계면에서 heavier한 oil 성분의 존재를 보여주며 두 번째,
세 번째 구간 출현과 기울기 감소에 영향을 미친다. 관찰적 방법의 경우
오일의 색과 모양을 관찰하여 혼화상태를 측정할 수 있다. 관찰적 방법에
의한 MMP와 FCMP 측정은 VIT 방법과 비교하였을 때 낮은 오차율로써
높은 신뢰도를 가진다. 본 연구는 정확한 혼화상태의 측정에 기반 하여
실제 현장 CO2 주입 오일 회수증진 공법 설계 및 적용 시 높은 오일
회수증진에 기여할 것이다.
주요어 : 합성오일 혼화상태 (MMP, FCMP), VIT (Vanishing
Interfacial Tension) 방법, CCE test, 관찰적 방법

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1: Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Research Objective 5
• 1.3 Summary of Chapters 6
• Chapter 2: Literature Review of Live Oil MMP Determination Methods 8
• 2.1 Conventional PVT Measurement 8
• 2.1.1 Constant Composition Expansion Test 8
• 2.1.2 Differential Liberation Test 13
• 2.2 Miscibility Pressure
• 2.2.1 Multiple Contact Miscibility (MCM) 17
• 2.2.2 First Contact Miscibility (FCM) 18
• 2.3 Previous Researches of MMP Measurement Methods 20
• 2.3.1 Slim Tube Test 20
• 2.3.2 Rising Bubble Apparatus Test 24
• 2.3.3 Swelling Test 28
• 2.3.4 Simulation/EOS 30
• 2.4 Current Researches
• 2.4.1 Interfacial Tension Test 32
• 2.4.2 Visual Observation 38
• Chapter 3: Experimental Materials and Procedures 40
• 3.1 Reservoir Fluids Preparation 40
• 3.1.1 Dead Oil 40
• 3.1.2 Synthetic Oil 42
• 3.2 Live Oil Setup System 42
• 3.2.1 Methane Gas 43
• 3.2.2 Drive Gas Booster 45
• 3.2.3 Mass Flow Controller(MFC) 45
• 3.2.4 Sapphire View Cell and High Pressure Piston Cell 46
• 3.2.5 ISCO Pump 260D 48
• 3.3 Interfacial Tension Test Setup System 49
• 3.3.1 Crude Oil 50
• 3.3.2 Pure CO2 gas 53
• 3.3.3 Cooling bath 54
• 3.3.4 IFT optical cell 55
• 3.3.5 Automated Goniometer 56
• 3.3.6 Heater gun 58
• 3.3.7 Temperature sensor and controlling box 59
• 3.3.8 Vacuum pump 59
• 3.4 Synthetic Oil Manufacturing Procedure 61
• 3.5 Bubble Point Pressure Measurement Procedure 62
• 3.6 Interfacial Tension Test Procedure 65
• 3.6 Visual Observation Procedure 65
• Chapter 4: Results and Discussions 70
• 4.1 Bubble Point Pressure Measurement Result 70
• 4.2 Miscibility Condition Determination Result 82
• 4.2.1 Interfacial Tension Test Result 82
• 4.2.1.1 Effect of Solution Gas 83
• 4.2.1.2 Effect of Solution Gas 86
• 4.2.1.3 Comparison between solution gas and temperature effect 89
• 4.2.1.4 Effect of Oil Composition 91
• 4.2.2 Visual Observation Result 96
• Chapter 5: Conclusions and Future works 105
• 5.1. Conclusions 105
• 5.1.1 CCE (Constant Composition Expansion) Test 105
• 5.1.2 VIT (Vanishing Interfacial Tension) Method 106
• 5.1.3 Visual Observation Method 107
• 5.2. Future Works 108
• References 110