En betydande mängd amerikansk inhemsk oljeproduktion kommer från skiffer. Att utvinna olja och gas från dessa okonventionella reservoarer kräver normalt att man borrar horisontella brunnar och använder hydrauliska spricktekniker. Men att förutsäga den fulla effekten av dessa tekniker är fortfarande osäkert eftersom förståelsen för hur vätska strömmar genom skiffer fortfarande utvecklas.

Dr David Schechters forskargrupp har utvecklat en ny typ av simulator som bättre illustrerar och förutspår effekterna av dessa tekniker. Denna robusta simulator bygger på data från laboratorieexperiment och kombinerar den med kända geologiska data om frakturer. Sedan använder den ostrukturerad gridding och nyutvecklad kodning för att skapa modeller som förbättrar förståelsen för:

• hur sprickor påverkar reservoarflödet
• hur sprickvätskor med tillsatta ytaktiva ämnen (tvål) påverkar oljeutvinning
• vilka förbättrade oljeåtervinningsprocesser är bäst för olika reservoarsituationer

Förutom att förbättra förståelsen, forskargruppen använde dessa data och dessa modeller för att utmana nuvarande teorier om vätskeretention i reservoarer.

Frakturer påverkar flödet

Schechter, en docent och Aghorn Energy Career Development Professor vid Harold Vance Department of Petroleum Engineering vid Texas A&M University, är inte främmande för frakturer. Hans forskningsintressen omfattar geologisk och petrofysisk analys, och han är snabb att förklara frakturens grunder.

"Frakturer är inte nödvändigtvis kaotiska i reservoarstenar, "sa Schechter." Om du känner till reglerna för bergmekanik, och du studerar utmarker på ytan och under ytan med verktyg i borrhålet, då kan du generera spricknätverk baserat på vissa kända regler. Vissa frakturer är välskötta när det gäller sprickavstånd och längd, vissa är inte och vissa är oregelbundet fördelade. Om vi ​​har tillräckligt med kärndata, om vi förstår bergmekanik och de påfrestningar som bassängen har genomgått, då följer de resulterande sprickmönstren vanligtvis enkla regler. "

Vatten rinner i ytfrakturer på bergsutrymmen. Detta lockar vegetation, som visas på flygfotot (med tillstånd av John Lorenz). I underjorden, liknande sprickmönster tillåter transport och produktion av olja. Geologer kartlägger yta från berg med skanningslinjer, skapa kartor över sprickmönster i vätskeformiga formationer. Schechters grupp konverterar dessa kartor till reservoarsimuleringsgaller med hjälp av en teknik som kallas ostrukturerad griding. I denna teknik, frakturer representeras med komplexa polygonala rutnät, inte de enkla raka kartesiska rutnät som de flesta programvaror använder.

En elev, Jianlei Sun, skrev en kod som omvandlar sprickmönster och ostrukturerade rutnät till sofistikerade simuleringsnätsystem. Koden innehåller egenskaper av intresse som behövs av simulatorn, såsom frakturslag och riktning, sprickstorlek, och frakturens längd och höjd.

Andra sätt vätska rör sig

Scheckers simulator går utöver modelleringsfrakturegenskaper, det behandlar också vätskeegenskaper. Oljeflödet i skifferreservoarer är svårt att förutsäga eftersom berget har extremt låg permeabilitet på grund av mikroskopiska porer. Att utvinna olja från denna snäva sten sker genom transportmekanismer, såsom förändring av vätbarhet för att förbättra kapillär imbibition.

Schechters laboratorier är specialiserade på att studera vätbarhet och imbibition i stenar. Vätbarhet är vätskans förmåga att upprätthålla kontakt med en stenyta och inte avvisas av den. Imbibition är bergets förmåga att absorbera sprickvätskor, såsom vatten blandat med ytaktiva ämnen. Dessa vätskor stöter bort och förskjuter olja i bergets porer så att oljan kan utvinnas. Utan att ändra eller ändra vätbarhet, kapillär imbibition kanske inte händer.

"Om vatten avvisas från ytan, det rör sig inte in i berget, "sa Schechter." Men om vatten lockas till ytan, det kommer att dra in vatten, ersätta oljemättade porer på grund av kapillär imbibition. Kanske har du tagit en sockerbit och rört den till kaffe? En sockerbit är mättad med luft (mellan sockerkristallerna) men sockerbitens yta föredras att bli fuktad med vatten eller kaffe i motsats till luft. När du rör det mot kaffelytan och det suger upp det kaffet, det är kapillär imbibition. Vi tittar på att förbättra oljeutvinningen med ytaktiva ämnen, som beror på vätske/vätskeimbibition. Det är därför vi studerar kontaktvinklar. "

Schechters grupp studerar effekterna av olika kemiska blandningar i sprickvätskor. De letar efter blandningar som förändrar bergets vätbarhet från olje-våt till vatten-våt, så att vätskan kan tränga in i oljefylld sten i laboratoriemiljöer. Experimenten hjälper forskare att förstå och kartlägga resultaten av kontaktvinklar. De använder en CT -skanner för att bekräfta resultaten och överför sedan denna information till sin simulator.

Vätskeretention i okonventionella reservoarer är fördelaktigt

"Den okonventionella revolutionen är så överraskande, "sa Schechter." Vi kan ta en konventionell plugg av poröst berg, som sandsten, och vi kan pumpa vätskor i den. Under press, vi kan enkelt injicera olja eller vatten genom det. De okonventionella stenarna vi studerar, som skiffer, är så täta att vi inte kan pumpa in något i dem. Dock, när vi utsätter dem för ytaktiva ämnen som förändrar vätbarheten, spontan imbibition inträffar, transporterar därigenom vattenfasen in i berget med förvånansvärt snabba hastigheter. "

Förr, företag injicerade vatten och sand (eller proppant) i konventionella reservoarbrunnar under högt tryck för att skapa sprickor. Man trodde att återvinning av det mesta av vattnet (återflöde) var fördelaktigt så att vatten inte skulle blockera det yttre flödet av olja. Schechters experiment med okonventionella stenar visar att icke -porösa stenar beter sig annorlunda. Prover mättade med olja exponerades för vatten som var genomsyrat av ytaktiva ämnen. CT-skanningar som mäter densitet avslöjade att den mindre täta oljan ersattes av de tätare vattenblandningarna genom imbibition. Frakturer gjorde att oljan rann ut.

"Vi fann att du vill att behållaren ska behålla det vattnet, "sa Schechter." Det är kontraintuitivt. Det bryter mot gamla metoder. Innan man antog om vatten tränger in i formationen, då blockerar det oljeflödet, vilket minskar brunnens produktivitet. Vad vi hittar är om vatten tränger in genom kapillär imbibition och du får väldigt lite vatten tillbaka, implikationen är att den vattenhaltiga fasen har trängt in i berget och förflyttat oljan i sprickorna och det är faktiskt bra. "

Förbättrade förutsägelser gynnar industrin

Genom användning av kemi, matematik och fysik, Schechters grupp har utvecklat ett verktyg som bättre illustrerar och maximerar brunnproduktionen för skifferreservoarer. Deras simulator har skapat mer robusta förutsägelser än nuvarande simulatorer eftersom den är baserad på omfattande data. Detta hjälper industrin att minska onödiga driftskostnader genom att hjälpa ingenjörer att bättre förstå hur okonventionell sten beter sig efter specifika sprickbehandlingar.

"Det är i grunden det jag studerar, att denna sten är full av olja, men det är fantastiskt att olja kommer ut ur den här berget eftersom det är så tätt, "sade Schechter." Industrin är intresserad av att förbättra återhämtningen, vare sig genom att injicera vattenfas med ytaktiva ämnen eller gasinjektion, och vi undersöker alla former av förbättrad återhämtning. Vi kan förutsäga vad som kommer att hända. Vi kan skala upp vår simulator till behållarmått och kvantifiera förbättringen. "