Integrative Modeling of Asphaltene Deposition and Three-phase Hysteresis for CO2-LPG EOR

Abstract

CO2 주입공법은 증진회수(EOR)뿐만 아니라 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술로서 온실 가스 격리에 대한 효율적인 방법으로 알려져 있다. CO2 주입 방식 중 물-가스 교차 주입법(WAG)은 EOR 및 CCS 성능을 향상시키는 효과적인 방법이다. WAG 공법 적용 시 CO2 주입 스트림에 탄화수소 용매인 액화석유가스(LPG)를 첨가하면 오일과의 최소혼화압력을 감소시킴으로써 EOR의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 LPG는 저류층 내에서 아스팔텐 침전을 야기하고 이력의 정도와 메커니즘을 변화시킴으로써 CCS 및 EOR에 상당한 영향을 미친다. CO2-LPG WAG 공정 중 오일 성분의 변화로 인한 아스팔텐의 침전 및 퇴적은 공극률 및 투과도를 감소시키고 저류층 습윤도를 변화시킨다. 이로 인한 지층 손상은 결국 EOR 및 CCS 성능에 영향을 미치므로 본 연구에서는 유체 모델링 및 저류층 동적 모델링 기술을 기반으로 CO2-LPG WAG 적용 시 흡착, 공극 막힘 현상 및 재유입 메커니즘을 포함한 아스팔텐 침전 및 퇴적 메커니즘을 분석하였다. 또한, WAG 공정 동안 물 및 가스 주입에 대한 잔류 및 용해 트랩을 묘사하기 위해 3상 이력 모델을 적용하였다. LPG가 CCS-EOR에 미치는 영향을 분석하기 위해 먼저 CO2 유체시스템에서 지층 손상 및 3상 이력 모델을 반영한 통합 모델을 개발하였다. 아스팔텐 퇴적에 의해 암석의 습윤도가 변화하면 오일 및 가스 유동도가 감소하고 물 유동도가 증가하므로 결국 용해 트랩을 감소시키고 잔류 트랩을 증진시키는 것을 확인하였다. 최종적으로 CO2-LPG 유체시스템에서 LPG가 CCS-EOR 효율에 미치는 영향을 분석하기 위해 CO2-LPG WAG 통합 모델을 개발하였다. 3상 이력 모델이 적용됨에 따라 잔류 트랩이 발생하므로 CCS 성능이 개선되고 오일 회수는 6% 증가된다. LPG는 아스팔텐 침전 및 퇴적을 가속화하여 가스 유동도를 감소시키므로 잔류 트랩량은 CO2 WAG보다 4%p 더 크다. 지층 손상이 증가함에 따라 공극 막힘현상에 의해 저류층의 압력은 더 높게 유지되고 그 결과 용해 트랩 성능은 0.2%p만 감소하였다. 결과적으로 LPG를 첨가함에 따라 오일 회수율이 4% 향상되고 CO2 WAG에 비해 전체 CCS 성능이 9% 향상된다는 것을 확인할 수 있다. 또한 주입하는 LPG의 양과 물의 양을 증가시켰을 때 EOR과 CCS의 성능이 모두 개선되지만 주입 증가량에 따른 개선 정도가 점차 감소하므로 CO2-LPG WAG의 현장 적용 시 LPG 가격을 고려한 경제성 평가가 반드시 이루어져야 한다.; CO2 injection has been found to be an efficient method for not only enhanced oil recovery (EOR) but also greenhouse gas sequestration as a carbon capture and storage (CCS) technology. Among the CO2 injection schemes, water alternating gas (WAG) is an effective way to improve both EOR and CCS performances. To improve the performance of WAG, liquefied petroleum gas (LPG) can be added into CO2 stream leading to minimum miscibility pressure (MMP) reduction. However, CO2 and LPG injection lead to asphaltene precipitation and deposition because of a change in oil composition, which results in formation damages by reducing porosity and permeability and altering wettability. Since these formation damages affect EOR and CCS performances simultaneously, this study systematically examines the mechanisms of asphaltene precipitation and deposition based on fluid modeling and compositional simulations during CO2-LPG WAG. To precisely investigate the effects of LPG on CCS-EOR, an integrated model including asphaltene deposition and three-phase hysteresis in CO2 fluid system has been developed. In the integrated model WAG for formation damage and three-phase hysteresis of CO2 WAG, the alteration of rock wettability by asphaltene deposition leads to a decrease in oil and gas mobility and an increase in water mobility. Reduced oil mobility causes 13% lower oil recovery than that without asphaltene deposition, and decreased gas mobility leads to increase residual trapping. In contrast, due to enhanced water mobility by wettability alteration, the residual water saturation decreases resulting in lower solubility trapping. Therefore, if three-phase hysteresis and asphaltene deposition for integrative model are not considered, residual and solubility trappings can be under and overestimated for CCS, respectively, and oil recovery is overestimated for EOR. The addition of hydrocarbon solvent as LPG into the CO2 stream significantly affects the performances of CCS and EOR by changing the amount and mechanisms of asphaltene deposition and hysteresis. In this study, integrated model for CO2-LPG WAG has been developed to analyze the effects of LPG on CCS-EOR efficiency. LPG accelerates the asphaltene deposition resulting in lower gas mobility, so the amount of residual trapping is 4%p greater than CO2 WAG. In contrast, the solubility trapping performance is declined as only 0.2%p because of higher reservoir pressure by increased formation damage. It can be confirmed that LPG addition enhances oil recovery by 4% and improves total CCS performance by 9% compared with CO2 WAG. From reservoir simulations performed in different LPG concentrations and WAG ratios, it is confirmed that the performance increment of CCS-EOR by increased amount of LPG and water injection becomes lower, and the economic evaluation based on LPG price should be carried out for a successful field application.