Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
485366		An experimental investigation of in situ combustion in fractured heavy oil systems / Çatlaklı ağır petrol sistemlerinde yerinde yanmanın deneysel olarak incelenmesi Yazar:MELEK DENİZ PAKER Danışman: DOÇ. DR. MURAT ÇINAR Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı Konu:Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği = Petroleum and Natural Gas Engineering Dizin:Kuru yakma = Dry combustion ; İleri yanma = Forward combustion	Onaylandı Doktora İngilizce 2018 294 s.
Yerinde yanma yöntemi ısıl petrol kurtarım yöntemlerinden biridir ve bugüne kadar birçok farklı yapı ve özellikteki rezervuarlarda başarılı bir şekilde uygulanmıştır. Yerinde yanma yöntemi, rezervuara basılan kuru veya oksijence zenginleştirilmiş havanın ısıtılarak rezervuarda bir dizi yanma reaksiyonunun başlatılması ve yanma cephesinin üretim kuyusuna doğru sürdürülerek petrolün üretilmesine dayanan bir yöntemdir. Yanma, hava içerisindeki oksijen ile petrolün uygun sıcaklıklarda reaksiyona girmesi sonucu oluşmaktadır. Bu reaksiyonlar çok-aşamalı ve/veya eş-zamanlı olmakla birlikte üretilen ısı enerjisi değerleri farklıdır. Basılan havanın devamlılığı ve üretilen ısı enerjisinin yanma reaksiyonları için yeterli olmasına göre yanma cephesi rezervuar içerisinde sürdürülebilmektedir. Reaksiyonlar sonucu üretilen ısı enerjisi, petrolün akmazlığını düşürürken, petrol içerisindeki ağır bileşenlerin yakılması ile üretilen petrolün kalitesi arttırılmış olunur. Ayrıca, reaksiyonlar sonucunda çıkan gazlar sayesinde rezervuar basıncı da yükseltilerek, rezervuara fazladan enerji sağlanmış olunur. Yerinde yanma yöntemi sonuç olarak kütle transferi, ısı transferi ve reaksiyon mekaniğini içeren oldukça karmaşık bir yöntemdir. Bu çalışma kapsamında, yerinde yanma yönteminin Batı Raman petrolü ile hangi koşullarda ve nasıl gerçekleştirilebileceği laboratuar ortamında gerçekleştirilen deneylerle araştırılmıştır. Deneylerde, gözenekli ortam olarak Alacaağzı ve Yalıköy – Kiraztepe formasyonlarından getirilen kuma ilaveten silika tuğladan elde edilmiş karotlar kullanılmıştır. Bilindiği gibi Batı Raman sahası Türkiye'nin güneydoğusunda yer alır ve ülkenin en büyük petrol rezervine sahip sahasıdır. Petrol özellikleri açısından incelediğinde petrol akmazlığı yüksek olup, özgül ağırlığı da düşüktür. Yanma deneylerine başalamadan önce petrolün, kumun ve kumtaşlarının bazı özelliklerinin belirlenmesi için bir dizi deney yapılmıştır. Bunlar petrol için, yoğunluk, akmazlık, asfaltsı içeriği ve ortalama moleküler ağırlığı iken kum ve kayaçlarda, ağırlık, hacim, gözeneklilik ve geçirgenlik deneyleridir. Öncelikle, Batı Raman petrolünün yanma özelliklerinin belirlenmesi için 50 reaksiyon kinetiği deneyleri gerçekleştirilmiş ve bunlardan 25 tanesi çözümlemelerde kullanılmıştır. Bu deneyler farklı tanecik boyutuna sahip kumların petrol ve su ile homojen olarak karıştırılıp, fırın içerisinde yer alan bir kinetik reaktör içerisinde yakılması şeklinde gerçekleştirilmiştir. Fırının sıcaklığı doğrusal bir programlama özelliğine sahip olan sıcaklık kontrolörü ile sağlanır. Bu deneylere sıcaklık artırımlı oksitlenme deneyleri denir. Deneyler boyunca kinetik reaktörün üç farklı noktasından alınan sıcaklık verileri ve deney boyunca çıkan gazların derişimleri analizlerde kullanılmak üzere kaydedilir. Bu çalışmada deneyler dakikada 2 litre kuru hava enjeksiyonu ve 689.47 kPa (100 psig) işletim basıncı koşullarında gerçekleştrilmiştir. Deney süreleri istenilen ısıtma hızına bağlı olup, bu çalışmada bu süreç 4 ila 6 saat arasında değiştirilmiştir. Deneyler, herhangi bir kinetik modelden bağımsız olarak bilinen eşdönüşüm yöntemi ile analiz edilmiştir. Bu yöntem ile yapilan analiz sonucunda dört farklı dominant reaksiyon tespit edilmiş ve her reaksiyonun gerçekleştiği bölgeler belirlenerek, reaksiyonlarin başlaması için gerekli olan aktivasyon enerjileri hesaplanmıştır. Buna ek olarak alınan ölçümlerden atomik hidrojen – karbon oranı ve yanma reaksiyonu için gerekli olan sıcaklıklar belirlenmiştir. Ek olarak, 4 aşamalı bir reaksiyon şeması kullanılarak, gerçekleşen reaksiyonların mol balans dengesi ve olusan iki farklı kokun yaklaşık moleküler ağırlıkları belirlenmiştir. Artırımlı sıcaklık oksitlenme deneylerinin sonuçlarına bağlı olarak, artan yüzey alanının atomik H/C oranında düşmeye sebep olduğu ve ısıtma hızları ile bu oran arasında bir korelasyon olmadığı bulunmuştur. Ayrıca, yüzey alanındaki değişimlerin sadece düşük sıcaklık oksitlenme reaksiyonlarının gerçeklestiği bölgedeki reaksiyon katsayıları üzerine etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Bu bulgulara ek olarak, aktivasyon enerjisinin ardışık ve paralel oksitleme reaksiyonlarının tespiti icin gösterge olarak kullanılabileceği ve eşdönüşüm yönteminin ise bu reaksiyonların ve aktivasyon enerjilerinin belirlenmesinde kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Reaksiyon kinetiği deneylerine ilave olarak, 35 adet yanma tüpü deneyleri 1 m uzunluğunda ve 7.3 cm çapında bir tüp içerisinde, dakikada 3 litre debi ve 689.47 kPa işletim basıncı ile gerçekleştirilmiştir. Deneyler boyunca tüpün 21 farklı noktasından 3.5 cm aralıklarla sıcaklık ölçümleri alınmış ve üretilen gaz derişimleri ile birlikte kaydedilmiştir. Deneylerin sonucunda yanma cephesi sıcaklığı ve hızı, atomik hidrojen – karbon oranı, hava – yakıt oranı ve oksijen kullanımı gibi bazı değişkenler hesaplanmıştır. Deneyler öncelikle 12 tanesi farklı tanecik boyutuna sahip homojen kum paketlerinde gerçekleştirilerek tanecik boyutunun yanma cephesi davranışına etkisi incelenmiştir. Deneyler boyunca üretilen metan gazının deneylerin analizinde kullanılacak genel yanma denkleminde ihmal edilemeyecek kadar yüksek olduğuna karar verilmiş ve denklemlere üretilen metan gazı etkileri de eklenmiştir. Deneylerin analizi sonucunda artan yüzey alanının (daha düşük kum tanecik boyutunun) yanma için gerekli olan kok çökelimini arttırdığı ve buna bağlı olarak yanma cephesi hızının azaldığı sonucuna varılmıştır. Ayrıca, yanma cephesi sıcaklığının kullanılan petrolün miktarına ek olarak yakıt miktarı/kum miktarı oranına da bağlı olduğu gözlemlenmiştir. Deneylere, farklı tanecik boyutlarından oluşan heterojen kum paketlerinde yanma deneyleri ile devam edilmiş ve 2 farklı deney ile farklı tanecik boyutları arasındaki geçiş bölgesinin yanma cephesi üzerine etkileri irdelenmiştir. Sonuç olarak yanma cephesi sıcaklıklarının ince taneli kum paketinden iri taneli kum paketi geçişinde arttığı gözlemlenmiş, fakat bunun sebebinin ince taneli kum paketinin yuksek ısı kapasitesi ve aynı hacimdeki kütlesinin daha fazla olması ile alakalı olduğu ve/veya iri tanelerdeki kullanılabilir oksijen miktarının artışına bağlı olarak daha tamamlanmış bir yanmanın gerçekleştiği düşünülmektedir. Ayrıca homojen kum paketi deneylerine benzer olarak artan yüzey alanı ile kok çökelimini arttığı ve yanma cephesi hızının buna bağlı olarak düştüğü sonucuna varılmıştır. Ek olarak, her iki deney seti üretilen metan miktarının iri taneli kum paketlerinde arttığı gözlemlenmiştir. Bu deneylerin ardından, farklı kum tanecik boyutları kullanılarak oluşturulan yatay (hava akışına dik), dikey (hava akışına paralel) ve hem yatay hem de dikey çatlaklı sistemlerde 9 farklı deney gerçekleştirilmiştir. Çatlaklar iri taneli kum paketleri ile temsil edilirken matris ise 0.15 mm boyutunda ince taneli kum paketi ile temsil edilmiştir. Akışa dik 5 adet yatay catlak 7.5 cm arayla, merkezi ısıl ölçerlere gelecek şekilde tüp içerisine yerleştirilmiştir. Akışa paralel dikey çatlaklar ise ısıl sensörlerin de olduğu tüp merkezine yerleştirilmiştir. Bu deneyler sonucunda, yatay çatkların yanma cephesinin sürdürülebilmesine etkisinin olmadığı, dikey çatlakların ise cephenin sürdürülüp sürdürülemeyeceğini belirleyen önemli bir rol oynadığı anlaşılmıştır. Dikey çatlaklı sistemlerde, iki farklı yanma cephesinin etkin olduğu da gösterilmiştir. Bunlardan ilki, çatlak içerisinde hızla ilerleyen bir cephe iken diğeri matris içerisine difüz eden oksijenin yetersizliğinden dolayı daha yavaş ilerleyen bir cephedir. Ek olarak, hem yatay hem de dikey çatlaklı kum paketi sistemlerinde gerçekleştirilen deneyler sonucunda da dikey çatlağın yanma cephesi üzerinde daha etkin bir rol oynadığı sonucuna varılmıştır. Son olarak 12 adet yanma deneyi karot ve kum paketi sistemlerinde gerçekleştirilmiştir. Yanma deneyi öncesinde karotların gözeneklilikleri tayin edilmiş ve ardından su ile doyurup kayaç geçirgenlikleri ölçülmüstür. Sonrasında ise sırasıyla petrol ve hava ile doyurulmuştur. Bu çalışmanın amacı ise çatlaklı sistemlerde yanma cephesinin hangi koşullarda sürdürülebileceğinin tayin edilmesidir. Ayrıca hava içerisindeki oksijen konsantrasyonun da yanma cephesi üzerine etkileri de bu deneyler kapsamında irdelenmiştir. Bu sebeple, öncelikle 3 adet deney; ikisi kuru hava (% 21 oksijen içeren) ve bir tanesi oksijence zenginleştirilmiş hava (% 39 oksijen içeren) ile herhangi bir çatlağın olmadığı karotlarla gerçekleştirilmiş ve yanma cephesi bu deneyler sonucunda sürdürülememiştir. Çatlaksız karot ile yanma deneylerinin başarısız olmasında ısı kayıpları, karotun kütlesi ve yanma reaksiyonları sonucunda üretilen enerjinin etkisi olduğu düşünülmektedir. Bu sebeple diğer 9 deneyde farklı şekillerde ve genişliklerde dikey ve yatay çatlaklar yaratılarak yanma cephesinin davranışı incelenmiştir. Dikey çatlaklardan bir tanesi karotun merkezinde 3 mm genişlikte iken diğer deneylerde tüp duvarı ile karot arasında kalan 1.5 mm'lik boşluk ile temsil edilmiştir. Yatay çatlaklar ise 2.5 ve 3.5 mm boyutlarındaki tutucular ile oluşturulmuştur. Deneylerden ilki kuru hava enjeksiyonu ile gerçekleştirilmiş ve yanma cephesi sürdürülemediği için deneylere oksijence zenginleştirilmiş hava enjeksiyonu ile devam edilmiştir. Kumlu çatlaklı sistemlere benzer şekilde, karot ile oluşturulan dikey ve yatay çatlaklara ilave olarak, çatlak ağı kurulmuş sistemlerde deneyler gerçekleştirilmiştir. Yatay çatlakların yine yanma cephesi üzerine etkisinin fazla olmadığı fakat dikey çatlakların oldukça etkili olduğu gözlemlenmiştir. Özellikle, yanma cephesi davranışı, merkezi dikey çatlaklı sistemlerde radyal dikey çatlaklı sistemlerden daha iyi olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca oksijence zenginleştirilmiş havanın yanma cephesi üzerinde olumlu etkisinin olduğu gösterilmiştir. Genel olarak sonuçlar özetlendiğinde, çatlaklı sistemlerde yanma cephesinin kendi kendine sürdürülmesinde oksijenin matrise difüzyonunun önemli bir rol oynadığı gözlenlenmiştir. Ayrıca çatlakların kendi kendine ilerleyebilen bir cephe icin gerekli olduğu sonucuna varılmıştır. Ek olarak, dikey çatlakların dominant olduğu sistemlerde iki farklı yanma cephesi davranışı gözlemlenmiştir; biri çatlak içinde kullanılabilir petrol miktarına bağlı olarak cephenin ilermesine, sönmesine ya da tekrar canlanmasına sebep olurken, ikinci cephe homojen sistemlere benzer şekilde sürekli devam etmektedir. Buna bağlı olarak, dikey çatlaklı sistemlerde daha fazla petrolün yanma reaksiyonlarında kullanılması sebebiyle yanma cephesi hızları düşmüş ve buna bağlı olarak üretilen petrolün kalitesi artarken miktarı ise azalmıştır. Ayrıca, oksijence zengin havanın deneylerde kullanılmasının yanma özelliklerini iyileştirdiği görülmüştür. Son olarak, yanma cephesinin yüksek yüzey alanından düşük yüzey alanına geçişlerinde üretilen metan miktarlarında önemli artışlar olduğu gözlemlenmiştir.
In situ combustion (ISC) is one of the thermal oil recovery processes, which has been applied successfully in a variety of reservoirs. The energy is generated within the reservoir by series of multistep reactions that provide heat to reduce oil viscosity, increase reservoir pressure and upgrade heavy oil in situ by reducing the heaviest fractions of crude oil. Within the scope of this study, in situ combustion in fractured systems is investigated by both conducting kinetic reactor and combustion tube tests using Batı Raman crude oil. The combustion characteristics of the crude were analyzed first to understand reaction kinetics of the oil. Thus, ramped temperature oxidation (RTO) experiments with effluent gas analysis (EGA) were conducted with different sand particle sizes and heating rates. 50 kinetic reactor tests were conducted throughout the study and 25 of them were used in the analyses. The results were analyzed using isoconversional kinetic approach based on the produced effluent gas and temperature data obtained from experiments. A reaction model was proposed for each pair and effective activation energy, atomic hydrogen – carbon (H/C), combustion reaction stoichiometric coefficients and ignition temperature were estimated for the sample with different sand particle sizes. Kinetic reactor tests were used to determine the combustion characteristics of the oil sample and define the particle size that would later be used as fractures for tube tests with sand. In addition to RTO tests, 35 combustion tube tests were performed. During the tests, the temperature was measured along the tube and the produced effluent gas composition was recorded to be used for the analyses. Initially, 12 combustion tube tests were conducted with homogeneous sandpacks to understand the effect of the sand particle size on combustion behavior. Later, 2 tests were performed with heterogeneous sandpacks to investigate the combustion characteristics in the transition region of different porous media with various particle size. Later, 9 fracture tests with sandpack were conducted to obtain a better understanding of the effect of horizontal (perpendicular to air flow), vertical (parallel to air flow), and combined (both vertical and horizontal) fractures on combustion front behavior and determine the conditions that are required for a self-sustained front propagation. Finally, 12 fracture tests with core were performed to investigate the effect of direction, width, spacing, and network of fractures on the combustion front behavior. In 5 tests with sandpack and core, dry air (21% oxygen) was used as the feed gas whereas oxygen – enriched air (39% oxygen) was used in 9 tests with core samples to investigate the effect of oxygen concentration on the front behavior. After the tests, density and the amount of the produced oil were measured for comparison. The temperature and the produced effluent gas data were used to estimate the average front temperature and velocity, H/C ratio, air/fuel ratio, and oxygen utilization. It was concluded that the oxygen diffusion into the matrix and oil availability in the matrix during the process are the main factors for self-sustained front propagation in fractured systems. The failure of the unfractured core tests was related to heat losses, the mass of the core sample and energy generated during combustion reactions. Furthermore, vertical fractures may help to sustain the combustion front in heavy oil system due to the improvement of the available oxygen for the reactions. The horizontal fractures perpendicular to the flow direction have almost no effect on the sustainability of the combustion front whereas the vertical fractures have a significant impact on the front propagation since injected air almost exclusively flows through the vertical fractures. Two different fronts were observed regarding the vertical fracture dominated systems. The first front propagates through the matrix and it is continuous similar to homogeneous packs. The second front is observed in the fracture and it is not continuous; depending on the oil availability the front is intermittent; dies out and rejuvenates. The front in the matrix feeds the front in the fracture by displacing oil into the fracture and oil goes through the combustion process multiple times. The front in the fracture thermally feeds the front in the matrix by providing additional energy to sustain the combustion. It was observed that the duration of the test increases for vertical fracture dominated systems due to the low oxygen diffusion into the matrix and higher amount of oil combusted during these tests. The recovery factor was lower for the vertical fracture dominated systems since the oil combusted more than one time due to the displacement of oil from the matrix into the fracture and because of that the API gravity of the produced oil increased for these tests. An increase in effluent gas methane concentration was observed while the front was moving from higher surface area to lower one. Furthermore, more methane released for the horizontal and combined fractured systems compared to homogeneous packs. The oxygen – enriched air promoted the combustion characteristics in porous media.