Darcy-Scale Experimental Investigation of Intermittent Particle Transport in Porous Media and its Impact on Injectivity

In de volwassen velden waar decennialang olie en gas zijn gewonnen, komt er samen met de koolwaterstoffen een aanzienlijk volume water naar de oppervlakte. Dit geproduceerde water is niet louter een bijproduct dat weggegooid kan worden; het is een complex mengsel dat zwevende deeltjes, residu van olie en diverse chemicaliën bevat. Om het mariene milieu te beschermen en de druk te handhaven die nodig is om het reservoir productief te houden, pompen oliebedrijven dit water vaak weer ondergronds. Echter, het water draagt een verborgen probleem met zich mee: de minuscule vaste deeltjes die het bevat, kunnen de poreuze rots die olie opslaat verstoppen, vergelijkbaar met hoe een verstopt slagader de bloedstroom beperkt. Deze blokkade, bekend als formatieschade, vermindert het vermogen om het water te injecteren, wat de efficiëntie van de gehele operatie bedreigt. Jarenlang hebben ingenieurs bestudeerd hoe deze deeltjes bezinken en zich ophopen onder een constante, continue stroom, maar de echte wereld is zelden zo constant. Met de integratie van hernieuwbare energiebronnen en veranderende operationele behoeften, worden injectiesystemen steeds vaker onderworpen aan stop-en-startschema's, terwijl het gedrag van deze deeltjes tijdens dergelijke onderbrekingen een mysterie bleef.

Een team van onderzoekers van NORCE Research AS en Equinor ASA zette zich erop in om dit puzzelstuk op te lossen door de omstandigheden van een echt olieveld in het laboratorium na te bootsen. Ze gebruikten cilindrische plugs van Bentheimer zandsteen, een gesteente dat is gekozen vanwege zijn uniforme en open poriestructuur, waardoor vloeistoffen erdoorheen kunnen stromen zoals water door een spons. In deze gesteentemonsters pompten ze een pekeloplossing die zwevende kwartspartikels bevat, waarmee het vervuilde water dat in olievelden wordt aangetroffen, werd nagebootst. Het experiment was ontworpen om uitzonderlijk langdurig en gedetailleerd te zijn, waarbij tot wel vierentwintig dagen werd doorgegaan en een volume aan vloeistof werd geïnjecteerd dat veertien duizend keer de totale ruimte binnen het gesteentemonster bedroeg. Om precies te zien wat er binnen het gesteente gebeurde, vertrouwde het team niet op giswerk; ze gebruikten een hoogresolutie computertomografiescanner, vergelijkbaar met een medische CT-scan, om driedimensionale beelden van het gesteente voor en na de injectie te maken. Ze plaatsten ook sensoren op meerdere punten langs de lengte van het gesteente om drukveranderingen in realtime te meten, waardoor ze de beweging en evolutie van de blokkade konden volgen.

De onderzoekers testten vier verschillende scenario's. Drie van de gesteentemonsters werden onderworpen aan een cyclus van injectie gevolgd door een periode van rust, of "shut-in", waarbij de stroming volledig stopte. Deze cycli varieerden in lengte, waarbij sommigen zeventig twee uur injecteerden en vierentwintig uur rustten, terwijl anderen slechts vierentwintig uur injecteerden voordat ze rustten. Het vierde monster diende als controle, waarbij een continue, ononderbroken stroom van het deeltjeshoudende water werd toegediend. Het doel was om te zien of het stoppen van de stroming de rots de mogelijkheid gaf om zijn vermogen om water op te nemen te herstellen, of dat de onderbrekingen het probleem juist erger maakten.

Wat zij vonden, was een dynamisch en enigszins contra-intuïtief verhaal van tijdelijke verlichting gevolgd door snelle herstel. Wanneer de stroming stopte tijdens de shut-in periodes, daalde de druk die nodig was om het water door het gesteente te duwen merkbaar. Voor een kort moment aan het begin van elke nieuwe injectiecyclus leek de rots weer te ademen en accepteerde het water gemakkelijker dan vlak voordat de stop plaatsvond. Dit suggereerde dat de pauze de delicate structuren die door de gevangen deeltjes waren gevormd, liet versoepelen of herschikken, waardoor de blokkade tijdelijk werd doorbroken. Deze verbetering was echter vluchtig. Zodra het water weer begon te stromen, schoot de druk binnen zeer korte tijd terug naar de vorige hoge niveaus. De deeltjes, die tijdens de rustperiode waren bezonken of verschoven, organiseerden zichzelf snel in een nieuwe, dichte barrière.

De experimenten toonden aan dat de schade in twee verschillende fasen optrad. Eerst reisden de deeltjes diep in het gesteente, waar ze vast kwamen te zitten in de kleine tunnels en poriën, wat een interne blokkade creëerde die vanuit de ingang naar binnen verspreidde. Deze fase werd gekenmerkt door een snel toenemende druk. Zodra de interne poriën verzadigd waren, konden de deeltjes niet langer naar binnen, en begonnen ze zich op het uiterste oppervlak van het gesteente op te stapelen, waardoor een dichte, externe laag ontstond die bekend staat als een filterkoek. Deze externe laag fungeerde als een secundaire wand, en de groei ervan zorgde voor een stijging van de druk op een constante, lineaire wijze. De onderzoekers observeerden dat de diepte van de interne blokkade beperkt was en slechts tussen vijf en twaalf millimeter in het gesteente doordrong, terwijl de externe laag in de loop van de tijd dikker werd.

De frequentie van de stop-en-startcycli bleek een cruciale factor te zijn. De monsters die onderhevig waren aan meer frequente onderbrekingen, bleven niet langer open; in plaats daarvan ontwikkelden ze een compactere en meer resistente externe laag. De herhaalde cycli van stoppen en starten leken te fungeren als een compactieproces, waarbij de deeltjes in een dichtere, minder doorlatende structuur werden geperst. Het gesteente dat de meest frequente cycli onderging, bleek uiteindelijk de laagste capaciteit te hebben om water door te laten, waarbij een veel scherpere druktoename werd getoond vergeleken met het gesteente dat continu stroomde. Zelfs de initiële conditie van het gesteente deed ertoe; de monsters met grotere, opener poriën lieten deeltjes dieper reizen voordat de externe laag werd gevormd, terwijl de dichtere gesteenten bijna onmiddellijk aan het oppervlak blokkeerden.

Deze bevindingen suggereren dat de algemene aanname dat het stoppen van de injectie zou kunnen helpen om een verstopt gat te reinigen, slechts gedeeltelijk waar is. Hoewel een pauze een moment van verlichting biedt, kan de daaropvolgende herstart leiden tot een ernstiger en compacter gepakte blokkade dan wanneer de stroom nooit zou zijn gestopt. De studie geeft aan dat in systemen waar de injectieschema's worden bepaald door variabele energievoorzieningen of operationele beperkingen, het ritme van de stroom even belangrijk is als het volume van het water dat wordt gepompt. De onderzoekers concluderen dat het beheren van deze cycli essentieel is voor het handhaven van het langetermijnvermogen om geproduceerd water te injecteren, aangezien de herhaalde verstoring en wederopbouw van deze deeltjeslagen de achteruitgang van het injectiesysteem kunnen versnellen. Het werk biedt een helder, experimenteel beeld van hoe de microscopische wereld van deeltjes en gesteente reageert op de macroscopische realiteit van een intermitterende toekomst voor energie.