Düşük geçirgenlikli petrol rezervuarları için polimer jel sistemi tasarımı, sentezi ve karakterizasyonu
Design, synthesis and characterization of polymer gel systems for low-permeability oil reservoirs
Yazar: HASAN KAYA
Danışman: PROF. DR. HATİCE KAPLAN CAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı / Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry ; Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği = Petroleum and Natural Gas Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Poliakrilamid = Polyacrylamide ; Polimer jel = Polymer gel

Özet:
Bu tezin amacı, petrol ve doğalgaz üretimi esnasında karşılaşılan ciddi miktardaki atık su üretimini azaltmayı ve daha etkin bir konformans kontrol mekanizması sağlamayı hedefleyen etkili bir polimer jel sistemi tasarlamak, sentezlemek, karakterize etmek, performans testleriyle katkısını belirlemek ve pilot saha çalışmasıyla etkinliğini kanıtlayarak sektöre yeni bir tasarım kazandırmaktır. Bu kapsamda, geleneksel jel uygulamalarının yetersiz kaldığı düşük geçirgenlikli rezervuarlar için, yerin yaklaşık 1500 metre altında, yüksek basınç (1500 psi) ve yüksek sıcaklık (60℃) koşullarında gerçekleşecek yerinde polimerizasyon ve akabinde çapraz bağlanmaya dayalı jel formunun oluşturulması hedeflenmiştir. Tasarlanan polimerizasyonun rezervuarda karşılaşılabilecek tüm koşullarda gerçekleşebilirliği, farklı pH (1 –14), tuzluluk (0 –200.000 ppm), kayma hızı (2 – 200 s-1), sıcaklık (40 – 60℃)  ve basınç (0 – 1.500 psi) aralıkları taranarak kontrollü deney düzenekleriyle hem statik hem de dinamik koşullarda çalışılmıştır.
Yapılan kontrollü deneyler neticesinde, akrilamid monomerinin persülfat bazlı termal başlatıcılar üzerinden serbest radikal polimerizasyonu ile poliakrilamide (PAM) dönüştüğü ve metalik çapraz bağlayıcı ile jel formunu aldığı tasarımın, sahada uygulanabilir en etkin çözüm olduğu belirlenmiştir. Polimerizasyon kinetiği ve karakterizasyon çalışmaları tamamlandıktan sonra rezervuar koşullarına getirilmiş tapalarla akış testleri yapılarak, geçirgenlik düşüşleri takip edilmiştir. Devamında ise rezervuar petrol-su doygunluğuna getirilerek yaşlandırılmış karot üzerinde öteleme testleri yapılarak, tasarımın jelleşme performansı, penetrasyon ve blokaj oranı, geçirgenlik düşümü, ilave petrol kurtarımı (%17.0) gibi özellikleri saha koşullarını yansıtacak şekilde test edilmiştir. Yapılan CT Scan, SEM, EDS ve ince kesit çalışmalarıyla jelin kayaçtaki yerleşim ve tıkama kabiliyeti belirlenmiştir.
Tüm bu bulgular neticesinde, çalışmanın, farklı fonksiyonlara sahip kuyularda (üretim, atık su enjeksiyon, gaz enjeksiyon) pilot saha çalışmasına taşınması kararlaştırılmış ve kimyasal malzemeler tedarik edilmiştir. Kapsamlı analizler neticesinde belirlenen 6 aday kuyuda, pilot saha çalışması başarıyla gerçekleştirilmiş ve atık su ile etkin mücadele ve petrol kurtarımını arttırma adına oldukça iddialı sonuçlar elde edilmiştir. Üretim kuyularının atık su üretiminde ortalama %20 düşüş, enjeksiyon kuyularının süpürme basıncında ise % 35 artış gözlenmiştir.

Abstract:
The scope of this thesis is to design, synthesize and characterize an effective polymer gel system that aims to reduce the significant amount of wastewater encountered during oil and natural gas production and to provide a more efficient conformance control, and finally to bring a new design to the sector by proving its effectiveness with a pilot field study after determining its contribution through performance tests. In this context, for low permeability reservoirs where traditional gel applications are insufficient, it is aimed to create a gel form based on in-situ polymerization and subsequent cross-linking under high pressure (1.500 psi) and temperature (60℃) conditions approximately 1500 meters below the ground. The feasibility of the designed polymerization under all conditions that can be encountered in the reservoir was examined in both static and dynamic conditions with controlled experimental setups by scanning different pH (1 –14), salinity (0 –200.000 ppm), shear (2 – 200 s-1), temperature (40 – 60℃) and pressure (0 – 1.500 psi) ranges.
As a result of controlled experiments, it was determined that the design in which acrylamide monomer is transformed into polyacrylamide (PAM) by free radical polymerization over persulfate-based thermal initiators and formed into a gel with metallic cross-linker is the most effective solution applicable in the field. After the polymerization kinetics and characterization studies were completed, flow tests were performed with plugs brought to reservoir conditions and permeability decreases were monitored. Subsequently, flooding tests reflecting the field conditions were performed on the core brought to oil-water saturation and aged at reservoir conditions for 6 weeks to test the gelation performance, penetration and blockage rate, permeability drop, and additional oil recovery (%17.0). CT Scan, SEM, EDS and thin section studies were performed to determine the placement and clogging ability of the gel in the rock.
As a result of these findings, it was decided to move the study to a pilot field test in wells with different functions (production, wastewater injection, gas injection), chemical materials were procured and the operation was programmed and designed. A pilot field study was successfully carried out in 6 candidate wells identified as a result of extensive analysis and very ambitious results were achieved to effectively combat wastewater and increase oil recovery. An average 20% decrease in watercut of production wells and a 35% increase in sweeping pressure of injection wells were observed.