Performance Evaluation of CO2 Carbonated Water-Alternating-Gas on Enhanced Oil Recovery and Geological Carbon Storage

Abstract

This study proposes CO2-Carbonated Water-Alternating-Gas (CWAG) that couples carbonated water injection with CO2-WAG and investigates the effects of carbonated water on enhanced oil recovery (EOR) and geological carbon storage. The injection of carbonated water in an oil reservoir has EOR effects in which CO2 dissolved in water increases the sweep efficiency of oil and geological carbon storage in a porous medium. This study designs a carbonated water injection in a multi-phase CO2/brine/oil system for CWAG numerical analysis. Weyburn fluid data acquired from Canada are used for fluid modeling. Compositional reservoir simulation analysis is conducted to assess the effects of carbonated water on EOR and carbon storage for a CO2-CWAG case study with five cycles. This study also monitors the CO2 plume propagation in order to assess CO2 retention in terms of structural and stratigraphic, residual, and solubility trapping mechanisms. Compared to the continuous CO2 flooding and CO2-WAG performed under similar operating conditions, CO2-CWAG yields an increase in oil recovery by 5%. This improvement is because the carbonated water in CO2-CWAG increases the viscosity of the injection fluid and decreases the interface tension in the CO2 storage formation, showing improved oil recovery rate and CO2 storage compared to CO2-WAG. For examining the performance of CO2-CWAG in detail, sensitivity analysis is performed by varying CO2-CWAG parameters such as injection conditions. For example, cumulative water production decreases, while oil recovery increases when CO2 concentration increases because of the increase in fluid viscosity. In addition, CO2-CWAG increases the CO2 storage amount compared to CO2-WAG in terms of major CO2 trapping mechanisms (i.e., structural, residual, and solubility trapping mechanisms). These numerical results emphasize the efficacy of CO2-CWAG as a low-carbon EOR method that can contribute to the improvement of oil recovery and CO2 emissions reduction as a low-carbon energy technology in the oil and gas industry. ;본 연구는 CO2-WAG(Water Alternating Gas)에 탄산수 주입을 결합한 CO2-탄산 WAG 공법(CO2 Carbonated Water-Alternating-Gas, CO2-CWAG)을 제안하며 CWAG의 오일회수증진과 CO2 지중저장 성능을 평가한다. 저류층 내 탄산수 주입은 물에 용해된 CO2가 오일의 접촉효율을 증가시키는 오일회수증진 효과와 다공성매질 내 CO2 지중저장 효과를 목적으로 한다. CWAG 수치해석을 위하여 CO2/염수/오일 다상유체 시스템에서의 탄산수 주입 유체를 설계한 후, 다성분 저류층 시뮬레이션을 통해 CO2-CWAG를 구현하였다. 유체 모델링에는 캐나다 Weyburn 유체 자료를 활용하였다. 2차 회수에서 수공법을 적용할 때 오일회수율이 약 50%에 수렴하는 사례에서 오일회수증진 방법으로 CO2-CWAG를 적용한 결과를 분석하기 위하여 다성분 저류층 시뮬레이션을 수행하였다. 유사한 조건의 CO2 연속주입공법과 CO2-WAG를 회수증진 비교군으로 설정할 때, CO2-CWAG는 약 5% 포인트 향상된 오일회수율을 보였다. CO2-CWAG 공법은 주입유체의 점성도 증가와 저류층 내 계면장력 감소를 야기하여 CO2-WAG 대비 향상된 오일회수율과 CO2 저장능력을 보였다. CO2-CWAG의 성능을 보다 면밀히 살펴보기 위하여 저류물성, 주입조건 등 CO2-CWAG 인자에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 일례로, 탄산수 내 CO2 농도를 변화시킨 결과, CO2 농도가 증가할수록 주입 유체의 점성도가 증가하여 누적 물 생산량은 감소하는 반면 오일회수율은 증가하였다. 또한, CO2 유동 양상 모니터링을 통해 CO2지중저장 주요 기작(층서∙구조적 포획, 잔류포획, 용해 포획)별 저장용량을 평가한 결과, CO2-CWAG가 CO2-WAG 대비 CO2 저장량이 증가함을 확인하였다. 연구 결과, 제안하는 CO2-CWAG 공법은 오일회수증진 및 CO2 감축효과를 확보하여 석유가스 산업의 부가가치 창출과 탄소중립에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.