Document

Experimental investigation of the effect of acid and base on wettability alteration of calcite surface.

Publisher
Sultan Qaboos University.
Gregorian
2020
Language
English
English abstract
Altering the wettability of rock surface to a favorable wetting condition is one of the main mechanisms of enhanced oil recovery methods applied in carbonates. In order to obtain desired wetting state, it is essential to have a clear understanding of the original wetting properties of the rock surface. This study used different measurements to investigate the individual effects of an organic acid and a base at different concentrations as well as their combinations on wettability alteration of calcite surface. Wettability of the calcite was examined before and after treating the surfaces with different model oil solutions using contact angle and zeta potential tests. Besides, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and thermogravimetric analysis (TGA) were used to recognize the adsorbed functional groups and the amount of adsorbed organic compounds on the calcite surface, respectively. Moreover, interfacial tension (IFT) measurements were used to evaluate the interfacial activity of the model oil systems. Stearic acid represented the crude oil acidic component while N,Ndimethyldodecylamine (N,N-DMDA) represented the basic component of crude oil. Different model oil systems were used for acid-base combinations in which the acid concentration was kept constant for each system while the base concentration was adjusted to prepare base to acid ratios of 0.25, 0.5, 1, 2 and 4. The results revealed that by increasing the acid number, wettability of calcite surface shifted toward more oilwetness and adsorption of stearic acid on calcite surface increased. Stearic acid with low concentration (AN=0.25) was enough to alter the wettability of calcite surface from water-wet to oil-wet. TGA results showed vertical adsorption of stearic acid molecules on the calcite surface. Treating calcite surfaces with the base revealed that low concentration of N,N-DMDA (BN=0.25) was able to shift the calcite wettability from water-wet to slightly oil-wet. It was observed that as BN increases, wettability alteration toward oil-wetness is slightly improved. TGA results showed low adsorption of the base with high surface area occupied by the base molecule which indicate that the base is oriented horizontally on the calcite surface. Possible mechanisms of wettability alteration are proposed based on possible interactions between the base molecules/cations and calcite surface. For acid-base mixtures, at constant AN, the wettability alteration toward oil-wetness increases in the presence of the base until BN/AN ratio is equal to 1, then oil-wetness decreases. IFT measurements indicated lower IFT of acid-base mixtures compared to those of individual acidic and basic model oil solutions which could be due to synergistic effect between acid and base by forming acid-base complexes. The presence of the base hindered the acid adsorption the surface. However, the basic component could contribute to the wettability alteration by forming acid-base complexes which can adsorb on the calcite surface and impact its wetting preferences. In addition, the base molecules may adsorb on the calcite surface at high BN/AN. Hence, ratio of BN to AN would determine the contribution of acid molecules, base molecules and acid-base complexes in wettability alteration of calcite surfaces. Mechanisms of wettability alteration by acid-base combinations at different BN/AN ratios are presented.
Arabic abstract
تعد عملية تغيير قابلية الصخور للترطيب نحو حالة ترطيب أكثر تفضيلا واحدة من الآليات األساسية لطرق
استخراج النفط المحسنة المطبقة في الصخور الكربونية. ومن أجل الحصول على حالة الترطيب المرغوبة فإنه
من الضروري أن يكون هناك فهم واضح لخصائص الترطيب الأوليةلأسطح الصخور. لذلك في هذه الدراسة تم
فحص تأثير تركيز الحمض والقاعدة وكذلك مزيجهما على قابلية الكالسيت للترطيب عن طريق أدوات تحليلية
مختلفة وهي قياسات زاوية التلامس وقياسات الشد البيني )IFT )وقياسات زيتا )Potential Zeta )والتحليل
الطيفي )FTIR )ومحلل الوزن الحراري )TGA .)تم استخدام حمض الستريك )acid stearic )كممثل للمكون
الحمضي للنفط الخام، بينما تم استخدام (DMDA-N,N (dimethyldodecylamine-N,N كممثل للمكون
القاعدي للنفط الخام. وقد تم استخدام أنظمة محاليل نفط نموذجية مختلفة لتمثيل مزيج الحمض والقاعدة بتراكيز
أحماض مختلفة، حيث تم الحفاظ على تركيز الحمض ثابتًا بينما تم تغيير تركيز القاعدة إلعداد محاليل تكون فيها
نسبة المكون القاعدي إلى المكون الحمضي كاآلتي: 0 ،25.0 ،5.0 ،1 ،2 و4 .
تم اختبار خصائص ترطيب أسطح الكالسيت قبل وبعد معالجتها في المحاليل المختلفة وأوضحت النتائج أنه مع
زيادة تركيز الحمض، تتحسن قابلية سطح الكالسيت للتغير نحو رطوبة نفطية حيث لوحظ أن معالجة الكلاسيت
لتغيير قابلية السطح للترطيب من
في عينة النفط ذي تركيز حمضي منخفض )رقم حمضي= 25.0 )كان كافياً
رطوبة مائية إلى رطوبة نفطية. وأظهرت نتائج تحليل الوزن الحراري أن عملية االمتصاص لجزيئات الحمض
قد تمت بشكل عمودي على سطح الكالسيت والتي زادت مع زيادة الرقم الحمض ي. من ناحية أخرى، كان التركيز
المنخفض لـ DMDA-N,N( رقم قاعدي = 25.0 )قاد ًرا على تحويل قابلية الكالسيت للترطيب من مائي إلى
نفطي بنسبة قليلة. ولوحظ أنه مع زيادة الرقم القاعدي تتحسن قليالً قابلية الترطيب نحو ترطيب نفطي. وأظهرت
نتائج تحليل الوزن الحراري انخفاض اً في عملية االمتصاص للقاعدة مع مساحة سطح عالية يشغلها جزيء القاعدة
مما يشير إلى أن جزيئات القاعدة كانت ممتصة أفقيًا على الكالسيت. تم اقتراح اآلليات المحتملة لتغيير قابلية
الترطيب على أساس التفاعالت الممكنة بين جزيئات/الكاتيونات األساسية وسطح الكالسيت.
بالنسبة لعينات مزيج الحمض والقاعدة، لوحظ أن زيادة تركيز القاعدة عند ثبات الرقم الحمضي زاد من قابلية
ترطيب الصخرة نحو الترتيب النفطي حتى كانت نسبة الرقم القاعدي إلى الرقم الحمضي تساوي 1 ،ثم انخفضت
نسبة الرطوبة النفطية لسطح الكالسيت. أشارت قياسات الشد البيني إلى أن قوة الشد بين السطح المائي والنفطي
لمخاليط الحمض والقاعدة كانت أقل من تلك الخاصة بالحمض والقاعدة وحدها والتي يمكن أن ترجع إلى التأثير
التآزري بين الحمض والقاعدة وبالتالي تكوين مركبات معقدة من الحمض والقاعدة. أشارت النتائج إلى أن وجود
القاعدة أدى إلى تقليل امتصاص الحمض على السطح. ومع ذلك، يمكن للمكون القاعدي أن يلعب دو ًرا في تغيير
قابلية الترطيب من خالل تكوين مركبات معقدة من الحمض والقاعدة يمكن أن يمتصها سطح الكالسيت وتؤثر
على خصائص الترطيب للسطح. باإلضافة إلى ذلك، قد تزيد نسبة امتصاص جزيئات القاعدة على سطح الكالسيت
عند ارتفاع نسبة المكون القاعدي إلى المكون الحمضي. لهذا، فإن نسبة المكون القاعدي إلى المكون الحمضي
تحدد مساهمة جزيئات الحمض وجزيئات القاعدة ومركباتهما المعقدة في تغيير قابلية الترطيب ألسطح الكالسيت
Category
Theses and Dissertations