Pore-Level Investigation of Heavy Oil Recovery using Steam Assisted Gravity Drainage (SAGD) Étude à l’échelle des pores de la récupération d’huiles lourdes par drainage gravitaire assisté par injection de vapeur (SAGD)

• Main Authors: Mohammadzadeh O., Chatzis I.
• Format: Article
• Language: English
• Published: EDP Sciences 2010-12-01
• Series: Oil & Gas Science and Technology
• Online Access: http://dx.doi.org/10.2516/ogst/2010010

Successful application of gravity drainage process, facilitated with steam injection, using horizontal wells in various field tests, especially within Canada, indicates that high recovery factor and also economical steam to oil ratios are achievable. Steam Assisted Gravity Drainage recovery scheme was theoretically developed, pilot tested, and commercialized in Canada; however, there are still several technical challenges to be solved in this process. The pore-scale events of heavy oil recovery in SAGD process are not yet well understood to the extent of incorporating pore-level physics of the process into mathematical models. Investigation of the physics of fluid distribution and flow behavior in porous media for SAGD process at the pore-scale is expected to result in significant improvement in understanding the macroscopic phenomena observed in either laboratory or field scale. The main objective of this paper is to visually investigate and to document the pore-scale events of the SAGD process using glass micromodel type of porous media. SAGD experiments were carried out in micromodels of capillary networks etched on glass plates which were initially saturated with heavy oil. Experiments were conducted in a vacuum chamber in order to reduce the excessive heat loss to the surrounding environment. Initial results indicate that when the heavy oil-steam interface is established, gravity drainage process takes place through a layer of pores, with a thickness of 1-6 pores, in the direction perpendicular to the interface. The interplay between gravity and capillarity forces results in the drainage of mobilized oil. The visualization results demonstrate the phenomenon of water in oil emulsification at the interface due to the local steam condensation. The extent of emulsification depends directly to the temperature gradient between the steam phase and cold bitumen. Other pore-scale phenomena such as film-flow drainage type of mobilized oil, localized entrapment of steam due to the capillarity followed by condensation, steam condensation at the interface due to temperature gradient, and snap-off of liquid films are also illustrated using glass micromodels in pore-level visualization experiments. <br> L’application réussie du procédé de drainage gravitaire assisté par injection de vapeur à l’aide de puits horizontaux lors de divers essais de champ, essentiellement au Canada, montre qu’on peut atteindre un taux de récupération élevé et des rapports vapeur injectée/pétrole récupéré économiquement viables. Le procédé de récupération par SAGD a été développé sur le plan théorique, testé sur pilote et commercialisé, tout cela au Canada; il reste cependant encore plusieurs problèmes techniques à résoudre dans ce procédé. Les phénomènes qui se développent à l’échelle des pores lors de la récupération d’huiles lourdes à l’aide du procédé SAGD ne sont pas encore très bien compris, ce qui conduit à intégrer la physique du processus au niveau des pores dans des modèles mathématiques. L’étude à l’échelle des pores des phénomènes physiques concernant la distribution des fluides et les types d’écoulement dans le milieu poreux dans ce procédé devrait apporter une nette amélioration de la compréhension des phénomènes macroscopiques observés aussi bien en laboratoire que sur le terrain. L’objectif principal de cet article est l’étude visuelle et la description des phénomènes à l’échelle des pores par l’utilisation d’un micromodèle en verre. Des expériences de SAGD ont été effectuées au laboratoire sur des micromodèles de réseaux capillaires gravés sur des plaques de verre qui, au départ, ont été saturés d’huile lourde. Ces expériences furent réalisées dans une chambre à vide pour éviter des pertes de chaleur excessives vers l’extérieur. Les premiers résultats montrent que lorsque l’interface huile lourde/vapeur est établie, un processus de drainage gravitaire a lieu dans une couche de pores, d’une épaisseur de 1 à 6 pores, suivant une direction perpendiculaire à cette interface. L’interaction entre les forces gravitaires et les forces capillaires se traduit par un drainage de l’huile mobilisée. Les résultats de la visualisation démontrent l’existence d’un phénomène de mise en émulsion de l’eau dans l’huile au niveau de l’interface, dû à la condensation de la vapeur. L’importance de cette mise en émulsion dépend directement du gradient de température entre la phase vapeur et le bitume froid. L’utilisation de micromodèles en verre permet aussi la visualisation d’autres phénomènes à l’échelle des pores, comme le drainage par écoulement capillaire de l’huile mobilisée, le piégeage local de la vapeur par effet capillaire suivi d’une condensation, la condensation de la vapeur à l’interface due au gradient de température et la rupture des films liquides.