(an Examination of Steam-Injection Processes)

8/12/2019 (an Examination of Steam-Injection Processes)

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Journal o f Petroleum Science and Engineering 8 ( 1 9 9 2 ) 5 9 - 7 2 5 9

E l s e v i e r S c i e n c e P u b l i sh e r s B . V . , A m s t e r d a m

A n e x a m i n a t i o n o f s t e a m i n j e ct io n p r o c e ss e s in h o r iz o n t a l a n d

v e r t ic a l w e l ls f o r h e a v y o i l r e c o v e r y

S

B a ~ ci a n d F . G i i m r a h

Petroleum Engineering Department Middle East Technical University 06531 Ankara Turkey

( R e c e i v e d M a y 1 5 , 19 9 1; r e v i s e d v e r s i o n a c c e p t e d D e c e m b e r 3 , 1 9 91 )

A B S T R A C T

B a ~ c i, S. a n d G i i m r a h , F . , 1 9 9 2 . A n e x a m i n a t i o n o f s t e a m - i n j e c t i o n p r o c e s s e s i n h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l w e l l s f o r h e a v y -

o i l r ecove r y . J .

Pet. Sci. Eng.

8 : 59- 72 .

T h i s s t u d y p r e s e n t s a n e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o f h e a v y - o i l r e c o v e r y b y s t e a m i n j e c t i o n i n a t h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l

c o n t a i n i n g 1 7 A P I c r u d e o i l . T h e f i r st p a r t o f t h is p a p e r d e s c r i b e s t h e e x p e r i m e n t a l a p p a r a t u s . E m p h a s i s i n t h i s p a p e r i s

o n t h e e f f e c t o f t h e c o m b i n a t i o n o f h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l w e l ls o n s t e a m - i n j e c t i o n e f f i c ie n c y . F o u r c y c l i c s t e a m - i n j e c t i o n

e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d . T w o u s e d a v e r t i c a l w e ll a t t h e c e n t e r o f t h e m o d e l , a n d t w o u s e d a h o r i z o n t a l w e l l s c h e m e ,

s h o w i n g b e t t e r o i l r e c o v e r y a n d s t e a m / o i l r a t i o s t h a n t h e v e r t i c a l w e l l s c h e m e . S o a k t i m e a s w e l l a s th e a m o u n t o f s t e a m

i n j e c t e d p e r c y c l e w e r e i n v e s t i g a t e d . F o r b o t h s c h e m e s , s m a l l s lu g si z e s s e e m t o g i v e i n i ti a l l y b e t t e r s t e a m / o i l r a t i o s t h a n

e x p e c t e d , h o w e v e r , c u m u l a t i v e o i l r e c o v e r y f o r v e r t ic a l w e l ls d o n o t d e p e n d o n s l u g s i ze , w h i l e f o r h o r i z o n t a l w e l ls , sm a l l

s lu g s f o l lo w e d b y l a r g e r s lu g s g a v e a b e t t e r r e c o v e r y b y 8 % o f t h e o r i g i n a l o i l- i n - p l a c e ( O O I P ) , c o m p a r e d w i t h l a r g e s lu g s

f o l l o w e d b y s m a l l e r o n e s .

S t e a m - d r i v e e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d i n t h r e e d i f f e r e n t w e l l c o n f i g u r a t i o n s : ( a ) a v e r t i c a l i n j e c t o r a n d h o r i z o n t a l

p r o d u c e r , ( b ) h o r i z o n t a l in j e c t o r an d p r o d u c e r , a n d ( c ) i n j e c to r a n d p r o d u c e r b o t h v e r t ic a l . T h e c o m b i n a t i o n o f t w o

h o r i z o n t a l w e l l s g a v e b y f a r t h e b e s t r e s u lt s . T e m p e r a t u r e d a t a s h o w t h a t t h e u s e o f h o r i z o n t a l w e l ls g i v e s a b e t t e r s w e e p

e f f i c ie n c y a n d r e d u c e s g r a v i t y o v e r r i d e o f st e a m .

T h i s p a p e r d e m o n s t r a t e s t h e p o t e n t i a l o f u s i n g h o r i z o n t a l w e l ls f o r s te a m i n j e c t io n . I n c y c l ic o p e r a t i o n s , t h e u s e o f

h o r i z o n t a l w e l l s i m p r o v e d t h e r e c o v e r y b y 3 0 - 5 0 % . I n a d r i v e p r o c e s s, t h e r e c o v e r y u s i n g tw o h o r i z o n t a l w e l l s w a s 7 0 %

h i g h e r t h a n t h e v e r t i c a l w e l ls c o n f i g u r a t io n .

I n t r o duc t i o n

I n T u r k e y , 8 0 o f t h e o i l r e s e r v o i r s a r e

h e a v y - o il r e s e rv o i r s ( K a n t a r a n d T o p k a y a ,

1 9 8 3 ) . T h e s e h e a v y o i l s a re u s u a l l y m o b i l e a t

r e s e r v o i r c o n d i t i o n s a n d m o s t c a n b e p r o -

d u c e d w i t h p r i m a r y p r o d u c t i o n b u t r e c o v er y

i s v e r y lo w . W a t e r f l o o d i n g i s n o t e f f e c t iv e b e -

c a u s e t h e m o b i l i t y r a t i o i s n o t f a v o r a b l e .

S t e a m i n j e c t io n b y s t e am s t i m u l a t i o n a n d /

o r s t e a m d r i v e i s t h e m o s t w i d e ly u s e d p r o c e s s

Correspondence to:

S . B a ~ c i, P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g D e -

p a r t m e n t , M i d d l e E a s t T e c h n i c a l U n i v e r s i t y , 06 5 3 1 A n -

k a r a , T u r k e y .

f o r e n h a n c e d o i l r e c o v e r y . I n h e a v y - o i l r e se r -

v o ir s , a c o m b i n a t i o n o f s te a m h e a t a n d h o r i -

z o n t a l w e l ls c a n b e u s e d t o i n c r e a s e h e a v y - o i l

p r o d u c t i o n .

H o r i z o n t a l w e l l s c a n l e a d t o h i g h p r o d u c -

t i o n r a t e s w h e n u s e d f o r s t e a m - i n j e c t i o n re -

c o v e r y o f h e a v y o il s. H o r i z o n t a l w e ll s p r o d u c e

a m o r e u n i f o r m d i s tr i b u t i o n o f th e s t e a m f ro n t

l e a d i n g t o i m p r o v e d s w e e p e f fi c ie n c y a n d o il

r e c o v e r y .

T h e o b j e c t iv e o f t h e p r e s e n t s t u d y w a s t o

e v a l u a t e c y c l i c a n d c o n t i n u o u s s t e a m - i n j e c -

t i o n p r o c e s s e s u s i n g h o r i z o n t a l w e l l s t o p r o -

d u c e h e a v y o i ls . I n a d d i t i o n , t h e s t u d y e x a m -

i n e d t h e e f f e c t o f w e l l c o n f i g u r a t i o n s o n o i l

0 9 2 0 - 4 1 0 5 / 9 2 / 0 5 . 0 0 1 9 9 2 E l s e v i e r S c i e n c e P u b l i s h e r s B . V . A l l r ig h t s r e s e rv e d .


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60 s BAOCi AND F GOMRAH

p r o d u c t i o n . F o r c y c l i c s t e a m - i n j e c t i o n t e s t s ,

t h e e f fe c ts o f c y cl e p e r i o d s a n d a m o u n t o f i n-

j e c t e d s t e a m p e r c y c le o n o i l p r o d u c t i o n a l s o

w a s i n v e s t i g a t e d .

i t era t u re rev i ew

H o r i z o n t a l w e l ls c a n b e u s e d f o r c y c l ic s t e a m

s t i m u l a t i o n , c o n t i n u o u s s t e am d r i v e a n d

s t e a m - a s s i s t e d g r a v i t y d r a i n a g e p r o c e s s ( J o s h i ,

1 9 8 7; B u t l e r , 1 9 8 9 ) .

I n c y c li c s t e a m s t i m u l a t i o n a n d s t e a m d r iv e ,

e v e n t h o u g h g r a v i ty d r a i n a g e p l a y s a p a r t i n o i l

p r o d u c t i o n , m o s t o f t h e o i l p r o d u c t i o n i s d u e

t o t h e p r e s s u r e g r a d i e n t b e t w e e n t h e r e s e r v o i r

a n d t h e p r o d u c t i o n w e l l. I n s t e a m d r i v e , t h e

p r e s s u re g r a d i e n t b e t w e e n i n j e c ti o n a n d p r o -

d u c t i o n w e l l s d e t e r m i n e s t h e o i l p r o d u c t i o n

r a te s . I n t h e s t e a m - a s s i s t e d g r a v i t y - d r a i n a g e

p r o ce s s, t h e r e i s n o p r e s s u r e d r o p o t h e r t h a n

t h e g r a v i t y h e a d , b e t w e e n i n j e c t i o n a n d p r o -

d u c t i o n w e l ls . T h e o i l i s p r o d u c e d s o l el y b y

g r a v i t y d r a in a g e . T h e r a t e o f g r a v i t y d r a i n a g e

is e n h a n c e d b y s t e a m h e a t i n g w h i c h r e d u c e s

t h e o i l v i s c o s i t y ( B u t l e r a n d S t e p h e n s , 1 9 81 ) .

H u y g e n a n d B l a c k ( 1 9 82 ) c o n d u c t e d s c a l e d

m o d e l e x p e r i m e n t s t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c -

t i v e n e s s o f d i f f e r e n t h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l

w e ll c o m b i n a t i o n s f o r s t e a m f l o o d i n g A t h a -

b a s ca o i l s a n d . T h e y c o n c l u d e d t h a t c o m m u -

n i c a t i o n m u s t b e e s t a b l i s h e d b e t w e e n w e l ls f o r

t h e s t e a m f l o o d t o b e p r a c t ic a l a n d e f f i c ie n t ,

a n d t h a t s t e a m f l o o d i n g t h r o u g h a s in g le h o r i-

z o n t a l w e l l w a s a v i a b l e s t r a t e g y t o m o b i l i z e

b i t u m e n .

T o m a e t al. ( 1 9 8 4 ) e x a m i n e d t h e r e su l ts o f

f o u r t e e n c y c l i c s t e a m - s t i m u l a t i o n e x p e r i -

m e n t s c a r r i e d o u t i n a h o r iz o n t a l - w e l l p h y s i c a l

m o d e l . T h e y c o n c l u d e d th a t i n c r e a si n g th e a x -

i a l p r e s s u r e d r o p c o u l d i n c r e a s e t h e p r o d u c -

t i o n o f a h o r i z o n t a l w e l l i n c y c l ic o p e r a t i o n s .

J o s h i a n d T h r e l k e l d ( 1 9 8 5 ) e x t e n d e d t h e

p r e v i o u s w o r k o n s t e a m - a s s i s t e d g r a v i t y

d r a i n a g e . T h e y i n c l u d e d t h e e f f e c t s o f w e ll

c o m p l e t i o n , sh a l e b a r ri e r, a n d l i m i t e d s t e a m

e n t r y o n o i l r e c o v e r y . T h e y f o u n d t h a t , f o r re s -

e r v o i r s w i t h s h a l e b a r ri e r s , a v e r t i c a l i n j e c t i o n

a n d h o r i zo n t a l p r o d u c t i o n s c h e m e y i e ld e d

f a s t e r o i l r e c o v e r y t h a n w a s o b t a i n e d f r o m a

p a i r o f h o r i z o n t a l w e l ls . T h e p r e s e n c e o f s h a l e

b a r r ie r s r e s u l t e d in h i g h e r s t e a m / o i l r a ti o s a n d

l o w e r i n s t a n t a n e o u s o il p r o d u c t i o n r at es , b u t

t h e b a r r i e r s d i d n o t c h a n g e t h e f i n a l o i l re c o v -

e ry . L i m i t e d s t e a m e n t r y , c a u s e d b y v e r t ic a l

f r a c t u r e s p e r p e n d i c u l a r t o t h e h o r i z o n t a l w e l l,

l e d t o h i g h i n i t i a l p r o d u c t i o n r a t e s.

C h a n g e t a l. ( 1 9 9 0 ) p e r f o r m e d s te a m f l o o d -

i n g e x p e r i m e n t s t h r o u g h h o r i z o n t a l w e l l s t o

d e t e r m i n e o p t i m u m p r o d u c t i o n s tr at eg ie s f o r

b o t t o m - w a t e r r e s e r v o i r s . T h e r e s u l t s s h o w e d

t h a t t h e h o r i z o n t a l i n j e c t o r / h o r i z o n t a l p r o -

d u c e r c o m b i n a t i o n r e c o v e r e d 6 8 o f t h e o il i n

t h e p r e s e n c e o f 10 t h i c k n e s s o f b o t t o m w a t e r

z o n e . I n t h e a b s e n c e o f b o t t o m w a t e r, t h e h o r -

i z o n t a l c o m b i n a t i o n w a s o n l y sl ig h t ly b e t t e r

t h a n t h e v e r t i c a l w e l ls .

D o a n e t a l. ( 1 9 9 0 ) d e v e l o p e d a m a t h e m a t -

i c al m o d e l t o r e p r e s e n t f l o w in t h e v i c i n i t y o f,

a n d i n s i d e , a h o r i z o n t a l w e l l b o r e . T h i s m o d e l

a l s o w a s u s e d t o o b t a i n t h e s c a l i n g c r it e r ia f o r

a s e r ie s o f s c a le d m o d e l s t e a m - i n j e c t i o n e x p e r -

i m e n t s . A v a r i a b l e - d i a m e t e r h o r i z o n t a l w e l l

o f fe r ed s u p e r io r p e r f o r m a n c e w h e n c o m p a r e d

t o a c o n v e n t i o n a l , c o n s t a n t - d i a m e t e r , h o r i -

z o n t a l w e ll . I t c o u l d l o w e r w e l l - p r e s su r e l o s s b y

r e d u c i n g f r i c ti o n i n s i d e t h e w e l l, a n d t h u s c o u l d

l e a d t o h i g h e r p r o d u c t i o n r a t e a n d o i l r e c o v -

e r y . I n a d d i t i o n , a v a r i a b l e - d i a m e t e r w e l l r e -

s u i te d i n a m o r e u n i f o r m g r o w t h o f t h e s t e a m

z o n e s , a n d t h u s l e d t o b e t t e r s t e a m s w e e p e f fi -

c i e n cy a n d s lo w e r b r e a k t h r o u g h o f s t ea m .

S u f i ( 1 9 9 0 ) p l a c e d a h o r i z o n t a l w e ll a t th e

b a s e o f a sc a le d m o d e l t o h e a t t h e f o r m a t i o n

f r o m a v e r t i c al i n j e c t o r t o a v e r t i c a l p r o d u c e r .

R e s u l t s o f i n j e c ti n g s t e a m i n t o t h e r e g i o n

h e a t e d b y t h e h o r i z o n t a l w e ll w e r e d i s a p p o i n t -

i n g d u e t o l o w m a s s - i n j e c t i o n r a t e s. S u f i su g -

g e s t e d a p r o c e s s o f a l t e r n a t i n g t h e i n j e c t i o n o f

s t e a m a n d h o t w a t e r , t o o b t a i n a b a l a n c e b e -

t w e e n h i g h m a s s - i n j e c t i o n r a t e s a n d h i g h o i l -

p r o d u c t i o n ra t es . T h i s a l l o w e d t h e r e s e r v o i r t o

b e h e a t e d a s h o t w a t e r w a s i n j e c t e d i n t o t h e


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STEAM INJECT ION PROCESSES IN HOR IZO NTA L AND VE RTICAL WELLS FOR HEAVY OIL RECOVERY 6

r e s e r v o i r a n d o i l t o b e p r o d u c e d b y g r a v i t y

d r a i n a g e d u r i n g s t e a m i n j e c ti o n .

A h n e r a n d S u fi 1 9 9 0 ) c o n d u c t e d a s e ri es

o f s c a l e d p h y s i c a l - m o d e l s t e a m f l o o d t e s t s a t

s e v e r a l in j e c t i o n r a te s a n d v a r i o u s f lo w c o n f ig -

u r a t i o n s o n h e a v y - o i l sy s t em s u s i n g h o r i z o n t a l

w e l ls . T h e y o b s e r v e d t h a t t h e s t e a m r o s e t o t h e

t o p o f t h e m o d e l a n d s w e p t i t f r o m t h e t o p

d o w n g r a v it y d r a i n a g e ) e v e n w h e n c o m m u -

n i c a t i o n b e t w e e n t h e i n j e c t o r a n d p r o d u c e r i s

p r o v i d e d b y a h o r i z o n t a l w e l l a t t h e b a s e o f t h e

m o d e l . M o r e e f f ic i e n t s w e e p i n g o f th e m o d e l

o c c u r r e d w h e n t h e w e l l s p a c i n g w a s d e c r e a s e d .

T h e s t e a m - i n j e c t i o n r a te a ls o i n f l u e n c e d t h e

w a t e r / o i l r a t i o a n d o i l - p r o d u c t i o n r a te .

T h i s s t u d y i s n o t m a d e i n a s c a l e d m o d e l .

I n s t e a d w e u s e r o c k s a n d f l u i d s t y p i c a l o f a

T u r k i s h h e a v y - o i l r e s e r v o i r t o i n v e s t i g a t e ,

q u a l i t a t i v e l y , t h e e f f e c t o f v a r i o u s w e l l - p o s i -

t i o n i n g s t ra t e g i e s i n a r e c t a n g u l a r b l o c k r e p r e -

s e n t i n g t h e r e s e r v o i r .

xperimental equipment

E q u i p m e n t d e s c r i p t i o n

F i g u r e 1 i s a s c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e e x -

p e r i m e n t a l e q u i p m e n t u s e d i n t h e s t u d y . I t i n -

c l u d e s t h e f o l l o w i n g e s s e n t i a l c o m p o n e n t s :

s te e l t h r e e - d i m e n s i o n a l 3 - D ) m o d e l , s t e a m

g e n e r a t o r , p r o d u c t i o n s y s t e m , o i l - a n d w a t e r -

s a t u r a t i o n s y s t e m , o i l- l ev e l i n d i c a t o r , t e m p e r -

a t u r e c o n t r o l a n d d a t a - r e c o r d i n g s y s te m .

T h e t h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l w a s a r ec t a n -

g u l a r b o x w i t h 5 0 5 0 1 5 c m 3 d i m e n s i o n s .

O n e f ac e o f t h e m o d e l w a s r e m o v a b l e a n d t h e

p l a t e t o c l o se t h i s e n d w a s m a d e f r o m a 1 .0 3-

c m - t h i c k s t e e l p l a t e o f 2 4 5 9 . 5 c m 2 ; g r e a t e r

t h a n t h e m o d e l d i m e n s i o n s . R u b b e r s e a l i n g

g l a n d s w e r e u s e d t o p r e v e n t l ea k s .

F i g u r e 2 s h o w s th e i n t e r n a l f e a t u r e s o f t h e

m o d e l , i n c l u d i n g t h e l o c a t i o n o f t h e r m o c o u -

p i es a n d w e l l p o s i ti o n s . T h e t h r e e - d i m e n s i o n a l

t e m p e r a t u r e d i s t r ib u t i o n i s m e a s u r e d f r o m 3 8

F e - c o n s t a n t a n t h e r m o c o u p l e s a s s h o w n i n F ig .

2 ; 2 2 t h e r m o c o u p l e s w e r e l o c a t e d a t 2 . 5 c m

d i s ta n c e f r o m t h e to p a n d f r o m t h e b o t t o m o f

t h e m o d e l a n d 1 6 c e n t e r t h e r m o c o u p l e s w e r e

l o c a t e d a t t h e c e n t e r o f t h e m o d e l . T h i s a r-

r a n g e m e n t a l l o w e d m o n i t o r i n g o f g r a v it y s eg -

r e g a t i o n o f fl u id s a n d t e m p e r a t u r e g r a d i e n t s

p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f f l u id f l ow .

13 14 15

: V A C u u M i : ,;;,:: ,,.:.-.. . 3

I ; L

J H ~ O . . 2 - - _ _ _ . h . Y ~, ~,

I 1 2 ~ 3

F i g . 1. S c h e m a t i c d i a g r a m o f e x p e r i m e n t a l e q u i p m e n t . D e s c r i p t i o n o f e x p e r i m e n t a l e q u i p m e n t : I . S t e a m g e n e r a t o r , 2.

B l e e d s y s t e m , 3 . P r e s s u r e g a u g e s , 4 . 3 - D M o d e l , 5 . T h e r m o c o u p l e s , 6 . B a c k p r e s s u r e r e g u l a t o r , 7 . G a s , s t e a m a n d c r u d e

o i l s e p a r a t o r , 8 . C o n d e n s a t e a n d g a s s e p a r a t o r , 9 . G r a d u a t e d o i l i n d i c a t o r , 1 0 . N i t r o g e n s u p p l y , 1 1 . B r i n e c o n t a i n e r , 1 2 .

C r u d e o i l c o n t a i n e r , 1 3. T e m p e r a t u r e c o n t r o ll e r , 1 4. E l e c t ro n i c te m p e r a t u r e s c a n n e r , 1 5. T e m p e r a t u r e i n d i c a t o r .


4/14

6 S. BA ~Ci AND F. GL)MRAH

5 0 c m

i

A

5 0 c m . . . . . - - - ~

, , , , .

~b, [ ] 0

0 ,

0 O , 0 0

( 3 \ ' q , 0

\),

0 0 x~, O

0 0 0 0,,

A '

TOP V I E W

Center Top

T h e r m o c o u p l e s T h e r m o c o u p l e s

\

T hrz r m o c o u I / - / / - t

oorts ~ Z J Z 1 Z L Z J L

: I :I :.. :. I]IzscnITmT,~

H o r i z o n t a l B o t t o m

i n j e c t o r

/ T h e r m o co u p le s

p r o d u c e r

S I DE V I EW

F ig . 2 . S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e r m o c o u p l e p o s i ti o n s .

e l l con f i gu r a t ions

F i e l d a p p l i c a t io n o f c y c li c a n d c o n t i n u o u s

s t e a m - i n j e c t i o n p r o c e s s e s i s p o s s i b l e b y e m -

p l o y i n g d i f f er e n t w e l l c o n f i g u r a t i o n s c h e m e s a s

s h o w n i n F i g . 3 . T h e s e s c h e m e s a r e :

A ) A v e r t ic a l s te a m - i n j e c t io n w e l l a n d a

h o r i z o n t a l p r o d u c t i o n w e l l : s t e a m i s i n j e c t e d

f r o m a v e r t ic a l w e l l p l a c e d o n o n e s i d e o f t h e

m o d e l , a n d o i l a n d w a t e r a r e p r o d u c e d f r o m

t h e d i a g o n a l l y p l a c e d h o r i z o n t a l w e l l.

B ) A h o r i z o n t a l w e l l p a i r : t w o h o r i z o n t a l

w e l l s a r e d r i l le d w i t h o n e p l a c e d s l i g h t l y a b o v e

t h e o t h e r . S t e a m i s i n j e c t e d i n t o t h e t o p w e l l ,

( S C H E M E . A )

2 T O ?T O N

f

~ i i i i . . . . i i

VERTICAL INJECTION-

HORIZONTAL PRODUCTION

(SCHEME.B)

PRODUCT ON

HORIZONTAL INJECTION-

HORIZONTAL PRODUCTION

(SCHEME D)

P R O D O C T O N t N J E O N

PRODUCTION

( S C H E M E . C )

P R oD ucT ~o J N J _E CTIO N

~ ] f

VERTICAL INJECTION-

VERTICAL PRODUCTION

(SCHEME E)

[ : : : : : : : : ~ ~ I N ~ C T I O N

~RODUCTION

HORIZONTAL INJECTION-

PRODUCTION

F i g . 3 . E x p e r i m e n t a l w e l l c o n f i g u r a t i o n s .


5/14

STEAM-INJECTIONPROCESSES N HORIZONTA LAND VERTICALWELLSFOR HEAVY-OILRECOVERY 63

a n d o i l a n d w a t e r a r e p r o d u c e d f r o m t h e b o t -

t o m w e l l.

( C ) A v e r t i c a l s t e a m i n j e c t i o n a n d a v e r t i-

c a l p r o d u c t i o n w e l l: s te a m is i n j e c t e d f r o m a

v e r ti c a l w e l l p l a c e d o n o n e s i d e o f t h e m o d e l

a n d a p r o d u c t i o n w e l l l o c a t e d o n t h e o t h e r d i-

a g o n a l s i d e o f t h e m o d e l . T h e s e f i r st t h r e e c o n -

f i g u r a t i o n s w e r e u s e d f o r t h e s t e a m - d r i v e

e x p e r i m e n t s .

( D ) A v e r ti c a l i n j e c t i o n / p r o d u c t i o n w e l l i s

p l a c e d a t t h e c e n t e r o f th e m o d e l .

( E ) A h o r i z o n ta l i n j e c t i o n / p r o d u c t i o n w e l l

i s p l a c e d d i a g o n a l ly i n t o t h e h a l f h e i g h t o f t h e

m o d e l . T h e s e tw o c o n f i g u r a t io n s w e r e u s e d f o r

cyc l i c tes t s .

P e r f o r a t e d 8 - m m d i a m e t e r , s t a i n l e s s s t e e l

t u b i n g , w a s u s e d f o r t h e i n j e c t i o n a n d p r o d u c -

t i o n w e l ls . S e v er a l 3 - m m d i a m e t e r h o l e s w e r e

d r i ll e d a lo n g t h e l e n g t h o f t h e t u b i n g a n d w e r e

c o v e r e d w i t h 1 0 0 - m e s h m e t a l s c r e e n s to p r e -

v e n t s a n d p r o d u c t i o n .

F o r c y c l ic a n d c o n t i n u o u s s t e a m - i n j e c t i o n

e x p e r i m e n t s , t h e w e l l c o n f i g u r a t i o n s w e r e i n -

s t a ll e d i n a 3 - D m o d e l . A f t e r i n s t a l la t i o n o f t h e

t o p , b o t to m a n d c e n t e r t h e r m o c o u p l e s , t h e b o x

w a s fi ll ed w i t h 0 . 4 2 0 - 1 . 1 9 0 - m m d i a m e t e r

c r u s h e d l i m e s t o n e w h i c h g a v e p o r o s i t y o f

a b o u t 3 8 . A b s o l u t e l i q u i d p e r m e a b i l i t y w a s

f o u n d t o b e 6 d a r c i e s . X - r a y d i f f r a c t i o n a n a l y -

s is o f l i m e s t o n e s a m p l e s i n d i c a t e d a c o m p o s i -

t i o n o f 9 2 c a l c i te , 6 . 6 d o l o m i t e a n d 1 .4

q u a r t z b y w e i g h t .

xperim ental procedure

T A B L E 1

C r u d e o i l a n d p o r o u s p a c k p r o p e r t i e s

C r u d e o i l R a m a n

A P I g r a v i t y ( A P I ) 1 7

V i s c o s i ty ( @ 6 0 F , m P a s ) 2 26 1

W a t e r s a l i n it y ( p p m N a C 1 ) 6 0 , 00 0

P o ro s i t y ( ) 3 8 .0

P e r m e a b i l i ty ( d a r c y ) 6 . 0

P o r e v o l u m e ( c m 3 1 5, 17 5

M a s s o f s a n d ( g r a m ) 5 9 , 18 0

M a t r i x C r u s h e d l i m e s t o n e

s t e a m i n j e c t i o n w a s s t a r te d a t a b o u t 1 5 0 C i n -

j e c t i o n t e m p e r a t u r e i n a l l e x p e r i m e n t s . D u r i n g

c y c li c s t e a m - i n j e c t io n r u n s , t h e g r a d u a t e d a n d

p r e s s u r i z e d o i l - l e v e l i n d i c a t o r w a s u s e d t o

m e a s u r e t h e i n j e c te d s te a m v o l u m e d u r i n g e a c h

c y c l e . F o r e a c h c y c l e , f i r s t t h e s t e a m w a s i n -

j e c t e d ( i n j e c t i o n p e r i o d ) , a n d t h e n t h e i n j ec -

t i o n w e l l w a s c l o s e d f o r a s o a k i n g p e r i o d . A f t e r

t h e s o a k i n g p e r i o d , t h e w e l l w a s o p e n e d t o p r o -

d u c t i o n . D u r i n g t h e p r o d u c t i o n p e r i o d , t h e

c o n s t a n t - p r e s s u r e r e s e r v o i r b o u n d a r y c o n d i -

t i o n w a s s u s t a i n e d u s i n g a g r a d u a t e d a n d p r e s -

s u r i z e d o i l - l e v e l i n d i c a t o r . W h e n o i l p r o d u c -

t i o n d e c r e a s e d , t h e f ir st c y c l e w a s t e r m i n a t e d

a n d t h e n , t h e s e c o n d a n d t h i r d c y c le s w e r e

c o n d u c t e d .

I n c o n t i n u o u s s t e a m - i n j e c t io n r u n s , s t e a m

w a s c o n t i n u o u s l y i n j e c t e d in t o t h e m o d e l . T h e

i n j e c t i o n a n d t h e p r o d u c t i o n p r e s s u r e s w e r e

m e a s u r e d a n d t h e p r o d u c e d f l u i d s w e r e c o l -

l e c t e d i n g r a d u a t e d c y l i n d e r s w h i c h a l l o w e d

e a sy m e a s u r e m e n t s o f p r o d u c e d v o l u m e a n d

t h e w a t e r / o i l r a ti o .

T h e m o d e l w a s h o r iz o n t a ll y p o s it i o n e d a n d

e v a c u a t e d . I t w a s t h e n s a t u r a t e d w i t h a b r i n e

c o n t a i n in g 6 0 ,0 0 0 p p m s o d i u m c h l o ri d e , a n d

h e a t e d t o a b o u t 6 0 C a n d t h e n t h e w a t e r w a s

d i s p l a c e d w i t h h o t o i l . T h e o i l a n d w a t e r s a tu -

r a t io n s w e r e c a lc u l a te d . T a b l e 1 s u m m a r i z e s

t y p i ca l c r u d e o i l a n d p o r o u s p a c k p r o p e r ti e s .

A f t e r e s t a b l i s h i n g t h e o i l a n d w a t e r s a t u r a -

t i o n s in t h e s a n d p a c k , t h e s t e a m g e n e r a t o r w a s

b r o u g h t t o i t ' s m a x i m u m t e m p e r a t u r e a n d

e s u l t s a n d d i s c u s s i o n

T h e f o l l o w i n g s e r i e s o f c y c l i c a n d c o n t i n u -

o u s s t e a m - i n j e c t io n r u n s w e r e c o n d u c t e d i n a

3 - D m o d e l . T h e f i r s t f o u r r u n s i n v e s t i g a t e d

h e a v y - o i l p r o d u c t i o n w i t h c y c l ic s te a m i n je c -

t i o n t h r o u g h h o r i z o n t a l a n d v e r t ic a l w e l ls . T h e

s e c o n d g r o u p o f r u n s w a s c o n d u c t e d f o r t h r e e

v e r t i c a l / h o r i z o n t a l w e l l c o n f i g u r a t io n s i n o n e

q u a r t e r o f a fi v e s p o t: v e r t i c a l p r o d u c e r / v e r t i -


6/14

64 s. BA(~CiAND F. GDM RAH

c a l i n j e c t o r , v e r t i c a l i n j e c t o r / h o r i z o n t a l p r o -

d u c e r , a n d h o r i z o n t a l i n j e c t o r / h o r i z o n t a l

p r o d u c e r .

y c li c s t e a m i n j e c ti o n r u n s

G e n e r a l o b s e r v a t io n s

F o u r c y cl ic s t e a m - i n j e c t i o n r u n s w e r e c o n -

d u c t e d t o i n v e s t i g a te h e a v y -o i l p r o d u c t i o n w i t h

c y cl ic s te a m i n j e c t io n t h r o u g h h o r i z o n t a l a n d

v e r ti c a l w e ll s t h e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s a r e

p r e s e n t e d i n T a b l e 2 ) . T w o d i f f e r e n t w e ll c o n -

f i g u r a t i o n s a r e p r e s e n t : s c h e m e D i n c l u d e s a

v e r t ic a l w e ll l o c a t e d a t t h e c e n t e r o f t h e m o d e l ,

a n d s c h e m e E h a s a h o r i z o n t a l w e l l l o c a t e d a t

t h e d i a g o n a l o f th e m o d e l .

F i g u r e s 4 , 5 a n d 6 s h o w o i l a n d w a t e r p r o -

d u c t i o n r a te s a n d p r o d u c t i o n p r e s s u re f o r e a c h

c y c l e i n v e r t i c a l a n d h o r i z o n t a l w e l l c o n f i g u -

r a t io n s . T h e r e s u l ts o f R u n 1 a r e n o t s h o w n ,

h o w e v e r , th e p e r f o r m a n c e o f R u n 2 w a s s im i -

l a r . A s s e e n i n t h e f i g u r e s , m a x i m u m o i l p r o -

d u c t i o n w a s o b t a i n e d d u r i n g t h e s e c o n d c y cl e

a n d t h e n d e c r e a s e d d u r i n g t h e t h i r d c y cl e. I n

h o r i z o n t a l w e l l s , a l t h o u g h t h e o i l - p r o d u c t i o n

r a te s w e r e s i m i l a r i n t h e f i r s t a n d s e c o n d c y c le s ,

R u n s 3 a n d 4 ) , m a x i m u m o il p r o d u c t i o n w as

o b t a i n e d d u r i n g t h e f i rs t c y c l e a n d g r a d u a l l y

d e c r e a s e d d u r i n g t h e s e c o n d a n d t h i r d c y c l e s .

T h e i n c re a s e in p r o d u c t i o n r at e a n d t h e p r o -

d u c t i o n p e r i o d d e c r e a s e d a f t e r t h e f i r st c y c le .

T h e r e a s o n f o r t h i s lo w e r p e r f o r m a n c e w a s a t-

t r i b u t e d t o t h e d e c r e a s e o f o i l s a t u r a t i o n n e a r

t h e w e ll bo r e a n d s lo w m o v e m e n t o f t h e c r u d e

o il f r o m u n h e a t e d s e c t i o n s o f th e m o d e l . A n

o t h e r r e a s o n w a s t h a t t h e s t e a m z o n e a c c u m u -

l at es a t t h e u p p e r p a r t o f t h e m o d e l w h e r e i n-

c r e a s e d h e a t l o s s e s c a u s e t h e w a t e r / o i l r a t io t o

i n c r e a s e a n d t h e o i l p r o d u c t i o n r a t e t o

d e c r e a s e .

A t t h e b e g i n n in g o f th e p r o d u c t i o n p e r i o d

f o r t h e f i r s t a n d s e c o n d c y c l e s ) , th e r e w a s l e s s

w a t e r p r o d u c t i o n f r o m t h e h o r i z o n t a l w e l l ;

s t e a m a c c u m u l a t e d a t t h e u p p e r p a r t o f th e

m o d e l a n d c o n d e n s e d t h e r e d u r i n g t h e s o a ki n g

p e r i o d . T h u s , t h e c r u d e o i l w a s s w e p t b y c o n -

d e n s e d s te a m f r o m t h e t o p d o w n w a r d , d u r i n g

t h e p r o d u c t i o n c yc le . T h u s g r a v i t y d r a i n a g e i s

a n i m p o r t a n t m e c h a n i s m i n o il p r o d u c t i o n u s-

i n g h o r i z o n t a l w e l ls .

o m p a r i s o n b e t w e e n t h e r u n s

C o m p a r i n g R u n s 1 a n d 2 T a b l e 3 ) , t h e d u -

r a t i o n o f th e s o a k i n g p e r i o d f o r R u n 1 w a s 4 .5

T A B L E 2

E x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s f o r c y c li c - st e a m i n j e c t i o n r u n s

R u n : 1 2

3 4

Cyc le: 1 2 1 2 3 1 2 3 1 2 3

W e l l c o n f i g u r a t i o n V e r t i c a l

( S c h e m e D )

S o

( ) 6 2 . 0

s ~

( ) 3 8 . 0

I n j e c t i o n t e m p . ( C ) 1 4 8 1 55

I n j e c t i o n p r e s s u r e 3 1 4 3 3 9

( k P a )

I n j e c t i o n t i m e ( m i n ) 1 7 1 5

S o a k i n g t i m e ( r a i n ) 9 6 1 0

P r o d u c t i o n t i m e ( r a i n ) 5 2 7 0

I n j e c t i o n s t e a m ( P V 0 . 0 6 0 . 2 0

ewe))

C u m u l a t i v e i n j e c t e d 0 . 0 6 0 . 2 6

s t e a m ( P V ( e w e ) )

V e r t i c a l H o r i z o n t a l

( S c h e m e D ) ( S c h e m e E )

5 9 . 0 6 2 . 0

4 1 . 0 3 8 . 0

148 148 153 148 154

4 4 5 4 4 0 4 4 5 4 1 5 4 1 5

14 24 39 15 18

21 23 29 8 15

54 105 81 89 86

0 .11 0 .13 0 .22 0 .11 0 .18

0 .11 0 .24 0 .46 0 .11 0 .29

H o r i z o n t a l

( S c h e m e E )

6 1 . 0

3 9 . 0

t55 155 148

4 2 0 3 9 0 3 8 9

3 2 3 9 3 0

20 17 15

61 114 62

0 . 2 8 0 . 2 4 0 . 1 6

0 . 5 7 0 . 2 4 0 . 4 0

148

4 0 3

2O

2 0

4 3

0 . 0 7

0 . 4 7


7/14

STEAM-INJECTIONPROCESSES N HORIZONTALAND VERTICALWELLSFOR HEAVY-OILRECOVERY 6

140,

~130

v

120

~ 100

m

U

n~

0..

6o

I--

,.~ 40

Z

_J

5 20

I RUN NO : 2

SCHEME

D

i i

h fl

i i I

l I i

I i I I

i i i

50 100

~ 2 . - ~ Y C L E

OIL

150 200 250

TIME ( ra in.)

Fig . 4 .

Pro duc t ion h istory for vertica l wel l

R u n 2 ) .

220

180

3.CYCLE

160

n 140

120

100

8O

50

300 350 z,OO

200

W

ne

tf

t ~

W

ne

Z

o

0

o

140

c_~130

E12

t l

I.-.-

.

,


13/14

S T E A M I N J E C T IO N P R O C E S S E S I N H O R I Z O N T A L A N D V E R T I C A L W E L L S F O R H E A V Y O I L R E C O V E R Y 7

i n j e c t o r / v e r t i c a l p r o d u c e r c o n f i g u r a t i o n c a s e

i s n o t a s h i g h a s t h e s i t u a t i o n s i n c o r p o r a t i n g

h o r i z o n t a l w e l ls .

o m p a r i s o n b e t w e e n t h e r u n s

F r o m t h e c o m p a r i s o n o f o i l r e c o v e r i e s f o r

c o n t i n u o u s s t e a m - i n j e c t i o n R u n s 5 , 6 a n d 7 ,

w i t h c y c l ic s t e a m - i n j e c t i o n te s t ( R u n 4 ) , o i l

r e c o v e ry w a s 54 .7 o f O O I P w i th 0. 36 P V o f

s t e a m i n j e c t i o n , w h i l e o i l r e c o v e r i e s w e r e 3 7

o f O O I P f o r h o r i z o n ta l i n j e c t o r / h o r i z o n t a l

p r o d u c e r , 3 6 . 5 o f O O I P f o r v e r t ic a l i n je c -

t o r / h o r i z o n t a l p r o d u c e r , a n d 2 1 o f O O I P f o r

v e r t i c a l i n j e c t o r / v e r t i c a l p r o d u c e r c o n f i g u r a -

t i o n s a f te r i n j e c t i o n o f t h e s a m e v o l u m e o f

s t eam . As a r e s u l t , t he p r o j ec t li f e wi l l be l on ge r

f o r c yc l ic s t e a m i n j e c t i o n th a n f o r c o n t i n u o u s

s t ea m i n je c t io n to p r o d u c e t h e s a m e a m o u n t

o f c r u d e o i l .

F i gu r e 11 s hows t he s t e am t o o i l r a t i o s a s a

f u n c t i o n o f i n j e c t e d s t e a m f o r e a c h s e ri e s o f

w e l l c o n f i g u r a t i o n s . S t e a m / o i l r a t i o s w e r e 1 .4 2

m l / m l f o r h o r i z o n ta l i n j e c t o r /h o r i z o n t a l p r o -

d u c e r , 2.3 1 m l / m l f o r v e rt i ca l i n j e c t o r / h o r i -

z o n t a l p r o d u c e r , a n d 2 . 0 8 m l / m l f o r v e r t i c a l

i n j e c t o r / v e r t i c a l p r o d u c e r w e l l c o n f i g u r a -

t io n s , w h e n 0 . 8 0 P V o f s t e a m w e r e in j e c t e d in t o

t h e m o d e l . T h e r e f o r e , a l o w e r a m o u n t o f st e a m

w i ll b e r e q u i r e d to p r o d u c e t h e s a m e a m o u n t

o f c r u d e o il u s in g h o r i z o n t a l i n j e c t o r / h o r i z o n -

t al p r o d u c e r c o n f i g u r a t i o n .

T e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n s t h r o u g h o u t t h e

r u n s a r e p r e s e n t e d i n F i g . 1 2 f o r t h r e e d i f f e r e n t

w e l l c o n f i g u r a t i o n s . I n t h e v e r t i c a l i n j e c t o r /

v e r t i c a l p r o d u c e r c a s e , t h e i n j e c t e d s t e a m i s

p r o p a g a t ed t h r o u g h t h e u p p e r p a r t o f th e

m o d e l a n d t h e m o d e l i s h e a t e d f r o m t o p t o

b o t t o m . A s s e e n in F i g . 1 2 , t h e p r o f i l e s d o n o t

s h o w s i g n i f i c a n t s t e a m - o v e r r i d e e f f e ct s . U s i n g

h o r i z o n t a l w e l l i n j e c t i o n , t h e v i c i n i t y o f th e

w e ll a n d t h e t o p o f th e m o d e l w a s h e a t e d m o r e

r a p i d l y t h a n f o r v e r t i c a l w e l l i n j e c t i o n d u e t o

t h e l a r g er c o n t a c t a r e a p r e s e n t e d b y t h e h o r i -

z o n t a l w e l l. F i r s t, s t e a m r e a c h e s t h e u p p e r p a r t

o f t h e m o d e l a n d t h e n h e a t e d c r u d e o i l is d is -

p l a c e d b y c o n d e n s e d s t e a m t o w a r d s t h e p r o -

d u c t i o n w e l l d u e t o t h e p r e s s u r e d i f f e r e n c e b e -

t w e e n th e i n j e c t i o n a n d p r o d u c t i o n w e l l . I n t h e

v e r t i c a l i n j e c t o r / h o r i z o n t a l p r o d u c e r w e l l

c o n f i g u r a t i o n , s t e a m r e a c h e s t h e p r o d u c t i o n

w e l l i n a s h o r t t i m e d u e t o t h e s h o r t d i s t a n c e

b e t w e e n i n j e c t i o n a n d p r o d u c t i o n w e l l s c o m -

p a r e d t o o t h e r c o n f i g u r a t i o n s . A s a r e s u lt , t h e

a r e a s w e p t b y s t e a m i s r e d u c e d a n d o i l r e c o v -

e r y i s a l s o l e s s t h a n f o r o t h e r c o n f i g u r a t i o n s .

T h i s s u g g e s t s t h a t t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e

v e r t i c a l i n j e c t o r a n d t h e h o r i z o n t a l p r o d u c e r

s h o u l d b e i n c r e a s e d , o r t h e p e r f o r a ti o n s o f th e

p r o d u c t i o n w e l l s h o u l d b e c o n c e n t r a t e d a t t h e

o u t l e t o f t h e m o d e l .

onclusions

( 1 ) T h e f o ll o w i n g c o n c l u s io n s w e r e d r a w n

f r o m c y c li c s t e a m - i n j e c t io n t e s t s : ( a ) S t e a m

i n j e c t io n t h r o u g h a h o r i z o n t a l w e l l ac c e l e r a te d

o il p r o d u c t i o n f r o m h e a v y o il . T h e c u m u l a t i v e

o i l r e c o v e r y w a s a b o u t 3 0 t o 5 0 h i g h e r t h a n

o b t a i n e d w i t h i n j e c t i o n o f s t e a m i n t o a v e r ti -

c a l w e l l . ( b ) T h e i n j ec t e d a m o u n t o f st e am

d u r i n g t h e f ir st c y c l e i n f l u e n c e d t h e w a t e r / o i l

r a t i o a n d o i l r e c o v e r y . A 5 4 i n c r e a s e i n i n -

j e c t e d s t e a m v o l u m e d e c r e a s e d t h e o i l r e c o v -

e r y b y 36 a n d i n c r e a s e d t h e w a t e r / o i l r at io

b y 5 5 i n v e r t i c a l w e l l r u n s . F o r h o r i z o n t a l

w e l l r u n s , a 4 6 i n c r e a s e i n i n j e c t e d s t e a m

v o l u m e i n c r e a s e d t h e o i l r e c o v e r y b y 1 1 a n d

t h e d e c r e a s e d w a t e r / o i l r a ti o b y 28 .

( 2 ) F o r s t e a m - d r i v e e x p e r i m e n t s : ( a ) O i l

p r o d u c t i o n f o r t h e h o r i z o n t a l i n j e c t o r / h o r i -

z o n t a l p r o d u c e r w e ll c o n f i g u r a t i o n w a s h i g h e r

t h a n f o r t h e o t h e r w e l l c o n f i g u r a t i o n s . H o w -

e v e r , o i l r e c o v e r y o b t a i n e d u s i n g e i t h e r v e r t i -

c a l i n j e c t o r / h o r i z o n t a l p r o d u c e r o r v e r ti c a l in -

j e c t o r / v e r t i c a l p r o d u c e r w e l l c o n f i g u r a t i o n s

w e r e a lm o s t th e s a m e . ( b ) S t e a m b r e ak -

t h r o u g h f o r t h e h o r i z o n t a l i n j e c t o r / h o r i z o n t a l

p r o d u c e r w e l l c o n f i g u r a t i o n w a s 0 .5 5 P V o f

s t e a m i n j e c ti o n , w h i l e i t w a s 0 . 0 6 P V o f s te a m

i n j e c t i o n i n t h e v e r t i c a l i n j e c t o r / v e r t i c a l p r o -

d u c e r w e l l c o n f ig u r a t i o n c a se . ( c ) A s t e a m / o i l

r a t io o f t h e o r d e r o f 1 .4 0 i n d i c a t e d t h e h i g h

t h e r m a l e f f i c ie n c y o f th e h o r i z o n t a l i n j e c t o r /


14/14

72 s BAr Ci AND F GOMRAH

h o r i z o n t a l p r o d u ce r w e l l c o n f i g u r a t i o n . d )

T h e p r o d u c e d w a t e r / o i l r a t i o a n d w a t e r / o i l

e m u l s i o n w a s i n c r e a s e d d u e t o e a r l y p r o d u c -

t i o n o f s t e a m i n t h e v e r t i ca l in j e c t o n / v e r t i c a l

p r o d u c e r w e l l c o n f i g u r a t io n .

3 ) T h e l a bo r a to r y d a ta d e m o n s t r a t e d t h e

s u c c e s s o f s t e a m - i n j e c t i o n p r o c es s e s u s i n g h o r -

i z o n t a l w e l l s f or t h e p r o d u c t i o n o f h e a v y o i ls .

T h e p r i m a r y r e c o v e r y m e c h a n i s m f o r s t e a m

i n j e c t i o n th r o u g h h o r i z o n t a l w e l l s a p p e a r e d t o

b e a c o m b i n a t i o n o f v i s c o s i ty r e d u c t i o n , g r a v-

i t y d r a i n a g e , a n d p r e s s u r e g r a d i e n t .

A c k n o w l e d g e m e n t s

We wish to thank the Turk i sh Pe t ro leum

Corpora t ion for p rov id ing the c rude o i l sam-

ple from th e R am an f ie ld . We a l so apprec ia t e

the he lp prov ided by N .Ocak H.Acarsoy

N.Do~ ru an d F .T i ireg i in for cons t ruc t ion of

e qu i pm e n t a n d r unn i ng t e st s.

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