Date of Award

5-2025

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Chemical Engineering

Department

Chemical Engineering

First Advisor

Prof. Basim Abu Jdayil

Second Advisor

Prof. AbdulRazzag Bin Zekri

Abstract

In response to the increasing global demand for energy and the limitations of traditional chemical oil recovery methods, this study explores the potential of imidazolium-based ionic liquids (ILs) as enhanced oil recovery (EOR) agents for Emirati tight oil reservoirs. Four ILs—C10mimCl, C12mimCl, C12mimBF4, and C16mimBr—were evaluated for their effects on the interfacial tension (IFT), wettability, emulsification, and rheological properties under reservoir conditions. Experiments conducted at varying salinities, temperatures (up to 110°C), and IL concentrations (500–3000 ppm) demonstrated that longer alkyl chain ILs, particularly C16mimBr, effectively reduced IFT by >99% and improved wettability by lowering contact angles down to 15.37°. Statistical modeling and optimization using Design of Experiments (DoE) confirmed that IL type and concentration are key factors in maximizing EOR efficiency. Rheological analysis confirmed shear-thinning behavior and enhanced emulsion stability, especially with FB-C16mimBr achieving the lowest viscosities of 1.73 mPa·s and 0.71 mPa·s at 25°C and 80°C, respectively.

Reservoir assessments, including spontaneous imbibition, secondary, and tertiary flooding, indicated that ILs significantly improved oil recovery. Spontaneous imbibition with ILs increased recovery to 58.15% of OOIP compared to 16.72% of OOIP with formation brine alone. In comparison, tertiary flooding with C12mimCl and C16mimBr yielded additional recoveries of 21.39% and 26.15% of OOIP, resulting in a final recovery of 93.51% and 96.39% respectively. X-ray Diffraction (XRD) and pressure monitoring revealed that IL viscosity, core permeability, and calcite stabilization were critical in optimizing oil displacement. The formation of Winsor Type III microemulsions facilitated capillary force reduction and mobilized trapped oil. These findings demonstrate that ILs offer an environmentally benign alternative to conventional surfactants, improving oil recovery through wettability alteration, viscosity reduction, and emulsion stabilization, thereby contributing to sustainable high-efficiency energy solutions.

Arabic Abstract

استخدام السوائل الأيونية لتعزيز استخلاص النفط في المكامن النفطية الكربوناتية الضيقة والقاسية في الإمارات

بالاستجابة للطلب العالمي المتزايد على الطاقة والقيود المرتبطة بطرق استخلاص النفط الكيميائية التقليدية، تستكشف هذه الدراسة إمكانات استخدام السوائل الأيونية المعتمدة على الإيميدازوليوم كمحاليل لتعزيز استخلاص النفط (EOR) في المكامن النفطية الضيقة في الإمارات. تم تقييم أربعة أنواع من هذه السوائل C10mimCl، C12mimCl، C12mimBF4، و C16mimBr من حيث تأثيرها على التوتر السطحي البيني (IFT)، وتعديل قابلية ترطيب الصخور، وخصائص الاستحلاب النفطي والسلوك الريولوجي تحت ظروف المكمن. أُجريت التجارب ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة (حتى 110 درجة مئوية)، وتراكيز السوائل (500–3000 جزء في المليون)، والمستويات المختلفة للملوحة. وأظهرت النتائج أن السوائل ذات السلاسل الألكيلية الأطول، وخاصة C16mimBr، قللت التوتر السطحي بأكثر من 99%، كما حسّنت قابلية الترطيب من خلال خفض زوايا التلامس إلى 15.37 درجة. أكدت نمذجة البيانات الإحصائية وتحسين التصميم التجريبي (DoE) أن نوع السائل الأيوني وتركيزه هما العاملان الأكثر تأثيرًا في تعظيم كفاءة الاستخلاص المحسّن للنفط.

أظهرت التحليلات الريولوجية سلوكًا منخفض اللزوجة، مع استقرار عالٍ للمستحلبات النفطية، خاصة عند استخدام FB-C16mimBr الذي سجل أدنى لزوجة وصلت إلى 1.73 mPa·s و0.71 mPa·s عند 25 و80 درجة حرارة مئوية على التوالي. أظهرت التقييمات على مستوى المكمن، بما في ذلك الغمر التلقائي والاستخراج الثانوي والثالث المحسن في وجود قوة خارجية، أن السوائل الأيونية حسّنت بشكل كبير من معدل استخلاص النفط. فمثلاً، ارتفع معدل الاستخلاص في تجربة الغمر التلقائي باستخدام السوائل إلى 58.15% من النفط الأصلي بالمكمن (OOIP) مقارنة بـ 16.72% باستخدام ماء التكوين فقط. أما في الحقن الثالث المحسن، فقد حققت (C12mimCl) و(C16mimBr) معدلات استخلاص إضافية بلغت 21.39% و26.15% على التوالي، مما أدى إلى معدلات استخلاص نفط نهائية بلغت 93.51% و96.39%. كشفت تحاليل حيود الأشعة السينية (XRD) ومراقبة الضغط أن لزوجة السائل الأيوني، ونفاذية القلب الصخري، وثباتية الكالسيت تلعب أدوارًا حاسمة في تحسين عملية إزاحة النفط.

كما ساهم تكوين مستحلبات نفطية دقيقة من نوع Winsor III في تقليل قوى الشد الشعري وتحريك النفط المحبوس. تُظهر هذه النتائج أن السوائل الأيونية تمثل بديلاً بيئيًا آمنًا للمواد الخافضة للتوتر السطحي التقليدية، إذ تعزز استخلاص النفط من خلال تعديل قابلية ترطيب الصخور، وخفض اللزوجة، وتحسين استقرار المستحلبات النفطية، وبالتالي تساهم في توفير حلول طاقة مستدامة وفعالة عالية الأداء.

Download

Share

COinS