Simula'on of a rubblized oil shale pyrolysis process - - PowerPoint PPT Presentation

Simula'on ¡of ¡a ¡rubblized ¡oil ¡ shale ¡pyrolysis ¡process ¡

Jacob ¡H. ¡Bauman ¡and ¡Milind ¡D. ¡Deo ¡ University ¡of ¡Utah ¡Department ¡of ¡ Chemical ¡Engineering ¡

History ¡

• An ¡Assessment ¡of ¡Oil ¡Shale ¡Technologies ¡

(1980), ¡Office ¡of ¡Technology ¡Assessment ¡ ¡

– In-­‑situ ¡technologies ¡

• TIS ¡(True ¡In-­‑situ) ¡

– Explosives ¡ ¡were ¡used ¡to ¡fracture/rubblize ¡in-­‑situ ¡resources ¡

• MIS ¡(Modified ¡In-­‑situ) ¡

– A ¡por'on ¡of ¡the ¡resource ¡was ¡mined, ¡and ¡the ¡remaining ¡ underground ¡por'on ¡was ¡rubblized ¡with ¡explosives. ¡ ¡The ¡ mined ¡por'on ¡could ¡be ¡retorted ¡at ¡the ¡surface ¡if ¡reasonable. ¡

History ¡

History ¡

• A ¡few ¡current ¡ac've ¡technologies ¡

– Shell ¡ICP ¡(In-­‑situ ¡conversion ¡process) ¡

• Electric ¡hea'ng ¡with ¡conduc've ¡heat ¡transfer ¡

– ExxonMobil ¡Electrofrac ¡

• Fractures ¡are ¡injected ¡with ¡hea'ng ¡material ¡

– AMSO ¡CCR ¡(Conduc'on, ¡convec'on, ¡and ¡reflux) ¡

• Horizontal ¡hea'ng ¡and ¡producing ¡wells ¡

– RedLeaf ¡EcoShale ¡

• Shale ¡is ¡mined, ¡rubblized, ¡and ¡heated ¡in ¡a ¡covered ¡

“capsule.” ¡

Key ¡parameters ¡

• Permeability ¡

– Explosives/Fracturing ¡vs. ¡Hea'ng ¡

Key ¡parameters ¡

• Hea'ng ¡rate ¡and ¡hea'ng ¡efficiency ¡

– En're ¡resources ¡must ¡be ¡sufficiently ¡heated ¡in ¡a ¡ reasonable ¡'me. ¡ ¡ – The ¡quality ¡and ¡quan'ty ¡of ¡energy ¡produced ¡must ¡ be ¡substan'ally ¡greater ¡than ¡the ¡energy ¡supplied ¡ to ¡the ¡process. ¡

Key ¡parameters ¡

• Kine'cs ¡

– Rates ¡of ¡producible ¡product ¡genera'on ¡are ¡cri'cal ¡ to ¡any ¡successful ¡process. ¡ – Temperature/'me ¡history ¡can ¡have ¡significant ¡ implica'ons ¡on ¡yield ¡and ¡product ¡composi'on. ¡

Mo'va'on ¡

• Simula'on ¡can ¡offer ¡insight. ¡

– Informa'on ¡is ¡available ¡not ¡only ¡at ¡probe ¡points. ¡

• Complexity ¡and ¡uncertainty ¡is ¡an ¡issue. ¡
• Data ¡are ¡o^en ¡sparse, ¡expensive, ¡proprietary, ¡

impossible, ¡etc. ¡

• It ¡is ¡useful ¡to ¡understand ¡the ¡physics ¡of ¡a ¡

rubblized ¡process. ¡

Previous ¡Results ¡

• Molecular ¡weight. ¡Stoichiometry. ¡Ini'al ¡kerogen ¡

concentra'on ¡

• Ac'va'on ¡energies ¡for ¡four ¡reac'ons ¡
• Distribu'on ¡of ¡ac'va'on ¡energy ¡for ¡kerogen ¡

conversion ¡

• Rela've ¡permeability ¡representa'on ¡
• Reac'on ¡Enthalpy ¡
• Varia'ons ¡in ¡some ¡of ¡these ¡parameters ¡have ¡a ¡

significant ¡impact ¡on ¡the ¡ul'mate ¡recovery ¡of ¡oil, ¡ whereas ¡other ¡parameter ¡varia'ons ¡do ¡not. ¡ ¡

Previous ¡Results ¡

53 ¡^ ¡ 26.5 ¡^ ¡

Conserva'on ¡Equa'ons ¡

Conserva'on ¡Equa'ons ¡

• Darcy’s ¡Law ¡
• Rate ¡constant ¡

Research ¡Ques'ons ¡

• How ¡does ¡heat ¡transfer ¡through ¡the ¡system? ¡
• How ¡fast ¡are ¡products ¡generated? ¡ ¡What ¡is ¡the ¡

yield, ¡and ¡what ¡are ¡the ¡characteris'cs ¡of ¡the ¡ products? ¡

• Where ¡do ¡the ¡products ¡go? ¡ ¡How ¡are ¡they ¡

produced? ¡

• Are ¡there ¡any ¡essen'al ¡design ¡considera'ons ¡

for ¡such ¡a ¡process? ¡

Simula'on ¡Descrip'on ¡

Simula'on ¡Descrip'on ¡

• Kerogen ¡à ¡Heavy ¡Oil ¡+ ¡Light ¡Oil ¡+ ¡Gas ¡+ ¡CH4 ¡+ ¡Char ¡
• Heavy ¡Oil ¡à ¡Light ¡Oil ¡+ ¡Gas ¡+ ¡CH4 ¡+Char ¡
• Light ¡Oil ¡à ¡Gas ¡+ ¡CH4 ¡+ ¡Char ¡
• Gas ¡à ¡CH4 ¡+ ¡Char ¡
• Char ¡à ¡CH4 ¡+ ¡Gas ¡+ ¡coke ¡

¡

• Species ¡are ¡lumped ¡into ¡representa've ¡

components ¡with ¡representa've ¡proper'es. ¡

Simula'on ¡Descrip'on ¡

• Horizontal ¡heaters ¡placed ¡in ¡various ¡loca'ons ¡add ¡

heat ¡by ¡conduc'on, ¡or ¡by ¡hot ¡vapor ¡injec'on ¡ with ¡a ¡target ¡temperature ¡of ¡700 ¡oF. ¡ ¡Note: ¡Ini'al ¡ temperature ¡= ¡220 ¡oF. ¡

Results ¡

0 ¡ 0.002 ¡ 0.004 ¡ 0.006 ¡ 0.008 ¡ 0.01 ¡ 0.012 ¡ 0.014 ¡ 0 ¡ 50 ¡ 100 ¡ 150 ¡ 200 ¡ 250 ¡ 300 ¡ 350 ¡ 400 ¡ Cumula&ve ¡Oil ¡SC ¡(bbl) ¡ Time ¡(days) ¡ Insignificant ¡oil ¡is ¡produced ¡a^er ¡1 ¡year. ¡ ¡Rubble ¡permeability ¡= ¡0.3 ¡md ¡

Results ¡

0 ¡ 0.005 ¡ 0.01 ¡ 0.015 ¡ 0.02 ¡ 0 ¡ 50 ¡ 100 ¡ 150 ¡ 200 ¡ 250 ¡ 300 ¡ 350 ¡ 400 ¡ Cumula&ve ¡Oil ¡SC ¡(bbl) ¡ Time ¡(days) ¡

A^er ¡adding ¡an ¡addi'onal ¡producer ¡at ¡the ¡bopom ¡of ¡the ¡bed. ¡ ¡Suggests ¡ more ¡oil ¡is ¡present, ¡and ¡gravity ¡drainage ¡plays ¡a ¡role ¡in ¡the ¡flow. ¡

Results ¡

0 ¡ 0.1 ¡ 0.2 ¡ 0.3 ¡ 0.4 ¡ 0.5 ¡ 0.6 ¡ 0.7 ¡ 0 ¡ 50 ¡ 100 ¡ 150 ¡ 200 ¡ 250 ¡ 300 ¡ 350 ¡ 400 ¡ Cumula&ve ¡Oil ¡SC ¡(bbl) ¡ Time ¡(days) ¡

Rubble ¡permeability ¡changed ¡to ¡10 ¡md. ¡ ¡Permeability ¡has ¡a ¡significant ¡ ¡

• impact. ¡

Results ¡

0 ¡ 0.1 ¡ 0.2 ¡ 0.3 ¡ 0.4 ¡ 0.5 ¡ 0.6 ¡ 0.7 ¡ 0 ¡ 50 ¡ 100 ¡ 150 ¡ 200 ¡ 250 ¡ 300 ¡ 350 ¡ 400 ¡

Cumula&ve ¡Oil ¡SC ¡(bbl) ¡ Time ¡(days) ¡

Rela've ¡permeability ¡endpoints ¡extended ¡to ¡zero, ¡meaning ¡all ¡oil ¡ ¡ generated ¡is ¡able ¡to ¡flow. ¡

0.00 0.18 0.36 0.54 0.72 0.90

kr - relative permeability

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Sl

krg vs Sl krog vs Sl

0.00 0.19 0.37 0.56 0.74 0.93

kr - relative permeability

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Sl

krg vs Sl krog vs Sl

Results ¡

0 ¡ 0.1 ¡ 0.2 ¡ 0.3 ¡ 0.4 ¡ 0.5 ¡ 0.6 ¡ 0.7 ¡ 0 ¡ 50 ¡ 100 ¡ 150 ¡ 200 ¡ 250 ¡ 300 ¡ 350 ¡ 400 ¡ Cumula&ve ¡Oil ¡SC ¡(bbl) ¡ Time ¡(days) ¡

Rela've ¡permeability ¡endpoints ¡extended ¡to ¡zero, ¡meaning ¡all ¡oil ¡ ¡ generated ¡is ¡able ¡to ¡flow. ¡

Results ¡

0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1 ¡ 1.2 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ 1.8 ¡ 0 ¡ 50 ¡ 100 ¡ 150 ¡ 200 ¡ 250 ¡ 300 ¡ 350 ¡ 400 ¡

Cumula&ve ¡Oil ¡SC ¡(bbl) ¡ Time ¡(days) ¡ Rela've ¡permeability ¡endpoints ¡extended ¡to ¡zero, ¡meaning ¡all ¡oil ¡ ¡ generated ¡is ¡able ¡to ¡flow. ¡

Results ¡

0 ¡ 0.5 ¡ 1 ¡ 1.5 ¡ 2 ¡ 2.5 ¡ 3 ¡ 0 ¡ 50 ¡ 100 ¡ 150 ¡ 200 ¡ 250 ¡ 300 ¡ 350 ¡ 400 ¡ Cumula&ve ¡Oil ¡SC ¡(bbl) ¡ Time ¡(days) ¡ Produc'on ¡pressure ¡reduced ¡at ¡300 ¡days. ¡ ¡Suggests ¡there ¡is ¡s'll ¡oil ¡ present ¡that ¡is ¡not ¡being ¡produced. ¡

Results ¡

0 ¡ 0.5 ¡ 1 ¡ 1.5 ¡ 2 ¡ 2.5 ¡ 3 ¡ 3.5 ¡ 4 ¡ 0 ¡ 50 ¡ 100 ¡ 150 ¡ 200 ¡ 250 ¡ 300 ¡ 350 ¡ 400 ¡

Cumula&ve ¡Oil ¡SC ¡(bbl) ¡ Time ¡(days) ¡ Instead ¡of ¡reducing ¡produc'on ¡pressure ¡at ¡300 ¡days, ¡inert ¡gas ¡is ¡injected ¡ throughout ¡the ¡process. ¡ ¡ ¡

Process ¡Performance ¡

Absolute ¡Max ¡oil ¡= ¡27 ¡bbls ¡ Medium ¡API ¡oil ¡ Total ¡Kerogen ¡in ¡place ¡ Unreacted ¡Kerogen ¡ 21.4 ¡wt% ¡ Produced ¡oil ¡ 13.1 ¡wt% ¡ Unproduced ¡oil ¡ 56.9 ¡wt% ¡ Hydrocarbon ¡Gases ¡ 6.1 ¡wt% ¡ Residuals ¡ 2.1 ¡wt% ¡

Notes ¡and ¡Limita'ons ¡

• These ¡“one ¡at ¡a ¡'me” ¡simula'ons ¡do ¡not ¡

provide ¡informa'on ¡on ¡interac'ons ¡between ¡

• parameters. ¡
• All ¡simula'ons ¡represent ¡results ¡for ¡1 ¡year. ¡ ¡

Longer ¡'me ¡may ¡have ¡addi'onal ¡implica'ons. ¡

• Finite ¡difference ¡representa'on ¡does ¡not ¡

account ¡for ¡geometric ¡complexity. ¡

Observa'ons ¡

• Pressure ¡management ¡in ¡a ¡rubblized ¡bed ¡of ¡oil ¡

shale ¡affects ¡produc'on ¡of ¡shale ¡oil ¡

• Absolute ¡permeability ¡and ¡rela've ¡

permeabili'es ¡significantly ¡affect ¡the ¡amount ¡

• f ¡producible ¡oil ¡ ¡ ¡
• Heat ¡transfer, ¡mass ¡transfer, ¡kine'cs, ¡and ¡

geomechanics ¡are ¡all ¡important ¡for ¡oil ¡shale ¡ rubbalized ¡bed ¡simula'on. ¡ ¡Necessary ¡ complexity ¡in ¡physical ¡models ¡is ¡uncertain. ¡

Acknowledgements ¡

• Department ¡of ¡Energy ¡
• Computer ¡Modeling ¡Group ¡for ¡academic ¡

license ¡to ¡STARS ¡

• Ins'tute ¡of ¡Clean ¡and ¡Secure ¡Energy ¡(ICSE) ¡

and ¡Petroleum ¡Research ¡Center ¡(PERC) ¡at ¡the ¡ University ¡of ¡Utah ¡