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 ¡ 26.5 ¡^ ¡ 53 ¡^ ¡

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 ¡+ ¡CH 4 ¡+ ¡Char ¡ • Heavy ¡Oil ¡ à ¡Light ¡Oil ¡+ ¡Gas ¡+ ¡CH 4 ¡+Char ¡ • Light ¡Oil ¡ à ¡Gas ¡+ ¡CH 4 ¡+ ¡Char ¡ • Gas ¡ à ¡CH 4 ¡+ ¡Char ¡ • Char ¡ à ¡CH 4 ¡+ ¡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 ¡ o F. ¡ ¡Note: ¡Ini'al ¡ temperature ¡= ¡220 ¡ o F. ¡

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

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

Results ¡ Rubble ¡permeability ¡changed ¡to ¡10 ¡md. ¡ ¡Permeability ¡has ¡a ¡significant ¡ ¡ impact. ¡ 0.7 ¡ 0.6 ¡ Cumula&ve ¡Oil ¡SC ¡(bbl) ¡ 0.5 ¡ 0.4 ¡ 0.3 ¡ 0.2 ¡ 0.1 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 50 ¡ 100 ¡ 150 ¡ 200 ¡ 250 ¡ 300 ¡ 350 ¡ 400 ¡ Time ¡(days) ¡

Results ¡ Rela've ¡permeability ¡endpoints ¡extended ¡to ¡zero, ¡meaning ¡all ¡oil ¡ ¡ generated ¡is ¡able ¡to ¡flow. ¡ 0.7 ¡ 0.90 0.93 Cumula&ve ¡Oil ¡SC ¡(bbl) ¡ 0.6 ¡ kr - relative permeability kr - relative permeability 0.72 0.74 0.5 ¡ 0.54 0.56 0.4 ¡ 0.36 0.37 0.3 ¡ 0.2 ¡ 0.18 0.19 0.1 ¡ 0.00 0.00 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 Sl Sl 0 ¡ 0 ¡ 50 ¡ 100 ¡ 150 ¡ 200 ¡ 250 ¡ 300 ¡ 350 ¡ 400 ¡ krg vs Sl krg vs Sl Time ¡(days) ¡ krog vs Sl krog vs Sl

Results ¡ Rela've ¡permeability ¡endpoints ¡extended ¡to ¡zero, ¡meaning ¡all ¡oil ¡ ¡ generated ¡is ¡able ¡to ¡flow. ¡ 0.7 ¡ 0.6 ¡ Cumula&ve ¡Oil ¡SC ¡(bbl) ¡ 0.5 ¡ 0.4 ¡ 0.3 ¡ 0.2 ¡ 0.1 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 50 ¡ 100 ¡ 150 ¡ 200 ¡ 250 ¡ 300 ¡ 350 ¡ 400 ¡ Time ¡(days) ¡

Results ¡ Rela've ¡permeability ¡endpoints ¡extended ¡to ¡zero, ¡meaning ¡all ¡oil ¡ ¡ generated ¡is ¡able ¡to ¡flow. ¡ 1.8 ¡ 1.6 ¡ Cumula&ve ¡Oil ¡SC ¡(bbl) ¡ 1.4 ¡ 1.2 ¡ 1 ¡ 0.8 ¡ 0.6 ¡ 0.4 ¡ 0.2 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 50 ¡ 100 ¡ 150 ¡ 200 ¡ 250 ¡ 300 ¡ 350 ¡ 400 ¡ Time ¡(days) ¡

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

Results ¡ Instead ¡of ¡reducing ¡produc'on ¡pressure ¡at ¡300 ¡days, ¡inert ¡gas ¡is ¡injected ¡ throughout ¡the ¡process. ¡ ¡ ¡ 4 ¡ 3.5 ¡ Cumula&ve ¡Oil ¡SC ¡(bbl) ¡ 3 ¡ 2.5 ¡ 2 ¡ 1.5 ¡ 1 ¡ 0.5 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 50 ¡ 100 ¡ 150 ¡ 200 ¡ 250 ¡ 300 ¡ 350 ¡ 400 ¡ Time ¡(days) ¡

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