ANVENDELSE AF MULTIFASE MODELLEN UTCHEM TIL DESIGN OG EVALUERING AF PILOTFORSØG MED IN-SITU OPRENSNING AF OLIE VED BRUG AF SURFAKTANTER Ekspertisechef, Anders G. Christensen, NIRAS ATV Vintermøde 5.-6. Marts 2013, Vingsted.
Klient FBE Teamleder, civilingeniør Mette Marie Mygind. NIRAS A/S Civilingeniør, Søren Rygaard Lenschow. Eksterne konsulenter Ahmad Seyedabbasi, Ph.D. og Phillip C. de Blanc, Ph.D. GSI Environmental, USA. Bud Ivey, Ph.D. Ivey International, BC, Canada. George Hoag, Ph.D. VeruTek Inc., USA. Tak til Hans Frisesdahl A/S, Eurofins Miljø A/S Aalborg Universitet, Institut for kemi og bioteknologi
DISPOSITION Bagrund og princip for anvendelse af surfaktanter Formål Karakterisering af kildeområdet og indsamling af model data Indledende modellering af vandstrømning (MODLFOW) Simulering af pilotforsøg med surfaktanter (UTCHEM) Sammenfatning af UTCHEM modelresultater Evaluering af UTCHEM model- vs. feltresultater Konklusion og videre arbejde 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 3
BAGGRUND FORURENING MED JETFUEL Samlet mængde jetfuel 25-50m 3 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 4
PRINCIP VED IN-SITU ANVENDELSE AF SURFAKTANTER OVERFOR OLIE I JORD Injektion af opløsning med surfaktant Surfaktant miceller kan øge den vandige opløselighed af olien (10-100 gange) og / eller Surfaktanter kan reducere overfladespændingen (olie/vand) og derved øge mobiliteten af oliefasen Ekstraktion af opløst og/eller mobiliseret olie Før Miroemulsion Øget opløselighed 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 5
FORMÅL MED PROJEKTET Valg af surfaktant Opstille en multifase model (UTCHEM) til simulering af in-situ oprensning af olieforurening ved brug af surfaktanter Gennemførelse af pilotforsøg Samlet vurdering af metoden på baggrund af resultater fra modellen og pilotforsøget En senere fuldt kalibreret model skal anvendes til: optimering af boringsdesign og injektionsstrategi vurdering af oprensningstid, restkoncentrationer og nødvendig mængde af surfaktanter design af fuldskala oprensning 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 6
KARAKTERISERING AF KILDEOMRÅDET INDSAMLING AF DATA TIL MODEL INPUT Geologi (heterogenitet, lagdeling, sortering mv) Hydrogeologi (gradient(er), mættet hydraulisk ledningsevne, porøsitet, relativ pemeabilitet) Geokemi (grundvandets kemiske sammensætning (ioner) og jordens naturlige kulstofindhold) Oliefasens egenskaber (densitet, viskositet, opløselighed) Oliefasens initielle fordeling (oliemætning over dybden indenfor området) Surfaktantens egenskaber IveySol 103 valgt på baggrund af laboratorieforsøg (micelle koncentration og evne til at opløse hhv. emulsifiere olien) 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 7
KARAKTERISERING AF KILDEOMRÅDET MÅLT OLIEMÆTNINGSPROFIL S r = 0,2 (-) 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 8
INDLEDENDE MODELLERING AF VAND- STRØMNING TIL SIKRING AF HYDRAULISK KONTROL I TESTCELLEN UNDER FORSØGET Ekstraktion (12 m 3 /d) og reinfiltration (8 m 3 ) 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 9
UTCHEM MODELLERING MODEL SETUP (GRID OG BORINGER) dx = dy = variable - Min = 0,5 m (center) - Max = 7,7 m (boundaries) dz = 0,5 m 100 m x 100 m x 10 m Grid 50x50x200 UTCHEM (University of Texas Chemical Compositional Simulator) 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 10
Depth, m UTCHEM MODELLERING MODEL SETUP (VERTIKAL OLIEMÆTNING BASERET PÅ MÅLINGER I B82 OG B83) B82 B83 0 S n 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0 S n 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15-1 -1-2 -2-3 -3-4 -4-5 -5-6 -7 Observed (Pre-Injection) Model Input -6-7 Observed (Pre-Injection) Model Input 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 11
UTCHEM MODELLERING MODEL SETUP (VERTIKAL OLIEMÆTNING I SNIT GENNEM HELE TESTCELLEN) B82 B83 GW Flow Direction 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 12
UTCHEM MODELLERING PRÆSENTATION AF RESULTATER Simulering af 70 dage hvoraf surfaktanter injiceres dagligt fra dag 20 til 27 Der injiceres dagligt til forskellige filtre med 20-60 l pr. gang/pr. filter. Koncentrationer fra 1,2% i starten til 3 % ved afslutningen Oliemætning som funktion af tiden Akkumuleret oliemængde oppumpet Opsamling af surfaktanter Sammenligning med modelsimulering uden brug af surfaktanter 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 13
OLIEMÆTNING t = 0 dage 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 14
OLIEMÆTNING t = 23,5 dage (efter første 1,2 % Surf. Inj.) 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 15
OLIEMÆTNING t = 23,5 dage (efter første 1,2 % Surf. Inj.) 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 16
OLIEMÆTNING t = 29 dage (før 3,0 % Surf. Inj.) 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 17
OLIEMÆTNING t = 31,5 dage (efter 3,0 % Surf. Inj.) 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 18
OLIEMÆTNING t = 35,5 dage 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 19
OLIEMÆTNING t = 75 dage 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 20
GSI Job No. G-3707 Issued: 2 July 2012 Page 21 of 49 MICROEMULTION PRODUCTION RATE (M3/D) UTCHEM MODELLERING OLIE PRODUCERET SOM MIKROEMULSION LNAP01 QMEP QMEP 3.0 2.5 Microemultion occurred mostly after injection of 3% surfactant 2.0 1.5 Start of 3.0% Surf. Injection 1.0 0.5 Start of 1.2% Surf. Injection 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 TIME (DAYS) 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 21
GSI Job No. G-3707 Issued: 2 July 2012 Page 22 of 49 CUM. OIL REC. (M3) UTCHEM MODELLERING AKKUM. OLIE MED HHV. UDEN SURFAKTANT With Surfactant Injection Without Surfactant Injection LNAP01 COR COR SG oil 0.8 0.07 0.06 0.05 Hypothetical Case 0.04 Start of 1.2% Surf. Injection Start of 3.0% Surf. Injection ~130 L 0.03 0.02 0.01 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 TIME (DAYS) Note: The vertical axes are in different scales 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 22
Depth, m UTCHEM MODELLERING ÆNDRING I OLIEMÆTNINGSPROFIL I B82 B82 Before After S n S n 0 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15-1 -1-2 -3-4 -5-6 -2-3 -4-5 -6-7 Model Input -7 Model Output 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 23
Depth, m UTCHEM MODELLERING ÆNDRING I OLIEMÆTNINGSPROFIL I B83 B83 Before After S n S n 0 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15-1 -1-2 -3-4 -5-6 -2-3 -4-5 -6-7 Model Input -7 Model Output 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 24
RETAINED SURFACTANT (M3) UTCHEM MODELLERING OPSAMLING AF INJICERET SURFAKTANT LNAP01 RETS RETS 0.012 0.010 Start of 3.0% Surf. Injection 0.008 0.006 0.004 0.002 Start of 1.2% Surf. Injection Simulation indicates all of the injected surfactant (13.2 L) has been recovered 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 TIME (DAYS) 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 25
SAMMENSTILING AF MODELRESULTATER OG MÅLINGER FRA PILOTFORSØGET - ÆNDRINGER I VERTIKAL OLIEMÆTNING B82 B83 0 S n 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0 S n 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15-1 -1-2 -2-3 -3-4 -4-5 -5-6 -7 Observed (Post-Injection) -7 Model Output -6 Observed (Post-Injection) Model Output 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 26
SAMMENSTILING AF MODELRESULTATER OG MÅLINGER FRA PILOTFORSØGET AF DEN SAMLEDE OLIEMÆNGDE FJERNET Registrering af olie som fri fase, opløst i vand og afkastet til luften indtil dag 50 : 25 kg Estimation ud fra oliemætningsprofiler målt ved jordprøver før hhv. efter forsøget: 50-150 kg Start of 1.2% Surf. Injection Start of 3.0% Surf. Injection ~130 L Modelsimulering indikerer ca. 105 kg indtil dag 50 og ca. 400 kg indtil dag 70. (uden surfaktant ca. 1/10 oliemængde) 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 27
SAMMENFATNING AF UTCHEM RESULTATER En fuld dynamisk 3D UTCHEM multifasemodel blev opstillet på baggrund af målte og skønnede parametre, og modellen gav en unik indsigt, i hvordan surfaktanten ændrer olie/vand systemet i jorden Med modellen er det 70 dage lange feltforsøg simuleret, og den samlede oliemængde og ændringen af oliemætningen i jorden er beregnet både med og uden anvendelse af surfaktanter for sammenligning Modellen var i stand til på tilfredsstillende vis at simulere pilotforsøget og indikerede at der var hydraulisk kontrol, samt predikterede en ca. 10 x større olieoppumpning i forhold til uden brug af surfaktanter Simuleringen af pilotforsøget indikerer en samlet mængde olie fjernet ved pilotforsøget på ca. 400 kg heraf de 100 kg indenfor injektionsugen og den efterfølgende uge og primært som microemulsion Modellen bør forfines med yderligere data (geologi og kemi) 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 28
KONKLUSION OG VIDERE ARBEJDE De gennemførte laboratorieforsøg med forskellige surfaktanter samt før/efter karakterisering af bl.a. oliefordelingen i jorden gav de nødvendige input data til at modellere pilotforsøget med UTCHEM Den opstillede multifasemodel (UTCHEM) var i stand til på tilfredsstillende vis at simulere pilotforsøget og indikerede at der var hydraulisk kontrol, samt forudsagde en ca. 10 x forøgelse af olie oppumpningen ifht. en situation uden brug af surfaktanter Den samlede mængde olie fjernet ved pilotforsøget er 100-400 kg vurderet ved brug af UTCHEM modellen, 25-50 kg ved målinger på behandlingsanlægget og ca. 50-150 kg baseret på den registrerede ændring af oliemætningen i jordprøver Udførelsen af pilotforsøget gav vigtige praktiske erfaringer af stor værdi for både design og dokumentation af en evt. senere oprensning, og udgør sammen med den opstillede model et godt grundlag for design af en evt. fuldskala oprensning 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 29
Tak for jeres opmærksomhed! Også tak til FBE og min kollega Søren for at det hele lykkedes, selvom der til tider var højt skum i systemet! 12/03/2013 ATV Vintermøde, 5. 6. marts 2013 30