Skip to the main content

Nafta i Plin, Vol. 46 No. 186. - 187., 2026.

Professional paper

CO2 Injection Well Operating Envelope Concept

Goran Lešković ; INA-Industrija nafte d.d., Zagreb

Full text: croatian pdf 3.616 Kb

page 52-70

downloads: 0

cite

Download JATS file

Abstract

Well Operating Envelope is a new term used to describe the operating area of a CO2 injection well. It is particularly interesting in the context of CCS and CO2-EOR technologies. It manifests itself as a graphical representation of the dependence of the movement of the CO2 injection quantities in relation to the pressure and temperature at the wellhead (PWH and TWH). It is made for a specific value of reservoir pressure (PR).
Well Operating Envelope is used to identify the area of the stable CO2 injection in the dominantly dense and dominantly gaseous state as a function of the change in pressure and temperature at the wellhead, the specific reservoir pressure and the amount of CO2 that is injected into the reservoir. Using the Well Operating Envelope, the area of possible flow instabilities caused by phase changes of the fluid in the well is clearly demarcated. This area is characterized by the possibility of an unstable flow condition, which manifests itself in the form of significant pressure pulsations and temperature fluctuations, which needs to be avoided in an operational sense.
The aim of this paper is to show the utility value of the Well Operating Envelope as a valuable tool in the process of understanding the operational characteristics of the well within the entire CO2 injection system. The methodology for the construction of the operating envelope is presented based on the system analysis of the well with reference to the importance of understanding the thermodynamic behaviour of CO2 and choosing an adequate pVT mathematical model.
The methodology of construction, analysing, and using the operational envelope is given on the example of the typical offshore North Adriatic well SJ X-5 Dir.

Keywords

well operating envelope; CO2 phase behaviour; CO2 injection well system analysis; carbon capture and storage (CCS)

Hrčak ID:

349543

URI

https://hrcak.srce.hr/349543

Publication date:

10.7.2026.

Article data in other languages: croatian

Visits: 0 *

Publication date: 15 July 2026

Volume: 46

Issue: 186. - 187.

Pages: 52-70

DOI:

Article Information (continued)

Categories:

Subject: Stručni rad

Categories:

Subject: Professional Paper

Keywords:

Keyword: operativna ovojnica bušotine

Keyword: fazno ponašanje CO2

Keyword: sistemska analiza utisne bušotine za CO2

Keyword: hvatanje i trajno skladištenje CO2 u geološke formacije

Keywords:

Keyword: well operating envelope

Keyword: CO2 phase behaviour

Keyword: CO2 injection well system analysis

Keyword: carbon capture and storage (CCS)

Koncept operativne ovojnice injekcione bušotine za CO2

Translated Title (en): CO2 Injection Well Operating Envelope Concept

[ORCID] Goran Lešković[1]

Email: goran.leskovic@ina.hr

 

INA – Industrija nafte, d.d., Zagreb INA – Industrija nafte, d.d., Zagreb Av. Većeslava Holjevca 10, 10000, Zagreb

[ORCID] Goran Lešković[*][1]

 

INA – Industrija nafte, d.d., Zagreb INA – Industrija nafte, d.d., Zagreb Av. Većeslava Holjevca 10, 10000, Zagreb

Author notes:

Correspondence to: [*] Goran Lešković,INA – Industrija nafte, d.d., Zagreb,Av. Većeslava Holjevca 10, 10000, Zagreb goran.leskovic@ina.hr

Abstract

Operativna ovojnica bušotine (eng. Well Operating Envelope) novi je pojam kojim se opisuje operativno područje rada injekcione bušotine za CO2. Posebno je zanimljiva u kontekstu tehnologija CCS i CO2-EOR. Očituje se kao grafički prikaz zavisnosti kretanja injekcionih količina CO2 u odnosu na tlak i temperaturu ušća bušotine (PWH i TWH). Izrađuje se za određenu vrijednost ležišnog tlaka (PR). Operativna ovojnica bušotine se koristi za identifikaciju područja stabilnog procesa utiskivanja CO2 u dominantno gusto i dominantno plinovitom stanju u funkciji promjene tlaka i temperature na ušću bušotine, važećeg ležišnog tlaka i količina CO2 koje se utiskuju u ležište. Pomoću operativne ovojnice bušotine jasno se omeđuje područje mogućih nestabilnosti protoka uvjetovanih faznim promjenama fluida u bušotini. Ovo područje karakterizira mogućnost pojave neustaljenog stanja protjecanja koje se manifestira u vidu značajnih pulzacija tlaka i fluktuacija temperatura zbog čega se u operativnom smislu izbjegava. Cilj ovoga rada je prikazati uporabnu vrijednost operativne ovojnice bušotine kao vrijednog alata u procesu razumijevanja operativnih karakteristika bušotine unutar sustava za injektiranje CO2. Prikazana je i metodologija konstrukcije operativne ovojnice temeljena na sistemskoj analizi bušotine (Nodal analizi) s osvrtom na važnost razumijevanja termodinamičkog ponašanja CO2 i odabira primjerenog pVT matematičkog modela. Metodologija izrade, analize i načina uporabe operativne ovojnice dana je na primjeru tipske bušotine SJ X-5 Dir odobalnog lokaliteta Sjeverni Jadran.

Translated Abstract

Well Operating Envelope is a new term used to describe the operating area of a CO2 injection well. It is particularly interesting in the context of CCS and CO2-EOR technologies. It manifests itself as a graphical representation of the dependence of the movement of the CO2 injection quantities in relation to the pressure and temperature at the wellhead (PWH and TWH). It is made for a specific value of reservoir pressure (PR). Well Operating Envelope is used to identify the area of the stable CO2 injection in the dominantly dense and dominantly gaseous state as a function of the change in pressure and temperature at the wellhead, the specific reservoir pressure and the amount of CO2 that is injected into the reservoir. Using the Well Operating Envelope, the area of possible flow instabilities caused by phase changes of the fluid in the well is clearly demarcated. This area is characterized by the possibility of an unstable flow condition, which manifests itself in the form of significant pressure pulsations and temperature fluctuations, which needs to be avoided in an operational sense. The aim of this paper is to show the utility value of the Well Operating Envelope as a valuable tool in the process of understanding the operational characteristics of the well within the entire CO2 injection system. The methodology for the construction of the operating envelope is presented based on the system analysis of the well with reference to the importance of understanding the thermodynamic behaviour of CO2 and choosing an adequate pVT mathematical model. The methodology of construction, analysing, and using the operational envelope is given on the example of the typical offshore North Adriatic well SJ X-5 Dir.

Introduction

Karakteristika pVT ponašanja CO2 je da u dvofaznom pojasu promjene stanja (od 100% plinovite do 100% kapljevite faze i obrnuto) dolazi do dramatične promjene vrijednosti gustoće (Tablica 1), kao i transportnih svojstava fluida koje isto tako dramatično utječu na utisne mogućnosti bušotine u cjelini. Karakteristika dvofaznog područja protjecanja u bušotini je da se mogu (ali i ne moraju) javiti nestabilnosti u protoku u vidu pulzacija tlaka (hidrauličkih udara) i naglih promjena temperatura, što se zbog niza tehničkih razloga želi izbjeći. Acevedo i Tucker (2022) pokazali su da je upravljanje faznim ponašanjem CO2 u kontekstu tehnologije CCS u iscrpljenim plinskim ležištima glavni tehnički izazov, i svodi se u suštini na izbjegavanje uvjeta pod kojim dolazi do nekontroliranog utisa CO2. Ustvrdili su da su nestabilnosti protjecanja vezane uz uvjete pojave višefaznog protjecanja i posljedično naglih i značajnih promjena temperature zbog Joule-Thomsonova efekta. Ovakva neustaljena stanja protjecanja obično se analiziraju u sklopu zasebne studije o stabilnosti protoka (eng. Flow Assurance Study) i kao takva nisu predmet razmatranja u ovom radu. Veličina ekspanzije CO2 i sniženja temperature, kao posljedice fazne promjene stanja, uglavnom zavisi o veličini dinamičkog tlaka u bušotini, odnosno o ležišnom tlaku. Što je tlak niži, to je razina pothlađenja veća. Utjecaj ovakvog ponašanja naročito je izražen kod iscrpljenih ležišta ugljikovodika. Tada je otpor ležišta u odnosu na infrastrukturu najmanji moguć, ali i represija na ležište najviša moguća, posebice u slučaju utisa dominantno gustog fluida. Tehnički razlozi zbog kojih se žele izbjeći nestabilnosti prilikom injektiranja poglavito su vezani su uz pojave niskih temperatura što za posljedicu može imati smrzavanje paker fluida, p-T uvjete protjecanja ispod dozvoljenog temperaturnog / operativnog raspona bušotinske opreme, pucanja cementne veze iza kolone zaštitnih cijevi i/ili stvaranja fraktura u stijenama pribušotinske zone. Tu su i problemi koje mogu uzrokovati hidrati u koliko se stvore uvjeti za to. Autori su u tom smislu predložili dvije grupe rješenja za upravljanje faznim ponašanjem CO2 u bušotinama. Prva grupa odnosi se na intervencije u bušotinama u koje spadaju: • povećanje veličine trenja u uzlaznom nizu cijevi (ugradnjom tubinga malog promjera i/ili relativno velikim protokom fluida u odnosu na promjer cijevi); • ugradnja dubinske sapnice; • namjerno reduciranije injektivnosti ležišta (primjerice djelomično raskrivanje ležišta). Druga grupa odnosi na integralna rješenja koja uključuju intervencije na injekcionoj infrastrukturi u koje spadaju: • termička izolacija sustava priključnih cjevovoda bušotina u svrhu što manjeg gubitka temperature fluida u utisnoj infrastrukturi; • grijanje fluida u svrhu podizanja temperature na ušću bušotina. Zbog svega navedenog jedan od glavnih zadataka prilikom projektiranja/analiziranja CCS sustava je identificirati granična područja tlakova i temperatura ušća bušotine i utisnih količina kod kojih započinju i završavaju mogući neustaljeni uvjeti protjecanja. Konkretno to znači odrediti koje su to maksimalne količine utisa u dominanto plinovitoj fazi, odnosno koje su to minimalne količine utisa u dominantno gustoj fazi (kapljevitom i/ili u superkritičnom stanju) i pri kojim se tlakovima i temperaturama na ušću bušotine ta transformacija faza događa. Sve u zavisnosti o trenutnom tlaku ležišta. Upravo je operativna ovojnica bušotine alat pomoću kojeg postaje moguće na jednom mjestu identificirati operativne mogućnosti bušotine uvažavajući spomenuta ograničenja.

Metode

Metode korištene u izradi rada.

Rezultati

Tekst rezultata

Rasprava

Tekst

Appendix/Dodatak -->

References

1. 

Acevedo L.; ; Owain T. , authors. 2022.Managing CO2 Phase Behaviour in Depleted Reservoirs. Paper presented at the ADIPEC, Abu Dhabi, UAE. https://doi.org/10.2118/210796-MS():

2. 

Eds. P.J. P.J.; ; Mallard W.G. , authors. 2024.NIST Chemistry WebBook. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD. http://webbook.nist.gov/chemistry/():

3. 

Huber M.L.; ; Lemmon E.W.; ; Bell I.H.; ; Bell M.O. , authors. 2022.Thermophysical Properties of Fluid Systems. NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database. (69):

4. 

Huber M.L.; ; Sykioti E.A.; ; Assael M.J.; ; Perkins R.A. , authors. 2016.Reference Correlation of the Thermal Conductivity of Carbon Dioxide from the Triple Point to 1100 K and up to 200 MPa. J. Phys. Chem. Ref. Data. https://pubs.aip.org/aip/jpr/article-abstract/45/1/013102/242053/Reference-Correlation-of-the-Thermal-Conductivity?redirectedFrom=fulltext():

5. 

Laesecke A.; ; Muzny C.D. , authors. 2017.Reference Correlation for the Viscosity of Carbon Dioxide. J. Phys. Chem. Ref. Data. ():

6. 

L. Huber M.; ; Lemmon E.W.; Bell I.H.; ; McLinden M.O. , authors. 2022.Reference Correlation for the Viscosity of Carbon Dioxide. Industrial and Engineering Chemistry Research. 61(42):

7. 

Mulero A.; ; Cachadiña I.; Parra M.I.; ; McLinden M.O. , authors. 2012.Recommended Correlations for the Surface Tension of Common Fluids. J. Phys. Chem. Ref. Data. 41():

8. 

Span R.; ; Wagner W. , authors. 1996.A New Equation of State for Carbon Dioxide Covering the Fluid Region from the Triple‐Point Temperature to 1100 K at Pressures up to 800 MPa . J. Phys. Chem. Ref. Data. 25(6):

This display is generated from NISO JATS XML with jats-html.xsl. The XSLT engine is libxslt.