SISTEMAS DE LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL I Capítulo 1: Fluidos del yacimiento
Erik Giovany Montes Páez Ingeniero de Petróleos UIS Especialista en Producción de Hidrocarburos UIS Candidato a Magíster en Ingeniería de Hidrocarburos
[email protected] Fundación Educativa del Oriente Colombiano UNIORIENTE 2012
YACIMIENTOS Roca almacén
• Porosa • Permeable
Roca sello
Impermeable
Fluidos
• Agua • Petróleo • Gas
Yacimiento
GENERALIDADES DE LOS FLUIDOS DEFINICIONES DE FLUIDO: • Materia en estado líquido o gaseoso. • Es un cuerpo cuyas moléculas pueden moverse fácilmente unas respecto a otras de tal forma que adoptan espontáneamente la forma de la vasija que los contiene. • Sustancia o medio continuo que se deforma continuamente en el tiempo ante la aplicación de una solicitación o tensión tangencial sin importar la magnitud de ésta.
FLUIDOS DEL YACIMIENTO
Petróleo Hidrocarburos Gas
Fluidos del yacimiento No Hidrocarburos
Agua
CARACTERÍSTICAS DEL AGUA • El agua está formada por hidrógeno y oxígeno. • En una relación de 2 átomos de hidrógeno por cada átomo de oxígeno. • Es insípida e inodora. • En la cima del Everest, el agua hierve a unos 68°C, mientras que al nivel del mar este valor sube hasta 100°C. • El agua pura tiene una conductividad eléctrica relativamente baja, pero ese valor se incrementa significativamente con la disolución de una pequeña cantidad de material iónico, como el cloruro de sodio. • La diferencia de electronegatividad del oxígeno y el hidrógeno forma un dipolo
EL AGUA DE PRODUCCIÓN ¿De dónde proviene? • Acuífero bajo la capa de aceite y agua. • Agua connata que se encuentra en el yacimiento. • Agua condensada del vapor durante los cambios de presión en la producción. • Agua proveniente de formaciones diferentes al yacimiento. • Agua de recobro mejorado. • Combinación de las
EL AGUA DE PRODUCCIÓN El agua de producción normalmente es salada, con compuestos inorgánicos disueltos, escamas suspendidas, gases disueltos, hidrocarburos dispersos, bacterias y variedad de sustancias toxicas y radiactivas naturales. De acuerdo con el TDS (Total Dissolved Solids), se clasifica en: • Agua fresca: TDS < 1,000 mg/l • Agua salobre: 1000 < TDS < 20000 mg/l • Agua salina: 20000 < TDS < 35000 mg/l • Salmuera: TDS > 35000 mg/l
EL AGUA DE PRODUCCIÓN El contenido iónico del agua se presenta fácilmente por medio de un diagrama de Stiff.
HIDROCARBUROS Un hidrocarburo es un compuesto orgánico formado principalmente por átomos de hidrógeno y carbono.
Hidrocarburos
Alifáticos
Alcanos
Alquenos
Aromáticos
Alquinos
Cicloalifáticos
ALCANOS • Los alcanos son compuestos exclusivamente de hidrógeno y carbono. • Su fórmula general es CnH2n+2, donde n es el número de carbonos presentes en la molécula. • También reciben el nombre de hidrocarburos saturados o parafinas. • El nombre proviene de las raíces latinas parum (poco) y affinis (afín), debido a que tiene poca reactividad con otros compuestos. • Lo que conocemos comúnmente como parafina (depósitos) usualmente corresponde a moléculas pesadas (del C20 al C40). • El “Punto de Nube” es la temperatura a la cual se produce la precipitación de parafinas.
ALCANOS n
Nombre
Punto de fusión (°F)
Punto de ebullición (°F)
Gravedad específica (60°F)
1
Metano
-296,4
-258,7
---
2
Etano
-297,0
-127,5
---
3
Propano
-305,7
-43,7
---
4
Butano
-217,1
31,1
---
5
Pentano
-201,5
96,9
0,631
6
Hexano
-139,6
155,7
0,664
7
Heptano
-131,1
209,2
0,688
8
Octano
-70,2
258,2
0,707
9
Nonano
-64,3
303,5
0,722
10
Decano
-21,4
345,5
0,734
11
Undecano
-15,0
384,6
0,740
12
Duodecano
14,0
421,3
0,749
* A partir del C18 se tienen alcanos sólidos a condiciones
OTROS ALIFÁTICOS ALQUENOS (CnH2n): • Son conocidos como hidrocarburos insaturados u olefinas. • Las propiedades físicas se comportan de forma similar a los alcanos. ALQUINOS (CnH2n-2): • Contienen uno o varios enlaces triples carbono – carbono en su estructura molecular. • A medida que aumenta la masa molar aumentan la densidad y los puntos de fusión y ebullición. CICLOALIFÁTICOS: • Pueden ser cicloalcanos o cicloalquenos. • Es común usarlos como monómeros en la industria petroquímica.
HIDROCARBUROS AROMÁTICOS • Su estructura contiene enlaces resonantes. • Su ejemplo más común es el benceno. • Constituyen casi la mitad de los compuestos orgánicos existentes. • Campos de aplicación: vitaminas (excepto la vitamina C), hormonas, condimentos, perfumes, tintes, dinamita, gases lacrimógenos, solventes (benceno, xileno, tolueno).
COMPOSICIÓN En la tabla se presentan las composiciones (porcentaje molar) de una muestra de gas y una de crudo. Compuesto
Gas
Crudo liviano
Crudo pesado
Metano
81,02
67,00
48,83
Etano
10,54
16,04
2,75
Propano
5,31
8,95
1,93
Butano
1,63
4,21
1,60
Pentano
0,51
1,44
1,15
Hexano
0,27
0,44
2,59
Heptano+
0,03
0,49
32,15
Sulfuro de hidrógeno
0,31
0,72
6,45
Dióxido de carbono
0,27
0,40
1,86
Nitrógeno
0,20
0,31
0,69
TAREA No. 1 a) Explique al menos tres maneras de clasificar el crudo: • A partir de su gravedad API (pesado, liviano, etc.) • A partir de su contenido de contaminantes (dulce, ácido, etc.) • A partir de su composición (parafínico, nafténico, etc.)
b) Buscar un artículo en la revista Carta Petrolera, leerlo y realizar un comentario de una página en el que se resuma el artículo y se presente una opinión sobre el mismo.
COMPORTAMIENTO DE FASES Una FASE es una parte homogénea y distinta de un sistema, que se encuentra separada de las otras partes por un límite definido. No necesariamente es continua.
COMPORTAMIENTO DE FASES SISTEMA DE UN COMPONENTE:
Presión
P c Patm Pv 3 Pv 2 Pv 1
Punto T de T 2 1 fusión Temperatur
a
Punto de Tc T ebullición
3
COMPORTAMIENTO DE FASES CARTA DE COX:
COMPORTAMIENTO DE FASES EJERCICIOS Determine en qué estado (líquido o vapor) se encuentran las siguientes sustancias: a) Un cilindro de propano que se encuentra a 80°F y 200psia. b) Una muestra de hexano que fue calentada a presión atmosférica hasta alcanzar una temperatura de 180°F. c) Una celda de laboratorio que contiene metano a 390°R y 1500psia. d) Una muestra de butano que fue calentada hasta los 400°F a una presión de 2000psia. e) Un cilindro de etano a 40°F y 400psia.
COMPORTAMIENTO DE FASES
Presión
SISTEMA DE UN COMPONENTE:
T5>T c Tc T4
T3 T2 T1
Volumen específico
COMPORTAMIENTO DE FASES SISTEMA DE UN COMPONENTE:
Pc
Temperatur a
P3
P2 P1
Volumen específico
COMPORTAMIENTO DE FASES
COMPORTAMIENTO DE FASES
Presión
SISTEMA DE DOS COMPONENTES:
Tc T3
Pbur b Procí
T2
o
T1
Volumen específico
COMPORTAMIENTO DE FASES SISTEMA DE DOS COMPONENTES: Pcricondembáric a
Presión
Pc
Temperatura
Tcricondentérmic a
COMPORTAMIENTO DE FASES SISTEMAS MULTICOMPONENTES:
COMPORTAMIENTO DE FASES
Presión
• Gas Seco • Gas Húmedo • Gas Retrógrado • Aceite Volátil • Aceite Negro
Condiciones: Inicial de yacimiento Final de yacimiento
Temperatura
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Para llegar a caracterizar los fluidos del yacimiento se deben conocer algunas de sus propiedades como son: • • • • • • • • • •
Densidad Gravedad Específica Gravedad API Viscosidad Factor volumétrico Factor de merma Solubilidad del gas Relación Gas - Petróleo Relación Gas - Líquido Composición
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS GRAVEDAD API La gravedad API es una medida de la densidad de un fluido, comparándolo con la densidad del agua. Su cálculo se basa en la gravedad específica del fluido:
fluido referencia De esta manera, se define la gravedad API como:
API
141,5
o (@60F )
131,5
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS La densidad del agua, en diferentes unidades, es: • 1 g/cm3 • 1000 Kg/m3 • 62,4 lb/ft3 • 8,345 lb/gal • 350,49 lb/Bl Ejemplo: La densidad de un aceite en el tanque a 60°F es de 51,25lb/ft3. Calcule su gravedad API. Respuesta: El crudo tiene una gravedad API de 40,7°.
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
DENSIDAD DE UNA MEZCLA DE LÍQUIDOS Para determinar la densidad de una mezcla de líquidos (por ejemplo, crudo y agua) se debe realizar un cálculo sencillo:
mezcla w * BSW o * 1 BSW O también:
mezcla w * BSW o * 1 BSW
Ejemplo: Un pozo se encuentra produciendo 1300BOPD y 600BWPD. El crudo tiene una gravedad API de 20°. Determine la densidad (lb/Bl) de la mezcla. Respuesta: La mezcla tiene una densidad de 335,6lb/Bl.
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS SOLUBILIDAD DEL GAS La cantidad de gas disuelto en un aceite a condiciones de yacimiento es llamado “Relación de gas disuelto” o “Relación gas-aceite en solución”. Se define como la cantidad de gas que sale del aceite a medida que éste se lleva de las condiciones de yacimiento a las de superficie.
Volumen _ de _ gas @ CS SCF Rs Volumen _ de _ aceite @ CS STB Un crudo está saturado cuando una leve disminución de presión libera una cierta cantidad de gas.
Rs
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS SOLUBILIDAD DEL GAS
Pburbuja Presión de yacimiento
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS SOLUBILIDAD DEL GAS Ejemplo: Una muestra de líquido de 400ml a condiciones de yacimiento fue llevada a condiciones estándar. En ese proceso se liberaron 1,21 pies cúbicos de gas, quedando un volumen de aceite de 274ml. ¿Cuál es la relación gas-aceite en solución?
1,21SCF Rs 702 SCF STB 1gal 1Bl 274ml 3785ml 42 gal
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS GOR & GLR Es importante diferenciar la relación gas-aceite de la relación gas-líquido.
Volumen _ de _ gas @ CS SCF GOR Volumen _ de _ aceite @ CS STB
Volumen _ de _ gas @ CS SCF GLR Volumen _ de _ líquido@ CS STB
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS FACTOR VOLUMÉTRICO DE FORMACIÓN
A medida que el crudo fluye desde el yacimiento hacia la superficie libera componentes livianos, perdiendo volumen. Este cambio en volumen es expresado en términos de Factor Volumétrico de Formación, definido como el volumen de fluido de yacimiento necesario para obtener un barril de crudo a condiciones estándar.
Volumen _ de _ yacimiento Bl @ yac O Volumen _ a _ CS STB
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS FACTOR VOLUMÉTRICO DE FORMACIÓN
Ejemplo: Una muestra de líquido de 400ml a condiciones de yacimiento fue llevada a condiciones estándar. En ese proceso se liberaron 1,21 pies cúbicos de gas, quedando un volumen de aceite de 274ml. ¿Cuál es el factor volumétrico del crudo?
400ml @ yacimiento O 1,46 Bl / STB 274ml @ CS
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS EJERCICIO De acuerdo con la información suministrada determine: o, w, Rs, GOR y GLR. 3200PCS de gas 780 Bls de aceite
620 Bls de agua 1650Bls de Fluido 40%BSW 0% Gas
Respuestas: o = 1,27bls/STB w = 1,06bls/STB Rs = 4,10SCF/STB GOR = 4,10SCF/STB
CINCO TIPOS DE FLUIDOS La clasificación de los fluidos de yacimiento se da en función de ciertos parámetros: • Presión y temperatura iniciales del yacimiento. • Condiciones de presión y temperatura en superficie. • Ubicación de la temperatura del yacimiento con respecto al punto crítico y a la temperatura cricondentérmica. • Composición de la mezcla de hidrocarburos.
CINCO TIPOS DE FLUIDOS Uno de los factores que permite diferenciar el tipo de fluido es la composición de hidrocarburos. Componente
Aceite negro
Aceite volátil
Gas condensado
Gas húmedo
Gas seco
C1
48,83
64,36
87,07
95,85
86,67
C2
2,75
7,52
4,39
2,67
7,77
C3
1,93
4,74
2,29
0,34
2,95
C4
1,60
4,12
1,74
0,52
1,73
C5
1,15
3,97
0,83
0,08
0,88
C6
1,59
3,38
0,60
0,12
---
C7+
42,15
11,91
3,80
0,42
---
En la tabla se presenta la composición (en porcentaje másico) de los cinco tipos de fluidos hidrocarburos del yacimiento.
ACEITE NEGRO
ACEITE NEGRO Los yacimientos de aceite negro se caracterizan por tener relaciones gas-petróleo menores que 2000 SCF/STB, gravedades API de liquido menores que 40 y factores volumétricos de formación menores que 2Bl/STB. La temperatura de yacimiento esta a la izquierda y alejada del punto critico de la mezcla. Las líneas de calidad presentan espaciamientos muy similares. Los petróleos negros se caracterizan por tener un alto contenido de compuestos pesados en contraste con la cantidad de componentes livianos presentes en la mezcla. Esto se refleja en los bajos factores de merma que resultan de su producción. Con el tiempo: aumenta el GOR, disminuye la gravedad API, aumenta el factor volumétrico (hasta alcanzar la presión de burbuja en el yacimiento).
ACEITE VOLÁTIL
ACEITE VOLÁTIL Comparado con el aceite negro, el rango de temperatura del diagrama de fase de aceite volátil es más pequeño, las líneas isovolumétricas se unen en la parte superior, y el punto crítico se encuentra más a la izquierda. Se denominan petróleos volátiles a aquellos fluidos cuya temperatura de yacimiento esta a la izquierda y muy cercana al punto crítico de la mezcla. Se diferencian de los anteriores por tener menos componentes pesados y mayor cantidad de componente intermedios (C2 a C6).
Se caracterizan por tener GOR entre 2000 y 3000 SCF/STB, gravedades API de liquido mayores que 45, y factores volumétricos de formación mayores que 2Bl/STB. Son llamados también “aceites de alta merma”. Con el tiempo: aumenta el GOR, aumenta la gravedad API.
GAS CONDENSADO
GAS CONDENSADO Los yacimientos de gas condensados se caracterizan por tener relaciones gas-petróleo entre 3000 y 150000 SCF/STB y gravedades API del liquido mayores que 50. Los yacimientos de gas condensado presentan temperaturas de yacimiento entre la temperatura del punto crítico y la temperatura cricondentérmica. Cuando en el yacimiento se produce una reducción isotérmica de presión y se entra en la región de dos fases ocurre la llamada condensación retrógrada de las fracciones pesada se intermedias, que se depositan como liquido en los poros de la formación. Este líquido lograra fluir hasta el pozo cuando se alcance la saturación crítica del líquido lo cual raramente sucede. Con el tiempo: la gravedad API aumenta.
GAS HÚMEDO
GAS HÚMEDO Los gases están compuestos componentes livianos.
en
su
mayoría
por
La temperatura para este tipo de yacimientos es mayor que la cricondentérmica de la mezcla, por lo tanto nunca se tendrán dos fases en el yacimiento, sino únicamente fase gaseosa. A condiciones de superficie el fluido entra en la región de dos fases produciendo se con relaciones gas petróleo mayores que 150000 SCF/STB.
Los líquidos obtenidos en el tanque tienen una gravedad API muy alta, mayor que 70. Estos líquidos se denominan “condensados”. Con el tiempo: la gravedad API no varía.
Es usual que en un yacimiento con capa de gas, el gas sea húmedo y el crudo sea volátil.
GAS SECO
GAS SECO Estos yacimientos contienen principalmente metano, con pequeñas cantidades de etano, propano y mas pesados. Ni a condiciones de yacimiento, ni a condiciones de superficie se entra en la región de dos fases, por lo cual solo se produce gas de estos yacimientos. El gas seco es virtualmente metano puro. La envolvente de dos fases, permanece por debajo de las condiciones de superficie y de yacimiento.
Normalmente se obtiene agua condensada en superficie, por lo que no debe relacionarse el término “seco” con la no producción de agua, sino con el hecho de que no se condensan hidrocarburos.
COMPORTAMIENTO DE FASES
Presión
• Gas Seco • Gas Húmedo • Gas Retrógrado • Aceite Volátil • Aceite Negro
Condiciones: Inicial de yacimiento Final de yacimiento
Temperatura
CINCO TIPOS DE FLUIDOS Característica
Aceite negro
Aceite volátil
Gas condensado
Gas húmedo
Gas seco
Relación gas líquido (SCF/STB)
15000
>100000
Gravedad API del líquido en el tanque
50
>70
No hay líquidos en superficie
No hay líquidos en yacimiento
No hay líquidos en yacimiento
Transparen te
No hay líquidos
Factor volumétrico del crudo (Bl/STB)
2
No hay líquidos en yacimiento
Color del líquido en el tanque
Oscuro
Verde Naranja
Gasolina
MECANISMO DE PRODUCCIÓN DEL YACIMIENTO Es la fuente de energía de los fluidos del yacimiento. Entre los más importantes se destacan:
• Empuje por capa de gas • Empuje hidráulico • Empuje por gas en solución
• Drenaje gravitacional • Empuje por compactación
MECANISMO DE PRODUCCIÓN DEL YACIMIENTO EMPUJE POR CAPA DE GAS
MECANISMO DE PRODUCCIÓN DEL YACIMIENTO EMPUJE HIDRÁULICO
MECANISMO DE PRODUCCIÓN DEL YACIMIENTO EMPUJE POR GAS EN SOLUCIÓN
MECANISMO DE PRODUCCIÓN DEL YACIMIENTO DRENAJE GRAVITACIONAL
MECANISMO DE PRODUCCIÓN DEL YACIMIENTO EMPUJE POR COMPACTACIÓN DE LA ROCA
