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• Fabio Chavez

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TERMODINAMICA DE HIDROCARBUROS

DIAGRAMAS TERNARIOS • Cada vértice representa el 100% de cada componente. Livianos

• Componente más liviano va a l vértice superior, el más pesado va al inferior izquierdo. • Graficar en términos de porcentaje molar. Pesados

• El lado opuesto al vértice de cada componente, representa el 0%

Intermedios

DIAGRAMAS TERNARIOS Ubicar en el diagrama ternario, el punto para el que una mezcla tiene la siguiente composición molar: • A : 30 % • B : 20 % • C : 50 %

DIAGRAMAS TERNARIOS

A A: 30 % B: 20 % C: 50 %

C

B

DIAGRAMA TERNARIO MEZCLA

Línea Punto Burbuja

DIAGRAMAS TERNARIOS Representación cuantitativa del equilibrio de fases

nv Número de moles de vapor fv   nt Número total de moles

nv1  nv 2  nv 3 fv  nt1  nt 2  nt 3

fv 

nti  nli  nvi zi  xi f l  yi f v zi  xi 1  f v   yi f v

zi  xi 13  yi  xi 23

DIAGRAMA TERNARIO MEZCLA

Línea Punto Burbuja

DIAGRAMAS TERNARIOS Evolución de una mezcla de metano (C1), propano (C3) y n-pentano (C5) a 160 °F para diferentes presiones C1

C1

2-Fases

2-Fases

C1

Gas

nC5

P= 14.7 psia C3

C1

2-Fases Líquido

Líquido

Líquido nC5

C1

P= 200 psia C3

nC5

P= 380 psia C3

C1

nC5

C1

P= 500 psia C3

C1

2-Fases 2-Fases

2-Fases

Líquido nC5

P= 1040 psia

Líquido Líquido

Líquido C3

nC5

P= 1500 psia

C3

nC5

P= 2000 psia

C3

nC5

P= 2350 psia

C3

QUIZ • Dibuje un Domo de saturación (Mezclas) P-T con todas sus partes. • A qué temperaturas ocurre la región de condensación retrógrada en un domo de saturación. • Dibuje un diagrama de P-v para una sustancia pura y una mezcla. Enuncie la diferencia • Determine la composición y la cantidad de gas/liquido formado cuando 6 lb mol de una mezcla de metano, propano y n-pentano se llevan al equilibrio a 160°F y 500 psia. La mezcla contiene 50% de metano, 15% de propano y 35 % de n-pentano.

SOLUCIÓN

Metano P = 500 psi

T = 160 °F Gas

0,8

0,2

0,4

0,6

0,4

0,6

0,2

0,8

Liquido

n-Pentano

0,8

0,6

0,4

0,2

Propano

SOLUCIÓN

1. Grafique la composición en

Metano

un diagrama ternario para la temperatura y presión dadas (punto 1).

P = 500 psi Gas 0,8

0,2

2

2. Lea la composición del gas

0,6

en equilibrio en el punto de burbuja (punto 2): 74 moles de metano 14 moles de propano 12 moles de n-pentano

T = 160 °F

0,4

1

0,4

0,6

0,2

0,8

Liquido

n-Pentano

0,8

0,6

0,4

0,2

Propano

SOLUCIÓN

Metano P = 500 psi

3. Lea la composición

Gas 0,8

del equilibrio liquido en el punto de burbuja (punto 3): 13 moles de metano 17 moles de propano 17 moles de n-pentano

T = 160 °F 0,2

2 0,6

0,4

1

0,4

0,6

0,2

0,8

3 n-Pentano

0,8

Liquido 0,6

0,4

0,2

Propano

SOLUCIÓN

4.Calcule la fracción de mezcla que es gas:

Metano P = 500 psi

T = 160 °F Gas

0,65 pulg Fraccionde gas  1,07 pulg

0,8

0,2

2 0,6

lbmolde gas Fraccionde gas  0,607 lbmoltotales

0,4

1

0,4

0,6

Cantidadde gas  (0,607)(6lbmol) 0,2

Cantidadde gas  3,6 lbmol

0,8

3 n-Pentano

0,8

Liquido 0,6

0,4

0,2

Propano

SOLUCIÓN

5. Calcule la fracción de mezcla que es liquido.

Metano P = 500 psi

T = 160 °F Gas 0,8

0,42 plg Fraccionde líquido 1,07 plg

2 0,6

Fraccionde líquido 0,393

lbmolde líquido lbmoltotales

Cantidadde líquido 0,3936 lbmol

0,2

0,4

1

0,4

0,6

0,2

0,8

3

Cantidadde líquido 2,4 lbmol n-Pentano

0,8

Liquido 0,6

0,4

0,2

Propano

COMPOSICIÓN DE LOS FLUIDOS DE YACIMIENTO

E

90%

12,5%

A: GASCONDENSADO B: ACEITE VOLÁTIL C: ACEITE NEGRO

40%

D: ACEITE DE BAJA MERMA

A

E: GAS SECO

B

70%

C D C7 +

70%

40%

12,5%

C2 – C6

INTRODUCCIÓN

Los procesos de recobro miscibles involucran la inyección de un gas o solvente que es miscible con el aceite que se encuentra en el yacimiento, bajo esas condiciones de presión y temperatura. Como resultado, la tensión interfacial entre los dos fluidos (aceite y solvente) es muy baja, y toma lugar un desplazamiento microscópico muy eficiente.

DEFINICIÓN Por medio de la aplicación de los procesos miscibles de desplazamiento, se forma una sola fase entre el fluido inyectado y el aceite en el yacimiento, de forma tal que la tensión interfacial es eliminada.

C3

C4 C7+ C6

GLP

Zona Miscible

Banco de aceite

CLASIFICACIÓN Pueden ser clasificados de manera conveniente como: •

Miscibles al primer contacto (FMC pos sus siglas en inglés)

• Miscible en múltiples contactos (MCM) con base en la manera en que la miscibilidad se

desarrolla.

Desplazamientos miscibles

FCM

GLP

MCM

Gas Vaporizante

Gas condensante (enriquecido)

Gas condensante/ vaporizante

CO2, N2, gases de chimenea.

INMISICBILIDAD Condiciones Atmosféricas 2000 psia 150°F Metano (Gas)

Aceite (Líquidos)

Metano (Gas)

Aceite (Líquidos)

Mezcla (Gas y aceite)

Fuente: Clark, N. J. et al.:”Miscible Drive-Its Theory and Application,” JPT (June 1958) 11-20

El metano y el aceite son parcialmente solubles entre sí. Sin embargo, a condiciones típicas de yacimiento, no se mezclan en todas las proporciones y existen en dos fases. Por el metano: un desplazamiento inmiscible.

MISCIBILIDAD El aceite existe como un líquido a condiciones de superficie mientras el GLP es un gas a estas mismas condiciones. Cuando estos dos compuestos se llevan a condiciones de yacimiento ambos se encuentran en estado líquido. Estos dos líquidos se mezclarán en todas las proporciones, por lo que se consideran miscibles. .

Condiciones Atmosféricas

Propano (Gas)

Aceite (Líquidos)

2000 psia 150°F

Propano (Líquidos)

Aceite (Líquidos)

Fuente: Clark, N. J. et al.:”Miscible Drive-Its Theory and Application,” JPT (June 1958) 11-20

Mezcla (Líquido)

MISCIBILIDAD Metano y propano: Ambos existen como gas a condiciones atmosféricas, pero a condiciones de yacimiento de 150°F y 2000 psia, el metano todavía se encuentra en estado gaseoso, mientras el propano se encuentra ya como líquido. Si se ponen en contacto los dos hidrocarburos, se mezclaran en todas las proporciones y parecerán un gas en una sola fase. Condiciones Atmosféricas

Metano (Gas)

Propano (Gas)

2000 psia 150°F

Metano (Gas)

Propano (Líquidos)

Mezcla (Gas)

Fuente: Clark, N. J. et al.:”Miscible Drive-Its Theory and Application,” JPT (June 1958) 11-20

MISCIBILIDAD

Fuente: Clark, N. J. et al.:”Miscible Drive-Its Theory and Application,” JPT (June 1958) 11-20

APLICACIÓN DE DIAGRAMAS TERNARIOS C1

E

90%

12,5%

A: GAS CONDENSADO B: ACEITE VOLÁTIL C: ACEITE NEGRO

40%

D: ACEITE DE BAJA MERMA

A

E: GAS SECO

B

70%

C D C7 +

70%

40%

12,5%

C2 – C6

APLICACIÓN DE DIAGRAMAS TERNARIOS COMPONEN TE

ACEITE NEGRO

ACEITE VOLÀTIL

GAS CONDENSADO

GAS RICO

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

MWC7+

225

181

112

157

2000

18200

105000

-

GOR

625

ºAPI DE TANQUE

34.3

50,1

60,8

54,7

-

LÌQUIDO COLOR

Pesado Negro

Medio Naranja

Liviano

Agua Blanco

-

APLICACIÓN DE DIAGRAMAS TERNARIOS

En este tipo de diagramas pueden ser determinados directamente los rangos de concentración en los cuales un sistema es miscible a una temperatura y presión específica. Es útil, para describir como se alcanza la miscibilidad en los procesos de desplazamiento.

¿QUÉ ES MISCIBLE Y QUE INMISCIBLE? Livianos

Pesados

Intermedios

EJEMPLO DILUCIÓN Componente

A

5

B

2

Columna4

c1

10

0,5

25

0,5

1

14,3

c2

25

1,25

75

1,5

2,75

39,3

c3

65

3,25

0

0

3,25

46,4

7

100,0

Livianos

Pesados

Intermedios

APLICACIÓN DE DIAGRAMAS TERNARIOS • Cambiar ya sea la presión o la temperatura de un sistema modifica la curva binodal, es decir, cambia las curvas de puntos de burbuja y puntos de rocío. • La presión es favorable para el desarrollo de la miscibilidad entre diferentes componentes.

APLICACIÓN DE DIAGRAMAS TERNARIOS Mínima presión de miscibilidad C1

C1

2-Fases

2-Fases

C1

Gas

nC5

P= 14.7 psia C3

C1

2-Fases Líquido

Líquido

Líquido nC5

C1

P= 200 psia C3

nC5

P= 380 psia C3

C1

nC5

C1

P= 500 psia C3

C1

2-Fases 2-Fases

2-Fases

Líquido nC5

P= 1040 psia

Líquido Líquido

Líquido C3

nC5

P= 1500 psia

C3

nC5

P= 2000 psia

C3

nC5

P= 2350 psia

C3

LIMITACIONES

La representación de un sistema de más de tres componentes en un diagrama ternario es una aproximación.

Pueden ser usados para describir lo que sucede en el yacimiento, aunque, la situación sea un poco diferente en esas condiciones

PRINCIPAL VENTAJA INYECCIÓN DE AGUA

Efecto de la presión capilar y la mojabilidad. INYECCIÓN DE MISCIBLES

Al formarse una sola fase, la tensión interfacial tiende a cero. Mejorando la eficiencia de desplazamiento.

INYECCIÓN DE HIDROCARBUROS MISCIBLES

METODOS DE INYECCIÓN BACHES DE GLP

CIRCULACIÓN DE GAS CONDENSANTE

CIRCULACIÓN DE GAS VAPORIZANTE

INYECCIÓN DE GLP

METODOS DE INYECCIÓN BACHES DE GLP

CIRCULACIÓN DE GAS CONDENSANTE

CIRCULACIÓN DE GAS VAPORIZANTE

5-15% del Volumen Poroso de GLP como (propano), seguido por gas natural o gas y agua. Con el fin de mejorar la relación de movilidad.

MISCIBLE AL PRIMER CONTACTO

Butano

Involucra la inyección de fluido de desplazamiento que es miscible con el crudo, es decir, que forma una sola fase al primer contacto cuando se mezcla en cualquier proporción con el aceite. Por economía este proceso se hace inyectando baches del fluido o solvente, seguidos de agua otro gas miscible con el bache como se observa en la figura.

Gas seco

Zona miscibles

Banco de aceite

MISCIBLE AL PRIMER CONTACTO (INYECCIÓN GLP) C1

PC

A

O C7+

C2 – C6

MISCIBLE AL PRIMER CONTACTO (INYECCIÓN GLP) Fluidos producidos(Aceite, agua y gas) Facilidades de separación y almacenamiento

Pozo de inyección

Bomba de inyección de agua o compresor de gas

Pozo productor

GLP

BACHES DE GLP

Gas seco o agua

Zona Miscible

Banco de aceite

INYECCIÓN DE GAS VAPORIZANTE

METODOS DE INYECCIÓN BACHES DE GLP

CIRCULACIÓN DE GAS CONDENSANTE

CIRCULACIÓN DE GAS VAPORIZANTE

Inyección de gas a alta presión para vaporizar los componentes del C2 al C6 del aceite. Limitaciones •El gas inyectado debe encontrarse a muy altas presiones. •El aceite del yacimiento debe ser volátil.

EJEMPLO • Se diseño un desplazamiento FCM en el que el Butano es empleado como bache primario y el Metano es empleado como bache secundario, Se asume que el crudo desplazado puede ser representado por el pseudo-componente C-10, para unas condiciones de yacimiento de 160F y 2500 psi. Determine si se pueden dar las condiciones de miscibilidad tanto en el frente como detrás del bache de butano. • Suponga el C10 no es desplazado inicialmente por C4 sino por C1, ¿cual seria la mínima presión de miscibilidad a primer contacto?

C1

C4

C10

• A 2500 y 150F tanto el C4 como el C10 son miscibles • La mezcla de butano y metano esta por encima de las condiciones criticas

• Si es posible la miscibilidad a primer contacto en el proceso.

• La presión mínima seria alrededor de 5200, para alcanzar la miscibilidad del sistema C1-C10 a 160F

MISCIBILIDAD A MÚLTIPLES CONTACTOS Se desarrollan condiciones miscibles a través de la alteración de la composición del fluido inyectado o el aceite a medida que los fluidos se desplazan dentro del yacimiento. Los procesos de contactos múltiples se clasifican como desplazamiento con gas vaporizante (gas seco), desplazamiento con gas condensante y gas condensante/vaporizante (gas enriquecido), y desplazamiento con CO2.

INYECCIÓN DE GAS VAPORIZANTE Fluidos producidos(Aceite, agua y gas) Facilidades de separación y almacenamiento

Pozo de inyección

Pozo productor

Bomba de inyección de agua o compresor de gas

C7+ C4 C7 C6

Gas natural pobre

Zona Miscible

Banco de aceite

INYECCIÓN DE GAS VAPORIZANTE A

GAS SECO

A – C: Composición en la parte frontal del frente de desplazamiento). Se separa en un gas (V1) y un Líquido (L1).

Presión constante Temperatura constante

V1

El vapor V1 se mueve adelante del líquido L1 y hace contacto con aceite fresco de la composición C. La mezcla resultante está a lo largo de la línea V1C.

a

V2 V3

b

V4

El proceso continúa mientras se dan cambios en la composición de la fase de vapor a lo largo de la línea de vapor saturado, V3, V4…etc.

Vn

c d

e

L1

L2

Miscibilidad adquirida

L3

C (aceite)

C7+ Fuente: Don W. Green, G. Paul Willhite. Enhanced Oil Recovery, SPE textbook series Vol. 6, 1998.

C2 – C6

INYECCIÓN DE GAS VAPORIZANTE A

NO SE DA MCM

V1 V2 V3

Presión constante Temperatura constante

Finaliza el proceso de enriquecimiento

a b

c

L1 L2 L 3

C7+

B (aceite)

C2 – C6

INYECCIÓN DE GAS CONDENSANTE

METODOS DE INYECCIÓN BACHES DE GLP

CIRCULACIÓN DE GAS CONDENSANTE

CIRCULACIÓN DE GAS VAPORIZANTE

10-20% de Volumen poroso de gas natural enriquecido (C2 a C6), seguido por un gas de apoyo (metano) y posiblemente agua. Los componentes enriquecidos se transfieren del gas al aceite modificando su composición.

INYECCIÓN DE GAS CONDENSANTE Fluidos producidos(Aceite, agua y gas) Facilidades de separación y almacenamiento

Pozo de inyección

Pozo productor

Compresor de gas

CH4 CH4 C2H6 C2H6

Gas natural enriquecido

Zona Miscible

Banco de aceite

INYECCIÓN DE GAS CONDENSANTE En este caso, la fracción liquida se mezcla con el gas enriquecido, hasta alcanzar las condiciones de miscibilidad

C1

V1 V2 V3

d

A m

e

c b Línea de unión limitante (tangente al punto critico)

a

C (aceite)

C7+

L1

L2

L3 n

L4

C2 – C6

INYECCIÓN DE HIDROCARBUROS MISCIBLES DESVENTAJAS • Tendencia a la formación de digitación viscosa por la diferencia de densidades. • Alto costo del solvente.

• No siempre el solvente puede ser recuperado en su totalidad.

INYECCIÓN DE FLUIDOS NO HIDROCARBUROS

FLUIDO INYECTADO CO2

N2

FLUE GAS

La presión de inyección debe ser mayor a la presión mínima de miscibilidad. La miscibilidad se presenta a los múltiples contactos. Al formarse una sola fase, la tensión interfacial se minimiza.

MISCIBILIDAD A MÚLTIPLES CONTACTOS Con un gas de alta presión, como puede ser CO2 o Nitrógeno, el desplazamiento del aceite se logra a través de múltiples contactos, inyectado estos gases a presiones por encima de la presión mínima de miscibilidad.

INYECCIÓN DE CO2

FLUIDO INYECTADO CO2

N2

FLUE GAS

Se inyecta CO2 (25% o más del VP de HC) en el yacimiento. El flujo de CO2 recupera el aceite mediante: La generación de miscibilidad. Disminuyendo la viscosidad del aceite. Disminuyendo la tensión interfacial entre el aceite y las fases CO2 o aceite en las regiones de cercanas a la miscibilidad. Vaporiza componentes del C2 al C30. Puede inyectarse disuelto en agua; pero, se presentan problemas de corrosión en las líneas.

INYECCIÓN DE CO2 Fluidos producidos(Aceite, agua y gas) Facilidades de separación y almacenamiento Dióxido De Carbono Bomba de Pozo de inyección inyección de agua

Circulación de agua

CO2

Aceite

Pozo productor

INYECCIÓN DE CO2 MENOR PRESIÓN DE MISCIBILIDAD.

MAYOR RANGO DE APLICACIÓN.

INYECCIÓN DE CO2 VENTAJAS • La miscibilidad puede ser adquirida a presiones relativamente bajas, en comparación con los otros fluidos inyectados. • La eficiencia de desplazamiento es alta en los casos miscibles.

• Ayuda en la recuperación del aceite mediante un empuje por gas en solución. • Útil en un amplio rango de crudos que la mayoría de los métodos de inyección de hidrocarburos. • La miscibilidad puede ser generada nuevamente si se pierde. • Se disminuye la emisión de gases contaminantes a la atmosfera.

INYECCIÓN DE CO2 DESVENTAJAS • El transporte de CO2 es costoso y no siempre está disponible en las cantidades necesarias. • Bajo ciertas condiciones se puede presentar baja eficiencia de barrido y segregación gravitacional. • Se aumenta el riesgo de corrosión. • Involucra costos de separación y represurización del CO2. • La tendencia a canalizar desde el pozo inyector al pozo productor, como consecuencia de la baja viscosidad del CO2, reduciendo de esta manera la eficiencia de barrido.

APLICACIONES DE CAMPO Weyburn, Cánada Inyección miscible de CO2

RKF, Algeria Inyección Miscible de Gas, MCM

South Ward, TX, USA Inyección de propano, FCM

Snorre, Noruega Inyección miscible de gas condensate/vaporizante

Magnus, UK Inyección miscible de Gas seco, MCM

South Brae, Reino Unido Inyección miscible de gas condensante

BIBLIOGRAFÍA • Don W. Green, G. Paul Willhite.: Enhanced Oil Recovery, SPE textbook series, Vol. 6, 1998. • Stalkup Jr., F.I.: Miscible Displacement, Monograph series, SPE, Richardson, TX (1983) 8. • Sage, B.H. and Lacey, W. N.: Some Properties of the

lighter Hydrocarbons, Hydrogen Sulfide and Carbon Dioxide, Monograph, API Research Project 37, API, Dallas

(1955) • Tiffin, D.L. and Yellig, W.F.: “Effects of Mobile Water on Multiple Contact Miscible Gas Displacement,” SPEJ (Marzo 1964) 447-55 • Palacio C, Inyección de miscibles, GRM-UIS, 2008.

BIBLIOGRAFÍA • McCain • Emile Burcik • Maria Barrufet