Combustion in-situ Presentacion Joaquin

8/13/2019 Combustion in-situ Presentacion Joaquin

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Introdución

• Todos los métodos térmicos tienen comoobjetivo reducir la viscosidad del aceite através del calentamiento de este.

• Se pueden dividir en aquellos que inyectan unfluido caliente y aquellos que generan el caloren el yacimiento.



Otra clasificación

• Empuje térmico: Fuidos son inyectados de formacontinua en un número de pozos desplazando elaceite que es producido en otros.

• Estimulación térmica: Solamente la zona cerca de lospozos de producción es calentada. Las fuerzaspresentes en el yacimiento: gravitacional, gasdisuelto y empuje por agua, se vuelven más efectivas

al disminuir la viscosidad.



Inyección de vapor

• Estimulación cíclica (huff ‘n puff)

• Barrido por vapor (steamflood).

•

SAGD o “Steam Assisted Gravity Drainage. • VAPEX



Estimulación cíclica o Huff’n Puff

• Tiene tres etapas:

• Inyección,

• Mojado y

•

Producción.• En la inyección, el vapor

disminuye la viscosidad ,separa el aceite de la roca y

crea nuevos gargantas haciael pozo.

• Pozos verticales.



Barrido por vapor

• Disminuye la viscosidadal calentar el aceite.

• Empuja el aceite.



SAGD

• Aceite pesado.

• Es un proceso continuoy por lo tanto más

eficiente.• Recuperaciones de

hasta 80% (CampoTapia )



VAPEX

• Vapor ExtractionProcess.

• Es similar a SAGD pero

se inyectan solventes enel pozo superior.

• Se ha combinado coninyección de vapor.



Combustión in situ clásica.



Zonas de durante el proceso.

• La zona de combustión tiene un grosor de algunos centímetros y alcanzauna temperatura entre 650°-1200°F (345°-650°C).

Se distinguen las siguientes regiones:• Zona quemada.• Frente de combustión.• Zona de Cracking y deposición de coque.• Zona de vaporación y destilación.• Frente de vapor y de condensación.• Frente de agua.

• Zona de aceite desplazado.• Región sin perturbar.



Comentarios del proceso

• La zona de combustión es donde lasreacciones de oxidación se llevan a cabo.

• Esta consume el coque y produce CO, CO2 yvapor de agua.

• El coque es predominantemente materialorgánico deficiente en hidrógeno.

• H/C = 0.6 y 1.6.



Zona de Cracking y vaporización

• Los componentes pesados del crudo serompen a partir de 300 C. Los ligeros sevaporizan,

• Las partes ligeras son arrastradas por el flujode gas y son llevadas hasta la zona decondensación y se mezclan con el crudooriginal.

• Se produce CO2, gases hidrocarburo, y residuosólido orgánico.



Zona de condensación.

• El gradiente de presión en esta zona espequeño.

• A esta zona se le conoce como banco de vaporo “steam plateu”.

• Esta zona se extiende 10 a 30 pies del frentede combustión.



Bancos de agua y aceite.

• Al extremo de la zona de condensación, lasaturación del agua se incrementa y se formalo que se conoce como banco de agua.

• Este banco empuja un banco de aceite que esdesplazado.



Aplicación.

• De preferencia yacimientos homogéneos, depoco espesor.

• No hay restricción en la profundidad ni en lapresión.

• Se pueden reinyectar los gases producidospara mantener la presión.



¿Por qué combustión in situ?

• En yacimientos profundos la inyección devapor llega como agua caliente.

• El aire esta disponible en todas partes.

• La eficiencia de desplazamiento microscópicaes casi del 90%.

• Se puede aplicar en crudo pesado y ligero.

• Es más económico que inyección de CO2 y N2.



Combustión húmeda

• Se puede agregar agua con el aire inyectadocon el fin de difundir mejor el calor generado.

• Reduce la cantidad de combustible quemado ypor lo tanto el consumo de aire.

• Al suplir de hidrógeno a las radicaleshidrocarburos, permite su mobilización.



Combustión superhúmeda

• Patentada por AMOCO como COFCAW.

• Decrece las necesidades de aire y de compresión aúnmas.

• No incrementa la recuperación pero aumenta lavelocidad del frente de combustión y disminuye latemperatura de este.

•

Aplicable a crudos pesados. Corre el peligro deapagar el frente.



• La primera combustión insitu ocurrió probablementea principios del siglo XXcuando aire caliente se

inyectó a una formación enel sureste de Ohio paracombatir problemas dedepositación de parafinas.



Primeras experiencias

• El Dorado, Kansas (1925).

• Distrito Bradford, Penssilvania,(1925)

•

Primero planeado para combustión Mariettaen el sureste de Ohio (Estimulación térmica).

• Primera patente. E. R. Walcott, 1923.

•

Rusia, 1935.



Primeras investigaciones.

• Magnolia Petroleum Co., now Mobil. Kuhn &Koch, 1953.

• Sinclair Oil and Gas co, now ARCO. Grand &Szasz, 1954.

• Culminaron en exitosas pruebas piloto.

• Desde entonces ha habido hasta 1999 más de200 proyectos exitosos.



Proyectos de inyección de aire.



Realidad de los proyectos

• La mayoría de los proyectos son pruebas piloto.

• Solo el 20% de estos han madurado a proyectoscomerciales.

• Los proyectos llevados a cabo por grandesoperadores han sido más exitosos que losllevados a cabo por pequeños operadores.

• Los proyectos son caros debido a la tecnologíanecesaria para disminuir el riesgo de accidentes.



Inconvenientes

• Los fracasos han sido a causa de falta decontinuidad del yacimiento, canalización delaire, malas características de combustión del

crudo, inadecuada capacidad de compresión,y fallas en los pozos.

• Sin embargo, la tecnología ha avanzado,

abriendo la posibilidad a proyectos exitosos



Combustión inversa



Proceso THAI



Proceso Capri



Frentes de combustión.



Concentración de gases producidos



Producción acumulada



Ecuaciones de balance para medio

poroso para aceite, agua y gas.

Para el ajuste de los datos experimentales de tubo decombustión es necesario resolver simultáneamente:



Métodos de solución

• Diferencias finitas.

• Volumen finito

• Totalmente implícito y acoplado.

• Mallas regulares hasta el momento.

• Simuladores comerciales: STARS de CMG,

Eclipse 500 de Schlumberger, Pumaflowthermal de Beicip-Franlab, etc.



Componentes

Acuosa Aceitosa Gas

Aceite pesado x

Aceite ligero x

Agua x x

CO x

CO2 x

N2 x

O2 x



Reacciones químicas asociadas acombustión in situ.

• LTO, entre 200 y 300 C.• Pirólisis, reacciones de temperatura intermedia que se llevan

acabo sin oxígeno, alrededor de 300 C.

• HTO, mayor a 330 C.

• Las reacciones dependen de la concentración del O2 en elcrudo que a su vez depende de la difusión de éste en lasuperficie del crudo.

• La ocurrencia e importancia de estas reacciones depende dela composición del crudo y la roca del yacimiento.



Intervalos de oxidación.



HTO.

• Reaccionesheterogéneas (gas-solido, gas-liquido).

Producen CO2, CO yagua.



Cálculo de la concentración de combustible quemado.

• Durante la combustión in situ el calorgenerado por el frente de combustión provocafraccionamiento de las cadenas de

hidrocarburos, que conducen a la formaciónde coque (un compuesto rico en carbono y debaja volatilidad). Este coque forma el

combustible que será quemado por el frentede combustión.



Razón H/C



LTO.

Reacciones heterogéneas gas-líquido que producencompuestos parcialmente oxígenados y muy pocoóxidos de carbono:

•

Ácidos Carboxílicos.• Aldehídos

• Cetonas

•

Alcoholes• Hidroperoxidos.



Reacciones

15 5

1Aceite pesado 2 Aceite ligero + 5.7 Coque

k=5 10 exp(( 2.5 10 / ) / )

12500

btu lbmol RT

H

2 2 2

13 4

7

1Aceite pesado + 80.7579 O 44.3487 H O + 53.6951 CO 3.49CO

k=10 exp(( 5 10 btu/lbmol) / )

1 10 btu/lbmol

RT

H

2 2 2

21

4

1Coque + 1.55534 O 0.854123 H O + 1.03413 CO 0.0672184CO

k=10 exp(( 14972.5btu/lbmol) / )

4.4 10 btu/lbmol

RT

H



Paramétros de Arhenius

exp E

k A

RT



C d ti id d té i d i



Conductividades térmicas de areniscas(Somerton ,1973)

Muestra Densida

d(g/cm^

3)

Porosida

d

Permea

bilidad

(md)

K_seca(b

tu/h-ft-

F)

K_salmu

era(btu/

h-ft-F)

K_aceite

btu/h-ft-

F)

K_solve

nte(btu/

h-ft-F)

Berea 2.15 0.162 190 1.35 3.00 2.55 1.98

Bandera 2.10 0.208 38 0.98 2.06 1.90 1.57Boise 1.84 0.292 2513 0.85 1.78 1.22 1.19

C d ti id d té i d i



Conductividad térmica de areniscas noconsolidadas (Somerton, 1974)

0.5

m

0.735 1.3 0363

Conductividad térmica de la matriz ( / )

Saturación del agua

k 4.45 1.65(1 )

Fracción de la matriz que es cuarzo.

m w

m

w

k k S

k btu hr ft F

S

Q Q

Q



Capacidad calorífica

• Es una medidad de cuanta energía debeañadirse a una unidad de masa para elevar sutemperatura un grado (btu/lbm-F)

• El agua tiene la máxima capacidad calorífica =1 btu/lbm-F.

• Si se divide la capacidad calorífica de una

sustancia entre la del agua se obtiene su calorespecífico.



Capacidad calorífica

• El aceite tiene una capacidad caloríficaespecífica de 0.5.

• El valor para la arenisca es de 0.2.

La capacidad calorífica de las rocas se



La capacidad calorífica de las rocas seincrementa con la temperatura

C id d l ífi d l



Capacidad calorífica de la roca.Capacidad volumétrica de la roca (M).

(1 )o o o w w w r r

M S C S C C

•La densidad de la roca es la de la matriz.•Para el cuarzo es de 165 lbm/ft^3•Entre 20 y 40 btu/ft^3-F



Convección

• Es el transporte deenergía térmica a travésdel movimiento de unamasa de fluido sobreuna pared de diferentetemperatura.

• q=hA(Tf-Ts)



Radiación

• Es la transmisión de energía electromagnéticaa partir del movimiento de las moléculas.

• No es significante en durante los procesos

térmicos en el yacimiento, pero puede serimportante en la transferencia de calor en elagujero.



Viscosidad del agua

2

2.185

0.04012 0.0000051547 1

Viscosidad en centipoises

1 cp = 1 pascal*segundo

T en Farenheit.

wT T



Viscosidad de gases



Valores K

• Valores de equilibrio de moles en la fase gas amoles en la fase líquida.

• Se necesitan para la fase agua y las fases

aceitosas.

600

Frentes de combustión



0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80 100 120

T

e

m

p

e

r

at

u

r

a

(

◦

C )

Posición (cm)

25 min

67

101

132

157

216

246

279

310

337

368

simulador



0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80 100 120

T

e

m

p

er

a

t

u

r

a

(

c

e

n

t

i

o

g

r

a

d

o

s )

Distancia (cm)

25

67

132

157

216

246

279

310

337

368



Método de Nelson y McNeil (1961)

• Las variables que son importantes paraplanear la recuperación de hidrocarburo porcombustión in situ (CIS) son:

– Concentración de combustible quemado. – Cantidad de aire a usarse.

– Flujo de aire

– Presión de inyección de aire.

Este método consiste en los siguientes pasos:



Este método consiste en los siguientes pasos:

• Obtener la concentración de combustible quemado a partirde datos experimentales en un tubo de combustión usandoroca y crudo del yacimiento.

• Escalar esta cantidad al yacimiento.• Estimar la cantidad total de aire.• Calcular la cantidad de aire por libra de combustible

quemado.• Estimar la cantidad de aire para un patrón de pozos.• Estimar el flujo de aire necesario para mantener el frente

de combustión.• Estimar el tiempo de vida del proyecto.• Calcular la producción de crudo por día.



,12

2379 g C

W V CO CO lb

2 2

2 22

360.5 ,

379 g a

w g g a

N OW O CO CO V

N

2 2

2 22

40.5 ,

379

g a g H g

a

N OW O CO CO V

N

. F H C

W W W



Volumen de roca quemada en acres-pie .T apV A



3 2/u Av pies día pie



min

,a D

ii

u ah

iD Eficacia de barrido superficial.

3.39 50.0%

4.77 55.0%

6.06 57.5%

62.6%



Tasa de inyección de aire

= 4.77 (0.125) ( / ) A ah pies día



1 12 .ai r hAv

11 2

1 12ar i

t v hAv

1 10.5( ).aV t i



3 1 3 1yV V t t

2 1 3.t V V V V 6

22

10

a

V

t i



1 2 3.t t t t t



22 2

,1 1

ln 1.238 ;0.703

a a f

i w w g w

i T a

P P k h r v t



3 1 21 .V V N E N E N

3

0

5.615.

43560 R

R

N bbl E

S ac pie



2

443560.

100 350 5.615

a w R p

W F S bbl W

D L ac pie



1 2

6

(1 ).

(0.626) 43560 10

V V P

E N E N bbl N

MMscf

6'

2

10 4

.0.626 350 5.615

V w R

P

E S WF bbl

W A D L MMscf



Datos deLaboratorio

Razóncombustible/aire

87120 lb/acre-pie

Viscosidad del

aire

0.0186cp

Requerimiento deaire

388 scf/ft^3



DATOS DECAMPO DATOS DECAMPO

Área a barrer. 5 acres

Distancia entrepozo inyector yproductores.

330 pies

Espesor de la

formación.

30 pies

Temperatura dela formación

85 C



Presión de fondode los pozosproductores

14.5 lb/plg^2

Porosidad 39%Permeabilidadespecífica

500 md

SO 55%SW 40%



Eficiencia debarrido

volumétrica

30%

Radio del pozode producción.

0.206 pies



Requerimiento total de

aire por acre-pie

10.58MM pies cúbicos

por acre-pie Aire total 1587 MM pies cúbicos

Flujo de aire para una

velocidad de frente de0.125 pies/día

48.5 pies cúbicos por pie

cuadrado de frente pordía.

Tasa máxima de

inyección de aire para elarreglo de cinco pozoscon una velocidad defrente de 0.5 pies/día

2.29 MM pies

cúbicos/día.



El tiemponecesario paraalcanzar la tasamáxima.

t1=125.3 días

El volumen deaire inyectado enla primera etapa.

V1=143.4 MMpies cúbicos.

El volumeninyectado duranteel período de tasaconstante.

V2=1300 MMpies cúbicos.



El crudodesplazado de lazona quemada.

El crudo

desplazado de lazona calentadano quemada.

Recuperacióntotal de crudo

31.246 10 .bbl acre pie

598.0 .bbl

acre pie

793.3 .bbl acre pie



Eficiencia derecuperacióntotal.

53%

El crudo

recuperado pormillón de piescúbicosinyectado.

74.9 bbl/MM pies

cúbicos.

La producciónmáxima.

171.5 bbl/día.

Bibliografía



Bibliografía.

1. ISC Handbook -Principles and practices, Final Report, November 1998,Sarathi, Partha; DOE/PC/9 1008-0374,OSTl_ID: 3175.

2. Enhanced Oil Recovery, Green D. W. y Willhite G. P. SPE Texbook seriesVol8.

3. Reservoir Engineering and petrophysics, Vol. V, Petroleum Engineering

Handbook, Larry W. Lake, Editor, SPE International.4. Thermal Recovery, Prats M. Monograph vol. 7, SPE, Henry L. Doherty

Series.

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