Fases: Cuando hablamos de fase nos referimos a cualquier parte del sistema, homogénea y físicamente diferente al del sistema de estudio. Un ejemplo sencillo, hielo, agua líquida y vapor de agua, tres fases distintas físicamente, homogéneas y claramente separadas.

Diagrama de fases: Un diagrama de fases es una representación gráfica de las condiciones de presión y temperatura en la que existen los sólidos, líquidos y gases. Si construyéramos un gráfico presión-temperatura en donde cada punto del gráfico representaría una condición determinada de p y t representaríamos una situación en la que puede encontrarse cada una de las sustancias en su estado físico. A bajas temperaturas y alta presiones es de esperar que los átomos se dispongan de una manera ordena (sólidos), a temperaturas altas y bajas presiones (gases) y temperaturas y presiones intermedias (líquidos).

A continuación el diagrama de fases del agua.

Para los hidrocarburos se han clasificado los yacimientos de acuerdo a un diagrama de fases (Composición). Los yacimientos suelen clasificarse por las condiciones de temperatura y presión iníciales respecto a la región gas-petróleo (dos fases), en estos diagramas se relacionan temperatura y presión.

Diagrama de fases para los fluidos en el yacimiento

Existen varios términos importantes a destacar en el gráfico mostrado que son:

Punto de Burbujeo (Pb): es la presión mínima en la cual estando en fase liquida se forma la primera burbuja de gas.

Punto de rocío (Pr): es la presión mínima en la cual estando en fase gaseosa se forma la primera gota de líquido.

Curva de Burbujeo: son los puntos de fase liquida en los cuales aparece la primera burbuja de gas.

Curva de rocío: son los puntos en la fase gaseosa en los cuales aparece la primera gota de líquido.

Punto cricondembárico (Pcdb): es la presión máxima en la cual coexiste gas y líquido

Punto Cridondentérmico (Tcdet): máxima temperatura en la cual coexiste la fase líquida y gaseosa.

Zona de condensación retrograda: puede definirse como, la condensación de líquido durante la expansión de gas a temperatura constante o la condensación de líquido durante calentamiento de gas a presión constante.

Punto Crítico: es el punto en el cual convergen las curvas de rocío y de burbujeo

Técnicamente se han defino en forma General Dos tipos de yacimientos con sus respectivos subgrupos:

1.-Yacimiento de gas: Gas Seco, Gas Húmedo, Gas condensado.

2.-Yacimiento de Petróleo: Petróleo Volátil, Petróleo pesado.

Independientemente de esta clasificación, se han descubierto yacimientos que contienen todos los diferentes tipos de hidrocarburos y algunas veces varios de otros compuestos en casi todas las proporciones conocibles. Además como las temperaturas y presiones varían con la profundidad, en yacimientos muy grandes es considerable la modificación de estos factores. Debido a estas caracterices no existen definiciones precisas a la hora de clasificar un yacimiento en especifico, sino que se recuren a términos muy generales.

La siguiente tabla muestra las composiciones molares y algunas propiedades adicionales de cinco fluidos monofásicos de yacimientos.

Desde un punto de vista más técnico, los diferentes tipos de yacimientos deben clasificarse de acuerdo con la localización de la temperatura y la presión iníciales a las que se encuentra el yacimiento, como ya vimos anteriormente existe un diagrama de fases para hidrocarburos que relaciona la presión y temperatura para los fluidos en un yacimiento. En forma general podemos encontrar diferentes diagramas de fases para cada tipo de yacimiento y que a su vez estos diagramas pueden variar con la disminución de presión en el yacimiento.

Yacimientos de gas

Diagrama de fases para yacimientos de gas Seco.

Los yacimientos de gas seco tienden a tener una temperatura mayor a la temperatura del punto Cridondentérmico, La mezcla de hidrocarburos se mantiene en fase gaseosa en el yacimiento y hasta la superficie independientemente de la reducción de la presión, la composición de hidrocarburos presente en el yacimiento es mayoritariamente gas metano (C1)>90%, en este tipo de yacimientos no se observa condensación retrograda debido a que siempre nos mantenemos fuera de la curva de rocío.

Diagrama de fases para yacimiento de gas Húmedo

Los yacimientos de gas Húmedo tienen una temperatura mayor a la temperatura de Punto Cridondentérmico, con la reducción de la presión en el yacimiento podemos atravesar la curva de rocío y obtendremos liquido de muy alta gravedad API en nuestro yacimiento, también en superficie obtendremos una mezcla de hidrocarburos líquidos y gaseosos, los compuestos que forman estas mezclan tienen un mayor componentes intermedios que los yacimientos de gas seco, el líquido producido en estos yacimientos generalmente es incoloro , con una gravedad API mayor a 60º.

Diagrama de fases para los yacimientos de gas Condensado

La temperatura en la que se encuentra el yacimiento está entre la temperatura Crítica y la temperatura Cridondentérmica, en condiciones iníciales del yacimiento podemos encontrar el hidrocarburo en fase gaseosa, al disminuir la presión y atravesar la curva de rocío por condensación del gas encontramos líquido en nuestra producción y también en el yacimiento. El líquido producido tiende a ser incoloro, amarrillo y se ha reportado en algunos casos negro, con una gravedad API entre 40º y 60º.El comportamiento de estos yacimiento es particular debido q cuando bajamos la presión isotérmicamente y al estar por debajo del punto de rocío produciremos líquido y gas en cierta proporción inicial, al continuar disminuyendo la presión la proporción de liquido aumentaría con respecto a la de gas encontrada originalmente, pero, se llegará a una condición de presión en el yacimiento en la cual la saturación de líquido será máxima y desde ese punto en adelante comenzará a disminuir el líquido producido.

Yacimientos de petróleo

Diagrama de fases para los Yacimiento de petróleo de volátil.

Los yacimientos de petróleo volátil o “cuasi–Crítico” se encuentran a una temperatura ligeramente menor a la temperatura del punto crítico, la mezcla de hidrocarburos en el estado inicial se encuentra cerca del punto crítico, con una pequeña disminución de presión podemos atravesar la curva de burbuja y comenzar a liberar el gas que se encuentra disuelto en petróleo, este tipo de yacimientos al disminuir poco la presión generam excesiva liberación de gas, lo que causa un agotamiento acelerado del crudo, el crudo producido posee una gravedad API mayor a 40º con un color amarillo oscuro a negro.

Diagrama de fases para los Yacimientos de petróleo negro

Estos yacimientos presentan una temperatura mucho menor a la temperatura crítica, tienen un mayor contenido de compuestos pesados (C7+) mayor al 40%, generalmente se debe disminuir mucho la presión para encontrar una producción de gas considerable en este tipo de yacimientos, el crudo producido tiene un color de verde oscuro a negro con una gravedad inferior al 40%.

Una vez definidos los diagramas de fases de los yacimientos existes ciertos parámetros que relacionan el volumen de hidrocarburos en el yacimiento y superficie a una determina presión y temperatura. Estos parámetros de volumen presión y temperatura (PVT) son:

1.-Factor volumétrico de formación del petróleo (βo).

2.-Factor volumétrico de formación del gas (βg).

3.-Factor volumétrico de formación total (βt).

4.-Relacion gas-petróleo en solución (Rs).

5.- Relación gas-petróleo en producción (Rp).

Propiedades de los gases: El estado gaseoso es un estado disperso de la materia, es decir, que las moléculas del gas están separadas unas de otras por distancias mucho mayores del tamaño del diámetro real de las moléculas. Resuelta entonces, que el volumen ocupado por el gas (V) depende de la presión (P), la temperatura (T) y de la cantidad o número de moles ( n).

 Comprensibilidad: El volumen de un gas se puede reducir fácilmente mediante la acción de una fuerza externa. Esta propiedad de los gases se explica debido a la existencia de grandes espacios intermoleculares.

¿Es posible comprimir un gas hasta que su volumen sea cero, aplicando una fuerza muy grande?

Nunca. Si la fuerza es muy grande, la presion del gas seria tan grande que vencería la resistencia del recipiente y estallaría. Si la temperatura fuese baja ( menor o igual a la temperatura critica) el gas se licuaria, ya en estado líquido seria imposible comprimirlo.

2. Expansión: Un gas ocupa todo el volumen del recipiente que lo contiene debido a la alta energía cinética traslacional de las moléculas.

¿Porque el aire que es una mezcla gaseosa, no se expande por todo el universo?

La explicación es simple, la fuerza de atracción gravitatoria impide que algún cuerpo material pueda abandonar la orbita terrestre, salvo que supere la velocidad mínima para vencer la gravedad que es 11 Km/s, que las moléculas de aire no pueden adquirir en forma natural.

3. Difusión: Consiste en que las moléculas de un gas se trasladan a través de otro cuerpo material (sólido, líquido o gas), debido a su alta energía cinética y alta entropía. Cuando uno siente el olor y aroma de una flor o una fruta es debido a la difusión de ciertas sustancias (ésteres) que se difunden en forma de vapor a través del aire y llega al olfato.

Otros ejemplos de difusión son:

difusión del CO2 en bebidas gaseosas. difusión del H2 en el platino. gas lacrimógeno en el aire.

4. Efusión: Consiste en la salida de moléculas gaseosas a través de pequeñas aberturas u orificios practicados en la pared del recipiente que contiene el gas. Por ejemplo un neumático se desinfla cuando el aire comprimido se efunde a través de un orificio causado por un clavo u otro objeto similar.

Propiedades de los líquidos: Un liquido está formado por moléculas que están en movimiento constante y desordenado, y cada una de ellas chocan miles de millones de veces en un lapso muy pequeño. Pero, las intensas fuerzas de atracción entre cada molécula, o enlaces de hidrogeno llamados dipolo-dipolo, eluden el movimiento libre, además de producir una cercanía menor que en la que existe en un gas entre sus moléculas. Además de esto, los líquidos presentan características que los colocan entre el estado gaseoso completamente caótico y desordenado, y por otra parte al estado sólido de un liquido (congelado) se le llama ordenado. Por lo tanto podemos mencionar los tres estados del agua (liquido universal), sólido, gaseoso y liquido.

Compresión Y Expansión

A los líquidos se les considera incomprensibles debido que dentro de ellos existen fuerzas extremas que entre sus moléculas las cuales se atraen, por otra parte cuando a un liquido se le aplica una presión su volumen no se ve afectado en gran cantidad, ya que sus moléculas tienen poco espacio entre si; por otra parte si aplicamos un cambio de temperatura a un líquido su volumen no sufrirá cambios considerables. Cabe señalar que cuando las moléculas de un líquido están en continuo aumento de movimiento es por causa del aumento de alguna temperatura que esté experimentando el mismo lo cual inclina al liquido a aumentar la distancia de sus moléculas, a pesar de esto las fuerzas de atracción que existen en el líquido se oponen a ese distanciamiento de sus moléculas.

Difusión

Al realizar la mezcla de dos líquidos, las moléculas de uno de ellos se difunde en todas las moléculas del otro liquido a mucho menor velocidad, cosa que en los gases no sucede. Sí deseamos ver la difusión de dos líquidos, se puede observar dejando caer una pequeña cantidad de tinta (china) en un poco de agua. Debido a que las moléculas en ambos líquidos están muy cerca, cada molécula conlleva una inmensidad de choques antes de alejarse, puede decirse que millones de choques. La distancia promedio que se genera en los choques se le llama trayectoria libre media y, en los gases es mas grande que en los líquidos, cabe señalar que esto sucede cuando las moléculas están bastantemente separadas. A pesar de lo que se menciona anteriormente hay constantes interrupciones en sus trayectorias moleculares, por lo que los líquidos se difunden mucho mas lentamente que los gases.

Forma y Volumen

En un liquido, las fuerzas de atracción son suficientemente agudas para limitar a las moléculas en su movimiento dentro de un volumen definido, a pesar de esto las moléculas no pueden guardar un estado fijo, es decir que las moléculas del líquido no permanecen en una sola posición. De tal forma que las moléculas, dentro de los limites del volumen del liquido, tienen la libertad de moverse unas alrededor de otras, a causa de esto, permiten que fluyan los líquidos. Aún cuando, los líquidos poseen un volumen definido, pero, debido a su capacidad para fluir, su forma depende del contorno del recipiente que los contiene.

Viscosidad

Algunos líquidos, literalmente fluyen lentamente, mientras que otros fluyen con facilidad, la resistencia a fluir se conoce con el nombre de viscosidad. Si existe una mayor viscosidad, el liquido fluye mas lentamente. Los líquidos como la maleza y el aceite de los motores son relativamente viscosos; el agua y los líquidos orgánicos como el tetracloruro de carbono no lo son

Tensión Superficial

En un liquido, cada molécula se desplaza siempre bajo influencia de sus moléculas vecinas. Una molécula cerca del centro del liquido, experimenta el efecto de que sus vecinas la

atraen casi en la misma magnitud en todas direcciones. Sin embargo, una molécula en la superficie del liquido no esta completamente rodeado por otras y, como resultado, solo experimenta la atracción de aquellas moléculas que están por abajo y a los lados. Por lo tanto la tensión superficial actúa en un liquido perpendicular a cualquier línea de 1cm de longitud en la superficie del mismo.

Gravedad API:

Crudos Livianos 30-40°

Crudos Medianos 22-29.9°

Crudos Pesados 10-21.9°

Crudos Extrapesados Menos 10°

La gravedad API se usa universalmente para la catalogación y establecimiento de diferenciales de precios, considerando otros factores como el contenido de azufre y/o metales, sal, corrosividad o rendimiento específico de determinado producto dado por un crudo determinado.

Factor Volumétrico del Petróleo (Bo)  El factor volumétrico del petróleo o factor volumétrico del fluido de la formación abreviado FVF y símbolo Bo, puede definirse, a cualquier presión, como el volumen en barriles que un barril en condiciones estándar ocupa en la formación(yacimiento), es decir, a la temperatura del yacimiento y con el gas disuelto que puede retener el petróleo a esa presión. Debido a que la temperatura y el gas disuelto aumentan el volumen del petróleo fiscal, este factor será siempre mayor que la unidad. Cuando todo el gas presente esta disuelto en el petróleo, es decir, ala presión del punto de burbujeo, un aumento adicional en la presión reduce el volumen en proporción de la comprensibilidad del líquido> Pb la celda es liquido (petróleo).P< Pb el volumen se expande.

Factor Volumétrico En El Punto De Burbuja

A medida que se disminuye la presión por debajo de la presión de burbujeo (Pb) aparece la primera burbuja de gas lo que implica que el volumen de hidrocarburos disminuye con respecto al aumento de gas que se libera. Para presiones por encima de la presión de burbujeo el volumen de petróleo se va aumentando hasta alcanzar la presión del burbujeo Cuando la presión de fondo fluyente es lo suficientemente elevada para vencer el peso de la columna hidrostática, y perdidas por fricción este pozo fluye solo.

Factor volumétrico de formación del gas (Bg): El factor volumétrico de formación del gas consiste principalmente en la relación que existe entre el volumen que ocupa un gas a condiciones de presión y temperatura de yacimiento entre el volumen que ocupa un gas a condiciones de presión y temperatura normales.

Con el siguiente grafico podremos explicar de manera clara como se comporta el factor volumétrico de formación del gas a medida que disminuye la presión. La presión inicial debe ser igual o menor a la presión equivalente en el punto de burbuja para que se pueda producir gas en el yacimiento, en la grafica vemos que inicialmente el volumen de gas que se produce a medida que disminuye la presión va aumentando de manera muy pobre debido a que las burbujas que se forman del gas que se libera ocupan un volumen muy pequeño y están aisladas por lo cual no pueden liberarse fácilmente; posteriormente se observa que el volumen de gas aumenta de manera brusca a medida que disminuye la presión, esto ocurre porque las burbujas de gas comienzan a unirse y por ende el volumen de gas liberado aumenta con respecto al volumen liquido y esto facilita la liberación rápida del gas a medida que disminuye la presión hasta que llega un punto en que todo volumen de gas es liberado a una determinada presión.

Factor volumétrico de formación total (Bt):Es el volumen de petróleo mas gas disuelto a condiciones normales, en este factor volumétrico de formación hay que considerar tanto el volumen de petróleo que va quedando como también el volumen de gas que se está separando a medida que se disminuye la presión.

En este grafico se puede ver que el comportamiento del petróleo antes del punto de burbuja es igual al del Bo debido a que el volumen de petróleo tiende a expandirse a medida que se disminuye la presión por el aumento del gas disuelto; al llegar a la presión de burbujeo no solo se toma en cuenta la disminución de volumen de petróleo tanto por aumento del gas libre sino también se toma en cuenta este volumen de gas formado por lo que se concluye que en general se toma el volumen total de ambos fluidos, hay que tener en cuenta que el volumen de gas liberado es mucho mayor que la compresibilidad del petróleo es decir es mayor que la reducción de volumen de petróleo por compresión del gas liberado, por esta razón es que observamos que el factor volumétrico de formación va también en ascenso a medida que se reduce la presión después del punto de burbuja