“estudio de la humectabilidad y dispersión de crudos
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DIVISIOacuteN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIOacuteN
ldquoEstudio de la humectabilidad y dispersioacuten de crudos pesados
sobre nuacutecleos de yacimiento aplicando surfactantes con base
sulfatordquo
Para obtener el grado de
Maestro en Ciencias en Ingenieriacutea Quiacutemica
Presenta
Ing Angel Rafael Lara Hernaacutendez
G10070905
Director de propuesta de tesis
Dra Nohra Violeta Gallardo Rivas
Co-director de propuesta de tesis
Dra Nancy Patricia Diacuteaz Zavala
Cd Madero Tamaulipas Meacutexico Octubre 2017
ii
iii
Iacutendice general
paacuteg
Iacutendice de figuras helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip vii
Iacutendice de tablashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip viii
Resumenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip ix
Abstracthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip x
Introduccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xi
Capiacutetulo 1 Antecedenteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
11 Petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
111 Composicioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5
112 Clasificacioacuten de petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6
113 Derivados del petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9
114 Importancia del petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
12 Yacimientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
122 Condiciones de explotacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
123 Recuperacioacuten primariahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
124 Recuperacioacuten secundariahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejoradahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
126 Generalidades de pozoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
131 Porosidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
132 Permeabilidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
133 Tortuosidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
134 Tensioacuten superficial e interfacialhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
135 Mojabilidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
136 Capilaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24
137 Adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
1371 Tipos de adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
14 Imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
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141 Interaccioacuten roca-fluidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
143 Cambio de mojabilidad por el ion-parhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
15 Surfactanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
151 Clasificacioacuten de los surfactanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
152 Propiedades de los surfactanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
1521 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
1522 Micelas y asociacioacuten micelarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
16 Emulsioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
161 Tipos de emulsioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
163Agentes emulsionanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
164 Estabilidad de una emulsioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacutenhelliphelliphelliphellip 43
Capiacutetulo 2 Metodologiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 45
21Reactivoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
22 Preparacioacuten de sistemas de estudiohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
23 Disentildeo de experimentoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
24 Teacutecnicas de caracterizacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51
241 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con Transformada de Fourier (FTIR)helliphellip 51
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 52
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten
por Rayos X (SEMEDX)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
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25 Imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
28 Potencial zetahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Capiacutetulo 3 Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
31Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
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32 Espectroscopiacutea de infrarrojo con trasformada de Fourierhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
321 Espectro FTIR de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
322 Espectro FTIR de roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
33 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por
Rayos X (SEMEDX)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
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35 Imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
36 Anaacutelisis tensiomeacutetricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
361 Roca no imbibidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
362 Roca imbibidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
37 Anaacutelisis DLShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
38 Anaacutelisis de potencial Zetahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Referencias bibliograacuteficashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
vi
Iacutendice de figuras
Figura Paacuteg
11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
12 Clasificacioacuten de yacimientoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
13 Acidificacioacuten controlada mediante inyeccioacuten de emulsioacuten en querosenohelliphelliphelliphelliphellip 16
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
15Representacioacuten de fuerzas intermoleculareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
17 Efecto de la capilaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24
18 Proceso general de adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
112 Celda de imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
113 Esquema de las partes acidas del aceite sobre la superficie carbonatadahelliphelliphelliphelliphellip 29
114 Modelo esquemaacutetica del cambio de mojabilidad con aplicacioacuten de surfactanteshelliphellip 31
115 Representacioacuten de una moleacutecula de surfactantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
116 Tipos de micelahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
117 Comportamiento estaacutetico micelarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
118 Micrografiacutea de una emulsioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 45
22 Muestra de roca carbonatada con asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
24 Roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
25 Roca imbibida con crudohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
26 Tensioacutemetro empleado en la experimentacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
27 Funcionamiento del anaacutelisis DLShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56
28 Interacciones entre las partiacuteculas en el anaacutelisis de potencial zeta helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
31 Asfaltenos obtenidos tras la extraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Roca impregnada de asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
33 Espectro FTIR de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
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34 Espectro FTIR de roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
36 Anaacutelisis SEMEDX de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 65
37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
38 Aacutengulo de contacto de la salmuerahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
39 Angulo de contacto de agua congeacutenitahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
310 Aacutengulo de contacto del petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
311 Anaacutelisis DLS de la roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
312 Anaacutelisis DLS de la roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
313 Anaacutelisis DLS de la roca impregnada aplicando surfactante S1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 73
314 Anaacutelisis DLS de la roca impregnada aplicando surfactante S2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 73
315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando pHhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Iacutendice de Tablas
Tabla Paacuteg
11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo 5
12 Clasificacioacuten de petroacuteleo crudo 6
13 Clasificacioacuten de los surfactantes 33
21 Reactivos empleados en el proyecto 46
22 Surfactantes utilizados en experimentacioacuten 46
23 Disentildeo de experimentos 49
31 Resultados de rocas imbibidas 66
32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio 67
33 Aacutengulos de contacto de agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio 68
34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 ppm 69
35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 ppm 69
36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 ppm 70
37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 ppm 70
38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio 71
viii
Resumen
Este proyecto de investigacioacuten se enfocoacute en el estudio de mojabilidad del crudo pesado sobre
roca carbonatada de yacimiento aplicando surfactantes con base sulfato los cuales provocan
un efecto dispersivo en las fracciones maacutes pesadas del petroacuteleo conocidos como
ldquoasfaltenosrdquo responsables de las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del petroacuteleo tales como
viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API
La primera etapa del proyecto consistioacute en caracterizar la roca carbonatada de yacimiento
por Espectroscopiacutea de infrarrojo de transformada de Fourier (FTIR) espectroscopia
ultravioleta visible y Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten
por Rayos X (SEMEDX) para la identificacioacuten de los grupos funcionales caracteriacutesticos
morfologiacutea y anaacutelisis elemental de la roca
La segunda etapa consistioacute en preparar emulsiones de agua en aceite adicionando los
surfactantes en diferentes concentraciones las cuales fueron observadas por microscopiacutea
oacuteptica Posteriormente se evaluoacute el aacutengulo de contacto de cada uno de los sistemas de estudio
sobre roca carbonatada para el caacutelculo de la tensioacuten superficial y en efecto de la mojabilidad
Asiacute mismo se realizoacute la imbibicioacuten espontaacutenea de las rocas con crudo usando la celda de
Amott y se midioacute el aacutengulo de contacto de los disolventes frente a las rocas impregnadas Se
observoacute un cambio en la mojabilidad del crudo con la aplicacioacuten de los surfactantes en los
anaacutelisis tensiomeacutetricos
En la tercera etapa se realizoacute el estudio dispersivo de los agregados asfalteacutenicos contenidos
en la roca Mediante el anaacutelisis de dispersioacuten de luz dinaacutemica se observoacute la disminucioacuten de
la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula siendo este efecto atribuido a las cabezas catioacutenicas
de los surfactantes Lo anterior fue comprobado con la teacutecnica de potencial zeta la cual mide
las fuerzas de atraccioacuten o repulsioacuten de las partiacuteculas siendo ambos surfactantes promotores
de estabilidad coloidal e inhibidores de agregacioacuten
ix
Abstract
This research project focuses on the study of the wettability of heavy crude oil on carbonate
reservoir rock by applying sulphate-based surfactants which have a dispersive effect on the
heavier fractions of petroleum known as asphaltenes responsible for the physicochemical
characteristics of oil such as viscosity surface tension and API gravity
The first stage of the project consisted of the carbonate reservoir rock by Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR) visible ultraviolet spectroscopy and Scanning Electron
Microscopy with X-ray Dispersion Spectroscopy (SEM EDX) for the identification of
characteristic functional groups morphology and elemental rock analysis
The second stage consisted of preparing water-in-oil emulsions by adding the surfactants in
different concentrations which were observed by light microscopy Afterwards the contact
angle of each of the study systems on carbonate rock was evaluated for the calculation of
surface tension and the wettability
The spontaneous imbibition of the rocks with crude oil was also carried out using the Amott
cell and the contact angle of the solvents against the impregnated rocks was measured A
change in the wettability of the crude oil was observed with the application of the surfactants
in the tensiometric analyzes
In the third stage was carried out the dispersive study of the asphalt aggregates contained in
the rock By the analysis of the dynamic light scattering observed the decrease in the size
distribution of the piece whereas this effect attributed to the cationic heads of the surfactants
The above was tested with the zeta potential technique which the attraction or repulsion
forces of the particles both are being surfactants colloidal stability promoters and
aggregation inhibitors
x
Introduccioacuten
Actualmente la industria petrolera enfrenta una serie de problemaacuteticas que van desde la
gravedad especiacutefica del hidrocarburo hasta su comportamiento en un sistema aceite-roca El
estudio de las fuerzas intermoleculares del sistema aceite-roca es un trabajo innovador para
la elaboracioacuten de nuevas formas de extraccioacuten yo el uso de sustancias quiacutemicas que faciliten
el transporte del crudo durante el proceso
Los surfactantes son empleados como aditivos para facilitar la extraccioacuten del crudo y su
transporte debido a sus efectos en la viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API Estos
compuestos son de gran intereacutes para la industria petrolera por lo que un estudio detallado de
la forma de actuar de estos aditivos podriacutea describir los fenoacutemenos que ocurren en un sistema
aceite-roca
La literatura [1 23] indica que los surfactantes del tipo sulfato tienen cierta afinidad con las
moleacuteculas maacutes pesadas del crudo los asfaltenos Hablar de asfaltenos implica ldquoproblemasrdquo
los cuales pueden ser observados durante la extraccioacuten y el transporte del petroacuteleo hacia las
refineriacuteas lo anterior se debe que al ser los componentes maacutes pesados del crudo la mayoriacutea
de las propiedades del crudo dependen de ellos por lo que el uso de aditivos que contengan
un grupo sulfato puede promover la dispersioacuten de los mismos generando un cambio en la
viscosidad del crudo en la tensioacuten interfacial del sistema por lo tanto a una variacioacuten de la
mojabilidad
La mojabilidad es una propiedad innata de las rocas que puede ser afectada a partir del cambio
en las interacciones del aceite y su superficie Con la aplicacioacuten de surfactantes sulfatados se
pretende la modificacioacuten de las fuerzas superficiales entre el crudo y la roca lo cual permitiriacutea
una recuperacioacuten mejorada del aceite contenido en los yacimientos facilitando de esta
manera el proceso de extraccioacuten del mismo [4]
En este proyecto se propone el anaacutelisis de las propiedades que afectan los fenoacutemenos de
superficie de los sistemas aceite-roca usando como referencia compuestos como agua
salmuera y posteriormente la adicioacuten de surfactantes sulfatados base imidazol asiacute como el
estudio de la dispersioacuten de dicho sistema
1
Capiacutetulo I
Antecedentes
2
1 Antecedentes
Actualmente con la disminucioacuten de crudos ligeros y la obtencioacuten de aceites pesados durante
la extraccioacuten de yacimientos se buscan meacutetodos alternativos que permitan la recuperacioacuten
mejorada en los pozos petroleros mediante la aplicacioacuten de aditivos quiacutemicos El estudio de
las fuerzas relacionadas entre el aceite y la roca permite describir de una forma real lo que
pasa dentro del sistema petroliacutefero con la aplicacioacuten de dichos compuestos
En 2009 Murillo y col [4] estudiaron el efecto del anioacuten PF6 en los agregados asfalteacutenicos
y encontraron un incremento en el momento dipolar debido al cambio de electronegatividad
provocado por el anioacuten Se establecioacute que el bromuro de 1-butil fue el liacutequido ioacutenico con
mejores propiedades estabilizadoras e inhibidoras de la agregacioacuten de asfaltenos
disminuyendo la aglomeracioacuten de asfaltenos hasta en un 70
En 2010 Ramiacuterez y col [5] investigaron experimentalmente el efecto que tienen los
surfactantes zwitterioacutenicos y catioacutenicos en el control de dantildeo al medio poroso debido a
depoacutesitos de asfaltenos y la descripcioacuten del cambio de mojabilidad en rocas carbonatadas
encontrando mejores condiciones de operacioacuten y concluyendo que el uso de salmuera con
alta concentracioacuten de sales provoca la precipitacioacuten de los surfactantes debido al efecto de
ioacuten comuacuten presente en los electrolitos que encapsula a las moleacuteculas surfactantes
hacieacutendolas maacutes pesadas y precipitaacutendolas por accioacuten de la gravedad
En 2010 Guzmaacuten y col [6] sintetizoacute y evaluoacute diferentes liacutequidos ioacutenicos como agentes
desemulsificantes del sistema de emulsioacuten de crudo mexicano ligero y pesado siendo el
bromuro de 1 metil-3-tetradecilimidazolio el que obtuvo mejores resultados frente a otros
compuestos con diferente tamantildeo de cadena hidrocarbonada Se estudioacute la aplicacioacuten de
calentamiento convencional y dieleacutectrico por microondas en los procesos de
desemulsificacioacuten siendo el segundo meacutetodo el que aceleroacute e incrementoacute la eficiencia de
desemulsificacioacuten
En 2011 Petcavich y col [7] desarrollaron un meacutetodo de extraccioacuten de hidrocarburos a partir
de rocas que contienen aceite En este trabajo se utilizoacute una mezcla de piedra arenisca de
3
aceite y un liacutequido ioacutenico a base de fosfonio el cual se sometioacute a la radiacioacuten de microondas
de 254 GHz y presentaron las condiciones de trabajo para la recuperacioacuten total del
hidrocarburo atrapado en la roca
En 2012 Dharaskar y col [8] investigaron sobre los liacutequidos ioacutenicos y su capacidad de
minimizar los efectos negativos de salud y medio ambientales En la industria de la refinacioacuten
se usa para la hidrodesulfurizacioacuten del crudo Estudiaron el efecto de cationes del tipo sulfato
contenidos en liacutequidos ioacutenicos sobre el petroacuteleo encontrando una disminucioacuten en la
concentracioacuten de grupos sulfurados y asfalteacutenicos
En 2014 Bin-Dahbag y col [9] realizaron un estudio sobre el proceso de inyeccioacuten de
liacutequidos ioacutenicos con base de amonio y fosfonio en la recuperacioacuten mejorada de petroacuteleo con
lo que redujo la tensioacuten interfacial de la fase acuosa del hidrocarburo Se realizaron pruebas
de deteccioacuten de nueve liacutequidos ioacutenicos con base de tetrasulfato de amonio los cuales fueron
diluidos en salmuera a distintas concentraciones y se probaron con un petroacuteleo crudo Saudiacute
Se registraron cambios en la tensioacuten interfacial por cambios de presioacuten y temperatura
indicando una mayor actividad de interaccioacuten superficial en el sistema rocapetroacuteleoliacutequido
ioacutenico
En 2014 Gonzaacutelez y col [10] estudiaron el cambio de la mojabilidad de rocas carbonatadas
en sistemas salmuerapetroacuteleo con la aplicacioacuten de surfactantes empleando el meacutetodo
tensiomeacutetrico de Gota cautiva Se obtuvieron resultados confiables y reproducibles que
concluyen un comportamiento afiacuten entre la salmuera el crudo y la roca
En 2015 Jiao y col [11] estudiaron el comportamiento de los liacutequidos ioacutenicos con base
imidazolio ( IBILs ) desarrollando nuevos agentes de extraccioacuten para separar indol una
sustancia industrial importante derivada del aceite de lavado que ocasiona graves problemas
medioambientales obteniendo eficiencias de extraccioacuten de maacutes de 90
En 2016 Banda y col [12] estudiaron el comportamiento de los asfaltenos presentes en
petroacuteleo crudo pesado usando como disolvente ciclohexano Primeramente se caracterizaron
los asfaltenos extraiacutedos por Espectroscopiacutea de ultravioleta-visible (UV-vis) posteriormente
se utilizoacute la teacutecnica de Dispersioacuten de Luz Dinaacutemica (DLS) para la distribucioacuten de tamantildeo de
partiacutecula de los agregados asfalteacutenicos Asiacute mismo se realizoacute un anaacutelisis de potencial Zeta
4
utilizando como disolvente nitrato de sodio 01 mmol para la comprobacioacuten del efecto
dispersivo de los asfaltenos frente a liacutequidos ioacutenicos sulfatados
11 Petroacuteleo
El petroacuteleo es una mezcla homogeacutenea de compuestos orgaacutenicos de estructura variada
principalmente hidrocarburos insolubles en agua En general es posible agrupar los
constituyentes del petroacuteleo en cuatro grupos orgaacutenicos bien definidos Saturados
Aromaacuteticos Resinas y Asfaltenos este conjunto es conocido como SARA Es un liacutequido
viscoso cuyo color variacutea entre amarillo y pardo obscuro hasta negro con reflejos verdes
Ademaacutes tiene un olor caracteriacutestico y flota en el agua Tambieacuten es conocido como petroacuteleo
crudo o simplemente crudo Se produce en el interior de la Tierra por transformacioacuten de la
materia orgaacutenica acumulada en sedimentos del pasado geoloacutegico y puede acumularse en
trampas geoloacutegicas naturales de donde se extrae mediante la perforacioacuten de pozos [13]
Las moleacuteculas de hidrocarburos que en forma colectiva constituyen el petroacuteleo estaacuten
formadas por distintas combinaciones de aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Seguacuten el nuacutemero
de aacutetomos de carbono de hidroacutegeno y de la distribucioacuten estructural de las mismas se tienen
los distintos hidrocarburos que abarcan desde el gas natural hasta los hidrocarburos soacutelidos
Comuacutenmente se denomina como petroacuteleo a aquella mezcla de hidrocarburos que a las
condiciones de temperatura y presioacuten ambientales estaacute en estado liacutequido En la naturaleza se
pueden encontrar afloraciones naturales de hidrocarburos muchos de ellos conocidos desde
la antiguumledad aunque la produccioacuten comercial se obtiene de acumulaciones que se localizan
en algunos lugares del subsuelo con profundidades variables desde pocos metros hasta
profundidades mayores a cinco mil metros [14]
Mientras mayor sea el contenido de carboacuten en relacioacuten al del hidroacutegeno mayor es la cantidad
de productos pesados que tiene el crudo [15] Esto depende de la edad del yacimiento y de
algunas caracteriacutesticas geoloacutegicas No obstante se ha comprobado que entre maacutes antiguos
son tienen maacutes hidrocarburos gaseosos y soacutelidos y menos liacutequidos entran en su
composicioacuten
5
Es un recurso natural no renovable y actualmente es la principal fuente de energiacutea en
los paiacuteses desarrollados El petroacuteleo liacutequido puede presentarse asociado a capas de gas
natural en yacimientos que han estado enterrados durante millones de antildeos cubiertos por los
estratos superiores de la corteza terrestre Los factores de presioacuten temperatura y procesos
quiacutemicos y fiacutesicos ayudados por la carencia de oxiacutegeno posibilitan la formacioacuten de petroacuteleo
liacutequido y de gas
La conversioacuten de materia orgaacutenica en petroacuteleo ocurre en varias etapas [15]
Degradacioacuten bioquiacutemica la accioacuten de las bacterias en un ambiente aerobio
oxidan la materia orgaacutenica
Policondensacioacuten e insolubilizacioacuten se produce un reordenamiento molecular
en dos etapas originaacutendose una sustancia insoluble en aacutelcalis con estructura
parecida al keroacutegeno
Cracking primario es la primera reaccioacuten de generacioacuten de hidrocarburos
regida por la ley de Arrhenius de donde se puede obtener petroacuteleo y gas
Cracking secundario se destruye la fraccioacuten inestable generando gas y
residuos carbonosos
111 Composicioacuten del petroacuteleo
El petroacuteleo crudo es la materia prima principal de la industria de Refinacioacuten del Petroacuteleo
estaacute constituido por una mezcla de diferentes tipos de hidrocarburos cuyas moleacuteculas se
componen de Carbono e Hidroacutegeno con un pequentildeo porcentaje de otros elementos
conformando hidrocarburos de estructuras maacutes o menos complejas como compuestos
heterociacuteclicos de nitroacutegeno oxiacutegeno y azufre compuestos organometaacutelicos ademaacutes contiene
sedimentos inorgaacutenicos y agua [16] La composicioacuten aproximada de los crudos puede verse
en la Tabla 11
6
Tabla11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo
Elemento Composicioacuten (peso)
Carbono 84-87
Hidroacutegeno 11-14
Azufre 0-5
Nitroacutegeno 0-02
Oxiacutegeno 0-05
112 Clasificacioacuten de petroacuteleo
Son miles los compuestos quiacutemicos que constituyen el petroacuteleo [16] y entre muchas otras
propiedades estos compuestos se diferenciacutean por su volatilidad (dependiendo de la
temperatura de ebullicioacuten) Al calentarse el petroacuteleo se evaporan preferentemente los
compuestos ligeros (de estructura quiacutemica sencilla y bajo peso molecular) de tal manera que
conforme aumenta la temperatura los componentes maacutes pesados van incorporaacutendose al
vapor
Las curvas de destilacioacuten TBP (del ingleacutes ldquotrue boiling pointrdquo temperatura de ebullicioacuten real)
distinguen a los diferentes tipos de petroacuteleo y definen los rendimientos que se pueden obtener
de los productos por separacioacuten directa [17] Por ejemplo mientras que en el crudo Istmo se
obtiene un rendimiento directo de 26 volumeacutetrico de gasolina en el Maya soacutelo se obtiene
157 [17]
La industria mundial de hidrocarburos liacutequidos clasifica el petroacuteleo de acuerdo con su
densidad API (paraacutemetro internacional del Instituto Americano del Petroacuteleo que diferenciacutea
las calidades del crudo) La Tabla 12 muestra estas clasificaciones
Tabla 12 Clasificacioacuten del petroacuteleo crudo [18]
Aceite crudo Densidad
( g cm3)
Densidad
grados API
Extrapesado gt10 100
Pesado 10 - 092 100 - 223
Mediano 092 - 087 223 - 311
7
Ligero 087 - 083 311 - 39
Superligero lt 083 gt 39
Para exportacioacuten en Meacutexico se preparan tres variedades de petroacuteleo crudo
a) Istmo Ligero con densidad de 336 grados API y 13 de azufre en peso
b) Maya Pesado con densidad de 22 grados API y 33 de azufre en peso
c) Olmeca Superligero con densidad de 393 grados API y 08 de azufre en peso
Atendiendo a la mayor proporcioacuten del tipo de hidrocarburos que conforman la mezcla los
crudos se clasifican seguacuten su base parafiacutenica nafteacutenica asfaacuteltica y mixta [15]
Base parafiacutenica Las parafinas livianas dan buenos aceites para usos domeacutesticos pues no
producen humo al quemarse tienden a resistir el calor Las parafinas maacutes espesas contienen
cristales blancos y blandos que cuando son aislados y refinados forman lo que se conoce
como cera parafinada Se encuentran generalmente en Pennsylvania West Virginia y centro
de Estados Unidos
Base nafteacutenica Generalmente contienen gran proporcioacuten de fracciones volaacutetiles es decir
componentes que se evaporan faacutecilmente Se encuentran generalmente en Rusia Peruacute
California y Golfo de Meacutexico En Cuba se encuentra en la zona de Motembo
Base asfaacuteltica Contienen ademaacutes de carbono e hidroacutegeno gran cantidad de azufre En la
destilacioacuten avanzada o maacutes completa rinden una cantidad relativamente alta de alquitraacuten y
asfalto Se pueden encontrar en Meacutexico Venezuela California y el Caribe
Base mixta Ninguacuten crudo es realmente netamente nafteacutenico asfaacuteltico o parafiacutenico en su
composicioacuten quiacutemica sino que contienen proporciones de los otros tipos caracterizaacutendose
por la predominancia del compuesto en mayoriacutea Sin embargo ciertos crudos de Kansas
Oklahoma y Texas tienen contenidos muy similares de nafta parafinas y asfaltos lo que
resulta imposible clasificarlos en una sola de estas clases
8
Asiacute mismo se puede clasificar al petroacuteleo crudo considerando dos grandes grupos de
hidrocarburos saturados y no saturados Cuando todas las valencias de los aacutetomos de carbono
se comparten con otros aacutetomos es saturado cuando hay falta de hidroacutegeno es no saturado y
se pueden compartir dos y hasta tres valencias entre un aacutetomo de carbono con otro aacutetomo [16]
Los saturados y no saturados se dividen a su vez en dos grupos importantes cada uno lo cual
se muestra en la figura 11
Figura 11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleo
Las parafinas son las maacutes ricas en hidroacutegeno son saturadas y por tanto relativamente estables
Las parafinas comunes son liacutequidos pero se pueden encontrar gaseosas o soacutelidas La foacutermula
general es CnH2n+2
Los naftenos (ciclanos o ciclo alcanos) son saturados lo que hace que sean resistentes a los
cambios incluyendo la oxidacioacuten Son relativamente insolubles en aacutecido sulfuacuterico
concentrado Los maacutes importantes son ciclopentano y ciclohexano La foacutermula general es
CnH2n
Los no saturados tienden a formar gomas lacas y fangos al unirse al oxiacutegeno y separarse del
carbono que es un enlace relativamente menos estable
Las olefinas son no saturados o insaturados y por lo que tienen deficiencia de hidroacutegeno
consecuentemente son muy reactivos y combinan faacutecilmente con el hidroacutegeno oxiacutegeno
cloro y azufre esto causa que no se deseen altos porcentajes de olefinas en los combustibles
9
sin embargo son apreciados en la manufactura de varios productos entre ellos el plaacutestico La
foacutermula general es CnH2n
Los aromaacuteticos son no saturados pero actuacutean como saturados Son deseables en la gasolina
pues tienen altas propiedades antidetonantes El nombre aromaacuteticos surge por su olor
caracteriacutestico Algunos se usan en la produccioacuten del TNT colorantes plaacutesticos insecticidas
etc Hoy en diacutea se ha limitado su concentracioacuten en los derivados por ser dantildeinos a la salud
son altamente canceriacutegenos La foacutermula general es CnH2n-6 [19]
113 Derivados del petroacuteleo
Un derivado del petroacuteleo es un producto procesado en una refineriacutea usando como materia
prima el petroacuteleo Seguacuten la composicioacuten del crudo y la demanda las refineriacuteas pueden
producir distintos productos derivados del petroacuteleo La mayor parte del crudo es usado como
materia prima para obtener energiacutea por ejemplo la gasolina Tambieacuten producen sustancias
quiacutemicas que se puede utilizar en procesos quiacutemicos para producir plaacutestico yo otros
materiales uacutetiles
Dentro de los productos que se generan a partir del petroacuteleo se tienen [17]
bull Gasolinas liacutequidas (fabricadas para automoacuteviles y aviacioacuten en sus diferentes grados
queroseno diversos combustibles de turbinas de avioacuten y el gasoacuteleo entre otros)
bull Lubricantes (aceites para maquinarias aceites de motor y grasas Estos compuestos llevan
ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ignicioacuten)
bull Parafinas Es la materia prima para la elaboracioacuten de velas y similares ceras para pisos
foacutesforos papel parafinado vaselinas faacutermacos etc
bull Cloruro de polivinilo (PVC) Existen dos tipos de cloruro de polivinilo tienen alta
resistencia a la abrasioacuten y a los productos quiacutemicos Se utiliza para hacer manteles cortinas
para bantildeo muebles alambres y cables eleacutectricos Tambieacuten se utiliza para la fabricacioacuten de
riego juntas techado y botellas
10
bull Plaacutesticos pinturas barnices disolventes fertilizantes e insecticidas detergentes cauchos
artificiales negro de humo polieacutester y muchos maacutes
bull Detergentes usados para limpieza
bull Azufre subproductos de la eliminacioacuten del azufre del petroacuteleo que pueden tener hasta un
2 de azufre como compuestos de azufre El azufre y aacutecido sulfuacuterico son materiales
importantes para la industria
bull Asfalto se utiliza como aglutinante para la grava que forma de asfalto concreto que se
utiliza para la pavimentacioacuten de carreteras etc
bull Petroquiacutemicos estos pueden ser hidrocarburos olefinas o sus precursores o diversos tipos
de quiacutemicos como aromaacuteticos y tienen una gran variedad de usos Por lo general son
utilizados como monoacutemeros como disolventes como precursores de una gran variedad de
sustancias quiacutemicas y productos quiacutemicos tales como los liacutequidos limpiadores de los
vehiacuteculos surfactante de la limpieza etc [19]
114 Importancia del petroacuteleo
El petroacuteleo tiene una gran trascendencia en la gran mayoriacutea de las actividades cotidianas Del
crudo se obtiene gasolina y diesel para autos y autobuses combustible para barcos y aviones
Se usa para generar electricidad obtener energiacutea caloriacutefica para faacutebricas hospitales y oficinas
y diversos lubricantes para maquinaria y vehiacuteculos La industria petroquiacutemica usa productos
derivados de eacutel para hacer plaacutesticos fibras sinteacuteticas detergentes medicinas conservadores
de alimentos hules y agroquiacutemicos El petroacuteleo ha transformado la vida de las personas y la
economiacutea de las naciones Su descubrimiento creoacute riqueza modernidad pueblos industriales
proacutesperos y nuevos empleos motivando el crecimiento de las industrias mencionadas [19]
12 Yacimiento
11
Un yacimiento de petroacuteleo puede definirse como un volumen poroso que contiene agua
petroacuteleo y a veces una fase gaseosa La proporcioacuten volumeacutetrica del petroacuteleo puede alcanzar
a veces el 40 El medio poroso del yacimiento o roca almaceacuten es de origen sedimentario
de tipo arenisca o caliza consolidado o no El diaacutemetro de poro variacutea ampliamente seguacuten la
roca pero es de tamantildeo microscoacutepico desde algunas fracciones de miliacutemetro a algunos
microacutemetros [20]
Cada medio poroso tiene sus caracteriacutesticas porosidad el porcentaje de volumen vaciacuteo
permeabilidad una medida de la resistencia al movimiento de los fluidos mojabilidad una
medida de la naturaleza superficial de la roca
Debido a su origen sedimentario el medio poroso del yacimiento es a menudo heterogeacuteneo
como consecuencia de las variaciones ocurridas durante el largo proceso de sedimentacioacuten
que formoacute la roca Estas heterogeneidades pueden existir a la escala de los poros o bien a la
escala macroscoacutepica en forma zonas muy o poco permeables y eventualmente de grietas
Las heterogeneidades complican las operaciones de produccioacuten porque tienden a producir
caminos preferenciales y segregaciones [21]
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientos
Geoloacutegicamente los yacimientos se clasifican en estratigraacuteficos estructurales y combinados
[22]
Estratigraacuteficos lentes de arena cambios de facies calizas o dolomitas porosas
cambios de permeabilidad
Estructurales Fracturas en calizas o rocas iacutegneas discordancias fallas en areniscas
sinclinales anticlinales domos salinos etc
Combinados Hace referencia a las posibles combinaciones que se presenten entre los
dos grupos anteriores
La clasificacioacuten anterior se puede observar en la figura 12
12
Figura 12 Clasificacioacuten de yacimientos [22]
122 Condiciones de explotacioacuten
La produccioacuten de petroacuteleo involucra dos aspectos El primero es la produccioacuten uacuteltima posible
en funcioacuten de las teacutecnicas empleadas y el segundo es el ritmo de produccioacuten de acuerdo con
el comportamiento de los pozos y de los diferentes meacutetodos de estimulacioacuten aplicables
(fracturacioacuten acidificacioacuten inyeccioacuten de vapor) Tradicionalmente se hace la distincioacuten entre
dos periacuteodos durante la explotacioacuten de un yacimiento la recuperacioacuten primaria y la
recuperacioacuten secundaria Desde el aumento del precio del petroacuteleo al principio de los antildeos
70 se considera ademaacutes una eventual recuperacioacuten terciaria yo una recuperacioacuten
(secundaria) mejorada [14]
123 Recuperacioacuten primaria
Durante este periacuteodo el petroacuteleo se drena naturalmente hacia los pozos bajo el efecto del
gradiente de presioacuten existente entre el fondo de los pozos y el seno del yacimiento
En muchos yacimientos profundos la presioacuten es mayor que la presioacuten hidrostaacutetica lo que
hace que el petroacuteleo llegue a la superficie con el solo aporte energeacutetico del yacimiento A
medida que se expanden los fluidos en el yacimiento la presioacuten tiende a bajar en forma maacutes
13
o menos raacutepida seguacuten los mecanismos involucrados En ciertos casos puede existir un
mecanismo de compensacioacuten natural que reduzca notablemente la velocidad de decaimiento
de la presioacuten como la compactacioacuten de sedimento (subsidencia) la migracioacuten de un acuiacutefero
activo o la lenta expansioacuten de una bolsa de gas
Cuando el pozo no es eruptivo o cuando la presioacuten se ha reducido se necesita un aporte
externo de energiacutea para disminuir la presioacuten en fondo de pozo O bien se bombea el crudo
desde el fondo del pozo o bien se utiliza el meacutetodo del levantamiento con gas este consiste
en inyectar gas en fondo de pozo de tal forma que el fluido producido sea una mezcla de gas
y petroacuteleo de densidad suficientemente baja para llegar a la superficie bajo el efecto de la
presioacuten del yacimiento [20]
El periacuteodo de recuperacioacuten primaria tiene una duracioacuten variable pero siempre se lleva a cabo
ya que permite recoger numerosas informaciones sobre el comportamiento del yacimiento
las cuales son de primera importancia para la planificacioacuten de la explotacioacuten ulterior
La recuperacioacuten primaria se termina cuando la presioacuten del yacimiento ha bajado demasiado
o cuando se estaacuten produciendo cantidades demasiado importantes de otros fluidos (gas
agua) El porcentaje de recuperacioacuten primaria del crudo originalmente en sitio es en promedio
del orden de 10-15 pero puede ser tan bajo como 5 en yacimientos sin gas disuelto o
alcanzar 20 y auacuten maacutes en yacimientos que poseen una baja permeabilidad y una bolsa de
gas o un acuiacutefero activo
Anteriormente se explotaba el yacimiento en recuperacioacuten primaria hasta que los gastos de
explotacioacuten se vuelvan prohibitivos en cuyo momento se pasaba a los meacutetodos de
recuperacioacuten secundaria Hoy en diacutea se inician las operaciones de recuperacioacuten secundaria
mucho antes de llegar a este punto y la seleccioacuten del meacutetodo de explotacioacuten en un yacimiento
o en una parte de un yacimiento obedece a criterios de optimizacioacuten [22]
14
124 Recuperacioacuten secundaria
Los meacutetodos de recuperacioacuten secundarios consisten en inyectar dentro del yacimiento un
fluido menos costoso que el petroacuteleo para mantener un gradiente de presioacuten Estos fluidos se
inyectan por ciertos pozos (inyectores) y desplazan o arrastran una parte del petroacuteleo hacia
los otros pozos (productores) [14]
Hasta el principio de los antildeos 70 el bajo precio del crudo haciacutea que los uacutenicos fluidos
susceptibles de inyectarse econoacutemicamente eran el agua y en ciertos casos el gas natural
El drenaje por agua permite elevar la recuperacioacuten del aceite originalmente en sitio hasta un
promedio de 25-30 con variaciones desde 15 hasta 40 seguacuten los casos
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejorada
Despueacutes de las recuperaciones primaria y secundaria el yacimiento contiene todaviacutea 60-
80 (promedio 72) del crudo originalmente en sitio Esto se debe a que la eficiencia de los
meacutetodos de recuperacioacuten primaria y secundaria estaacute limitada por dos factores [14]
A la escala de los poros el crudo alcanza una saturacioacuten residual suficientemente baja
para encontrarse en forma de gloacutebulos discontinuos atrapados por las fuerzas
capilares
A la escala del yacimiento existen ciertas zonas en las cuales el fluido inyectado
durante la recuperacioacuten secundaria no penetra por la baja permeabilidad de estas
zonas porque siguen caminos preferenciales o porque la geometriacutea de implantacioacuten
de los pozos no es favorable
Entre los meacutetodos cuyo propoacutesito es mejorar la eficiencia del desplazamiento mediante una
reduccioacuten de las fuerzas capilares se pueden citar la utilizacioacuten de solventes miscibles con
el crudo y la obtencioacuten de baja tensioacuten interfacial con soluciones de surfactantes o soluciones
alcalinas Para mejorar la eficiencia de barrido se puede reducir la viscosidad del crudo
mediante calentamiento aumentar la viscosidad del agua con poliacutemeros hidrosolubles o
taponar los caminos preferenciales por ejemplo con espumas [21]
15
Los meacutetodos actualmente propuestos para la recuperacioacuten mejorada involucran uno o varios
de estos aspectos En lo que se refiere a la utilizacioacuten de surfactantes se destacan los
siguientes
Drenaje miscible con microemulsiones
Drenaje inmiscible con soluciones de surfactantes y poliacutemeros (y a veces aacutelcali)
Inyeccioacuten de vapor con surfactante ndash espumas
126 Generalidades de pozos
La estimulacioacuten de pozos se utiliza para mejorar la productividad de pozos petroleros Esto
se logra inyectando fluidos al pozo y dependiendo del gasto y presioacuten de inyeccioacuten
alcanzada seraacute el tipo de estimulacioacuten realizada Para aumentar la produccioacuten de un pozo se
debe tratar la roca situada en la cercaniacutea para aumentar su permeabilidad esto se debe a que
la geometriacutea ciliacutendrica del pozo produce una mayor resistencia al flujo en la vecindad del
mismo Existen esencialmente dos meacutetodos de estimulacioacuten que pueden emplearse solos o
juntos la fracturacioacuten y la acidificacioacuten [23]
En ambos tipos de procesos se usan surfactantes como dispersantes de partiacuteculas finas (alquil
fenoles y alquil amonios etoxilados) y como inhibidores de corrosioacuten (alquilpiridinios)
En el proceso de fracturacioacuten se inyecta bajo alta presioacuten una mezcla de agua y de arena La
arena penetra en las fracturas producidas e impide que se vuelvan a cerrar cuando la presioacuten
retorna a lo normal
En la acidificacioacuten se inyecta una solucioacuten aacutecida (HCl HF) extremadamente corrosiva para
los metales pero capaz de disolver la roca almaceacuten (carbonato siacutelica) Se usan alquil
piridinios como inhibidores de corrosioacuten alquil fenoles etoxilados como humectantes y
alquil amonios etoxilados como dispersantes de partiacuteculas finas
A menudo en presencia de carbonatos se desea retardar la acidificacioacuten para que el fluido
aacutecido pueda penetrar a cierta distancia del pozo antes de reaccionar con la roca
Uno de los meacutetodos de retardacioacuten consiste en emulsionar la fase acuosa aacutecida en queroseno
en forma WO Para tales emulsiones se usan sulfonatos de petroacuteleo o sales de aacutecidos
16
carboxiacutelicos por la interaccioacuten que presentan los grupos ldquosulfatordquo con los hidrocarburos [22]
Siendo el queroseno la fase continua el contacto aacutecido-roca no se produce inmediatamente
y la emulsioacuten puede penetrar a varios metros del pozo antes de que se consuma todo el aacutecido
obseacutervese en la figura 13
Figura 13 Acidificacioacuten controlada mediante la inyeccioacuten de una emulsioacuten de aacutecido en
queroseno [23]
Otro meacutetodo de retardacioacuten consiste en inyectar nitroacutegeno con la solucioacuten aacutecida la cual
contiene agentes espumantes como alquil eacutester sulfatos surfactantes etoxilados y a veces
surfactantes fluorocarbonados La espuma formada juega dos papeles de una parte reduce el
contacto entre el aacutecido y la roca y por lo tanto reduce la velocidad de ataque Por otra parte
tienen tendencia en llenar las fracturas y taponarlas (efecto Jamin) lo que obliga al aacutecido a
penetrar en la zonas de baja permeabilidad (figura 14)
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumas
Sin embargo estos dos uacuteltimos meacutetodos deben emplearse con cierto cuidado para evitar el
taponamiento del pozo con emulsiones o espumas debido a la presioacuten con la que actuacutean en
17
el mismo sistema lo que puede luego tener un efecto desfavorable sobre la produccioacuten[22]
Despueacutes de la acidificacioacuten se pone el pozo en produccioacuten para eliminar el residuo de aacutecido
y las partiacuteculas finas producidas por la desagregacioacuten de la roca Es en esta etapa que se
requieren agentes dispersantes
Ciertos meacutetodos de estimulacioacuten consisten en inyectar surfactantes para bien sea cambiar la
mojabilidad de la roca de mojable por el agua a mojable por el aceite bien sea desplazar
el crudo atrapado en la cercaniacutea del pozo Tales meacutetodos se usan para estimular pozos que
han dejado de producir por cierto tiempo o que han sufrido un dantildeo
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluido
131 Porosidad
Es el volumen de huecos de la roca y define la capacidad de eacutesta para almacenar fluidos Se
expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca
(porosidad total o bruta) [24]
Tipos de Porosidad
Absoluta La porosidad absoluta se considera como el volumen poroso total (esteacuten o
no interconectados)
Efectiva La porosidad efectiva se refiere al porcentaje de poros interconectados que
permiten la circulacioacuten de fluidos
No efectiva Representa la diferencia entre las porosidades anteriores es decir la
porosidad absoluta y la efectiva
132 Permeabilidad
18
La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo
atraviese sin alterar su estructura interna Se afirma que un material es permeable si deja
pasar a traveacutes de eacutel una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado e impermeable si la
cantidad de fluido es despreciable Se define con la ecuacioacuten de Darcy [14]
119876 =119870119860
120583
119889119875
119889119905 119910 119870 =
119876120583
119860 119889119897
119889119875 (1)
Doacutende
A Aacuterea de flujo (cm2)
Q Gasto (cm3 s-1)
dP Diferencia de presiones a la entrada y salida del permeaacutemetro (kPa)
dl Longitud del medio poroso (cm)
micro Viscosidad del fluido (cP)
K Velocidad de filtracioacuten (m s-1)
Si el fluido es homogeacuteneo y no produce ninguna accioacuten importante sobre la roca se habla
de permeabilidad absoluta pero si en la roca existen varios fluidos como es el caso de un
yacimiento petroliacutefero en el que se puede tener petroacuteleo agua y gas se producen
interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los
fluidos
La permeabilidad relativa corresponde a la relacioacuten entre permeabilidad absoluta y efectiva
Para un fluido dado variacutea en funcioacuten directa con la saturacioacuten de ese fluido en la roca y se
expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro
133 Tortuosidad
19
Una medida de la complejidad geomeacutetrica de un medio poroso La tortuosidad es una relacioacuten
que caracteriza los trayectos de la difusioacuten del fluido y la conduccioacuten eleacutectrica a traveacutes de los
medios porosos En mecaacutenica de fluidos de los medios porosos la tortuosidad es la relacioacuten
del largo de la corriente natural de un fluido (una liacutenea o trayecto de flujo) entre dos puntos
y la distancia en liacutenea recta entre esos puntos Por consiguiente la tortuosidad se relaciona
con la relacioacuten entre el coeficiente de difusioacuten de un fluido cuando no estaacute confinado por un
medio poroso y su coeficiente de difusioacuten efectivo cuando estaacute confinado en un medio poroso
[22] Este paraacutemetro es calculado con la ecuacioacuten 2
119879 =119871119864
119871 ( 2)
Doacutende
L es la longitud de la muestra de roca (cm)
LE es la longitud de la trayectoria de difusioacuten del fluido sobre la muestra (cm)
El flujo de fluidos a traveacutes de medios porosos estaacute fuertemente afectado por fenoacutemenos de
superficie los cuales representan fuerzas retentivas de fluidos en el medio poroso La accioacuten
de la estimulacioacuten matricial no reactiva concierne principalmente a la alteracioacuten de estas
fuerzas retentivas manifiestas en los fenoacutemenos de tensioacuten superficial mojabilidad y
capilaridad [20]
134 Tensioacuten Superficial e Interfacial
La materia en sus diferentes estados (soacutelido liacutequido y gaseoso) estaacute compuesta de moleacuteculas
las cuales presentan una atraccioacuten llamada fuerza de cohesioacuten Esta fuerza es una
combinacioacuten de fuerzas electrostaacuteticas y de Van der Waals [21] Naturalmente estas fuerzas
son de diferente magnitud dependiendo del estado de la materia Por ejemplo en el seno de
un liacutequido una moleacutecula es rodeada por moleacuteculas similares ejerciendo unas con otras
fuerzas iguales de atraccioacuten por lo que eacutestas se encuentran balanceadas tal como se muestra
en la figura 15
20
15 Representacioacuten de fuerzas intermoleculares en un sistema bifaacutesico (soacutelido-liacutequido)
En la interfase entre un liacutequido y un soacutelido o entre un liacutequido y un gas estas fuerzas son
desequilibradas causando que exista una resultante en la interfase con ello se crea una
energiacutea libre de superficie En la misma figura 15 se observa la fuerza resultante en la
interfase del sistema denotada con el teacutermino FR cuyo valor representa la tensioacuten que existe
entre las moleacuteculas de las fase liquida y gaseosa
Esta fuerza seraacute mayor entre mayores sean las fuerzas de atraccioacuten de las moleacuteculas del
liacutequido Si se deseara romper esta superficie se tendriacutea que realizar un trabajo por unidad de
aacuterea equivalente a vencer la energiacutea libre de superficie Este trabajo por unidad de aacuterea se
denomina tensioacuten superficial y su valor especiacutefico para cada liacutequido depende
principalmente de la temperatura y presioacuten a las cuales se encuentre
Para medir la tensioacuten superficial se utilizan varios meacutetodos de los cuales el maacutes utilizado es
el meacutetodo de Du Nouumly Este procedimiento consiste en colocar en el liacutequido un arillo de
platino y llevarlo hasta la interfase midiendo la fuerza necesaria con la que el anillo rompe
la superficie La tensioacuten superficial generalmente se da en dina cm-1 Para el agua a
21
condiciones estaacutendar la tensioacuten superficial es de 72 dina cm-1 para el benceno es de 29 dina
cm-1 [19]
En 1905 Young mostroacute que las propiedades mecaacutenicas de la energiacutea libre de superficie
podriacutean relacionarse con una membrana hipoteacutetica en la superficie Usando en concepto de
tensioacuten superficial Young fue capaz de derivar expliacutecitamente la condicioacuten de equilibrio
mecaacutenico de una superficie curva entre dos fases [21] La ecuacioacuten de Young se expresa en la
ecuacioacuten 3
119875primeprime minus 119875prime =2120590
119903 (3)
Doacutende
Pacute Presioacuten en la fase externa (kPa)
Pacuteacute Presioacuten en la fase interna (kPa)
σ Tensioacuten Superficial (Erg)
r Radio de curvatura (cm)
Si un liacutequido estaacute en contacto con otra sustancia (gas soacutelido u otros liacutequidos inmiscibles) hay
una energiacutea libre interfacial Esto significa que se tiene que realizar cierta cantidad de trabajo
con el fin de separar ambos medios Los dos principales paraacutemetros que afectan a la magnitud
de la tensioacuten superficial son la temperatura y la composicioacuten quiacutemica de las fases La
variacioacuten de la tensioacuten superficial liacutequido-vapor (γLG) usualmente sigue una relacioacuten lineal
seguacuten la expresioacuten [15]
120574119871119866 = 1205740 + (∆120575119871119866
∆119879) (119879 minus 119879119898) (4)
Doacutende
γLG Tensioacuten interfacial liquido-gas (dina cm-1)
γ0 Tensioacuten superficial del liacutequido (dina cm-1)
ΔδLG Diferencia de densidad entre fase liacutequida y fase gaseosa (kg m-3)
22
ΔT Diferencia de temperaturas
T Temperatura del sistema (degC)
Tm Temperatura media (degC)
En general la tensioacuten superficial para metales fundidos disminuye con el incremento de la
temperatura (dγLGdT) lt 0 ya que las fuerzas de cohesioacuten disminuyen al aumentar la
agitacioacuten teacutermica La influencia del medio exterior se debe a que las moleacuteculas del medio
ejercen acciones atractivas sobre las moleacuteculas situadas en la superficie del liacutequido
contrarrestando las acciones de las moleacuteculas del interior del liacutequido
La medida de la tensioacuten superficial en soacutelidos policristalinos es compleja comparada con la
medida de γLG y en consecuencia los datos experimentales son difiacutecilmente fiables Se han
desarrollado modelos teoacutericos para predecir γSG pero con un eacutexito limitado Por otro lado la
tensioacuten γSL no puede ser medida directamente soacutelo puede predecirse con la ayuda de modelos
teoacutericos [19] El uso de la ecuacioacuten 5 para determinar el trabajo de adherencia (conociendo
previamente γLG o midieacutendolo simultaacuteneamente con θ) es una de las praacutecticas maacutes habituales
para investigar la mojabilidad de soacutelidos por metales liacutequidos
119882119886 = 120574119871119866(1 + 119888119900119904120579)
Donde
Wa Mojabilidad
γLG= Tensioacuten interfacial (dina cm-1)
θ= Angulo de contacto (deg)
135 Mojabilidad
23
La mojabilidad es uno de los fenoacutemenos de superficie y representa la interaccioacuten soacutelidondash
liacutequido este paraacutemetro depende de las fuerzas intermoleculares de los materiales en contacto
la fuerza de adhesioacuten entre el liacutequido y el soacutelido provoca que el liacutequido se extienda por la
superficie mientras que la de cohesioacuten del liacutequido hacen que eacuteste se abulte y tienda a evitarla
Es claro que tambieacuten estaacute muy relacionada con la capilaridad porque algunas sustancias
disueltas en el agua pueden modificar su tensioacuten superficial y por lo tanto su mojabilidad [14]
El aacutengulo de contacto ϴ es el aacutengulo que forma el liacutequido respecto a la superficie de contacto
con el soacutelido y estaacute determinado por la resultante de las fuerzas adhesivas y cohesivas Como
la tendencia de una gota a expandirse en una superficie plana aumenta con la disminucioacuten
del aacutengulo de contacto este aacutengulo proporciona una medida inversa de la mojabilidad [25]
Un aacutengulo de contacto pequentildeo (lt 90deg) indica que la mojabilidad es muy alta y el fluido se
extenderaacute sobre la superficie aacutengulos de contacto grandes (gt 90deg) significan que la
mojabilidad es baja y el fluido disminuiraacute el contacto con la superficie formando una gota
compacta este efecto puede observarse en las figuras 6a 6b y 6c Cuantitativamente la
mojabilidad se define como el producto de la tensioacuten superficial por el aacutengulo de contacto
esto es
119882119886 = 120590119888119900119904120579 (5)
Figura 16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidad [25]
El fenoacutemeno de mojabilidad es de gran importancia para el flujo de aceite en un medio
poroso Se ha demostrado que si la roca se encuentra mojada por agua la permeabilidad al
a) b) c)
24
aceite es muy superior al caso en que la roca se encuentre mojada por aceite lo cual favorece
la recuperacioacuten del aceite contenido en el yacimiento [26]
136 Capilaridad
La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de adsorber a otra Sucede cuando las
fuerzas intermoleculares adhesivas entre el liacutequido y el soacutelido son mayores que las fuerzas
intermoleculares cohesivas del liacutequido Cuando un liacutequido sube por un tubo capilar es debido
a la cohesioacuten intermolecular entre sus moleacuteculas es menor que la adhesioacuten del liacutequido con el
material del tubo es decir es un liacutequido que moja El liacutequido sigue subiendo hasta que la
tensioacuten superficial es equilibrada por el peso del liacutequido que llena el tubo
Al sumergir un tubo de vidrio capilar en agua eacutesta se elevaraacute en el tubo como se muestra en
la figura 17 en este caso se define como presioacuten capilar la diferencia de presiones en la
interfase [5]
Figura 17 Efecto de la capilaridad [5]
La presioacuten capilar seraacute la fuerza requerida para soportar la columna de agua en el tubo
dividida entre el aacuterea del capilar se explica con la ecuacioacuten 6
119875119862 = 120588119892ℎ119888 (6)
Doacutende
25
Pc Presioacuten capilar (N m-2)
ρ Densidad (kg m-3)
g Aceleracioacuten de la gravedad (981 m s-2)
hc Altura de la columna (m)
137 Adsorcioacuten
La adsorcioacuten es un proceso de separacioacuten y concentracioacuten de uno o maacutes componentes de un
sistema sobre una superficie soacutelida o liacutequida Los distintos sistemas heterogeacuteneos en los que
puede tener lugar la adsorcioacuten son soacutelido-liacutequido soacutelido-gas y liacutequido-gas Como en otros
procesos de este tipo los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases
La adsorcioacuten es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra
sobre la superficie de otra fase (generalmente soacutelida) Por ello se considera como un
fenoacutemeno subsuperficial La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama
adsorbato y la fase impregnada se llama adsorbente [21] Lo anterior se muestra en la
figura 18
Figura 18 Proceso de adsorcioacuten
1371 Tipos de adsorcioacuten
Cabe distinguir tres tipos de adsorcioacuten seguacuten sea la atraccioacuten entre el soluto y el adsorbente
sea de tipo eleacutectrico de Van der Waals (o Fiacutesica) o de naturaleza quiacutemica [23]
26
Eleacutectrica Cae de lleno dentro del intercambio ioacutenico y a menudo se le llama
adsorcioacuten por intercambio que es un proceso mediante el cual los iones de una
sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atraccioacuten electrostaacutetica
en los lugares cargados de la superficie Para dos absorbatos ioacutenicos posibles a
igualdad de otros factores la carga del ioacuten es el factor determinante en la adsorcioacuten
de intercambio Para iones de igual carga el tamantildeo molecular (radio de solvatacioacuten)
determina el orden de preferencia para la adsorcioacuten (figura 19)
Figura 19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectrica
Fiacutesica La adsorcioacuten que tiene lugar debido a las fuerzas de Van der Waals se llama
generalmente adsorcioacuten fiacutesica En este caso la moleacutecula adsorbida no estaacute fija en un
lugar especiacutefico de la superficie sino maacutes bien estaacute libre de trasladarse dentro de la
interfase Esta adsorcioacuten en general predomina a temperaturas bajas El aumento de
la temperatura disminuye considerablemente la adsorcioacuten (figura 110)
No se produce adsorcioacuten a temperaturas superiores a la temperatura criacutetica del
adsorbato gaseoso si la presioacuten del gas tiene valores cercanos a la presioacuten de vapor
de equilibrio para el adsorbato liacutequido se produciraacute una adsorcioacuten maacutes extensa en
capas muacuteltiples
27
Figura 110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesica
Quiacutemica Si el adsorbato sufre una interaccioacuten quiacutemica con el adsorbente el
fenoacutemeno se llama adsorcioacuten quiacutemica adsorcioacuten activa o quimisorcioacuten Las energiacuteas
de adsorcioacuten son elevadas del orden de las de un enlace quiacutemico debido a que el
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente Esta adsorcioacuten suele estar favorecida a una temperatura elevada [17]
(figura 111)
Figura 111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemica
La mayor parte de los fenoacutemenos de adsorcioacuten son combinaciones de las tres formas de
adsorcioacuten y de hecho no es faacutecil distinguir entre adsorcioacuten fiacutesica y quiacutemica
28
14 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten es el proceso en donde un fluido que satura un medio capilar es desplazado
por otro fluido Eacutesta es espontaacutenea cuando el fluido desplazante penetra el medio capilar
uacutenicamente bajo la accioacuten de las fuerzas capilares Las muestras de roca que imbiben
uacutenicamente agua se dice que son mojadas por agua de igual manera las que lo hacen con el
aceite son mojadas por aceite [10]
La imbibicioacuten es importante en un yacimiento que produce por mecanismos de empuje de
agua porque puede favorecer u obstruir el movimiento del agua afectando el aacuterea del barrido
Una prueba de imbibicioacuten es una comparacioacuten del potencial de imbibicioacuten del petroacuteleo y del
agua en una roca tal como se muestra en la figura 112 La mojabilidad de la roca es
determinada por la fase que maacutes absorbe
Figura 112 Celda de imbibicioacuten espontanea [10]
141 Interaccioacuten roca-fluido
29
La mojabilidad es muy importante en los procesos de recuperacioacuten de aceite debido al fuerte
efecto que eacutesta ejerce en la distribucioacuten localizacioacuten y flujo de aceite y agua dentro del
yacimiento durante la produccioacuten
Generalmente se asume que los yacimientos de aceite fueron creados por la acumulacioacuten de
hidrocarburos en rocas que originalmente conteniacutean agua y por ello se deduce que las rocas
de todos los yacimientos fueron originalmente mojadas por agua [23]
Asimismo existen casos aislados en los cuales despueacutes de haberse hecho pruebas se
descubrioacute que algunos yacimientos eran originalmente mojados por aceite Principalmente
los asfaltenos pesados y las fracciones de resina del aceite crudo son capaces de alterar por
adsorcioacuten la mojabilidad de una caliza mojada originalmente por agua a una mojada por
aceite en su superficie Los componentes maacutes importantes en el aceite crudo responsables
del cambio de mojabilidad son aquellos que contienen grupos cargados como un aacutecido o una
base
Las rocas carbonatadas usualmente llevan cargan positivas en la superficie y tienen una
afinidad mayor por los componentes aacutecidos del aceite crudo En el caso de las areniscas cuya
carga de superficie es negativa se tiene una mayor atraccioacuten por los componentes baacutesicos
del aceite crudo [10] La figura 113 es una representacioacuten esquemaacutetica de coacutemo las partes
aacutecidas del aceite se adsorben sobre la superficie de la caliza generando un estado maacutes mojado
por aceite
Figura 113 Esquema de las partes aacutecidas del aceite crudo sobre una superficie de roca
carbonatada
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacutenea
30
La comprensioacuten de los mecanismos detraacutes de la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes
puede mejorar el desempentildeo y aplicacioacuten del producto en operaciones de campo
Diversos investigadores notaron que para cada tipo de roca la efectividad de la alteracioacuten de
la mojabilidad depende de la naturaleza ioacutenica del surfactante empleado En nuacutecleos de
calizas mojadas por aceite Austad [19] observoacute que surfactantes catioacutenicos funcionaron
mejor que surfactantes anioacutenicos en el cambio de mojabilidad hacia un estado maacutes mojado
por agua Pensaron que para los surfactantes catioacutenicos el mecanismo responsable de la
alteracioacuten de la mojabilidad en una roca carbonatada mojada por aceite era la formacioacuten de
ion-par entre las cabezas catioacutenicas de las moleacuteculas de surfactante y los componentes aacutecidos
del aceite crudo adsorbidos en la superficie de la roca carbonatada
La formacioacuten del ioacuten-par puede remover la capa de aceite crudo adsorbida sobre la superficie
de la roca logrando exponer la superficie de la roca carbonatada originalmente mojada por
agua En cambio las moleacuteculas de los surfactantes anioacutenicos forman una capa en la
superficie de la roca carbonatada a traveacutes de la interaccioacuten hidrofoacutebica de las colas del
surfactante en la superficie La capa de surfactantes adsorbidos con los grupos de cabezas
hidrofiacutelicas cubriendo la roca originalmente mojada por aceite pueden cambiar la
mojabilidad del medio poroso a uno maacutes mojado por agua En este caso las interacciones
hidrofoacutebicas son mucho maacutes deacutebiles que las interacciones ioacuten-par explicando por queacute los
surfactantes catioacutenicos funcionan mejor que los anioacutenicos en la alteracioacuten de mojabilidad en
rocas carbonatadas hacia un estado maacutes mojado por agua Esas pruebas e hipoacutetesis fueron el
comienzo de un estudio que otros investigadores culminaron en un estudio de la mecaacutenica de
la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes [19]
143 Cambio de mojabilidad por el ioacuten-par
31
La formacioacuten del ioacuten-par es influenciado principalmente por interacciones electrostaacuteticas
entre las cabezas hidrofiacutelicas de los surfactantes y estabilizada por interacciones de las
secciones hidrofoacutebicas de la moleacutecula de surfactante Como se muestra en la figura 114 la
formacioacuten de iones-par remueve los componentes del aceite crudo adsorbido sobre la
superficie de la roca dando lugar a la cara originalmente mojada por agua [23]
Figura 114 Modelo esquemaacutetico del cambio de mojabilidad con la aplicacioacuten de
surfactantes
Los iones-par formados durante el proceso no son solubles en agua y por ello se mueven
raacutepidamente dentro de la fase aguaaceite hacia la fase aceite dejando las moleacuteculas de
surfactante libres en la fase agua para asociarse con los componentes del aceite adsorbidos
en la superficie de la roca (figura 114) De esta manera el surfactante cambia
satisfactoriamente la mojabilidad de la superficie de la roca a un estado maacutes mojado por agua
15 Surfactantes
Tambieacuten llamados agentes tensoactivos son moleacuteculas que poseen una doble afinidad
quiacutemica debido a su estructura de tipo polar-apolar Un surfactante o agente superficialmente
activo es una especie quiacutemica que es activa en la interfase entre dos fases como un
detergente que es activo en la interfase entre las fases hidroacutefila e hidroacutefoba El detergente se
acumula en la interfase y modifica la tensioacuten superficial La tensioacuten superficial disminuye
cuando un soluto se acumula en la interfase siendo el soluto en este caso el agente
tensoactivo [21] Su representacioacuten claacutesica se indica en la Figura 115
32
115 Representacioacuten de una moleacutecula surfactante
La parte polar o hidrofiacutelica es un grupo funcional ioacutenico o no ioacutenico generalmente constituida
por heteroaacutetomos como oxiacutegeno azufre nitroacutegeno y foacutesforo que permiten un alto grado de
solubilidad en solventes polares particularmente en agua La parte apolar o lipofiacutelica
generalmente es una cadena hidrocarbonada de tipo alquil o alquilbenceno con presencia en
ciertos casos de aacutetomos de un haloacutegeno u oxiacutegeno la cual es soluble en solventes orgaacutenicos
no polares particularmente hidrocarburos aceites y grasas Debido a esta dualidad polar-
apolar una moleacutecula de surfactante tiene tendencia a migrar a una intercara o una superficie
con la finalidad de satisfacer sus dos tipos de afinidad Sin embargo no todas las sustancias
anfifiacutelicas poseen esta propiedad [14]
151 Clasificacioacuten de los surfactantes
Debido a que la accioacuten de los surfactantes depende principalmente de fuerzas electrostaacuteticas
eacutestos se clasifican de acuerdo a la naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua Los
surfactantes se dividen en anioacutenicos catioacutenicos no ioacutenicos y zwitterioacutenicos (anfoteacutericos)
La tabla 13 muestra su clasificacioacuten incluyendo su descripcioacuten esquemaacutetica las
caracteriacutesticas de carga del grupo soluble en agua los grupos quiacutemicos maacutes importantes y
sus usos principales
La naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua se usa para clasificar los surfactantes en
cuatro clases
33
Tabla 13 Clasificacioacuten de Surfactantes
Clasificacioacuten Descripcioacuten Carga del grupo
soluble en agua
Grupos Quiacutemicos Usos
Anioacutenicos M+ + Negativa Sulfonatos
Sulfatos
Fosfatos
Fosfonatos
No
emulsificantes
Retardadores
Limpiadores
Catioacutenicos X- - Positiva Grupos aminos No
emulsificantes
Inhibidores de
corrosioacuten
No ioacutenicos XxR Sin Carga Alcoholes
Alquilfenoles
Esteres
Eteres
Amidas
Etileno
No
emulsificantes
Espumantes
Inhibidores de
corrosioacuten
Zwitterioacutenicos M+ X- Posee ambas
cargas
Dodedil amino
aacutecido propionico
Inhibidores de
corrosioacuten
Los surfactantes anioacutenicos se disocian en un anioacuten anfiacutefilo y un catioacuten el cual es en general
un metal alcalino o un grupo alquiacutelico A este tipo pertenecen los detergentes sinteacuteticos como
los alquil benceno sulfonatos los jabones (sales de sodio de aacutecidos grasos) los agentes
espumantes como el lauril sulfato los humectantes del tipo sulfosuccinato los dispersantes
del tipo lignosulfonatos etc La produccioacuten de los surfactantes anioacutenicos representa
alrededor del 55 de los surfactantes producidos anualmente en el mundo FIRP 303
Los surfactantes no ioacutenicos estaacuten en el segundo rango por orden de importancia con un poco
menos del 40 del total En solucioacuten acuosa no se ionizan puesto que ellos poseen grupos
hidroacutefilos del tipo alcohol fenol eacutester eacuteter o amida Una alta proporcioacuten de estos
surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofiacutelicos gracias a la presencia de una cadena
polieacuteter del tipo polioacutexido de etileno El grupo hidroacutefobo es generalmente un radical alquilo
o alquil benceno y a veces una estructura de origen natural como un aacutecido graso sobre todo
cuando se requiere una baja toxicidad
34
Los surfactantes catioacutenicos se disocian en solucioacuten acuosa en un catioacuten orgaacutenico anfiacutefilo y
un anioacuten generalmente del tipo halogenuro La gran mayoriacutea de estos surfactantes son
compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario La fabricacioacuten
de estos surfactantes es mucho maacutes cara que la de los anteriores y es por esta razoacuten que no
se les utilizan salvo en caso de aplicacioacuten particular como cuando se hace uso de sus
propiedades bactericidas o de su facilidad de adsorcioacuten sobre sustratos bioloacutegicos o inertes
que poseen una carga negativa
Esta uacuteltima propiedad hace que sean excelentes agentes antiestaacuteticos hidrofobantes asiacute
como inhibidores de corrosioacuten [24] y puedan ser utilizados tanto en productos industriales
como para uso domeacutestico
La combinacioacuten dentro de una misma moleacutecula de dos caracteres anioacutenico y catioacutenico
producen un surfactante llamado anfoacutetero o zwitterioacutenico como por ejemplo los
aminoaacutecidos las betaiacutenas o los fosfoliacutepidos ciertos anfoacuteteros son insensibles al pH otros
son de tipo catioacutenico a pH aacutecido y de tipo anioacutenico a pH alto Los anfoacuteteros son en general
tan caros como los catioacutenicos y por esta razoacuten su utilizacioacuten se reduce a aplicaciones
particulares
152 Propiedades de los surfactantes
Los surfactantes poseen dos propiedades fundamentales que permiten explicar las
caracteriacutesticas de su utilizacioacuten actividad superficial o interfacial adsorcioacuten y asociacioacuten
micelar
1511 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacuten
Cuando un surfactante estaacute presente a baja concentracioacuten en un sistema tiene la propiedad
de adsorberse en la superficie (liacutequido-gas) o en la cara interfacial (liacutequido-liacutequido) del
sistema Este fenoacutemeno que es debido a sus caracteriacutesticas anfifiacutelicas provoca una
disminucioacuten notable de la energiacutea libre superficial o interfacial
35
La energiacutea libre de la moleacutecula en la cara interfacial es inferior a la de la moleacutecula
solubilizada en la fase acuosa por tanto la transferencia desde el seno de la fase hacia la cara
interfacial llamada adsorcioacuten se realiza de manera espontaacutenea
La disminucioacuten de la tensioacuten interfacial provocada por la adsorcioacuten del surfactante favorece
la deformacioacuten y la ruptura de la cara interfacial la formacioacuten de sistemas dispersos como
las emulsiones y las espumas la movilizacioacuten del petroacuteleo residual en pozos entre otros [26]
1512 Micelas y asociacioacuten micelar
En soluciones diluidas el surfactante se encuentra en el seno del liacutequido bajo la forma de
solucioacuten molecular A partir de cierta concentracioacuten llamada concentracioacuten micelar criacutetica
(CMC) la fase acuosa se satura y la adicioacuten de maacutes moleacuteculas de surfactante provoca la
formacioacuten de agregados de tipo coloidal llamadas micelas [21]
Estos agregados pueden reunir entre decenas y centenas de moleacuteculas y su dimensioacuten y
estructura dependen de la estructura y del ambiente fisicoquiacutemico del surfactante La
tendencia liofoacutebica de una parte de la moleacutecula surfactante es el principal promotor de la
formacioacuten de las micelas en las cuales el surfactante alcanza una posicioacuten favorable para
satisfacer su doble afinidad
Generalmente se presenta a una micela como una entidad estaacutetica sin embargo las micelas
son agregados moleculares en equilibrio dinaacutemico con las moleacuteculas de surfactante dispersas
en el disolvente [19] De hecho se puede citar que ocurren dos procesos baacutesicos i) intercambio
de las micelas con las moleacuteculas de surfactante en el disolvente y con otras micelas que
ocurre en microsegundos o milisegundos y ii) la renovacioacuten real de una micela completa por
este proceso (de milisegundos a segundos)
Cuando el medio continuo estaacute formado por una sustancia no polar (denominado
geneacutericamente aceite aunque su estructura quiacutemica no corresponda a este nombre) se
forman las llamadas micelas inversas Ahora las cabezas polares estaacuten orientadas hacia el
interior de la micela y estaacuten en contacto con agua o alguna otra sustancia polar mientras que
las colas hidrocarbonadas se dirigen hacia el exterior de la micela (en contacto con el
36
disolvente apolar) como se muestra en la figura 116 Estos sistemas son mucho maacutes
complejos que los formados por las micelas normales tienen valores propios para la CMC y
nuacutemero de agregacioacuten aunque su tamantildeo y forma es similar al de las micelas normales
Figura 116 Tipos de micela A) micela normal B) micela inversa
El tamantildeo de una micela esfeacuterica estaacute determinado por el equilibrio entre las fuerzas de
atraccioacuten entre las colas hidrocarbonadas entre siacute (realmente se debe a que las moleacuteculas de
agua tienden a expulsar a las moleacuteculas hidrofoacutebicas de su contacto) y las fuerzas de repulsioacuten
electrostaacutetica de las cabezas polares (ayudada por efectos esteacutericos y de hidratacioacuten)
Mediante estudios de difraccioacuten de neutrones a aacutengulo pequentildeo se ha determinado la
estructura de una micela esfeacuterica el nuacutecleo es hidrocarbonado los grupos polares junto con
algunos contraiones (iones de carga opuesta al de la cabeza polar del surfactante) constituyen
la capa ioacutenica de Stern con un espesor de 02 a 04 nm y una capa difusa de Gouy-Chapman
mostrado en la figura 117
37
Figura 117 Comportamiento estaacutetico micelar
A concentraciones de surfactante ligeramente mayores que la CMC las micelas son esfeacutericas
al aumentar la concentracioacuten ciertas propiedades de la disolucioacuten indican un cambio en la
estructura de los agregados micelares Esto se debe probablemente a interacciones entre las
micelas Incrementando la concentracioacuten las micelas adoptan formas ciliacutendricas o lamelares
o en algunos casos de discos A concentraciones superiores pueden ocurrir transiciones de
fase de solucioacuten micelar a cristales liacutequidos
Algunas de las caracteriacutesticas que hacen atractivas a las micelas para aplicaciones analiacuteticas
son la existencia de la capa ioacutenica de Stern (en micelas ioacutenicas) la orientacioacuten anisotroacutepica
(o grado de ordenamiento) del nuacutecleo de la micela el ordenamiento de la interfaz micelar
debido a la carga y a las interacciones con el disolvente y a la diferencia de polaridad entre
el disolvente y el interior micelar
Muchas propiedades fiacutesicas de las soluciones de surfactante (conductividad tensioacuten
superficial densidad etc) cambian de manera notable en la CMC Comuacutenmente la CMC se
obtiene por la interseccioacuten de dos curvas que representan una propiedad fiacutesica determinada
de la solucioacuten una curva representa la propiedad fiacutesica a concentraciones inferiores a la CMC
y la otra representa la propiedad fiacutesica a concentraciones superiores [10]
38
16 Emulsiones
Las emulsiones son sistemas dispersos constituidos por dos liacutequidos inmiscibles en los cuales
la fase en suspensioacuten (fase interna o dispersa) se encuentra en forma de pequentildeas gotas
contenida en la fase externa (fase continua o dispersante) como se muestra en la figura 118
La estructura de las emulsiones estaacute estabilizada por un agente surfactante llamado
emulsionante Por definicioacuten una emulsioacuten es un sistema termodinaacutemicamente inestable y
tarde o temprano debe separarse en sus dos fases [19]
Figura 118 Micrografiacutea de una emulsioacuten WO
La nocioacuten de estabilidad es por supuesto relativa pero se refiere a una casi ausencia de
cambio durante un periacuteodo de tiempo suficientemente largo para el propoacutesito de la aplicacioacuten
praacutectica lo cual puede variar de algunos minutos a algunos antildeos
Las cantidades relativas de fase dispersa y fase continua (referidas tambieacuten como fase interna
y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades Por debajo de 20 de fase
interna se habla de una emulsioacuten de bajo contenido de fase interna En tales emulsiones se
puede considerar que hay poca interaccioacuten de las gotas entre siacute
39
161 Tipos de emulsiones
En la mayoriacutea de los casos en los cuales se hace una emulsioacuten con dos liacutequidos
inmiscibles uno de los liacutequidos es una fase acuosa y el otro una fase aceite u orgaacutenica Se
usan las abreviaturas O para el aceite y W para el agua siguiendo la nomenclatura
anglosajona Las emulsiones se clasifican [26]
Aceite en agua (OW) Esta emulsioacuten contiene gotas de aceite dispersadas en agua
es la emulsioacuten normal para todas las aplicaciones con excepcioacuten de la produccioacuten de
petroacuteleo en la cual se denomina emulsioacuten inversa
Agua en aceite (WO) En esta emulsioacuten la fase dispersa es el agua mientras que la
continua es el aceite esta es la emulsioacuten normal en la industria petrolera y la inversa
para todas las demaacutes aplicaciones
Agua en aceite en agua (WOW) Cuando las gotas de aceite de una emulsioacuten OW
contienen en su interior gotitas de agua se dice que se tiene una emulsioacuten muacuteltiple
del tipo WOW Las emulsiones muacuteltiples se encuentran en forma espontaacutenea en
ciertas circunstancias o pueden prepararse al propoacutesito
Aceite en agua en aceite (OWO) Este tipo de emulsioacuten no se encuentra con
frecuencia y estaacute constituida por una fase continua de aceite con gotas dispersas de
agua en su interior las cuales a su vez contienen pequentildeiacutesimas gotas de la fase
aceitosa
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleo
Durante las operaciones de extraccioacuten del petroacuteleo la mezcla bifaacutesica de petroacuteleo y agua se
desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden de 1 piediacutea lo que es insuficiente
para que se forme una emulsioacuten Sin embargo al pasar por todo el aparataje de produccioacuten
durante el levantamiento y el transporte en superficie (bombas vaacutelvulas codos restricciones
etc) se produce la agitacioacuten suficiente para que el agua se disperse en el petroacuteleo en forma
de emulsioacuten WO estabilizada por las especies de actividad interfacial presentes en el crudo
(asfaacuteltenos y resinas) y por soacutelidos
40
Existen tres requisitos esenciales para formar una emulsioacuten
Dos liacutequidos inmiscibles como el agua y el aceite
Suficiente agitacioacuten para dispersar uno de los liacutequidos en pequentildeas gotas en el otro
Un agente emulsionante para estabilizar las gotas dispersas en la fase continua
En los campos petroleros las emulsiones se conocen como emulsiones directas (agua
en aceite WO) y emulsiones indirectas (aceite en agua OW) Otra terminologiacutea en la
industria petrolera es clasificar las emulsiones directas producidas como duras y suaves Por
definicioacuten una emulsioacuten dura es muy estable y difiacutecil de romper principalmente porque las
gotas dispersas son muy pequentildeas Por otro lado una emulsioacuten suave es inestable y faacutecil de
romper En otras palabras cuando un gran nuacutemero de gotas de agua de gran diaacutemetro estaacuten
presentes ellas a menudo se separan faacutecilmente por la fuerza gravitacional El agua que se
separa en menos de cinco minutos es llamada agua libre
La mejor forma de deshidratar es evitar que se produzca la emulsioacuten o por lo menos
reducir al maacuteximo las condiciones que favorezcan el emulsionado
En pozos fluyentes una agitacioacuten considerable es generalmente causada por el gas
disuelto saliendo de la solucioacuten (el gas se desorbe) conforme decrece la presioacuten Este gas
tambieacuten causa turbulencia cuando fluye junto con la mezcla bifaacutesica agua-aceite a traveacutes de
accesorios y restricciones en la tuberiacutea de produccioacuten pasa por supuesto lo mismo cuando
se utiliza el levantamiento con gas Esta turbulencia puede ser reducida pero no eliminada
instalando un estrangulador de fondo Este estrangulador reduce la estabilidad de la emulsioacuten
por las siguientes causas
Hay menos presioacuten diferencial
La temperatura de fondo de pozo es considerablemente maacutes alta que la temperatura
en la superficie
Hay flujo laminar para una gran distancia corriente abajo del estrangulador de fondo
y por lo tanto menos turbulencia
Actualmente el 90 de las teacutecnicas utilizadas para la extraccioacuten de petroacuteleo crudo
generan o agravan los problemas de emulsionado Los quiacutemicos usados en las fracturas de la
41
formacioacuten estimulaciones de pozos inhibicioacuten de corrosioacuten etc frecuentemente causan
severos problemas de emulsionaje por lo que existen meacutetodos para romperlas tales como el
calentamiento aditivos quiacutemicos tratamiento eleacutectrico y asentamiento En los casos de bajo
contenido de agua (lt 10) resulta ventajoso antildeadir agua en fondo de pozo antes que se
produzca la emulsioacuten porque asiacute la emulsioacuten formada seraacute menos estable (el tamantildeo de gotas
aumenta y se favorece la coalescencia [22]
163 Agentes emulsionantes
Los agentes emulsionantes son numerosos y pueden ser clasificados
Compuestos naturales surfactantes tales como asfaltenos y resinas conteniendo
aacutecidos orgaacutenicos y bases aacutecidos nafteacutenicos aacutecidos carboxiacutelicos compuestos de
azufre fenoles cresoles y otros surfactantes naturales de alto peso molecular
Soacutelidos finamente divididos tales como arena arcilla finos de formacioacuten esquistos
lodos de perforacioacuten fluidos para estimulacioacuten incrustaciones minerales productos
de la corrosioacuten (por ejemplo sulfuro de hierro oacutexidos) parafinas asfaltenos
precipitados Los fluidos para estimulacioacuten de pozos pueden contribuir a formar
emulsiones muy estables
Quiacutemicos de produccioacuten antildeadidos tales como inhibidores de corrosioacuten biocidas
limpiadores surfactantes y agentes humectantes
Estos agentes pueden adsorberse en la interfase de la gota de agua y formar una peliacutecula
riacutegida que resulta en una alta estabilidad de la emulsioacuten WO formada lo cual ocurre en
menos de tres diacuteas Es por eso que la emulsioacuten debe tratarse lo maacutes pronto posible con
diferentes agentes tales como quiacutemica deshidratante calor sedimentacioacuten por
centrifugacioacuten o electrocoalescencia [26]
42
164 Estabilidad de una emulsioacuten
La peliacutecula interfacial formada estabiliza la emulsioacuten debido a que
Aumenta la tensioacuten interfacial Por lo general para emulsiones de crudo la tensioacuten
interfacial se encuentra en el intervalo de 30 a 36 mN m-1 Asiacute mismo la presencia
de sales aumenta la tensioacuten interfacial
Forma una barrera viscosa que inhibe la coalescencia de las gotas
Si el surfactante o partiacutecula adsorbida en la interfase es polar su carga eleacutectrica
provoca que se repelan unas gotas de otras
Otro mecanismo de estabilizacioacuten ocurre cuando los emulsionantes son partiacuteculas soacutelidas
muy finas Para ser agentes emulsionantes las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes pequentildeas que
las gotas suspendidas y deben ser mojadas por el aceite y el agua Luego estas finas partiacuteculas
soacutelidas o coloides (usualmente con surfactantes adheridos a su superficie) se colectan en la
superficie de la gota y forman una barrera fiacutesica Algunos de estos soacutelidos son el sulfuro de
hierro y la arcilla [14]
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacuten
La estabilidad y rompimiento de una emulsioacuten depende de varios factores
Tensioacuten interfacial Una reduccioacuten de la tensioacuten interfacial no aumenta la estabilidad
de la emulsioacuten Se ha encontrado que los sistemas de tensioacuten ultrabaja producen
emulsiones inestables
Viscosidad de la fase externa Una viscosidad alta en la fase externa disminuye el
coeficiente de difusioacuten y la frecuencia de colisioacuten de las gotas por lo que se
incrementa la estabilidad de la emulsioacuten Una alta concentracioacuten de las gotas tambieacuten
incrementa la viscosidad aparente de la fase continua y estabiliza la emulsioacuten Este
efecto puede ser minimizado calentando la emulsioacuten
Tamantildeo de la gota Gotas muy pequentildeas menores de 10 microm generalmente producen
emulsiones maacutes estables Una amplia distribucioacuten de tamantildeos de partiacuteculas resulta en
general en una emulsioacuten menos estable
43
Relacioacuten de volumen de fases Incrementando el volumen de la fase dispersa se
incrementa el nuacutemero de gotas yo tamantildeo de gotas y el aacuterea interfacial La distancia
de separacioacuten se reduce y esto aumenta la probabilidad de colisioacuten de las gotas Todos
estos factores reducen la estabilidad de la emulsioacuten
Temperatura Usualmente la temperatura tiene un efecto muy fuerte en la estabilidad
de la emulsioacuten Incrementando la temperatura se reduce la adsorcioacuten de surfactantes
naturales y disminuye la viscosidad de la fase externa la rigidez de la peliacutecula
interfacial y la tensioacuten superficial Todos estos cambios reducen la estabilidad de la
emulsioacuten
pH La adicioacuten de aacutecidos o bases inorgaacutenicos cambia radicalmente la formacioacuten de
peliacuteculas de asfaltenos y resinas que estabilizan las emulsiones agua-aceite
Envejecimiento de la interfase A medida que la interfase envejece la adsorcioacuten de
los surfactantes se completa y debido a las interacciones laterales entre las moleacuteculas
aumenta la rigidez de la peliacutecula hasta un valor estable en unas 3 o 4 horas Esta
peliacutecula o piel alrededor de la gota llega a ser maacutes gruesa maacutes fuerte y maacutes dura
Ademaacutes la cantidad de agentes emulsionantes se incrementa por oxidacioacuten fotoacutelisis
evaporacioacuten o por la accioacuten de bacterias
Salinidad de la salmuera La salinidad de la salmuera es un factor importante en la
formacioacuten de emulsiones estables Agua fresca o salmuera con baja concentracioacuten de
sal favorecen la estabilidad de las emulsiones Por el contrario altas concentraciones
de sal tienden a reducirla
Tipo de aceite Los crudos de base parafiacutenica usualmente no forman emulsiones
estables mientras que los crudos nafteacutenicos y de base mixta forman emulsiones
estables Ceras resinas asfaltenos y otros soacutelidos pueden influenciar la estabilidad
de la emulsioacuten En otras palabras el tipo de crudo determina la cantidad y tipo de
emulsionantes naturales
Diferencia de densidad La fuerza neta de gravedad que actuacutea en una gota es
directamente proporcional a la diferencia en densidades entre la gota y la fase
continua Aumentando la diferencia de densidad por incremento de la temperatura se
logra aumentar la velocidad de sedimentacioacuten de las gotas y por ende se acelera la
coalescencia
44
Capiacutetulo II
Metodologiacutea
45
La metodologiacutea usada en este proyecto se ilustra en la figura 21 la cual abarca desde la
preparacioacuten de las rocas carbonatadas hasta las pruebas de dispersioacuten de luz dinaacutemica y
potencial zeta con las cuales se concluyoacute este trabajo
Figura 21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyecto
Preparacioacuten de rocas carbonatadas (Pulido)
Caracterizacioacuten de las rocas carbonatadas por Espectroscopiacutea FTIR UV-vis SEMEDX
Preparacioacuten de emulsioacuten WO (7030) aplicando 500 y 800 mg L-1
de S(I) y S(II)
Imbibicioacuten espontaacutenea de roca de yacimiento
Pruebas tensiometricas de crudo emulsionado sobre roca
(Metodo de gota seacutesil)
Extraccioacuten de asfaltenos
Impregnacioacuten y caracterizacioacuten de asfaltenos sobre roca carbonatada
DLS de roca impreganada de asfaltenos
Potencial Zeta de roca impregnada de asfaltenos
46
21 Reactivos utilizados en el proyecto
En la tabla 21 se enlistan los reactivos utilizados en el desarrollo del proyecto
Tabla 21 Reactivos empleados en el proyecto
Reactivo Pureza Marca CAS
Acetona 999 Sigma-Aldrich 67-64-1
Heptano 95 Sigma-Aldrich 142-82-5
Tolueno 999 Sigma-Aldrich 108-99-3
Ciclohexano 99 Sigma-Aldrich 110-82-7
Nitrato de sodio 99 Sigma-Aldrich 7631-99-4
Cloruro de Sodio 99 Sigma-Aldrich 7647-14-5
Carbonato de calcio 99 Sigma-Aldrich 471-34-1
Sulfato de Magnesio 995 Sigma-Aldrich 7487-88-9
Agua desionizada 995 Sigma-Aldrich 7732-18-5
En la tabla 22 se muestran la nomenclatura de los surfactantes empleados en la
experimentacioacuten los cuales son de naturaleza catioacutenica debido a la propiedad de absorberse
sobre sustratos cargados negativamente
Tabla 22 Surfactantes utilizados en la experimentacioacuten
22 Sistemas de estudio
Clave Nombre surfactante Estructura
S1
P-toluensulfonato de 1-
metil-3-hexilimidazolio
[1M3HIMPTSO3]
S2
Cloruro de 1-metil-3-etil-
p-toluensulfonilimidazolio
[1M3EPTSO3IMCl]
CH3
N
N+
CH3
CH3
S
O
O
O-
CH3S
O
O
O
CH3
N
N+
Cl-
47
221 Agua congeacutenita
Se obtuvo una muestra de agua congeacutenita del petroacuteleo Aguacate 72 la cual fue proporcionada
por el Instituto Mexicano del Petroacuteleo Dicha muestra fue caracterizada por Espectroscopiacutea
de infrarrojo de Fourier con la finalidad de conocer los grupos funcionales presentes en la
misma
221 Salmuera
Se preparoacute a partir de una mezcla de 3 sales caracteriacutesticas de cualquier salmuera natural en
la siguiente proporcioacuten 30 de carbonato de calcio (CaCO3) 50 de cloruro de sodio
(NaCl) y 20 de sulfato de magnesio (MgSO4) Tomando como referencia 100 mL se pesoacute
1 gramo de mezcla de sales y se diluyoacute en agua desionizada posteriormente se realizaron
diluciones hasta obtener una concentracioacuten de 100 mg L-1
222 Extraccioacuten de asfaltenos
Se pesaron 10 g de crudo y se disolvieron en 40 mL de heptano posteriormente se aplicoacute
agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas Tras este periodo se dejoacute en reposo el sistema durante
24 horas Finalmente la solucioacuten se filtroacute aplicando vaciacuteo y exceso de heptano para arrastrar
los restos de compuestos no asfalteacutenicos contenidos en el producto
223 Impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada
Se preparoacute una muestra con la siguiente proporcioacuten 15 g de asfaltenos (30) y 35 g de
roca carbonatada (70) los cuales fueron agregados a 50 mL de Ciclohexano contenidos en
un matraz como se muestra en la figura 22 Se realizoacute agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas
posteriormente se realizoacute una filtracioacuten a vaciacuteo El producto obtenido se secoacute en una estufa a
100degC con un tiempo de secado de 24 horas
48
Figura 22 Muestra de roca carbonatada y asfaltenos
23 Disentildeo de experimentos
Se prepararon emulsiones con una proporcioacuten de 7030 (WO donde W corresponde al agua
siendo en nuestro caso de estudio agua congeacutenita oacute salmuera y O corresponde al crudo)
utilizando crudo Aguacate del pozo 72 manejando 10 g totales de muestra los cuales fueron
depositados en recipientes de plaacutestico de 20 mL ademaacutes de ser sometidas a agitacioacuten
continua con una espaacutetula por 20 minutos con el fin de formar la emulsioacuten
El petroacuteleo utilizado en el proyecto tiene las siguientes caracteriacutesticas
Densidad 09696 g cm-3
1440 grados API
2166 Saturados 3057 Aromaacuteticos 2435 Resinas y 2341 Asfaltenos
El disentildeo experimental es presentado en la tabla 23 se trabajoacute con 2 diferentes surfactantes
(S2 y S3) y estos se agregaron a las diferentes emulsiones WO usando concentraciones de
500 mg L-1 y 800 mg L-1 realizaacutendose micrografiacuteas de las emulsiones antes y despueacutes de
agregar el surfactante posteriormente se realizoacute el anaacutelisis tensiomeacutetrico de cada emulsioacuten
finalizando con el estudio dispersivo de los asfaltenos por Dispersioacuten de Luz dinaacutemica (DLS)
y Potencial Zeta
49
Tabla 23 Disentildeo de experimentos
Experimento Q1 O1 SX C(mg L-1)
Roca Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Experimento Q1 O1 SX C(ppm)
Roca Impregnada Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
50
24 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
241 Espectroscopiacutea de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)
Las teacutecnicas espectroscoacutepicas se fundamentan en la interaccioacuten de la materia con la
radiacioacuten Esta interaccioacuten provoca procesos como la absorcioacuten o la difusioacuten (scattering)
Cuando una moleacutecula absorbe o emite un fotoacuten su estado energeacutetico cambia En general
este cambio se manifiesta como una variacioacuten en la energiacutea traslacional de la moleacutecula y
como una modificacioacuten en su estado electroacutenico vibracional o rotacional Como las energiacuteas
asociadas a cada uno de estos cambios son muy diferentes cada uno de estos procesos se
puede tratar de manera independiente Exceptuando los cambios traslacionales los estados
energeacuteticos de las moleacuteculas estaacuten cuantizados consecuentemente los procesos de absorcioacuten
y emisioacuten soacutelo pueden darse a determinadas frecuencias de los fotones Para cada moleacutecula
dada su espectro de adsorcioacutenemisioacuten constituye una huella de la misma Las absorciones
que se producen en la regioacuten espectral del infrarrojo involucran energiacuteas mucho maacutes
pequentildeas comparadas con las energiacuteas de absorcioacuten relacionadas con la estructura electroacutenica
de la moleacutecula (ultravioleta y visible)
Sin embargo no todas las vibraciones yo rotaciones producen una absorcioacuten de radiacioacuten
incidente Soacutelo los modos vibracionales y rotacionales de moleacuteculas con momento bipolar
diferente de cero o bien aquellos modos que induzcan un momento diferente de cero en la
moleacutecula son activos al infrarrojo Para que exista un espectro rotacional activo en el
infrarrojo se requiere que la moleacutecula sea polar mientras que para tener un espectro
vibracional activo en el infrarrojo basta que el movimiento vibracional de los aacutetomos de la
moleacutecula induzca un momento bipolar no nulo [28]
En un interferoacutemetro Michelson el haz de radiacioacuten que viene de la fuente se divide mediante
un espejo semipermeable (beamsplitter) en dos haces parciales que se reflejan en sendos
espejos uno fijo y otro moacutevil vuelven al beamsplitter y se recombinan en interferencia Un
desplazamiento del espejo moacutevil cambia el camino oacuteptico en ese brazo del interferoacutemetro
51
introduciendo una diferencia de fase entre los haces y por tanto un cambio en la amplitud de
la interferencia La intensidad de sentildeal que llega al detector tras atravesar la muestra
representada como funcioacuten de la diferencia en la trayectoria de ambos haces (retardo) es lo
que se llama interferograma Con una radiacioacuten monocromaacutetica se obtiene una sentildeal coseno
que en el caso de caminos oacutepticos ideacutenticos en ambos brazos proporciona una interferencia
constructiva sin diferencia de fase entre los haces y por tanto una intensidad maacutexima El
resultado es un interferograma (intensidad en funcioacuten del tiempo) la cual se convierte viacutea un
algoritmo matemaacutetico (transformada de Fourier) en un diagrama de Intensidad en funcioacuten de
la frecuencia (espectro)
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro FTIR de marca Perkin Elmer Spectrum One donde se
analizoacute la roca carbonatada de yacimiento Para la identificacioacuten de los grupos funcionales
se trabajoacute con un intervalo espectral de 4000 a 380 cm-1 utilizando 12 barridos
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)
El espectro Ultravioleta y Visible de las moleacuteculas estaacute asociado a transiciones electroacutenicas
entre los diferentes niveles energeacuteticos en ciertos grupos o aacutetomos de la moleacutecula En
contraste la absorcioacuten de energiacutea en la regioacuten Infrarroja estimulan la moleacutecula completa y
causa cambios vibracionales y rotacionales en esta lo cual caracteriza la entidad estructural
de dicha moleacutecula Los grupos de aacutetomos que dan origen a la absorcioacuten en el UV cercano o
UV de cuarzo se conocen como grupos cromoacuteforos La mayoriacutea de los grupos insaturados y
heteroatoacutemicos que tienen pares de electrones no compartidos son cromoacuteforos potenciales y
estos grupos son la base de la elucidacioacuten de grupos estructurales en las moleacuteculas activas en
el UV cercano
Cuando dos aacutetomos forman un enlace quiacutemico los orbitales atoacutemicos de cada uno de ellos
se combinan para formar dos orbitales moleculares uno de baja energiacutea que es el orbital
enlazante y otro de energiacutea mayor que es el orbital antienlazante Los enlaces covalentes que
se originan entre los orbitales de dos aacutetomos que se enlazan quiacutemicamente pueden ser de dos
tipos y se conocen como enlaces σ y enlaces π
52
Al efectuarse dicho enlace covalente se forman simultaacuteneamente orbitales antienlazantes σ
en el caso de un orbital molecular enlazante σ y π en el caso de un orbital molecular
enlazante p La absorcioacuten de energiacutea radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones
σ oacute π resulta en la excitacioacuten de eacutestos los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales
antienlazantes La absorcioacuten de radiacioacuten Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas
transiciones
Un espectro ultravioleta-visible es esencialmente un graacutefico de absorbancia de luz frente a
una longitud de onda en el rango del ultravioleta o la luz visible para una determinada
sustancia puede hacerse un graacutefico estaacutendar del coeficiente de extincioacuten (ε) frente a la
longitud de onda (λ) Las longitudes de onda de los picos de absorcioacuten pueden
correlacionarse con los tipos de enlace en una determinada moleacutecula y son valiosos para
determinar los grupos funcionales dentro de la moleacutecula La absorcioacuten UV-Vis no es sin
embargo una prueba especiacutefica para ninguacuten compuesto determinado La naturaleza del
disolvente el pH de la solucioacuten la temperatura la concentracioacuten de electrolitos y la
presencia de sustancias interferentes pueden influir en los espectros de absorcioacuten de los
compuestos asiacute como las variaciones de ancho de banda [29]
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro UV-vis de marca Cintral 303 GBC en donde se analizaron
los compuestos sintetizados Para la identificacioacuten de los grupos funcionales se trabajoacute con
una celda de 10 mm de espesor en un intervalo espectral de 800 a 200 nm Se preparoacute una
solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano a una concentracioacuten de 100 mg L-1 asiacute como
soluciones de roca impregnada de crudo en ciclohexano a diferentes concentraciones (100
50 30 20 10 5 3 y 1 mg L-1)
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
El Microscopio electroacutenico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscopy) es una
teacutecnica que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen
ampliada de la superficie de un objeto Es un instrumento que permite la observacioacuten y
caracterizacioacuten superficial de soacutelidos inorgaacutenicos y orgaacutenicos Tiene una gran profundidad
53
de campo la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra Eacutesta teacutecnica
brinda informacioacuten topograacutefica sobre la superficie de material analizado y el anaacutelisis EDX
proporciona informacioacuten sobre su composicioacuten quiacutemica [30]
Esta teacutecnica esencialmente consiste en hacer incidir en la muestra un haz de electrones Este
bombardeo de electrones provoca la aparicioacuten de diferentes sentildeales que captadas con
detectores adecuados nos proporcionan informacioacuten acerca de la naturaleza de la muestra
La sentildeal de electrones secundarios proporciona una imagen de la morfologiacutea superficial de
la muestra La sentildeal de los electrones retrodispersados muestra una imagen cualitativa de
zonas con distinto nuacutemero atoacutemico medio y la sentildeal de rayos X presenta los espectros e
imaacutegenes acerca de la composicioacuten de elementos quiacutemicos en la muestra
25 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten espontaacutenea de la fase mojante sobre la superficie de una roca consiste en la
absorcioacuten de la misma en su superficie tan pronto como existe contacto entre dicha fase y el
soacutelido sin requerirse de la accioacuten de un trabajo externo para realizarse lo cual tambieacuten se
conoce como la succioacuten capilar de esta fase en el medio poroso es decir es un proceso que
consiste en el ingreso de la fase mojante en los poros de la roca por efecto de las fuerzas
capilares [10]
En este proceso se utiliza una Celda de Amott el cual es un contenedor ciliacutendrico conceacutentrico
de vidrio en cuya parte central se colocan el material que seraacute saturado por la fase mojante
y en la capucha externa se introduce liacutequido refrigerante para mantener la temperatura
constante dentro de la celda
Para la experimentacioacuten se utilizaron 3 rocas carbonatadas que fueron introducidas en una
celda de Amott de 500 mL Posteriormente se llenoacute la parte interna de la celda con petroacuteleo
crudo y la capucha externa con refrigerante La celda se colocoacute en un bantildeo de aceite a 65degC
durante 7 diacuteas En la figura 23 se observa el montaje del equipo para el proceso de
imbibicioacuten
54
Figura 23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacuten
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
Este meacutetodo experimental es usado para determinar el aacutengulo de contacto existente en un
sistema bifaacutesico Consiste en la colocacioacuten de una gota sobre una superficie soacutelida
posteriormente el equipo realiza el caacutelculo de paraacutemetros propios de la gota como radio y
diaacutemetro los cuales son fundamentales sustituidos en las ecuaciones de tensioacuten superficial
[10]
Para la experimentacioacuten se emplearon 8 rocas carbonatadas de yacimiento las cuales fueron
previamente pulidas para generar una superficie lisa obseacutervese la figura 24 Posteriormente
se colocoacute la emulsioacuten preparada en la jeringa para estudio tensiomeacutetrico por accioacuten
gravitacional el fluido descendioacute provocando la formacioacuten de una gota la cual se fija en la
roca La caacutemara del tensioacutemetro detecta el aacutengulo y la forma de la gota asiacute como su
deformacioacuten con el paso del tiempo
55
Figura 24 Roca carbonatada previamente pulida
Asiacute mismo se realizoacute la medicioacuten del aacutengulo de contacto para las rocas imbibidas en crudo
(figura 25) soacutelo difiriendo en la fase mojante la cual se trataba en un primer experimento
de la salmuera o del agua congeacutenita y posteriormente se adicionaron los dos surfactantes a
500 y 800 mg L-1
Figura 25 Roca carbonatada imbibida de petroacuteleo
Se utilizoacute un tensioacutemetro de la marca Attension modelo Theta Lite 101 (figura 26) en donde
se analizaron los sistemas de estudio mencionados anteriormente empleando el meacutetodo de
gota seacutesil
Figura 26 Tensioacutemetro Attension Theta Lite 101
56
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemica
La dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS) a la que a veces se hace referencia como dispersioacuten de
luz cuasi elaacutestica (QELS) es una teacutecnica no invasiva y bien establecida para medir el tamantildeo
y distribucioacuten de tamantildeo de moleacuteculas partiacuteculas y agregados tiacutepicamente en la regioacuten
submicromeacutetrica y con la uacuteltima tecnologiacutea inferiores a 1 μm
Las aplicaciones tiacutepicas de la dispersioacuten de luz dinaacutemica son la caracterizacioacuten de partiacuteculas
emulsiones o moleacuteculas que se han dispersado o disuelto en un liacutequido El movimiento
Browniano de las partiacuteculas o moleacuteculas en suspensioacuten hace que la luz laacuteser se disperse en
diferentes intensidades [31] Con el anaacutelisis de estas fluctuaciones en la intensidad se obtiene
la velocidad del movimiento Browniano y por lo tanto del tamantildeo de partiacutecula mediante la
relacioacuten de Stokes-Einstein (figura 27)
Figura 27 Diagrama de funcionamiento de Dispersioacuten de luz dinaacutemica
A diferencia de la dispersioacuten de luz estaacutetica para determinar el tamantildeo de las partiacuteculas y
agregados la dispersioacuten de luz dinaacutemica no tiene en cuenta la dependencia del aacutengulo sino
la variacioacuten de la intensidad de dispersioacuten en el tiempo debido a la aglomeracioacuten de las
partiacuteculas con respecto al tiempo teniendo un efecto de sedimentacioacuten que provoca un
caacutelculo erroacuteneo de la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
Esta teacutecnica fisicoquiacutemica se utiliza para determinar el perfil de distribucioacuten de tamantildeos de
partiacuteculas pequentildeas en suspensioacuten mediante una fuente monocromaacutetica que pasa a traveacutes de
un polarizador y la muestra La luz dispersada pasa posteriormente a traveacutes de un segundo
57
polarizador donde es recogido por un fotomultiplicador y se obtiene una intensidad de
dispersioacuten determinada [32]
Para la experimentacioacuten se preparoacute la solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano con una
concentracioacuten de 100 mg L-1 se llevoacute a sonicacioacuten durante 15 minutos posteriormente se
colocaron 3 mL de la muestra en la celda y se realizoacute su anaacutelisis Asiacute mismo se estudiaron
las soluciones de roca impregnada en ciclohexano y la aplicacioacuten de los surfactantes sobre
las mismas a 500 y 800 mg L-1
Se utilizoacute un equipo de la marca Malvern modelo Zetasizer en donde se analizaron los
sistemas de estudio mencionados anteriormente
28 Potencial Zeta
El potencial zeta es una propiedad que mide el potencial electrocineacutetico en sistemas
coloidales en la quiacutemica coloidal se denota por lo general con la letra griega zeta Desde un
punto de vista fiacutesico el potencial zeta es el potencial eleacutectrico en la doble capa interfacial es
decir que es el punto donde se unen la capa difusa y la de Stern Tambieacuten el potencial zeta es
la diferencia de potencial entre el medio de dispersioacuten y la capa estacionaria unido a la
partiacutecula dispersada []
Las partiacuteculas coloidales dispersas en una solucioacuten estaacuten cargadas eleacutectricamente gracias a
sus caracteriacutesticas ioacutenicas y de bipolaridad El desarrollo de una red de carga eleacutectrica en la
superficie de la partiacutecula puede afectar la distribucioacuten de iones en una regioacuten interfacial
vecina y provocar un aumento de la concentracioacuten de iones contados (iones de carga
contraria a las partiacuteculas) cerca de la superficie tal como se muestra en la figura 27
58
Figura 27 Interacciones entre las partiacuteculas tras la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica [33]
Cada partiacutecula dispersa en una solucioacuten se rodea de iones cargados con carga opuesta que se
denomina capa fija Fuera de esta capa fija existen distintas composiciones de iones de
polaridad opuesta formando un aacuterea nebulosa De esta manera se crea una capa doble
eleacutectrica en la regioacuten de interfase partiacutecula- liacutequido
La medida del Potencial Z permite caracterizar y predecir el comportamiento de soacutelidos
macroscoacutepicos y de partiacuteculas en suspensiones liacutequidas en multitud de aplicaciones teacutecnicas
En suspensiones liacutequidas el Potencial Z es una medida de la atraccioacutenrepulsioacuten entre
partiacuteculas cargadas electrostaacuteticamente permitiendo estudiar la estabilidad de dispersiones
emulsiones suspensiones proteiacutenas poliacutemeros etc
En soacutelidos macroscoacutepicos es una propiedad importante de interfaces soacutelidoliacutequido cargadas
eleacutectricamente siendo un indicador de la carga superficial de un soacutelido en contacto con un
electrolito Esto permite estudiar las caracteriacutesticas y funcionalizacioacuten de superficies
Este anaacutelisis se realizoacute con un equipo de marca Malvern modelo ZetaSizer Se estudiaron
los sistemas Roca carbonatada roca impregnada de crudo asiacute como la aplicacioacuten de los
surfactantes a 500 y 800 mg L-1 utilizando como electrolito indiferente nitrato de sodio
01mM el cual permite la desestabilizacioacuten del coloide con la finalidad de que la corriente
eleacutectrica pase por todas las partiacuteculas y se obtenga una medicioacuten correcta del anaacutelisis Asiacute
mismo se varioacute el pH del sistema de 1 a 7 utilizando HCl 01 M y NaOH 01 M para
observar el efecto dispersivo de las partiacuteculas de roca
59
Capiacutetulo III
Resultados
31 Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenos
60
Se realizaron 3 extracciones de asfaltenos utilizando 10 mL de petroacuteleo en cada una se
obtuvieron entre 14182 g y 16875 g de asfaltenos lo cual representa un porcentaje de
recuperacioacuten en 1418 y 1675 El producto obtenido teniacutea una tonalidad oscura lo anterior
se observa en la figura 31
Figura 31 Asfaltenos obtenidos tras extraccioacuten
Asiacute mismo se realizoacute el procesos de impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada por
triplicado de los cuales se obtuvieron entre 169 g y 189 g de roca impregnada que
representa una recuperacioacuten entre 338 y 378 El producto teniacutea una tonalidad cafeacute oscura
lo anterior se observa en la figura 32
Figura 32 Roca impregnada de asfaltenos
32 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con transformada de Fourier
61
La elucidacioacuten de los espectros de FTIR se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura [35] indica que el carbonato de
calcio presenta sentildeales caracteriacutesticas de sus grupos funcionales tales como CO3 Ca-C y C-
O y Ca-CO3
321 Espectro FTIR de roca carbonatada
El espectro FTIR de la roca carbonatada se muestra en la figura 33 en el que se observa el
estiramiento del enlace Ca-C en 2513 cm-1 sentildeal caracteriacutestica del compuesto CaCO3 el
estiramiento de C-O en 1480 cm-1 y las vibraciones particulares del grupo CO3 en 714 y 877
cm-1 Estas sentildeales dan certeza de que el compuesto analizado es una roca de carbonato de
calcio
Figura 33 Espectro FTIR de roca carbonatada
62
322 Espectro de roca impregnada de asfaltenos
El espectro FTIR de la roca impregnada se muestra en la figura 34 en el que se observa el
estiramiento del enlace O-H en 3300 cm-1 las vibraciones simeacutetricas y asimeacutetricas de C-H
en 2988 y 2875 cm-1 la absorcioacuten energeacutetica del enlace C-H en 1625 cm-1 las flexiones de
los compuestos aromaacuteticos entre 1100 y 1500 cm-1 asiacute como la deformacioacuten noplanar del
anillo benceacutenico entre 700 y 900 cm-1 Estas sentildeales confirman la impregnacioacuten de asfaltenos
teniendo como principal diferencia frente a la roca carbonatada las flexiones y vibraciones
de los enlaces C-H y de los anillos aromaacuteticos presentes en la estructura asfalteacutenica teoacuterica
Figura 34 Espectro FTIR de roca impregnada de asfaltenos
63
33 Espectroscopia ultravioleta visible (UV-vis)
La elucidacioacuten de los espectros de UV-vis se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura indica la presencia de grupos
benceacutenicos y nafteacutenico en las estructuras quiacutemicas de los asfaltenos los cuales son
caracteriacutesticos de los mismos [29]
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada y roca impregnada
El espectro UV-vis de la roca carbonatada no presenta ninguna banda significativa esto se
debe principalmente a la ausencia de dobles y triples enlaces los cuales son sumamente
caracteriacutesticos en longitudes de 200 a 600 nm El espectro UV-vis de la roca impregnada
(figura 35) muestra 4 sentildeales las dos primeras retribuidas a los grupos benceacutenicos a 226 y
250 nm la tercera y cuarta a los grupos nafteacutenicos a 263 y 270 nm estructuras quiacutemicas
presentes en los asfaltenos
Se realizaron 6 experimentos iniciando con la roca carbonatada posteriormente la
evaluacioacuten de la roca impregnada de asfaltenos (RASF) variando la concentracioacuten de roca
(10 5 3 1 05 mg L-1)
Los espectros muestran desdoblamiento en las bandas debido al cambio electroacutenico en los
enlaces sigma y pi presentes en los ciclos aromaacuteticos Se observa el efecto de la concentracioacuten
de roca impregnada a 05 y 1 mg L-1 se tienen bandas maacutes definidas y caracteriacutesticas de los
asfaltenos a concentraciones mayores a lo anterior se enmascaran estas sentildeales debido a la
saturacioacuten de las partiacuteculas de roca impregnada en las muestra Lo anterior hace imposible
para el equipo la identificacioacuten precisa de los grupos funcionales caracteriacutesticos de la misma
64
Figura 35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnada
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
Esta teacutecnica se realizoacute con la finalidad de observar el tamantildeo y la forma de las partiacuteculas de
roca carbonatada asiacute como la composicioacuten elemental de la misma Se observa un
comportamiento de agregacioacuten entre las partiacuteculas por lo que se puede deducir un tamantildeo
entre 100 y 400 nm Con el anaacutelisis elemental del EDX se comproboacute la naturaleza de la roca
la cual estaacute formada de carbonato de calcio La literatura [36] indica las sentildeales caracteriacutesticas
de este compuesto el carbono con una sentildeal en 028 keV el oxiacutegeno en 053 keV y el calcio
con dos picos en 369 y 401 keV y de partiacuteculas nanomeacutetricas de forma esfeacutericas lo anterior
esto se puede observar en la figura 36
65
36 Anaacutelisis SEMEDS de roca carbonatada
35 Imbibicioacuten espontaacutenea
Se obtuvieron las rocas imbibidas tras un proceso de 7 diacuteas [37] y se pesaron para conocer la
cantidad de crudo absorbido dentro de su estructura porosa Asiacute mismo se fracturaron las
rocas para comprobar la presencia del hidrocarburo dentro de la roca lo cual se observa en
la figura 37 En la tabla 31 se muestra la masa inicial y final de la roca asiacute como el
porcentaje de masa absorbida de crudo teniendo porcentajes entre 4 y 5
66
Figura 37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudo
Tabla 31 Resultados de rocas imbibidas
Muestra Masa Inicial (g) Masa Final (g)
1 103315 108098 46295
2 92475 96736 46077
36 Anaacutelisis del aacutengulo de contacto del crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
La medicioacuten del aacutengulo de contacto de diferentes sistemas de estudio aporta informacioacuten
sobre la interaccioacuten entre las interfaces soacutelidas y liquidas el comportamiento de un fluido
sobre una superficie asiacute como la variacioacuten de la misma con la aplicacioacuten de un agente en
este caso un surfactante
361 Roca no imbibida
Se colocaron los disolventes empleados en la experimentacioacuten variado uacutenicamente los
surfactantes y la concentracioacuten de los mismos En la figura 38 se muestra el aacutengulo de
contacto de la salmuera sobre la roca se observa que con la aplicacioacuten de los surfactantes
este aacutengulo disminuye deduciendo un aumento en la afinidad entre la roca y el disolvente
[38] Lo anterior se debe principalmente al aumento de la concentracioacuten de iones provocando
un efecto de pantalla que reduce las repulsiones electrostaacuteticas entre las moleacuteculas anfifiacutelicas
67
facilitando la formacioacuten de micelas en el sistema y asiacute aumentando la mojabilidad de la
salmuera obseacutervese en tabla 32
Figura 38 Angulo de contacto de la salmuera
Tabla 32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio
El efecto de las sales presentes en el agua congeacutenita en la formacioacuten micelar (figura 39)
propicia un incremento en la mojabilidad con la aplicacioacuten del surfactante lo cual se muestra
en la tabla 33
Figura 39 Angulo de contacto del agua congeacutenita
Tabla 33 Aacutengulos de contacto del agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio
68
Del mismo modo se colocaron sobre la superficie de la roca los diferentes sistemas de estudio
(emulsiones) los cuales variaban en el tipo de surfactante la concentracioacuten y el tipo de
disolvente empleado El aacutengulo de contacto del petroacuteleo se muestra en la figura 310
Figura 310 Angulo de contacto del petroacuteleo
Con una concentracioacuten de 500 mg L-1 de surfactante (tabla 34) se observa una disminucioacuten
del aacutengulo de contacto de la emulsioacuten lo anterior se atribuye al efecto de las cabezas
catioacutenicas sobre los agregados asfalteacutenicos los cuales son dispersados provocando una
mayor interaccioacuten con la roca y aumentando la mojabilidad sobre la misma
Tabla 34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 mg L-1
69
Con una concentracioacuten de 800 mg L-1 de surfactante (tabla 35) se observa un efecto similar
al sistema de estudio anterior un decremento del aacutengulo de contacto atribuido al efecto
pantalla de las sales de los disolvente en la concentracioacuten micelar dispersando los agregados
asfalteacutenicos y de esta forma aumentando la mojabilidad del sistema sobre la roca
carbonatada
Tabla 35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 mg L-1
362 Roca imbibida por petroacuteleo
70
Se colocaron los sistemas de estudio (salmuera y agua congeacutenita) sobre la roca impregnada
de crudo se observoacute una disminucioacuten en el aacutengulo de contacto menor que el estudio sobre
la roca carbonatada Lo anterior se debe a la alta hidrofobicidad de la superficie de la roca
la cual estaba impregnada en su totalidad de hidrocarburo y que aun con la aplicacioacuten de los
surfactantes se repelioacute el efecto de las cabezas catioacutenicas teniendo como consecuencia el
decremento del aacutengulo de contacto Las tablas 36 y 37 muestran los aacutengulos de contacto
tras la aplicacioacuten del surfactante
Tabla 36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 mg L-1
Tabla 37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 800 mg L-1
71
En la Tabla 38 se presentan los resultados del caacutelculo de tensioacuten interfacial y mojabilidad
los cuales son paraacutemetros que describen el comportamiento de las fuerzas intermoleculares
en la interfase soacutelido-liacutequido
Tabla 38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio
Fase soacutelida
Fase liacutequida
Surfactante (Sx)
Concentracioacuten (mg L-1)
Aacutengulo de
contacto ϴ
(deg)
Tensioacuten interfacial γ (dina cm-1)
Mojabilidad W
Roca carb Salmuera 8149 576 661
Roca carb Salmuera S1 500 5539 518 812
Roca carb Salmuera S1 800 5173 537 869
Roca carb Salmuera S2 500 4549 441 827
Roca carb Salmuera S2 800 4242 557 856
Roca Imb Salmuera S1 500 6956 421 566
Roca Imb Salmuera S1 800 6957 451 606
Roca Imb Salmuera S2 500 6681 472 657
Roca Imb Salmuera S2 800 7408 549 699
Roca carb Agua Cong 7391 528 674
Roca carb Agua Cong S1 500 4785 431 72
Roca carb Agua Cong S1 800 4069 446 784
Roca carb Agua Cong S2 500 4809 439 732
Roca carb Agua Cong S2 800 3327 42 771
Roca Imb Agua Cong S1 500 7456 525 664
Roca Imb Agua Cong S1 800 6575 494 696
Roca Imb Agua Cong S2 500 765 472 581
Roca Imb Agua Cong S2 800 6788 483 664
Roca carb Petroacuteleo 11177 838 536
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 500 8313 582 651
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 800 936 605 567
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 500 9088 652 641
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 800 8645 629 667
Roca carb Emulsioacuten AC S1 500 10289 815 641
Roca carb Emulsioacuten AC S1 800 9562 698 629
Roca carb Emulsioacuten AC S2 500 9846 782 666
Roca carb Emulsioacuten AC S2 800 9056 675 668
En los diferentes anaacutelisis sobre roca carbonatada con la aplicacioacuten de surfactantes en
salmuera o agua congeacutenita se observa una disminucioacuten del aacutengulo de contacto lo que implica
una menor tensioacuten en la interfase soacutelido-liacutequido obteniendo mayor mojabilidad en cada uno
de los sistemas Lo anterior se basa principalmente en el efecto dispersivo de los surfactantes
72
sobre las agregaciones asfalteacutenicas siendo las cabezas catioacutenicas las responsables de evitar
la apilacioacuten de los asfaltenos y disgregaacutendolas por todo el sistema
Asiacute mismo se observa el efecto de la concentracioacuten de los surfactantes en los diferentes
sistemas de estudio obteniendo menor tensioacuten interfacial a una concentracioacuten de 500 mgL-1
debido a la saturacioacuten ideal del aditivo en la muestra
37 Dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS)
Con el anaacutelisis DLS se estudioacute la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
y la roca impregnada asiacute como el efecto de los surfactantes en el sistema de estudio En la
figura 311 se muestra la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
(unimodal 1496 nm) a su vez en la figura 312 se observa la distribucioacuten de la roca
impregnada (unimodal 4063 nm) Posteriormente con la aplicacioacuten de los surfactantes se
comproboacute la disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula con S1 (unimodal 219 nm) y S2 (
unimodal 282 nm) Lo anterior se atribuye al efecto de los surfactantes sobre la superficie
impregnada que al entrar en contacto con los agregados asfalteacutenicos se generoacute la dispersioacuten
de los mismos disminuyendo de esta forma el tamantildeo de la partiacutecula [32] Ambos surfactantes
facilitan la dispersioacuten de los asfaltenos que recubren la superficie de la partiacutecula provocando
la reduccioacuten en el tamantildeo de la misma obseacutervese figs 313 y 314
Figura 311 Anaacutelisis DLS de roca carbonatada
73
Figura 312 Anaacutelisis DLS de roca impregnada
Figura 313 Anaacutelisis DLS de roca impregnada aplicando S3
Figura 314 DLS de roca impregnada aplicando S4
74
La disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de las rocas impregnadas se asocia al efecto
dispersivo de los surfactantes mencionado en las pruebas tensiomeacutetricas donde las parte
catioacutenica del compuesto inhibe la aglomeracioacuten de las moleacuteculas asfalteacutenicas provocando
no solo el cambio de la mojabilidad del sistema de estudio si no tambieacuten la disgregacioacuten de
los asfaltenos encontrados en la superficie de la roca carbonatada por tanto un decrecimiento
en la distribucioacuten de tamantildeo partiacutecula en la roca impregnada
38 Potencial Zeta
Con el anaacutelisis de potencial zeta se observoacute las fuerzas de atraccioacuten yo repulsioacuten de cada
sistema de estudio La literatura indica que en todo sistema en suspensioacuten coloidal existe un
equilibrio entre las fuerzas de repulsioacuten y las fuerzas de atraccioacuten molecular (Van del Waals)
resultando la aglomeracioacuten o dispersioacuten del sistema Si el sistema tiene carga positiva el
sistema es atractivo por lo que existen las fuerzas de atraccioacuten entre las partiacuteculas son
mayores que las fuerzas de repulsioacuten Si el sistema es negativo el sistema es repulsivo y se
tiene un efecto contrario al anterior Mientras maacutes alejado del cero se encuentre la muestra
mayor estabilidad le seraacute conferida debido a la relacioacuten entre las fuerzas intermoleculares
eso significa que se provocaraacute menor agregacioacuten facilitando la dispersioacuten del soluto [33] En
la figura 315 se muestra el efecto del pH en la dispersioacuten de los asfaltenos con la aplicacioacuten
de los surfactantes la tendencia se vuelve maacutes negativa por lo tanto existe mayor estabilidad
en el coloide disminuyendo la agregacioacuten de los asfaltenos
Este efecto se observoacute en las pruebas de DLS en donde los surfactantes dispersaron las
moleacuteculas de asfaltenos disminuyendo de esta forma la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
lo anterior se asocia a la disgregacioacuten de los asfaltenos observado en potencial Zeta
obteniendo una fase dispersa en el sistema
75
Figura 315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando el pH
76
Conclusiones
Se comproboacute el efecto dispersivo de los surfactantes sulfatados sobre los agregados
asfalteacutenicos causado principalmente por las cargas electroacutenicas presentes en estos
compuestos que al entrar en contacto con los asfaltenos provocaron la disgregacioacuten de
los mismos Dicho efecto fue visible en la mayoriacutea de las teacutecnicas empleadas generando
cambios en las interacciones moleculares de los sistemas de estudio y en las fuerzas de
la interfase soacutelido-liacutequido
Las teacutecnicas de caracterizacioacuten FTIR UV-vis corroboraron la presencia de grupos
funcionales caracteriacutesticos de la roca carbonatada asiacute como de la roca impregnada de
asfaltenos La teacutecnica de SEMEDX corroboroacute la existencia de los elementos que
componen a la roca y brindoacute informacioacuten importante sobre el tamantildeo y la forma de los
las partiacuteculas de roca
Las pruebas de aacutengulo de contacto por el meacutetodo de gota seacutesil comprobaron el efecto
superficial de los surfactantes en los diferentes sistemas de estudio cambiando la
tensioacuten interfacial de cada uno y afectando una caracteriacutestica innata de la roca su
mojabilidad Los aacutengulos de contacto tras la aplicacioacuten de los surfactantes sufrieron una
disminucioacuten por la facilidad de los aditivos antes mencionados para dispersar las capas
de agregacioacuten de los asfaltenos provocando una mejor interaccioacuten con la fase soacutelida
Mediante el anaacutelisis de Dispersioacuten de luz Dinaacutemica (DLS) se consiguioacute fundamentar el
efecto dispersivo de los surfactantes observado en las pruebas tensiomeacutetricas siendo de
gran importancia los resultados obtenidos de distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula en
donde con la aplicacioacuten de los surfactantes se consiguioacute disminuir este paraacutemetro por
la la difusioacuten de los agregados asfalteacutenicos contenidos en la superficie de la roca siendo
afectados principalmente por las cargas electroacutenicas cabezas catioacutenicas
La teacutecnica de potencial Zeta corroboroacute lo anterior debido a la facilidad de las muestras
con surfactantes para alcanzar la estabilidad coloidal por lo que se demuestra un efecto
77
contrario a la agregacioacuten un efecto dispersivo de los asfaltenos provocado por las
cargas presentes en las cadenas de los aditivos
78
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Iacutendice general
paacuteg
Iacutendice de figuras helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip vii
Iacutendice de tablashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip viii
Resumenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip ix
Abstracthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip x
Introduccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xi
Capiacutetulo 1 Antecedenteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
11 Petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
111 Composicioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5
112 Clasificacioacuten de petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6
113 Derivados del petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9
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133 Tortuosidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
134 Tensioacuten superficial e interfacialhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
135 Mojabilidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
136 Capilaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24
137 Adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
1371 Tipos de adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
14 Imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
iv
141 Interaccioacuten roca-fluidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
143 Cambio de mojabilidad por el ion-parhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
15 Surfactanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
151 Clasificacioacuten de los surfactanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
152 Propiedades de los surfactanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
1521 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
1522 Micelas y asociacioacuten micelarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
16 Emulsioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
161 Tipos de emulsioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
163Agentes emulsionanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
164 Estabilidad de una emulsioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacutenhelliphelliphelliphellip 43
Capiacutetulo 2 Metodologiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 45
21Reactivoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
22 Preparacioacuten de sistemas de estudiohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
23 Disentildeo de experimentoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
24 Teacutecnicas de caracterizacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51
241 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con Transformada de Fourier (FTIR)helliphellip 51
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 52
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten
por Rayos X (SEMEDX)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
53
25 Imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
28 Potencial zetahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Capiacutetulo 3 Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
31Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
v
32 Espectroscopiacutea de infrarrojo con trasformada de Fourierhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
321 Espectro FTIR de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
322 Espectro FTIR de roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
33 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por
Rayos X (SEMEDX)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
65
35 Imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
36 Anaacutelisis tensiomeacutetricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
361 Roca no imbibidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
362 Roca imbibidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
37 Anaacutelisis DLShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
38 Anaacutelisis de potencial Zetahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Referencias bibliograacuteficashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
vi
Iacutendice de figuras
Figura Paacuteg
11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
12 Clasificacioacuten de yacimientoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
13 Acidificacioacuten controlada mediante inyeccioacuten de emulsioacuten en querosenohelliphelliphelliphelliphellip 16
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
15Representacioacuten de fuerzas intermoleculareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
17 Efecto de la capilaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24
18 Proceso general de adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
112 Celda de imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
113 Esquema de las partes acidas del aceite sobre la superficie carbonatadahelliphelliphelliphelliphellip 29
114 Modelo esquemaacutetica del cambio de mojabilidad con aplicacioacuten de surfactanteshelliphellip 31
115 Representacioacuten de una moleacutecula de surfactantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
116 Tipos de micelahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
117 Comportamiento estaacutetico micelarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
118 Micrografiacutea de una emulsioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 45
22 Muestra de roca carbonatada con asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
24 Roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
25 Roca imbibida con crudohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
26 Tensioacutemetro empleado en la experimentacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
27 Funcionamiento del anaacutelisis DLShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56
28 Interacciones entre las partiacuteculas en el anaacutelisis de potencial zeta helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
31 Asfaltenos obtenidos tras la extraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Roca impregnada de asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
33 Espectro FTIR de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
vii
34 Espectro FTIR de roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
36 Anaacutelisis SEMEDX de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 65
37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
38 Aacutengulo de contacto de la salmuerahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
39 Angulo de contacto de agua congeacutenitahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
310 Aacutengulo de contacto del petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
311 Anaacutelisis DLS de la roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
312 Anaacutelisis DLS de la roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
313 Anaacutelisis DLS de la roca impregnada aplicando surfactante S1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 73
314 Anaacutelisis DLS de la roca impregnada aplicando surfactante S2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 73
315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando pHhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Iacutendice de Tablas
Tabla Paacuteg
11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo 5
12 Clasificacioacuten de petroacuteleo crudo 6
13 Clasificacioacuten de los surfactantes 33
21 Reactivos empleados en el proyecto 46
22 Surfactantes utilizados en experimentacioacuten 46
23 Disentildeo de experimentos 49
31 Resultados de rocas imbibidas 66
32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio 67
33 Aacutengulos de contacto de agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio 68
34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 ppm 69
35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 ppm 69
36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 ppm 70
37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 ppm 70
38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio 71
viii
Resumen
Este proyecto de investigacioacuten se enfocoacute en el estudio de mojabilidad del crudo pesado sobre
roca carbonatada de yacimiento aplicando surfactantes con base sulfato los cuales provocan
un efecto dispersivo en las fracciones maacutes pesadas del petroacuteleo conocidos como
ldquoasfaltenosrdquo responsables de las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del petroacuteleo tales como
viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API
La primera etapa del proyecto consistioacute en caracterizar la roca carbonatada de yacimiento
por Espectroscopiacutea de infrarrojo de transformada de Fourier (FTIR) espectroscopia
ultravioleta visible y Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten
por Rayos X (SEMEDX) para la identificacioacuten de los grupos funcionales caracteriacutesticos
morfologiacutea y anaacutelisis elemental de la roca
La segunda etapa consistioacute en preparar emulsiones de agua en aceite adicionando los
surfactantes en diferentes concentraciones las cuales fueron observadas por microscopiacutea
oacuteptica Posteriormente se evaluoacute el aacutengulo de contacto de cada uno de los sistemas de estudio
sobre roca carbonatada para el caacutelculo de la tensioacuten superficial y en efecto de la mojabilidad
Asiacute mismo se realizoacute la imbibicioacuten espontaacutenea de las rocas con crudo usando la celda de
Amott y se midioacute el aacutengulo de contacto de los disolventes frente a las rocas impregnadas Se
observoacute un cambio en la mojabilidad del crudo con la aplicacioacuten de los surfactantes en los
anaacutelisis tensiomeacutetricos
En la tercera etapa se realizoacute el estudio dispersivo de los agregados asfalteacutenicos contenidos
en la roca Mediante el anaacutelisis de dispersioacuten de luz dinaacutemica se observoacute la disminucioacuten de
la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula siendo este efecto atribuido a las cabezas catioacutenicas
de los surfactantes Lo anterior fue comprobado con la teacutecnica de potencial zeta la cual mide
las fuerzas de atraccioacuten o repulsioacuten de las partiacuteculas siendo ambos surfactantes promotores
de estabilidad coloidal e inhibidores de agregacioacuten
ix
Abstract
This research project focuses on the study of the wettability of heavy crude oil on carbonate
reservoir rock by applying sulphate-based surfactants which have a dispersive effect on the
heavier fractions of petroleum known as asphaltenes responsible for the physicochemical
characteristics of oil such as viscosity surface tension and API gravity
The first stage of the project consisted of the carbonate reservoir rock by Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR) visible ultraviolet spectroscopy and Scanning Electron
Microscopy with X-ray Dispersion Spectroscopy (SEM EDX) for the identification of
characteristic functional groups morphology and elemental rock analysis
The second stage consisted of preparing water-in-oil emulsions by adding the surfactants in
different concentrations which were observed by light microscopy Afterwards the contact
angle of each of the study systems on carbonate rock was evaluated for the calculation of
surface tension and the wettability
The spontaneous imbibition of the rocks with crude oil was also carried out using the Amott
cell and the contact angle of the solvents against the impregnated rocks was measured A
change in the wettability of the crude oil was observed with the application of the surfactants
in the tensiometric analyzes
In the third stage was carried out the dispersive study of the asphalt aggregates contained in
the rock By the analysis of the dynamic light scattering observed the decrease in the size
distribution of the piece whereas this effect attributed to the cationic heads of the surfactants
The above was tested with the zeta potential technique which the attraction or repulsion
forces of the particles both are being surfactants colloidal stability promoters and
aggregation inhibitors
x
Introduccioacuten
Actualmente la industria petrolera enfrenta una serie de problemaacuteticas que van desde la
gravedad especiacutefica del hidrocarburo hasta su comportamiento en un sistema aceite-roca El
estudio de las fuerzas intermoleculares del sistema aceite-roca es un trabajo innovador para
la elaboracioacuten de nuevas formas de extraccioacuten yo el uso de sustancias quiacutemicas que faciliten
el transporte del crudo durante el proceso
Los surfactantes son empleados como aditivos para facilitar la extraccioacuten del crudo y su
transporte debido a sus efectos en la viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API Estos
compuestos son de gran intereacutes para la industria petrolera por lo que un estudio detallado de
la forma de actuar de estos aditivos podriacutea describir los fenoacutemenos que ocurren en un sistema
aceite-roca
La literatura [1 23] indica que los surfactantes del tipo sulfato tienen cierta afinidad con las
moleacuteculas maacutes pesadas del crudo los asfaltenos Hablar de asfaltenos implica ldquoproblemasrdquo
los cuales pueden ser observados durante la extraccioacuten y el transporte del petroacuteleo hacia las
refineriacuteas lo anterior se debe que al ser los componentes maacutes pesados del crudo la mayoriacutea
de las propiedades del crudo dependen de ellos por lo que el uso de aditivos que contengan
un grupo sulfato puede promover la dispersioacuten de los mismos generando un cambio en la
viscosidad del crudo en la tensioacuten interfacial del sistema por lo tanto a una variacioacuten de la
mojabilidad
La mojabilidad es una propiedad innata de las rocas que puede ser afectada a partir del cambio
en las interacciones del aceite y su superficie Con la aplicacioacuten de surfactantes sulfatados se
pretende la modificacioacuten de las fuerzas superficiales entre el crudo y la roca lo cual permitiriacutea
una recuperacioacuten mejorada del aceite contenido en los yacimientos facilitando de esta
manera el proceso de extraccioacuten del mismo [4]
En este proyecto se propone el anaacutelisis de las propiedades que afectan los fenoacutemenos de
superficie de los sistemas aceite-roca usando como referencia compuestos como agua
salmuera y posteriormente la adicioacuten de surfactantes sulfatados base imidazol asiacute como el
estudio de la dispersioacuten de dicho sistema
1
Capiacutetulo I
Antecedentes
2
1 Antecedentes
Actualmente con la disminucioacuten de crudos ligeros y la obtencioacuten de aceites pesados durante
la extraccioacuten de yacimientos se buscan meacutetodos alternativos que permitan la recuperacioacuten
mejorada en los pozos petroleros mediante la aplicacioacuten de aditivos quiacutemicos El estudio de
las fuerzas relacionadas entre el aceite y la roca permite describir de una forma real lo que
pasa dentro del sistema petroliacutefero con la aplicacioacuten de dichos compuestos
En 2009 Murillo y col [4] estudiaron el efecto del anioacuten PF6 en los agregados asfalteacutenicos
y encontraron un incremento en el momento dipolar debido al cambio de electronegatividad
provocado por el anioacuten Se establecioacute que el bromuro de 1-butil fue el liacutequido ioacutenico con
mejores propiedades estabilizadoras e inhibidoras de la agregacioacuten de asfaltenos
disminuyendo la aglomeracioacuten de asfaltenos hasta en un 70
En 2010 Ramiacuterez y col [5] investigaron experimentalmente el efecto que tienen los
surfactantes zwitterioacutenicos y catioacutenicos en el control de dantildeo al medio poroso debido a
depoacutesitos de asfaltenos y la descripcioacuten del cambio de mojabilidad en rocas carbonatadas
encontrando mejores condiciones de operacioacuten y concluyendo que el uso de salmuera con
alta concentracioacuten de sales provoca la precipitacioacuten de los surfactantes debido al efecto de
ioacuten comuacuten presente en los electrolitos que encapsula a las moleacuteculas surfactantes
hacieacutendolas maacutes pesadas y precipitaacutendolas por accioacuten de la gravedad
En 2010 Guzmaacuten y col [6] sintetizoacute y evaluoacute diferentes liacutequidos ioacutenicos como agentes
desemulsificantes del sistema de emulsioacuten de crudo mexicano ligero y pesado siendo el
bromuro de 1 metil-3-tetradecilimidazolio el que obtuvo mejores resultados frente a otros
compuestos con diferente tamantildeo de cadena hidrocarbonada Se estudioacute la aplicacioacuten de
calentamiento convencional y dieleacutectrico por microondas en los procesos de
desemulsificacioacuten siendo el segundo meacutetodo el que aceleroacute e incrementoacute la eficiencia de
desemulsificacioacuten
En 2011 Petcavich y col [7] desarrollaron un meacutetodo de extraccioacuten de hidrocarburos a partir
de rocas que contienen aceite En este trabajo se utilizoacute una mezcla de piedra arenisca de
3
aceite y un liacutequido ioacutenico a base de fosfonio el cual se sometioacute a la radiacioacuten de microondas
de 254 GHz y presentaron las condiciones de trabajo para la recuperacioacuten total del
hidrocarburo atrapado en la roca
En 2012 Dharaskar y col [8] investigaron sobre los liacutequidos ioacutenicos y su capacidad de
minimizar los efectos negativos de salud y medio ambientales En la industria de la refinacioacuten
se usa para la hidrodesulfurizacioacuten del crudo Estudiaron el efecto de cationes del tipo sulfato
contenidos en liacutequidos ioacutenicos sobre el petroacuteleo encontrando una disminucioacuten en la
concentracioacuten de grupos sulfurados y asfalteacutenicos
En 2014 Bin-Dahbag y col [9] realizaron un estudio sobre el proceso de inyeccioacuten de
liacutequidos ioacutenicos con base de amonio y fosfonio en la recuperacioacuten mejorada de petroacuteleo con
lo que redujo la tensioacuten interfacial de la fase acuosa del hidrocarburo Se realizaron pruebas
de deteccioacuten de nueve liacutequidos ioacutenicos con base de tetrasulfato de amonio los cuales fueron
diluidos en salmuera a distintas concentraciones y se probaron con un petroacuteleo crudo Saudiacute
Se registraron cambios en la tensioacuten interfacial por cambios de presioacuten y temperatura
indicando una mayor actividad de interaccioacuten superficial en el sistema rocapetroacuteleoliacutequido
ioacutenico
En 2014 Gonzaacutelez y col [10] estudiaron el cambio de la mojabilidad de rocas carbonatadas
en sistemas salmuerapetroacuteleo con la aplicacioacuten de surfactantes empleando el meacutetodo
tensiomeacutetrico de Gota cautiva Se obtuvieron resultados confiables y reproducibles que
concluyen un comportamiento afiacuten entre la salmuera el crudo y la roca
En 2015 Jiao y col [11] estudiaron el comportamiento de los liacutequidos ioacutenicos con base
imidazolio ( IBILs ) desarrollando nuevos agentes de extraccioacuten para separar indol una
sustancia industrial importante derivada del aceite de lavado que ocasiona graves problemas
medioambientales obteniendo eficiencias de extraccioacuten de maacutes de 90
En 2016 Banda y col [12] estudiaron el comportamiento de los asfaltenos presentes en
petroacuteleo crudo pesado usando como disolvente ciclohexano Primeramente se caracterizaron
los asfaltenos extraiacutedos por Espectroscopiacutea de ultravioleta-visible (UV-vis) posteriormente
se utilizoacute la teacutecnica de Dispersioacuten de Luz Dinaacutemica (DLS) para la distribucioacuten de tamantildeo de
partiacutecula de los agregados asfalteacutenicos Asiacute mismo se realizoacute un anaacutelisis de potencial Zeta
4
utilizando como disolvente nitrato de sodio 01 mmol para la comprobacioacuten del efecto
dispersivo de los asfaltenos frente a liacutequidos ioacutenicos sulfatados
11 Petroacuteleo
El petroacuteleo es una mezcla homogeacutenea de compuestos orgaacutenicos de estructura variada
principalmente hidrocarburos insolubles en agua En general es posible agrupar los
constituyentes del petroacuteleo en cuatro grupos orgaacutenicos bien definidos Saturados
Aromaacuteticos Resinas y Asfaltenos este conjunto es conocido como SARA Es un liacutequido
viscoso cuyo color variacutea entre amarillo y pardo obscuro hasta negro con reflejos verdes
Ademaacutes tiene un olor caracteriacutestico y flota en el agua Tambieacuten es conocido como petroacuteleo
crudo o simplemente crudo Se produce en el interior de la Tierra por transformacioacuten de la
materia orgaacutenica acumulada en sedimentos del pasado geoloacutegico y puede acumularse en
trampas geoloacutegicas naturales de donde se extrae mediante la perforacioacuten de pozos [13]
Las moleacuteculas de hidrocarburos que en forma colectiva constituyen el petroacuteleo estaacuten
formadas por distintas combinaciones de aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Seguacuten el nuacutemero
de aacutetomos de carbono de hidroacutegeno y de la distribucioacuten estructural de las mismas se tienen
los distintos hidrocarburos que abarcan desde el gas natural hasta los hidrocarburos soacutelidos
Comuacutenmente se denomina como petroacuteleo a aquella mezcla de hidrocarburos que a las
condiciones de temperatura y presioacuten ambientales estaacute en estado liacutequido En la naturaleza se
pueden encontrar afloraciones naturales de hidrocarburos muchos de ellos conocidos desde
la antiguumledad aunque la produccioacuten comercial se obtiene de acumulaciones que se localizan
en algunos lugares del subsuelo con profundidades variables desde pocos metros hasta
profundidades mayores a cinco mil metros [14]
Mientras mayor sea el contenido de carboacuten en relacioacuten al del hidroacutegeno mayor es la cantidad
de productos pesados que tiene el crudo [15] Esto depende de la edad del yacimiento y de
algunas caracteriacutesticas geoloacutegicas No obstante se ha comprobado que entre maacutes antiguos
son tienen maacutes hidrocarburos gaseosos y soacutelidos y menos liacutequidos entran en su
composicioacuten
5
Es un recurso natural no renovable y actualmente es la principal fuente de energiacutea en
los paiacuteses desarrollados El petroacuteleo liacutequido puede presentarse asociado a capas de gas
natural en yacimientos que han estado enterrados durante millones de antildeos cubiertos por los
estratos superiores de la corteza terrestre Los factores de presioacuten temperatura y procesos
quiacutemicos y fiacutesicos ayudados por la carencia de oxiacutegeno posibilitan la formacioacuten de petroacuteleo
liacutequido y de gas
La conversioacuten de materia orgaacutenica en petroacuteleo ocurre en varias etapas [15]
Degradacioacuten bioquiacutemica la accioacuten de las bacterias en un ambiente aerobio
oxidan la materia orgaacutenica
Policondensacioacuten e insolubilizacioacuten se produce un reordenamiento molecular
en dos etapas originaacutendose una sustancia insoluble en aacutelcalis con estructura
parecida al keroacutegeno
Cracking primario es la primera reaccioacuten de generacioacuten de hidrocarburos
regida por la ley de Arrhenius de donde se puede obtener petroacuteleo y gas
Cracking secundario se destruye la fraccioacuten inestable generando gas y
residuos carbonosos
111 Composicioacuten del petroacuteleo
El petroacuteleo crudo es la materia prima principal de la industria de Refinacioacuten del Petroacuteleo
estaacute constituido por una mezcla de diferentes tipos de hidrocarburos cuyas moleacuteculas se
componen de Carbono e Hidroacutegeno con un pequentildeo porcentaje de otros elementos
conformando hidrocarburos de estructuras maacutes o menos complejas como compuestos
heterociacuteclicos de nitroacutegeno oxiacutegeno y azufre compuestos organometaacutelicos ademaacutes contiene
sedimentos inorgaacutenicos y agua [16] La composicioacuten aproximada de los crudos puede verse
en la Tabla 11
6
Tabla11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo
Elemento Composicioacuten (peso)
Carbono 84-87
Hidroacutegeno 11-14
Azufre 0-5
Nitroacutegeno 0-02
Oxiacutegeno 0-05
112 Clasificacioacuten de petroacuteleo
Son miles los compuestos quiacutemicos que constituyen el petroacuteleo [16] y entre muchas otras
propiedades estos compuestos se diferenciacutean por su volatilidad (dependiendo de la
temperatura de ebullicioacuten) Al calentarse el petroacuteleo se evaporan preferentemente los
compuestos ligeros (de estructura quiacutemica sencilla y bajo peso molecular) de tal manera que
conforme aumenta la temperatura los componentes maacutes pesados van incorporaacutendose al
vapor
Las curvas de destilacioacuten TBP (del ingleacutes ldquotrue boiling pointrdquo temperatura de ebullicioacuten real)
distinguen a los diferentes tipos de petroacuteleo y definen los rendimientos que se pueden obtener
de los productos por separacioacuten directa [17] Por ejemplo mientras que en el crudo Istmo se
obtiene un rendimiento directo de 26 volumeacutetrico de gasolina en el Maya soacutelo se obtiene
157 [17]
La industria mundial de hidrocarburos liacutequidos clasifica el petroacuteleo de acuerdo con su
densidad API (paraacutemetro internacional del Instituto Americano del Petroacuteleo que diferenciacutea
las calidades del crudo) La Tabla 12 muestra estas clasificaciones
Tabla 12 Clasificacioacuten del petroacuteleo crudo [18]
Aceite crudo Densidad
( g cm3)
Densidad
grados API
Extrapesado gt10 100
Pesado 10 - 092 100 - 223
Mediano 092 - 087 223 - 311
7
Ligero 087 - 083 311 - 39
Superligero lt 083 gt 39
Para exportacioacuten en Meacutexico se preparan tres variedades de petroacuteleo crudo
a) Istmo Ligero con densidad de 336 grados API y 13 de azufre en peso
b) Maya Pesado con densidad de 22 grados API y 33 de azufre en peso
c) Olmeca Superligero con densidad de 393 grados API y 08 de azufre en peso
Atendiendo a la mayor proporcioacuten del tipo de hidrocarburos que conforman la mezcla los
crudos se clasifican seguacuten su base parafiacutenica nafteacutenica asfaacuteltica y mixta [15]
Base parafiacutenica Las parafinas livianas dan buenos aceites para usos domeacutesticos pues no
producen humo al quemarse tienden a resistir el calor Las parafinas maacutes espesas contienen
cristales blancos y blandos que cuando son aislados y refinados forman lo que se conoce
como cera parafinada Se encuentran generalmente en Pennsylvania West Virginia y centro
de Estados Unidos
Base nafteacutenica Generalmente contienen gran proporcioacuten de fracciones volaacutetiles es decir
componentes que se evaporan faacutecilmente Se encuentran generalmente en Rusia Peruacute
California y Golfo de Meacutexico En Cuba se encuentra en la zona de Motembo
Base asfaacuteltica Contienen ademaacutes de carbono e hidroacutegeno gran cantidad de azufre En la
destilacioacuten avanzada o maacutes completa rinden una cantidad relativamente alta de alquitraacuten y
asfalto Se pueden encontrar en Meacutexico Venezuela California y el Caribe
Base mixta Ninguacuten crudo es realmente netamente nafteacutenico asfaacuteltico o parafiacutenico en su
composicioacuten quiacutemica sino que contienen proporciones de los otros tipos caracterizaacutendose
por la predominancia del compuesto en mayoriacutea Sin embargo ciertos crudos de Kansas
Oklahoma y Texas tienen contenidos muy similares de nafta parafinas y asfaltos lo que
resulta imposible clasificarlos en una sola de estas clases
8
Asiacute mismo se puede clasificar al petroacuteleo crudo considerando dos grandes grupos de
hidrocarburos saturados y no saturados Cuando todas las valencias de los aacutetomos de carbono
se comparten con otros aacutetomos es saturado cuando hay falta de hidroacutegeno es no saturado y
se pueden compartir dos y hasta tres valencias entre un aacutetomo de carbono con otro aacutetomo [16]
Los saturados y no saturados se dividen a su vez en dos grupos importantes cada uno lo cual
se muestra en la figura 11
Figura 11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleo
Las parafinas son las maacutes ricas en hidroacutegeno son saturadas y por tanto relativamente estables
Las parafinas comunes son liacutequidos pero se pueden encontrar gaseosas o soacutelidas La foacutermula
general es CnH2n+2
Los naftenos (ciclanos o ciclo alcanos) son saturados lo que hace que sean resistentes a los
cambios incluyendo la oxidacioacuten Son relativamente insolubles en aacutecido sulfuacuterico
concentrado Los maacutes importantes son ciclopentano y ciclohexano La foacutermula general es
CnH2n
Los no saturados tienden a formar gomas lacas y fangos al unirse al oxiacutegeno y separarse del
carbono que es un enlace relativamente menos estable
Las olefinas son no saturados o insaturados y por lo que tienen deficiencia de hidroacutegeno
consecuentemente son muy reactivos y combinan faacutecilmente con el hidroacutegeno oxiacutegeno
cloro y azufre esto causa que no se deseen altos porcentajes de olefinas en los combustibles
9
sin embargo son apreciados en la manufactura de varios productos entre ellos el plaacutestico La
foacutermula general es CnH2n
Los aromaacuteticos son no saturados pero actuacutean como saturados Son deseables en la gasolina
pues tienen altas propiedades antidetonantes El nombre aromaacuteticos surge por su olor
caracteriacutestico Algunos se usan en la produccioacuten del TNT colorantes plaacutesticos insecticidas
etc Hoy en diacutea se ha limitado su concentracioacuten en los derivados por ser dantildeinos a la salud
son altamente canceriacutegenos La foacutermula general es CnH2n-6 [19]
113 Derivados del petroacuteleo
Un derivado del petroacuteleo es un producto procesado en una refineriacutea usando como materia
prima el petroacuteleo Seguacuten la composicioacuten del crudo y la demanda las refineriacuteas pueden
producir distintos productos derivados del petroacuteleo La mayor parte del crudo es usado como
materia prima para obtener energiacutea por ejemplo la gasolina Tambieacuten producen sustancias
quiacutemicas que se puede utilizar en procesos quiacutemicos para producir plaacutestico yo otros
materiales uacutetiles
Dentro de los productos que se generan a partir del petroacuteleo se tienen [17]
bull Gasolinas liacutequidas (fabricadas para automoacuteviles y aviacioacuten en sus diferentes grados
queroseno diversos combustibles de turbinas de avioacuten y el gasoacuteleo entre otros)
bull Lubricantes (aceites para maquinarias aceites de motor y grasas Estos compuestos llevan
ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ignicioacuten)
bull Parafinas Es la materia prima para la elaboracioacuten de velas y similares ceras para pisos
foacutesforos papel parafinado vaselinas faacutermacos etc
bull Cloruro de polivinilo (PVC) Existen dos tipos de cloruro de polivinilo tienen alta
resistencia a la abrasioacuten y a los productos quiacutemicos Se utiliza para hacer manteles cortinas
para bantildeo muebles alambres y cables eleacutectricos Tambieacuten se utiliza para la fabricacioacuten de
riego juntas techado y botellas
10
bull Plaacutesticos pinturas barnices disolventes fertilizantes e insecticidas detergentes cauchos
artificiales negro de humo polieacutester y muchos maacutes
bull Detergentes usados para limpieza
bull Azufre subproductos de la eliminacioacuten del azufre del petroacuteleo que pueden tener hasta un
2 de azufre como compuestos de azufre El azufre y aacutecido sulfuacuterico son materiales
importantes para la industria
bull Asfalto se utiliza como aglutinante para la grava que forma de asfalto concreto que se
utiliza para la pavimentacioacuten de carreteras etc
bull Petroquiacutemicos estos pueden ser hidrocarburos olefinas o sus precursores o diversos tipos
de quiacutemicos como aromaacuteticos y tienen una gran variedad de usos Por lo general son
utilizados como monoacutemeros como disolventes como precursores de una gran variedad de
sustancias quiacutemicas y productos quiacutemicos tales como los liacutequidos limpiadores de los
vehiacuteculos surfactante de la limpieza etc [19]
114 Importancia del petroacuteleo
El petroacuteleo tiene una gran trascendencia en la gran mayoriacutea de las actividades cotidianas Del
crudo se obtiene gasolina y diesel para autos y autobuses combustible para barcos y aviones
Se usa para generar electricidad obtener energiacutea caloriacutefica para faacutebricas hospitales y oficinas
y diversos lubricantes para maquinaria y vehiacuteculos La industria petroquiacutemica usa productos
derivados de eacutel para hacer plaacutesticos fibras sinteacuteticas detergentes medicinas conservadores
de alimentos hules y agroquiacutemicos El petroacuteleo ha transformado la vida de las personas y la
economiacutea de las naciones Su descubrimiento creoacute riqueza modernidad pueblos industriales
proacutesperos y nuevos empleos motivando el crecimiento de las industrias mencionadas [19]
12 Yacimiento
11
Un yacimiento de petroacuteleo puede definirse como un volumen poroso que contiene agua
petroacuteleo y a veces una fase gaseosa La proporcioacuten volumeacutetrica del petroacuteleo puede alcanzar
a veces el 40 El medio poroso del yacimiento o roca almaceacuten es de origen sedimentario
de tipo arenisca o caliza consolidado o no El diaacutemetro de poro variacutea ampliamente seguacuten la
roca pero es de tamantildeo microscoacutepico desde algunas fracciones de miliacutemetro a algunos
microacutemetros [20]
Cada medio poroso tiene sus caracteriacutesticas porosidad el porcentaje de volumen vaciacuteo
permeabilidad una medida de la resistencia al movimiento de los fluidos mojabilidad una
medida de la naturaleza superficial de la roca
Debido a su origen sedimentario el medio poroso del yacimiento es a menudo heterogeacuteneo
como consecuencia de las variaciones ocurridas durante el largo proceso de sedimentacioacuten
que formoacute la roca Estas heterogeneidades pueden existir a la escala de los poros o bien a la
escala macroscoacutepica en forma zonas muy o poco permeables y eventualmente de grietas
Las heterogeneidades complican las operaciones de produccioacuten porque tienden a producir
caminos preferenciales y segregaciones [21]
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientos
Geoloacutegicamente los yacimientos se clasifican en estratigraacuteficos estructurales y combinados
[22]
Estratigraacuteficos lentes de arena cambios de facies calizas o dolomitas porosas
cambios de permeabilidad
Estructurales Fracturas en calizas o rocas iacutegneas discordancias fallas en areniscas
sinclinales anticlinales domos salinos etc
Combinados Hace referencia a las posibles combinaciones que se presenten entre los
dos grupos anteriores
La clasificacioacuten anterior se puede observar en la figura 12
12
Figura 12 Clasificacioacuten de yacimientos [22]
122 Condiciones de explotacioacuten
La produccioacuten de petroacuteleo involucra dos aspectos El primero es la produccioacuten uacuteltima posible
en funcioacuten de las teacutecnicas empleadas y el segundo es el ritmo de produccioacuten de acuerdo con
el comportamiento de los pozos y de los diferentes meacutetodos de estimulacioacuten aplicables
(fracturacioacuten acidificacioacuten inyeccioacuten de vapor) Tradicionalmente se hace la distincioacuten entre
dos periacuteodos durante la explotacioacuten de un yacimiento la recuperacioacuten primaria y la
recuperacioacuten secundaria Desde el aumento del precio del petroacuteleo al principio de los antildeos
70 se considera ademaacutes una eventual recuperacioacuten terciaria yo una recuperacioacuten
(secundaria) mejorada [14]
123 Recuperacioacuten primaria
Durante este periacuteodo el petroacuteleo se drena naturalmente hacia los pozos bajo el efecto del
gradiente de presioacuten existente entre el fondo de los pozos y el seno del yacimiento
En muchos yacimientos profundos la presioacuten es mayor que la presioacuten hidrostaacutetica lo que
hace que el petroacuteleo llegue a la superficie con el solo aporte energeacutetico del yacimiento A
medida que se expanden los fluidos en el yacimiento la presioacuten tiende a bajar en forma maacutes
13
o menos raacutepida seguacuten los mecanismos involucrados En ciertos casos puede existir un
mecanismo de compensacioacuten natural que reduzca notablemente la velocidad de decaimiento
de la presioacuten como la compactacioacuten de sedimento (subsidencia) la migracioacuten de un acuiacutefero
activo o la lenta expansioacuten de una bolsa de gas
Cuando el pozo no es eruptivo o cuando la presioacuten se ha reducido se necesita un aporte
externo de energiacutea para disminuir la presioacuten en fondo de pozo O bien se bombea el crudo
desde el fondo del pozo o bien se utiliza el meacutetodo del levantamiento con gas este consiste
en inyectar gas en fondo de pozo de tal forma que el fluido producido sea una mezcla de gas
y petroacuteleo de densidad suficientemente baja para llegar a la superficie bajo el efecto de la
presioacuten del yacimiento [20]
El periacuteodo de recuperacioacuten primaria tiene una duracioacuten variable pero siempre se lleva a cabo
ya que permite recoger numerosas informaciones sobre el comportamiento del yacimiento
las cuales son de primera importancia para la planificacioacuten de la explotacioacuten ulterior
La recuperacioacuten primaria se termina cuando la presioacuten del yacimiento ha bajado demasiado
o cuando se estaacuten produciendo cantidades demasiado importantes de otros fluidos (gas
agua) El porcentaje de recuperacioacuten primaria del crudo originalmente en sitio es en promedio
del orden de 10-15 pero puede ser tan bajo como 5 en yacimientos sin gas disuelto o
alcanzar 20 y auacuten maacutes en yacimientos que poseen una baja permeabilidad y una bolsa de
gas o un acuiacutefero activo
Anteriormente se explotaba el yacimiento en recuperacioacuten primaria hasta que los gastos de
explotacioacuten se vuelvan prohibitivos en cuyo momento se pasaba a los meacutetodos de
recuperacioacuten secundaria Hoy en diacutea se inician las operaciones de recuperacioacuten secundaria
mucho antes de llegar a este punto y la seleccioacuten del meacutetodo de explotacioacuten en un yacimiento
o en una parte de un yacimiento obedece a criterios de optimizacioacuten [22]
14
124 Recuperacioacuten secundaria
Los meacutetodos de recuperacioacuten secundarios consisten en inyectar dentro del yacimiento un
fluido menos costoso que el petroacuteleo para mantener un gradiente de presioacuten Estos fluidos se
inyectan por ciertos pozos (inyectores) y desplazan o arrastran una parte del petroacuteleo hacia
los otros pozos (productores) [14]
Hasta el principio de los antildeos 70 el bajo precio del crudo haciacutea que los uacutenicos fluidos
susceptibles de inyectarse econoacutemicamente eran el agua y en ciertos casos el gas natural
El drenaje por agua permite elevar la recuperacioacuten del aceite originalmente en sitio hasta un
promedio de 25-30 con variaciones desde 15 hasta 40 seguacuten los casos
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejorada
Despueacutes de las recuperaciones primaria y secundaria el yacimiento contiene todaviacutea 60-
80 (promedio 72) del crudo originalmente en sitio Esto se debe a que la eficiencia de los
meacutetodos de recuperacioacuten primaria y secundaria estaacute limitada por dos factores [14]
A la escala de los poros el crudo alcanza una saturacioacuten residual suficientemente baja
para encontrarse en forma de gloacutebulos discontinuos atrapados por las fuerzas
capilares
A la escala del yacimiento existen ciertas zonas en las cuales el fluido inyectado
durante la recuperacioacuten secundaria no penetra por la baja permeabilidad de estas
zonas porque siguen caminos preferenciales o porque la geometriacutea de implantacioacuten
de los pozos no es favorable
Entre los meacutetodos cuyo propoacutesito es mejorar la eficiencia del desplazamiento mediante una
reduccioacuten de las fuerzas capilares se pueden citar la utilizacioacuten de solventes miscibles con
el crudo y la obtencioacuten de baja tensioacuten interfacial con soluciones de surfactantes o soluciones
alcalinas Para mejorar la eficiencia de barrido se puede reducir la viscosidad del crudo
mediante calentamiento aumentar la viscosidad del agua con poliacutemeros hidrosolubles o
taponar los caminos preferenciales por ejemplo con espumas [21]
15
Los meacutetodos actualmente propuestos para la recuperacioacuten mejorada involucran uno o varios
de estos aspectos En lo que se refiere a la utilizacioacuten de surfactantes se destacan los
siguientes
Drenaje miscible con microemulsiones
Drenaje inmiscible con soluciones de surfactantes y poliacutemeros (y a veces aacutelcali)
Inyeccioacuten de vapor con surfactante ndash espumas
126 Generalidades de pozos
La estimulacioacuten de pozos se utiliza para mejorar la productividad de pozos petroleros Esto
se logra inyectando fluidos al pozo y dependiendo del gasto y presioacuten de inyeccioacuten
alcanzada seraacute el tipo de estimulacioacuten realizada Para aumentar la produccioacuten de un pozo se
debe tratar la roca situada en la cercaniacutea para aumentar su permeabilidad esto se debe a que
la geometriacutea ciliacutendrica del pozo produce una mayor resistencia al flujo en la vecindad del
mismo Existen esencialmente dos meacutetodos de estimulacioacuten que pueden emplearse solos o
juntos la fracturacioacuten y la acidificacioacuten [23]
En ambos tipos de procesos se usan surfactantes como dispersantes de partiacuteculas finas (alquil
fenoles y alquil amonios etoxilados) y como inhibidores de corrosioacuten (alquilpiridinios)
En el proceso de fracturacioacuten se inyecta bajo alta presioacuten una mezcla de agua y de arena La
arena penetra en las fracturas producidas e impide que se vuelvan a cerrar cuando la presioacuten
retorna a lo normal
En la acidificacioacuten se inyecta una solucioacuten aacutecida (HCl HF) extremadamente corrosiva para
los metales pero capaz de disolver la roca almaceacuten (carbonato siacutelica) Se usan alquil
piridinios como inhibidores de corrosioacuten alquil fenoles etoxilados como humectantes y
alquil amonios etoxilados como dispersantes de partiacuteculas finas
A menudo en presencia de carbonatos se desea retardar la acidificacioacuten para que el fluido
aacutecido pueda penetrar a cierta distancia del pozo antes de reaccionar con la roca
Uno de los meacutetodos de retardacioacuten consiste en emulsionar la fase acuosa aacutecida en queroseno
en forma WO Para tales emulsiones se usan sulfonatos de petroacuteleo o sales de aacutecidos
16
carboxiacutelicos por la interaccioacuten que presentan los grupos ldquosulfatordquo con los hidrocarburos [22]
Siendo el queroseno la fase continua el contacto aacutecido-roca no se produce inmediatamente
y la emulsioacuten puede penetrar a varios metros del pozo antes de que se consuma todo el aacutecido
obseacutervese en la figura 13
Figura 13 Acidificacioacuten controlada mediante la inyeccioacuten de una emulsioacuten de aacutecido en
queroseno [23]
Otro meacutetodo de retardacioacuten consiste en inyectar nitroacutegeno con la solucioacuten aacutecida la cual
contiene agentes espumantes como alquil eacutester sulfatos surfactantes etoxilados y a veces
surfactantes fluorocarbonados La espuma formada juega dos papeles de una parte reduce el
contacto entre el aacutecido y la roca y por lo tanto reduce la velocidad de ataque Por otra parte
tienen tendencia en llenar las fracturas y taponarlas (efecto Jamin) lo que obliga al aacutecido a
penetrar en la zonas de baja permeabilidad (figura 14)
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumas
Sin embargo estos dos uacuteltimos meacutetodos deben emplearse con cierto cuidado para evitar el
taponamiento del pozo con emulsiones o espumas debido a la presioacuten con la que actuacutean en
17
el mismo sistema lo que puede luego tener un efecto desfavorable sobre la produccioacuten[22]
Despueacutes de la acidificacioacuten se pone el pozo en produccioacuten para eliminar el residuo de aacutecido
y las partiacuteculas finas producidas por la desagregacioacuten de la roca Es en esta etapa que se
requieren agentes dispersantes
Ciertos meacutetodos de estimulacioacuten consisten en inyectar surfactantes para bien sea cambiar la
mojabilidad de la roca de mojable por el agua a mojable por el aceite bien sea desplazar
el crudo atrapado en la cercaniacutea del pozo Tales meacutetodos se usan para estimular pozos que
han dejado de producir por cierto tiempo o que han sufrido un dantildeo
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluido
131 Porosidad
Es el volumen de huecos de la roca y define la capacidad de eacutesta para almacenar fluidos Se
expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca
(porosidad total o bruta) [24]
Tipos de Porosidad
Absoluta La porosidad absoluta se considera como el volumen poroso total (esteacuten o
no interconectados)
Efectiva La porosidad efectiva se refiere al porcentaje de poros interconectados que
permiten la circulacioacuten de fluidos
No efectiva Representa la diferencia entre las porosidades anteriores es decir la
porosidad absoluta y la efectiva
132 Permeabilidad
18
La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo
atraviese sin alterar su estructura interna Se afirma que un material es permeable si deja
pasar a traveacutes de eacutel una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado e impermeable si la
cantidad de fluido es despreciable Se define con la ecuacioacuten de Darcy [14]
119876 =119870119860
120583
119889119875
119889119905 119910 119870 =
119876120583
119860 119889119897
119889119875 (1)
Doacutende
A Aacuterea de flujo (cm2)
Q Gasto (cm3 s-1)
dP Diferencia de presiones a la entrada y salida del permeaacutemetro (kPa)
dl Longitud del medio poroso (cm)
micro Viscosidad del fluido (cP)
K Velocidad de filtracioacuten (m s-1)
Si el fluido es homogeacuteneo y no produce ninguna accioacuten importante sobre la roca se habla
de permeabilidad absoluta pero si en la roca existen varios fluidos como es el caso de un
yacimiento petroliacutefero en el que se puede tener petroacuteleo agua y gas se producen
interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los
fluidos
La permeabilidad relativa corresponde a la relacioacuten entre permeabilidad absoluta y efectiva
Para un fluido dado variacutea en funcioacuten directa con la saturacioacuten de ese fluido en la roca y se
expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro
133 Tortuosidad
19
Una medida de la complejidad geomeacutetrica de un medio poroso La tortuosidad es una relacioacuten
que caracteriza los trayectos de la difusioacuten del fluido y la conduccioacuten eleacutectrica a traveacutes de los
medios porosos En mecaacutenica de fluidos de los medios porosos la tortuosidad es la relacioacuten
del largo de la corriente natural de un fluido (una liacutenea o trayecto de flujo) entre dos puntos
y la distancia en liacutenea recta entre esos puntos Por consiguiente la tortuosidad se relaciona
con la relacioacuten entre el coeficiente de difusioacuten de un fluido cuando no estaacute confinado por un
medio poroso y su coeficiente de difusioacuten efectivo cuando estaacute confinado en un medio poroso
[22] Este paraacutemetro es calculado con la ecuacioacuten 2
119879 =119871119864
119871 ( 2)
Doacutende
L es la longitud de la muestra de roca (cm)
LE es la longitud de la trayectoria de difusioacuten del fluido sobre la muestra (cm)
El flujo de fluidos a traveacutes de medios porosos estaacute fuertemente afectado por fenoacutemenos de
superficie los cuales representan fuerzas retentivas de fluidos en el medio poroso La accioacuten
de la estimulacioacuten matricial no reactiva concierne principalmente a la alteracioacuten de estas
fuerzas retentivas manifiestas en los fenoacutemenos de tensioacuten superficial mojabilidad y
capilaridad [20]
134 Tensioacuten Superficial e Interfacial
La materia en sus diferentes estados (soacutelido liacutequido y gaseoso) estaacute compuesta de moleacuteculas
las cuales presentan una atraccioacuten llamada fuerza de cohesioacuten Esta fuerza es una
combinacioacuten de fuerzas electrostaacuteticas y de Van der Waals [21] Naturalmente estas fuerzas
son de diferente magnitud dependiendo del estado de la materia Por ejemplo en el seno de
un liacutequido una moleacutecula es rodeada por moleacuteculas similares ejerciendo unas con otras
fuerzas iguales de atraccioacuten por lo que eacutestas se encuentran balanceadas tal como se muestra
en la figura 15
20
15 Representacioacuten de fuerzas intermoleculares en un sistema bifaacutesico (soacutelido-liacutequido)
En la interfase entre un liacutequido y un soacutelido o entre un liacutequido y un gas estas fuerzas son
desequilibradas causando que exista una resultante en la interfase con ello se crea una
energiacutea libre de superficie En la misma figura 15 se observa la fuerza resultante en la
interfase del sistema denotada con el teacutermino FR cuyo valor representa la tensioacuten que existe
entre las moleacuteculas de las fase liquida y gaseosa
Esta fuerza seraacute mayor entre mayores sean las fuerzas de atraccioacuten de las moleacuteculas del
liacutequido Si se deseara romper esta superficie se tendriacutea que realizar un trabajo por unidad de
aacuterea equivalente a vencer la energiacutea libre de superficie Este trabajo por unidad de aacuterea se
denomina tensioacuten superficial y su valor especiacutefico para cada liacutequido depende
principalmente de la temperatura y presioacuten a las cuales se encuentre
Para medir la tensioacuten superficial se utilizan varios meacutetodos de los cuales el maacutes utilizado es
el meacutetodo de Du Nouumly Este procedimiento consiste en colocar en el liacutequido un arillo de
platino y llevarlo hasta la interfase midiendo la fuerza necesaria con la que el anillo rompe
la superficie La tensioacuten superficial generalmente se da en dina cm-1 Para el agua a
21
condiciones estaacutendar la tensioacuten superficial es de 72 dina cm-1 para el benceno es de 29 dina
cm-1 [19]
En 1905 Young mostroacute que las propiedades mecaacutenicas de la energiacutea libre de superficie
podriacutean relacionarse con una membrana hipoteacutetica en la superficie Usando en concepto de
tensioacuten superficial Young fue capaz de derivar expliacutecitamente la condicioacuten de equilibrio
mecaacutenico de una superficie curva entre dos fases [21] La ecuacioacuten de Young se expresa en la
ecuacioacuten 3
119875primeprime minus 119875prime =2120590
119903 (3)
Doacutende
Pacute Presioacuten en la fase externa (kPa)
Pacuteacute Presioacuten en la fase interna (kPa)
σ Tensioacuten Superficial (Erg)
r Radio de curvatura (cm)
Si un liacutequido estaacute en contacto con otra sustancia (gas soacutelido u otros liacutequidos inmiscibles) hay
una energiacutea libre interfacial Esto significa que se tiene que realizar cierta cantidad de trabajo
con el fin de separar ambos medios Los dos principales paraacutemetros que afectan a la magnitud
de la tensioacuten superficial son la temperatura y la composicioacuten quiacutemica de las fases La
variacioacuten de la tensioacuten superficial liacutequido-vapor (γLG) usualmente sigue una relacioacuten lineal
seguacuten la expresioacuten [15]
120574119871119866 = 1205740 + (∆120575119871119866
∆119879) (119879 minus 119879119898) (4)
Doacutende
γLG Tensioacuten interfacial liquido-gas (dina cm-1)
γ0 Tensioacuten superficial del liacutequido (dina cm-1)
ΔδLG Diferencia de densidad entre fase liacutequida y fase gaseosa (kg m-3)
22
ΔT Diferencia de temperaturas
T Temperatura del sistema (degC)
Tm Temperatura media (degC)
En general la tensioacuten superficial para metales fundidos disminuye con el incremento de la
temperatura (dγLGdT) lt 0 ya que las fuerzas de cohesioacuten disminuyen al aumentar la
agitacioacuten teacutermica La influencia del medio exterior se debe a que las moleacuteculas del medio
ejercen acciones atractivas sobre las moleacuteculas situadas en la superficie del liacutequido
contrarrestando las acciones de las moleacuteculas del interior del liacutequido
La medida de la tensioacuten superficial en soacutelidos policristalinos es compleja comparada con la
medida de γLG y en consecuencia los datos experimentales son difiacutecilmente fiables Se han
desarrollado modelos teoacutericos para predecir γSG pero con un eacutexito limitado Por otro lado la
tensioacuten γSL no puede ser medida directamente soacutelo puede predecirse con la ayuda de modelos
teoacutericos [19] El uso de la ecuacioacuten 5 para determinar el trabajo de adherencia (conociendo
previamente γLG o midieacutendolo simultaacuteneamente con θ) es una de las praacutecticas maacutes habituales
para investigar la mojabilidad de soacutelidos por metales liacutequidos
119882119886 = 120574119871119866(1 + 119888119900119904120579)
Donde
Wa Mojabilidad
γLG= Tensioacuten interfacial (dina cm-1)
θ= Angulo de contacto (deg)
135 Mojabilidad
23
La mojabilidad es uno de los fenoacutemenos de superficie y representa la interaccioacuten soacutelidondash
liacutequido este paraacutemetro depende de las fuerzas intermoleculares de los materiales en contacto
la fuerza de adhesioacuten entre el liacutequido y el soacutelido provoca que el liacutequido se extienda por la
superficie mientras que la de cohesioacuten del liacutequido hacen que eacuteste se abulte y tienda a evitarla
Es claro que tambieacuten estaacute muy relacionada con la capilaridad porque algunas sustancias
disueltas en el agua pueden modificar su tensioacuten superficial y por lo tanto su mojabilidad [14]
El aacutengulo de contacto ϴ es el aacutengulo que forma el liacutequido respecto a la superficie de contacto
con el soacutelido y estaacute determinado por la resultante de las fuerzas adhesivas y cohesivas Como
la tendencia de una gota a expandirse en una superficie plana aumenta con la disminucioacuten
del aacutengulo de contacto este aacutengulo proporciona una medida inversa de la mojabilidad [25]
Un aacutengulo de contacto pequentildeo (lt 90deg) indica que la mojabilidad es muy alta y el fluido se
extenderaacute sobre la superficie aacutengulos de contacto grandes (gt 90deg) significan que la
mojabilidad es baja y el fluido disminuiraacute el contacto con la superficie formando una gota
compacta este efecto puede observarse en las figuras 6a 6b y 6c Cuantitativamente la
mojabilidad se define como el producto de la tensioacuten superficial por el aacutengulo de contacto
esto es
119882119886 = 120590119888119900119904120579 (5)
Figura 16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidad [25]
El fenoacutemeno de mojabilidad es de gran importancia para el flujo de aceite en un medio
poroso Se ha demostrado que si la roca se encuentra mojada por agua la permeabilidad al
a) b) c)
24
aceite es muy superior al caso en que la roca se encuentre mojada por aceite lo cual favorece
la recuperacioacuten del aceite contenido en el yacimiento [26]
136 Capilaridad
La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de adsorber a otra Sucede cuando las
fuerzas intermoleculares adhesivas entre el liacutequido y el soacutelido son mayores que las fuerzas
intermoleculares cohesivas del liacutequido Cuando un liacutequido sube por un tubo capilar es debido
a la cohesioacuten intermolecular entre sus moleacuteculas es menor que la adhesioacuten del liacutequido con el
material del tubo es decir es un liacutequido que moja El liacutequido sigue subiendo hasta que la
tensioacuten superficial es equilibrada por el peso del liacutequido que llena el tubo
Al sumergir un tubo de vidrio capilar en agua eacutesta se elevaraacute en el tubo como se muestra en
la figura 17 en este caso se define como presioacuten capilar la diferencia de presiones en la
interfase [5]
Figura 17 Efecto de la capilaridad [5]
La presioacuten capilar seraacute la fuerza requerida para soportar la columna de agua en el tubo
dividida entre el aacuterea del capilar se explica con la ecuacioacuten 6
119875119862 = 120588119892ℎ119888 (6)
Doacutende
25
Pc Presioacuten capilar (N m-2)
ρ Densidad (kg m-3)
g Aceleracioacuten de la gravedad (981 m s-2)
hc Altura de la columna (m)
137 Adsorcioacuten
La adsorcioacuten es un proceso de separacioacuten y concentracioacuten de uno o maacutes componentes de un
sistema sobre una superficie soacutelida o liacutequida Los distintos sistemas heterogeacuteneos en los que
puede tener lugar la adsorcioacuten son soacutelido-liacutequido soacutelido-gas y liacutequido-gas Como en otros
procesos de este tipo los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases
La adsorcioacuten es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra
sobre la superficie de otra fase (generalmente soacutelida) Por ello se considera como un
fenoacutemeno subsuperficial La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama
adsorbato y la fase impregnada se llama adsorbente [21] Lo anterior se muestra en la
figura 18
Figura 18 Proceso de adsorcioacuten
1371 Tipos de adsorcioacuten
Cabe distinguir tres tipos de adsorcioacuten seguacuten sea la atraccioacuten entre el soluto y el adsorbente
sea de tipo eleacutectrico de Van der Waals (o Fiacutesica) o de naturaleza quiacutemica [23]
26
Eleacutectrica Cae de lleno dentro del intercambio ioacutenico y a menudo se le llama
adsorcioacuten por intercambio que es un proceso mediante el cual los iones de una
sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atraccioacuten electrostaacutetica
en los lugares cargados de la superficie Para dos absorbatos ioacutenicos posibles a
igualdad de otros factores la carga del ioacuten es el factor determinante en la adsorcioacuten
de intercambio Para iones de igual carga el tamantildeo molecular (radio de solvatacioacuten)
determina el orden de preferencia para la adsorcioacuten (figura 19)
Figura 19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectrica
Fiacutesica La adsorcioacuten que tiene lugar debido a las fuerzas de Van der Waals se llama
generalmente adsorcioacuten fiacutesica En este caso la moleacutecula adsorbida no estaacute fija en un
lugar especiacutefico de la superficie sino maacutes bien estaacute libre de trasladarse dentro de la
interfase Esta adsorcioacuten en general predomina a temperaturas bajas El aumento de
la temperatura disminuye considerablemente la adsorcioacuten (figura 110)
No se produce adsorcioacuten a temperaturas superiores a la temperatura criacutetica del
adsorbato gaseoso si la presioacuten del gas tiene valores cercanos a la presioacuten de vapor
de equilibrio para el adsorbato liacutequido se produciraacute una adsorcioacuten maacutes extensa en
capas muacuteltiples
27
Figura 110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesica
Quiacutemica Si el adsorbato sufre una interaccioacuten quiacutemica con el adsorbente el
fenoacutemeno se llama adsorcioacuten quiacutemica adsorcioacuten activa o quimisorcioacuten Las energiacuteas
de adsorcioacuten son elevadas del orden de las de un enlace quiacutemico debido a que el
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente Esta adsorcioacuten suele estar favorecida a una temperatura elevada [17]
(figura 111)
Figura 111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemica
La mayor parte de los fenoacutemenos de adsorcioacuten son combinaciones de las tres formas de
adsorcioacuten y de hecho no es faacutecil distinguir entre adsorcioacuten fiacutesica y quiacutemica
28
14 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten es el proceso en donde un fluido que satura un medio capilar es desplazado
por otro fluido Eacutesta es espontaacutenea cuando el fluido desplazante penetra el medio capilar
uacutenicamente bajo la accioacuten de las fuerzas capilares Las muestras de roca que imbiben
uacutenicamente agua se dice que son mojadas por agua de igual manera las que lo hacen con el
aceite son mojadas por aceite [10]
La imbibicioacuten es importante en un yacimiento que produce por mecanismos de empuje de
agua porque puede favorecer u obstruir el movimiento del agua afectando el aacuterea del barrido
Una prueba de imbibicioacuten es una comparacioacuten del potencial de imbibicioacuten del petroacuteleo y del
agua en una roca tal como se muestra en la figura 112 La mojabilidad de la roca es
determinada por la fase que maacutes absorbe
Figura 112 Celda de imbibicioacuten espontanea [10]
141 Interaccioacuten roca-fluido
29
La mojabilidad es muy importante en los procesos de recuperacioacuten de aceite debido al fuerte
efecto que eacutesta ejerce en la distribucioacuten localizacioacuten y flujo de aceite y agua dentro del
yacimiento durante la produccioacuten
Generalmente se asume que los yacimientos de aceite fueron creados por la acumulacioacuten de
hidrocarburos en rocas que originalmente conteniacutean agua y por ello se deduce que las rocas
de todos los yacimientos fueron originalmente mojadas por agua [23]
Asimismo existen casos aislados en los cuales despueacutes de haberse hecho pruebas se
descubrioacute que algunos yacimientos eran originalmente mojados por aceite Principalmente
los asfaltenos pesados y las fracciones de resina del aceite crudo son capaces de alterar por
adsorcioacuten la mojabilidad de una caliza mojada originalmente por agua a una mojada por
aceite en su superficie Los componentes maacutes importantes en el aceite crudo responsables
del cambio de mojabilidad son aquellos que contienen grupos cargados como un aacutecido o una
base
Las rocas carbonatadas usualmente llevan cargan positivas en la superficie y tienen una
afinidad mayor por los componentes aacutecidos del aceite crudo En el caso de las areniscas cuya
carga de superficie es negativa se tiene una mayor atraccioacuten por los componentes baacutesicos
del aceite crudo [10] La figura 113 es una representacioacuten esquemaacutetica de coacutemo las partes
aacutecidas del aceite se adsorben sobre la superficie de la caliza generando un estado maacutes mojado
por aceite
Figura 113 Esquema de las partes aacutecidas del aceite crudo sobre una superficie de roca
carbonatada
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacutenea
30
La comprensioacuten de los mecanismos detraacutes de la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes
puede mejorar el desempentildeo y aplicacioacuten del producto en operaciones de campo
Diversos investigadores notaron que para cada tipo de roca la efectividad de la alteracioacuten de
la mojabilidad depende de la naturaleza ioacutenica del surfactante empleado En nuacutecleos de
calizas mojadas por aceite Austad [19] observoacute que surfactantes catioacutenicos funcionaron
mejor que surfactantes anioacutenicos en el cambio de mojabilidad hacia un estado maacutes mojado
por agua Pensaron que para los surfactantes catioacutenicos el mecanismo responsable de la
alteracioacuten de la mojabilidad en una roca carbonatada mojada por aceite era la formacioacuten de
ion-par entre las cabezas catioacutenicas de las moleacuteculas de surfactante y los componentes aacutecidos
del aceite crudo adsorbidos en la superficie de la roca carbonatada
La formacioacuten del ioacuten-par puede remover la capa de aceite crudo adsorbida sobre la superficie
de la roca logrando exponer la superficie de la roca carbonatada originalmente mojada por
agua En cambio las moleacuteculas de los surfactantes anioacutenicos forman una capa en la
superficie de la roca carbonatada a traveacutes de la interaccioacuten hidrofoacutebica de las colas del
surfactante en la superficie La capa de surfactantes adsorbidos con los grupos de cabezas
hidrofiacutelicas cubriendo la roca originalmente mojada por aceite pueden cambiar la
mojabilidad del medio poroso a uno maacutes mojado por agua En este caso las interacciones
hidrofoacutebicas son mucho maacutes deacutebiles que las interacciones ioacuten-par explicando por queacute los
surfactantes catioacutenicos funcionan mejor que los anioacutenicos en la alteracioacuten de mojabilidad en
rocas carbonatadas hacia un estado maacutes mojado por agua Esas pruebas e hipoacutetesis fueron el
comienzo de un estudio que otros investigadores culminaron en un estudio de la mecaacutenica de
la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes [19]
143 Cambio de mojabilidad por el ioacuten-par
31
La formacioacuten del ioacuten-par es influenciado principalmente por interacciones electrostaacuteticas
entre las cabezas hidrofiacutelicas de los surfactantes y estabilizada por interacciones de las
secciones hidrofoacutebicas de la moleacutecula de surfactante Como se muestra en la figura 114 la
formacioacuten de iones-par remueve los componentes del aceite crudo adsorbido sobre la
superficie de la roca dando lugar a la cara originalmente mojada por agua [23]
Figura 114 Modelo esquemaacutetico del cambio de mojabilidad con la aplicacioacuten de
surfactantes
Los iones-par formados durante el proceso no son solubles en agua y por ello se mueven
raacutepidamente dentro de la fase aguaaceite hacia la fase aceite dejando las moleacuteculas de
surfactante libres en la fase agua para asociarse con los componentes del aceite adsorbidos
en la superficie de la roca (figura 114) De esta manera el surfactante cambia
satisfactoriamente la mojabilidad de la superficie de la roca a un estado maacutes mojado por agua
15 Surfactantes
Tambieacuten llamados agentes tensoactivos son moleacuteculas que poseen una doble afinidad
quiacutemica debido a su estructura de tipo polar-apolar Un surfactante o agente superficialmente
activo es una especie quiacutemica que es activa en la interfase entre dos fases como un
detergente que es activo en la interfase entre las fases hidroacutefila e hidroacutefoba El detergente se
acumula en la interfase y modifica la tensioacuten superficial La tensioacuten superficial disminuye
cuando un soluto se acumula en la interfase siendo el soluto en este caso el agente
tensoactivo [21] Su representacioacuten claacutesica se indica en la Figura 115
32
115 Representacioacuten de una moleacutecula surfactante
La parte polar o hidrofiacutelica es un grupo funcional ioacutenico o no ioacutenico generalmente constituida
por heteroaacutetomos como oxiacutegeno azufre nitroacutegeno y foacutesforo que permiten un alto grado de
solubilidad en solventes polares particularmente en agua La parte apolar o lipofiacutelica
generalmente es una cadena hidrocarbonada de tipo alquil o alquilbenceno con presencia en
ciertos casos de aacutetomos de un haloacutegeno u oxiacutegeno la cual es soluble en solventes orgaacutenicos
no polares particularmente hidrocarburos aceites y grasas Debido a esta dualidad polar-
apolar una moleacutecula de surfactante tiene tendencia a migrar a una intercara o una superficie
con la finalidad de satisfacer sus dos tipos de afinidad Sin embargo no todas las sustancias
anfifiacutelicas poseen esta propiedad [14]
151 Clasificacioacuten de los surfactantes
Debido a que la accioacuten de los surfactantes depende principalmente de fuerzas electrostaacuteticas
eacutestos se clasifican de acuerdo a la naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua Los
surfactantes se dividen en anioacutenicos catioacutenicos no ioacutenicos y zwitterioacutenicos (anfoteacutericos)
La tabla 13 muestra su clasificacioacuten incluyendo su descripcioacuten esquemaacutetica las
caracteriacutesticas de carga del grupo soluble en agua los grupos quiacutemicos maacutes importantes y
sus usos principales
La naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua se usa para clasificar los surfactantes en
cuatro clases
33
Tabla 13 Clasificacioacuten de Surfactantes
Clasificacioacuten Descripcioacuten Carga del grupo
soluble en agua
Grupos Quiacutemicos Usos
Anioacutenicos M+ + Negativa Sulfonatos
Sulfatos
Fosfatos
Fosfonatos
No
emulsificantes
Retardadores
Limpiadores
Catioacutenicos X- - Positiva Grupos aminos No
emulsificantes
Inhibidores de
corrosioacuten
No ioacutenicos XxR Sin Carga Alcoholes
Alquilfenoles
Esteres
Eteres
Amidas
Etileno
No
emulsificantes
Espumantes
Inhibidores de
corrosioacuten
Zwitterioacutenicos M+ X- Posee ambas
cargas
Dodedil amino
aacutecido propionico
Inhibidores de
corrosioacuten
Los surfactantes anioacutenicos se disocian en un anioacuten anfiacutefilo y un catioacuten el cual es en general
un metal alcalino o un grupo alquiacutelico A este tipo pertenecen los detergentes sinteacuteticos como
los alquil benceno sulfonatos los jabones (sales de sodio de aacutecidos grasos) los agentes
espumantes como el lauril sulfato los humectantes del tipo sulfosuccinato los dispersantes
del tipo lignosulfonatos etc La produccioacuten de los surfactantes anioacutenicos representa
alrededor del 55 de los surfactantes producidos anualmente en el mundo FIRP 303
Los surfactantes no ioacutenicos estaacuten en el segundo rango por orden de importancia con un poco
menos del 40 del total En solucioacuten acuosa no se ionizan puesto que ellos poseen grupos
hidroacutefilos del tipo alcohol fenol eacutester eacuteter o amida Una alta proporcioacuten de estos
surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofiacutelicos gracias a la presencia de una cadena
polieacuteter del tipo polioacutexido de etileno El grupo hidroacutefobo es generalmente un radical alquilo
o alquil benceno y a veces una estructura de origen natural como un aacutecido graso sobre todo
cuando se requiere una baja toxicidad
34
Los surfactantes catioacutenicos se disocian en solucioacuten acuosa en un catioacuten orgaacutenico anfiacutefilo y
un anioacuten generalmente del tipo halogenuro La gran mayoriacutea de estos surfactantes son
compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario La fabricacioacuten
de estos surfactantes es mucho maacutes cara que la de los anteriores y es por esta razoacuten que no
se les utilizan salvo en caso de aplicacioacuten particular como cuando se hace uso de sus
propiedades bactericidas o de su facilidad de adsorcioacuten sobre sustratos bioloacutegicos o inertes
que poseen una carga negativa
Esta uacuteltima propiedad hace que sean excelentes agentes antiestaacuteticos hidrofobantes asiacute
como inhibidores de corrosioacuten [24] y puedan ser utilizados tanto en productos industriales
como para uso domeacutestico
La combinacioacuten dentro de una misma moleacutecula de dos caracteres anioacutenico y catioacutenico
producen un surfactante llamado anfoacutetero o zwitterioacutenico como por ejemplo los
aminoaacutecidos las betaiacutenas o los fosfoliacutepidos ciertos anfoacuteteros son insensibles al pH otros
son de tipo catioacutenico a pH aacutecido y de tipo anioacutenico a pH alto Los anfoacuteteros son en general
tan caros como los catioacutenicos y por esta razoacuten su utilizacioacuten se reduce a aplicaciones
particulares
152 Propiedades de los surfactantes
Los surfactantes poseen dos propiedades fundamentales que permiten explicar las
caracteriacutesticas de su utilizacioacuten actividad superficial o interfacial adsorcioacuten y asociacioacuten
micelar
1511 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacuten
Cuando un surfactante estaacute presente a baja concentracioacuten en un sistema tiene la propiedad
de adsorberse en la superficie (liacutequido-gas) o en la cara interfacial (liacutequido-liacutequido) del
sistema Este fenoacutemeno que es debido a sus caracteriacutesticas anfifiacutelicas provoca una
disminucioacuten notable de la energiacutea libre superficial o interfacial
35
La energiacutea libre de la moleacutecula en la cara interfacial es inferior a la de la moleacutecula
solubilizada en la fase acuosa por tanto la transferencia desde el seno de la fase hacia la cara
interfacial llamada adsorcioacuten se realiza de manera espontaacutenea
La disminucioacuten de la tensioacuten interfacial provocada por la adsorcioacuten del surfactante favorece
la deformacioacuten y la ruptura de la cara interfacial la formacioacuten de sistemas dispersos como
las emulsiones y las espumas la movilizacioacuten del petroacuteleo residual en pozos entre otros [26]
1512 Micelas y asociacioacuten micelar
En soluciones diluidas el surfactante se encuentra en el seno del liacutequido bajo la forma de
solucioacuten molecular A partir de cierta concentracioacuten llamada concentracioacuten micelar criacutetica
(CMC) la fase acuosa se satura y la adicioacuten de maacutes moleacuteculas de surfactante provoca la
formacioacuten de agregados de tipo coloidal llamadas micelas [21]
Estos agregados pueden reunir entre decenas y centenas de moleacuteculas y su dimensioacuten y
estructura dependen de la estructura y del ambiente fisicoquiacutemico del surfactante La
tendencia liofoacutebica de una parte de la moleacutecula surfactante es el principal promotor de la
formacioacuten de las micelas en las cuales el surfactante alcanza una posicioacuten favorable para
satisfacer su doble afinidad
Generalmente se presenta a una micela como una entidad estaacutetica sin embargo las micelas
son agregados moleculares en equilibrio dinaacutemico con las moleacuteculas de surfactante dispersas
en el disolvente [19] De hecho se puede citar que ocurren dos procesos baacutesicos i) intercambio
de las micelas con las moleacuteculas de surfactante en el disolvente y con otras micelas que
ocurre en microsegundos o milisegundos y ii) la renovacioacuten real de una micela completa por
este proceso (de milisegundos a segundos)
Cuando el medio continuo estaacute formado por una sustancia no polar (denominado
geneacutericamente aceite aunque su estructura quiacutemica no corresponda a este nombre) se
forman las llamadas micelas inversas Ahora las cabezas polares estaacuten orientadas hacia el
interior de la micela y estaacuten en contacto con agua o alguna otra sustancia polar mientras que
las colas hidrocarbonadas se dirigen hacia el exterior de la micela (en contacto con el
36
disolvente apolar) como se muestra en la figura 116 Estos sistemas son mucho maacutes
complejos que los formados por las micelas normales tienen valores propios para la CMC y
nuacutemero de agregacioacuten aunque su tamantildeo y forma es similar al de las micelas normales
Figura 116 Tipos de micela A) micela normal B) micela inversa
El tamantildeo de una micela esfeacuterica estaacute determinado por el equilibrio entre las fuerzas de
atraccioacuten entre las colas hidrocarbonadas entre siacute (realmente se debe a que las moleacuteculas de
agua tienden a expulsar a las moleacuteculas hidrofoacutebicas de su contacto) y las fuerzas de repulsioacuten
electrostaacutetica de las cabezas polares (ayudada por efectos esteacutericos y de hidratacioacuten)
Mediante estudios de difraccioacuten de neutrones a aacutengulo pequentildeo se ha determinado la
estructura de una micela esfeacuterica el nuacutecleo es hidrocarbonado los grupos polares junto con
algunos contraiones (iones de carga opuesta al de la cabeza polar del surfactante) constituyen
la capa ioacutenica de Stern con un espesor de 02 a 04 nm y una capa difusa de Gouy-Chapman
mostrado en la figura 117
37
Figura 117 Comportamiento estaacutetico micelar
A concentraciones de surfactante ligeramente mayores que la CMC las micelas son esfeacutericas
al aumentar la concentracioacuten ciertas propiedades de la disolucioacuten indican un cambio en la
estructura de los agregados micelares Esto se debe probablemente a interacciones entre las
micelas Incrementando la concentracioacuten las micelas adoptan formas ciliacutendricas o lamelares
o en algunos casos de discos A concentraciones superiores pueden ocurrir transiciones de
fase de solucioacuten micelar a cristales liacutequidos
Algunas de las caracteriacutesticas que hacen atractivas a las micelas para aplicaciones analiacuteticas
son la existencia de la capa ioacutenica de Stern (en micelas ioacutenicas) la orientacioacuten anisotroacutepica
(o grado de ordenamiento) del nuacutecleo de la micela el ordenamiento de la interfaz micelar
debido a la carga y a las interacciones con el disolvente y a la diferencia de polaridad entre
el disolvente y el interior micelar
Muchas propiedades fiacutesicas de las soluciones de surfactante (conductividad tensioacuten
superficial densidad etc) cambian de manera notable en la CMC Comuacutenmente la CMC se
obtiene por la interseccioacuten de dos curvas que representan una propiedad fiacutesica determinada
de la solucioacuten una curva representa la propiedad fiacutesica a concentraciones inferiores a la CMC
y la otra representa la propiedad fiacutesica a concentraciones superiores [10]
38
16 Emulsiones
Las emulsiones son sistemas dispersos constituidos por dos liacutequidos inmiscibles en los cuales
la fase en suspensioacuten (fase interna o dispersa) se encuentra en forma de pequentildeas gotas
contenida en la fase externa (fase continua o dispersante) como se muestra en la figura 118
La estructura de las emulsiones estaacute estabilizada por un agente surfactante llamado
emulsionante Por definicioacuten una emulsioacuten es un sistema termodinaacutemicamente inestable y
tarde o temprano debe separarse en sus dos fases [19]
Figura 118 Micrografiacutea de una emulsioacuten WO
La nocioacuten de estabilidad es por supuesto relativa pero se refiere a una casi ausencia de
cambio durante un periacuteodo de tiempo suficientemente largo para el propoacutesito de la aplicacioacuten
praacutectica lo cual puede variar de algunos minutos a algunos antildeos
Las cantidades relativas de fase dispersa y fase continua (referidas tambieacuten como fase interna
y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades Por debajo de 20 de fase
interna se habla de una emulsioacuten de bajo contenido de fase interna En tales emulsiones se
puede considerar que hay poca interaccioacuten de las gotas entre siacute
39
161 Tipos de emulsiones
En la mayoriacutea de los casos en los cuales se hace una emulsioacuten con dos liacutequidos
inmiscibles uno de los liacutequidos es una fase acuosa y el otro una fase aceite u orgaacutenica Se
usan las abreviaturas O para el aceite y W para el agua siguiendo la nomenclatura
anglosajona Las emulsiones se clasifican [26]
Aceite en agua (OW) Esta emulsioacuten contiene gotas de aceite dispersadas en agua
es la emulsioacuten normal para todas las aplicaciones con excepcioacuten de la produccioacuten de
petroacuteleo en la cual se denomina emulsioacuten inversa
Agua en aceite (WO) En esta emulsioacuten la fase dispersa es el agua mientras que la
continua es el aceite esta es la emulsioacuten normal en la industria petrolera y la inversa
para todas las demaacutes aplicaciones
Agua en aceite en agua (WOW) Cuando las gotas de aceite de una emulsioacuten OW
contienen en su interior gotitas de agua se dice que se tiene una emulsioacuten muacuteltiple
del tipo WOW Las emulsiones muacuteltiples se encuentran en forma espontaacutenea en
ciertas circunstancias o pueden prepararse al propoacutesito
Aceite en agua en aceite (OWO) Este tipo de emulsioacuten no se encuentra con
frecuencia y estaacute constituida por una fase continua de aceite con gotas dispersas de
agua en su interior las cuales a su vez contienen pequentildeiacutesimas gotas de la fase
aceitosa
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleo
Durante las operaciones de extraccioacuten del petroacuteleo la mezcla bifaacutesica de petroacuteleo y agua se
desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden de 1 piediacutea lo que es insuficiente
para que se forme una emulsioacuten Sin embargo al pasar por todo el aparataje de produccioacuten
durante el levantamiento y el transporte en superficie (bombas vaacutelvulas codos restricciones
etc) se produce la agitacioacuten suficiente para que el agua se disperse en el petroacuteleo en forma
de emulsioacuten WO estabilizada por las especies de actividad interfacial presentes en el crudo
(asfaacuteltenos y resinas) y por soacutelidos
40
Existen tres requisitos esenciales para formar una emulsioacuten
Dos liacutequidos inmiscibles como el agua y el aceite
Suficiente agitacioacuten para dispersar uno de los liacutequidos en pequentildeas gotas en el otro
Un agente emulsionante para estabilizar las gotas dispersas en la fase continua
En los campos petroleros las emulsiones se conocen como emulsiones directas (agua
en aceite WO) y emulsiones indirectas (aceite en agua OW) Otra terminologiacutea en la
industria petrolera es clasificar las emulsiones directas producidas como duras y suaves Por
definicioacuten una emulsioacuten dura es muy estable y difiacutecil de romper principalmente porque las
gotas dispersas son muy pequentildeas Por otro lado una emulsioacuten suave es inestable y faacutecil de
romper En otras palabras cuando un gran nuacutemero de gotas de agua de gran diaacutemetro estaacuten
presentes ellas a menudo se separan faacutecilmente por la fuerza gravitacional El agua que se
separa en menos de cinco minutos es llamada agua libre
La mejor forma de deshidratar es evitar que se produzca la emulsioacuten o por lo menos
reducir al maacuteximo las condiciones que favorezcan el emulsionado
En pozos fluyentes una agitacioacuten considerable es generalmente causada por el gas
disuelto saliendo de la solucioacuten (el gas se desorbe) conforme decrece la presioacuten Este gas
tambieacuten causa turbulencia cuando fluye junto con la mezcla bifaacutesica agua-aceite a traveacutes de
accesorios y restricciones en la tuberiacutea de produccioacuten pasa por supuesto lo mismo cuando
se utiliza el levantamiento con gas Esta turbulencia puede ser reducida pero no eliminada
instalando un estrangulador de fondo Este estrangulador reduce la estabilidad de la emulsioacuten
por las siguientes causas
Hay menos presioacuten diferencial
La temperatura de fondo de pozo es considerablemente maacutes alta que la temperatura
en la superficie
Hay flujo laminar para una gran distancia corriente abajo del estrangulador de fondo
y por lo tanto menos turbulencia
Actualmente el 90 de las teacutecnicas utilizadas para la extraccioacuten de petroacuteleo crudo
generan o agravan los problemas de emulsionado Los quiacutemicos usados en las fracturas de la
41
formacioacuten estimulaciones de pozos inhibicioacuten de corrosioacuten etc frecuentemente causan
severos problemas de emulsionaje por lo que existen meacutetodos para romperlas tales como el
calentamiento aditivos quiacutemicos tratamiento eleacutectrico y asentamiento En los casos de bajo
contenido de agua (lt 10) resulta ventajoso antildeadir agua en fondo de pozo antes que se
produzca la emulsioacuten porque asiacute la emulsioacuten formada seraacute menos estable (el tamantildeo de gotas
aumenta y se favorece la coalescencia [22]
163 Agentes emulsionantes
Los agentes emulsionantes son numerosos y pueden ser clasificados
Compuestos naturales surfactantes tales como asfaltenos y resinas conteniendo
aacutecidos orgaacutenicos y bases aacutecidos nafteacutenicos aacutecidos carboxiacutelicos compuestos de
azufre fenoles cresoles y otros surfactantes naturales de alto peso molecular
Soacutelidos finamente divididos tales como arena arcilla finos de formacioacuten esquistos
lodos de perforacioacuten fluidos para estimulacioacuten incrustaciones minerales productos
de la corrosioacuten (por ejemplo sulfuro de hierro oacutexidos) parafinas asfaltenos
precipitados Los fluidos para estimulacioacuten de pozos pueden contribuir a formar
emulsiones muy estables
Quiacutemicos de produccioacuten antildeadidos tales como inhibidores de corrosioacuten biocidas
limpiadores surfactantes y agentes humectantes
Estos agentes pueden adsorberse en la interfase de la gota de agua y formar una peliacutecula
riacutegida que resulta en una alta estabilidad de la emulsioacuten WO formada lo cual ocurre en
menos de tres diacuteas Es por eso que la emulsioacuten debe tratarse lo maacutes pronto posible con
diferentes agentes tales como quiacutemica deshidratante calor sedimentacioacuten por
centrifugacioacuten o electrocoalescencia [26]
42
164 Estabilidad de una emulsioacuten
La peliacutecula interfacial formada estabiliza la emulsioacuten debido a que
Aumenta la tensioacuten interfacial Por lo general para emulsiones de crudo la tensioacuten
interfacial se encuentra en el intervalo de 30 a 36 mN m-1 Asiacute mismo la presencia
de sales aumenta la tensioacuten interfacial
Forma una barrera viscosa que inhibe la coalescencia de las gotas
Si el surfactante o partiacutecula adsorbida en la interfase es polar su carga eleacutectrica
provoca que se repelan unas gotas de otras
Otro mecanismo de estabilizacioacuten ocurre cuando los emulsionantes son partiacuteculas soacutelidas
muy finas Para ser agentes emulsionantes las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes pequentildeas que
las gotas suspendidas y deben ser mojadas por el aceite y el agua Luego estas finas partiacuteculas
soacutelidas o coloides (usualmente con surfactantes adheridos a su superficie) se colectan en la
superficie de la gota y forman una barrera fiacutesica Algunos de estos soacutelidos son el sulfuro de
hierro y la arcilla [14]
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacuten
La estabilidad y rompimiento de una emulsioacuten depende de varios factores
Tensioacuten interfacial Una reduccioacuten de la tensioacuten interfacial no aumenta la estabilidad
de la emulsioacuten Se ha encontrado que los sistemas de tensioacuten ultrabaja producen
emulsiones inestables
Viscosidad de la fase externa Una viscosidad alta en la fase externa disminuye el
coeficiente de difusioacuten y la frecuencia de colisioacuten de las gotas por lo que se
incrementa la estabilidad de la emulsioacuten Una alta concentracioacuten de las gotas tambieacuten
incrementa la viscosidad aparente de la fase continua y estabiliza la emulsioacuten Este
efecto puede ser minimizado calentando la emulsioacuten
Tamantildeo de la gota Gotas muy pequentildeas menores de 10 microm generalmente producen
emulsiones maacutes estables Una amplia distribucioacuten de tamantildeos de partiacuteculas resulta en
general en una emulsioacuten menos estable
43
Relacioacuten de volumen de fases Incrementando el volumen de la fase dispersa se
incrementa el nuacutemero de gotas yo tamantildeo de gotas y el aacuterea interfacial La distancia
de separacioacuten se reduce y esto aumenta la probabilidad de colisioacuten de las gotas Todos
estos factores reducen la estabilidad de la emulsioacuten
Temperatura Usualmente la temperatura tiene un efecto muy fuerte en la estabilidad
de la emulsioacuten Incrementando la temperatura se reduce la adsorcioacuten de surfactantes
naturales y disminuye la viscosidad de la fase externa la rigidez de la peliacutecula
interfacial y la tensioacuten superficial Todos estos cambios reducen la estabilidad de la
emulsioacuten
pH La adicioacuten de aacutecidos o bases inorgaacutenicos cambia radicalmente la formacioacuten de
peliacuteculas de asfaltenos y resinas que estabilizan las emulsiones agua-aceite
Envejecimiento de la interfase A medida que la interfase envejece la adsorcioacuten de
los surfactantes se completa y debido a las interacciones laterales entre las moleacuteculas
aumenta la rigidez de la peliacutecula hasta un valor estable en unas 3 o 4 horas Esta
peliacutecula o piel alrededor de la gota llega a ser maacutes gruesa maacutes fuerte y maacutes dura
Ademaacutes la cantidad de agentes emulsionantes se incrementa por oxidacioacuten fotoacutelisis
evaporacioacuten o por la accioacuten de bacterias
Salinidad de la salmuera La salinidad de la salmuera es un factor importante en la
formacioacuten de emulsiones estables Agua fresca o salmuera con baja concentracioacuten de
sal favorecen la estabilidad de las emulsiones Por el contrario altas concentraciones
de sal tienden a reducirla
Tipo de aceite Los crudos de base parafiacutenica usualmente no forman emulsiones
estables mientras que los crudos nafteacutenicos y de base mixta forman emulsiones
estables Ceras resinas asfaltenos y otros soacutelidos pueden influenciar la estabilidad
de la emulsioacuten En otras palabras el tipo de crudo determina la cantidad y tipo de
emulsionantes naturales
Diferencia de densidad La fuerza neta de gravedad que actuacutea en una gota es
directamente proporcional a la diferencia en densidades entre la gota y la fase
continua Aumentando la diferencia de densidad por incremento de la temperatura se
logra aumentar la velocidad de sedimentacioacuten de las gotas y por ende se acelera la
coalescencia
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Capiacutetulo II
Metodologiacutea
45
La metodologiacutea usada en este proyecto se ilustra en la figura 21 la cual abarca desde la
preparacioacuten de las rocas carbonatadas hasta las pruebas de dispersioacuten de luz dinaacutemica y
potencial zeta con las cuales se concluyoacute este trabajo
Figura 21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyecto
Preparacioacuten de rocas carbonatadas (Pulido)
Caracterizacioacuten de las rocas carbonatadas por Espectroscopiacutea FTIR UV-vis SEMEDX
Preparacioacuten de emulsioacuten WO (7030) aplicando 500 y 800 mg L-1
de S(I) y S(II)
Imbibicioacuten espontaacutenea de roca de yacimiento
Pruebas tensiometricas de crudo emulsionado sobre roca
(Metodo de gota seacutesil)
Extraccioacuten de asfaltenos
Impregnacioacuten y caracterizacioacuten de asfaltenos sobre roca carbonatada
DLS de roca impreganada de asfaltenos
Potencial Zeta de roca impregnada de asfaltenos
46
21 Reactivos utilizados en el proyecto
En la tabla 21 se enlistan los reactivos utilizados en el desarrollo del proyecto
Tabla 21 Reactivos empleados en el proyecto
Reactivo Pureza Marca CAS
Acetona 999 Sigma-Aldrich 67-64-1
Heptano 95 Sigma-Aldrich 142-82-5
Tolueno 999 Sigma-Aldrich 108-99-3
Ciclohexano 99 Sigma-Aldrich 110-82-7
Nitrato de sodio 99 Sigma-Aldrich 7631-99-4
Cloruro de Sodio 99 Sigma-Aldrich 7647-14-5
Carbonato de calcio 99 Sigma-Aldrich 471-34-1
Sulfato de Magnesio 995 Sigma-Aldrich 7487-88-9
Agua desionizada 995 Sigma-Aldrich 7732-18-5
En la tabla 22 se muestran la nomenclatura de los surfactantes empleados en la
experimentacioacuten los cuales son de naturaleza catioacutenica debido a la propiedad de absorberse
sobre sustratos cargados negativamente
Tabla 22 Surfactantes utilizados en la experimentacioacuten
22 Sistemas de estudio
Clave Nombre surfactante Estructura
S1
P-toluensulfonato de 1-
metil-3-hexilimidazolio
[1M3HIMPTSO3]
S2
Cloruro de 1-metil-3-etil-
p-toluensulfonilimidazolio
[1M3EPTSO3IMCl]
CH3
N
N+
CH3
CH3
S
O
O
O-
CH3S
O
O
O
CH3
N
N+
Cl-
47
221 Agua congeacutenita
Se obtuvo una muestra de agua congeacutenita del petroacuteleo Aguacate 72 la cual fue proporcionada
por el Instituto Mexicano del Petroacuteleo Dicha muestra fue caracterizada por Espectroscopiacutea
de infrarrojo de Fourier con la finalidad de conocer los grupos funcionales presentes en la
misma
221 Salmuera
Se preparoacute a partir de una mezcla de 3 sales caracteriacutesticas de cualquier salmuera natural en
la siguiente proporcioacuten 30 de carbonato de calcio (CaCO3) 50 de cloruro de sodio
(NaCl) y 20 de sulfato de magnesio (MgSO4) Tomando como referencia 100 mL se pesoacute
1 gramo de mezcla de sales y se diluyoacute en agua desionizada posteriormente se realizaron
diluciones hasta obtener una concentracioacuten de 100 mg L-1
222 Extraccioacuten de asfaltenos
Se pesaron 10 g de crudo y se disolvieron en 40 mL de heptano posteriormente se aplicoacute
agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas Tras este periodo se dejoacute en reposo el sistema durante
24 horas Finalmente la solucioacuten se filtroacute aplicando vaciacuteo y exceso de heptano para arrastrar
los restos de compuestos no asfalteacutenicos contenidos en el producto
223 Impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada
Se preparoacute una muestra con la siguiente proporcioacuten 15 g de asfaltenos (30) y 35 g de
roca carbonatada (70) los cuales fueron agregados a 50 mL de Ciclohexano contenidos en
un matraz como se muestra en la figura 22 Se realizoacute agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas
posteriormente se realizoacute una filtracioacuten a vaciacuteo El producto obtenido se secoacute en una estufa a
100degC con un tiempo de secado de 24 horas
48
Figura 22 Muestra de roca carbonatada y asfaltenos
23 Disentildeo de experimentos
Se prepararon emulsiones con una proporcioacuten de 7030 (WO donde W corresponde al agua
siendo en nuestro caso de estudio agua congeacutenita oacute salmuera y O corresponde al crudo)
utilizando crudo Aguacate del pozo 72 manejando 10 g totales de muestra los cuales fueron
depositados en recipientes de plaacutestico de 20 mL ademaacutes de ser sometidas a agitacioacuten
continua con una espaacutetula por 20 minutos con el fin de formar la emulsioacuten
El petroacuteleo utilizado en el proyecto tiene las siguientes caracteriacutesticas
Densidad 09696 g cm-3
1440 grados API
2166 Saturados 3057 Aromaacuteticos 2435 Resinas y 2341 Asfaltenos
El disentildeo experimental es presentado en la tabla 23 se trabajoacute con 2 diferentes surfactantes
(S2 y S3) y estos se agregaron a las diferentes emulsiones WO usando concentraciones de
500 mg L-1 y 800 mg L-1 realizaacutendose micrografiacuteas de las emulsiones antes y despueacutes de
agregar el surfactante posteriormente se realizoacute el anaacutelisis tensiomeacutetrico de cada emulsioacuten
finalizando con el estudio dispersivo de los asfaltenos por Dispersioacuten de Luz dinaacutemica (DLS)
y Potencial Zeta
49
Tabla 23 Disentildeo de experimentos
Experimento Q1 O1 SX C(mg L-1)
Roca Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Experimento Q1 O1 SX C(ppm)
Roca Impregnada Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
50
24 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
241 Espectroscopiacutea de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)
Las teacutecnicas espectroscoacutepicas se fundamentan en la interaccioacuten de la materia con la
radiacioacuten Esta interaccioacuten provoca procesos como la absorcioacuten o la difusioacuten (scattering)
Cuando una moleacutecula absorbe o emite un fotoacuten su estado energeacutetico cambia En general
este cambio se manifiesta como una variacioacuten en la energiacutea traslacional de la moleacutecula y
como una modificacioacuten en su estado electroacutenico vibracional o rotacional Como las energiacuteas
asociadas a cada uno de estos cambios son muy diferentes cada uno de estos procesos se
puede tratar de manera independiente Exceptuando los cambios traslacionales los estados
energeacuteticos de las moleacuteculas estaacuten cuantizados consecuentemente los procesos de absorcioacuten
y emisioacuten soacutelo pueden darse a determinadas frecuencias de los fotones Para cada moleacutecula
dada su espectro de adsorcioacutenemisioacuten constituye una huella de la misma Las absorciones
que se producen en la regioacuten espectral del infrarrojo involucran energiacuteas mucho maacutes
pequentildeas comparadas con las energiacuteas de absorcioacuten relacionadas con la estructura electroacutenica
de la moleacutecula (ultravioleta y visible)
Sin embargo no todas las vibraciones yo rotaciones producen una absorcioacuten de radiacioacuten
incidente Soacutelo los modos vibracionales y rotacionales de moleacuteculas con momento bipolar
diferente de cero o bien aquellos modos que induzcan un momento diferente de cero en la
moleacutecula son activos al infrarrojo Para que exista un espectro rotacional activo en el
infrarrojo se requiere que la moleacutecula sea polar mientras que para tener un espectro
vibracional activo en el infrarrojo basta que el movimiento vibracional de los aacutetomos de la
moleacutecula induzca un momento bipolar no nulo [28]
En un interferoacutemetro Michelson el haz de radiacioacuten que viene de la fuente se divide mediante
un espejo semipermeable (beamsplitter) en dos haces parciales que se reflejan en sendos
espejos uno fijo y otro moacutevil vuelven al beamsplitter y se recombinan en interferencia Un
desplazamiento del espejo moacutevil cambia el camino oacuteptico en ese brazo del interferoacutemetro
51
introduciendo una diferencia de fase entre los haces y por tanto un cambio en la amplitud de
la interferencia La intensidad de sentildeal que llega al detector tras atravesar la muestra
representada como funcioacuten de la diferencia en la trayectoria de ambos haces (retardo) es lo
que se llama interferograma Con una radiacioacuten monocromaacutetica se obtiene una sentildeal coseno
que en el caso de caminos oacutepticos ideacutenticos en ambos brazos proporciona una interferencia
constructiva sin diferencia de fase entre los haces y por tanto una intensidad maacutexima El
resultado es un interferograma (intensidad en funcioacuten del tiempo) la cual se convierte viacutea un
algoritmo matemaacutetico (transformada de Fourier) en un diagrama de Intensidad en funcioacuten de
la frecuencia (espectro)
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro FTIR de marca Perkin Elmer Spectrum One donde se
analizoacute la roca carbonatada de yacimiento Para la identificacioacuten de los grupos funcionales
se trabajoacute con un intervalo espectral de 4000 a 380 cm-1 utilizando 12 barridos
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)
El espectro Ultravioleta y Visible de las moleacuteculas estaacute asociado a transiciones electroacutenicas
entre los diferentes niveles energeacuteticos en ciertos grupos o aacutetomos de la moleacutecula En
contraste la absorcioacuten de energiacutea en la regioacuten Infrarroja estimulan la moleacutecula completa y
causa cambios vibracionales y rotacionales en esta lo cual caracteriza la entidad estructural
de dicha moleacutecula Los grupos de aacutetomos que dan origen a la absorcioacuten en el UV cercano o
UV de cuarzo se conocen como grupos cromoacuteforos La mayoriacutea de los grupos insaturados y
heteroatoacutemicos que tienen pares de electrones no compartidos son cromoacuteforos potenciales y
estos grupos son la base de la elucidacioacuten de grupos estructurales en las moleacuteculas activas en
el UV cercano
Cuando dos aacutetomos forman un enlace quiacutemico los orbitales atoacutemicos de cada uno de ellos
se combinan para formar dos orbitales moleculares uno de baja energiacutea que es el orbital
enlazante y otro de energiacutea mayor que es el orbital antienlazante Los enlaces covalentes que
se originan entre los orbitales de dos aacutetomos que se enlazan quiacutemicamente pueden ser de dos
tipos y se conocen como enlaces σ y enlaces π
52
Al efectuarse dicho enlace covalente se forman simultaacuteneamente orbitales antienlazantes σ
en el caso de un orbital molecular enlazante σ y π en el caso de un orbital molecular
enlazante p La absorcioacuten de energiacutea radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones
σ oacute π resulta en la excitacioacuten de eacutestos los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales
antienlazantes La absorcioacuten de radiacioacuten Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas
transiciones
Un espectro ultravioleta-visible es esencialmente un graacutefico de absorbancia de luz frente a
una longitud de onda en el rango del ultravioleta o la luz visible para una determinada
sustancia puede hacerse un graacutefico estaacutendar del coeficiente de extincioacuten (ε) frente a la
longitud de onda (λ) Las longitudes de onda de los picos de absorcioacuten pueden
correlacionarse con los tipos de enlace en una determinada moleacutecula y son valiosos para
determinar los grupos funcionales dentro de la moleacutecula La absorcioacuten UV-Vis no es sin
embargo una prueba especiacutefica para ninguacuten compuesto determinado La naturaleza del
disolvente el pH de la solucioacuten la temperatura la concentracioacuten de electrolitos y la
presencia de sustancias interferentes pueden influir en los espectros de absorcioacuten de los
compuestos asiacute como las variaciones de ancho de banda [29]
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro UV-vis de marca Cintral 303 GBC en donde se analizaron
los compuestos sintetizados Para la identificacioacuten de los grupos funcionales se trabajoacute con
una celda de 10 mm de espesor en un intervalo espectral de 800 a 200 nm Se preparoacute una
solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano a una concentracioacuten de 100 mg L-1 asiacute como
soluciones de roca impregnada de crudo en ciclohexano a diferentes concentraciones (100
50 30 20 10 5 3 y 1 mg L-1)
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
El Microscopio electroacutenico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscopy) es una
teacutecnica que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen
ampliada de la superficie de un objeto Es un instrumento que permite la observacioacuten y
caracterizacioacuten superficial de soacutelidos inorgaacutenicos y orgaacutenicos Tiene una gran profundidad
53
de campo la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra Eacutesta teacutecnica
brinda informacioacuten topograacutefica sobre la superficie de material analizado y el anaacutelisis EDX
proporciona informacioacuten sobre su composicioacuten quiacutemica [30]
Esta teacutecnica esencialmente consiste en hacer incidir en la muestra un haz de electrones Este
bombardeo de electrones provoca la aparicioacuten de diferentes sentildeales que captadas con
detectores adecuados nos proporcionan informacioacuten acerca de la naturaleza de la muestra
La sentildeal de electrones secundarios proporciona una imagen de la morfologiacutea superficial de
la muestra La sentildeal de los electrones retrodispersados muestra una imagen cualitativa de
zonas con distinto nuacutemero atoacutemico medio y la sentildeal de rayos X presenta los espectros e
imaacutegenes acerca de la composicioacuten de elementos quiacutemicos en la muestra
25 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten espontaacutenea de la fase mojante sobre la superficie de una roca consiste en la
absorcioacuten de la misma en su superficie tan pronto como existe contacto entre dicha fase y el
soacutelido sin requerirse de la accioacuten de un trabajo externo para realizarse lo cual tambieacuten se
conoce como la succioacuten capilar de esta fase en el medio poroso es decir es un proceso que
consiste en el ingreso de la fase mojante en los poros de la roca por efecto de las fuerzas
capilares [10]
En este proceso se utiliza una Celda de Amott el cual es un contenedor ciliacutendrico conceacutentrico
de vidrio en cuya parte central se colocan el material que seraacute saturado por la fase mojante
y en la capucha externa se introduce liacutequido refrigerante para mantener la temperatura
constante dentro de la celda
Para la experimentacioacuten se utilizaron 3 rocas carbonatadas que fueron introducidas en una
celda de Amott de 500 mL Posteriormente se llenoacute la parte interna de la celda con petroacuteleo
crudo y la capucha externa con refrigerante La celda se colocoacute en un bantildeo de aceite a 65degC
durante 7 diacuteas En la figura 23 se observa el montaje del equipo para el proceso de
imbibicioacuten
54
Figura 23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacuten
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
Este meacutetodo experimental es usado para determinar el aacutengulo de contacto existente en un
sistema bifaacutesico Consiste en la colocacioacuten de una gota sobre una superficie soacutelida
posteriormente el equipo realiza el caacutelculo de paraacutemetros propios de la gota como radio y
diaacutemetro los cuales son fundamentales sustituidos en las ecuaciones de tensioacuten superficial
[10]
Para la experimentacioacuten se emplearon 8 rocas carbonatadas de yacimiento las cuales fueron
previamente pulidas para generar una superficie lisa obseacutervese la figura 24 Posteriormente
se colocoacute la emulsioacuten preparada en la jeringa para estudio tensiomeacutetrico por accioacuten
gravitacional el fluido descendioacute provocando la formacioacuten de una gota la cual se fija en la
roca La caacutemara del tensioacutemetro detecta el aacutengulo y la forma de la gota asiacute como su
deformacioacuten con el paso del tiempo
55
Figura 24 Roca carbonatada previamente pulida
Asiacute mismo se realizoacute la medicioacuten del aacutengulo de contacto para las rocas imbibidas en crudo
(figura 25) soacutelo difiriendo en la fase mojante la cual se trataba en un primer experimento
de la salmuera o del agua congeacutenita y posteriormente se adicionaron los dos surfactantes a
500 y 800 mg L-1
Figura 25 Roca carbonatada imbibida de petroacuteleo
Se utilizoacute un tensioacutemetro de la marca Attension modelo Theta Lite 101 (figura 26) en donde
se analizaron los sistemas de estudio mencionados anteriormente empleando el meacutetodo de
gota seacutesil
Figura 26 Tensioacutemetro Attension Theta Lite 101
56
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemica
La dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS) a la que a veces se hace referencia como dispersioacuten de
luz cuasi elaacutestica (QELS) es una teacutecnica no invasiva y bien establecida para medir el tamantildeo
y distribucioacuten de tamantildeo de moleacuteculas partiacuteculas y agregados tiacutepicamente en la regioacuten
submicromeacutetrica y con la uacuteltima tecnologiacutea inferiores a 1 μm
Las aplicaciones tiacutepicas de la dispersioacuten de luz dinaacutemica son la caracterizacioacuten de partiacuteculas
emulsiones o moleacuteculas que se han dispersado o disuelto en un liacutequido El movimiento
Browniano de las partiacuteculas o moleacuteculas en suspensioacuten hace que la luz laacuteser se disperse en
diferentes intensidades [31] Con el anaacutelisis de estas fluctuaciones en la intensidad se obtiene
la velocidad del movimiento Browniano y por lo tanto del tamantildeo de partiacutecula mediante la
relacioacuten de Stokes-Einstein (figura 27)
Figura 27 Diagrama de funcionamiento de Dispersioacuten de luz dinaacutemica
A diferencia de la dispersioacuten de luz estaacutetica para determinar el tamantildeo de las partiacuteculas y
agregados la dispersioacuten de luz dinaacutemica no tiene en cuenta la dependencia del aacutengulo sino
la variacioacuten de la intensidad de dispersioacuten en el tiempo debido a la aglomeracioacuten de las
partiacuteculas con respecto al tiempo teniendo un efecto de sedimentacioacuten que provoca un
caacutelculo erroacuteneo de la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
Esta teacutecnica fisicoquiacutemica se utiliza para determinar el perfil de distribucioacuten de tamantildeos de
partiacuteculas pequentildeas en suspensioacuten mediante una fuente monocromaacutetica que pasa a traveacutes de
un polarizador y la muestra La luz dispersada pasa posteriormente a traveacutes de un segundo
57
polarizador donde es recogido por un fotomultiplicador y se obtiene una intensidad de
dispersioacuten determinada [32]
Para la experimentacioacuten se preparoacute la solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano con una
concentracioacuten de 100 mg L-1 se llevoacute a sonicacioacuten durante 15 minutos posteriormente se
colocaron 3 mL de la muestra en la celda y se realizoacute su anaacutelisis Asiacute mismo se estudiaron
las soluciones de roca impregnada en ciclohexano y la aplicacioacuten de los surfactantes sobre
las mismas a 500 y 800 mg L-1
Se utilizoacute un equipo de la marca Malvern modelo Zetasizer en donde se analizaron los
sistemas de estudio mencionados anteriormente
28 Potencial Zeta
El potencial zeta es una propiedad que mide el potencial electrocineacutetico en sistemas
coloidales en la quiacutemica coloidal se denota por lo general con la letra griega zeta Desde un
punto de vista fiacutesico el potencial zeta es el potencial eleacutectrico en la doble capa interfacial es
decir que es el punto donde se unen la capa difusa y la de Stern Tambieacuten el potencial zeta es
la diferencia de potencial entre el medio de dispersioacuten y la capa estacionaria unido a la
partiacutecula dispersada []
Las partiacuteculas coloidales dispersas en una solucioacuten estaacuten cargadas eleacutectricamente gracias a
sus caracteriacutesticas ioacutenicas y de bipolaridad El desarrollo de una red de carga eleacutectrica en la
superficie de la partiacutecula puede afectar la distribucioacuten de iones en una regioacuten interfacial
vecina y provocar un aumento de la concentracioacuten de iones contados (iones de carga
contraria a las partiacuteculas) cerca de la superficie tal como se muestra en la figura 27
58
Figura 27 Interacciones entre las partiacuteculas tras la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica [33]
Cada partiacutecula dispersa en una solucioacuten se rodea de iones cargados con carga opuesta que se
denomina capa fija Fuera de esta capa fija existen distintas composiciones de iones de
polaridad opuesta formando un aacuterea nebulosa De esta manera se crea una capa doble
eleacutectrica en la regioacuten de interfase partiacutecula- liacutequido
La medida del Potencial Z permite caracterizar y predecir el comportamiento de soacutelidos
macroscoacutepicos y de partiacuteculas en suspensiones liacutequidas en multitud de aplicaciones teacutecnicas
En suspensiones liacutequidas el Potencial Z es una medida de la atraccioacutenrepulsioacuten entre
partiacuteculas cargadas electrostaacuteticamente permitiendo estudiar la estabilidad de dispersiones
emulsiones suspensiones proteiacutenas poliacutemeros etc
En soacutelidos macroscoacutepicos es una propiedad importante de interfaces soacutelidoliacutequido cargadas
eleacutectricamente siendo un indicador de la carga superficial de un soacutelido en contacto con un
electrolito Esto permite estudiar las caracteriacutesticas y funcionalizacioacuten de superficies
Este anaacutelisis se realizoacute con un equipo de marca Malvern modelo ZetaSizer Se estudiaron
los sistemas Roca carbonatada roca impregnada de crudo asiacute como la aplicacioacuten de los
surfactantes a 500 y 800 mg L-1 utilizando como electrolito indiferente nitrato de sodio
01mM el cual permite la desestabilizacioacuten del coloide con la finalidad de que la corriente
eleacutectrica pase por todas las partiacuteculas y se obtenga una medicioacuten correcta del anaacutelisis Asiacute
mismo se varioacute el pH del sistema de 1 a 7 utilizando HCl 01 M y NaOH 01 M para
observar el efecto dispersivo de las partiacuteculas de roca
59
Capiacutetulo III
Resultados
31 Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenos
60
Se realizaron 3 extracciones de asfaltenos utilizando 10 mL de petroacuteleo en cada una se
obtuvieron entre 14182 g y 16875 g de asfaltenos lo cual representa un porcentaje de
recuperacioacuten en 1418 y 1675 El producto obtenido teniacutea una tonalidad oscura lo anterior
se observa en la figura 31
Figura 31 Asfaltenos obtenidos tras extraccioacuten
Asiacute mismo se realizoacute el procesos de impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada por
triplicado de los cuales se obtuvieron entre 169 g y 189 g de roca impregnada que
representa una recuperacioacuten entre 338 y 378 El producto teniacutea una tonalidad cafeacute oscura
lo anterior se observa en la figura 32
Figura 32 Roca impregnada de asfaltenos
32 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con transformada de Fourier
61
La elucidacioacuten de los espectros de FTIR se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura [35] indica que el carbonato de
calcio presenta sentildeales caracteriacutesticas de sus grupos funcionales tales como CO3 Ca-C y C-
O y Ca-CO3
321 Espectro FTIR de roca carbonatada
El espectro FTIR de la roca carbonatada se muestra en la figura 33 en el que se observa el
estiramiento del enlace Ca-C en 2513 cm-1 sentildeal caracteriacutestica del compuesto CaCO3 el
estiramiento de C-O en 1480 cm-1 y las vibraciones particulares del grupo CO3 en 714 y 877
cm-1 Estas sentildeales dan certeza de que el compuesto analizado es una roca de carbonato de
calcio
Figura 33 Espectro FTIR de roca carbonatada
62
322 Espectro de roca impregnada de asfaltenos
El espectro FTIR de la roca impregnada se muestra en la figura 34 en el que se observa el
estiramiento del enlace O-H en 3300 cm-1 las vibraciones simeacutetricas y asimeacutetricas de C-H
en 2988 y 2875 cm-1 la absorcioacuten energeacutetica del enlace C-H en 1625 cm-1 las flexiones de
los compuestos aromaacuteticos entre 1100 y 1500 cm-1 asiacute como la deformacioacuten noplanar del
anillo benceacutenico entre 700 y 900 cm-1 Estas sentildeales confirman la impregnacioacuten de asfaltenos
teniendo como principal diferencia frente a la roca carbonatada las flexiones y vibraciones
de los enlaces C-H y de los anillos aromaacuteticos presentes en la estructura asfalteacutenica teoacuterica
Figura 34 Espectro FTIR de roca impregnada de asfaltenos
63
33 Espectroscopia ultravioleta visible (UV-vis)
La elucidacioacuten de los espectros de UV-vis se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura indica la presencia de grupos
benceacutenicos y nafteacutenico en las estructuras quiacutemicas de los asfaltenos los cuales son
caracteriacutesticos de los mismos [29]
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada y roca impregnada
El espectro UV-vis de la roca carbonatada no presenta ninguna banda significativa esto se
debe principalmente a la ausencia de dobles y triples enlaces los cuales son sumamente
caracteriacutesticos en longitudes de 200 a 600 nm El espectro UV-vis de la roca impregnada
(figura 35) muestra 4 sentildeales las dos primeras retribuidas a los grupos benceacutenicos a 226 y
250 nm la tercera y cuarta a los grupos nafteacutenicos a 263 y 270 nm estructuras quiacutemicas
presentes en los asfaltenos
Se realizaron 6 experimentos iniciando con la roca carbonatada posteriormente la
evaluacioacuten de la roca impregnada de asfaltenos (RASF) variando la concentracioacuten de roca
(10 5 3 1 05 mg L-1)
Los espectros muestran desdoblamiento en las bandas debido al cambio electroacutenico en los
enlaces sigma y pi presentes en los ciclos aromaacuteticos Se observa el efecto de la concentracioacuten
de roca impregnada a 05 y 1 mg L-1 se tienen bandas maacutes definidas y caracteriacutesticas de los
asfaltenos a concentraciones mayores a lo anterior se enmascaran estas sentildeales debido a la
saturacioacuten de las partiacuteculas de roca impregnada en las muestra Lo anterior hace imposible
para el equipo la identificacioacuten precisa de los grupos funcionales caracteriacutesticos de la misma
64
Figura 35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnada
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
Esta teacutecnica se realizoacute con la finalidad de observar el tamantildeo y la forma de las partiacuteculas de
roca carbonatada asiacute como la composicioacuten elemental de la misma Se observa un
comportamiento de agregacioacuten entre las partiacuteculas por lo que se puede deducir un tamantildeo
entre 100 y 400 nm Con el anaacutelisis elemental del EDX se comproboacute la naturaleza de la roca
la cual estaacute formada de carbonato de calcio La literatura [36] indica las sentildeales caracteriacutesticas
de este compuesto el carbono con una sentildeal en 028 keV el oxiacutegeno en 053 keV y el calcio
con dos picos en 369 y 401 keV y de partiacuteculas nanomeacutetricas de forma esfeacutericas lo anterior
esto se puede observar en la figura 36
65
36 Anaacutelisis SEMEDS de roca carbonatada
35 Imbibicioacuten espontaacutenea
Se obtuvieron las rocas imbibidas tras un proceso de 7 diacuteas [37] y se pesaron para conocer la
cantidad de crudo absorbido dentro de su estructura porosa Asiacute mismo se fracturaron las
rocas para comprobar la presencia del hidrocarburo dentro de la roca lo cual se observa en
la figura 37 En la tabla 31 se muestra la masa inicial y final de la roca asiacute como el
porcentaje de masa absorbida de crudo teniendo porcentajes entre 4 y 5
66
Figura 37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudo
Tabla 31 Resultados de rocas imbibidas
Muestra Masa Inicial (g) Masa Final (g)
1 103315 108098 46295
2 92475 96736 46077
36 Anaacutelisis del aacutengulo de contacto del crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
La medicioacuten del aacutengulo de contacto de diferentes sistemas de estudio aporta informacioacuten
sobre la interaccioacuten entre las interfaces soacutelidas y liquidas el comportamiento de un fluido
sobre una superficie asiacute como la variacioacuten de la misma con la aplicacioacuten de un agente en
este caso un surfactante
361 Roca no imbibida
Se colocaron los disolventes empleados en la experimentacioacuten variado uacutenicamente los
surfactantes y la concentracioacuten de los mismos En la figura 38 se muestra el aacutengulo de
contacto de la salmuera sobre la roca se observa que con la aplicacioacuten de los surfactantes
este aacutengulo disminuye deduciendo un aumento en la afinidad entre la roca y el disolvente
[38] Lo anterior se debe principalmente al aumento de la concentracioacuten de iones provocando
un efecto de pantalla que reduce las repulsiones electrostaacuteticas entre las moleacuteculas anfifiacutelicas
67
facilitando la formacioacuten de micelas en el sistema y asiacute aumentando la mojabilidad de la
salmuera obseacutervese en tabla 32
Figura 38 Angulo de contacto de la salmuera
Tabla 32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio
El efecto de las sales presentes en el agua congeacutenita en la formacioacuten micelar (figura 39)
propicia un incremento en la mojabilidad con la aplicacioacuten del surfactante lo cual se muestra
en la tabla 33
Figura 39 Angulo de contacto del agua congeacutenita
Tabla 33 Aacutengulos de contacto del agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio
68
Del mismo modo se colocaron sobre la superficie de la roca los diferentes sistemas de estudio
(emulsiones) los cuales variaban en el tipo de surfactante la concentracioacuten y el tipo de
disolvente empleado El aacutengulo de contacto del petroacuteleo se muestra en la figura 310
Figura 310 Angulo de contacto del petroacuteleo
Con una concentracioacuten de 500 mg L-1 de surfactante (tabla 34) se observa una disminucioacuten
del aacutengulo de contacto de la emulsioacuten lo anterior se atribuye al efecto de las cabezas
catioacutenicas sobre los agregados asfalteacutenicos los cuales son dispersados provocando una
mayor interaccioacuten con la roca y aumentando la mojabilidad sobre la misma
Tabla 34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 mg L-1
69
Con una concentracioacuten de 800 mg L-1 de surfactante (tabla 35) se observa un efecto similar
al sistema de estudio anterior un decremento del aacutengulo de contacto atribuido al efecto
pantalla de las sales de los disolvente en la concentracioacuten micelar dispersando los agregados
asfalteacutenicos y de esta forma aumentando la mojabilidad del sistema sobre la roca
carbonatada
Tabla 35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 mg L-1
362 Roca imbibida por petroacuteleo
70
Se colocaron los sistemas de estudio (salmuera y agua congeacutenita) sobre la roca impregnada
de crudo se observoacute una disminucioacuten en el aacutengulo de contacto menor que el estudio sobre
la roca carbonatada Lo anterior se debe a la alta hidrofobicidad de la superficie de la roca
la cual estaba impregnada en su totalidad de hidrocarburo y que aun con la aplicacioacuten de los
surfactantes se repelioacute el efecto de las cabezas catioacutenicas teniendo como consecuencia el
decremento del aacutengulo de contacto Las tablas 36 y 37 muestran los aacutengulos de contacto
tras la aplicacioacuten del surfactante
Tabla 36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 mg L-1
Tabla 37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 800 mg L-1
71
En la Tabla 38 se presentan los resultados del caacutelculo de tensioacuten interfacial y mojabilidad
los cuales son paraacutemetros que describen el comportamiento de las fuerzas intermoleculares
en la interfase soacutelido-liacutequido
Tabla 38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio
Fase soacutelida
Fase liacutequida
Surfactante (Sx)
Concentracioacuten (mg L-1)
Aacutengulo de
contacto ϴ
(deg)
Tensioacuten interfacial γ (dina cm-1)
Mojabilidad W
Roca carb Salmuera 8149 576 661
Roca carb Salmuera S1 500 5539 518 812
Roca carb Salmuera S1 800 5173 537 869
Roca carb Salmuera S2 500 4549 441 827
Roca carb Salmuera S2 800 4242 557 856
Roca Imb Salmuera S1 500 6956 421 566
Roca Imb Salmuera S1 800 6957 451 606
Roca Imb Salmuera S2 500 6681 472 657
Roca Imb Salmuera S2 800 7408 549 699
Roca carb Agua Cong 7391 528 674
Roca carb Agua Cong S1 500 4785 431 72
Roca carb Agua Cong S1 800 4069 446 784
Roca carb Agua Cong S2 500 4809 439 732
Roca carb Agua Cong S2 800 3327 42 771
Roca Imb Agua Cong S1 500 7456 525 664
Roca Imb Agua Cong S1 800 6575 494 696
Roca Imb Agua Cong S2 500 765 472 581
Roca Imb Agua Cong S2 800 6788 483 664
Roca carb Petroacuteleo 11177 838 536
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 500 8313 582 651
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 800 936 605 567
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 500 9088 652 641
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 800 8645 629 667
Roca carb Emulsioacuten AC S1 500 10289 815 641
Roca carb Emulsioacuten AC S1 800 9562 698 629
Roca carb Emulsioacuten AC S2 500 9846 782 666
Roca carb Emulsioacuten AC S2 800 9056 675 668
En los diferentes anaacutelisis sobre roca carbonatada con la aplicacioacuten de surfactantes en
salmuera o agua congeacutenita se observa una disminucioacuten del aacutengulo de contacto lo que implica
una menor tensioacuten en la interfase soacutelido-liacutequido obteniendo mayor mojabilidad en cada uno
de los sistemas Lo anterior se basa principalmente en el efecto dispersivo de los surfactantes
72
sobre las agregaciones asfalteacutenicas siendo las cabezas catioacutenicas las responsables de evitar
la apilacioacuten de los asfaltenos y disgregaacutendolas por todo el sistema
Asiacute mismo se observa el efecto de la concentracioacuten de los surfactantes en los diferentes
sistemas de estudio obteniendo menor tensioacuten interfacial a una concentracioacuten de 500 mgL-1
debido a la saturacioacuten ideal del aditivo en la muestra
37 Dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS)
Con el anaacutelisis DLS se estudioacute la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
y la roca impregnada asiacute como el efecto de los surfactantes en el sistema de estudio En la
figura 311 se muestra la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
(unimodal 1496 nm) a su vez en la figura 312 se observa la distribucioacuten de la roca
impregnada (unimodal 4063 nm) Posteriormente con la aplicacioacuten de los surfactantes se
comproboacute la disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula con S1 (unimodal 219 nm) y S2 (
unimodal 282 nm) Lo anterior se atribuye al efecto de los surfactantes sobre la superficie
impregnada que al entrar en contacto con los agregados asfalteacutenicos se generoacute la dispersioacuten
de los mismos disminuyendo de esta forma el tamantildeo de la partiacutecula [32] Ambos surfactantes
facilitan la dispersioacuten de los asfaltenos que recubren la superficie de la partiacutecula provocando
la reduccioacuten en el tamantildeo de la misma obseacutervese figs 313 y 314
Figura 311 Anaacutelisis DLS de roca carbonatada
73
Figura 312 Anaacutelisis DLS de roca impregnada
Figura 313 Anaacutelisis DLS de roca impregnada aplicando S3
Figura 314 DLS de roca impregnada aplicando S4
74
La disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de las rocas impregnadas se asocia al efecto
dispersivo de los surfactantes mencionado en las pruebas tensiomeacutetricas donde las parte
catioacutenica del compuesto inhibe la aglomeracioacuten de las moleacuteculas asfalteacutenicas provocando
no solo el cambio de la mojabilidad del sistema de estudio si no tambieacuten la disgregacioacuten de
los asfaltenos encontrados en la superficie de la roca carbonatada por tanto un decrecimiento
en la distribucioacuten de tamantildeo partiacutecula en la roca impregnada
38 Potencial Zeta
Con el anaacutelisis de potencial zeta se observoacute las fuerzas de atraccioacuten yo repulsioacuten de cada
sistema de estudio La literatura indica que en todo sistema en suspensioacuten coloidal existe un
equilibrio entre las fuerzas de repulsioacuten y las fuerzas de atraccioacuten molecular (Van del Waals)
resultando la aglomeracioacuten o dispersioacuten del sistema Si el sistema tiene carga positiva el
sistema es atractivo por lo que existen las fuerzas de atraccioacuten entre las partiacuteculas son
mayores que las fuerzas de repulsioacuten Si el sistema es negativo el sistema es repulsivo y se
tiene un efecto contrario al anterior Mientras maacutes alejado del cero se encuentre la muestra
mayor estabilidad le seraacute conferida debido a la relacioacuten entre las fuerzas intermoleculares
eso significa que se provocaraacute menor agregacioacuten facilitando la dispersioacuten del soluto [33] En
la figura 315 se muestra el efecto del pH en la dispersioacuten de los asfaltenos con la aplicacioacuten
de los surfactantes la tendencia se vuelve maacutes negativa por lo tanto existe mayor estabilidad
en el coloide disminuyendo la agregacioacuten de los asfaltenos
Este efecto se observoacute en las pruebas de DLS en donde los surfactantes dispersaron las
moleacuteculas de asfaltenos disminuyendo de esta forma la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
lo anterior se asocia a la disgregacioacuten de los asfaltenos observado en potencial Zeta
obteniendo una fase dispersa en el sistema
75
Figura 315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando el pH
76
Conclusiones
Se comproboacute el efecto dispersivo de los surfactantes sulfatados sobre los agregados
asfalteacutenicos causado principalmente por las cargas electroacutenicas presentes en estos
compuestos que al entrar en contacto con los asfaltenos provocaron la disgregacioacuten de
los mismos Dicho efecto fue visible en la mayoriacutea de las teacutecnicas empleadas generando
cambios en las interacciones moleculares de los sistemas de estudio y en las fuerzas de
la interfase soacutelido-liacutequido
Las teacutecnicas de caracterizacioacuten FTIR UV-vis corroboraron la presencia de grupos
funcionales caracteriacutesticos de la roca carbonatada asiacute como de la roca impregnada de
asfaltenos La teacutecnica de SEMEDX corroboroacute la existencia de los elementos que
componen a la roca y brindoacute informacioacuten importante sobre el tamantildeo y la forma de los
las partiacuteculas de roca
Las pruebas de aacutengulo de contacto por el meacutetodo de gota seacutesil comprobaron el efecto
superficial de los surfactantes en los diferentes sistemas de estudio cambiando la
tensioacuten interfacial de cada uno y afectando una caracteriacutestica innata de la roca su
mojabilidad Los aacutengulos de contacto tras la aplicacioacuten de los surfactantes sufrieron una
disminucioacuten por la facilidad de los aditivos antes mencionados para dispersar las capas
de agregacioacuten de los asfaltenos provocando una mejor interaccioacuten con la fase soacutelida
Mediante el anaacutelisis de Dispersioacuten de luz Dinaacutemica (DLS) se consiguioacute fundamentar el
efecto dispersivo de los surfactantes observado en las pruebas tensiomeacutetricas siendo de
gran importancia los resultados obtenidos de distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula en
donde con la aplicacioacuten de los surfactantes se consiguioacute disminuir este paraacutemetro por
la la difusioacuten de los agregados asfalteacutenicos contenidos en la superficie de la roca siendo
afectados principalmente por las cargas electroacutenicas cabezas catioacutenicas
La teacutecnica de potencial Zeta corroboroacute lo anterior debido a la facilidad de las muestras
con surfactantes para alcanzar la estabilidad coloidal por lo que se demuestra un efecto
77
contrario a la agregacioacuten un efecto dispersivo de los asfaltenos provocado por las
cargas presentes en las cadenas de los aditivos
78
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Iacutendice general
paacuteg
Iacutendice de figuras helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip vii
Iacutendice de tablashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip viii
Resumenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip ix
Abstracthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip x
Introduccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xi
Capiacutetulo 1 Antecedenteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
11 Petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
111 Composicioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5
112 Clasificacioacuten de petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6
113 Derivados del petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9
114 Importancia del petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
12 Yacimientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
122 Condiciones de explotacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
123 Recuperacioacuten primariahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
124 Recuperacioacuten secundariahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejoradahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
126 Generalidades de pozoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
131 Porosidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
132 Permeabilidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
133 Tortuosidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
134 Tensioacuten superficial e interfacialhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
135 Mojabilidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
136 Capilaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24
137 Adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
1371 Tipos de adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
14 Imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
iv
141 Interaccioacuten roca-fluidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
143 Cambio de mojabilidad por el ion-parhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
15 Surfactanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
151 Clasificacioacuten de los surfactanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
152 Propiedades de los surfactanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
1521 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
1522 Micelas y asociacioacuten micelarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
16 Emulsioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
161 Tipos de emulsioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
163Agentes emulsionanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
164 Estabilidad de una emulsioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacutenhelliphelliphelliphellip 43
Capiacutetulo 2 Metodologiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 45
21Reactivoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
22 Preparacioacuten de sistemas de estudiohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
23 Disentildeo de experimentoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
24 Teacutecnicas de caracterizacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51
241 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con Transformada de Fourier (FTIR)helliphellip 51
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 52
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten
por Rayos X (SEMEDX)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
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25 Imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
28 Potencial zetahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Capiacutetulo 3 Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
31Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
v
32 Espectroscopiacutea de infrarrojo con trasformada de Fourierhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
321 Espectro FTIR de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
322 Espectro FTIR de roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
33 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por
Rayos X (SEMEDX)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
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35 Imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
36 Anaacutelisis tensiomeacutetricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
361 Roca no imbibidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
362 Roca imbibidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
37 Anaacutelisis DLShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
38 Anaacutelisis de potencial Zetahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Referencias bibliograacuteficashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
vi
Iacutendice de figuras
Figura Paacuteg
11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
12 Clasificacioacuten de yacimientoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
13 Acidificacioacuten controlada mediante inyeccioacuten de emulsioacuten en querosenohelliphelliphelliphelliphellip 16
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
15Representacioacuten de fuerzas intermoleculareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
17 Efecto de la capilaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24
18 Proceso general de adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
112 Celda de imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
113 Esquema de las partes acidas del aceite sobre la superficie carbonatadahelliphelliphelliphelliphellip 29
114 Modelo esquemaacutetica del cambio de mojabilidad con aplicacioacuten de surfactanteshelliphellip 31
115 Representacioacuten de una moleacutecula de surfactantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
116 Tipos de micelahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
117 Comportamiento estaacutetico micelarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
118 Micrografiacutea de una emulsioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 45
22 Muestra de roca carbonatada con asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
24 Roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
25 Roca imbibida con crudohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
26 Tensioacutemetro empleado en la experimentacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
27 Funcionamiento del anaacutelisis DLShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56
28 Interacciones entre las partiacuteculas en el anaacutelisis de potencial zeta helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
31 Asfaltenos obtenidos tras la extraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Roca impregnada de asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
33 Espectro FTIR de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
vii
34 Espectro FTIR de roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
36 Anaacutelisis SEMEDX de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 65
37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
38 Aacutengulo de contacto de la salmuerahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
39 Angulo de contacto de agua congeacutenitahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
310 Aacutengulo de contacto del petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
311 Anaacutelisis DLS de la roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
312 Anaacutelisis DLS de la roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
313 Anaacutelisis DLS de la roca impregnada aplicando surfactante S1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 73
314 Anaacutelisis DLS de la roca impregnada aplicando surfactante S2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 73
315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando pHhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Iacutendice de Tablas
Tabla Paacuteg
11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo 5
12 Clasificacioacuten de petroacuteleo crudo 6
13 Clasificacioacuten de los surfactantes 33
21 Reactivos empleados en el proyecto 46
22 Surfactantes utilizados en experimentacioacuten 46
23 Disentildeo de experimentos 49
31 Resultados de rocas imbibidas 66
32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio 67
33 Aacutengulos de contacto de agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio 68
34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 ppm 69
35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 ppm 69
36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 ppm 70
37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 ppm 70
38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio 71
viii
Resumen
Este proyecto de investigacioacuten se enfocoacute en el estudio de mojabilidad del crudo pesado sobre
roca carbonatada de yacimiento aplicando surfactantes con base sulfato los cuales provocan
un efecto dispersivo en las fracciones maacutes pesadas del petroacuteleo conocidos como
ldquoasfaltenosrdquo responsables de las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del petroacuteleo tales como
viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API
La primera etapa del proyecto consistioacute en caracterizar la roca carbonatada de yacimiento
por Espectroscopiacutea de infrarrojo de transformada de Fourier (FTIR) espectroscopia
ultravioleta visible y Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten
por Rayos X (SEMEDX) para la identificacioacuten de los grupos funcionales caracteriacutesticos
morfologiacutea y anaacutelisis elemental de la roca
La segunda etapa consistioacute en preparar emulsiones de agua en aceite adicionando los
surfactantes en diferentes concentraciones las cuales fueron observadas por microscopiacutea
oacuteptica Posteriormente se evaluoacute el aacutengulo de contacto de cada uno de los sistemas de estudio
sobre roca carbonatada para el caacutelculo de la tensioacuten superficial y en efecto de la mojabilidad
Asiacute mismo se realizoacute la imbibicioacuten espontaacutenea de las rocas con crudo usando la celda de
Amott y se midioacute el aacutengulo de contacto de los disolventes frente a las rocas impregnadas Se
observoacute un cambio en la mojabilidad del crudo con la aplicacioacuten de los surfactantes en los
anaacutelisis tensiomeacutetricos
En la tercera etapa se realizoacute el estudio dispersivo de los agregados asfalteacutenicos contenidos
en la roca Mediante el anaacutelisis de dispersioacuten de luz dinaacutemica se observoacute la disminucioacuten de
la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula siendo este efecto atribuido a las cabezas catioacutenicas
de los surfactantes Lo anterior fue comprobado con la teacutecnica de potencial zeta la cual mide
las fuerzas de atraccioacuten o repulsioacuten de las partiacuteculas siendo ambos surfactantes promotores
de estabilidad coloidal e inhibidores de agregacioacuten
ix
Abstract
This research project focuses on the study of the wettability of heavy crude oil on carbonate
reservoir rock by applying sulphate-based surfactants which have a dispersive effect on the
heavier fractions of petroleum known as asphaltenes responsible for the physicochemical
characteristics of oil such as viscosity surface tension and API gravity
The first stage of the project consisted of the carbonate reservoir rock by Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR) visible ultraviolet spectroscopy and Scanning Electron
Microscopy with X-ray Dispersion Spectroscopy (SEM EDX) for the identification of
characteristic functional groups morphology and elemental rock analysis
The second stage consisted of preparing water-in-oil emulsions by adding the surfactants in
different concentrations which were observed by light microscopy Afterwards the contact
angle of each of the study systems on carbonate rock was evaluated for the calculation of
surface tension and the wettability
The spontaneous imbibition of the rocks with crude oil was also carried out using the Amott
cell and the contact angle of the solvents against the impregnated rocks was measured A
change in the wettability of the crude oil was observed with the application of the surfactants
in the tensiometric analyzes
In the third stage was carried out the dispersive study of the asphalt aggregates contained in
the rock By the analysis of the dynamic light scattering observed the decrease in the size
distribution of the piece whereas this effect attributed to the cationic heads of the surfactants
The above was tested with the zeta potential technique which the attraction or repulsion
forces of the particles both are being surfactants colloidal stability promoters and
aggregation inhibitors
x
Introduccioacuten
Actualmente la industria petrolera enfrenta una serie de problemaacuteticas que van desde la
gravedad especiacutefica del hidrocarburo hasta su comportamiento en un sistema aceite-roca El
estudio de las fuerzas intermoleculares del sistema aceite-roca es un trabajo innovador para
la elaboracioacuten de nuevas formas de extraccioacuten yo el uso de sustancias quiacutemicas que faciliten
el transporte del crudo durante el proceso
Los surfactantes son empleados como aditivos para facilitar la extraccioacuten del crudo y su
transporte debido a sus efectos en la viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API Estos
compuestos son de gran intereacutes para la industria petrolera por lo que un estudio detallado de
la forma de actuar de estos aditivos podriacutea describir los fenoacutemenos que ocurren en un sistema
aceite-roca
La literatura [1 23] indica que los surfactantes del tipo sulfato tienen cierta afinidad con las
moleacuteculas maacutes pesadas del crudo los asfaltenos Hablar de asfaltenos implica ldquoproblemasrdquo
los cuales pueden ser observados durante la extraccioacuten y el transporte del petroacuteleo hacia las
refineriacuteas lo anterior se debe que al ser los componentes maacutes pesados del crudo la mayoriacutea
de las propiedades del crudo dependen de ellos por lo que el uso de aditivos que contengan
un grupo sulfato puede promover la dispersioacuten de los mismos generando un cambio en la
viscosidad del crudo en la tensioacuten interfacial del sistema por lo tanto a una variacioacuten de la
mojabilidad
La mojabilidad es una propiedad innata de las rocas que puede ser afectada a partir del cambio
en las interacciones del aceite y su superficie Con la aplicacioacuten de surfactantes sulfatados se
pretende la modificacioacuten de las fuerzas superficiales entre el crudo y la roca lo cual permitiriacutea
una recuperacioacuten mejorada del aceite contenido en los yacimientos facilitando de esta
manera el proceso de extraccioacuten del mismo [4]
En este proyecto se propone el anaacutelisis de las propiedades que afectan los fenoacutemenos de
superficie de los sistemas aceite-roca usando como referencia compuestos como agua
salmuera y posteriormente la adicioacuten de surfactantes sulfatados base imidazol asiacute como el
estudio de la dispersioacuten de dicho sistema
1
Capiacutetulo I
Antecedentes
2
1 Antecedentes
Actualmente con la disminucioacuten de crudos ligeros y la obtencioacuten de aceites pesados durante
la extraccioacuten de yacimientos se buscan meacutetodos alternativos que permitan la recuperacioacuten
mejorada en los pozos petroleros mediante la aplicacioacuten de aditivos quiacutemicos El estudio de
las fuerzas relacionadas entre el aceite y la roca permite describir de una forma real lo que
pasa dentro del sistema petroliacutefero con la aplicacioacuten de dichos compuestos
En 2009 Murillo y col [4] estudiaron el efecto del anioacuten PF6 en los agregados asfalteacutenicos
y encontraron un incremento en el momento dipolar debido al cambio de electronegatividad
provocado por el anioacuten Se establecioacute que el bromuro de 1-butil fue el liacutequido ioacutenico con
mejores propiedades estabilizadoras e inhibidoras de la agregacioacuten de asfaltenos
disminuyendo la aglomeracioacuten de asfaltenos hasta en un 70
En 2010 Ramiacuterez y col [5] investigaron experimentalmente el efecto que tienen los
surfactantes zwitterioacutenicos y catioacutenicos en el control de dantildeo al medio poroso debido a
depoacutesitos de asfaltenos y la descripcioacuten del cambio de mojabilidad en rocas carbonatadas
encontrando mejores condiciones de operacioacuten y concluyendo que el uso de salmuera con
alta concentracioacuten de sales provoca la precipitacioacuten de los surfactantes debido al efecto de
ioacuten comuacuten presente en los electrolitos que encapsula a las moleacuteculas surfactantes
hacieacutendolas maacutes pesadas y precipitaacutendolas por accioacuten de la gravedad
En 2010 Guzmaacuten y col [6] sintetizoacute y evaluoacute diferentes liacutequidos ioacutenicos como agentes
desemulsificantes del sistema de emulsioacuten de crudo mexicano ligero y pesado siendo el
bromuro de 1 metil-3-tetradecilimidazolio el que obtuvo mejores resultados frente a otros
compuestos con diferente tamantildeo de cadena hidrocarbonada Se estudioacute la aplicacioacuten de
calentamiento convencional y dieleacutectrico por microondas en los procesos de
desemulsificacioacuten siendo el segundo meacutetodo el que aceleroacute e incrementoacute la eficiencia de
desemulsificacioacuten
En 2011 Petcavich y col [7] desarrollaron un meacutetodo de extraccioacuten de hidrocarburos a partir
de rocas que contienen aceite En este trabajo se utilizoacute una mezcla de piedra arenisca de
3
aceite y un liacutequido ioacutenico a base de fosfonio el cual se sometioacute a la radiacioacuten de microondas
de 254 GHz y presentaron las condiciones de trabajo para la recuperacioacuten total del
hidrocarburo atrapado en la roca
En 2012 Dharaskar y col [8] investigaron sobre los liacutequidos ioacutenicos y su capacidad de
minimizar los efectos negativos de salud y medio ambientales En la industria de la refinacioacuten
se usa para la hidrodesulfurizacioacuten del crudo Estudiaron el efecto de cationes del tipo sulfato
contenidos en liacutequidos ioacutenicos sobre el petroacuteleo encontrando una disminucioacuten en la
concentracioacuten de grupos sulfurados y asfalteacutenicos
En 2014 Bin-Dahbag y col [9] realizaron un estudio sobre el proceso de inyeccioacuten de
liacutequidos ioacutenicos con base de amonio y fosfonio en la recuperacioacuten mejorada de petroacuteleo con
lo que redujo la tensioacuten interfacial de la fase acuosa del hidrocarburo Se realizaron pruebas
de deteccioacuten de nueve liacutequidos ioacutenicos con base de tetrasulfato de amonio los cuales fueron
diluidos en salmuera a distintas concentraciones y se probaron con un petroacuteleo crudo Saudiacute
Se registraron cambios en la tensioacuten interfacial por cambios de presioacuten y temperatura
indicando una mayor actividad de interaccioacuten superficial en el sistema rocapetroacuteleoliacutequido
ioacutenico
En 2014 Gonzaacutelez y col [10] estudiaron el cambio de la mojabilidad de rocas carbonatadas
en sistemas salmuerapetroacuteleo con la aplicacioacuten de surfactantes empleando el meacutetodo
tensiomeacutetrico de Gota cautiva Se obtuvieron resultados confiables y reproducibles que
concluyen un comportamiento afiacuten entre la salmuera el crudo y la roca
En 2015 Jiao y col [11] estudiaron el comportamiento de los liacutequidos ioacutenicos con base
imidazolio ( IBILs ) desarrollando nuevos agentes de extraccioacuten para separar indol una
sustancia industrial importante derivada del aceite de lavado que ocasiona graves problemas
medioambientales obteniendo eficiencias de extraccioacuten de maacutes de 90
En 2016 Banda y col [12] estudiaron el comportamiento de los asfaltenos presentes en
petroacuteleo crudo pesado usando como disolvente ciclohexano Primeramente se caracterizaron
los asfaltenos extraiacutedos por Espectroscopiacutea de ultravioleta-visible (UV-vis) posteriormente
se utilizoacute la teacutecnica de Dispersioacuten de Luz Dinaacutemica (DLS) para la distribucioacuten de tamantildeo de
partiacutecula de los agregados asfalteacutenicos Asiacute mismo se realizoacute un anaacutelisis de potencial Zeta
4
utilizando como disolvente nitrato de sodio 01 mmol para la comprobacioacuten del efecto
dispersivo de los asfaltenos frente a liacutequidos ioacutenicos sulfatados
11 Petroacuteleo
El petroacuteleo es una mezcla homogeacutenea de compuestos orgaacutenicos de estructura variada
principalmente hidrocarburos insolubles en agua En general es posible agrupar los
constituyentes del petroacuteleo en cuatro grupos orgaacutenicos bien definidos Saturados
Aromaacuteticos Resinas y Asfaltenos este conjunto es conocido como SARA Es un liacutequido
viscoso cuyo color variacutea entre amarillo y pardo obscuro hasta negro con reflejos verdes
Ademaacutes tiene un olor caracteriacutestico y flota en el agua Tambieacuten es conocido como petroacuteleo
crudo o simplemente crudo Se produce en el interior de la Tierra por transformacioacuten de la
materia orgaacutenica acumulada en sedimentos del pasado geoloacutegico y puede acumularse en
trampas geoloacutegicas naturales de donde se extrae mediante la perforacioacuten de pozos [13]
Las moleacuteculas de hidrocarburos que en forma colectiva constituyen el petroacuteleo estaacuten
formadas por distintas combinaciones de aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Seguacuten el nuacutemero
de aacutetomos de carbono de hidroacutegeno y de la distribucioacuten estructural de las mismas se tienen
los distintos hidrocarburos que abarcan desde el gas natural hasta los hidrocarburos soacutelidos
Comuacutenmente se denomina como petroacuteleo a aquella mezcla de hidrocarburos que a las
condiciones de temperatura y presioacuten ambientales estaacute en estado liacutequido En la naturaleza se
pueden encontrar afloraciones naturales de hidrocarburos muchos de ellos conocidos desde
la antiguumledad aunque la produccioacuten comercial se obtiene de acumulaciones que se localizan
en algunos lugares del subsuelo con profundidades variables desde pocos metros hasta
profundidades mayores a cinco mil metros [14]
Mientras mayor sea el contenido de carboacuten en relacioacuten al del hidroacutegeno mayor es la cantidad
de productos pesados que tiene el crudo [15] Esto depende de la edad del yacimiento y de
algunas caracteriacutesticas geoloacutegicas No obstante se ha comprobado que entre maacutes antiguos
son tienen maacutes hidrocarburos gaseosos y soacutelidos y menos liacutequidos entran en su
composicioacuten
5
Es un recurso natural no renovable y actualmente es la principal fuente de energiacutea en
los paiacuteses desarrollados El petroacuteleo liacutequido puede presentarse asociado a capas de gas
natural en yacimientos que han estado enterrados durante millones de antildeos cubiertos por los
estratos superiores de la corteza terrestre Los factores de presioacuten temperatura y procesos
quiacutemicos y fiacutesicos ayudados por la carencia de oxiacutegeno posibilitan la formacioacuten de petroacuteleo
liacutequido y de gas
La conversioacuten de materia orgaacutenica en petroacuteleo ocurre en varias etapas [15]
Degradacioacuten bioquiacutemica la accioacuten de las bacterias en un ambiente aerobio
oxidan la materia orgaacutenica
Policondensacioacuten e insolubilizacioacuten se produce un reordenamiento molecular
en dos etapas originaacutendose una sustancia insoluble en aacutelcalis con estructura
parecida al keroacutegeno
Cracking primario es la primera reaccioacuten de generacioacuten de hidrocarburos
regida por la ley de Arrhenius de donde se puede obtener petroacuteleo y gas
Cracking secundario se destruye la fraccioacuten inestable generando gas y
residuos carbonosos
111 Composicioacuten del petroacuteleo
El petroacuteleo crudo es la materia prima principal de la industria de Refinacioacuten del Petroacuteleo
estaacute constituido por una mezcla de diferentes tipos de hidrocarburos cuyas moleacuteculas se
componen de Carbono e Hidroacutegeno con un pequentildeo porcentaje de otros elementos
conformando hidrocarburos de estructuras maacutes o menos complejas como compuestos
heterociacuteclicos de nitroacutegeno oxiacutegeno y azufre compuestos organometaacutelicos ademaacutes contiene
sedimentos inorgaacutenicos y agua [16] La composicioacuten aproximada de los crudos puede verse
en la Tabla 11
6
Tabla11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo
Elemento Composicioacuten (peso)
Carbono 84-87
Hidroacutegeno 11-14
Azufre 0-5
Nitroacutegeno 0-02
Oxiacutegeno 0-05
112 Clasificacioacuten de petroacuteleo
Son miles los compuestos quiacutemicos que constituyen el petroacuteleo [16] y entre muchas otras
propiedades estos compuestos se diferenciacutean por su volatilidad (dependiendo de la
temperatura de ebullicioacuten) Al calentarse el petroacuteleo se evaporan preferentemente los
compuestos ligeros (de estructura quiacutemica sencilla y bajo peso molecular) de tal manera que
conforme aumenta la temperatura los componentes maacutes pesados van incorporaacutendose al
vapor
Las curvas de destilacioacuten TBP (del ingleacutes ldquotrue boiling pointrdquo temperatura de ebullicioacuten real)
distinguen a los diferentes tipos de petroacuteleo y definen los rendimientos que se pueden obtener
de los productos por separacioacuten directa [17] Por ejemplo mientras que en el crudo Istmo se
obtiene un rendimiento directo de 26 volumeacutetrico de gasolina en el Maya soacutelo se obtiene
157 [17]
La industria mundial de hidrocarburos liacutequidos clasifica el petroacuteleo de acuerdo con su
densidad API (paraacutemetro internacional del Instituto Americano del Petroacuteleo que diferenciacutea
las calidades del crudo) La Tabla 12 muestra estas clasificaciones
Tabla 12 Clasificacioacuten del petroacuteleo crudo [18]
Aceite crudo Densidad
( g cm3)
Densidad
grados API
Extrapesado gt10 100
Pesado 10 - 092 100 - 223
Mediano 092 - 087 223 - 311
7
Ligero 087 - 083 311 - 39
Superligero lt 083 gt 39
Para exportacioacuten en Meacutexico se preparan tres variedades de petroacuteleo crudo
a) Istmo Ligero con densidad de 336 grados API y 13 de azufre en peso
b) Maya Pesado con densidad de 22 grados API y 33 de azufre en peso
c) Olmeca Superligero con densidad de 393 grados API y 08 de azufre en peso
Atendiendo a la mayor proporcioacuten del tipo de hidrocarburos que conforman la mezcla los
crudos se clasifican seguacuten su base parafiacutenica nafteacutenica asfaacuteltica y mixta [15]
Base parafiacutenica Las parafinas livianas dan buenos aceites para usos domeacutesticos pues no
producen humo al quemarse tienden a resistir el calor Las parafinas maacutes espesas contienen
cristales blancos y blandos que cuando son aislados y refinados forman lo que se conoce
como cera parafinada Se encuentran generalmente en Pennsylvania West Virginia y centro
de Estados Unidos
Base nafteacutenica Generalmente contienen gran proporcioacuten de fracciones volaacutetiles es decir
componentes que se evaporan faacutecilmente Se encuentran generalmente en Rusia Peruacute
California y Golfo de Meacutexico En Cuba se encuentra en la zona de Motembo
Base asfaacuteltica Contienen ademaacutes de carbono e hidroacutegeno gran cantidad de azufre En la
destilacioacuten avanzada o maacutes completa rinden una cantidad relativamente alta de alquitraacuten y
asfalto Se pueden encontrar en Meacutexico Venezuela California y el Caribe
Base mixta Ninguacuten crudo es realmente netamente nafteacutenico asfaacuteltico o parafiacutenico en su
composicioacuten quiacutemica sino que contienen proporciones de los otros tipos caracterizaacutendose
por la predominancia del compuesto en mayoriacutea Sin embargo ciertos crudos de Kansas
Oklahoma y Texas tienen contenidos muy similares de nafta parafinas y asfaltos lo que
resulta imposible clasificarlos en una sola de estas clases
8
Asiacute mismo se puede clasificar al petroacuteleo crudo considerando dos grandes grupos de
hidrocarburos saturados y no saturados Cuando todas las valencias de los aacutetomos de carbono
se comparten con otros aacutetomos es saturado cuando hay falta de hidroacutegeno es no saturado y
se pueden compartir dos y hasta tres valencias entre un aacutetomo de carbono con otro aacutetomo [16]
Los saturados y no saturados se dividen a su vez en dos grupos importantes cada uno lo cual
se muestra en la figura 11
Figura 11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleo
Las parafinas son las maacutes ricas en hidroacutegeno son saturadas y por tanto relativamente estables
Las parafinas comunes son liacutequidos pero se pueden encontrar gaseosas o soacutelidas La foacutermula
general es CnH2n+2
Los naftenos (ciclanos o ciclo alcanos) son saturados lo que hace que sean resistentes a los
cambios incluyendo la oxidacioacuten Son relativamente insolubles en aacutecido sulfuacuterico
concentrado Los maacutes importantes son ciclopentano y ciclohexano La foacutermula general es
CnH2n
Los no saturados tienden a formar gomas lacas y fangos al unirse al oxiacutegeno y separarse del
carbono que es un enlace relativamente menos estable
Las olefinas son no saturados o insaturados y por lo que tienen deficiencia de hidroacutegeno
consecuentemente son muy reactivos y combinan faacutecilmente con el hidroacutegeno oxiacutegeno
cloro y azufre esto causa que no se deseen altos porcentajes de olefinas en los combustibles
9
sin embargo son apreciados en la manufactura de varios productos entre ellos el plaacutestico La
foacutermula general es CnH2n
Los aromaacuteticos son no saturados pero actuacutean como saturados Son deseables en la gasolina
pues tienen altas propiedades antidetonantes El nombre aromaacuteticos surge por su olor
caracteriacutestico Algunos se usan en la produccioacuten del TNT colorantes plaacutesticos insecticidas
etc Hoy en diacutea se ha limitado su concentracioacuten en los derivados por ser dantildeinos a la salud
son altamente canceriacutegenos La foacutermula general es CnH2n-6 [19]
113 Derivados del petroacuteleo
Un derivado del petroacuteleo es un producto procesado en una refineriacutea usando como materia
prima el petroacuteleo Seguacuten la composicioacuten del crudo y la demanda las refineriacuteas pueden
producir distintos productos derivados del petroacuteleo La mayor parte del crudo es usado como
materia prima para obtener energiacutea por ejemplo la gasolina Tambieacuten producen sustancias
quiacutemicas que se puede utilizar en procesos quiacutemicos para producir plaacutestico yo otros
materiales uacutetiles
Dentro de los productos que se generan a partir del petroacuteleo se tienen [17]
bull Gasolinas liacutequidas (fabricadas para automoacuteviles y aviacioacuten en sus diferentes grados
queroseno diversos combustibles de turbinas de avioacuten y el gasoacuteleo entre otros)
bull Lubricantes (aceites para maquinarias aceites de motor y grasas Estos compuestos llevan
ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ignicioacuten)
bull Parafinas Es la materia prima para la elaboracioacuten de velas y similares ceras para pisos
foacutesforos papel parafinado vaselinas faacutermacos etc
bull Cloruro de polivinilo (PVC) Existen dos tipos de cloruro de polivinilo tienen alta
resistencia a la abrasioacuten y a los productos quiacutemicos Se utiliza para hacer manteles cortinas
para bantildeo muebles alambres y cables eleacutectricos Tambieacuten se utiliza para la fabricacioacuten de
riego juntas techado y botellas
10
bull Plaacutesticos pinturas barnices disolventes fertilizantes e insecticidas detergentes cauchos
artificiales negro de humo polieacutester y muchos maacutes
bull Detergentes usados para limpieza
bull Azufre subproductos de la eliminacioacuten del azufre del petroacuteleo que pueden tener hasta un
2 de azufre como compuestos de azufre El azufre y aacutecido sulfuacuterico son materiales
importantes para la industria
bull Asfalto se utiliza como aglutinante para la grava que forma de asfalto concreto que se
utiliza para la pavimentacioacuten de carreteras etc
bull Petroquiacutemicos estos pueden ser hidrocarburos olefinas o sus precursores o diversos tipos
de quiacutemicos como aromaacuteticos y tienen una gran variedad de usos Por lo general son
utilizados como monoacutemeros como disolventes como precursores de una gran variedad de
sustancias quiacutemicas y productos quiacutemicos tales como los liacutequidos limpiadores de los
vehiacuteculos surfactante de la limpieza etc [19]
114 Importancia del petroacuteleo
El petroacuteleo tiene una gran trascendencia en la gran mayoriacutea de las actividades cotidianas Del
crudo se obtiene gasolina y diesel para autos y autobuses combustible para barcos y aviones
Se usa para generar electricidad obtener energiacutea caloriacutefica para faacutebricas hospitales y oficinas
y diversos lubricantes para maquinaria y vehiacuteculos La industria petroquiacutemica usa productos
derivados de eacutel para hacer plaacutesticos fibras sinteacuteticas detergentes medicinas conservadores
de alimentos hules y agroquiacutemicos El petroacuteleo ha transformado la vida de las personas y la
economiacutea de las naciones Su descubrimiento creoacute riqueza modernidad pueblos industriales
proacutesperos y nuevos empleos motivando el crecimiento de las industrias mencionadas [19]
12 Yacimiento
11
Un yacimiento de petroacuteleo puede definirse como un volumen poroso que contiene agua
petroacuteleo y a veces una fase gaseosa La proporcioacuten volumeacutetrica del petroacuteleo puede alcanzar
a veces el 40 El medio poroso del yacimiento o roca almaceacuten es de origen sedimentario
de tipo arenisca o caliza consolidado o no El diaacutemetro de poro variacutea ampliamente seguacuten la
roca pero es de tamantildeo microscoacutepico desde algunas fracciones de miliacutemetro a algunos
microacutemetros [20]
Cada medio poroso tiene sus caracteriacutesticas porosidad el porcentaje de volumen vaciacuteo
permeabilidad una medida de la resistencia al movimiento de los fluidos mojabilidad una
medida de la naturaleza superficial de la roca
Debido a su origen sedimentario el medio poroso del yacimiento es a menudo heterogeacuteneo
como consecuencia de las variaciones ocurridas durante el largo proceso de sedimentacioacuten
que formoacute la roca Estas heterogeneidades pueden existir a la escala de los poros o bien a la
escala macroscoacutepica en forma zonas muy o poco permeables y eventualmente de grietas
Las heterogeneidades complican las operaciones de produccioacuten porque tienden a producir
caminos preferenciales y segregaciones [21]
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientos
Geoloacutegicamente los yacimientos se clasifican en estratigraacuteficos estructurales y combinados
[22]
Estratigraacuteficos lentes de arena cambios de facies calizas o dolomitas porosas
cambios de permeabilidad
Estructurales Fracturas en calizas o rocas iacutegneas discordancias fallas en areniscas
sinclinales anticlinales domos salinos etc
Combinados Hace referencia a las posibles combinaciones que se presenten entre los
dos grupos anteriores
La clasificacioacuten anterior se puede observar en la figura 12
12
Figura 12 Clasificacioacuten de yacimientos [22]
122 Condiciones de explotacioacuten
La produccioacuten de petroacuteleo involucra dos aspectos El primero es la produccioacuten uacuteltima posible
en funcioacuten de las teacutecnicas empleadas y el segundo es el ritmo de produccioacuten de acuerdo con
el comportamiento de los pozos y de los diferentes meacutetodos de estimulacioacuten aplicables
(fracturacioacuten acidificacioacuten inyeccioacuten de vapor) Tradicionalmente se hace la distincioacuten entre
dos periacuteodos durante la explotacioacuten de un yacimiento la recuperacioacuten primaria y la
recuperacioacuten secundaria Desde el aumento del precio del petroacuteleo al principio de los antildeos
70 se considera ademaacutes una eventual recuperacioacuten terciaria yo una recuperacioacuten
(secundaria) mejorada [14]
123 Recuperacioacuten primaria
Durante este periacuteodo el petroacuteleo se drena naturalmente hacia los pozos bajo el efecto del
gradiente de presioacuten existente entre el fondo de los pozos y el seno del yacimiento
En muchos yacimientos profundos la presioacuten es mayor que la presioacuten hidrostaacutetica lo que
hace que el petroacuteleo llegue a la superficie con el solo aporte energeacutetico del yacimiento A
medida que se expanden los fluidos en el yacimiento la presioacuten tiende a bajar en forma maacutes
13
o menos raacutepida seguacuten los mecanismos involucrados En ciertos casos puede existir un
mecanismo de compensacioacuten natural que reduzca notablemente la velocidad de decaimiento
de la presioacuten como la compactacioacuten de sedimento (subsidencia) la migracioacuten de un acuiacutefero
activo o la lenta expansioacuten de una bolsa de gas
Cuando el pozo no es eruptivo o cuando la presioacuten se ha reducido se necesita un aporte
externo de energiacutea para disminuir la presioacuten en fondo de pozo O bien se bombea el crudo
desde el fondo del pozo o bien se utiliza el meacutetodo del levantamiento con gas este consiste
en inyectar gas en fondo de pozo de tal forma que el fluido producido sea una mezcla de gas
y petroacuteleo de densidad suficientemente baja para llegar a la superficie bajo el efecto de la
presioacuten del yacimiento [20]
El periacuteodo de recuperacioacuten primaria tiene una duracioacuten variable pero siempre se lleva a cabo
ya que permite recoger numerosas informaciones sobre el comportamiento del yacimiento
las cuales son de primera importancia para la planificacioacuten de la explotacioacuten ulterior
La recuperacioacuten primaria se termina cuando la presioacuten del yacimiento ha bajado demasiado
o cuando se estaacuten produciendo cantidades demasiado importantes de otros fluidos (gas
agua) El porcentaje de recuperacioacuten primaria del crudo originalmente en sitio es en promedio
del orden de 10-15 pero puede ser tan bajo como 5 en yacimientos sin gas disuelto o
alcanzar 20 y auacuten maacutes en yacimientos que poseen una baja permeabilidad y una bolsa de
gas o un acuiacutefero activo
Anteriormente se explotaba el yacimiento en recuperacioacuten primaria hasta que los gastos de
explotacioacuten se vuelvan prohibitivos en cuyo momento se pasaba a los meacutetodos de
recuperacioacuten secundaria Hoy en diacutea se inician las operaciones de recuperacioacuten secundaria
mucho antes de llegar a este punto y la seleccioacuten del meacutetodo de explotacioacuten en un yacimiento
o en una parte de un yacimiento obedece a criterios de optimizacioacuten [22]
14
124 Recuperacioacuten secundaria
Los meacutetodos de recuperacioacuten secundarios consisten en inyectar dentro del yacimiento un
fluido menos costoso que el petroacuteleo para mantener un gradiente de presioacuten Estos fluidos se
inyectan por ciertos pozos (inyectores) y desplazan o arrastran una parte del petroacuteleo hacia
los otros pozos (productores) [14]
Hasta el principio de los antildeos 70 el bajo precio del crudo haciacutea que los uacutenicos fluidos
susceptibles de inyectarse econoacutemicamente eran el agua y en ciertos casos el gas natural
El drenaje por agua permite elevar la recuperacioacuten del aceite originalmente en sitio hasta un
promedio de 25-30 con variaciones desde 15 hasta 40 seguacuten los casos
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejorada
Despueacutes de las recuperaciones primaria y secundaria el yacimiento contiene todaviacutea 60-
80 (promedio 72) del crudo originalmente en sitio Esto se debe a que la eficiencia de los
meacutetodos de recuperacioacuten primaria y secundaria estaacute limitada por dos factores [14]
A la escala de los poros el crudo alcanza una saturacioacuten residual suficientemente baja
para encontrarse en forma de gloacutebulos discontinuos atrapados por las fuerzas
capilares
A la escala del yacimiento existen ciertas zonas en las cuales el fluido inyectado
durante la recuperacioacuten secundaria no penetra por la baja permeabilidad de estas
zonas porque siguen caminos preferenciales o porque la geometriacutea de implantacioacuten
de los pozos no es favorable
Entre los meacutetodos cuyo propoacutesito es mejorar la eficiencia del desplazamiento mediante una
reduccioacuten de las fuerzas capilares se pueden citar la utilizacioacuten de solventes miscibles con
el crudo y la obtencioacuten de baja tensioacuten interfacial con soluciones de surfactantes o soluciones
alcalinas Para mejorar la eficiencia de barrido se puede reducir la viscosidad del crudo
mediante calentamiento aumentar la viscosidad del agua con poliacutemeros hidrosolubles o
taponar los caminos preferenciales por ejemplo con espumas [21]
15
Los meacutetodos actualmente propuestos para la recuperacioacuten mejorada involucran uno o varios
de estos aspectos En lo que se refiere a la utilizacioacuten de surfactantes se destacan los
siguientes
Drenaje miscible con microemulsiones
Drenaje inmiscible con soluciones de surfactantes y poliacutemeros (y a veces aacutelcali)
Inyeccioacuten de vapor con surfactante ndash espumas
126 Generalidades de pozos
La estimulacioacuten de pozos se utiliza para mejorar la productividad de pozos petroleros Esto
se logra inyectando fluidos al pozo y dependiendo del gasto y presioacuten de inyeccioacuten
alcanzada seraacute el tipo de estimulacioacuten realizada Para aumentar la produccioacuten de un pozo se
debe tratar la roca situada en la cercaniacutea para aumentar su permeabilidad esto se debe a que
la geometriacutea ciliacutendrica del pozo produce una mayor resistencia al flujo en la vecindad del
mismo Existen esencialmente dos meacutetodos de estimulacioacuten que pueden emplearse solos o
juntos la fracturacioacuten y la acidificacioacuten [23]
En ambos tipos de procesos se usan surfactantes como dispersantes de partiacuteculas finas (alquil
fenoles y alquil amonios etoxilados) y como inhibidores de corrosioacuten (alquilpiridinios)
En el proceso de fracturacioacuten se inyecta bajo alta presioacuten una mezcla de agua y de arena La
arena penetra en las fracturas producidas e impide que se vuelvan a cerrar cuando la presioacuten
retorna a lo normal
En la acidificacioacuten se inyecta una solucioacuten aacutecida (HCl HF) extremadamente corrosiva para
los metales pero capaz de disolver la roca almaceacuten (carbonato siacutelica) Se usan alquil
piridinios como inhibidores de corrosioacuten alquil fenoles etoxilados como humectantes y
alquil amonios etoxilados como dispersantes de partiacuteculas finas
A menudo en presencia de carbonatos se desea retardar la acidificacioacuten para que el fluido
aacutecido pueda penetrar a cierta distancia del pozo antes de reaccionar con la roca
Uno de los meacutetodos de retardacioacuten consiste en emulsionar la fase acuosa aacutecida en queroseno
en forma WO Para tales emulsiones se usan sulfonatos de petroacuteleo o sales de aacutecidos
16
carboxiacutelicos por la interaccioacuten que presentan los grupos ldquosulfatordquo con los hidrocarburos [22]
Siendo el queroseno la fase continua el contacto aacutecido-roca no se produce inmediatamente
y la emulsioacuten puede penetrar a varios metros del pozo antes de que se consuma todo el aacutecido
obseacutervese en la figura 13
Figura 13 Acidificacioacuten controlada mediante la inyeccioacuten de una emulsioacuten de aacutecido en
queroseno [23]
Otro meacutetodo de retardacioacuten consiste en inyectar nitroacutegeno con la solucioacuten aacutecida la cual
contiene agentes espumantes como alquil eacutester sulfatos surfactantes etoxilados y a veces
surfactantes fluorocarbonados La espuma formada juega dos papeles de una parte reduce el
contacto entre el aacutecido y la roca y por lo tanto reduce la velocidad de ataque Por otra parte
tienen tendencia en llenar las fracturas y taponarlas (efecto Jamin) lo que obliga al aacutecido a
penetrar en la zonas de baja permeabilidad (figura 14)
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumas
Sin embargo estos dos uacuteltimos meacutetodos deben emplearse con cierto cuidado para evitar el
taponamiento del pozo con emulsiones o espumas debido a la presioacuten con la que actuacutean en
17
el mismo sistema lo que puede luego tener un efecto desfavorable sobre la produccioacuten[22]
Despueacutes de la acidificacioacuten se pone el pozo en produccioacuten para eliminar el residuo de aacutecido
y las partiacuteculas finas producidas por la desagregacioacuten de la roca Es en esta etapa que se
requieren agentes dispersantes
Ciertos meacutetodos de estimulacioacuten consisten en inyectar surfactantes para bien sea cambiar la
mojabilidad de la roca de mojable por el agua a mojable por el aceite bien sea desplazar
el crudo atrapado en la cercaniacutea del pozo Tales meacutetodos se usan para estimular pozos que
han dejado de producir por cierto tiempo o que han sufrido un dantildeo
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluido
131 Porosidad
Es el volumen de huecos de la roca y define la capacidad de eacutesta para almacenar fluidos Se
expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca
(porosidad total o bruta) [24]
Tipos de Porosidad
Absoluta La porosidad absoluta se considera como el volumen poroso total (esteacuten o
no interconectados)
Efectiva La porosidad efectiva se refiere al porcentaje de poros interconectados que
permiten la circulacioacuten de fluidos
No efectiva Representa la diferencia entre las porosidades anteriores es decir la
porosidad absoluta y la efectiva
132 Permeabilidad
18
La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo
atraviese sin alterar su estructura interna Se afirma que un material es permeable si deja
pasar a traveacutes de eacutel una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado e impermeable si la
cantidad de fluido es despreciable Se define con la ecuacioacuten de Darcy [14]
119876 =119870119860
120583
119889119875
119889119905 119910 119870 =
119876120583
119860 119889119897
119889119875 (1)
Doacutende
A Aacuterea de flujo (cm2)
Q Gasto (cm3 s-1)
dP Diferencia de presiones a la entrada y salida del permeaacutemetro (kPa)
dl Longitud del medio poroso (cm)
micro Viscosidad del fluido (cP)
K Velocidad de filtracioacuten (m s-1)
Si el fluido es homogeacuteneo y no produce ninguna accioacuten importante sobre la roca se habla
de permeabilidad absoluta pero si en la roca existen varios fluidos como es el caso de un
yacimiento petroliacutefero en el que se puede tener petroacuteleo agua y gas se producen
interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los
fluidos
La permeabilidad relativa corresponde a la relacioacuten entre permeabilidad absoluta y efectiva
Para un fluido dado variacutea en funcioacuten directa con la saturacioacuten de ese fluido en la roca y se
expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro
133 Tortuosidad
19
Una medida de la complejidad geomeacutetrica de un medio poroso La tortuosidad es una relacioacuten
que caracteriza los trayectos de la difusioacuten del fluido y la conduccioacuten eleacutectrica a traveacutes de los
medios porosos En mecaacutenica de fluidos de los medios porosos la tortuosidad es la relacioacuten
del largo de la corriente natural de un fluido (una liacutenea o trayecto de flujo) entre dos puntos
y la distancia en liacutenea recta entre esos puntos Por consiguiente la tortuosidad se relaciona
con la relacioacuten entre el coeficiente de difusioacuten de un fluido cuando no estaacute confinado por un
medio poroso y su coeficiente de difusioacuten efectivo cuando estaacute confinado en un medio poroso
[22] Este paraacutemetro es calculado con la ecuacioacuten 2
119879 =119871119864
119871 ( 2)
Doacutende
L es la longitud de la muestra de roca (cm)
LE es la longitud de la trayectoria de difusioacuten del fluido sobre la muestra (cm)
El flujo de fluidos a traveacutes de medios porosos estaacute fuertemente afectado por fenoacutemenos de
superficie los cuales representan fuerzas retentivas de fluidos en el medio poroso La accioacuten
de la estimulacioacuten matricial no reactiva concierne principalmente a la alteracioacuten de estas
fuerzas retentivas manifiestas en los fenoacutemenos de tensioacuten superficial mojabilidad y
capilaridad [20]
134 Tensioacuten Superficial e Interfacial
La materia en sus diferentes estados (soacutelido liacutequido y gaseoso) estaacute compuesta de moleacuteculas
las cuales presentan una atraccioacuten llamada fuerza de cohesioacuten Esta fuerza es una
combinacioacuten de fuerzas electrostaacuteticas y de Van der Waals [21] Naturalmente estas fuerzas
son de diferente magnitud dependiendo del estado de la materia Por ejemplo en el seno de
un liacutequido una moleacutecula es rodeada por moleacuteculas similares ejerciendo unas con otras
fuerzas iguales de atraccioacuten por lo que eacutestas se encuentran balanceadas tal como se muestra
en la figura 15
20
15 Representacioacuten de fuerzas intermoleculares en un sistema bifaacutesico (soacutelido-liacutequido)
En la interfase entre un liacutequido y un soacutelido o entre un liacutequido y un gas estas fuerzas son
desequilibradas causando que exista una resultante en la interfase con ello se crea una
energiacutea libre de superficie En la misma figura 15 se observa la fuerza resultante en la
interfase del sistema denotada con el teacutermino FR cuyo valor representa la tensioacuten que existe
entre las moleacuteculas de las fase liquida y gaseosa
Esta fuerza seraacute mayor entre mayores sean las fuerzas de atraccioacuten de las moleacuteculas del
liacutequido Si se deseara romper esta superficie se tendriacutea que realizar un trabajo por unidad de
aacuterea equivalente a vencer la energiacutea libre de superficie Este trabajo por unidad de aacuterea se
denomina tensioacuten superficial y su valor especiacutefico para cada liacutequido depende
principalmente de la temperatura y presioacuten a las cuales se encuentre
Para medir la tensioacuten superficial se utilizan varios meacutetodos de los cuales el maacutes utilizado es
el meacutetodo de Du Nouumly Este procedimiento consiste en colocar en el liacutequido un arillo de
platino y llevarlo hasta la interfase midiendo la fuerza necesaria con la que el anillo rompe
la superficie La tensioacuten superficial generalmente se da en dina cm-1 Para el agua a
21
condiciones estaacutendar la tensioacuten superficial es de 72 dina cm-1 para el benceno es de 29 dina
cm-1 [19]
En 1905 Young mostroacute que las propiedades mecaacutenicas de la energiacutea libre de superficie
podriacutean relacionarse con una membrana hipoteacutetica en la superficie Usando en concepto de
tensioacuten superficial Young fue capaz de derivar expliacutecitamente la condicioacuten de equilibrio
mecaacutenico de una superficie curva entre dos fases [21] La ecuacioacuten de Young se expresa en la
ecuacioacuten 3
119875primeprime minus 119875prime =2120590
119903 (3)
Doacutende
Pacute Presioacuten en la fase externa (kPa)
Pacuteacute Presioacuten en la fase interna (kPa)
σ Tensioacuten Superficial (Erg)
r Radio de curvatura (cm)
Si un liacutequido estaacute en contacto con otra sustancia (gas soacutelido u otros liacutequidos inmiscibles) hay
una energiacutea libre interfacial Esto significa que se tiene que realizar cierta cantidad de trabajo
con el fin de separar ambos medios Los dos principales paraacutemetros que afectan a la magnitud
de la tensioacuten superficial son la temperatura y la composicioacuten quiacutemica de las fases La
variacioacuten de la tensioacuten superficial liacutequido-vapor (γLG) usualmente sigue una relacioacuten lineal
seguacuten la expresioacuten [15]
120574119871119866 = 1205740 + (∆120575119871119866
∆119879) (119879 minus 119879119898) (4)
Doacutende
γLG Tensioacuten interfacial liquido-gas (dina cm-1)
γ0 Tensioacuten superficial del liacutequido (dina cm-1)
ΔδLG Diferencia de densidad entre fase liacutequida y fase gaseosa (kg m-3)
22
ΔT Diferencia de temperaturas
T Temperatura del sistema (degC)
Tm Temperatura media (degC)
En general la tensioacuten superficial para metales fundidos disminuye con el incremento de la
temperatura (dγLGdT) lt 0 ya que las fuerzas de cohesioacuten disminuyen al aumentar la
agitacioacuten teacutermica La influencia del medio exterior se debe a que las moleacuteculas del medio
ejercen acciones atractivas sobre las moleacuteculas situadas en la superficie del liacutequido
contrarrestando las acciones de las moleacuteculas del interior del liacutequido
La medida de la tensioacuten superficial en soacutelidos policristalinos es compleja comparada con la
medida de γLG y en consecuencia los datos experimentales son difiacutecilmente fiables Se han
desarrollado modelos teoacutericos para predecir γSG pero con un eacutexito limitado Por otro lado la
tensioacuten γSL no puede ser medida directamente soacutelo puede predecirse con la ayuda de modelos
teoacutericos [19] El uso de la ecuacioacuten 5 para determinar el trabajo de adherencia (conociendo
previamente γLG o midieacutendolo simultaacuteneamente con θ) es una de las praacutecticas maacutes habituales
para investigar la mojabilidad de soacutelidos por metales liacutequidos
119882119886 = 120574119871119866(1 + 119888119900119904120579)
Donde
Wa Mojabilidad
γLG= Tensioacuten interfacial (dina cm-1)
θ= Angulo de contacto (deg)
135 Mojabilidad
23
La mojabilidad es uno de los fenoacutemenos de superficie y representa la interaccioacuten soacutelidondash
liacutequido este paraacutemetro depende de las fuerzas intermoleculares de los materiales en contacto
la fuerza de adhesioacuten entre el liacutequido y el soacutelido provoca que el liacutequido se extienda por la
superficie mientras que la de cohesioacuten del liacutequido hacen que eacuteste se abulte y tienda a evitarla
Es claro que tambieacuten estaacute muy relacionada con la capilaridad porque algunas sustancias
disueltas en el agua pueden modificar su tensioacuten superficial y por lo tanto su mojabilidad [14]
El aacutengulo de contacto ϴ es el aacutengulo que forma el liacutequido respecto a la superficie de contacto
con el soacutelido y estaacute determinado por la resultante de las fuerzas adhesivas y cohesivas Como
la tendencia de una gota a expandirse en una superficie plana aumenta con la disminucioacuten
del aacutengulo de contacto este aacutengulo proporciona una medida inversa de la mojabilidad [25]
Un aacutengulo de contacto pequentildeo (lt 90deg) indica que la mojabilidad es muy alta y el fluido se
extenderaacute sobre la superficie aacutengulos de contacto grandes (gt 90deg) significan que la
mojabilidad es baja y el fluido disminuiraacute el contacto con la superficie formando una gota
compacta este efecto puede observarse en las figuras 6a 6b y 6c Cuantitativamente la
mojabilidad se define como el producto de la tensioacuten superficial por el aacutengulo de contacto
esto es
119882119886 = 120590119888119900119904120579 (5)
Figura 16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidad [25]
El fenoacutemeno de mojabilidad es de gran importancia para el flujo de aceite en un medio
poroso Se ha demostrado que si la roca se encuentra mojada por agua la permeabilidad al
a) b) c)
24
aceite es muy superior al caso en que la roca se encuentre mojada por aceite lo cual favorece
la recuperacioacuten del aceite contenido en el yacimiento [26]
136 Capilaridad
La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de adsorber a otra Sucede cuando las
fuerzas intermoleculares adhesivas entre el liacutequido y el soacutelido son mayores que las fuerzas
intermoleculares cohesivas del liacutequido Cuando un liacutequido sube por un tubo capilar es debido
a la cohesioacuten intermolecular entre sus moleacuteculas es menor que la adhesioacuten del liacutequido con el
material del tubo es decir es un liacutequido que moja El liacutequido sigue subiendo hasta que la
tensioacuten superficial es equilibrada por el peso del liacutequido que llena el tubo
Al sumergir un tubo de vidrio capilar en agua eacutesta se elevaraacute en el tubo como se muestra en
la figura 17 en este caso se define como presioacuten capilar la diferencia de presiones en la
interfase [5]
Figura 17 Efecto de la capilaridad [5]
La presioacuten capilar seraacute la fuerza requerida para soportar la columna de agua en el tubo
dividida entre el aacuterea del capilar se explica con la ecuacioacuten 6
119875119862 = 120588119892ℎ119888 (6)
Doacutende
25
Pc Presioacuten capilar (N m-2)
ρ Densidad (kg m-3)
g Aceleracioacuten de la gravedad (981 m s-2)
hc Altura de la columna (m)
137 Adsorcioacuten
La adsorcioacuten es un proceso de separacioacuten y concentracioacuten de uno o maacutes componentes de un
sistema sobre una superficie soacutelida o liacutequida Los distintos sistemas heterogeacuteneos en los que
puede tener lugar la adsorcioacuten son soacutelido-liacutequido soacutelido-gas y liacutequido-gas Como en otros
procesos de este tipo los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases
La adsorcioacuten es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra
sobre la superficie de otra fase (generalmente soacutelida) Por ello se considera como un
fenoacutemeno subsuperficial La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama
adsorbato y la fase impregnada se llama adsorbente [21] Lo anterior se muestra en la
figura 18
Figura 18 Proceso de adsorcioacuten
1371 Tipos de adsorcioacuten
Cabe distinguir tres tipos de adsorcioacuten seguacuten sea la atraccioacuten entre el soluto y el adsorbente
sea de tipo eleacutectrico de Van der Waals (o Fiacutesica) o de naturaleza quiacutemica [23]
26
Eleacutectrica Cae de lleno dentro del intercambio ioacutenico y a menudo se le llama
adsorcioacuten por intercambio que es un proceso mediante el cual los iones de una
sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atraccioacuten electrostaacutetica
en los lugares cargados de la superficie Para dos absorbatos ioacutenicos posibles a
igualdad de otros factores la carga del ioacuten es el factor determinante en la adsorcioacuten
de intercambio Para iones de igual carga el tamantildeo molecular (radio de solvatacioacuten)
determina el orden de preferencia para la adsorcioacuten (figura 19)
Figura 19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectrica
Fiacutesica La adsorcioacuten que tiene lugar debido a las fuerzas de Van der Waals se llama
generalmente adsorcioacuten fiacutesica En este caso la moleacutecula adsorbida no estaacute fija en un
lugar especiacutefico de la superficie sino maacutes bien estaacute libre de trasladarse dentro de la
interfase Esta adsorcioacuten en general predomina a temperaturas bajas El aumento de
la temperatura disminuye considerablemente la adsorcioacuten (figura 110)
No se produce adsorcioacuten a temperaturas superiores a la temperatura criacutetica del
adsorbato gaseoso si la presioacuten del gas tiene valores cercanos a la presioacuten de vapor
de equilibrio para el adsorbato liacutequido se produciraacute una adsorcioacuten maacutes extensa en
capas muacuteltiples
27
Figura 110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesica
Quiacutemica Si el adsorbato sufre una interaccioacuten quiacutemica con el adsorbente el
fenoacutemeno se llama adsorcioacuten quiacutemica adsorcioacuten activa o quimisorcioacuten Las energiacuteas
de adsorcioacuten son elevadas del orden de las de un enlace quiacutemico debido a que el
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente Esta adsorcioacuten suele estar favorecida a una temperatura elevada [17]
(figura 111)
Figura 111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemica
La mayor parte de los fenoacutemenos de adsorcioacuten son combinaciones de las tres formas de
adsorcioacuten y de hecho no es faacutecil distinguir entre adsorcioacuten fiacutesica y quiacutemica
28
14 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten es el proceso en donde un fluido que satura un medio capilar es desplazado
por otro fluido Eacutesta es espontaacutenea cuando el fluido desplazante penetra el medio capilar
uacutenicamente bajo la accioacuten de las fuerzas capilares Las muestras de roca que imbiben
uacutenicamente agua se dice que son mojadas por agua de igual manera las que lo hacen con el
aceite son mojadas por aceite [10]
La imbibicioacuten es importante en un yacimiento que produce por mecanismos de empuje de
agua porque puede favorecer u obstruir el movimiento del agua afectando el aacuterea del barrido
Una prueba de imbibicioacuten es una comparacioacuten del potencial de imbibicioacuten del petroacuteleo y del
agua en una roca tal como se muestra en la figura 112 La mojabilidad de la roca es
determinada por la fase que maacutes absorbe
Figura 112 Celda de imbibicioacuten espontanea [10]
141 Interaccioacuten roca-fluido
29
La mojabilidad es muy importante en los procesos de recuperacioacuten de aceite debido al fuerte
efecto que eacutesta ejerce en la distribucioacuten localizacioacuten y flujo de aceite y agua dentro del
yacimiento durante la produccioacuten
Generalmente se asume que los yacimientos de aceite fueron creados por la acumulacioacuten de
hidrocarburos en rocas que originalmente conteniacutean agua y por ello se deduce que las rocas
de todos los yacimientos fueron originalmente mojadas por agua [23]
Asimismo existen casos aislados en los cuales despueacutes de haberse hecho pruebas se
descubrioacute que algunos yacimientos eran originalmente mojados por aceite Principalmente
los asfaltenos pesados y las fracciones de resina del aceite crudo son capaces de alterar por
adsorcioacuten la mojabilidad de una caliza mojada originalmente por agua a una mojada por
aceite en su superficie Los componentes maacutes importantes en el aceite crudo responsables
del cambio de mojabilidad son aquellos que contienen grupos cargados como un aacutecido o una
base
Las rocas carbonatadas usualmente llevan cargan positivas en la superficie y tienen una
afinidad mayor por los componentes aacutecidos del aceite crudo En el caso de las areniscas cuya
carga de superficie es negativa se tiene una mayor atraccioacuten por los componentes baacutesicos
del aceite crudo [10] La figura 113 es una representacioacuten esquemaacutetica de coacutemo las partes
aacutecidas del aceite se adsorben sobre la superficie de la caliza generando un estado maacutes mojado
por aceite
Figura 113 Esquema de las partes aacutecidas del aceite crudo sobre una superficie de roca
carbonatada
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacutenea
30
La comprensioacuten de los mecanismos detraacutes de la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes
puede mejorar el desempentildeo y aplicacioacuten del producto en operaciones de campo
Diversos investigadores notaron que para cada tipo de roca la efectividad de la alteracioacuten de
la mojabilidad depende de la naturaleza ioacutenica del surfactante empleado En nuacutecleos de
calizas mojadas por aceite Austad [19] observoacute que surfactantes catioacutenicos funcionaron
mejor que surfactantes anioacutenicos en el cambio de mojabilidad hacia un estado maacutes mojado
por agua Pensaron que para los surfactantes catioacutenicos el mecanismo responsable de la
alteracioacuten de la mojabilidad en una roca carbonatada mojada por aceite era la formacioacuten de
ion-par entre las cabezas catioacutenicas de las moleacuteculas de surfactante y los componentes aacutecidos
del aceite crudo adsorbidos en la superficie de la roca carbonatada
La formacioacuten del ioacuten-par puede remover la capa de aceite crudo adsorbida sobre la superficie
de la roca logrando exponer la superficie de la roca carbonatada originalmente mojada por
agua En cambio las moleacuteculas de los surfactantes anioacutenicos forman una capa en la
superficie de la roca carbonatada a traveacutes de la interaccioacuten hidrofoacutebica de las colas del
surfactante en la superficie La capa de surfactantes adsorbidos con los grupos de cabezas
hidrofiacutelicas cubriendo la roca originalmente mojada por aceite pueden cambiar la
mojabilidad del medio poroso a uno maacutes mojado por agua En este caso las interacciones
hidrofoacutebicas son mucho maacutes deacutebiles que las interacciones ioacuten-par explicando por queacute los
surfactantes catioacutenicos funcionan mejor que los anioacutenicos en la alteracioacuten de mojabilidad en
rocas carbonatadas hacia un estado maacutes mojado por agua Esas pruebas e hipoacutetesis fueron el
comienzo de un estudio que otros investigadores culminaron en un estudio de la mecaacutenica de
la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes [19]
143 Cambio de mojabilidad por el ioacuten-par
31
La formacioacuten del ioacuten-par es influenciado principalmente por interacciones electrostaacuteticas
entre las cabezas hidrofiacutelicas de los surfactantes y estabilizada por interacciones de las
secciones hidrofoacutebicas de la moleacutecula de surfactante Como se muestra en la figura 114 la
formacioacuten de iones-par remueve los componentes del aceite crudo adsorbido sobre la
superficie de la roca dando lugar a la cara originalmente mojada por agua [23]
Figura 114 Modelo esquemaacutetico del cambio de mojabilidad con la aplicacioacuten de
surfactantes
Los iones-par formados durante el proceso no son solubles en agua y por ello se mueven
raacutepidamente dentro de la fase aguaaceite hacia la fase aceite dejando las moleacuteculas de
surfactante libres en la fase agua para asociarse con los componentes del aceite adsorbidos
en la superficie de la roca (figura 114) De esta manera el surfactante cambia
satisfactoriamente la mojabilidad de la superficie de la roca a un estado maacutes mojado por agua
15 Surfactantes
Tambieacuten llamados agentes tensoactivos son moleacuteculas que poseen una doble afinidad
quiacutemica debido a su estructura de tipo polar-apolar Un surfactante o agente superficialmente
activo es una especie quiacutemica que es activa en la interfase entre dos fases como un
detergente que es activo en la interfase entre las fases hidroacutefila e hidroacutefoba El detergente se
acumula en la interfase y modifica la tensioacuten superficial La tensioacuten superficial disminuye
cuando un soluto se acumula en la interfase siendo el soluto en este caso el agente
tensoactivo [21] Su representacioacuten claacutesica se indica en la Figura 115
32
115 Representacioacuten de una moleacutecula surfactante
La parte polar o hidrofiacutelica es un grupo funcional ioacutenico o no ioacutenico generalmente constituida
por heteroaacutetomos como oxiacutegeno azufre nitroacutegeno y foacutesforo que permiten un alto grado de
solubilidad en solventes polares particularmente en agua La parte apolar o lipofiacutelica
generalmente es una cadena hidrocarbonada de tipo alquil o alquilbenceno con presencia en
ciertos casos de aacutetomos de un haloacutegeno u oxiacutegeno la cual es soluble en solventes orgaacutenicos
no polares particularmente hidrocarburos aceites y grasas Debido a esta dualidad polar-
apolar una moleacutecula de surfactante tiene tendencia a migrar a una intercara o una superficie
con la finalidad de satisfacer sus dos tipos de afinidad Sin embargo no todas las sustancias
anfifiacutelicas poseen esta propiedad [14]
151 Clasificacioacuten de los surfactantes
Debido a que la accioacuten de los surfactantes depende principalmente de fuerzas electrostaacuteticas
eacutestos se clasifican de acuerdo a la naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua Los
surfactantes se dividen en anioacutenicos catioacutenicos no ioacutenicos y zwitterioacutenicos (anfoteacutericos)
La tabla 13 muestra su clasificacioacuten incluyendo su descripcioacuten esquemaacutetica las
caracteriacutesticas de carga del grupo soluble en agua los grupos quiacutemicos maacutes importantes y
sus usos principales
La naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua se usa para clasificar los surfactantes en
cuatro clases
33
Tabla 13 Clasificacioacuten de Surfactantes
Clasificacioacuten Descripcioacuten Carga del grupo
soluble en agua
Grupos Quiacutemicos Usos
Anioacutenicos M+ + Negativa Sulfonatos
Sulfatos
Fosfatos
Fosfonatos
No
emulsificantes
Retardadores
Limpiadores
Catioacutenicos X- - Positiva Grupos aminos No
emulsificantes
Inhibidores de
corrosioacuten
No ioacutenicos XxR Sin Carga Alcoholes
Alquilfenoles
Esteres
Eteres
Amidas
Etileno
No
emulsificantes
Espumantes
Inhibidores de
corrosioacuten
Zwitterioacutenicos M+ X- Posee ambas
cargas
Dodedil amino
aacutecido propionico
Inhibidores de
corrosioacuten
Los surfactantes anioacutenicos se disocian en un anioacuten anfiacutefilo y un catioacuten el cual es en general
un metal alcalino o un grupo alquiacutelico A este tipo pertenecen los detergentes sinteacuteticos como
los alquil benceno sulfonatos los jabones (sales de sodio de aacutecidos grasos) los agentes
espumantes como el lauril sulfato los humectantes del tipo sulfosuccinato los dispersantes
del tipo lignosulfonatos etc La produccioacuten de los surfactantes anioacutenicos representa
alrededor del 55 de los surfactantes producidos anualmente en el mundo FIRP 303
Los surfactantes no ioacutenicos estaacuten en el segundo rango por orden de importancia con un poco
menos del 40 del total En solucioacuten acuosa no se ionizan puesto que ellos poseen grupos
hidroacutefilos del tipo alcohol fenol eacutester eacuteter o amida Una alta proporcioacuten de estos
surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofiacutelicos gracias a la presencia de una cadena
polieacuteter del tipo polioacutexido de etileno El grupo hidroacutefobo es generalmente un radical alquilo
o alquil benceno y a veces una estructura de origen natural como un aacutecido graso sobre todo
cuando se requiere una baja toxicidad
34
Los surfactantes catioacutenicos se disocian en solucioacuten acuosa en un catioacuten orgaacutenico anfiacutefilo y
un anioacuten generalmente del tipo halogenuro La gran mayoriacutea de estos surfactantes son
compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario La fabricacioacuten
de estos surfactantes es mucho maacutes cara que la de los anteriores y es por esta razoacuten que no
se les utilizan salvo en caso de aplicacioacuten particular como cuando se hace uso de sus
propiedades bactericidas o de su facilidad de adsorcioacuten sobre sustratos bioloacutegicos o inertes
que poseen una carga negativa
Esta uacuteltima propiedad hace que sean excelentes agentes antiestaacuteticos hidrofobantes asiacute
como inhibidores de corrosioacuten [24] y puedan ser utilizados tanto en productos industriales
como para uso domeacutestico
La combinacioacuten dentro de una misma moleacutecula de dos caracteres anioacutenico y catioacutenico
producen un surfactante llamado anfoacutetero o zwitterioacutenico como por ejemplo los
aminoaacutecidos las betaiacutenas o los fosfoliacutepidos ciertos anfoacuteteros son insensibles al pH otros
son de tipo catioacutenico a pH aacutecido y de tipo anioacutenico a pH alto Los anfoacuteteros son en general
tan caros como los catioacutenicos y por esta razoacuten su utilizacioacuten se reduce a aplicaciones
particulares
152 Propiedades de los surfactantes
Los surfactantes poseen dos propiedades fundamentales que permiten explicar las
caracteriacutesticas de su utilizacioacuten actividad superficial o interfacial adsorcioacuten y asociacioacuten
micelar
1511 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacuten
Cuando un surfactante estaacute presente a baja concentracioacuten en un sistema tiene la propiedad
de adsorberse en la superficie (liacutequido-gas) o en la cara interfacial (liacutequido-liacutequido) del
sistema Este fenoacutemeno que es debido a sus caracteriacutesticas anfifiacutelicas provoca una
disminucioacuten notable de la energiacutea libre superficial o interfacial
35
La energiacutea libre de la moleacutecula en la cara interfacial es inferior a la de la moleacutecula
solubilizada en la fase acuosa por tanto la transferencia desde el seno de la fase hacia la cara
interfacial llamada adsorcioacuten se realiza de manera espontaacutenea
La disminucioacuten de la tensioacuten interfacial provocada por la adsorcioacuten del surfactante favorece
la deformacioacuten y la ruptura de la cara interfacial la formacioacuten de sistemas dispersos como
las emulsiones y las espumas la movilizacioacuten del petroacuteleo residual en pozos entre otros [26]
1512 Micelas y asociacioacuten micelar
En soluciones diluidas el surfactante se encuentra en el seno del liacutequido bajo la forma de
solucioacuten molecular A partir de cierta concentracioacuten llamada concentracioacuten micelar criacutetica
(CMC) la fase acuosa se satura y la adicioacuten de maacutes moleacuteculas de surfactante provoca la
formacioacuten de agregados de tipo coloidal llamadas micelas [21]
Estos agregados pueden reunir entre decenas y centenas de moleacuteculas y su dimensioacuten y
estructura dependen de la estructura y del ambiente fisicoquiacutemico del surfactante La
tendencia liofoacutebica de una parte de la moleacutecula surfactante es el principal promotor de la
formacioacuten de las micelas en las cuales el surfactante alcanza una posicioacuten favorable para
satisfacer su doble afinidad
Generalmente se presenta a una micela como una entidad estaacutetica sin embargo las micelas
son agregados moleculares en equilibrio dinaacutemico con las moleacuteculas de surfactante dispersas
en el disolvente [19] De hecho se puede citar que ocurren dos procesos baacutesicos i) intercambio
de las micelas con las moleacuteculas de surfactante en el disolvente y con otras micelas que
ocurre en microsegundos o milisegundos y ii) la renovacioacuten real de una micela completa por
este proceso (de milisegundos a segundos)
Cuando el medio continuo estaacute formado por una sustancia no polar (denominado
geneacutericamente aceite aunque su estructura quiacutemica no corresponda a este nombre) se
forman las llamadas micelas inversas Ahora las cabezas polares estaacuten orientadas hacia el
interior de la micela y estaacuten en contacto con agua o alguna otra sustancia polar mientras que
las colas hidrocarbonadas se dirigen hacia el exterior de la micela (en contacto con el
36
disolvente apolar) como se muestra en la figura 116 Estos sistemas son mucho maacutes
complejos que los formados por las micelas normales tienen valores propios para la CMC y
nuacutemero de agregacioacuten aunque su tamantildeo y forma es similar al de las micelas normales
Figura 116 Tipos de micela A) micela normal B) micela inversa
El tamantildeo de una micela esfeacuterica estaacute determinado por el equilibrio entre las fuerzas de
atraccioacuten entre las colas hidrocarbonadas entre siacute (realmente se debe a que las moleacuteculas de
agua tienden a expulsar a las moleacuteculas hidrofoacutebicas de su contacto) y las fuerzas de repulsioacuten
electrostaacutetica de las cabezas polares (ayudada por efectos esteacutericos y de hidratacioacuten)
Mediante estudios de difraccioacuten de neutrones a aacutengulo pequentildeo se ha determinado la
estructura de una micela esfeacuterica el nuacutecleo es hidrocarbonado los grupos polares junto con
algunos contraiones (iones de carga opuesta al de la cabeza polar del surfactante) constituyen
la capa ioacutenica de Stern con un espesor de 02 a 04 nm y una capa difusa de Gouy-Chapman
mostrado en la figura 117
37
Figura 117 Comportamiento estaacutetico micelar
A concentraciones de surfactante ligeramente mayores que la CMC las micelas son esfeacutericas
al aumentar la concentracioacuten ciertas propiedades de la disolucioacuten indican un cambio en la
estructura de los agregados micelares Esto se debe probablemente a interacciones entre las
micelas Incrementando la concentracioacuten las micelas adoptan formas ciliacutendricas o lamelares
o en algunos casos de discos A concentraciones superiores pueden ocurrir transiciones de
fase de solucioacuten micelar a cristales liacutequidos
Algunas de las caracteriacutesticas que hacen atractivas a las micelas para aplicaciones analiacuteticas
son la existencia de la capa ioacutenica de Stern (en micelas ioacutenicas) la orientacioacuten anisotroacutepica
(o grado de ordenamiento) del nuacutecleo de la micela el ordenamiento de la interfaz micelar
debido a la carga y a las interacciones con el disolvente y a la diferencia de polaridad entre
el disolvente y el interior micelar
Muchas propiedades fiacutesicas de las soluciones de surfactante (conductividad tensioacuten
superficial densidad etc) cambian de manera notable en la CMC Comuacutenmente la CMC se
obtiene por la interseccioacuten de dos curvas que representan una propiedad fiacutesica determinada
de la solucioacuten una curva representa la propiedad fiacutesica a concentraciones inferiores a la CMC
y la otra representa la propiedad fiacutesica a concentraciones superiores [10]
38
16 Emulsiones
Las emulsiones son sistemas dispersos constituidos por dos liacutequidos inmiscibles en los cuales
la fase en suspensioacuten (fase interna o dispersa) se encuentra en forma de pequentildeas gotas
contenida en la fase externa (fase continua o dispersante) como se muestra en la figura 118
La estructura de las emulsiones estaacute estabilizada por un agente surfactante llamado
emulsionante Por definicioacuten una emulsioacuten es un sistema termodinaacutemicamente inestable y
tarde o temprano debe separarse en sus dos fases [19]
Figura 118 Micrografiacutea de una emulsioacuten WO
La nocioacuten de estabilidad es por supuesto relativa pero se refiere a una casi ausencia de
cambio durante un periacuteodo de tiempo suficientemente largo para el propoacutesito de la aplicacioacuten
praacutectica lo cual puede variar de algunos minutos a algunos antildeos
Las cantidades relativas de fase dispersa y fase continua (referidas tambieacuten como fase interna
y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades Por debajo de 20 de fase
interna se habla de una emulsioacuten de bajo contenido de fase interna En tales emulsiones se
puede considerar que hay poca interaccioacuten de las gotas entre siacute
39
161 Tipos de emulsiones
En la mayoriacutea de los casos en los cuales se hace una emulsioacuten con dos liacutequidos
inmiscibles uno de los liacutequidos es una fase acuosa y el otro una fase aceite u orgaacutenica Se
usan las abreviaturas O para el aceite y W para el agua siguiendo la nomenclatura
anglosajona Las emulsiones se clasifican [26]
Aceite en agua (OW) Esta emulsioacuten contiene gotas de aceite dispersadas en agua
es la emulsioacuten normal para todas las aplicaciones con excepcioacuten de la produccioacuten de
petroacuteleo en la cual se denomina emulsioacuten inversa
Agua en aceite (WO) En esta emulsioacuten la fase dispersa es el agua mientras que la
continua es el aceite esta es la emulsioacuten normal en la industria petrolera y la inversa
para todas las demaacutes aplicaciones
Agua en aceite en agua (WOW) Cuando las gotas de aceite de una emulsioacuten OW
contienen en su interior gotitas de agua se dice que se tiene una emulsioacuten muacuteltiple
del tipo WOW Las emulsiones muacuteltiples se encuentran en forma espontaacutenea en
ciertas circunstancias o pueden prepararse al propoacutesito
Aceite en agua en aceite (OWO) Este tipo de emulsioacuten no se encuentra con
frecuencia y estaacute constituida por una fase continua de aceite con gotas dispersas de
agua en su interior las cuales a su vez contienen pequentildeiacutesimas gotas de la fase
aceitosa
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleo
Durante las operaciones de extraccioacuten del petroacuteleo la mezcla bifaacutesica de petroacuteleo y agua se
desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden de 1 piediacutea lo que es insuficiente
para que se forme una emulsioacuten Sin embargo al pasar por todo el aparataje de produccioacuten
durante el levantamiento y el transporte en superficie (bombas vaacutelvulas codos restricciones
etc) se produce la agitacioacuten suficiente para que el agua se disperse en el petroacuteleo en forma
de emulsioacuten WO estabilizada por las especies de actividad interfacial presentes en el crudo
(asfaacuteltenos y resinas) y por soacutelidos
40
Existen tres requisitos esenciales para formar una emulsioacuten
Dos liacutequidos inmiscibles como el agua y el aceite
Suficiente agitacioacuten para dispersar uno de los liacutequidos en pequentildeas gotas en el otro
Un agente emulsionante para estabilizar las gotas dispersas en la fase continua
En los campos petroleros las emulsiones se conocen como emulsiones directas (agua
en aceite WO) y emulsiones indirectas (aceite en agua OW) Otra terminologiacutea en la
industria petrolera es clasificar las emulsiones directas producidas como duras y suaves Por
definicioacuten una emulsioacuten dura es muy estable y difiacutecil de romper principalmente porque las
gotas dispersas son muy pequentildeas Por otro lado una emulsioacuten suave es inestable y faacutecil de
romper En otras palabras cuando un gran nuacutemero de gotas de agua de gran diaacutemetro estaacuten
presentes ellas a menudo se separan faacutecilmente por la fuerza gravitacional El agua que se
separa en menos de cinco minutos es llamada agua libre
La mejor forma de deshidratar es evitar que se produzca la emulsioacuten o por lo menos
reducir al maacuteximo las condiciones que favorezcan el emulsionado
En pozos fluyentes una agitacioacuten considerable es generalmente causada por el gas
disuelto saliendo de la solucioacuten (el gas se desorbe) conforme decrece la presioacuten Este gas
tambieacuten causa turbulencia cuando fluye junto con la mezcla bifaacutesica agua-aceite a traveacutes de
accesorios y restricciones en la tuberiacutea de produccioacuten pasa por supuesto lo mismo cuando
se utiliza el levantamiento con gas Esta turbulencia puede ser reducida pero no eliminada
instalando un estrangulador de fondo Este estrangulador reduce la estabilidad de la emulsioacuten
por las siguientes causas
Hay menos presioacuten diferencial
La temperatura de fondo de pozo es considerablemente maacutes alta que la temperatura
en la superficie
Hay flujo laminar para una gran distancia corriente abajo del estrangulador de fondo
y por lo tanto menos turbulencia
Actualmente el 90 de las teacutecnicas utilizadas para la extraccioacuten de petroacuteleo crudo
generan o agravan los problemas de emulsionado Los quiacutemicos usados en las fracturas de la
41
formacioacuten estimulaciones de pozos inhibicioacuten de corrosioacuten etc frecuentemente causan
severos problemas de emulsionaje por lo que existen meacutetodos para romperlas tales como el
calentamiento aditivos quiacutemicos tratamiento eleacutectrico y asentamiento En los casos de bajo
contenido de agua (lt 10) resulta ventajoso antildeadir agua en fondo de pozo antes que se
produzca la emulsioacuten porque asiacute la emulsioacuten formada seraacute menos estable (el tamantildeo de gotas
aumenta y se favorece la coalescencia [22]
163 Agentes emulsionantes
Los agentes emulsionantes son numerosos y pueden ser clasificados
Compuestos naturales surfactantes tales como asfaltenos y resinas conteniendo
aacutecidos orgaacutenicos y bases aacutecidos nafteacutenicos aacutecidos carboxiacutelicos compuestos de
azufre fenoles cresoles y otros surfactantes naturales de alto peso molecular
Soacutelidos finamente divididos tales como arena arcilla finos de formacioacuten esquistos
lodos de perforacioacuten fluidos para estimulacioacuten incrustaciones minerales productos
de la corrosioacuten (por ejemplo sulfuro de hierro oacutexidos) parafinas asfaltenos
precipitados Los fluidos para estimulacioacuten de pozos pueden contribuir a formar
emulsiones muy estables
Quiacutemicos de produccioacuten antildeadidos tales como inhibidores de corrosioacuten biocidas
limpiadores surfactantes y agentes humectantes
Estos agentes pueden adsorberse en la interfase de la gota de agua y formar una peliacutecula
riacutegida que resulta en una alta estabilidad de la emulsioacuten WO formada lo cual ocurre en
menos de tres diacuteas Es por eso que la emulsioacuten debe tratarse lo maacutes pronto posible con
diferentes agentes tales como quiacutemica deshidratante calor sedimentacioacuten por
centrifugacioacuten o electrocoalescencia [26]
42
164 Estabilidad de una emulsioacuten
La peliacutecula interfacial formada estabiliza la emulsioacuten debido a que
Aumenta la tensioacuten interfacial Por lo general para emulsiones de crudo la tensioacuten
interfacial se encuentra en el intervalo de 30 a 36 mN m-1 Asiacute mismo la presencia
de sales aumenta la tensioacuten interfacial
Forma una barrera viscosa que inhibe la coalescencia de las gotas
Si el surfactante o partiacutecula adsorbida en la interfase es polar su carga eleacutectrica
provoca que se repelan unas gotas de otras
Otro mecanismo de estabilizacioacuten ocurre cuando los emulsionantes son partiacuteculas soacutelidas
muy finas Para ser agentes emulsionantes las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes pequentildeas que
las gotas suspendidas y deben ser mojadas por el aceite y el agua Luego estas finas partiacuteculas
soacutelidas o coloides (usualmente con surfactantes adheridos a su superficie) se colectan en la
superficie de la gota y forman una barrera fiacutesica Algunos de estos soacutelidos son el sulfuro de
hierro y la arcilla [14]
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacuten
La estabilidad y rompimiento de una emulsioacuten depende de varios factores
Tensioacuten interfacial Una reduccioacuten de la tensioacuten interfacial no aumenta la estabilidad
de la emulsioacuten Se ha encontrado que los sistemas de tensioacuten ultrabaja producen
emulsiones inestables
Viscosidad de la fase externa Una viscosidad alta en la fase externa disminuye el
coeficiente de difusioacuten y la frecuencia de colisioacuten de las gotas por lo que se
incrementa la estabilidad de la emulsioacuten Una alta concentracioacuten de las gotas tambieacuten
incrementa la viscosidad aparente de la fase continua y estabiliza la emulsioacuten Este
efecto puede ser minimizado calentando la emulsioacuten
Tamantildeo de la gota Gotas muy pequentildeas menores de 10 microm generalmente producen
emulsiones maacutes estables Una amplia distribucioacuten de tamantildeos de partiacuteculas resulta en
general en una emulsioacuten menos estable
43
Relacioacuten de volumen de fases Incrementando el volumen de la fase dispersa se
incrementa el nuacutemero de gotas yo tamantildeo de gotas y el aacuterea interfacial La distancia
de separacioacuten se reduce y esto aumenta la probabilidad de colisioacuten de las gotas Todos
estos factores reducen la estabilidad de la emulsioacuten
Temperatura Usualmente la temperatura tiene un efecto muy fuerte en la estabilidad
de la emulsioacuten Incrementando la temperatura se reduce la adsorcioacuten de surfactantes
naturales y disminuye la viscosidad de la fase externa la rigidez de la peliacutecula
interfacial y la tensioacuten superficial Todos estos cambios reducen la estabilidad de la
emulsioacuten
pH La adicioacuten de aacutecidos o bases inorgaacutenicos cambia radicalmente la formacioacuten de
peliacuteculas de asfaltenos y resinas que estabilizan las emulsiones agua-aceite
Envejecimiento de la interfase A medida que la interfase envejece la adsorcioacuten de
los surfactantes se completa y debido a las interacciones laterales entre las moleacuteculas
aumenta la rigidez de la peliacutecula hasta un valor estable en unas 3 o 4 horas Esta
peliacutecula o piel alrededor de la gota llega a ser maacutes gruesa maacutes fuerte y maacutes dura
Ademaacutes la cantidad de agentes emulsionantes se incrementa por oxidacioacuten fotoacutelisis
evaporacioacuten o por la accioacuten de bacterias
Salinidad de la salmuera La salinidad de la salmuera es un factor importante en la
formacioacuten de emulsiones estables Agua fresca o salmuera con baja concentracioacuten de
sal favorecen la estabilidad de las emulsiones Por el contrario altas concentraciones
de sal tienden a reducirla
Tipo de aceite Los crudos de base parafiacutenica usualmente no forman emulsiones
estables mientras que los crudos nafteacutenicos y de base mixta forman emulsiones
estables Ceras resinas asfaltenos y otros soacutelidos pueden influenciar la estabilidad
de la emulsioacuten En otras palabras el tipo de crudo determina la cantidad y tipo de
emulsionantes naturales
Diferencia de densidad La fuerza neta de gravedad que actuacutea en una gota es
directamente proporcional a la diferencia en densidades entre la gota y la fase
continua Aumentando la diferencia de densidad por incremento de la temperatura se
logra aumentar la velocidad de sedimentacioacuten de las gotas y por ende se acelera la
coalescencia
44
Capiacutetulo II
Metodologiacutea
45
La metodologiacutea usada en este proyecto se ilustra en la figura 21 la cual abarca desde la
preparacioacuten de las rocas carbonatadas hasta las pruebas de dispersioacuten de luz dinaacutemica y
potencial zeta con las cuales se concluyoacute este trabajo
Figura 21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyecto
Preparacioacuten de rocas carbonatadas (Pulido)
Caracterizacioacuten de las rocas carbonatadas por Espectroscopiacutea FTIR UV-vis SEMEDX
Preparacioacuten de emulsioacuten WO (7030) aplicando 500 y 800 mg L-1
de S(I) y S(II)
Imbibicioacuten espontaacutenea de roca de yacimiento
Pruebas tensiometricas de crudo emulsionado sobre roca
(Metodo de gota seacutesil)
Extraccioacuten de asfaltenos
Impregnacioacuten y caracterizacioacuten de asfaltenos sobre roca carbonatada
DLS de roca impreganada de asfaltenos
Potencial Zeta de roca impregnada de asfaltenos
46
21 Reactivos utilizados en el proyecto
En la tabla 21 se enlistan los reactivos utilizados en el desarrollo del proyecto
Tabla 21 Reactivos empleados en el proyecto
Reactivo Pureza Marca CAS
Acetona 999 Sigma-Aldrich 67-64-1
Heptano 95 Sigma-Aldrich 142-82-5
Tolueno 999 Sigma-Aldrich 108-99-3
Ciclohexano 99 Sigma-Aldrich 110-82-7
Nitrato de sodio 99 Sigma-Aldrich 7631-99-4
Cloruro de Sodio 99 Sigma-Aldrich 7647-14-5
Carbonato de calcio 99 Sigma-Aldrich 471-34-1
Sulfato de Magnesio 995 Sigma-Aldrich 7487-88-9
Agua desionizada 995 Sigma-Aldrich 7732-18-5
En la tabla 22 se muestran la nomenclatura de los surfactantes empleados en la
experimentacioacuten los cuales son de naturaleza catioacutenica debido a la propiedad de absorberse
sobre sustratos cargados negativamente
Tabla 22 Surfactantes utilizados en la experimentacioacuten
22 Sistemas de estudio
Clave Nombre surfactante Estructura
S1
P-toluensulfonato de 1-
metil-3-hexilimidazolio
[1M3HIMPTSO3]
S2
Cloruro de 1-metil-3-etil-
p-toluensulfonilimidazolio
[1M3EPTSO3IMCl]
CH3
N
N+
CH3
CH3
S
O
O
O-
CH3S
O
O
O
CH3
N
N+
Cl-
47
221 Agua congeacutenita
Se obtuvo una muestra de agua congeacutenita del petroacuteleo Aguacate 72 la cual fue proporcionada
por el Instituto Mexicano del Petroacuteleo Dicha muestra fue caracterizada por Espectroscopiacutea
de infrarrojo de Fourier con la finalidad de conocer los grupos funcionales presentes en la
misma
221 Salmuera
Se preparoacute a partir de una mezcla de 3 sales caracteriacutesticas de cualquier salmuera natural en
la siguiente proporcioacuten 30 de carbonato de calcio (CaCO3) 50 de cloruro de sodio
(NaCl) y 20 de sulfato de magnesio (MgSO4) Tomando como referencia 100 mL se pesoacute
1 gramo de mezcla de sales y se diluyoacute en agua desionizada posteriormente se realizaron
diluciones hasta obtener una concentracioacuten de 100 mg L-1
222 Extraccioacuten de asfaltenos
Se pesaron 10 g de crudo y se disolvieron en 40 mL de heptano posteriormente se aplicoacute
agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas Tras este periodo se dejoacute en reposo el sistema durante
24 horas Finalmente la solucioacuten se filtroacute aplicando vaciacuteo y exceso de heptano para arrastrar
los restos de compuestos no asfalteacutenicos contenidos en el producto
223 Impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada
Se preparoacute una muestra con la siguiente proporcioacuten 15 g de asfaltenos (30) y 35 g de
roca carbonatada (70) los cuales fueron agregados a 50 mL de Ciclohexano contenidos en
un matraz como se muestra en la figura 22 Se realizoacute agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas
posteriormente se realizoacute una filtracioacuten a vaciacuteo El producto obtenido se secoacute en una estufa a
100degC con un tiempo de secado de 24 horas
48
Figura 22 Muestra de roca carbonatada y asfaltenos
23 Disentildeo de experimentos
Se prepararon emulsiones con una proporcioacuten de 7030 (WO donde W corresponde al agua
siendo en nuestro caso de estudio agua congeacutenita oacute salmuera y O corresponde al crudo)
utilizando crudo Aguacate del pozo 72 manejando 10 g totales de muestra los cuales fueron
depositados en recipientes de plaacutestico de 20 mL ademaacutes de ser sometidas a agitacioacuten
continua con una espaacutetula por 20 minutos con el fin de formar la emulsioacuten
El petroacuteleo utilizado en el proyecto tiene las siguientes caracteriacutesticas
Densidad 09696 g cm-3
1440 grados API
2166 Saturados 3057 Aromaacuteticos 2435 Resinas y 2341 Asfaltenos
El disentildeo experimental es presentado en la tabla 23 se trabajoacute con 2 diferentes surfactantes
(S2 y S3) y estos se agregaron a las diferentes emulsiones WO usando concentraciones de
500 mg L-1 y 800 mg L-1 realizaacutendose micrografiacuteas de las emulsiones antes y despueacutes de
agregar el surfactante posteriormente se realizoacute el anaacutelisis tensiomeacutetrico de cada emulsioacuten
finalizando con el estudio dispersivo de los asfaltenos por Dispersioacuten de Luz dinaacutemica (DLS)
y Potencial Zeta
49
Tabla 23 Disentildeo de experimentos
Experimento Q1 O1 SX C(mg L-1)
Roca Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Experimento Q1 O1 SX C(ppm)
Roca Impregnada Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
50
24 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
241 Espectroscopiacutea de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)
Las teacutecnicas espectroscoacutepicas se fundamentan en la interaccioacuten de la materia con la
radiacioacuten Esta interaccioacuten provoca procesos como la absorcioacuten o la difusioacuten (scattering)
Cuando una moleacutecula absorbe o emite un fotoacuten su estado energeacutetico cambia En general
este cambio se manifiesta como una variacioacuten en la energiacutea traslacional de la moleacutecula y
como una modificacioacuten en su estado electroacutenico vibracional o rotacional Como las energiacuteas
asociadas a cada uno de estos cambios son muy diferentes cada uno de estos procesos se
puede tratar de manera independiente Exceptuando los cambios traslacionales los estados
energeacuteticos de las moleacuteculas estaacuten cuantizados consecuentemente los procesos de absorcioacuten
y emisioacuten soacutelo pueden darse a determinadas frecuencias de los fotones Para cada moleacutecula
dada su espectro de adsorcioacutenemisioacuten constituye una huella de la misma Las absorciones
que se producen en la regioacuten espectral del infrarrojo involucran energiacuteas mucho maacutes
pequentildeas comparadas con las energiacuteas de absorcioacuten relacionadas con la estructura electroacutenica
de la moleacutecula (ultravioleta y visible)
Sin embargo no todas las vibraciones yo rotaciones producen una absorcioacuten de radiacioacuten
incidente Soacutelo los modos vibracionales y rotacionales de moleacuteculas con momento bipolar
diferente de cero o bien aquellos modos que induzcan un momento diferente de cero en la
moleacutecula son activos al infrarrojo Para que exista un espectro rotacional activo en el
infrarrojo se requiere que la moleacutecula sea polar mientras que para tener un espectro
vibracional activo en el infrarrojo basta que el movimiento vibracional de los aacutetomos de la
moleacutecula induzca un momento bipolar no nulo [28]
En un interferoacutemetro Michelson el haz de radiacioacuten que viene de la fuente se divide mediante
un espejo semipermeable (beamsplitter) en dos haces parciales que se reflejan en sendos
espejos uno fijo y otro moacutevil vuelven al beamsplitter y se recombinan en interferencia Un
desplazamiento del espejo moacutevil cambia el camino oacuteptico en ese brazo del interferoacutemetro
51
introduciendo una diferencia de fase entre los haces y por tanto un cambio en la amplitud de
la interferencia La intensidad de sentildeal que llega al detector tras atravesar la muestra
representada como funcioacuten de la diferencia en la trayectoria de ambos haces (retardo) es lo
que se llama interferograma Con una radiacioacuten monocromaacutetica se obtiene una sentildeal coseno
que en el caso de caminos oacutepticos ideacutenticos en ambos brazos proporciona una interferencia
constructiva sin diferencia de fase entre los haces y por tanto una intensidad maacutexima El
resultado es un interferograma (intensidad en funcioacuten del tiempo) la cual se convierte viacutea un
algoritmo matemaacutetico (transformada de Fourier) en un diagrama de Intensidad en funcioacuten de
la frecuencia (espectro)
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro FTIR de marca Perkin Elmer Spectrum One donde se
analizoacute la roca carbonatada de yacimiento Para la identificacioacuten de los grupos funcionales
se trabajoacute con un intervalo espectral de 4000 a 380 cm-1 utilizando 12 barridos
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)
El espectro Ultravioleta y Visible de las moleacuteculas estaacute asociado a transiciones electroacutenicas
entre los diferentes niveles energeacuteticos en ciertos grupos o aacutetomos de la moleacutecula En
contraste la absorcioacuten de energiacutea en la regioacuten Infrarroja estimulan la moleacutecula completa y
causa cambios vibracionales y rotacionales en esta lo cual caracteriza la entidad estructural
de dicha moleacutecula Los grupos de aacutetomos que dan origen a la absorcioacuten en el UV cercano o
UV de cuarzo se conocen como grupos cromoacuteforos La mayoriacutea de los grupos insaturados y
heteroatoacutemicos que tienen pares de electrones no compartidos son cromoacuteforos potenciales y
estos grupos son la base de la elucidacioacuten de grupos estructurales en las moleacuteculas activas en
el UV cercano
Cuando dos aacutetomos forman un enlace quiacutemico los orbitales atoacutemicos de cada uno de ellos
se combinan para formar dos orbitales moleculares uno de baja energiacutea que es el orbital
enlazante y otro de energiacutea mayor que es el orbital antienlazante Los enlaces covalentes que
se originan entre los orbitales de dos aacutetomos que se enlazan quiacutemicamente pueden ser de dos
tipos y se conocen como enlaces σ y enlaces π
52
Al efectuarse dicho enlace covalente se forman simultaacuteneamente orbitales antienlazantes σ
en el caso de un orbital molecular enlazante σ y π en el caso de un orbital molecular
enlazante p La absorcioacuten de energiacutea radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones
σ oacute π resulta en la excitacioacuten de eacutestos los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales
antienlazantes La absorcioacuten de radiacioacuten Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas
transiciones
Un espectro ultravioleta-visible es esencialmente un graacutefico de absorbancia de luz frente a
una longitud de onda en el rango del ultravioleta o la luz visible para una determinada
sustancia puede hacerse un graacutefico estaacutendar del coeficiente de extincioacuten (ε) frente a la
longitud de onda (λ) Las longitudes de onda de los picos de absorcioacuten pueden
correlacionarse con los tipos de enlace en una determinada moleacutecula y son valiosos para
determinar los grupos funcionales dentro de la moleacutecula La absorcioacuten UV-Vis no es sin
embargo una prueba especiacutefica para ninguacuten compuesto determinado La naturaleza del
disolvente el pH de la solucioacuten la temperatura la concentracioacuten de electrolitos y la
presencia de sustancias interferentes pueden influir en los espectros de absorcioacuten de los
compuestos asiacute como las variaciones de ancho de banda [29]
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro UV-vis de marca Cintral 303 GBC en donde se analizaron
los compuestos sintetizados Para la identificacioacuten de los grupos funcionales se trabajoacute con
una celda de 10 mm de espesor en un intervalo espectral de 800 a 200 nm Se preparoacute una
solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano a una concentracioacuten de 100 mg L-1 asiacute como
soluciones de roca impregnada de crudo en ciclohexano a diferentes concentraciones (100
50 30 20 10 5 3 y 1 mg L-1)
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
El Microscopio electroacutenico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscopy) es una
teacutecnica que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen
ampliada de la superficie de un objeto Es un instrumento que permite la observacioacuten y
caracterizacioacuten superficial de soacutelidos inorgaacutenicos y orgaacutenicos Tiene una gran profundidad
53
de campo la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra Eacutesta teacutecnica
brinda informacioacuten topograacutefica sobre la superficie de material analizado y el anaacutelisis EDX
proporciona informacioacuten sobre su composicioacuten quiacutemica [30]
Esta teacutecnica esencialmente consiste en hacer incidir en la muestra un haz de electrones Este
bombardeo de electrones provoca la aparicioacuten de diferentes sentildeales que captadas con
detectores adecuados nos proporcionan informacioacuten acerca de la naturaleza de la muestra
La sentildeal de electrones secundarios proporciona una imagen de la morfologiacutea superficial de
la muestra La sentildeal de los electrones retrodispersados muestra una imagen cualitativa de
zonas con distinto nuacutemero atoacutemico medio y la sentildeal de rayos X presenta los espectros e
imaacutegenes acerca de la composicioacuten de elementos quiacutemicos en la muestra
25 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten espontaacutenea de la fase mojante sobre la superficie de una roca consiste en la
absorcioacuten de la misma en su superficie tan pronto como existe contacto entre dicha fase y el
soacutelido sin requerirse de la accioacuten de un trabajo externo para realizarse lo cual tambieacuten se
conoce como la succioacuten capilar de esta fase en el medio poroso es decir es un proceso que
consiste en el ingreso de la fase mojante en los poros de la roca por efecto de las fuerzas
capilares [10]
En este proceso se utiliza una Celda de Amott el cual es un contenedor ciliacutendrico conceacutentrico
de vidrio en cuya parte central se colocan el material que seraacute saturado por la fase mojante
y en la capucha externa se introduce liacutequido refrigerante para mantener la temperatura
constante dentro de la celda
Para la experimentacioacuten se utilizaron 3 rocas carbonatadas que fueron introducidas en una
celda de Amott de 500 mL Posteriormente se llenoacute la parte interna de la celda con petroacuteleo
crudo y la capucha externa con refrigerante La celda se colocoacute en un bantildeo de aceite a 65degC
durante 7 diacuteas En la figura 23 se observa el montaje del equipo para el proceso de
imbibicioacuten
54
Figura 23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacuten
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
Este meacutetodo experimental es usado para determinar el aacutengulo de contacto existente en un
sistema bifaacutesico Consiste en la colocacioacuten de una gota sobre una superficie soacutelida
posteriormente el equipo realiza el caacutelculo de paraacutemetros propios de la gota como radio y
diaacutemetro los cuales son fundamentales sustituidos en las ecuaciones de tensioacuten superficial
[10]
Para la experimentacioacuten se emplearon 8 rocas carbonatadas de yacimiento las cuales fueron
previamente pulidas para generar una superficie lisa obseacutervese la figura 24 Posteriormente
se colocoacute la emulsioacuten preparada en la jeringa para estudio tensiomeacutetrico por accioacuten
gravitacional el fluido descendioacute provocando la formacioacuten de una gota la cual se fija en la
roca La caacutemara del tensioacutemetro detecta el aacutengulo y la forma de la gota asiacute como su
deformacioacuten con el paso del tiempo
55
Figura 24 Roca carbonatada previamente pulida
Asiacute mismo se realizoacute la medicioacuten del aacutengulo de contacto para las rocas imbibidas en crudo
(figura 25) soacutelo difiriendo en la fase mojante la cual se trataba en un primer experimento
de la salmuera o del agua congeacutenita y posteriormente se adicionaron los dos surfactantes a
500 y 800 mg L-1
Figura 25 Roca carbonatada imbibida de petroacuteleo
Se utilizoacute un tensioacutemetro de la marca Attension modelo Theta Lite 101 (figura 26) en donde
se analizaron los sistemas de estudio mencionados anteriormente empleando el meacutetodo de
gota seacutesil
Figura 26 Tensioacutemetro Attension Theta Lite 101
56
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemica
La dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS) a la que a veces se hace referencia como dispersioacuten de
luz cuasi elaacutestica (QELS) es una teacutecnica no invasiva y bien establecida para medir el tamantildeo
y distribucioacuten de tamantildeo de moleacuteculas partiacuteculas y agregados tiacutepicamente en la regioacuten
submicromeacutetrica y con la uacuteltima tecnologiacutea inferiores a 1 μm
Las aplicaciones tiacutepicas de la dispersioacuten de luz dinaacutemica son la caracterizacioacuten de partiacuteculas
emulsiones o moleacuteculas que se han dispersado o disuelto en un liacutequido El movimiento
Browniano de las partiacuteculas o moleacuteculas en suspensioacuten hace que la luz laacuteser se disperse en
diferentes intensidades [31] Con el anaacutelisis de estas fluctuaciones en la intensidad se obtiene
la velocidad del movimiento Browniano y por lo tanto del tamantildeo de partiacutecula mediante la
relacioacuten de Stokes-Einstein (figura 27)
Figura 27 Diagrama de funcionamiento de Dispersioacuten de luz dinaacutemica
A diferencia de la dispersioacuten de luz estaacutetica para determinar el tamantildeo de las partiacuteculas y
agregados la dispersioacuten de luz dinaacutemica no tiene en cuenta la dependencia del aacutengulo sino
la variacioacuten de la intensidad de dispersioacuten en el tiempo debido a la aglomeracioacuten de las
partiacuteculas con respecto al tiempo teniendo un efecto de sedimentacioacuten que provoca un
caacutelculo erroacuteneo de la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
Esta teacutecnica fisicoquiacutemica se utiliza para determinar el perfil de distribucioacuten de tamantildeos de
partiacuteculas pequentildeas en suspensioacuten mediante una fuente monocromaacutetica que pasa a traveacutes de
un polarizador y la muestra La luz dispersada pasa posteriormente a traveacutes de un segundo
57
polarizador donde es recogido por un fotomultiplicador y se obtiene una intensidad de
dispersioacuten determinada [32]
Para la experimentacioacuten se preparoacute la solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano con una
concentracioacuten de 100 mg L-1 se llevoacute a sonicacioacuten durante 15 minutos posteriormente se
colocaron 3 mL de la muestra en la celda y se realizoacute su anaacutelisis Asiacute mismo se estudiaron
las soluciones de roca impregnada en ciclohexano y la aplicacioacuten de los surfactantes sobre
las mismas a 500 y 800 mg L-1
Se utilizoacute un equipo de la marca Malvern modelo Zetasizer en donde se analizaron los
sistemas de estudio mencionados anteriormente
28 Potencial Zeta
El potencial zeta es una propiedad que mide el potencial electrocineacutetico en sistemas
coloidales en la quiacutemica coloidal se denota por lo general con la letra griega zeta Desde un
punto de vista fiacutesico el potencial zeta es el potencial eleacutectrico en la doble capa interfacial es
decir que es el punto donde se unen la capa difusa y la de Stern Tambieacuten el potencial zeta es
la diferencia de potencial entre el medio de dispersioacuten y la capa estacionaria unido a la
partiacutecula dispersada []
Las partiacuteculas coloidales dispersas en una solucioacuten estaacuten cargadas eleacutectricamente gracias a
sus caracteriacutesticas ioacutenicas y de bipolaridad El desarrollo de una red de carga eleacutectrica en la
superficie de la partiacutecula puede afectar la distribucioacuten de iones en una regioacuten interfacial
vecina y provocar un aumento de la concentracioacuten de iones contados (iones de carga
contraria a las partiacuteculas) cerca de la superficie tal como se muestra en la figura 27
58
Figura 27 Interacciones entre las partiacuteculas tras la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica [33]
Cada partiacutecula dispersa en una solucioacuten se rodea de iones cargados con carga opuesta que se
denomina capa fija Fuera de esta capa fija existen distintas composiciones de iones de
polaridad opuesta formando un aacuterea nebulosa De esta manera se crea una capa doble
eleacutectrica en la regioacuten de interfase partiacutecula- liacutequido
La medida del Potencial Z permite caracterizar y predecir el comportamiento de soacutelidos
macroscoacutepicos y de partiacuteculas en suspensiones liacutequidas en multitud de aplicaciones teacutecnicas
En suspensiones liacutequidas el Potencial Z es una medida de la atraccioacutenrepulsioacuten entre
partiacuteculas cargadas electrostaacuteticamente permitiendo estudiar la estabilidad de dispersiones
emulsiones suspensiones proteiacutenas poliacutemeros etc
En soacutelidos macroscoacutepicos es una propiedad importante de interfaces soacutelidoliacutequido cargadas
eleacutectricamente siendo un indicador de la carga superficial de un soacutelido en contacto con un
electrolito Esto permite estudiar las caracteriacutesticas y funcionalizacioacuten de superficies
Este anaacutelisis se realizoacute con un equipo de marca Malvern modelo ZetaSizer Se estudiaron
los sistemas Roca carbonatada roca impregnada de crudo asiacute como la aplicacioacuten de los
surfactantes a 500 y 800 mg L-1 utilizando como electrolito indiferente nitrato de sodio
01mM el cual permite la desestabilizacioacuten del coloide con la finalidad de que la corriente
eleacutectrica pase por todas las partiacuteculas y se obtenga una medicioacuten correcta del anaacutelisis Asiacute
mismo se varioacute el pH del sistema de 1 a 7 utilizando HCl 01 M y NaOH 01 M para
observar el efecto dispersivo de las partiacuteculas de roca
59
Capiacutetulo III
Resultados
31 Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenos
60
Se realizaron 3 extracciones de asfaltenos utilizando 10 mL de petroacuteleo en cada una se
obtuvieron entre 14182 g y 16875 g de asfaltenos lo cual representa un porcentaje de
recuperacioacuten en 1418 y 1675 El producto obtenido teniacutea una tonalidad oscura lo anterior
se observa en la figura 31
Figura 31 Asfaltenos obtenidos tras extraccioacuten
Asiacute mismo se realizoacute el procesos de impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada por
triplicado de los cuales se obtuvieron entre 169 g y 189 g de roca impregnada que
representa una recuperacioacuten entre 338 y 378 El producto teniacutea una tonalidad cafeacute oscura
lo anterior se observa en la figura 32
Figura 32 Roca impregnada de asfaltenos
32 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con transformada de Fourier
61
La elucidacioacuten de los espectros de FTIR se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura [35] indica que el carbonato de
calcio presenta sentildeales caracteriacutesticas de sus grupos funcionales tales como CO3 Ca-C y C-
O y Ca-CO3
321 Espectro FTIR de roca carbonatada
El espectro FTIR de la roca carbonatada se muestra en la figura 33 en el que se observa el
estiramiento del enlace Ca-C en 2513 cm-1 sentildeal caracteriacutestica del compuesto CaCO3 el
estiramiento de C-O en 1480 cm-1 y las vibraciones particulares del grupo CO3 en 714 y 877
cm-1 Estas sentildeales dan certeza de que el compuesto analizado es una roca de carbonato de
calcio
Figura 33 Espectro FTIR de roca carbonatada
62
322 Espectro de roca impregnada de asfaltenos
El espectro FTIR de la roca impregnada se muestra en la figura 34 en el que se observa el
estiramiento del enlace O-H en 3300 cm-1 las vibraciones simeacutetricas y asimeacutetricas de C-H
en 2988 y 2875 cm-1 la absorcioacuten energeacutetica del enlace C-H en 1625 cm-1 las flexiones de
los compuestos aromaacuteticos entre 1100 y 1500 cm-1 asiacute como la deformacioacuten noplanar del
anillo benceacutenico entre 700 y 900 cm-1 Estas sentildeales confirman la impregnacioacuten de asfaltenos
teniendo como principal diferencia frente a la roca carbonatada las flexiones y vibraciones
de los enlaces C-H y de los anillos aromaacuteticos presentes en la estructura asfalteacutenica teoacuterica
Figura 34 Espectro FTIR de roca impregnada de asfaltenos
63
33 Espectroscopia ultravioleta visible (UV-vis)
La elucidacioacuten de los espectros de UV-vis se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura indica la presencia de grupos
benceacutenicos y nafteacutenico en las estructuras quiacutemicas de los asfaltenos los cuales son
caracteriacutesticos de los mismos [29]
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada y roca impregnada
El espectro UV-vis de la roca carbonatada no presenta ninguna banda significativa esto se
debe principalmente a la ausencia de dobles y triples enlaces los cuales son sumamente
caracteriacutesticos en longitudes de 200 a 600 nm El espectro UV-vis de la roca impregnada
(figura 35) muestra 4 sentildeales las dos primeras retribuidas a los grupos benceacutenicos a 226 y
250 nm la tercera y cuarta a los grupos nafteacutenicos a 263 y 270 nm estructuras quiacutemicas
presentes en los asfaltenos
Se realizaron 6 experimentos iniciando con la roca carbonatada posteriormente la
evaluacioacuten de la roca impregnada de asfaltenos (RASF) variando la concentracioacuten de roca
(10 5 3 1 05 mg L-1)
Los espectros muestran desdoblamiento en las bandas debido al cambio electroacutenico en los
enlaces sigma y pi presentes en los ciclos aromaacuteticos Se observa el efecto de la concentracioacuten
de roca impregnada a 05 y 1 mg L-1 se tienen bandas maacutes definidas y caracteriacutesticas de los
asfaltenos a concentraciones mayores a lo anterior se enmascaran estas sentildeales debido a la
saturacioacuten de las partiacuteculas de roca impregnada en las muestra Lo anterior hace imposible
para el equipo la identificacioacuten precisa de los grupos funcionales caracteriacutesticos de la misma
64
Figura 35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnada
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
Esta teacutecnica se realizoacute con la finalidad de observar el tamantildeo y la forma de las partiacuteculas de
roca carbonatada asiacute como la composicioacuten elemental de la misma Se observa un
comportamiento de agregacioacuten entre las partiacuteculas por lo que se puede deducir un tamantildeo
entre 100 y 400 nm Con el anaacutelisis elemental del EDX se comproboacute la naturaleza de la roca
la cual estaacute formada de carbonato de calcio La literatura [36] indica las sentildeales caracteriacutesticas
de este compuesto el carbono con una sentildeal en 028 keV el oxiacutegeno en 053 keV y el calcio
con dos picos en 369 y 401 keV y de partiacuteculas nanomeacutetricas de forma esfeacutericas lo anterior
esto se puede observar en la figura 36
65
36 Anaacutelisis SEMEDS de roca carbonatada
35 Imbibicioacuten espontaacutenea
Se obtuvieron las rocas imbibidas tras un proceso de 7 diacuteas [37] y se pesaron para conocer la
cantidad de crudo absorbido dentro de su estructura porosa Asiacute mismo se fracturaron las
rocas para comprobar la presencia del hidrocarburo dentro de la roca lo cual se observa en
la figura 37 En la tabla 31 se muestra la masa inicial y final de la roca asiacute como el
porcentaje de masa absorbida de crudo teniendo porcentajes entre 4 y 5
66
Figura 37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudo
Tabla 31 Resultados de rocas imbibidas
Muestra Masa Inicial (g) Masa Final (g)
1 103315 108098 46295
2 92475 96736 46077
36 Anaacutelisis del aacutengulo de contacto del crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
La medicioacuten del aacutengulo de contacto de diferentes sistemas de estudio aporta informacioacuten
sobre la interaccioacuten entre las interfaces soacutelidas y liquidas el comportamiento de un fluido
sobre una superficie asiacute como la variacioacuten de la misma con la aplicacioacuten de un agente en
este caso un surfactante
361 Roca no imbibida
Se colocaron los disolventes empleados en la experimentacioacuten variado uacutenicamente los
surfactantes y la concentracioacuten de los mismos En la figura 38 se muestra el aacutengulo de
contacto de la salmuera sobre la roca se observa que con la aplicacioacuten de los surfactantes
este aacutengulo disminuye deduciendo un aumento en la afinidad entre la roca y el disolvente
[38] Lo anterior se debe principalmente al aumento de la concentracioacuten de iones provocando
un efecto de pantalla que reduce las repulsiones electrostaacuteticas entre las moleacuteculas anfifiacutelicas
67
facilitando la formacioacuten de micelas en el sistema y asiacute aumentando la mojabilidad de la
salmuera obseacutervese en tabla 32
Figura 38 Angulo de contacto de la salmuera
Tabla 32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio
El efecto de las sales presentes en el agua congeacutenita en la formacioacuten micelar (figura 39)
propicia un incremento en la mojabilidad con la aplicacioacuten del surfactante lo cual se muestra
en la tabla 33
Figura 39 Angulo de contacto del agua congeacutenita
Tabla 33 Aacutengulos de contacto del agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio
68
Del mismo modo se colocaron sobre la superficie de la roca los diferentes sistemas de estudio
(emulsiones) los cuales variaban en el tipo de surfactante la concentracioacuten y el tipo de
disolvente empleado El aacutengulo de contacto del petroacuteleo se muestra en la figura 310
Figura 310 Angulo de contacto del petroacuteleo
Con una concentracioacuten de 500 mg L-1 de surfactante (tabla 34) se observa una disminucioacuten
del aacutengulo de contacto de la emulsioacuten lo anterior se atribuye al efecto de las cabezas
catioacutenicas sobre los agregados asfalteacutenicos los cuales son dispersados provocando una
mayor interaccioacuten con la roca y aumentando la mojabilidad sobre la misma
Tabla 34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 mg L-1
69
Con una concentracioacuten de 800 mg L-1 de surfactante (tabla 35) se observa un efecto similar
al sistema de estudio anterior un decremento del aacutengulo de contacto atribuido al efecto
pantalla de las sales de los disolvente en la concentracioacuten micelar dispersando los agregados
asfalteacutenicos y de esta forma aumentando la mojabilidad del sistema sobre la roca
carbonatada
Tabla 35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 mg L-1
362 Roca imbibida por petroacuteleo
70
Se colocaron los sistemas de estudio (salmuera y agua congeacutenita) sobre la roca impregnada
de crudo se observoacute una disminucioacuten en el aacutengulo de contacto menor que el estudio sobre
la roca carbonatada Lo anterior se debe a la alta hidrofobicidad de la superficie de la roca
la cual estaba impregnada en su totalidad de hidrocarburo y que aun con la aplicacioacuten de los
surfactantes se repelioacute el efecto de las cabezas catioacutenicas teniendo como consecuencia el
decremento del aacutengulo de contacto Las tablas 36 y 37 muestran los aacutengulos de contacto
tras la aplicacioacuten del surfactante
Tabla 36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 mg L-1
Tabla 37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 800 mg L-1
71
En la Tabla 38 se presentan los resultados del caacutelculo de tensioacuten interfacial y mojabilidad
los cuales son paraacutemetros que describen el comportamiento de las fuerzas intermoleculares
en la interfase soacutelido-liacutequido
Tabla 38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio
Fase soacutelida
Fase liacutequida
Surfactante (Sx)
Concentracioacuten (mg L-1)
Aacutengulo de
contacto ϴ
(deg)
Tensioacuten interfacial γ (dina cm-1)
Mojabilidad W
Roca carb Salmuera 8149 576 661
Roca carb Salmuera S1 500 5539 518 812
Roca carb Salmuera S1 800 5173 537 869
Roca carb Salmuera S2 500 4549 441 827
Roca carb Salmuera S2 800 4242 557 856
Roca Imb Salmuera S1 500 6956 421 566
Roca Imb Salmuera S1 800 6957 451 606
Roca Imb Salmuera S2 500 6681 472 657
Roca Imb Salmuera S2 800 7408 549 699
Roca carb Agua Cong 7391 528 674
Roca carb Agua Cong S1 500 4785 431 72
Roca carb Agua Cong S1 800 4069 446 784
Roca carb Agua Cong S2 500 4809 439 732
Roca carb Agua Cong S2 800 3327 42 771
Roca Imb Agua Cong S1 500 7456 525 664
Roca Imb Agua Cong S1 800 6575 494 696
Roca Imb Agua Cong S2 500 765 472 581
Roca Imb Agua Cong S2 800 6788 483 664
Roca carb Petroacuteleo 11177 838 536
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 500 8313 582 651
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 800 936 605 567
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 500 9088 652 641
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 800 8645 629 667
Roca carb Emulsioacuten AC S1 500 10289 815 641
Roca carb Emulsioacuten AC S1 800 9562 698 629
Roca carb Emulsioacuten AC S2 500 9846 782 666
Roca carb Emulsioacuten AC S2 800 9056 675 668
En los diferentes anaacutelisis sobre roca carbonatada con la aplicacioacuten de surfactantes en
salmuera o agua congeacutenita se observa una disminucioacuten del aacutengulo de contacto lo que implica
una menor tensioacuten en la interfase soacutelido-liacutequido obteniendo mayor mojabilidad en cada uno
de los sistemas Lo anterior se basa principalmente en el efecto dispersivo de los surfactantes
72
sobre las agregaciones asfalteacutenicas siendo las cabezas catioacutenicas las responsables de evitar
la apilacioacuten de los asfaltenos y disgregaacutendolas por todo el sistema
Asiacute mismo se observa el efecto de la concentracioacuten de los surfactantes en los diferentes
sistemas de estudio obteniendo menor tensioacuten interfacial a una concentracioacuten de 500 mgL-1
debido a la saturacioacuten ideal del aditivo en la muestra
37 Dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS)
Con el anaacutelisis DLS se estudioacute la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
y la roca impregnada asiacute como el efecto de los surfactantes en el sistema de estudio En la
figura 311 se muestra la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
(unimodal 1496 nm) a su vez en la figura 312 se observa la distribucioacuten de la roca
impregnada (unimodal 4063 nm) Posteriormente con la aplicacioacuten de los surfactantes se
comproboacute la disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula con S1 (unimodal 219 nm) y S2 (
unimodal 282 nm) Lo anterior se atribuye al efecto de los surfactantes sobre la superficie
impregnada que al entrar en contacto con los agregados asfalteacutenicos se generoacute la dispersioacuten
de los mismos disminuyendo de esta forma el tamantildeo de la partiacutecula [32] Ambos surfactantes
facilitan la dispersioacuten de los asfaltenos que recubren la superficie de la partiacutecula provocando
la reduccioacuten en el tamantildeo de la misma obseacutervese figs 313 y 314
Figura 311 Anaacutelisis DLS de roca carbonatada
73
Figura 312 Anaacutelisis DLS de roca impregnada
Figura 313 Anaacutelisis DLS de roca impregnada aplicando S3
Figura 314 DLS de roca impregnada aplicando S4
74
La disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de las rocas impregnadas se asocia al efecto
dispersivo de los surfactantes mencionado en las pruebas tensiomeacutetricas donde las parte
catioacutenica del compuesto inhibe la aglomeracioacuten de las moleacuteculas asfalteacutenicas provocando
no solo el cambio de la mojabilidad del sistema de estudio si no tambieacuten la disgregacioacuten de
los asfaltenos encontrados en la superficie de la roca carbonatada por tanto un decrecimiento
en la distribucioacuten de tamantildeo partiacutecula en la roca impregnada
38 Potencial Zeta
Con el anaacutelisis de potencial zeta se observoacute las fuerzas de atraccioacuten yo repulsioacuten de cada
sistema de estudio La literatura indica que en todo sistema en suspensioacuten coloidal existe un
equilibrio entre las fuerzas de repulsioacuten y las fuerzas de atraccioacuten molecular (Van del Waals)
resultando la aglomeracioacuten o dispersioacuten del sistema Si el sistema tiene carga positiva el
sistema es atractivo por lo que existen las fuerzas de atraccioacuten entre las partiacuteculas son
mayores que las fuerzas de repulsioacuten Si el sistema es negativo el sistema es repulsivo y se
tiene un efecto contrario al anterior Mientras maacutes alejado del cero se encuentre la muestra
mayor estabilidad le seraacute conferida debido a la relacioacuten entre las fuerzas intermoleculares
eso significa que se provocaraacute menor agregacioacuten facilitando la dispersioacuten del soluto [33] En
la figura 315 se muestra el efecto del pH en la dispersioacuten de los asfaltenos con la aplicacioacuten
de los surfactantes la tendencia se vuelve maacutes negativa por lo tanto existe mayor estabilidad
en el coloide disminuyendo la agregacioacuten de los asfaltenos
Este efecto se observoacute en las pruebas de DLS en donde los surfactantes dispersaron las
moleacuteculas de asfaltenos disminuyendo de esta forma la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
lo anterior se asocia a la disgregacioacuten de los asfaltenos observado en potencial Zeta
obteniendo una fase dispersa en el sistema
75
Figura 315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando el pH
76
Conclusiones
Se comproboacute el efecto dispersivo de los surfactantes sulfatados sobre los agregados
asfalteacutenicos causado principalmente por las cargas electroacutenicas presentes en estos
compuestos que al entrar en contacto con los asfaltenos provocaron la disgregacioacuten de
los mismos Dicho efecto fue visible en la mayoriacutea de las teacutecnicas empleadas generando
cambios en las interacciones moleculares de los sistemas de estudio y en las fuerzas de
la interfase soacutelido-liacutequido
Las teacutecnicas de caracterizacioacuten FTIR UV-vis corroboraron la presencia de grupos
funcionales caracteriacutesticos de la roca carbonatada asiacute como de la roca impregnada de
asfaltenos La teacutecnica de SEMEDX corroboroacute la existencia de los elementos que
componen a la roca y brindoacute informacioacuten importante sobre el tamantildeo y la forma de los
las partiacuteculas de roca
Las pruebas de aacutengulo de contacto por el meacutetodo de gota seacutesil comprobaron el efecto
superficial de los surfactantes en los diferentes sistemas de estudio cambiando la
tensioacuten interfacial de cada uno y afectando una caracteriacutestica innata de la roca su
mojabilidad Los aacutengulos de contacto tras la aplicacioacuten de los surfactantes sufrieron una
disminucioacuten por la facilidad de los aditivos antes mencionados para dispersar las capas
de agregacioacuten de los asfaltenos provocando una mejor interaccioacuten con la fase soacutelida
Mediante el anaacutelisis de Dispersioacuten de luz Dinaacutemica (DLS) se consiguioacute fundamentar el
efecto dispersivo de los surfactantes observado en las pruebas tensiomeacutetricas siendo de
gran importancia los resultados obtenidos de distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula en
donde con la aplicacioacuten de los surfactantes se consiguioacute disminuir este paraacutemetro por
la la difusioacuten de los agregados asfalteacutenicos contenidos en la superficie de la roca siendo
afectados principalmente por las cargas electroacutenicas cabezas catioacutenicas
La teacutecnica de potencial Zeta corroboroacute lo anterior debido a la facilidad de las muestras
con surfactantes para alcanzar la estabilidad coloidal por lo que se demuestra un efecto
77
contrario a la agregacioacuten un efecto dispersivo de los asfaltenos provocado por las
cargas presentes en las cadenas de los aditivos
78
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iv
141 Interaccioacuten roca-fluidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
143 Cambio de mojabilidad por el ion-parhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
15 Surfactanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
151 Clasificacioacuten de los surfactanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
152 Propiedades de los surfactanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
1521 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
1522 Micelas y asociacioacuten micelarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
16 Emulsioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
161 Tipos de emulsioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
163Agentes emulsionanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
164 Estabilidad de una emulsioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacutenhelliphelliphelliphellip 43
Capiacutetulo 2 Metodologiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 45
21Reactivoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
22 Preparacioacuten de sistemas de estudiohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
23 Disentildeo de experimentoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
24 Teacutecnicas de caracterizacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51
241 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con Transformada de Fourier (FTIR)helliphellip 51
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 52
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten
por Rayos X (SEMEDX)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
53
25 Imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
28 Potencial zetahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
Capiacutetulo 3 Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
31Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
v
32 Espectroscopiacutea de infrarrojo con trasformada de Fourierhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
321 Espectro FTIR de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
322 Espectro FTIR de roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
33 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por
Rayos X (SEMEDX)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
65
35 Imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
36 Anaacutelisis tensiomeacutetricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
361 Roca no imbibidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
362 Roca imbibidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
37 Anaacutelisis DLShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
38 Anaacutelisis de potencial Zetahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Referencias bibliograacuteficashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
vi
Iacutendice de figuras
Figura Paacuteg
11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
12 Clasificacioacuten de yacimientoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
13 Acidificacioacuten controlada mediante inyeccioacuten de emulsioacuten en querosenohelliphelliphelliphelliphellip 16
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
15Representacioacuten de fuerzas intermoleculareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
17 Efecto de la capilaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24
18 Proceso general de adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
112 Celda de imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
113 Esquema de las partes acidas del aceite sobre la superficie carbonatadahelliphelliphelliphelliphellip 29
114 Modelo esquemaacutetica del cambio de mojabilidad con aplicacioacuten de surfactanteshelliphellip 31
115 Representacioacuten de una moleacutecula de surfactantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
116 Tipos de micelahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
117 Comportamiento estaacutetico micelarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
118 Micrografiacutea de una emulsioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 45
22 Muestra de roca carbonatada con asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
24 Roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
25 Roca imbibida con crudohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
26 Tensioacutemetro empleado en la experimentacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
27 Funcionamiento del anaacutelisis DLShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56
28 Interacciones entre las partiacuteculas en el anaacutelisis de potencial zeta helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
31 Asfaltenos obtenidos tras la extraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Roca impregnada de asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
33 Espectro FTIR de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
vii
34 Espectro FTIR de roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
36 Anaacutelisis SEMEDX de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 65
37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
38 Aacutengulo de contacto de la salmuerahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
39 Angulo de contacto de agua congeacutenitahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
310 Aacutengulo de contacto del petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
311 Anaacutelisis DLS de la roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
312 Anaacutelisis DLS de la roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
313 Anaacutelisis DLS de la roca impregnada aplicando surfactante S1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 73
314 Anaacutelisis DLS de la roca impregnada aplicando surfactante S2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 73
315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando pHhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Iacutendice de Tablas
Tabla Paacuteg
11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo 5
12 Clasificacioacuten de petroacuteleo crudo 6
13 Clasificacioacuten de los surfactantes 33
21 Reactivos empleados en el proyecto 46
22 Surfactantes utilizados en experimentacioacuten 46
23 Disentildeo de experimentos 49
31 Resultados de rocas imbibidas 66
32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio 67
33 Aacutengulos de contacto de agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio 68
34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 ppm 69
35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 ppm 69
36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 ppm 70
37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 ppm 70
38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio 71
viii
Resumen
Este proyecto de investigacioacuten se enfocoacute en el estudio de mojabilidad del crudo pesado sobre
roca carbonatada de yacimiento aplicando surfactantes con base sulfato los cuales provocan
un efecto dispersivo en las fracciones maacutes pesadas del petroacuteleo conocidos como
ldquoasfaltenosrdquo responsables de las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del petroacuteleo tales como
viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API
La primera etapa del proyecto consistioacute en caracterizar la roca carbonatada de yacimiento
por Espectroscopiacutea de infrarrojo de transformada de Fourier (FTIR) espectroscopia
ultravioleta visible y Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten
por Rayos X (SEMEDX) para la identificacioacuten de los grupos funcionales caracteriacutesticos
morfologiacutea y anaacutelisis elemental de la roca
La segunda etapa consistioacute en preparar emulsiones de agua en aceite adicionando los
surfactantes en diferentes concentraciones las cuales fueron observadas por microscopiacutea
oacuteptica Posteriormente se evaluoacute el aacutengulo de contacto de cada uno de los sistemas de estudio
sobre roca carbonatada para el caacutelculo de la tensioacuten superficial y en efecto de la mojabilidad
Asiacute mismo se realizoacute la imbibicioacuten espontaacutenea de las rocas con crudo usando la celda de
Amott y se midioacute el aacutengulo de contacto de los disolventes frente a las rocas impregnadas Se
observoacute un cambio en la mojabilidad del crudo con la aplicacioacuten de los surfactantes en los
anaacutelisis tensiomeacutetricos
En la tercera etapa se realizoacute el estudio dispersivo de los agregados asfalteacutenicos contenidos
en la roca Mediante el anaacutelisis de dispersioacuten de luz dinaacutemica se observoacute la disminucioacuten de
la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula siendo este efecto atribuido a las cabezas catioacutenicas
de los surfactantes Lo anterior fue comprobado con la teacutecnica de potencial zeta la cual mide
las fuerzas de atraccioacuten o repulsioacuten de las partiacuteculas siendo ambos surfactantes promotores
de estabilidad coloidal e inhibidores de agregacioacuten
ix
Abstract
This research project focuses on the study of the wettability of heavy crude oil on carbonate
reservoir rock by applying sulphate-based surfactants which have a dispersive effect on the
heavier fractions of petroleum known as asphaltenes responsible for the physicochemical
characteristics of oil such as viscosity surface tension and API gravity
The first stage of the project consisted of the carbonate reservoir rock by Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR) visible ultraviolet spectroscopy and Scanning Electron
Microscopy with X-ray Dispersion Spectroscopy (SEM EDX) for the identification of
characteristic functional groups morphology and elemental rock analysis
The second stage consisted of preparing water-in-oil emulsions by adding the surfactants in
different concentrations which were observed by light microscopy Afterwards the contact
angle of each of the study systems on carbonate rock was evaluated for the calculation of
surface tension and the wettability
The spontaneous imbibition of the rocks with crude oil was also carried out using the Amott
cell and the contact angle of the solvents against the impregnated rocks was measured A
change in the wettability of the crude oil was observed with the application of the surfactants
in the tensiometric analyzes
In the third stage was carried out the dispersive study of the asphalt aggregates contained in
the rock By the analysis of the dynamic light scattering observed the decrease in the size
distribution of the piece whereas this effect attributed to the cationic heads of the surfactants
The above was tested with the zeta potential technique which the attraction or repulsion
forces of the particles both are being surfactants colloidal stability promoters and
aggregation inhibitors
x
Introduccioacuten
Actualmente la industria petrolera enfrenta una serie de problemaacuteticas que van desde la
gravedad especiacutefica del hidrocarburo hasta su comportamiento en un sistema aceite-roca El
estudio de las fuerzas intermoleculares del sistema aceite-roca es un trabajo innovador para
la elaboracioacuten de nuevas formas de extraccioacuten yo el uso de sustancias quiacutemicas que faciliten
el transporte del crudo durante el proceso
Los surfactantes son empleados como aditivos para facilitar la extraccioacuten del crudo y su
transporte debido a sus efectos en la viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API Estos
compuestos son de gran intereacutes para la industria petrolera por lo que un estudio detallado de
la forma de actuar de estos aditivos podriacutea describir los fenoacutemenos que ocurren en un sistema
aceite-roca
La literatura [1 23] indica que los surfactantes del tipo sulfato tienen cierta afinidad con las
moleacuteculas maacutes pesadas del crudo los asfaltenos Hablar de asfaltenos implica ldquoproblemasrdquo
los cuales pueden ser observados durante la extraccioacuten y el transporte del petroacuteleo hacia las
refineriacuteas lo anterior se debe que al ser los componentes maacutes pesados del crudo la mayoriacutea
de las propiedades del crudo dependen de ellos por lo que el uso de aditivos que contengan
un grupo sulfato puede promover la dispersioacuten de los mismos generando un cambio en la
viscosidad del crudo en la tensioacuten interfacial del sistema por lo tanto a una variacioacuten de la
mojabilidad
La mojabilidad es una propiedad innata de las rocas que puede ser afectada a partir del cambio
en las interacciones del aceite y su superficie Con la aplicacioacuten de surfactantes sulfatados se
pretende la modificacioacuten de las fuerzas superficiales entre el crudo y la roca lo cual permitiriacutea
una recuperacioacuten mejorada del aceite contenido en los yacimientos facilitando de esta
manera el proceso de extraccioacuten del mismo [4]
En este proyecto se propone el anaacutelisis de las propiedades que afectan los fenoacutemenos de
superficie de los sistemas aceite-roca usando como referencia compuestos como agua
salmuera y posteriormente la adicioacuten de surfactantes sulfatados base imidazol asiacute como el
estudio de la dispersioacuten de dicho sistema
1
Capiacutetulo I
Antecedentes
2
1 Antecedentes
Actualmente con la disminucioacuten de crudos ligeros y la obtencioacuten de aceites pesados durante
la extraccioacuten de yacimientos se buscan meacutetodos alternativos que permitan la recuperacioacuten
mejorada en los pozos petroleros mediante la aplicacioacuten de aditivos quiacutemicos El estudio de
las fuerzas relacionadas entre el aceite y la roca permite describir de una forma real lo que
pasa dentro del sistema petroliacutefero con la aplicacioacuten de dichos compuestos
En 2009 Murillo y col [4] estudiaron el efecto del anioacuten PF6 en los agregados asfalteacutenicos
y encontraron un incremento en el momento dipolar debido al cambio de electronegatividad
provocado por el anioacuten Se establecioacute que el bromuro de 1-butil fue el liacutequido ioacutenico con
mejores propiedades estabilizadoras e inhibidoras de la agregacioacuten de asfaltenos
disminuyendo la aglomeracioacuten de asfaltenos hasta en un 70
En 2010 Ramiacuterez y col [5] investigaron experimentalmente el efecto que tienen los
surfactantes zwitterioacutenicos y catioacutenicos en el control de dantildeo al medio poroso debido a
depoacutesitos de asfaltenos y la descripcioacuten del cambio de mojabilidad en rocas carbonatadas
encontrando mejores condiciones de operacioacuten y concluyendo que el uso de salmuera con
alta concentracioacuten de sales provoca la precipitacioacuten de los surfactantes debido al efecto de
ioacuten comuacuten presente en los electrolitos que encapsula a las moleacuteculas surfactantes
hacieacutendolas maacutes pesadas y precipitaacutendolas por accioacuten de la gravedad
En 2010 Guzmaacuten y col [6] sintetizoacute y evaluoacute diferentes liacutequidos ioacutenicos como agentes
desemulsificantes del sistema de emulsioacuten de crudo mexicano ligero y pesado siendo el
bromuro de 1 metil-3-tetradecilimidazolio el que obtuvo mejores resultados frente a otros
compuestos con diferente tamantildeo de cadena hidrocarbonada Se estudioacute la aplicacioacuten de
calentamiento convencional y dieleacutectrico por microondas en los procesos de
desemulsificacioacuten siendo el segundo meacutetodo el que aceleroacute e incrementoacute la eficiencia de
desemulsificacioacuten
En 2011 Petcavich y col [7] desarrollaron un meacutetodo de extraccioacuten de hidrocarburos a partir
de rocas que contienen aceite En este trabajo se utilizoacute una mezcla de piedra arenisca de
3
aceite y un liacutequido ioacutenico a base de fosfonio el cual se sometioacute a la radiacioacuten de microondas
de 254 GHz y presentaron las condiciones de trabajo para la recuperacioacuten total del
hidrocarburo atrapado en la roca
En 2012 Dharaskar y col [8] investigaron sobre los liacutequidos ioacutenicos y su capacidad de
minimizar los efectos negativos de salud y medio ambientales En la industria de la refinacioacuten
se usa para la hidrodesulfurizacioacuten del crudo Estudiaron el efecto de cationes del tipo sulfato
contenidos en liacutequidos ioacutenicos sobre el petroacuteleo encontrando una disminucioacuten en la
concentracioacuten de grupos sulfurados y asfalteacutenicos
En 2014 Bin-Dahbag y col [9] realizaron un estudio sobre el proceso de inyeccioacuten de
liacutequidos ioacutenicos con base de amonio y fosfonio en la recuperacioacuten mejorada de petroacuteleo con
lo que redujo la tensioacuten interfacial de la fase acuosa del hidrocarburo Se realizaron pruebas
de deteccioacuten de nueve liacutequidos ioacutenicos con base de tetrasulfato de amonio los cuales fueron
diluidos en salmuera a distintas concentraciones y se probaron con un petroacuteleo crudo Saudiacute
Se registraron cambios en la tensioacuten interfacial por cambios de presioacuten y temperatura
indicando una mayor actividad de interaccioacuten superficial en el sistema rocapetroacuteleoliacutequido
ioacutenico
En 2014 Gonzaacutelez y col [10] estudiaron el cambio de la mojabilidad de rocas carbonatadas
en sistemas salmuerapetroacuteleo con la aplicacioacuten de surfactantes empleando el meacutetodo
tensiomeacutetrico de Gota cautiva Se obtuvieron resultados confiables y reproducibles que
concluyen un comportamiento afiacuten entre la salmuera el crudo y la roca
En 2015 Jiao y col [11] estudiaron el comportamiento de los liacutequidos ioacutenicos con base
imidazolio ( IBILs ) desarrollando nuevos agentes de extraccioacuten para separar indol una
sustancia industrial importante derivada del aceite de lavado que ocasiona graves problemas
medioambientales obteniendo eficiencias de extraccioacuten de maacutes de 90
En 2016 Banda y col [12] estudiaron el comportamiento de los asfaltenos presentes en
petroacuteleo crudo pesado usando como disolvente ciclohexano Primeramente se caracterizaron
los asfaltenos extraiacutedos por Espectroscopiacutea de ultravioleta-visible (UV-vis) posteriormente
se utilizoacute la teacutecnica de Dispersioacuten de Luz Dinaacutemica (DLS) para la distribucioacuten de tamantildeo de
partiacutecula de los agregados asfalteacutenicos Asiacute mismo se realizoacute un anaacutelisis de potencial Zeta
4
utilizando como disolvente nitrato de sodio 01 mmol para la comprobacioacuten del efecto
dispersivo de los asfaltenos frente a liacutequidos ioacutenicos sulfatados
11 Petroacuteleo
El petroacuteleo es una mezcla homogeacutenea de compuestos orgaacutenicos de estructura variada
principalmente hidrocarburos insolubles en agua En general es posible agrupar los
constituyentes del petroacuteleo en cuatro grupos orgaacutenicos bien definidos Saturados
Aromaacuteticos Resinas y Asfaltenos este conjunto es conocido como SARA Es un liacutequido
viscoso cuyo color variacutea entre amarillo y pardo obscuro hasta negro con reflejos verdes
Ademaacutes tiene un olor caracteriacutestico y flota en el agua Tambieacuten es conocido como petroacuteleo
crudo o simplemente crudo Se produce en el interior de la Tierra por transformacioacuten de la
materia orgaacutenica acumulada en sedimentos del pasado geoloacutegico y puede acumularse en
trampas geoloacutegicas naturales de donde se extrae mediante la perforacioacuten de pozos [13]
Las moleacuteculas de hidrocarburos que en forma colectiva constituyen el petroacuteleo estaacuten
formadas por distintas combinaciones de aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Seguacuten el nuacutemero
de aacutetomos de carbono de hidroacutegeno y de la distribucioacuten estructural de las mismas se tienen
los distintos hidrocarburos que abarcan desde el gas natural hasta los hidrocarburos soacutelidos
Comuacutenmente se denomina como petroacuteleo a aquella mezcla de hidrocarburos que a las
condiciones de temperatura y presioacuten ambientales estaacute en estado liacutequido En la naturaleza se
pueden encontrar afloraciones naturales de hidrocarburos muchos de ellos conocidos desde
la antiguumledad aunque la produccioacuten comercial se obtiene de acumulaciones que se localizan
en algunos lugares del subsuelo con profundidades variables desde pocos metros hasta
profundidades mayores a cinco mil metros [14]
Mientras mayor sea el contenido de carboacuten en relacioacuten al del hidroacutegeno mayor es la cantidad
de productos pesados que tiene el crudo [15] Esto depende de la edad del yacimiento y de
algunas caracteriacutesticas geoloacutegicas No obstante se ha comprobado que entre maacutes antiguos
son tienen maacutes hidrocarburos gaseosos y soacutelidos y menos liacutequidos entran en su
composicioacuten
5
Es un recurso natural no renovable y actualmente es la principal fuente de energiacutea en
los paiacuteses desarrollados El petroacuteleo liacutequido puede presentarse asociado a capas de gas
natural en yacimientos que han estado enterrados durante millones de antildeos cubiertos por los
estratos superiores de la corteza terrestre Los factores de presioacuten temperatura y procesos
quiacutemicos y fiacutesicos ayudados por la carencia de oxiacutegeno posibilitan la formacioacuten de petroacuteleo
liacutequido y de gas
La conversioacuten de materia orgaacutenica en petroacuteleo ocurre en varias etapas [15]
Degradacioacuten bioquiacutemica la accioacuten de las bacterias en un ambiente aerobio
oxidan la materia orgaacutenica
Policondensacioacuten e insolubilizacioacuten se produce un reordenamiento molecular
en dos etapas originaacutendose una sustancia insoluble en aacutelcalis con estructura
parecida al keroacutegeno
Cracking primario es la primera reaccioacuten de generacioacuten de hidrocarburos
regida por la ley de Arrhenius de donde se puede obtener petroacuteleo y gas
Cracking secundario se destruye la fraccioacuten inestable generando gas y
residuos carbonosos
111 Composicioacuten del petroacuteleo
El petroacuteleo crudo es la materia prima principal de la industria de Refinacioacuten del Petroacuteleo
estaacute constituido por una mezcla de diferentes tipos de hidrocarburos cuyas moleacuteculas se
componen de Carbono e Hidroacutegeno con un pequentildeo porcentaje de otros elementos
conformando hidrocarburos de estructuras maacutes o menos complejas como compuestos
heterociacuteclicos de nitroacutegeno oxiacutegeno y azufre compuestos organometaacutelicos ademaacutes contiene
sedimentos inorgaacutenicos y agua [16] La composicioacuten aproximada de los crudos puede verse
en la Tabla 11
6
Tabla11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo
Elemento Composicioacuten (peso)
Carbono 84-87
Hidroacutegeno 11-14
Azufre 0-5
Nitroacutegeno 0-02
Oxiacutegeno 0-05
112 Clasificacioacuten de petroacuteleo
Son miles los compuestos quiacutemicos que constituyen el petroacuteleo [16] y entre muchas otras
propiedades estos compuestos se diferenciacutean por su volatilidad (dependiendo de la
temperatura de ebullicioacuten) Al calentarse el petroacuteleo se evaporan preferentemente los
compuestos ligeros (de estructura quiacutemica sencilla y bajo peso molecular) de tal manera que
conforme aumenta la temperatura los componentes maacutes pesados van incorporaacutendose al
vapor
Las curvas de destilacioacuten TBP (del ingleacutes ldquotrue boiling pointrdquo temperatura de ebullicioacuten real)
distinguen a los diferentes tipos de petroacuteleo y definen los rendimientos que se pueden obtener
de los productos por separacioacuten directa [17] Por ejemplo mientras que en el crudo Istmo se
obtiene un rendimiento directo de 26 volumeacutetrico de gasolina en el Maya soacutelo se obtiene
157 [17]
La industria mundial de hidrocarburos liacutequidos clasifica el petroacuteleo de acuerdo con su
densidad API (paraacutemetro internacional del Instituto Americano del Petroacuteleo que diferenciacutea
las calidades del crudo) La Tabla 12 muestra estas clasificaciones
Tabla 12 Clasificacioacuten del petroacuteleo crudo [18]
Aceite crudo Densidad
( g cm3)
Densidad
grados API
Extrapesado gt10 100
Pesado 10 - 092 100 - 223
Mediano 092 - 087 223 - 311
7
Ligero 087 - 083 311 - 39
Superligero lt 083 gt 39
Para exportacioacuten en Meacutexico se preparan tres variedades de petroacuteleo crudo
a) Istmo Ligero con densidad de 336 grados API y 13 de azufre en peso
b) Maya Pesado con densidad de 22 grados API y 33 de azufre en peso
c) Olmeca Superligero con densidad de 393 grados API y 08 de azufre en peso
Atendiendo a la mayor proporcioacuten del tipo de hidrocarburos que conforman la mezcla los
crudos se clasifican seguacuten su base parafiacutenica nafteacutenica asfaacuteltica y mixta [15]
Base parafiacutenica Las parafinas livianas dan buenos aceites para usos domeacutesticos pues no
producen humo al quemarse tienden a resistir el calor Las parafinas maacutes espesas contienen
cristales blancos y blandos que cuando son aislados y refinados forman lo que se conoce
como cera parafinada Se encuentran generalmente en Pennsylvania West Virginia y centro
de Estados Unidos
Base nafteacutenica Generalmente contienen gran proporcioacuten de fracciones volaacutetiles es decir
componentes que se evaporan faacutecilmente Se encuentran generalmente en Rusia Peruacute
California y Golfo de Meacutexico En Cuba se encuentra en la zona de Motembo
Base asfaacuteltica Contienen ademaacutes de carbono e hidroacutegeno gran cantidad de azufre En la
destilacioacuten avanzada o maacutes completa rinden una cantidad relativamente alta de alquitraacuten y
asfalto Se pueden encontrar en Meacutexico Venezuela California y el Caribe
Base mixta Ninguacuten crudo es realmente netamente nafteacutenico asfaacuteltico o parafiacutenico en su
composicioacuten quiacutemica sino que contienen proporciones de los otros tipos caracterizaacutendose
por la predominancia del compuesto en mayoriacutea Sin embargo ciertos crudos de Kansas
Oklahoma y Texas tienen contenidos muy similares de nafta parafinas y asfaltos lo que
resulta imposible clasificarlos en una sola de estas clases
8
Asiacute mismo se puede clasificar al petroacuteleo crudo considerando dos grandes grupos de
hidrocarburos saturados y no saturados Cuando todas las valencias de los aacutetomos de carbono
se comparten con otros aacutetomos es saturado cuando hay falta de hidroacutegeno es no saturado y
se pueden compartir dos y hasta tres valencias entre un aacutetomo de carbono con otro aacutetomo [16]
Los saturados y no saturados se dividen a su vez en dos grupos importantes cada uno lo cual
se muestra en la figura 11
Figura 11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleo
Las parafinas son las maacutes ricas en hidroacutegeno son saturadas y por tanto relativamente estables
Las parafinas comunes son liacutequidos pero se pueden encontrar gaseosas o soacutelidas La foacutermula
general es CnH2n+2
Los naftenos (ciclanos o ciclo alcanos) son saturados lo que hace que sean resistentes a los
cambios incluyendo la oxidacioacuten Son relativamente insolubles en aacutecido sulfuacuterico
concentrado Los maacutes importantes son ciclopentano y ciclohexano La foacutermula general es
CnH2n
Los no saturados tienden a formar gomas lacas y fangos al unirse al oxiacutegeno y separarse del
carbono que es un enlace relativamente menos estable
Las olefinas son no saturados o insaturados y por lo que tienen deficiencia de hidroacutegeno
consecuentemente son muy reactivos y combinan faacutecilmente con el hidroacutegeno oxiacutegeno
cloro y azufre esto causa que no se deseen altos porcentajes de olefinas en los combustibles
9
sin embargo son apreciados en la manufactura de varios productos entre ellos el plaacutestico La
foacutermula general es CnH2n
Los aromaacuteticos son no saturados pero actuacutean como saturados Son deseables en la gasolina
pues tienen altas propiedades antidetonantes El nombre aromaacuteticos surge por su olor
caracteriacutestico Algunos se usan en la produccioacuten del TNT colorantes plaacutesticos insecticidas
etc Hoy en diacutea se ha limitado su concentracioacuten en los derivados por ser dantildeinos a la salud
son altamente canceriacutegenos La foacutermula general es CnH2n-6 [19]
113 Derivados del petroacuteleo
Un derivado del petroacuteleo es un producto procesado en una refineriacutea usando como materia
prima el petroacuteleo Seguacuten la composicioacuten del crudo y la demanda las refineriacuteas pueden
producir distintos productos derivados del petroacuteleo La mayor parte del crudo es usado como
materia prima para obtener energiacutea por ejemplo la gasolina Tambieacuten producen sustancias
quiacutemicas que se puede utilizar en procesos quiacutemicos para producir plaacutestico yo otros
materiales uacutetiles
Dentro de los productos que se generan a partir del petroacuteleo se tienen [17]
bull Gasolinas liacutequidas (fabricadas para automoacuteviles y aviacioacuten en sus diferentes grados
queroseno diversos combustibles de turbinas de avioacuten y el gasoacuteleo entre otros)
bull Lubricantes (aceites para maquinarias aceites de motor y grasas Estos compuestos llevan
ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ignicioacuten)
bull Parafinas Es la materia prima para la elaboracioacuten de velas y similares ceras para pisos
foacutesforos papel parafinado vaselinas faacutermacos etc
bull Cloruro de polivinilo (PVC) Existen dos tipos de cloruro de polivinilo tienen alta
resistencia a la abrasioacuten y a los productos quiacutemicos Se utiliza para hacer manteles cortinas
para bantildeo muebles alambres y cables eleacutectricos Tambieacuten se utiliza para la fabricacioacuten de
riego juntas techado y botellas
10
bull Plaacutesticos pinturas barnices disolventes fertilizantes e insecticidas detergentes cauchos
artificiales negro de humo polieacutester y muchos maacutes
bull Detergentes usados para limpieza
bull Azufre subproductos de la eliminacioacuten del azufre del petroacuteleo que pueden tener hasta un
2 de azufre como compuestos de azufre El azufre y aacutecido sulfuacuterico son materiales
importantes para la industria
bull Asfalto se utiliza como aglutinante para la grava que forma de asfalto concreto que se
utiliza para la pavimentacioacuten de carreteras etc
bull Petroquiacutemicos estos pueden ser hidrocarburos olefinas o sus precursores o diversos tipos
de quiacutemicos como aromaacuteticos y tienen una gran variedad de usos Por lo general son
utilizados como monoacutemeros como disolventes como precursores de una gran variedad de
sustancias quiacutemicas y productos quiacutemicos tales como los liacutequidos limpiadores de los
vehiacuteculos surfactante de la limpieza etc [19]
114 Importancia del petroacuteleo
El petroacuteleo tiene una gran trascendencia en la gran mayoriacutea de las actividades cotidianas Del
crudo se obtiene gasolina y diesel para autos y autobuses combustible para barcos y aviones
Se usa para generar electricidad obtener energiacutea caloriacutefica para faacutebricas hospitales y oficinas
y diversos lubricantes para maquinaria y vehiacuteculos La industria petroquiacutemica usa productos
derivados de eacutel para hacer plaacutesticos fibras sinteacuteticas detergentes medicinas conservadores
de alimentos hules y agroquiacutemicos El petroacuteleo ha transformado la vida de las personas y la
economiacutea de las naciones Su descubrimiento creoacute riqueza modernidad pueblos industriales
proacutesperos y nuevos empleos motivando el crecimiento de las industrias mencionadas [19]
12 Yacimiento
11
Un yacimiento de petroacuteleo puede definirse como un volumen poroso que contiene agua
petroacuteleo y a veces una fase gaseosa La proporcioacuten volumeacutetrica del petroacuteleo puede alcanzar
a veces el 40 El medio poroso del yacimiento o roca almaceacuten es de origen sedimentario
de tipo arenisca o caliza consolidado o no El diaacutemetro de poro variacutea ampliamente seguacuten la
roca pero es de tamantildeo microscoacutepico desde algunas fracciones de miliacutemetro a algunos
microacutemetros [20]
Cada medio poroso tiene sus caracteriacutesticas porosidad el porcentaje de volumen vaciacuteo
permeabilidad una medida de la resistencia al movimiento de los fluidos mojabilidad una
medida de la naturaleza superficial de la roca
Debido a su origen sedimentario el medio poroso del yacimiento es a menudo heterogeacuteneo
como consecuencia de las variaciones ocurridas durante el largo proceso de sedimentacioacuten
que formoacute la roca Estas heterogeneidades pueden existir a la escala de los poros o bien a la
escala macroscoacutepica en forma zonas muy o poco permeables y eventualmente de grietas
Las heterogeneidades complican las operaciones de produccioacuten porque tienden a producir
caminos preferenciales y segregaciones [21]
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientos
Geoloacutegicamente los yacimientos se clasifican en estratigraacuteficos estructurales y combinados
[22]
Estratigraacuteficos lentes de arena cambios de facies calizas o dolomitas porosas
cambios de permeabilidad
Estructurales Fracturas en calizas o rocas iacutegneas discordancias fallas en areniscas
sinclinales anticlinales domos salinos etc
Combinados Hace referencia a las posibles combinaciones que se presenten entre los
dos grupos anteriores
La clasificacioacuten anterior se puede observar en la figura 12
12
Figura 12 Clasificacioacuten de yacimientos [22]
122 Condiciones de explotacioacuten
La produccioacuten de petroacuteleo involucra dos aspectos El primero es la produccioacuten uacuteltima posible
en funcioacuten de las teacutecnicas empleadas y el segundo es el ritmo de produccioacuten de acuerdo con
el comportamiento de los pozos y de los diferentes meacutetodos de estimulacioacuten aplicables
(fracturacioacuten acidificacioacuten inyeccioacuten de vapor) Tradicionalmente se hace la distincioacuten entre
dos periacuteodos durante la explotacioacuten de un yacimiento la recuperacioacuten primaria y la
recuperacioacuten secundaria Desde el aumento del precio del petroacuteleo al principio de los antildeos
70 se considera ademaacutes una eventual recuperacioacuten terciaria yo una recuperacioacuten
(secundaria) mejorada [14]
123 Recuperacioacuten primaria
Durante este periacuteodo el petroacuteleo se drena naturalmente hacia los pozos bajo el efecto del
gradiente de presioacuten existente entre el fondo de los pozos y el seno del yacimiento
En muchos yacimientos profundos la presioacuten es mayor que la presioacuten hidrostaacutetica lo que
hace que el petroacuteleo llegue a la superficie con el solo aporte energeacutetico del yacimiento A
medida que se expanden los fluidos en el yacimiento la presioacuten tiende a bajar en forma maacutes
13
o menos raacutepida seguacuten los mecanismos involucrados En ciertos casos puede existir un
mecanismo de compensacioacuten natural que reduzca notablemente la velocidad de decaimiento
de la presioacuten como la compactacioacuten de sedimento (subsidencia) la migracioacuten de un acuiacutefero
activo o la lenta expansioacuten de una bolsa de gas
Cuando el pozo no es eruptivo o cuando la presioacuten se ha reducido se necesita un aporte
externo de energiacutea para disminuir la presioacuten en fondo de pozo O bien se bombea el crudo
desde el fondo del pozo o bien se utiliza el meacutetodo del levantamiento con gas este consiste
en inyectar gas en fondo de pozo de tal forma que el fluido producido sea una mezcla de gas
y petroacuteleo de densidad suficientemente baja para llegar a la superficie bajo el efecto de la
presioacuten del yacimiento [20]
El periacuteodo de recuperacioacuten primaria tiene una duracioacuten variable pero siempre se lleva a cabo
ya que permite recoger numerosas informaciones sobre el comportamiento del yacimiento
las cuales son de primera importancia para la planificacioacuten de la explotacioacuten ulterior
La recuperacioacuten primaria se termina cuando la presioacuten del yacimiento ha bajado demasiado
o cuando se estaacuten produciendo cantidades demasiado importantes de otros fluidos (gas
agua) El porcentaje de recuperacioacuten primaria del crudo originalmente en sitio es en promedio
del orden de 10-15 pero puede ser tan bajo como 5 en yacimientos sin gas disuelto o
alcanzar 20 y auacuten maacutes en yacimientos que poseen una baja permeabilidad y una bolsa de
gas o un acuiacutefero activo
Anteriormente se explotaba el yacimiento en recuperacioacuten primaria hasta que los gastos de
explotacioacuten se vuelvan prohibitivos en cuyo momento se pasaba a los meacutetodos de
recuperacioacuten secundaria Hoy en diacutea se inician las operaciones de recuperacioacuten secundaria
mucho antes de llegar a este punto y la seleccioacuten del meacutetodo de explotacioacuten en un yacimiento
o en una parte de un yacimiento obedece a criterios de optimizacioacuten [22]
14
124 Recuperacioacuten secundaria
Los meacutetodos de recuperacioacuten secundarios consisten en inyectar dentro del yacimiento un
fluido menos costoso que el petroacuteleo para mantener un gradiente de presioacuten Estos fluidos se
inyectan por ciertos pozos (inyectores) y desplazan o arrastran una parte del petroacuteleo hacia
los otros pozos (productores) [14]
Hasta el principio de los antildeos 70 el bajo precio del crudo haciacutea que los uacutenicos fluidos
susceptibles de inyectarse econoacutemicamente eran el agua y en ciertos casos el gas natural
El drenaje por agua permite elevar la recuperacioacuten del aceite originalmente en sitio hasta un
promedio de 25-30 con variaciones desde 15 hasta 40 seguacuten los casos
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejorada
Despueacutes de las recuperaciones primaria y secundaria el yacimiento contiene todaviacutea 60-
80 (promedio 72) del crudo originalmente en sitio Esto se debe a que la eficiencia de los
meacutetodos de recuperacioacuten primaria y secundaria estaacute limitada por dos factores [14]
A la escala de los poros el crudo alcanza una saturacioacuten residual suficientemente baja
para encontrarse en forma de gloacutebulos discontinuos atrapados por las fuerzas
capilares
A la escala del yacimiento existen ciertas zonas en las cuales el fluido inyectado
durante la recuperacioacuten secundaria no penetra por la baja permeabilidad de estas
zonas porque siguen caminos preferenciales o porque la geometriacutea de implantacioacuten
de los pozos no es favorable
Entre los meacutetodos cuyo propoacutesito es mejorar la eficiencia del desplazamiento mediante una
reduccioacuten de las fuerzas capilares se pueden citar la utilizacioacuten de solventes miscibles con
el crudo y la obtencioacuten de baja tensioacuten interfacial con soluciones de surfactantes o soluciones
alcalinas Para mejorar la eficiencia de barrido se puede reducir la viscosidad del crudo
mediante calentamiento aumentar la viscosidad del agua con poliacutemeros hidrosolubles o
taponar los caminos preferenciales por ejemplo con espumas [21]
15
Los meacutetodos actualmente propuestos para la recuperacioacuten mejorada involucran uno o varios
de estos aspectos En lo que se refiere a la utilizacioacuten de surfactantes se destacan los
siguientes
Drenaje miscible con microemulsiones
Drenaje inmiscible con soluciones de surfactantes y poliacutemeros (y a veces aacutelcali)
Inyeccioacuten de vapor con surfactante ndash espumas
126 Generalidades de pozos
La estimulacioacuten de pozos se utiliza para mejorar la productividad de pozos petroleros Esto
se logra inyectando fluidos al pozo y dependiendo del gasto y presioacuten de inyeccioacuten
alcanzada seraacute el tipo de estimulacioacuten realizada Para aumentar la produccioacuten de un pozo se
debe tratar la roca situada en la cercaniacutea para aumentar su permeabilidad esto se debe a que
la geometriacutea ciliacutendrica del pozo produce una mayor resistencia al flujo en la vecindad del
mismo Existen esencialmente dos meacutetodos de estimulacioacuten que pueden emplearse solos o
juntos la fracturacioacuten y la acidificacioacuten [23]
En ambos tipos de procesos se usan surfactantes como dispersantes de partiacuteculas finas (alquil
fenoles y alquil amonios etoxilados) y como inhibidores de corrosioacuten (alquilpiridinios)
En el proceso de fracturacioacuten se inyecta bajo alta presioacuten una mezcla de agua y de arena La
arena penetra en las fracturas producidas e impide que se vuelvan a cerrar cuando la presioacuten
retorna a lo normal
En la acidificacioacuten se inyecta una solucioacuten aacutecida (HCl HF) extremadamente corrosiva para
los metales pero capaz de disolver la roca almaceacuten (carbonato siacutelica) Se usan alquil
piridinios como inhibidores de corrosioacuten alquil fenoles etoxilados como humectantes y
alquil amonios etoxilados como dispersantes de partiacuteculas finas
A menudo en presencia de carbonatos se desea retardar la acidificacioacuten para que el fluido
aacutecido pueda penetrar a cierta distancia del pozo antes de reaccionar con la roca
Uno de los meacutetodos de retardacioacuten consiste en emulsionar la fase acuosa aacutecida en queroseno
en forma WO Para tales emulsiones se usan sulfonatos de petroacuteleo o sales de aacutecidos
16
carboxiacutelicos por la interaccioacuten que presentan los grupos ldquosulfatordquo con los hidrocarburos [22]
Siendo el queroseno la fase continua el contacto aacutecido-roca no se produce inmediatamente
y la emulsioacuten puede penetrar a varios metros del pozo antes de que se consuma todo el aacutecido
obseacutervese en la figura 13
Figura 13 Acidificacioacuten controlada mediante la inyeccioacuten de una emulsioacuten de aacutecido en
queroseno [23]
Otro meacutetodo de retardacioacuten consiste en inyectar nitroacutegeno con la solucioacuten aacutecida la cual
contiene agentes espumantes como alquil eacutester sulfatos surfactantes etoxilados y a veces
surfactantes fluorocarbonados La espuma formada juega dos papeles de una parte reduce el
contacto entre el aacutecido y la roca y por lo tanto reduce la velocidad de ataque Por otra parte
tienen tendencia en llenar las fracturas y taponarlas (efecto Jamin) lo que obliga al aacutecido a
penetrar en la zonas de baja permeabilidad (figura 14)
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumas
Sin embargo estos dos uacuteltimos meacutetodos deben emplearse con cierto cuidado para evitar el
taponamiento del pozo con emulsiones o espumas debido a la presioacuten con la que actuacutean en
17
el mismo sistema lo que puede luego tener un efecto desfavorable sobre la produccioacuten[22]
Despueacutes de la acidificacioacuten se pone el pozo en produccioacuten para eliminar el residuo de aacutecido
y las partiacuteculas finas producidas por la desagregacioacuten de la roca Es en esta etapa que se
requieren agentes dispersantes
Ciertos meacutetodos de estimulacioacuten consisten en inyectar surfactantes para bien sea cambiar la
mojabilidad de la roca de mojable por el agua a mojable por el aceite bien sea desplazar
el crudo atrapado en la cercaniacutea del pozo Tales meacutetodos se usan para estimular pozos que
han dejado de producir por cierto tiempo o que han sufrido un dantildeo
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluido
131 Porosidad
Es el volumen de huecos de la roca y define la capacidad de eacutesta para almacenar fluidos Se
expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca
(porosidad total o bruta) [24]
Tipos de Porosidad
Absoluta La porosidad absoluta se considera como el volumen poroso total (esteacuten o
no interconectados)
Efectiva La porosidad efectiva se refiere al porcentaje de poros interconectados que
permiten la circulacioacuten de fluidos
No efectiva Representa la diferencia entre las porosidades anteriores es decir la
porosidad absoluta y la efectiva
132 Permeabilidad
18
La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo
atraviese sin alterar su estructura interna Se afirma que un material es permeable si deja
pasar a traveacutes de eacutel una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado e impermeable si la
cantidad de fluido es despreciable Se define con la ecuacioacuten de Darcy [14]
119876 =119870119860
120583
119889119875
119889119905 119910 119870 =
119876120583
119860 119889119897
119889119875 (1)
Doacutende
A Aacuterea de flujo (cm2)
Q Gasto (cm3 s-1)
dP Diferencia de presiones a la entrada y salida del permeaacutemetro (kPa)
dl Longitud del medio poroso (cm)
micro Viscosidad del fluido (cP)
K Velocidad de filtracioacuten (m s-1)
Si el fluido es homogeacuteneo y no produce ninguna accioacuten importante sobre la roca se habla
de permeabilidad absoluta pero si en la roca existen varios fluidos como es el caso de un
yacimiento petroliacutefero en el que se puede tener petroacuteleo agua y gas se producen
interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los
fluidos
La permeabilidad relativa corresponde a la relacioacuten entre permeabilidad absoluta y efectiva
Para un fluido dado variacutea en funcioacuten directa con la saturacioacuten de ese fluido en la roca y se
expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro
133 Tortuosidad
19
Una medida de la complejidad geomeacutetrica de un medio poroso La tortuosidad es una relacioacuten
que caracteriza los trayectos de la difusioacuten del fluido y la conduccioacuten eleacutectrica a traveacutes de los
medios porosos En mecaacutenica de fluidos de los medios porosos la tortuosidad es la relacioacuten
del largo de la corriente natural de un fluido (una liacutenea o trayecto de flujo) entre dos puntos
y la distancia en liacutenea recta entre esos puntos Por consiguiente la tortuosidad se relaciona
con la relacioacuten entre el coeficiente de difusioacuten de un fluido cuando no estaacute confinado por un
medio poroso y su coeficiente de difusioacuten efectivo cuando estaacute confinado en un medio poroso
[22] Este paraacutemetro es calculado con la ecuacioacuten 2
119879 =119871119864
119871 ( 2)
Doacutende
L es la longitud de la muestra de roca (cm)
LE es la longitud de la trayectoria de difusioacuten del fluido sobre la muestra (cm)
El flujo de fluidos a traveacutes de medios porosos estaacute fuertemente afectado por fenoacutemenos de
superficie los cuales representan fuerzas retentivas de fluidos en el medio poroso La accioacuten
de la estimulacioacuten matricial no reactiva concierne principalmente a la alteracioacuten de estas
fuerzas retentivas manifiestas en los fenoacutemenos de tensioacuten superficial mojabilidad y
capilaridad [20]
134 Tensioacuten Superficial e Interfacial
La materia en sus diferentes estados (soacutelido liacutequido y gaseoso) estaacute compuesta de moleacuteculas
las cuales presentan una atraccioacuten llamada fuerza de cohesioacuten Esta fuerza es una
combinacioacuten de fuerzas electrostaacuteticas y de Van der Waals [21] Naturalmente estas fuerzas
son de diferente magnitud dependiendo del estado de la materia Por ejemplo en el seno de
un liacutequido una moleacutecula es rodeada por moleacuteculas similares ejerciendo unas con otras
fuerzas iguales de atraccioacuten por lo que eacutestas se encuentran balanceadas tal como se muestra
en la figura 15
20
15 Representacioacuten de fuerzas intermoleculares en un sistema bifaacutesico (soacutelido-liacutequido)
En la interfase entre un liacutequido y un soacutelido o entre un liacutequido y un gas estas fuerzas son
desequilibradas causando que exista una resultante en la interfase con ello se crea una
energiacutea libre de superficie En la misma figura 15 se observa la fuerza resultante en la
interfase del sistema denotada con el teacutermino FR cuyo valor representa la tensioacuten que existe
entre las moleacuteculas de las fase liquida y gaseosa
Esta fuerza seraacute mayor entre mayores sean las fuerzas de atraccioacuten de las moleacuteculas del
liacutequido Si se deseara romper esta superficie se tendriacutea que realizar un trabajo por unidad de
aacuterea equivalente a vencer la energiacutea libre de superficie Este trabajo por unidad de aacuterea se
denomina tensioacuten superficial y su valor especiacutefico para cada liacutequido depende
principalmente de la temperatura y presioacuten a las cuales se encuentre
Para medir la tensioacuten superficial se utilizan varios meacutetodos de los cuales el maacutes utilizado es
el meacutetodo de Du Nouumly Este procedimiento consiste en colocar en el liacutequido un arillo de
platino y llevarlo hasta la interfase midiendo la fuerza necesaria con la que el anillo rompe
la superficie La tensioacuten superficial generalmente se da en dina cm-1 Para el agua a
21
condiciones estaacutendar la tensioacuten superficial es de 72 dina cm-1 para el benceno es de 29 dina
cm-1 [19]
En 1905 Young mostroacute que las propiedades mecaacutenicas de la energiacutea libre de superficie
podriacutean relacionarse con una membrana hipoteacutetica en la superficie Usando en concepto de
tensioacuten superficial Young fue capaz de derivar expliacutecitamente la condicioacuten de equilibrio
mecaacutenico de una superficie curva entre dos fases [21] La ecuacioacuten de Young se expresa en la
ecuacioacuten 3
119875primeprime minus 119875prime =2120590
119903 (3)
Doacutende
Pacute Presioacuten en la fase externa (kPa)
Pacuteacute Presioacuten en la fase interna (kPa)
σ Tensioacuten Superficial (Erg)
r Radio de curvatura (cm)
Si un liacutequido estaacute en contacto con otra sustancia (gas soacutelido u otros liacutequidos inmiscibles) hay
una energiacutea libre interfacial Esto significa que se tiene que realizar cierta cantidad de trabajo
con el fin de separar ambos medios Los dos principales paraacutemetros que afectan a la magnitud
de la tensioacuten superficial son la temperatura y la composicioacuten quiacutemica de las fases La
variacioacuten de la tensioacuten superficial liacutequido-vapor (γLG) usualmente sigue una relacioacuten lineal
seguacuten la expresioacuten [15]
120574119871119866 = 1205740 + (∆120575119871119866
∆119879) (119879 minus 119879119898) (4)
Doacutende
γLG Tensioacuten interfacial liquido-gas (dina cm-1)
γ0 Tensioacuten superficial del liacutequido (dina cm-1)
ΔδLG Diferencia de densidad entre fase liacutequida y fase gaseosa (kg m-3)
22
ΔT Diferencia de temperaturas
T Temperatura del sistema (degC)
Tm Temperatura media (degC)
En general la tensioacuten superficial para metales fundidos disminuye con el incremento de la
temperatura (dγLGdT) lt 0 ya que las fuerzas de cohesioacuten disminuyen al aumentar la
agitacioacuten teacutermica La influencia del medio exterior se debe a que las moleacuteculas del medio
ejercen acciones atractivas sobre las moleacuteculas situadas en la superficie del liacutequido
contrarrestando las acciones de las moleacuteculas del interior del liacutequido
La medida de la tensioacuten superficial en soacutelidos policristalinos es compleja comparada con la
medida de γLG y en consecuencia los datos experimentales son difiacutecilmente fiables Se han
desarrollado modelos teoacutericos para predecir γSG pero con un eacutexito limitado Por otro lado la
tensioacuten γSL no puede ser medida directamente soacutelo puede predecirse con la ayuda de modelos
teoacutericos [19] El uso de la ecuacioacuten 5 para determinar el trabajo de adherencia (conociendo
previamente γLG o midieacutendolo simultaacuteneamente con θ) es una de las praacutecticas maacutes habituales
para investigar la mojabilidad de soacutelidos por metales liacutequidos
119882119886 = 120574119871119866(1 + 119888119900119904120579)
Donde
Wa Mojabilidad
γLG= Tensioacuten interfacial (dina cm-1)
θ= Angulo de contacto (deg)
135 Mojabilidad
23
La mojabilidad es uno de los fenoacutemenos de superficie y representa la interaccioacuten soacutelidondash
liacutequido este paraacutemetro depende de las fuerzas intermoleculares de los materiales en contacto
la fuerza de adhesioacuten entre el liacutequido y el soacutelido provoca que el liacutequido se extienda por la
superficie mientras que la de cohesioacuten del liacutequido hacen que eacuteste se abulte y tienda a evitarla
Es claro que tambieacuten estaacute muy relacionada con la capilaridad porque algunas sustancias
disueltas en el agua pueden modificar su tensioacuten superficial y por lo tanto su mojabilidad [14]
El aacutengulo de contacto ϴ es el aacutengulo que forma el liacutequido respecto a la superficie de contacto
con el soacutelido y estaacute determinado por la resultante de las fuerzas adhesivas y cohesivas Como
la tendencia de una gota a expandirse en una superficie plana aumenta con la disminucioacuten
del aacutengulo de contacto este aacutengulo proporciona una medida inversa de la mojabilidad [25]
Un aacutengulo de contacto pequentildeo (lt 90deg) indica que la mojabilidad es muy alta y el fluido se
extenderaacute sobre la superficie aacutengulos de contacto grandes (gt 90deg) significan que la
mojabilidad es baja y el fluido disminuiraacute el contacto con la superficie formando una gota
compacta este efecto puede observarse en las figuras 6a 6b y 6c Cuantitativamente la
mojabilidad se define como el producto de la tensioacuten superficial por el aacutengulo de contacto
esto es
119882119886 = 120590119888119900119904120579 (5)
Figura 16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidad [25]
El fenoacutemeno de mojabilidad es de gran importancia para el flujo de aceite en un medio
poroso Se ha demostrado que si la roca se encuentra mojada por agua la permeabilidad al
a) b) c)
24
aceite es muy superior al caso en que la roca se encuentre mojada por aceite lo cual favorece
la recuperacioacuten del aceite contenido en el yacimiento [26]
136 Capilaridad
La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de adsorber a otra Sucede cuando las
fuerzas intermoleculares adhesivas entre el liacutequido y el soacutelido son mayores que las fuerzas
intermoleculares cohesivas del liacutequido Cuando un liacutequido sube por un tubo capilar es debido
a la cohesioacuten intermolecular entre sus moleacuteculas es menor que la adhesioacuten del liacutequido con el
material del tubo es decir es un liacutequido que moja El liacutequido sigue subiendo hasta que la
tensioacuten superficial es equilibrada por el peso del liacutequido que llena el tubo
Al sumergir un tubo de vidrio capilar en agua eacutesta se elevaraacute en el tubo como se muestra en
la figura 17 en este caso se define como presioacuten capilar la diferencia de presiones en la
interfase [5]
Figura 17 Efecto de la capilaridad [5]
La presioacuten capilar seraacute la fuerza requerida para soportar la columna de agua en el tubo
dividida entre el aacuterea del capilar se explica con la ecuacioacuten 6
119875119862 = 120588119892ℎ119888 (6)
Doacutende
25
Pc Presioacuten capilar (N m-2)
ρ Densidad (kg m-3)
g Aceleracioacuten de la gravedad (981 m s-2)
hc Altura de la columna (m)
137 Adsorcioacuten
La adsorcioacuten es un proceso de separacioacuten y concentracioacuten de uno o maacutes componentes de un
sistema sobre una superficie soacutelida o liacutequida Los distintos sistemas heterogeacuteneos en los que
puede tener lugar la adsorcioacuten son soacutelido-liacutequido soacutelido-gas y liacutequido-gas Como en otros
procesos de este tipo los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases
La adsorcioacuten es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra
sobre la superficie de otra fase (generalmente soacutelida) Por ello se considera como un
fenoacutemeno subsuperficial La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama
adsorbato y la fase impregnada se llama adsorbente [21] Lo anterior se muestra en la
figura 18
Figura 18 Proceso de adsorcioacuten
1371 Tipos de adsorcioacuten
Cabe distinguir tres tipos de adsorcioacuten seguacuten sea la atraccioacuten entre el soluto y el adsorbente
sea de tipo eleacutectrico de Van der Waals (o Fiacutesica) o de naturaleza quiacutemica [23]
26
Eleacutectrica Cae de lleno dentro del intercambio ioacutenico y a menudo se le llama
adsorcioacuten por intercambio que es un proceso mediante el cual los iones de una
sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atraccioacuten electrostaacutetica
en los lugares cargados de la superficie Para dos absorbatos ioacutenicos posibles a
igualdad de otros factores la carga del ioacuten es el factor determinante en la adsorcioacuten
de intercambio Para iones de igual carga el tamantildeo molecular (radio de solvatacioacuten)
determina el orden de preferencia para la adsorcioacuten (figura 19)
Figura 19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectrica
Fiacutesica La adsorcioacuten que tiene lugar debido a las fuerzas de Van der Waals se llama
generalmente adsorcioacuten fiacutesica En este caso la moleacutecula adsorbida no estaacute fija en un
lugar especiacutefico de la superficie sino maacutes bien estaacute libre de trasladarse dentro de la
interfase Esta adsorcioacuten en general predomina a temperaturas bajas El aumento de
la temperatura disminuye considerablemente la adsorcioacuten (figura 110)
No se produce adsorcioacuten a temperaturas superiores a la temperatura criacutetica del
adsorbato gaseoso si la presioacuten del gas tiene valores cercanos a la presioacuten de vapor
de equilibrio para el adsorbato liacutequido se produciraacute una adsorcioacuten maacutes extensa en
capas muacuteltiples
27
Figura 110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesica
Quiacutemica Si el adsorbato sufre una interaccioacuten quiacutemica con el adsorbente el
fenoacutemeno se llama adsorcioacuten quiacutemica adsorcioacuten activa o quimisorcioacuten Las energiacuteas
de adsorcioacuten son elevadas del orden de las de un enlace quiacutemico debido a que el
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente Esta adsorcioacuten suele estar favorecida a una temperatura elevada [17]
(figura 111)
Figura 111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemica
La mayor parte de los fenoacutemenos de adsorcioacuten son combinaciones de las tres formas de
adsorcioacuten y de hecho no es faacutecil distinguir entre adsorcioacuten fiacutesica y quiacutemica
28
14 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten es el proceso en donde un fluido que satura un medio capilar es desplazado
por otro fluido Eacutesta es espontaacutenea cuando el fluido desplazante penetra el medio capilar
uacutenicamente bajo la accioacuten de las fuerzas capilares Las muestras de roca que imbiben
uacutenicamente agua se dice que son mojadas por agua de igual manera las que lo hacen con el
aceite son mojadas por aceite [10]
La imbibicioacuten es importante en un yacimiento que produce por mecanismos de empuje de
agua porque puede favorecer u obstruir el movimiento del agua afectando el aacuterea del barrido
Una prueba de imbibicioacuten es una comparacioacuten del potencial de imbibicioacuten del petroacuteleo y del
agua en una roca tal como se muestra en la figura 112 La mojabilidad de la roca es
determinada por la fase que maacutes absorbe
Figura 112 Celda de imbibicioacuten espontanea [10]
141 Interaccioacuten roca-fluido
29
La mojabilidad es muy importante en los procesos de recuperacioacuten de aceite debido al fuerte
efecto que eacutesta ejerce en la distribucioacuten localizacioacuten y flujo de aceite y agua dentro del
yacimiento durante la produccioacuten
Generalmente se asume que los yacimientos de aceite fueron creados por la acumulacioacuten de
hidrocarburos en rocas que originalmente conteniacutean agua y por ello se deduce que las rocas
de todos los yacimientos fueron originalmente mojadas por agua [23]
Asimismo existen casos aislados en los cuales despueacutes de haberse hecho pruebas se
descubrioacute que algunos yacimientos eran originalmente mojados por aceite Principalmente
los asfaltenos pesados y las fracciones de resina del aceite crudo son capaces de alterar por
adsorcioacuten la mojabilidad de una caliza mojada originalmente por agua a una mojada por
aceite en su superficie Los componentes maacutes importantes en el aceite crudo responsables
del cambio de mojabilidad son aquellos que contienen grupos cargados como un aacutecido o una
base
Las rocas carbonatadas usualmente llevan cargan positivas en la superficie y tienen una
afinidad mayor por los componentes aacutecidos del aceite crudo En el caso de las areniscas cuya
carga de superficie es negativa se tiene una mayor atraccioacuten por los componentes baacutesicos
del aceite crudo [10] La figura 113 es una representacioacuten esquemaacutetica de coacutemo las partes
aacutecidas del aceite se adsorben sobre la superficie de la caliza generando un estado maacutes mojado
por aceite
Figura 113 Esquema de las partes aacutecidas del aceite crudo sobre una superficie de roca
carbonatada
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacutenea
30
La comprensioacuten de los mecanismos detraacutes de la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes
puede mejorar el desempentildeo y aplicacioacuten del producto en operaciones de campo
Diversos investigadores notaron que para cada tipo de roca la efectividad de la alteracioacuten de
la mojabilidad depende de la naturaleza ioacutenica del surfactante empleado En nuacutecleos de
calizas mojadas por aceite Austad [19] observoacute que surfactantes catioacutenicos funcionaron
mejor que surfactantes anioacutenicos en el cambio de mojabilidad hacia un estado maacutes mojado
por agua Pensaron que para los surfactantes catioacutenicos el mecanismo responsable de la
alteracioacuten de la mojabilidad en una roca carbonatada mojada por aceite era la formacioacuten de
ion-par entre las cabezas catioacutenicas de las moleacuteculas de surfactante y los componentes aacutecidos
del aceite crudo adsorbidos en la superficie de la roca carbonatada
La formacioacuten del ioacuten-par puede remover la capa de aceite crudo adsorbida sobre la superficie
de la roca logrando exponer la superficie de la roca carbonatada originalmente mojada por
agua En cambio las moleacuteculas de los surfactantes anioacutenicos forman una capa en la
superficie de la roca carbonatada a traveacutes de la interaccioacuten hidrofoacutebica de las colas del
surfactante en la superficie La capa de surfactantes adsorbidos con los grupos de cabezas
hidrofiacutelicas cubriendo la roca originalmente mojada por aceite pueden cambiar la
mojabilidad del medio poroso a uno maacutes mojado por agua En este caso las interacciones
hidrofoacutebicas son mucho maacutes deacutebiles que las interacciones ioacuten-par explicando por queacute los
surfactantes catioacutenicos funcionan mejor que los anioacutenicos en la alteracioacuten de mojabilidad en
rocas carbonatadas hacia un estado maacutes mojado por agua Esas pruebas e hipoacutetesis fueron el
comienzo de un estudio que otros investigadores culminaron en un estudio de la mecaacutenica de
la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes [19]
143 Cambio de mojabilidad por el ioacuten-par
31
La formacioacuten del ioacuten-par es influenciado principalmente por interacciones electrostaacuteticas
entre las cabezas hidrofiacutelicas de los surfactantes y estabilizada por interacciones de las
secciones hidrofoacutebicas de la moleacutecula de surfactante Como se muestra en la figura 114 la
formacioacuten de iones-par remueve los componentes del aceite crudo adsorbido sobre la
superficie de la roca dando lugar a la cara originalmente mojada por agua [23]
Figura 114 Modelo esquemaacutetico del cambio de mojabilidad con la aplicacioacuten de
surfactantes
Los iones-par formados durante el proceso no son solubles en agua y por ello se mueven
raacutepidamente dentro de la fase aguaaceite hacia la fase aceite dejando las moleacuteculas de
surfactante libres en la fase agua para asociarse con los componentes del aceite adsorbidos
en la superficie de la roca (figura 114) De esta manera el surfactante cambia
satisfactoriamente la mojabilidad de la superficie de la roca a un estado maacutes mojado por agua
15 Surfactantes
Tambieacuten llamados agentes tensoactivos son moleacuteculas que poseen una doble afinidad
quiacutemica debido a su estructura de tipo polar-apolar Un surfactante o agente superficialmente
activo es una especie quiacutemica que es activa en la interfase entre dos fases como un
detergente que es activo en la interfase entre las fases hidroacutefila e hidroacutefoba El detergente se
acumula en la interfase y modifica la tensioacuten superficial La tensioacuten superficial disminuye
cuando un soluto se acumula en la interfase siendo el soluto en este caso el agente
tensoactivo [21] Su representacioacuten claacutesica se indica en la Figura 115
32
115 Representacioacuten de una moleacutecula surfactante
La parte polar o hidrofiacutelica es un grupo funcional ioacutenico o no ioacutenico generalmente constituida
por heteroaacutetomos como oxiacutegeno azufre nitroacutegeno y foacutesforo que permiten un alto grado de
solubilidad en solventes polares particularmente en agua La parte apolar o lipofiacutelica
generalmente es una cadena hidrocarbonada de tipo alquil o alquilbenceno con presencia en
ciertos casos de aacutetomos de un haloacutegeno u oxiacutegeno la cual es soluble en solventes orgaacutenicos
no polares particularmente hidrocarburos aceites y grasas Debido a esta dualidad polar-
apolar una moleacutecula de surfactante tiene tendencia a migrar a una intercara o una superficie
con la finalidad de satisfacer sus dos tipos de afinidad Sin embargo no todas las sustancias
anfifiacutelicas poseen esta propiedad [14]
151 Clasificacioacuten de los surfactantes
Debido a que la accioacuten de los surfactantes depende principalmente de fuerzas electrostaacuteticas
eacutestos se clasifican de acuerdo a la naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua Los
surfactantes se dividen en anioacutenicos catioacutenicos no ioacutenicos y zwitterioacutenicos (anfoteacutericos)
La tabla 13 muestra su clasificacioacuten incluyendo su descripcioacuten esquemaacutetica las
caracteriacutesticas de carga del grupo soluble en agua los grupos quiacutemicos maacutes importantes y
sus usos principales
La naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua se usa para clasificar los surfactantes en
cuatro clases
33
Tabla 13 Clasificacioacuten de Surfactantes
Clasificacioacuten Descripcioacuten Carga del grupo
soluble en agua
Grupos Quiacutemicos Usos
Anioacutenicos M+ + Negativa Sulfonatos
Sulfatos
Fosfatos
Fosfonatos
No
emulsificantes
Retardadores
Limpiadores
Catioacutenicos X- - Positiva Grupos aminos No
emulsificantes
Inhibidores de
corrosioacuten
No ioacutenicos XxR Sin Carga Alcoholes
Alquilfenoles
Esteres
Eteres
Amidas
Etileno
No
emulsificantes
Espumantes
Inhibidores de
corrosioacuten
Zwitterioacutenicos M+ X- Posee ambas
cargas
Dodedil amino
aacutecido propionico
Inhibidores de
corrosioacuten
Los surfactantes anioacutenicos se disocian en un anioacuten anfiacutefilo y un catioacuten el cual es en general
un metal alcalino o un grupo alquiacutelico A este tipo pertenecen los detergentes sinteacuteticos como
los alquil benceno sulfonatos los jabones (sales de sodio de aacutecidos grasos) los agentes
espumantes como el lauril sulfato los humectantes del tipo sulfosuccinato los dispersantes
del tipo lignosulfonatos etc La produccioacuten de los surfactantes anioacutenicos representa
alrededor del 55 de los surfactantes producidos anualmente en el mundo FIRP 303
Los surfactantes no ioacutenicos estaacuten en el segundo rango por orden de importancia con un poco
menos del 40 del total En solucioacuten acuosa no se ionizan puesto que ellos poseen grupos
hidroacutefilos del tipo alcohol fenol eacutester eacuteter o amida Una alta proporcioacuten de estos
surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofiacutelicos gracias a la presencia de una cadena
polieacuteter del tipo polioacutexido de etileno El grupo hidroacutefobo es generalmente un radical alquilo
o alquil benceno y a veces una estructura de origen natural como un aacutecido graso sobre todo
cuando se requiere una baja toxicidad
34
Los surfactantes catioacutenicos se disocian en solucioacuten acuosa en un catioacuten orgaacutenico anfiacutefilo y
un anioacuten generalmente del tipo halogenuro La gran mayoriacutea de estos surfactantes son
compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario La fabricacioacuten
de estos surfactantes es mucho maacutes cara que la de los anteriores y es por esta razoacuten que no
se les utilizan salvo en caso de aplicacioacuten particular como cuando se hace uso de sus
propiedades bactericidas o de su facilidad de adsorcioacuten sobre sustratos bioloacutegicos o inertes
que poseen una carga negativa
Esta uacuteltima propiedad hace que sean excelentes agentes antiestaacuteticos hidrofobantes asiacute
como inhibidores de corrosioacuten [24] y puedan ser utilizados tanto en productos industriales
como para uso domeacutestico
La combinacioacuten dentro de una misma moleacutecula de dos caracteres anioacutenico y catioacutenico
producen un surfactante llamado anfoacutetero o zwitterioacutenico como por ejemplo los
aminoaacutecidos las betaiacutenas o los fosfoliacutepidos ciertos anfoacuteteros son insensibles al pH otros
son de tipo catioacutenico a pH aacutecido y de tipo anioacutenico a pH alto Los anfoacuteteros son en general
tan caros como los catioacutenicos y por esta razoacuten su utilizacioacuten se reduce a aplicaciones
particulares
152 Propiedades de los surfactantes
Los surfactantes poseen dos propiedades fundamentales que permiten explicar las
caracteriacutesticas de su utilizacioacuten actividad superficial o interfacial adsorcioacuten y asociacioacuten
micelar
1511 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacuten
Cuando un surfactante estaacute presente a baja concentracioacuten en un sistema tiene la propiedad
de adsorberse en la superficie (liacutequido-gas) o en la cara interfacial (liacutequido-liacutequido) del
sistema Este fenoacutemeno que es debido a sus caracteriacutesticas anfifiacutelicas provoca una
disminucioacuten notable de la energiacutea libre superficial o interfacial
35
La energiacutea libre de la moleacutecula en la cara interfacial es inferior a la de la moleacutecula
solubilizada en la fase acuosa por tanto la transferencia desde el seno de la fase hacia la cara
interfacial llamada adsorcioacuten se realiza de manera espontaacutenea
La disminucioacuten de la tensioacuten interfacial provocada por la adsorcioacuten del surfactante favorece
la deformacioacuten y la ruptura de la cara interfacial la formacioacuten de sistemas dispersos como
las emulsiones y las espumas la movilizacioacuten del petroacuteleo residual en pozos entre otros [26]
1512 Micelas y asociacioacuten micelar
En soluciones diluidas el surfactante se encuentra en el seno del liacutequido bajo la forma de
solucioacuten molecular A partir de cierta concentracioacuten llamada concentracioacuten micelar criacutetica
(CMC) la fase acuosa se satura y la adicioacuten de maacutes moleacuteculas de surfactante provoca la
formacioacuten de agregados de tipo coloidal llamadas micelas [21]
Estos agregados pueden reunir entre decenas y centenas de moleacuteculas y su dimensioacuten y
estructura dependen de la estructura y del ambiente fisicoquiacutemico del surfactante La
tendencia liofoacutebica de una parte de la moleacutecula surfactante es el principal promotor de la
formacioacuten de las micelas en las cuales el surfactante alcanza una posicioacuten favorable para
satisfacer su doble afinidad
Generalmente se presenta a una micela como una entidad estaacutetica sin embargo las micelas
son agregados moleculares en equilibrio dinaacutemico con las moleacuteculas de surfactante dispersas
en el disolvente [19] De hecho se puede citar que ocurren dos procesos baacutesicos i) intercambio
de las micelas con las moleacuteculas de surfactante en el disolvente y con otras micelas que
ocurre en microsegundos o milisegundos y ii) la renovacioacuten real de una micela completa por
este proceso (de milisegundos a segundos)
Cuando el medio continuo estaacute formado por una sustancia no polar (denominado
geneacutericamente aceite aunque su estructura quiacutemica no corresponda a este nombre) se
forman las llamadas micelas inversas Ahora las cabezas polares estaacuten orientadas hacia el
interior de la micela y estaacuten en contacto con agua o alguna otra sustancia polar mientras que
las colas hidrocarbonadas se dirigen hacia el exterior de la micela (en contacto con el
36
disolvente apolar) como se muestra en la figura 116 Estos sistemas son mucho maacutes
complejos que los formados por las micelas normales tienen valores propios para la CMC y
nuacutemero de agregacioacuten aunque su tamantildeo y forma es similar al de las micelas normales
Figura 116 Tipos de micela A) micela normal B) micela inversa
El tamantildeo de una micela esfeacuterica estaacute determinado por el equilibrio entre las fuerzas de
atraccioacuten entre las colas hidrocarbonadas entre siacute (realmente se debe a que las moleacuteculas de
agua tienden a expulsar a las moleacuteculas hidrofoacutebicas de su contacto) y las fuerzas de repulsioacuten
electrostaacutetica de las cabezas polares (ayudada por efectos esteacutericos y de hidratacioacuten)
Mediante estudios de difraccioacuten de neutrones a aacutengulo pequentildeo se ha determinado la
estructura de una micela esfeacuterica el nuacutecleo es hidrocarbonado los grupos polares junto con
algunos contraiones (iones de carga opuesta al de la cabeza polar del surfactante) constituyen
la capa ioacutenica de Stern con un espesor de 02 a 04 nm y una capa difusa de Gouy-Chapman
mostrado en la figura 117
37
Figura 117 Comportamiento estaacutetico micelar
A concentraciones de surfactante ligeramente mayores que la CMC las micelas son esfeacutericas
al aumentar la concentracioacuten ciertas propiedades de la disolucioacuten indican un cambio en la
estructura de los agregados micelares Esto se debe probablemente a interacciones entre las
micelas Incrementando la concentracioacuten las micelas adoptan formas ciliacutendricas o lamelares
o en algunos casos de discos A concentraciones superiores pueden ocurrir transiciones de
fase de solucioacuten micelar a cristales liacutequidos
Algunas de las caracteriacutesticas que hacen atractivas a las micelas para aplicaciones analiacuteticas
son la existencia de la capa ioacutenica de Stern (en micelas ioacutenicas) la orientacioacuten anisotroacutepica
(o grado de ordenamiento) del nuacutecleo de la micela el ordenamiento de la interfaz micelar
debido a la carga y a las interacciones con el disolvente y a la diferencia de polaridad entre
el disolvente y el interior micelar
Muchas propiedades fiacutesicas de las soluciones de surfactante (conductividad tensioacuten
superficial densidad etc) cambian de manera notable en la CMC Comuacutenmente la CMC se
obtiene por la interseccioacuten de dos curvas que representan una propiedad fiacutesica determinada
de la solucioacuten una curva representa la propiedad fiacutesica a concentraciones inferiores a la CMC
y la otra representa la propiedad fiacutesica a concentraciones superiores [10]
38
16 Emulsiones
Las emulsiones son sistemas dispersos constituidos por dos liacutequidos inmiscibles en los cuales
la fase en suspensioacuten (fase interna o dispersa) se encuentra en forma de pequentildeas gotas
contenida en la fase externa (fase continua o dispersante) como se muestra en la figura 118
La estructura de las emulsiones estaacute estabilizada por un agente surfactante llamado
emulsionante Por definicioacuten una emulsioacuten es un sistema termodinaacutemicamente inestable y
tarde o temprano debe separarse en sus dos fases [19]
Figura 118 Micrografiacutea de una emulsioacuten WO
La nocioacuten de estabilidad es por supuesto relativa pero se refiere a una casi ausencia de
cambio durante un periacuteodo de tiempo suficientemente largo para el propoacutesito de la aplicacioacuten
praacutectica lo cual puede variar de algunos minutos a algunos antildeos
Las cantidades relativas de fase dispersa y fase continua (referidas tambieacuten como fase interna
y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades Por debajo de 20 de fase
interna se habla de una emulsioacuten de bajo contenido de fase interna En tales emulsiones se
puede considerar que hay poca interaccioacuten de las gotas entre siacute
39
161 Tipos de emulsiones
En la mayoriacutea de los casos en los cuales se hace una emulsioacuten con dos liacutequidos
inmiscibles uno de los liacutequidos es una fase acuosa y el otro una fase aceite u orgaacutenica Se
usan las abreviaturas O para el aceite y W para el agua siguiendo la nomenclatura
anglosajona Las emulsiones se clasifican [26]
Aceite en agua (OW) Esta emulsioacuten contiene gotas de aceite dispersadas en agua
es la emulsioacuten normal para todas las aplicaciones con excepcioacuten de la produccioacuten de
petroacuteleo en la cual se denomina emulsioacuten inversa
Agua en aceite (WO) En esta emulsioacuten la fase dispersa es el agua mientras que la
continua es el aceite esta es la emulsioacuten normal en la industria petrolera y la inversa
para todas las demaacutes aplicaciones
Agua en aceite en agua (WOW) Cuando las gotas de aceite de una emulsioacuten OW
contienen en su interior gotitas de agua se dice que se tiene una emulsioacuten muacuteltiple
del tipo WOW Las emulsiones muacuteltiples se encuentran en forma espontaacutenea en
ciertas circunstancias o pueden prepararse al propoacutesito
Aceite en agua en aceite (OWO) Este tipo de emulsioacuten no se encuentra con
frecuencia y estaacute constituida por una fase continua de aceite con gotas dispersas de
agua en su interior las cuales a su vez contienen pequentildeiacutesimas gotas de la fase
aceitosa
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleo
Durante las operaciones de extraccioacuten del petroacuteleo la mezcla bifaacutesica de petroacuteleo y agua se
desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden de 1 piediacutea lo que es insuficiente
para que se forme una emulsioacuten Sin embargo al pasar por todo el aparataje de produccioacuten
durante el levantamiento y el transporte en superficie (bombas vaacutelvulas codos restricciones
etc) se produce la agitacioacuten suficiente para que el agua se disperse en el petroacuteleo en forma
de emulsioacuten WO estabilizada por las especies de actividad interfacial presentes en el crudo
(asfaacuteltenos y resinas) y por soacutelidos
40
Existen tres requisitos esenciales para formar una emulsioacuten
Dos liacutequidos inmiscibles como el agua y el aceite
Suficiente agitacioacuten para dispersar uno de los liacutequidos en pequentildeas gotas en el otro
Un agente emulsionante para estabilizar las gotas dispersas en la fase continua
En los campos petroleros las emulsiones se conocen como emulsiones directas (agua
en aceite WO) y emulsiones indirectas (aceite en agua OW) Otra terminologiacutea en la
industria petrolera es clasificar las emulsiones directas producidas como duras y suaves Por
definicioacuten una emulsioacuten dura es muy estable y difiacutecil de romper principalmente porque las
gotas dispersas son muy pequentildeas Por otro lado una emulsioacuten suave es inestable y faacutecil de
romper En otras palabras cuando un gran nuacutemero de gotas de agua de gran diaacutemetro estaacuten
presentes ellas a menudo se separan faacutecilmente por la fuerza gravitacional El agua que se
separa en menos de cinco minutos es llamada agua libre
La mejor forma de deshidratar es evitar que se produzca la emulsioacuten o por lo menos
reducir al maacuteximo las condiciones que favorezcan el emulsionado
En pozos fluyentes una agitacioacuten considerable es generalmente causada por el gas
disuelto saliendo de la solucioacuten (el gas se desorbe) conforme decrece la presioacuten Este gas
tambieacuten causa turbulencia cuando fluye junto con la mezcla bifaacutesica agua-aceite a traveacutes de
accesorios y restricciones en la tuberiacutea de produccioacuten pasa por supuesto lo mismo cuando
se utiliza el levantamiento con gas Esta turbulencia puede ser reducida pero no eliminada
instalando un estrangulador de fondo Este estrangulador reduce la estabilidad de la emulsioacuten
por las siguientes causas
Hay menos presioacuten diferencial
La temperatura de fondo de pozo es considerablemente maacutes alta que la temperatura
en la superficie
Hay flujo laminar para una gran distancia corriente abajo del estrangulador de fondo
y por lo tanto menos turbulencia
Actualmente el 90 de las teacutecnicas utilizadas para la extraccioacuten de petroacuteleo crudo
generan o agravan los problemas de emulsionado Los quiacutemicos usados en las fracturas de la
41
formacioacuten estimulaciones de pozos inhibicioacuten de corrosioacuten etc frecuentemente causan
severos problemas de emulsionaje por lo que existen meacutetodos para romperlas tales como el
calentamiento aditivos quiacutemicos tratamiento eleacutectrico y asentamiento En los casos de bajo
contenido de agua (lt 10) resulta ventajoso antildeadir agua en fondo de pozo antes que se
produzca la emulsioacuten porque asiacute la emulsioacuten formada seraacute menos estable (el tamantildeo de gotas
aumenta y se favorece la coalescencia [22]
163 Agentes emulsionantes
Los agentes emulsionantes son numerosos y pueden ser clasificados
Compuestos naturales surfactantes tales como asfaltenos y resinas conteniendo
aacutecidos orgaacutenicos y bases aacutecidos nafteacutenicos aacutecidos carboxiacutelicos compuestos de
azufre fenoles cresoles y otros surfactantes naturales de alto peso molecular
Soacutelidos finamente divididos tales como arena arcilla finos de formacioacuten esquistos
lodos de perforacioacuten fluidos para estimulacioacuten incrustaciones minerales productos
de la corrosioacuten (por ejemplo sulfuro de hierro oacutexidos) parafinas asfaltenos
precipitados Los fluidos para estimulacioacuten de pozos pueden contribuir a formar
emulsiones muy estables
Quiacutemicos de produccioacuten antildeadidos tales como inhibidores de corrosioacuten biocidas
limpiadores surfactantes y agentes humectantes
Estos agentes pueden adsorberse en la interfase de la gota de agua y formar una peliacutecula
riacutegida que resulta en una alta estabilidad de la emulsioacuten WO formada lo cual ocurre en
menos de tres diacuteas Es por eso que la emulsioacuten debe tratarse lo maacutes pronto posible con
diferentes agentes tales como quiacutemica deshidratante calor sedimentacioacuten por
centrifugacioacuten o electrocoalescencia [26]
42
164 Estabilidad de una emulsioacuten
La peliacutecula interfacial formada estabiliza la emulsioacuten debido a que
Aumenta la tensioacuten interfacial Por lo general para emulsiones de crudo la tensioacuten
interfacial se encuentra en el intervalo de 30 a 36 mN m-1 Asiacute mismo la presencia
de sales aumenta la tensioacuten interfacial
Forma una barrera viscosa que inhibe la coalescencia de las gotas
Si el surfactante o partiacutecula adsorbida en la interfase es polar su carga eleacutectrica
provoca que se repelan unas gotas de otras
Otro mecanismo de estabilizacioacuten ocurre cuando los emulsionantes son partiacuteculas soacutelidas
muy finas Para ser agentes emulsionantes las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes pequentildeas que
las gotas suspendidas y deben ser mojadas por el aceite y el agua Luego estas finas partiacuteculas
soacutelidas o coloides (usualmente con surfactantes adheridos a su superficie) se colectan en la
superficie de la gota y forman una barrera fiacutesica Algunos de estos soacutelidos son el sulfuro de
hierro y la arcilla [14]
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacuten
La estabilidad y rompimiento de una emulsioacuten depende de varios factores
Tensioacuten interfacial Una reduccioacuten de la tensioacuten interfacial no aumenta la estabilidad
de la emulsioacuten Se ha encontrado que los sistemas de tensioacuten ultrabaja producen
emulsiones inestables
Viscosidad de la fase externa Una viscosidad alta en la fase externa disminuye el
coeficiente de difusioacuten y la frecuencia de colisioacuten de las gotas por lo que se
incrementa la estabilidad de la emulsioacuten Una alta concentracioacuten de las gotas tambieacuten
incrementa la viscosidad aparente de la fase continua y estabiliza la emulsioacuten Este
efecto puede ser minimizado calentando la emulsioacuten
Tamantildeo de la gota Gotas muy pequentildeas menores de 10 microm generalmente producen
emulsiones maacutes estables Una amplia distribucioacuten de tamantildeos de partiacuteculas resulta en
general en una emulsioacuten menos estable
43
Relacioacuten de volumen de fases Incrementando el volumen de la fase dispersa se
incrementa el nuacutemero de gotas yo tamantildeo de gotas y el aacuterea interfacial La distancia
de separacioacuten se reduce y esto aumenta la probabilidad de colisioacuten de las gotas Todos
estos factores reducen la estabilidad de la emulsioacuten
Temperatura Usualmente la temperatura tiene un efecto muy fuerte en la estabilidad
de la emulsioacuten Incrementando la temperatura se reduce la adsorcioacuten de surfactantes
naturales y disminuye la viscosidad de la fase externa la rigidez de la peliacutecula
interfacial y la tensioacuten superficial Todos estos cambios reducen la estabilidad de la
emulsioacuten
pH La adicioacuten de aacutecidos o bases inorgaacutenicos cambia radicalmente la formacioacuten de
peliacuteculas de asfaltenos y resinas que estabilizan las emulsiones agua-aceite
Envejecimiento de la interfase A medida que la interfase envejece la adsorcioacuten de
los surfactantes se completa y debido a las interacciones laterales entre las moleacuteculas
aumenta la rigidez de la peliacutecula hasta un valor estable en unas 3 o 4 horas Esta
peliacutecula o piel alrededor de la gota llega a ser maacutes gruesa maacutes fuerte y maacutes dura
Ademaacutes la cantidad de agentes emulsionantes se incrementa por oxidacioacuten fotoacutelisis
evaporacioacuten o por la accioacuten de bacterias
Salinidad de la salmuera La salinidad de la salmuera es un factor importante en la
formacioacuten de emulsiones estables Agua fresca o salmuera con baja concentracioacuten de
sal favorecen la estabilidad de las emulsiones Por el contrario altas concentraciones
de sal tienden a reducirla
Tipo de aceite Los crudos de base parafiacutenica usualmente no forman emulsiones
estables mientras que los crudos nafteacutenicos y de base mixta forman emulsiones
estables Ceras resinas asfaltenos y otros soacutelidos pueden influenciar la estabilidad
de la emulsioacuten En otras palabras el tipo de crudo determina la cantidad y tipo de
emulsionantes naturales
Diferencia de densidad La fuerza neta de gravedad que actuacutea en una gota es
directamente proporcional a la diferencia en densidades entre la gota y la fase
continua Aumentando la diferencia de densidad por incremento de la temperatura se
logra aumentar la velocidad de sedimentacioacuten de las gotas y por ende se acelera la
coalescencia
44
Capiacutetulo II
Metodologiacutea
45
La metodologiacutea usada en este proyecto se ilustra en la figura 21 la cual abarca desde la
preparacioacuten de las rocas carbonatadas hasta las pruebas de dispersioacuten de luz dinaacutemica y
potencial zeta con las cuales se concluyoacute este trabajo
Figura 21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyecto
Preparacioacuten de rocas carbonatadas (Pulido)
Caracterizacioacuten de las rocas carbonatadas por Espectroscopiacutea FTIR UV-vis SEMEDX
Preparacioacuten de emulsioacuten WO (7030) aplicando 500 y 800 mg L-1
de S(I) y S(II)
Imbibicioacuten espontaacutenea de roca de yacimiento
Pruebas tensiometricas de crudo emulsionado sobre roca
(Metodo de gota seacutesil)
Extraccioacuten de asfaltenos
Impregnacioacuten y caracterizacioacuten de asfaltenos sobre roca carbonatada
DLS de roca impreganada de asfaltenos
Potencial Zeta de roca impregnada de asfaltenos
46
21 Reactivos utilizados en el proyecto
En la tabla 21 se enlistan los reactivos utilizados en el desarrollo del proyecto
Tabla 21 Reactivos empleados en el proyecto
Reactivo Pureza Marca CAS
Acetona 999 Sigma-Aldrich 67-64-1
Heptano 95 Sigma-Aldrich 142-82-5
Tolueno 999 Sigma-Aldrich 108-99-3
Ciclohexano 99 Sigma-Aldrich 110-82-7
Nitrato de sodio 99 Sigma-Aldrich 7631-99-4
Cloruro de Sodio 99 Sigma-Aldrich 7647-14-5
Carbonato de calcio 99 Sigma-Aldrich 471-34-1
Sulfato de Magnesio 995 Sigma-Aldrich 7487-88-9
Agua desionizada 995 Sigma-Aldrich 7732-18-5
En la tabla 22 se muestran la nomenclatura de los surfactantes empleados en la
experimentacioacuten los cuales son de naturaleza catioacutenica debido a la propiedad de absorberse
sobre sustratos cargados negativamente
Tabla 22 Surfactantes utilizados en la experimentacioacuten
22 Sistemas de estudio
Clave Nombre surfactante Estructura
S1
P-toluensulfonato de 1-
metil-3-hexilimidazolio
[1M3HIMPTSO3]
S2
Cloruro de 1-metil-3-etil-
p-toluensulfonilimidazolio
[1M3EPTSO3IMCl]
CH3
N
N+
CH3
CH3
S
O
O
O-
CH3S
O
O
O
CH3
N
N+
Cl-
47
221 Agua congeacutenita
Se obtuvo una muestra de agua congeacutenita del petroacuteleo Aguacate 72 la cual fue proporcionada
por el Instituto Mexicano del Petroacuteleo Dicha muestra fue caracterizada por Espectroscopiacutea
de infrarrojo de Fourier con la finalidad de conocer los grupos funcionales presentes en la
misma
221 Salmuera
Se preparoacute a partir de una mezcla de 3 sales caracteriacutesticas de cualquier salmuera natural en
la siguiente proporcioacuten 30 de carbonato de calcio (CaCO3) 50 de cloruro de sodio
(NaCl) y 20 de sulfato de magnesio (MgSO4) Tomando como referencia 100 mL se pesoacute
1 gramo de mezcla de sales y se diluyoacute en agua desionizada posteriormente se realizaron
diluciones hasta obtener una concentracioacuten de 100 mg L-1
222 Extraccioacuten de asfaltenos
Se pesaron 10 g de crudo y se disolvieron en 40 mL de heptano posteriormente se aplicoacute
agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas Tras este periodo se dejoacute en reposo el sistema durante
24 horas Finalmente la solucioacuten se filtroacute aplicando vaciacuteo y exceso de heptano para arrastrar
los restos de compuestos no asfalteacutenicos contenidos en el producto
223 Impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada
Se preparoacute una muestra con la siguiente proporcioacuten 15 g de asfaltenos (30) y 35 g de
roca carbonatada (70) los cuales fueron agregados a 50 mL de Ciclohexano contenidos en
un matraz como se muestra en la figura 22 Se realizoacute agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas
posteriormente se realizoacute una filtracioacuten a vaciacuteo El producto obtenido se secoacute en una estufa a
100degC con un tiempo de secado de 24 horas
48
Figura 22 Muestra de roca carbonatada y asfaltenos
23 Disentildeo de experimentos
Se prepararon emulsiones con una proporcioacuten de 7030 (WO donde W corresponde al agua
siendo en nuestro caso de estudio agua congeacutenita oacute salmuera y O corresponde al crudo)
utilizando crudo Aguacate del pozo 72 manejando 10 g totales de muestra los cuales fueron
depositados en recipientes de plaacutestico de 20 mL ademaacutes de ser sometidas a agitacioacuten
continua con una espaacutetula por 20 minutos con el fin de formar la emulsioacuten
El petroacuteleo utilizado en el proyecto tiene las siguientes caracteriacutesticas
Densidad 09696 g cm-3
1440 grados API
2166 Saturados 3057 Aromaacuteticos 2435 Resinas y 2341 Asfaltenos
El disentildeo experimental es presentado en la tabla 23 se trabajoacute con 2 diferentes surfactantes
(S2 y S3) y estos se agregaron a las diferentes emulsiones WO usando concentraciones de
500 mg L-1 y 800 mg L-1 realizaacutendose micrografiacuteas de las emulsiones antes y despueacutes de
agregar el surfactante posteriormente se realizoacute el anaacutelisis tensiomeacutetrico de cada emulsioacuten
finalizando con el estudio dispersivo de los asfaltenos por Dispersioacuten de Luz dinaacutemica (DLS)
y Potencial Zeta
49
Tabla 23 Disentildeo de experimentos
Experimento Q1 O1 SX C(mg L-1)
Roca Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Experimento Q1 O1 SX C(ppm)
Roca Impregnada Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
50
24 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
241 Espectroscopiacutea de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)
Las teacutecnicas espectroscoacutepicas se fundamentan en la interaccioacuten de la materia con la
radiacioacuten Esta interaccioacuten provoca procesos como la absorcioacuten o la difusioacuten (scattering)
Cuando una moleacutecula absorbe o emite un fotoacuten su estado energeacutetico cambia En general
este cambio se manifiesta como una variacioacuten en la energiacutea traslacional de la moleacutecula y
como una modificacioacuten en su estado electroacutenico vibracional o rotacional Como las energiacuteas
asociadas a cada uno de estos cambios son muy diferentes cada uno de estos procesos se
puede tratar de manera independiente Exceptuando los cambios traslacionales los estados
energeacuteticos de las moleacuteculas estaacuten cuantizados consecuentemente los procesos de absorcioacuten
y emisioacuten soacutelo pueden darse a determinadas frecuencias de los fotones Para cada moleacutecula
dada su espectro de adsorcioacutenemisioacuten constituye una huella de la misma Las absorciones
que se producen en la regioacuten espectral del infrarrojo involucran energiacuteas mucho maacutes
pequentildeas comparadas con las energiacuteas de absorcioacuten relacionadas con la estructura electroacutenica
de la moleacutecula (ultravioleta y visible)
Sin embargo no todas las vibraciones yo rotaciones producen una absorcioacuten de radiacioacuten
incidente Soacutelo los modos vibracionales y rotacionales de moleacuteculas con momento bipolar
diferente de cero o bien aquellos modos que induzcan un momento diferente de cero en la
moleacutecula son activos al infrarrojo Para que exista un espectro rotacional activo en el
infrarrojo se requiere que la moleacutecula sea polar mientras que para tener un espectro
vibracional activo en el infrarrojo basta que el movimiento vibracional de los aacutetomos de la
moleacutecula induzca un momento bipolar no nulo [28]
En un interferoacutemetro Michelson el haz de radiacioacuten que viene de la fuente se divide mediante
un espejo semipermeable (beamsplitter) en dos haces parciales que se reflejan en sendos
espejos uno fijo y otro moacutevil vuelven al beamsplitter y se recombinan en interferencia Un
desplazamiento del espejo moacutevil cambia el camino oacuteptico en ese brazo del interferoacutemetro
51
introduciendo una diferencia de fase entre los haces y por tanto un cambio en la amplitud de
la interferencia La intensidad de sentildeal que llega al detector tras atravesar la muestra
representada como funcioacuten de la diferencia en la trayectoria de ambos haces (retardo) es lo
que se llama interferograma Con una radiacioacuten monocromaacutetica se obtiene una sentildeal coseno
que en el caso de caminos oacutepticos ideacutenticos en ambos brazos proporciona una interferencia
constructiva sin diferencia de fase entre los haces y por tanto una intensidad maacutexima El
resultado es un interferograma (intensidad en funcioacuten del tiempo) la cual se convierte viacutea un
algoritmo matemaacutetico (transformada de Fourier) en un diagrama de Intensidad en funcioacuten de
la frecuencia (espectro)
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro FTIR de marca Perkin Elmer Spectrum One donde se
analizoacute la roca carbonatada de yacimiento Para la identificacioacuten de los grupos funcionales
se trabajoacute con un intervalo espectral de 4000 a 380 cm-1 utilizando 12 barridos
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)
El espectro Ultravioleta y Visible de las moleacuteculas estaacute asociado a transiciones electroacutenicas
entre los diferentes niveles energeacuteticos en ciertos grupos o aacutetomos de la moleacutecula En
contraste la absorcioacuten de energiacutea en la regioacuten Infrarroja estimulan la moleacutecula completa y
causa cambios vibracionales y rotacionales en esta lo cual caracteriza la entidad estructural
de dicha moleacutecula Los grupos de aacutetomos que dan origen a la absorcioacuten en el UV cercano o
UV de cuarzo se conocen como grupos cromoacuteforos La mayoriacutea de los grupos insaturados y
heteroatoacutemicos que tienen pares de electrones no compartidos son cromoacuteforos potenciales y
estos grupos son la base de la elucidacioacuten de grupos estructurales en las moleacuteculas activas en
el UV cercano
Cuando dos aacutetomos forman un enlace quiacutemico los orbitales atoacutemicos de cada uno de ellos
se combinan para formar dos orbitales moleculares uno de baja energiacutea que es el orbital
enlazante y otro de energiacutea mayor que es el orbital antienlazante Los enlaces covalentes que
se originan entre los orbitales de dos aacutetomos que se enlazan quiacutemicamente pueden ser de dos
tipos y se conocen como enlaces σ y enlaces π
52
Al efectuarse dicho enlace covalente se forman simultaacuteneamente orbitales antienlazantes σ
en el caso de un orbital molecular enlazante σ y π en el caso de un orbital molecular
enlazante p La absorcioacuten de energiacutea radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones
σ oacute π resulta en la excitacioacuten de eacutestos los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales
antienlazantes La absorcioacuten de radiacioacuten Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas
transiciones
Un espectro ultravioleta-visible es esencialmente un graacutefico de absorbancia de luz frente a
una longitud de onda en el rango del ultravioleta o la luz visible para una determinada
sustancia puede hacerse un graacutefico estaacutendar del coeficiente de extincioacuten (ε) frente a la
longitud de onda (λ) Las longitudes de onda de los picos de absorcioacuten pueden
correlacionarse con los tipos de enlace en una determinada moleacutecula y son valiosos para
determinar los grupos funcionales dentro de la moleacutecula La absorcioacuten UV-Vis no es sin
embargo una prueba especiacutefica para ninguacuten compuesto determinado La naturaleza del
disolvente el pH de la solucioacuten la temperatura la concentracioacuten de electrolitos y la
presencia de sustancias interferentes pueden influir en los espectros de absorcioacuten de los
compuestos asiacute como las variaciones de ancho de banda [29]
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro UV-vis de marca Cintral 303 GBC en donde se analizaron
los compuestos sintetizados Para la identificacioacuten de los grupos funcionales se trabajoacute con
una celda de 10 mm de espesor en un intervalo espectral de 800 a 200 nm Se preparoacute una
solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano a una concentracioacuten de 100 mg L-1 asiacute como
soluciones de roca impregnada de crudo en ciclohexano a diferentes concentraciones (100
50 30 20 10 5 3 y 1 mg L-1)
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
El Microscopio electroacutenico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscopy) es una
teacutecnica que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen
ampliada de la superficie de un objeto Es un instrumento que permite la observacioacuten y
caracterizacioacuten superficial de soacutelidos inorgaacutenicos y orgaacutenicos Tiene una gran profundidad
53
de campo la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra Eacutesta teacutecnica
brinda informacioacuten topograacutefica sobre la superficie de material analizado y el anaacutelisis EDX
proporciona informacioacuten sobre su composicioacuten quiacutemica [30]
Esta teacutecnica esencialmente consiste en hacer incidir en la muestra un haz de electrones Este
bombardeo de electrones provoca la aparicioacuten de diferentes sentildeales que captadas con
detectores adecuados nos proporcionan informacioacuten acerca de la naturaleza de la muestra
La sentildeal de electrones secundarios proporciona una imagen de la morfologiacutea superficial de
la muestra La sentildeal de los electrones retrodispersados muestra una imagen cualitativa de
zonas con distinto nuacutemero atoacutemico medio y la sentildeal de rayos X presenta los espectros e
imaacutegenes acerca de la composicioacuten de elementos quiacutemicos en la muestra
25 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten espontaacutenea de la fase mojante sobre la superficie de una roca consiste en la
absorcioacuten de la misma en su superficie tan pronto como existe contacto entre dicha fase y el
soacutelido sin requerirse de la accioacuten de un trabajo externo para realizarse lo cual tambieacuten se
conoce como la succioacuten capilar de esta fase en el medio poroso es decir es un proceso que
consiste en el ingreso de la fase mojante en los poros de la roca por efecto de las fuerzas
capilares [10]
En este proceso se utiliza una Celda de Amott el cual es un contenedor ciliacutendrico conceacutentrico
de vidrio en cuya parte central se colocan el material que seraacute saturado por la fase mojante
y en la capucha externa se introduce liacutequido refrigerante para mantener la temperatura
constante dentro de la celda
Para la experimentacioacuten se utilizaron 3 rocas carbonatadas que fueron introducidas en una
celda de Amott de 500 mL Posteriormente se llenoacute la parte interna de la celda con petroacuteleo
crudo y la capucha externa con refrigerante La celda se colocoacute en un bantildeo de aceite a 65degC
durante 7 diacuteas En la figura 23 se observa el montaje del equipo para el proceso de
imbibicioacuten
54
Figura 23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacuten
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
Este meacutetodo experimental es usado para determinar el aacutengulo de contacto existente en un
sistema bifaacutesico Consiste en la colocacioacuten de una gota sobre una superficie soacutelida
posteriormente el equipo realiza el caacutelculo de paraacutemetros propios de la gota como radio y
diaacutemetro los cuales son fundamentales sustituidos en las ecuaciones de tensioacuten superficial
[10]
Para la experimentacioacuten se emplearon 8 rocas carbonatadas de yacimiento las cuales fueron
previamente pulidas para generar una superficie lisa obseacutervese la figura 24 Posteriormente
se colocoacute la emulsioacuten preparada en la jeringa para estudio tensiomeacutetrico por accioacuten
gravitacional el fluido descendioacute provocando la formacioacuten de una gota la cual se fija en la
roca La caacutemara del tensioacutemetro detecta el aacutengulo y la forma de la gota asiacute como su
deformacioacuten con el paso del tiempo
55
Figura 24 Roca carbonatada previamente pulida
Asiacute mismo se realizoacute la medicioacuten del aacutengulo de contacto para las rocas imbibidas en crudo
(figura 25) soacutelo difiriendo en la fase mojante la cual se trataba en un primer experimento
de la salmuera o del agua congeacutenita y posteriormente se adicionaron los dos surfactantes a
500 y 800 mg L-1
Figura 25 Roca carbonatada imbibida de petroacuteleo
Se utilizoacute un tensioacutemetro de la marca Attension modelo Theta Lite 101 (figura 26) en donde
se analizaron los sistemas de estudio mencionados anteriormente empleando el meacutetodo de
gota seacutesil
Figura 26 Tensioacutemetro Attension Theta Lite 101
56
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemica
La dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS) a la que a veces se hace referencia como dispersioacuten de
luz cuasi elaacutestica (QELS) es una teacutecnica no invasiva y bien establecida para medir el tamantildeo
y distribucioacuten de tamantildeo de moleacuteculas partiacuteculas y agregados tiacutepicamente en la regioacuten
submicromeacutetrica y con la uacuteltima tecnologiacutea inferiores a 1 μm
Las aplicaciones tiacutepicas de la dispersioacuten de luz dinaacutemica son la caracterizacioacuten de partiacuteculas
emulsiones o moleacuteculas que se han dispersado o disuelto en un liacutequido El movimiento
Browniano de las partiacuteculas o moleacuteculas en suspensioacuten hace que la luz laacuteser se disperse en
diferentes intensidades [31] Con el anaacutelisis de estas fluctuaciones en la intensidad se obtiene
la velocidad del movimiento Browniano y por lo tanto del tamantildeo de partiacutecula mediante la
relacioacuten de Stokes-Einstein (figura 27)
Figura 27 Diagrama de funcionamiento de Dispersioacuten de luz dinaacutemica
A diferencia de la dispersioacuten de luz estaacutetica para determinar el tamantildeo de las partiacuteculas y
agregados la dispersioacuten de luz dinaacutemica no tiene en cuenta la dependencia del aacutengulo sino
la variacioacuten de la intensidad de dispersioacuten en el tiempo debido a la aglomeracioacuten de las
partiacuteculas con respecto al tiempo teniendo un efecto de sedimentacioacuten que provoca un
caacutelculo erroacuteneo de la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
Esta teacutecnica fisicoquiacutemica se utiliza para determinar el perfil de distribucioacuten de tamantildeos de
partiacuteculas pequentildeas en suspensioacuten mediante una fuente monocromaacutetica que pasa a traveacutes de
un polarizador y la muestra La luz dispersada pasa posteriormente a traveacutes de un segundo
57
polarizador donde es recogido por un fotomultiplicador y se obtiene una intensidad de
dispersioacuten determinada [32]
Para la experimentacioacuten se preparoacute la solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano con una
concentracioacuten de 100 mg L-1 se llevoacute a sonicacioacuten durante 15 minutos posteriormente se
colocaron 3 mL de la muestra en la celda y se realizoacute su anaacutelisis Asiacute mismo se estudiaron
las soluciones de roca impregnada en ciclohexano y la aplicacioacuten de los surfactantes sobre
las mismas a 500 y 800 mg L-1
Se utilizoacute un equipo de la marca Malvern modelo Zetasizer en donde se analizaron los
sistemas de estudio mencionados anteriormente
28 Potencial Zeta
El potencial zeta es una propiedad que mide el potencial electrocineacutetico en sistemas
coloidales en la quiacutemica coloidal se denota por lo general con la letra griega zeta Desde un
punto de vista fiacutesico el potencial zeta es el potencial eleacutectrico en la doble capa interfacial es
decir que es el punto donde se unen la capa difusa y la de Stern Tambieacuten el potencial zeta es
la diferencia de potencial entre el medio de dispersioacuten y la capa estacionaria unido a la
partiacutecula dispersada []
Las partiacuteculas coloidales dispersas en una solucioacuten estaacuten cargadas eleacutectricamente gracias a
sus caracteriacutesticas ioacutenicas y de bipolaridad El desarrollo de una red de carga eleacutectrica en la
superficie de la partiacutecula puede afectar la distribucioacuten de iones en una regioacuten interfacial
vecina y provocar un aumento de la concentracioacuten de iones contados (iones de carga
contraria a las partiacuteculas) cerca de la superficie tal como se muestra en la figura 27
58
Figura 27 Interacciones entre las partiacuteculas tras la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica [33]
Cada partiacutecula dispersa en una solucioacuten se rodea de iones cargados con carga opuesta que se
denomina capa fija Fuera de esta capa fija existen distintas composiciones de iones de
polaridad opuesta formando un aacuterea nebulosa De esta manera se crea una capa doble
eleacutectrica en la regioacuten de interfase partiacutecula- liacutequido
La medida del Potencial Z permite caracterizar y predecir el comportamiento de soacutelidos
macroscoacutepicos y de partiacuteculas en suspensiones liacutequidas en multitud de aplicaciones teacutecnicas
En suspensiones liacutequidas el Potencial Z es una medida de la atraccioacutenrepulsioacuten entre
partiacuteculas cargadas electrostaacuteticamente permitiendo estudiar la estabilidad de dispersiones
emulsiones suspensiones proteiacutenas poliacutemeros etc
En soacutelidos macroscoacutepicos es una propiedad importante de interfaces soacutelidoliacutequido cargadas
eleacutectricamente siendo un indicador de la carga superficial de un soacutelido en contacto con un
electrolito Esto permite estudiar las caracteriacutesticas y funcionalizacioacuten de superficies
Este anaacutelisis se realizoacute con un equipo de marca Malvern modelo ZetaSizer Se estudiaron
los sistemas Roca carbonatada roca impregnada de crudo asiacute como la aplicacioacuten de los
surfactantes a 500 y 800 mg L-1 utilizando como electrolito indiferente nitrato de sodio
01mM el cual permite la desestabilizacioacuten del coloide con la finalidad de que la corriente
eleacutectrica pase por todas las partiacuteculas y se obtenga una medicioacuten correcta del anaacutelisis Asiacute
mismo se varioacute el pH del sistema de 1 a 7 utilizando HCl 01 M y NaOH 01 M para
observar el efecto dispersivo de las partiacuteculas de roca
59
Capiacutetulo III
Resultados
31 Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenos
60
Se realizaron 3 extracciones de asfaltenos utilizando 10 mL de petroacuteleo en cada una se
obtuvieron entre 14182 g y 16875 g de asfaltenos lo cual representa un porcentaje de
recuperacioacuten en 1418 y 1675 El producto obtenido teniacutea una tonalidad oscura lo anterior
se observa en la figura 31
Figura 31 Asfaltenos obtenidos tras extraccioacuten
Asiacute mismo se realizoacute el procesos de impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada por
triplicado de los cuales se obtuvieron entre 169 g y 189 g de roca impregnada que
representa una recuperacioacuten entre 338 y 378 El producto teniacutea una tonalidad cafeacute oscura
lo anterior se observa en la figura 32
Figura 32 Roca impregnada de asfaltenos
32 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con transformada de Fourier
61
La elucidacioacuten de los espectros de FTIR se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura [35] indica que el carbonato de
calcio presenta sentildeales caracteriacutesticas de sus grupos funcionales tales como CO3 Ca-C y C-
O y Ca-CO3
321 Espectro FTIR de roca carbonatada
El espectro FTIR de la roca carbonatada se muestra en la figura 33 en el que se observa el
estiramiento del enlace Ca-C en 2513 cm-1 sentildeal caracteriacutestica del compuesto CaCO3 el
estiramiento de C-O en 1480 cm-1 y las vibraciones particulares del grupo CO3 en 714 y 877
cm-1 Estas sentildeales dan certeza de que el compuesto analizado es una roca de carbonato de
calcio
Figura 33 Espectro FTIR de roca carbonatada
62
322 Espectro de roca impregnada de asfaltenos
El espectro FTIR de la roca impregnada se muestra en la figura 34 en el que se observa el
estiramiento del enlace O-H en 3300 cm-1 las vibraciones simeacutetricas y asimeacutetricas de C-H
en 2988 y 2875 cm-1 la absorcioacuten energeacutetica del enlace C-H en 1625 cm-1 las flexiones de
los compuestos aromaacuteticos entre 1100 y 1500 cm-1 asiacute como la deformacioacuten noplanar del
anillo benceacutenico entre 700 y 900 cm-1 Estas sentildeales confirman la impregnacioacuten de asfaltenos
teniendo como principal diferencia frente a la roca carbonatada las flexiones y vibraciones
de los enlaces C-H y de los anillos aromaacuteticos presentes en la estructura asfalteacutenica teoacuterica
Figura 34 Espectro FTIR de roca impregnada de asfaltenos
63
33 Espectroscopia ultravioleta visible (UV-vis)
La elucidacioacuten de los espectros de UV-vis se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura indica la presencia de grupos
benceacutenicos y nafteacutenico en las estructuras quiacutemicas de los asfaltenos los cuales son
caracteriacutesticos de los mismos [29]
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada y roca impregnada
El espectro UV-vis de la roca carbonatada no presenta ninguna banda significativa esto se
debe principalmente a la ausencia de dobles y triples enlaces los cuales son sumamente
caracteriacutesticos en longitudes de 200 a 600 nm El espectro UV-vis de la roca impregnada
(figura 35) muestra 4 sentildeales las dos primeras retribuidas a los grupos benceacutenicos a 226 y
250 nm la tercera y cuarta a los grupos nafteacutenicos a 263 y 270 nm estructuras quiacutemicas
presentes en los asfaltenos
Se realizaron 6 experimentos iniciando con la roca carbonatada posteriormente la
evaluacioacuten de la roca impregnada de asfaltenos (RASF) variando la concentracioacuten de roca
(10 5 3 1 05 mg L-1)
Los espectros muestran desdoblamiento en las bandas debido al cambio electroacutenico en los
enlaces sigma y pi presentes en los ciclos aromaacuteticos Se observa el efecto de la concentracioacuten
de roca impregnada a 05 y 1 mg L-1 se tienen bandas maacutes definidas y caracteriacutesticas de los
asfaltenos a concentraciones mayores a lo anterior se enmascaran estas sentildeales debido a la
saturacioacuten de las partiacuteculas de roca impregnada en las muestra Lo anterior hace imposible
para el equipo la identificacioacuten precisa de los grupos funcionales caracteriacutesticos de la misma
64
Figura 35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnada
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
Esta teacutecnica se realizoacute con la finalidad de observar el tamantildeo y la forma de las partiacuteculas de
roca carbonatada asiacute como la composicioacuten elemental de la misma Se observa un
comportamiento de agregacioacuten entre las partiacuteculas por lo que se puede deducir un tamantildeo
entre 100 y 400 nm Con el anaacutelisis elemental del EDX se comproboacute la naturaleza de la roca
la cual estaacute formada de carbonato de calcio La literatura [36] indica las sentildeales caracteriacutesticas
de este compuesto el carbono con una sentildeal en 028 keV el oxiacutegeno en 053 keV y el calcio
con dos picos en 369 y 401 keV y de partiacuteculas nanomeacutetricas de forma esfeacutericas lo anterior
esto se puede observar en la figura 36
65
36 Anaacutelisis SEMEDS de roca carbonatada
35 Imbibicioacuten espontaacutenea
Se obtuvieron las rocas imbibidas tras un proceso de 7 diacuteas [37] y se pesaron para conocer la
cantidad de crudo absorbido dentro de su estructura porosa Asiacute mismo se fracturaron las
rocas para comprobar la presencia del hidrocarburo dentro de la roca lo cual se observa en
la figura 37 En la tabla 31 se muestra la masa inicial y final de la roca asiacute como el
porcentaje de masa absorbida de crudo teniendo porcentajes entre 4 y 5
66
Figura 37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudo
Tabla 31 Resultados de rocas imbibidas
Muestra Masa Inicial (g) Masa Final (g)
1 103315 108098 46295
2 92475 96736 46077
36 Anaacutelisis del aacutengulo de contacto del crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
La medicioacuten del aacutengulo de contacto de diferentes sistemas de estudio aporta informacioacuten
sobre la interaccioacuten entre las interfaces soacutelidas y liquidas el comportamiento de un fluido
sobre una superficie asiacute como la variacioacuten de la misma con la aplicacioacuten de un agente en
este caso un surfactante
361 Roca no imbibida
Se colocaron los disolventes empleados en la experimentacioacuten variado uacutenicamente los
surfactantes y la concentracioacuten de los mismos En la figura 38 se muestra el aacutengulo de
contacto de la salmuera sobre la roca se observa que con la aplicacioacuten de los surfactantes
este aacutengulo disminuye deduciendo un aumento en la afinidad entre la roca y el disolvente
[38] Lo anterior se debe principalmente al aumento de la concentracioacuten de iones provocando
un efecto de pantalla que reduce las repulsiones electrostaacuteticas entre las moleacuteculas anfifiacutelicas
67
facilitando la formacioacuten de micelas en el sistema y asiacute aumentando la mojabilidad de la
salmuera obseacutervese en tabla 32
Figura 38 Angulo de contacto de la salmuera
Tabla 32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio
El efecto de las sales presentes en el agua congeacutenita en la formacioacuten micelar (figura 39)
propicia un incremento en la mojabilidad con la aplicacioacuten del surfactante lo cual se muestra
en la tabla 33
Figura 39 Angulo de contacto del agua congeacutenita
Tabla 33 Aacutengulos de contacto del agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio
68
Del mismo modo se colocaron sobre la superficie de la roca los diferentes sistemas de estudio
(emulsiones) los cuales variaban en el tipo de surfactante la concentracioacuten y el tipo de
disolvente empleado El aacutengulo de contacto del petroacuteleo se muestra en la figura 310
Figura 310 Angulo de contacto del petroacuteleo
Con una concentracioacuten de 500 mg L-1 de surfactante (tabla 34) se observa una disminucioacuten
del aacutengulo de contacto de la emulsioacuten lo anterior se atribuye al efecto de las cabezas
catioacutenicas sobre los agregados asfalteacutenicos los cuales son dispersados provocando una
mayor interaccioacuten con la roca y aumentando la mojabilidad sobre la misma
Tabla 34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 mg L-1
69
Con una concentracioacuten de 800 mg L-1 de surfactante (tabla 35) se observa un efecto similar
al sistema de estudio anterior un decremento del aacutengulo de contacto atribuido al efecto
pantalla de las sales de los disolvente en la concentracioacuten micelar dispersando los agregados
asfalteacutenicos y de esta forma aumentando la mojabilidad del sistema sobre la roca
carbonatada
Tabla 35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 mg L-1
362 Roca imbibida por petroacuteleo
70
Se colocaron los sistemas de estudio (salmuera y agua congeacutenita) sobre la roca impregnada
de crudo se observoacute una disminucioacuten en el aacutengulo de contacto menor que el estudio sobre
la roca carbonatada Lo anterior se debe a la alta hidrofobicidad de la superficie de la roca
la cual estaba impregnada en su totalidad de hidrocarburo y que aun con la aplicacioacuten de los
surfactantes se repelioacute el efecto de las cabezas catioacutenicas teniendo como consecuencia el
decremento del aacutengulo de contacto Las tablas 36 y 37 muestran los aacutengulos de contacto
tras la aplicacioacuten del surfactante
Tabla 36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 mg L-1
Tabla 37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 800 mg L-1
71
En la Tabla 38 se presentan los resultados del caacutelculo de tensioacuten interfacial y mojabilidad
los cuales son paraacutemetros que describen el comportamiento de las fuerzas intermoleculares
en la interfase soacutelido-liacutequido
Tabla 38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio
Fase soacutelida
Fase liacutequida
Surfactante (Sx)
Concentracioacuten (mg L-1)
Aacutengulo de
contacto ϴ
(deg)
Tensioacuten interfacial γ (dina cm-1)
Mojabilidad W
Roca carb Salmuera 8149 576 661
Roca carb Salmuera S1 500 5539 518 812
Roca carb Salmuera S1 800 5173 537 869
Roca carb Salmuera S2 500 4549 441 827
Roca carb Salmuera S2 800 4242 557 856
Roca Imb Salmuera S1 500 6956 421 566
Roca Imb Salmuera S1 800 6957 451 606
Roca Imb Salmuera S2 500 6681 472 657
Roca Imb Salmuera S2 800 7408 549 699
Roca carb Agua Cong 7391 528 674
Roca carb Agua Cong S1 500 4785 431 72
Roca carb Agua Cong S1 800 4069 446 784
Roca carb Agua Cong S2 500 4809 439 732
Roca carb Agua Cong S2 800 3327 42 771
Roca Imb Agua Cong S1 500 7456 525 664
Roca Imb Agua Cong S1 800 6575 494 696
Roca Imb Agua Cong S2 500 765 472 581
Roca Imb Agua Cong S2 800 6788 483 664
Roca carb Petroacuteleo 11177 838 536
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 500 8313 582 651
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 800 936 605 567
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 500 9088 652 641
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 800 8645 629 667
Roca carb Emulsioacuten AC S1 500 10289 815 641
Roca carb Emulsioacuten AC S1 800 9562 698 629
Roca carb Emulsioacuten AC S2 500 9846 782 666
Roca carb Emulsioacuten AC S2 800 9056 675 668
En los diferentes anaacutelisis sobre roca carbonatada con la aplicacioacuten de surfactantes en
salmuera o agua congeacutenita se observa una disminucioacuten del aacutengulo de contacto lo que implica
una menor tensioacuten en la interfase soacutelido-liacutequido obteniendo mayor mojabilidad en cada uno
de los sistemas Lo anterior se basa principalmente en el efecto dispersivo de los surfactantes
72
sobre las agregaciones asfalteacutenicas siendo las cabezas catioacutenicas las responsables de evitar
la apilacioacuten de los asfaltenos y disgregaacutendolas por todo el sistema
Asiacute mismo se observa el efecto de la concentracioacuten de los surfactantes en los diferentes
sistemas de estudio obteniendo menor tensioacuten interfacial a una concentracioacuten de 500 mgL-1
debido a la saturacioacuten ideal del aditivo en la muestra
37 Dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS)
Con el anaacutelisis DLS se estudioacute la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
y la roca impregnada asiacute como el efecto de los surfactantes en el sistema de estudio En la
figura 311 se muestra la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
(unimodal 1496 nm) a su vez en la figura 312 se observa la distribucioacuten de la roca
impregnada (unimodal 4063 nm) Posteriormente con la aplicacioacuten de los surfactantes se
comproboacute la disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula con S1 (unimodal 219 nm) y S2 (
unimodal 282 nm) Lo anterior se atribuye al efecto de los surfactantes sobre la superficie
impregnada que al entrar en contacto con los agregados asfalteacutenicos se generoacute la dispersioacuten
de los mismos disminuyendo de esta forma el tamantildeo de la partiacutecula [32] Ambos surfactantes
facilitan la dispersioacuten de los asfaltenos que recubren la superficie de la partiacutecula provocando
la reduccioacuten en el tamantildeo de la misma obseacutervese figs 313 y 314
Figura 311 Anaacutelisis DLS de roca carbonatada
73
Figura 312 Anaacutelisis DLS de roca impregnada
Figura 313 Anaacutelisis DLS de roca impregnada aplicando S3
Figura 314 DLS de roca impregnada aplicando S4
74
La disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de las rocas impregnadas se asocia al efecto
dispersivo de los surfactantes mencionado en las pruebas tensiomeacutetricas donde las parte
catioacutenica del compuesto inhibe la aglomeracioacuten de las moleacuteculas asfalteacutenicas provocando
no solo el cambio de la mojabilidad del sistema de estudio si no tambieacuten la disgregacioacuten de
los asfaltenos encontrados en la superficie de la roca carbonatada por tanto un decrecimiento
en la distribucioacuten de tamantildeo partiacutecula en la roca impregnada
38 Potencial Zeta
Con el anaacutelisis de potencial zeta se observoacute las fuerzas de atraccioacuten yo repulsioacuten de cada
sistema de estudio La literatura indica que en todo sistema en suspensioacuten coloidal existe un
equilibrio entre las fuerzas de repulsioacuten y las fuerzas de atraccioacuten molecular (Van del Waals)
resultando la aglomeracioacuten o dispersioacuten del sistema Si el sistema tiene carga positiva el
sistema es atractivo por lo que existen las fuerzas de atraccioacuten entre las partiacuteculas son
mayores que las fuerzas de repulsioacuten Si el sistema es negativo el sistema es repulsivo y se
tiene un efecto contrario al anterior Mientras maacutes alejado del cero se encuentre la muestra
mayor estabilidad le seraacute conferida debido a la relacioacuten entre las fuerzas intermoleculares
eso significa que se provocaraacute menor agregacioacuten facilitando la dispersioacuten del soluto [33] En
la figura 315 se muestra el efecto del pH en la dispersioacuten de los asfaltenos con la aplicacioacuten
de los surfactantes la tendencia se vuelve maacutes negativa por lo tanto existe mayor estabilidad
en el coloide disminuyendo la agregacioacuten de los asfaltenos
Este efecto se observoacute en las pruebas de DLS en donde los surfactantes dispersaron las
moleacuteculas de asfaltenos disminuyendo de esta forma la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
lo anterior se asocia a la disgregacioacuten de los asfaltenos observado en potencial Zeta
obteniendo una fase dispersa en el sistema
75
Figura 315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando el pH
76
Conclusiones
Se comproboacute el efecto dispersivo de los surfactantes sulfatados sobre los agregados
asfalteacutenicos causado principalmente por las cargas electroacutenicas presentes en estos
compuestos que al entrar en contacto con los asfaltenos provocaron la disgregacioacuten de
los mismos Dicho efecto fue visible en la mayoriacutea de las teacutecnicas empleadas generando
cambios en las interacciones moleculares de los sistemas de estudio y en las fuerzas de
la interfase soacutelido-liacutequido
Las teacutecnicas de caracterizacioacuten FTIR UV-vis corroboraron la presencia de grupos
funcionales caracteriacutesticos de la roca carbonatada asiacute como de la roca impregnada de
asfaltenos La teacutecnica de SEMEDX corroboroacute la existencia de los elementos que
componen a la roca y brindoacute informacioacuten importante sobre el tamantildeo y la forma de los
las partiacuteculas de roca
Las pruebas de aacutengulo de contacto por el meacutetodo de gota seacutesil comprobaron el efecto
superficial de los surfactantes en los diferentes sistemas de estudio cambiando la
tensioacuten interfacial de cada uno y afectando una caracteriacutestica innata de la roca su
mojabilidad Los aacutengulos de contacto tras la aplicacioacuten de los surfactantes sufrieron una
disminucioacuten por la facilidad de los aditivos antes mencionados para dispersar las capas
de agregacioacuten de los asfaltenos provocando una mejor interaccioacuten con la fase soacutelida
Mediante el anaacutelisis de Dispersioacuten de luz Dinaacutemica (DLS) se consiguioacute fundamentar el
efecto dispersivo de los surfactantes observado en las pruebas tensiomeacutetricas siendo de
gran importancia los resultados obtenidos de distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula en
donde con la aplicacioacuten de los surfactantes se consiguioacute disminuir este paraacutemetro por
la la difusioacuten de los agregados asfalteacutenicos contenidos en la superficie de la roca siendo
afectados principalmente por las cargas electroacutenicas cabezas catioacutenicas
La teacutecnica de potencial Zeta corroboroacute lo anterior debido a la facilidad de las muestras
con surfactantes para alcanzar la estabilidad coloidal por lo que se demuestra un efecto
77
contrario a la agregacioacuten un efecto dispersivo de los asfaltenos provocado por las
cargas presentes en las cadenas de los aditivos
78
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32 Espectroscopiacutea de infrarrojo con trasformada de Fourierhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
321 Espectro FTIR de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
322 Espectro FTIR de roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
33 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por
Rayos X (SEMEDX)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
65
35 Imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
36 Anaacutelisis tensiomeacutetricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
361 Roca no imbibidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
362 Roca imbibidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
37 Anaacutelisis DLShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
38 Anaacutelisis de potencial Zetahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
Conclusioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
Referencias bibliograacuteficashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
vi
Iacutendice de figuras
Figura Paacuteg
11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
12 Clasificacioacuten de yacimientoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
13 Acidificacioacuten controlada mediante inyeccioacuten de emulsioacuten en querosenohelliphelliphelliphelliphellip 16
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
15Representacioacuten de fuerzas intermoleculareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
17 Efecto de la capilaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24
18 Proceso general de adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
112 Celda de imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
113 Esquema de las partes acidas del aceite sobre la superficie carbonatadahelliphelliphelliphelliphellip 29
114 Modelo esquemaacutetica del cambio de mojabilidad con aplicacioacuten de surfactanteshelliphellip 31
115 Representacioacuten de una moleacutecula de surfactantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
116 Tipos de micelahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
117 Comportamiento estaacutetico micelarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
118 Micrografiacutea de una emulsioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 45
22 Muestra de roca carbonatada con asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
24 Roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
25 Roca imbibida con crudohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
26 Tensioacutemetro empleado en la experimentacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
27 Funcionamiento del anaacutelisis DLShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56
28 Interacciones entre las partiacuteculas en el anaacutelisis de potencial zeta helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
31 Asfaltenos obtenidos tras la extraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Roca impregnada de asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
33 Espectro FTIR de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
vii
34 Espectro FTIR de roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
36 Anaacutelisis SEMEDX de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 65
37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
38 Aacutengulo de contacto de la salmuerahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
39 Angulo de contacto de agua congeacutenitahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
310 Aacutengulo de contacto del petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
311 Anaacutelisis DLS de la roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
312 Anaacutelisis DLS de la roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
313 Anaacutelisis DLS de la roca impregnada aplicando surfactante S1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 73
314 Anaacutelisis DLS de la roca impregnada aplicando surfactante S2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 73
315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando pHhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Iacutendice de Tablas
Tabla Paacuteg
11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo 5
12 Clasificacioacuten de petroacuteleo crudo 6
13 Clasificacioacuten de los surfactantes 33
21 Reactivos empleados en el proyecto 46
22 Surfactantes utilizados en experimentacioacuten 46
23 Disentildeo de experimentos 49
31 Resultados de rocas imbibidas 66
32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio 67
33 Aacutengulos de contacto de agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio 68
34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 ppm 69
35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 ppm 69
36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 ppm 70
37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 ppm 70
38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio 71
viii
Resumen
Este proyecto de investigacioacuten se enfocoacute en el estudio de mojabilidad del crudo pesado sobre
roca carbonatada de yacimiento aplicando surfactantes con base sulfato los cuales provocan
un efecto dispersivo en las fracciones maacutes pesadas del petroacuteleo conocidos como
ldquoasfaltenosrdquo responsables de las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del petroacuteleo tales como
viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API
La primera etapa del proyecto consistioacute en caracterizar la roca carbonatada de yacimiento
por Espectroscopiacutea de infrarrojo de transformada de Fourier (FTIR) espectroscopia
ultravioleta visible y Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten
por Rayos X (SEMEDX) para la identificacioacuten de los grupos funcionales caracteriacutesticos
morfologiacutea y anaacutelisis elemental de la roca
La segunda etapa consistioacute en preparar emulsiones de agua en aceite adicionando los
surfactantes en diferentes concentraciones las cuales fueron observadas por microscopiacutea
oacuteptica Posteriormente se evaluoacute el aacutengulo de contacto de cada uno de los sistemas de estudio
sobre roca carbonatada para el caacutelculo de la tensioacuten superficial y en efecto de la mojabilidad
Asiacute mismo se realizoacute la imbibicioacuten espontaacutenea de las rocas con crudo usando la celda de
Amott y se midioacute el aacutengulo de contacto de los disolventes frente a las rocas impregnadas Se
observoacute un cambio en la mojabilidad del crudo con la aplicacioacuten de los surfactantes en los
anaacutelisis tensiomeacutetricos
En la tercera etapa se realizoacute el estudio dispersivo de los agregados asfalteacutenicos contenidos
en la roca Mediante el anaacutelisis de dispersioacuten de luz dinaacutemica se observoacute la disminucioacuten de
la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula siendo este efecto atribuido a las cabezas catioacutenicas
de los surfactantes Lo anterior fue comprobado con la teacutecnica de potencial zeta la cual mide
las fuerzas de atraccioacuten o repulsioacuten de las partiacuteculas siendo ambos surfactantes promotores
de estabilidad coloidal e inhibidores de agregacioacuten
ix
Abstract
This research project focuses on the study of the wettability of heavy crude oil on carbonate
reservoir rock by applying sulphate-based surfactants which have a dispersive effect on the
heavier fractions of petroleum known as asphaltenes responsible for the physicochemical
characteristics of oil such as viscosity surface tension and API gravity
The first stage of the project consisted of the carbonate reservoir rock by Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR) visible ultraviolet spectroscopy and Scanning Electron
Microscopy with X-ray Dispersion Spectroscopy (SEM EDX) for the identification of
characteristic functional groups morphology and elemental rock analysis
The second stage consisted of preparing water-in-oil emulsions by adding the surfactants in
different concentrations which were observed by light microscopy Afterwards the contact
angle of each of the study systems on carbonate rock was evaluated for the calculation of
surface tension and the wettability
The spontaneous imbibition of the rocks with crude oil was also carried out using the Amott
cell and the contact angle of the solvents against the impregnated rocks was measured A
change in the wettability of the crude oil was observed with the application of the surfactants
in the tensiometric analyzes
In the third stage was carried out the dispersive study of the asphalt aggregates contained in
the rock By the analysis of the dynamic light scattering observed the decrease in the size
distribution of the piece whereas this effect attributed to the cationic heads of the surfactants
The above was tested with the zeta potential technique which the attraction or repulsion
forces of the particles both are being surfactants colloidal stability promoters and
aggregation inhibitors
x
Introduccioacuten
Actualmente la industria petrolera enfrenta una serie de problemaacuteticas que van desde la
gravedad especiacutefica del hidrocarburo hasta su comportamiento en un sistema aceite-roca El
estudio de las fuerzas intermoleculares del sistema aceite-roca es un trabajo innovador para
la elaboracioacuten de nuevas formas de extraccioacuten yo el uso de sustancias quiacutemicas que faciliten
el transporte del crudo durante el proceso
Los surfactantes son empleados como aditivos para facilitar la extraccioacuten del crudo y su
transporte debido a sus efectos en la viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API Estos
compuestos son de gran intereacutes para la industria petrolera por lo que un estudio detallado de
la forma de actuar de estos aditivos podriacutea describir los fenoacutemenos que ocurren en un sistema
aceite-roca
La literatura [1 23] indica que los surfactantes del tipo sulfato tienen cierta afinidad con las
moleacuteculas maacutes pesadas del crudo los asfaltenos Hablar de asfaltenos implica ldquoproblemasrdquo
los cuales pueden ser observados durante la extraccioacuten y el transporte del petroacuteleo hacia las
refineriacuteas lo anterior se debe que al ser los componentes maacutes pesados del crudo la mayoriacutea
de las propiedades del crudo dependen de ellos por lo que el uso de aditivos que contengan
un grupo sulfato puede promover la dispersioacuten de los mismos generando un cambio en la
viscosidad del crudo en la tensioacuten interfacial del sistema por lo tanto a una variacioacuten de la
mojabilidad
La mojabilidad es una propiedad innata de las rocas que puede ser afectada a partir del cambio
en las interacciones del aceite y su superficie Con la aplicacioacuten de surfactantes sulfatados se
pretende la modificacioacuten de las fuerzas superficiales entre el crudo y la roca lo cual permitiriacutea
una recuperacioacuten mejorada del aceite contenido en los yacimientos facilitando de esta
manera el proceso de extraccioacuten del mismo [4]
En este proyecto se propone el anaacutelisis de las propiedades que afectan los fenoacutemenos de
superficie de los sistemas aceite-roca usando como referencia compuestos como agua
salmuera y posteriormente la adicioacuten de surfactantes sulfatados base imidazol asiacute como el
estudio de la dispersioacuten de dicho sistema
1
Capiacutetulo I
Antecedentes
2
1 Antecedentes
Actualmente con la disminucioacuten de crudos ligeros y la obtencioacuten de aceites pesados durante
la extraccioacuten de yacimientos se buscan meacutetodos alternativos que permitan la recuperacioacuten
mejorada en los pozos petroleros mediante la aplicacioacuten de aditivos quiacutemicos El estudio de
las fuerzas relacionadas entre el aceite y la roca permite describir de una forma real lo que
pasa dentro del sistema petroliacutefero con la aplicacioacuten de dichos compuestos
En 2009 Murillo y col [4] estudiaron el efecto del anioacuten PF6 en los agregados asfalteacutenicos
y encontraron un incremento en el momento dipolar debido al cambio de electronegatividad
provocado por el anioacuten Se establecioacute que el bromuro de 1-butil fue el liacutequido ioacutenico con
mejores propiedades estabilizadoras e inhibidoras de la agregacioacuten de asfaltenos
disminuyendo la aglomeracioacuten de asfaltenos hasta en un 70
En 2010 Ramiacuterez y col [5] investigaron experimentalmente el efecto que tienen los
surfactantes zwitterioacutenicos y catioacutenicos en el control de dantildeo al medio poroso debido a
depoacutesitos de asfaltenos y la descripcioacuten del cambio de mojabilidad en rocas carbonatadas
encontrando mejores condiciones de operacioacuten y concluyendo que el uso de salmuera con
alta concentracioacuten de sales provoca la precipitacioacuten de los surfactantes debido al efecto de
ioacuten comuacuten presente en los electrolitos que encapsula a las moleacuteculas surfactantes
hacieacutendolas maacutes pesadas y precipitaacutendolas por accioacuten de la gravedad
En 2010 Guzmaacuten y col [6] sintetizoacute y evaluoacute diferentes liacutequidos ioacutenicos como agentes
desemulsificantes del sistema de emulsioacuten de crudo mexicano ligero y pesado siendo el
bromuro de 1 metil-3-tetradecilimidazolio el que obtuvo mejores resultados frente a otros
compuestos con diferente tamantildeo de cadena hidrocarbonada Se estudioacute la aplicacioacuten de
calentamiento convencional y dieleacutectrico por microondas en los procesos de
desemulsificacioacuten siendo el segundo meacutetodo el que aceleroacute e incrementoacute la eficiencia de
desemulsificacioacuten
En 2011 Petcavich y col [7] desarrollaron un meacutetodo de extraccioacuten de hidrocarburos a partir
de rocas que contienen aceite En este trabajo se utilizoacute una mezcla de piedra arenisca de
3
aceite y un liacutequido ioacutenico a base de fosfonio el cual se sometioacute a la radiacioacuten de microondas
de 254 GHz y presentaron las condiciones de trabajo para la recuperacioacuten total del
hidrocarburo atrapado en la roca
En 2012 Dharaskar y col [8] investigaron sobre los liacutequidos ioacutenicos y su capacidad de
minimizar los efectos negativos de salud y medio ambientales En la industria de la refinacioacuten
se usa para la hidrodesulfurizacioacuten del crudo Estudiaron el efecto de cationes del tipo sulfato
contenidos en liacutequidos ioacutenicos sobre el petroacuteleo encontrando una disminucioacuten en la
concentracioacuten de grupos sulfurados y asfalteacutenicos
En 2014 Bin-Dahbag y col [9] realizaron un estudio sobre el proceso de inyeccioacuten de
liacutequidos ioacutenicos con base de amonio y fosfonio en la recuperacioacuten mejorada de petroacuteleo con
lo que redujo la tensioacuten interfacial de la fase acuosa del hidrocarburo Se realizaron pruebas
de deteccioacuten de nueve liacutequidos ioacutenicos con base de tetrasulfato de amonio los cuales fueron
diluidos en salmuera a distintas concentraciones y se probaron con un petroacuteleo crudo Saudiacute
Se registraron cambios en la tensioacuten interfacial por cambios de presioacuten y temperatura
indicando una mayor actividad de interaccioacuten superficial en el sistema rocapetroacuteleoliacutequido
ioacutenico
En 2014 Gonzaacutelez y col [10] estudiaron el cambio de la mojabilidad de rocas carbonatadas
en sistemas salmuerapetroacuteleo con la aplicacioacuten de surfactantes empleando el meacutetodo
tensiomeacutetrico de Gota cautiva Se obtuvieron resultados confiables y reproducibles que
concluyen un comportamiento afiacuten entre la salmuera el crudo y la roca
En 2015 Jiao y col [11] estudiaron el comportamiento de los liacutequidos ioacutenicos con base
imidazolio ( IBILs ) desarrollando nuevos agentes de extraccioacuten para separar indol una
sustancia industrial importante derivada del aceite de lavado que ocasiona graves problemas
medioambientales obteniendo eficiencias de extraccioacuten de maacutes de 90
En 2016 Banda y col [12] estudiaron el comportamiento de los asfaltenos presentes en
petroacuteleo crudo pesado usando como disolvente ciclohexano Primeramente se caracterizaron
los asfaltenos extraiacutedos por Espectroscopiacutea de ultravioleta-visible (UV-vis) posteriormente
se utilizoacute la teacutecnica de Dispersioacuten de Luz Dinaacutemica (DLS) para la distribucioacuten de tamantildeo de
partiacutecula de los agregados asfalteacutenicos Asiacute mismo se realizoacute un anaacutelisis de potencial Zeta
4
utilizando como disolvente nitrato de sodio 01 mmol para la comprobacioacuten del efecto
dispersivo de los asfaltenos frente a liacutequidos ioacutenicos sulfatados
11 Petroacuteleo
El petroacuteleo es una mezcla homogeacutenea de compuestos orgaacutenicos de estructura variada
principalmente hidrocarburos insolubles en agua En general es posible agrupar los
constituyentes del petroacuteleo en cuatro grupos orgaacutenicos bien definidos Saturados
Aromaacuteticos Resinas y Asfaltenos este conjunto es conocido como SARA Es un liacutequido
viscoso cuyo color variacutea entre amarillo y pardo obscuro hasta negro con reflejos verdes
Ademaacutes tiene un olor caracteriacutestico y flota en el agua Tambieacuten es conocido como petroacuteleo
crudo o simplemente crudo Se produce en el interior de la Tierra por transformacioacuten de la
materia orgaacutenica acumulada en sedimentos del pasado geoloacutegico y puede acumularse en
trampas geoloacutegicas naturales de donde se extrae mediante la perforacioacuten de pozos [13]
Las moleacuteculas de hidrocarburos que en forma colectiva constituyen el petroacuteleo estaacuten
formadas por distintas combinaciones de aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Seguacuten el nuacutemero
de aacutetomos de carbono de hidroacutegeno y de la distribucioacuten estructural de las mismas se tienen
los distintos hidrocarburos que abarcan desde el gas natural hasta los hidrocarburos soacutelidos
Comuacutenmente se denomina como petroacuteleo a aquella mezcla de hidrocarburos que a las
condiciones de temperatura y presioacuten ambientales estaacute en estado liacutequido En la naturaleza se
pueden encontrar afloraciones naturales de hidrocarburos muchos de ellos conocidos desde
la antiguumledad aunque la produccioacuten comercial se obtiene de acumulaciones que se localizan
en algunos lugares del subsuelo con profundidades variables desde pocos metros hasta
profundidades mayores a cinco mil metros [14]
Mientras mayor sea el contenido de carboacuten en relacioacuten al del hidroacutegeno mayor es la cantidad
de productos pesados que tiene el crudo [15] Esto depende de la edad del yacimiento y de
algunas caracteriacutesticas geoloacutegicas No obstante se ha comprobado que entre maacutes antiguos
son tienen maacutes hidrocarburos gaseosos y soacutelidos y menos liacutequidos entran en su
composicioacuten
5
Es un recurso natural no renovable y actualmente es la principal fuente de energiacutea en
los paiacuteses desarrollados El petroacuteleo liacutequido puede presentarse asociado a capas de gas
natural en yacimientos que han estado enterrados durante millones de antildeos cubiertos por los
estratos superiores de la corteza terrestre Los factores de presioacuten temperatura y procesos
quiacutemicos y fiacutesicos ayudados por la carencia de oxiacutegeno posibilitan la formacioacuten de petroacuteleo
liacutequido y de gas
La conversioacuten de materia orgaacutenica en petroacuteleo ocurre en varias etapas [15]
Degradacioacuten bioquiacutemica la accioacuten de las bacterias en un ambiente aerobio
oxidan la materia orgaacutenica
Policondensacioacuten e insolubilizacioacuten se produce un reordenamiento molecular
en dos etapas originaacutendose una sustancia insoluble en aacutelcalis con estructura
parecida al keroacutegeno
Cracking primario es la primera reaccioacuten de generacioacuten de hidrocarburos
regida por la ley de Arrhenius de donde se puede obtener petroacuteleo y gas
Cracking secundario se destruye la fraccioacuten inestable generando gas y
residuos carbonosos
111 Composicioacuten del petroacuteleo
El petroacuteleo crudo es la materia prima principal de la industria de Refinacioacuten del Petroacuteleo
estaacute constituido por una mezcla de diferentes tipos de hidrocarburos cuyas moleacuteculas se
componen de Carbono e Hidroacutegeno con un pequentildeo porcentaje de otros elementos
conformando hidrocarburos de estructuras maacutes o menos complejas como compuestos
heterociacuteclicos de nitroacutegeno oxiacutegeno y azufre compuestos organometaacutelicos ademaacutes contiene
sedimentos inorgaacutenicos y agua [16] La composicioacuten aproximada de los crudos puede verse
en la Tabla 11
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Tabla11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo
Elemento Composicioacuten (peso)
Carbono 84-87
Hidroacutegeno 11-14
Azufre 0-5
Nitroacutegeno 0-02
Oxiacutegeno 0-05
112 Clasificacioacuten de petroacuteleo
Son miles los compuestos quiacutemicos que constituyen el petroacuteleo [16] y entre muchas otras
propiedades estos compuestos se diferenciacutean por su volatilidad (dependiendo de la
temperatura de ebullicioacuten) Al calentarse el petroacuteleo se evaporan preferentemente los
compuestos ligeros (de estructura quiacutemica sencilla y bajo peso molecular) de tal manera que
conforme aumenta la temperatura los componentes maacutes pesados van incorporaacutendose al
vapor
Las curvas de destilacioacuten TBP (del ingleacutes ldquotrue boiling pointrdquo temperatura de ebullicioacuten real)
distinguen a los diferentes tipos de petroacuteleo y definen los rendimientos que se pueden obtener
de los productos por separacioacuten directa [17] Por ejemplo mientras que en el crudo Istmo se
obtiene un rendimiento directo de 26 volumeacutetrico de gasolina en el Maya soacutelo se obtiene
157 [17]
La industria mundial de hidrocarburos liacutequidos clasifica el petroacuteleo de acuerdo con su
densidad API (paraacutemetro internacional del Instituto Americano del Petroacuteleo que diferenciacutea
las calidades del crudo) La Tabla 12 muestra estas clasificaciones
Tabla 12 Clasificacioacuten del petroacuteleo crudo [18]
Aceite crudo Densidad
( g cm3)
Densidad
grados API
Extrapesado gt10 100
Pesado 10 - 092 100 - 223
Mediano 092 - 087 223 - 311
7
Ligero 087 - 083 311 - 39
Superligero lt 083 gt 39
Para exportacioacuten en Meacutexico se preparan tres variedades de petroacuteleo crudo
a) Istmo Ligero con densidad de 336 grados API y 13 de azufre en peso
b) Maya Pesado con densidad de 22 grados API y 33 de azufre en peso
c) Olmeca Superligero con densidad de 393 grados API y 08 de azufre en peso
Atendiendo a la mayor proporcioacuten del tipo de hidrocarburos que conforman la mezcla los
crudos se clasifican seguacuten su base parafiacutenica nafteacutenica asfaacuteltica y mixta [15]
Base parafiacutenica Las parafinas livianas dan buenos aceites para usos domeacutesticos pues no
producen humo al quemarse tienden a resistir el calor Las parafinas maacutes espesas contienen
cristales blancos y blandos que cuando son aislados y refinados forman lo que se conoce
como cera parafinada Se encuentran generalmente en Pennsylvania West Virginia y centro
de Estados Unidos
Base nafteacutenica Generalmente contienen gran proporcioacuten de fracciones volaacutetiles es decir
componentes que se evaporan faacutecilmente Se encuentran generalmente en Rusia Peruacute
California y Golfo de Meacutexico En Cuba se encuentra en la zona de Motembo
Base asfaacuteltica Contienen ademaacutes de carbono e hidroacutegeno gran cantidad de azufre En la
destilacioacuten avanzada o maacutes completa rinden una cantidad relativamente alta de alquitraacuten y
asfalto Se pueden encontrar en Meacutexico Venezuela California y el Caribe
Base mixta Ninguacuten crudo es realmente netamente nafteacutenico asfaacuteltico o parafiacutenico en su
composicioacuten quiacutemica sino que contienen proporciones de los otros tipos caracterizaacutendose
por la predominancia del compuesto en mayoriacutea Sin embargo ciertos crudos de Kansas
Oklahoma y Texas tienen contenidos muy similares de nafta parafinas y asfaltos lo que
resulta imposible clasificarlos en una sola de estas clases
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Asiacute mismo se puede clasificar al petroacuteleo crudo considerando dos grandes grupos de
hidrocarburos saturados y no saturados Cuando todas las valencias de los aacutetomos de carbono
se comparten con otros aacutetomos es saturado cuando hay falta de hidroacutegeno es no saturado y
se pueden compartir dos y hasta tres valencias entre un aacutetomo de carbono con otro aacutetomo [16]
Los saturados y no saturados se dividen a su vez en dos grupos importantes cada uno lo cual
se muestra en la figura 11
Figura 11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleo
Las parafinas son las maacutes ricas en hidroacutegeno son saturadas y por tanto relativamente estables
Las parafinas comunes son liacutequidos pero se pueden encontrar gaseosas o soacutelidas La foacutermula
general es CnH2n+2
Los naftenos (ciclanos o ciclo alcanos) son saturados lo que hace que sean resistentes a los
cambios incluyendo la oxidacioacuten Son relativamente insolubles en aacutecido sulfuacuterico
concentrado Los maacutes importantes son ciclopentano y ciclohexano La foacutermula general es
CnH2n
Los no saturados tienden a formar gomas lacas y fangos al unirse al oxiacutegeno y separarse del
carbono que es un enlace relativamente menos estable
Las olefinas son no saturados o insaturados y por lo que tienen deficiencia de hidroacutegeno
consecuentemente son muy reactivos y combinan faacutecilmente con el hidroacutegeno oxiacutegeno
cloro y azufre esto causa que no se deseen altos porcentajes de olefinas en los combustibles
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sin embargo son apreciados en la manufactura de varios productos entre ellos el plaacutestico La
foacutermula general es CnH2n
Los aromaacuteticos son no saturados pero actuacutean como saturados Son deseables en la gasolina
pues tienen altas propiedades antidetonantes El nombre aromaacuteticos surge por su olor
caracteriacutestico Algunos se usan en la produccioacuten del TNT colorantes plaacutesticos insecticidas
etc Hoy en diacutea se ha limitado su concentracioacuten en los derivados por ser dantildeinos a la salud
son altamente canceriacutegenos La foacutermula general es CnH2n-6 [19]
113 Derivados del petroacuteleo
Un derivado del petroacuteleo es un producto procesado en una refineriacutea usando como materia
prima el petroacuteleo Seguacuten la composicioacuten del crudo y la demanda las refineriacuteas pueden
producir distintos productos derivados del petroacuteleo La mayor parte del crudo es usado como
materia prima para obtener energiacutea por ejemplo la gasolina Tambieacuten producen sustancias
quiacutemicas que se puede utilizar en procesos quiacutemicos para producir plaacutestico yo otros
materiales uacutetiles
Dentro de los productos que se generan a partir del petroacuteleo se tienen [17]
bull Gasolinas liacutequidas (fabricadas para automoacuteviles y aviacioacuten en sus diferentes grados
queroseno diversos combustibles de turbinas de avioacuten y el gasoacuteleo entre otros)
bull Lubricantes (aceites para maquinarias aceites de motor y grasas Estos compuestos llevan
ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ignicioacuten)
bull Parafinas Es la materia prima para la elaboracioacuten de velas y similares ceras para pisos
foacutesforos papel parafinado vaselinas faacutermacos etc
bull Cloruro de polivinilo (PVC) Existen dos tipos de cloruro de polivinilo tienen alta
resistencia a la abrasioacuten y a los productos quiacutemicos Se utiliza para hacer manteles cortinas
para bantildeo muebles alambres y cables eleacutectricos Tambieacuten se utiliza para la fabricacioacuten de
riego juntas techado y botellas
10
bull Plaacutesticos pinturas barnices disolventes fertilizantes e insecticidas detergentes cauchos
artificiales negro de humo polieacutester y muchos maacutes
bull Detergentes usados para limpieza
bull Azufre subproductos de la eliminacioacuten del azufre del petroacuteleo que pueden tener hasta un
2 de azufre como compuestos de azufre El azufre y aacutecido sulfuacuterico son materiales
importantes para la industria
bull Asfalto se utiliza como aglutinante para la grava que forma de asfalto concreto que se
utiliza para la pavimentacioacuten de carreteras etc
bull Petroquiacutemicos estos pueden ser hidrocarburos olefinas o sus precursores o diversos tipos
de quiacutemicos como aromaacuteticos y tienen una gran variedad de usos Por lo general son
utilizados como monoacutemeros como disolventes como precursores de una gran variedad de
sustancias quiacutemicas y productos quiacutemicos tales como los liacutequidos limpiadores de los
vehiacuteculos surfactante de la limpieza etc [19]
114 Importancia del petroacuteleo
El petroacuteleo tiene una gran trascendencia en la gran mayoriacutea de las actividades cotidianas Del
crudo se obtiene gasolina y diesel para autos y autobuses combustible para barcos y aviones
Se usa para generar electricidad obtener energiacutea caloriacutefica para faacutebricas hospitales y oficinas
y diversos lubricantes para maquinaria y vehiacuteculos La industria petroquiacutemica usa productos
derivados de eacutel para hacer plaacutesticos fibras sinteacuteticas detergentes medicinas conservadores
de alimentos hules y agroquiacutemicos El petroacuteleo ha transformado la vida de las personas y la
economiacutea de las naciones Su descubrimiento creoacute riqueza modernidad pueblos industriales
proacutesperos y nuevos empleos motivando el crecimiento de las industrias mencionadas [19]
12 Yacimiento
11
Un yacimiento de petroacuteleo puede definirse como un volumen poroso que contiene agua
petroacuteleo y a veces una fase gaseosa La proporcioacuten volumeacutetrica del petroacuteleo puede alcanzar
a veces el 40 El medio poroso del yacimiento o roca almaceacuten es de origen sedimentario
de tipo arenisca o caliza consolidado o no El diaacutemetro de poro variacutea ampliamente seguacuten la
roca pero es de tamantildeo microscoacutepico desde algunas fracciones de miliacutemetro a algunos
microacutemetros [20]
Cada medio poroso tiene sus caracteriacutesticas porosidad el porcentaje de volumen vaciacuteo
permeabilidad una medida de la resistencia al movimiento de los fluidos mojabilidad una
medida de la naturaleza superficial de la roca
Debido a su origen sedimentario el medio poroso del yacimiento es a menudo heterogeacuteneo
como consecuencia de las variaciones ocurridas durante el largo proceso de sedimentacioacuten
que formoacute la roca Estas heterogeneidades pueden existir a la escala de los poros o bien a la
escala macroscoacutepica en forma zonas muy o poco permeables y eventualmente de grietas
Las heterogeneidades complican las operaciones de produccioacuten porque tienden a producir
caminos preferenciales y segregaciones [21]
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientos
Geoloacutegicamente los yacimientos se clasifican en estratigraacuteficos estructurales y combinados
[22]
Estratigraacuteficos lentes de arena cambios de facies calizas o dolomitas porosas
cambios de permeabilidad
Estructurales Fracturas en calizas o rocas iacutegneas discordancias fallas en areniscas
sinclinales anticlinales domos salinos etc
Combinados Hace referencia a las posibles combinaciones que se presenten entre los
dos grupos anteriores
La clasificacioacuten anterior se puede observar en la figura 12
12
Figura 12 Clasificacioacuten de yacimientos [22]
122 Condiciones de explotacioacuten
La produccioacuten de petroacuteleo involucra dos aspectos El primero es la produccioacuten uacuteltima posible
en funcioacuten de las teacutecnicas empleadas y el segundo es el ritmo de produccioacuten de acuerdo con
el comportamiento de los pozos y de los diferentes meacutetodos de estimulacioacuten aplicables
(fracturacioacuten acidificacioacuten inyeccioacuten de vapor) Tradicionalmente se hace la distincioacuten entre
dos periacuteodos durante la explotacioacuten de un yacimiento la recuperacioacuten primaria y la
recuperacioacuten secundaria Desde el aumento del precio del petroacuteleo al principio de los antildeos
70 se considera ademaacutes una eventual recuperacioacuten terciaria yo una recuperacioacuten
(secundaria) mejorada [14]
123 Recuperacioacuten primaria
Durante este periacuteodo el petroacuteleo se drena naturalmente hacia los pozos bajo el efecto del
gradiente de presioacuten existente entre el fondo de los pozos y el seno del yacimiento
En muchos yacimientos profundos la presioacuten es mayor que la presioacuten hidrostaacutetica lo que
hace que el petroacuteleo llegue a la superficie con el solo aporte energeacutetico del yacimiento A
medida que se expanden los fluidos en el yacimiento la presioacuten tiende a bajar en forma maacutes
13
o menos raacutepida seguacuten los mecanismos involucrados En ciertos casos puede existir un
mecanismo de compensacioacuten natural que reduzca notablemente la velocidad de decaimiento
de la presioacuten como la compactacioacuten de sedimento (subsidencia) la migracioacuten de un acuiacutefero
activo o la lenta expansioacuten de una bolsa de gas
Cuando el pozo no es eruptivo o cuando la presioacuten se ha reducido se necesita un aporte
externo de energiacutea para disminuir la presioacuten en fondo de pozo O bien se bombea el crudo
desde el fondo del pozo o bien se utiliza el meacutetodo del levantamiento con gas este consiste
en inyectar gas en fondo de pozo de tal forma que el fluido producido sea una mezcla de gas
y petroacuteleo de densidad suficientemente baja para llegar a la superficie bajo el efecto de la
presioacuten del yacimiento [20]
El periacuteodo de recuperacioacuten primaria tiene una duracioacuten variable pero siempre se lleva a cabo
ya que permite recoger numerosas informaciones sobre el comportamiento del yacimiento
las cuales son de primera importancia para la planificacioacuten de la explotacioacuten ulterior
La recuperacioacuten primaria se termina cuando la presioacuten del yacimiento ha bajado demasiado
o cuando se estaacuten produciendo cantidades demasiado importantes de otros fluidos (gas
agua) El porcentaje de recuperacioacuten primaria del crudo originalmente en sitio es en promedio
del orden de 10-15 pero puede ser tan bajo como 5 en yacimientos sin gas disuelto o
alcanzar 20 y auacuten maacutes en yacimientos que poseen una baja permeabilidad y una bolsa de
gas o un acuiacutefero activo
Anteriormente se explotaba el yacimiento en recuperacioacuten primaria hasta que los gastos de
explotacioacuten se vuelvan prohibitivos en cuyo momento se pasaba a los meacutetodos de
recuperacioacuten secundaria Hoy en diacutea se inician las operaciones de recuperacioacuten secundaria
mucho antes de llegar a este punto y la seleccioacuten del meacutetodo de explotacioacuten en un yacimiento
o en una parte de un yacimiento obedece a criterios de optimizacioacuten [22]
14
124 Recuperacioacuten secundaria
Los meacutetodos de recuperacioacuten secundarios consisten en inyectar dentro del yacimiento un
fluido menos costoso que el petroacuteleo para mantener un gradiente de presioacuten Estos fluidos se
inyectan por ciertos pozos (inyectores) y desplazan o arrastran una parte del petroacuteleo hacia
los otros pozos (productores) [14]
Hasta el principio de los antildeos 70 el bajo precio del crudo haciacutea que los uacutenicos fluidos
susceptibles de inyectarse econoacutemicamente eran el agua y en ciertos casos el gas natural
El drenaje por agua permite elevar la recuperacioacuten del aceite originalmente en sitio hasta un
promedio de 25-30 con variaciones desde 15 hasta 40 seguacuten los casos
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejorada
Despueacutes de las recuperaciones primaria y secundaria el yacimiento contiene todaviacutea 60-
80 (promedio 72) del crudo originalmente en sitio Esto se debe a que la eficiencia de los
meacutetodos de recuperacioacuten primaria y secundaria estaacute limitada por dos factores [14]
A la escala de los poros el crudo alcanza una saturacioacuten residual suficientemente baja
para encontrarse en forma de gloacutebulos discontinuos atrapados por las fuerzas
capilares
A la escala del yacimiento existen ciertas zonas en las cuales el fluido inyectado
durante la recuperacioacuten secundaria no penetra por la baja permeabilidad de estas
zonas porque siguen caminos preferenciales o porque la geometriacutea de implantacioacuten
de los pozos no es favorable
Entre los meacutetodos cuyo propoacutesito es mejorar la eficiencia del desplazamiento mediante una
reduccioacuten de las fuerzas capilares se pueden citar la utilizacioacuten de solventes miscibles con
el crudo y la obtencioacuten de baja tensioacuten interfacial con soluciones de surfactantes o soluciones
alcalinas Para mejorar la eficiencia de barrido se puede reducir la viscosidad del crudo
mediante calentamiento aumentar la viscosidad del agua con poliacutemeros hidrosolubles o
taponar los caminos preferenciales por ejemplo con espumas [21]
15
Los meacutetodos actualmente propuestos para la recuperacioacuten mejorada involucran uno o varios
de estos aspectos En lo que se refiere a la utilizacioacuten de surfactantes se destacan los
siguientes
Drenaje miscible con microemulsiones
Drenaje inmiscible con soluciones de surfactantes y poliacutemeros (y a veces aacutelcali)
Inyeccioacuten de vapor con surfactante ndash espumas
126 Generalidades de pozos
La estimulacioacuten de pozos se utiliza para mejorar la productividad de pozos petroleros Esto
se logra inyectando fluidos al pozo y dependiendo del gasto y presioacuten de inyeccioacuten
alcanzada seraacute el tipo de estimulacioacuten realizada Para aumentar la produccioacuten de un pozo se
debe tratar la roca situada en la cercaniacutea para aumentar su permeabilidad esto se debe a que
la geometriacutea ciliacutendrica del pozo produce una mayor resistencia al flujo en la vecindad del
mismo Existen esencialmente dos meacutetodos de estimulacioacuten que pueden emplearse solos o
juntos la fracturacioacuten y la acidificacioacuten [23]
En ambos tipos de procesos se usan surfactantes como dispersantes de partiacuteculas finas (alquil
fenoles y alquil amonios etoxilados) y como inhibidores de corrosioacuten (alquilpiridinios)
En el proceso de fracturacioacuten se inyecta bajo alta presioacuten una mezcla de agua y de arena La
arena penetra en las fracturas producidas e impide que se vuelvan a cerrar cuando la presioacuten
retorna a lo normal
En la acidificacioacuten se inyecta una solucioacuten aacutecida (HCl HF) extremadamente corrosiva para
los metales pero capaz de disolver la roca almaceacuten (carbonato siacutelica) Se usan alquil
piridinios como inhibidores de corrosioacuten alquil fenoles etoxilados como humectantes y
alquil amonios etoxilados como dispersantes de partiacuteculas finas
A menudo en presencia de carbonatos se desea retardar la acidificacioacuten para que el fluido
aacutecido pueda penetrar a cierta distancia del pozo antes de reaccionar con la roca
Uno de los meacutetodos de retardacioacuten consiste en emulsionar la fase acuosa aacutecida en queroseno
en forma WO Para tales emulsiones se usan sulfonatos de petroacuteleo o sales de aacutecidos
16
carboxiacutelicos por la interaccioacuten que presentan los grupos ldquosulfatordquo con los hidrocarburos [22]
Siendo el queroseno la fase continua el contacto aacutecido-roca no se produce inmediatamente
y la emulsioacuten puede penetrar a varios metros del pozo antes de que se consuma todo el aacutecido
obseacutervese en la figura 13
Figura 13 Acidificacioacuten controlada mediante la inyeccioacuten de una emulsioacuten de aacutecido en
queroseno [23]
Otro meacutetodo de retardacioacuten consiste en inyectar nitroacutegeno con la solucioacuten aacutecida la cual
contiene agentes espumantes como alquil eacutester sulfatos surfactantes etoxilados y a veces
surfactantes fluorocarbonados La espuma formada juega dos papeles de una parte reduce el
contacto entre el aacutecido y la roca y por lo tanto reduce la velocidad de ataque Por otra parte
tienen tendencia en llenar las fracturas y taponarlas (efecto Jamin) lo que obliga al aacutecido a
penetrar en la zonas de baja permeabilidad (figura 14)
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumas
Sin embargo estos dos uacuteltimos meacutetodos deben emplearse con cierto cuidado para evitar el
taponamiento del pozo con emulsiones o espumas debido a la presioacuten con la que actuacutean en
17
el mismo sistema lo que puede luego tener un efecto desfavorable sobre la produccioacuten[22]
Despueacutes de la acidificacioacuten se pone el pozo en produccioacuten para eliminar el residuo de aacutecido
y las partiacuteculas finas producidas por la desagregacioacuten de la roca Es en esta etapa que se
requieren agentes dispersantes
Ciertos meacutetodos de estimulacioacuten consisten en inyectar surfactantes para bien sea cambiar la
mojabilidad de la roca de mojable por el agua a mojable por el aceite bien sea desplazar
el crudo atrapado en la cercaniacutea del pozo Tales meacutetodos se usan para estimular pozos que
han dejado de producir por cierto tiempo o que han sufrido un dantildeo
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluido
131 Porosidad
Es el volumen de huecos de la roca y define la capacidad de eacutesta para almacenar fluidos Se
expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca
(porosidad total o bruta) [24]
Tipos de Porosidad
Absoluta La porosidad absoluta se considera como el volumen poroso total (esteacuten o
no interconectados)
Efectiva La porosidad efectiva se refiere al porcentaje de poros interconectados que
permiten la circulacioacuten de fluidos
No efectiva Representa la diferencia entre las porosidades anteriores es decir la
porosidad absoluta y la efectiva
132 Permeabilidad
18
La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo
atraviese sin alterar su estructura interna Se afirma que un material es permeable si deja
pasar a traveacutes de eacutel una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado e impermeable si la
cantidad de fluido es despreciable Se define con la ecuacioacuten de Darcy [14]
119876 =119870119860
120583
119889119875
119889119905 119910 119870 =
119876120583
119860 119889119897
119889119875 (1)
Doacutende
A Aacuterea de flujo (cm2)
Q Gasto (cm3 s-1)
dP Diferencia de presiones a la entrada y salida del permeaacutemetro (kPa)
dl Longitud del medio poroso (cm)
micro Viscosidad del fluido (cP)
K Velocidad de filtracioacuten (m s-1)
Si el fluido es homogeacuteneo y no produce ninguna accioacuten importante sobre la roca se habla
de permeabilidad absoluta pero si en la roca existen varios fluidos como es el caso de un
yacimiento petroliacutefero en el que se puede tener petroacuteleo agua y gas se producen
interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los
fluidos
La permeabilidad relativa corresponde a la relacioacuten entre permeabilidad absoluta y efectiva
Para un fluido dado variacutea en funcioacuten directa con la saturacioacuten de ese fluido en la roca y se
expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro
133 Tortuosidad
19
Una medida de la complejidad geomeacutetrica de un medio poroso La tortuosidad es una relacioacuten
que caracteriza los trayectos de la difusioacuten del fluido y la conduccioacuten eleacutectrica a traveacutes de los
medios porosos En mecaacutenica de fluidos de los medios porosos la tortuosidad es la relacioacuten
del largo de la corriente natural de un fluido (una liacutenea o trayecto de flujo) entre dos puntos
y la distancia en liacutenea recta entre esos puntos Por consiguiente la tortuosidad se relaciona
con la relacioacuten entre el coeficiente de difusioacuten de un fluido cuando no estaacute confinado por un
medio poroso y su coeficiente de difusioacuten efectivo cuando estaacute confinado en un medio poroso
[22] Este paraacutemetro es calculado con la ecuacioacuten 2
119879 =119871119864
119871 ( 2)
Doacutende
L es la longitud de la muestra de roca (cm)
LE es la longitud de la trayectoria de difusioacuten del fluido sobre la muestra (cm)
El flujo de fluidos a traveacutes de medios porosos estaacute fuertemente afectado por fenoacutemenos de
superficie los cuales representan fuerzas retentivas de fluidos en el medio poroso La accioacuten
de la estimulacioacuten matricial no reactiva concierne principalmente a la alteracioacuten de estas
fuerzas retentivas manifiestas en los fenoacutemenos de tensioacuten superficial mojabilidad y
capilaridad [20]
134 Tensioacuten Superficial e Interfacial
La materia en sus diferentes estados (soacutelido liacutequido y gaseoso) estaacute compuesta de moleacuteculas
las cuales presentan una atraccioacuten llamada fuerza de cohesioacuten Esta fuerza es una
combinacioacuten de fuerzas electrostaacuteticas y de Van der Waals [21] Naturalmente estas fuerzas
son de diferente magnitud dependiendo del estado de la materia Por ejemplo en el seno de
un liacutequido una moleacutecula es rodeada por moleacuteculas similares ejerciendo unas con otras
fuerzas iguales de atraccioacuten por lo que eacutestas se encuentran balanceadas tal como se muestra
en la figura 15
20
15 Representacioacuten de fuerzas intermoleculares en un sistema bifaacutesico (soacutelido-liacutequido)
En la interfase entre un liacutequido y un soacutelido o entre un liacutequido y un gas estas fuerzas son
desequilibradas causando que exista una resultante en la interfase con ello se crea una
energiacutea libre de superficie En la misma figura 15 se observa la fuerza resultante en la
interfase del sistema denotada con el teacutermino FR cuyo valor representa la tensioacuten que existe
entre las moleacuteculas de las fase liquida y gaseosa
Esta fuerza seraacute mayor entre mayores sean las fuerzas de atraccioacuten de las moleacuteculas del
liacutequido Si se deseara romper esta superficie se tendriacutea que realizar un trabajo por unidad de
aacuterea equivalente a vencer la energiacutea libre de superficie Este trabajo por unidad de aacuterea se
denomina tensioacuten superficial y su valor especiacutefico para cada liacutequido depende
principalmente de la temperatura y presioacuten a las cuales se encuentre
Para medir la tensioacuten superficial se utilizan varios meacutetodos de los cuales el maacutes utilizado es
el meacutetodo de Du Nouumly Este procedimiento consiste en colocar en el liacutequido un arillo de
platino y llevarlo hasta la interfase midiendo la fuerza necesaria con la que el anillo rompe
la superficie La tensioacuten superficial generalmente se da en dina cm-1 Para el agua a
21
condiciones estaacutendar la tensioacuten superficial es de 72 dina cm-1 para el benceno es de 29 dina
cm-1 [19]
En 1905 Young mostroacute que las propiedades mecaacutenicas de la energiacutea libre de superficie
podriacutean relacionarse con una membrana hipoteacutetica en la superficie Usando en concepto de
tensioacuten superficial Young fue capaz de derivar expliacutecitamente la condicioacuten de equilibrio
mecaacutenico de una superficie curva entre dos fases [21] La ecuacioacuten de Young se expresa en la
ecuacioacuten 3
119875primeprime minus 119875prime =2120590
119903 (3)
Doacutende
Pacute Presioacuten en la fase externa (kPa)
Pacuteacute Presioacuten en la fase interna (kPa)
σ Tensioacuten Superficial (Erg)
r Radio de curvatura (cm)
Si un liacutequido estaacute en contacto con otra sustancia (gas soacutelido u otros liacutequidos inmiscibles) hay
una energiacutea libre interfacial Esto significa que se tiene que realizar cierta cantidad de trabajo
con el fin de separar ambos medios Los dos principales paraacutemetros que afectan a la magnitud
de la tensioacuten superficial son la temperatura y la composicioacuten quiacutemica de las fases La
variacioacuten de la tensioacuten superficial liacutequido-vapor (γLG) usualmente sigue una relacioacuten lineal
seguacuten la expresioacuten [15]
120574119871119866 = 1205740 + (∆120575119871119866
∆119879) (119879 minus 119879119898) (4)
Doacutende
γLG Tensioacuten interfacial liquido-gas (dina cm-1)
γ0 Tensioacuten superficial del liacutequido (dina cm-1)
ΔδLG Diferencia de densidad entre fase liacutequida y fase gaseosa (kg m-3)
22
ΔT Diferencia de temperaturas
T Temperatura del sistema (degC)
Tm Temperatura media (degC)
En general la tensioacuten superficial para metales fundidos disminuye con el incremento de la
temperatura (dγLGdT) lt 0 ya que las fuerzas de cohesioacuten disminuyen al aumentar la
agitacioacuten teacutermica La influencia del medio exterior se debe a que las moleacuteculas del medio
ejercen acciones atractivas sobre las moleacuteculas situadas en la superficie del liacutequido
contrarrestando las acciones de las moleacuteculas del interior del liacutequido
La medida de la tensioacuten superficial en soacutelidos policristalinos es compleja comparada con la
medida de γLG y en consecuencia los datos experimentales son difiacutecilmente fiables Se han
desarrollado modelos teoacutericos para predecir γSG pero con un eacutexito limitado Por otro lado la
tensioacuten γSL no puede ser medida directamente soacutelo puede predecirse con la ayuda de modelos
teoacutericos [19] El uso de la ecuacioacuten 5 para determinar el trabajo de adherencia (conociendo
previamente γLG o midieacutendolo simultaacuteneamente con θ) es una de las praacutecticas maacutes habituales
para investigar la mojabilidad de soacutelidos por metales liacutequidos
119882119886 = 120574119871119866(1 + 119888119900119904120579)
Donde
Wa Mojabilidad
γLG= Tensioacuten interfacial (dina cm-1)
θ= Angulo de contacto (deg)
135 Mojabilidad
23
La mojabilidad es uno de los fenoacutemenos de superficie y representa la interaccioacuten soacutelidondash
liacutequido este paraacutemetro depende de las fuerzas intermoleculares de los materiales en contacto
la fuerza de adhesioacuten entre el liacutequido y el soacutelido provoca que el liacutequido se extienda por la
superficie mientras que la de cohesioacuten del liacutequido hacen que eacuteste se abulte y tienda a evitarla
Es claro que tambieacuten estaacute muy relacionada con la capilaridad porque algunas sustancias
disueltas en el agua pueden modificar su tensioacuten superficial y por lo tanto su mojabilidad [14]
El aacutengulo de contacto ϴ es el aacutengulo que forma el liacutequido respecto a la superficie de contacto
con el soacutelido y estaacute determinado por la resultante de las fuerzas adhesivas y cohesivas Como
la tendencia de una gota a expandirse en una superficie plana aumenta con la disminucioacuten
del aacutengulo de contacto este aacutengulo proporciona una medida inversa de la mojabilidad [25]
Un aacutengulo de contacto pequentildeo (lt 90deg) indica que la mojabilidad es muy alta y el fluido se
extenderaacute sobre la superficie aacutengulos de contacto grandes (gt 90deg) significan que la
mojabilidad es baja y el fluido disminuiraacute el contacto con la superficie formando una gota
compacta este efecto puede observarse en las figuras 6a 6b y 6c Cuantitativamente la
mojabilidad se define como el producto de la tensioacuten superficial por el aacutengulo de contacto
esto es
119882119886 = 120590119888119900119904120579 (5)
Figura 16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidad [25]
El fenoacutemeno de mojabilidad es de gran importancia para el flujo de aceite en un medio
poroso Se ha demostrado que si la roca se encuentra mojada por agua la permeabilidad al
a) b) c)
24
aceite es muy superior al caso en que la roca se encuentre mojada por aceite lo cual favorece
la recuperacioacuten del aceite contenido en el yacimiento [26]
136 Capilaridad
La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de adsorber a otra Sucede cuando las
fuerzas intermoleculares adhesivas entre el liacutequido y el soacutelido son mayores que las fuerzas
intermoleculares cohesivas del liacutequido Cuando un liacutequido sube por un tubo capilar es debido
a la cohesioacuten intermolecular entre sus moleacuteculas es menor que la adhesioacuten del liacutequido con el
material del tubo es decir es un liacutequido que moja El liacutequido sigue subiendo hasta que la
tensioacuten superficial es equilibrada por el peso del liacutequido que llena el tubo
Al sumergir un tubo de vidrio capilar en agua eacutesta se elevaraacute en el tubo como se muestra en
la figura 17 en este caso se define como presioacuten capilar la diferencia de presiones en la
interfase [5]
Figura 17 Efecto de la capilaridad [5]
La presioacuten capilar seraacute la fuerza requerida para soportar la columna de agua en el tubo
dividida entre el aacuterea del capilar se explica con la ecuacioacuten 6
119875119862 = 120588119892ℎ119888 (6)
Doacutende
25
Pc Presioacuten capilar (N m-2)
ρ Densidad (kg m-3)
g Aceleracioacuten de la gravedad (981 m s-2)
hc Altura de la columna (m)
137 Adsorcioacuten
La adsorcioacuten es un proceso de separacioacuten y concentracioacuten de uno o maacutes componentes de un
sistema sobre una superficie soacutelida o liacutequida Los distintos sistemas heterogeacuteneos en los que
puede tener lugar la adsorcioacuten son soacutelido-liacutequido soacutelido-gas y liacutequido-gas Como en otros
procesos de este tipo los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases
La adsorcioacuten es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra
sobre la superficie de otra fase (generalmente soacutelida) Por ello se considera como un
fenoacutemeno subsuperficial La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama
adsorbato y la fase impregnada se llama adsorbente [21] Lo anterior se muestra en la
figura 18
Figura 18 Proceso de adsorcioacuten
1371 Tipos de adsorcioacuten
Cabe distinguir tres tipos de adsorcioacuten seguacuten sea la atraccioacuten entre el soluto y el adsorbente
sea de tipo eleacutectrico de Van der Waals (o Fiacutesica) o de naturaleza quiacutemica [23]
26
Eleacutectrica Cae de lleno dentro del intercambio ioacutenico y a menudo se le llama
adsorcioacuten por intercambio que es un proceso mediante el cual los iones de una
sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atraccioacuten electrostaacutetica
en los lugares cargados de la superficie Para dos absorbatos ioacutenicos posibles a
igualdad de otros factores la carga del ioacuten es el factor determinante en la adsorcioacuten
de intercambio Para iones de igual carga el tamantildeo molecular (radio de solvatacioacuten)
determina el orden de preferencia para la adsorcioacuten (figura 19)
Figura 19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectrica
Fiacutesica La adsorcioacuten que tiene lugar debido a las fuerzas de Van der Waals se llama
generalmente adsorcioacuten fiacutesica En este caso la moleacutecula adsorbida no estaacute fija en un
lugar especiacutefico de la superficie sino maacutes bien estaacute libre de trasladarse dentro de la
interfase Esta adsorcioacuten en general predomina a temperaturas bajas El aumento de
la temperatura disminuye considerablemente la adsorcioacuten (figura 110)
No se produce adsorcioacuten a temperaturas superiores a la temperatura criacutetica del
adsorbato gaseoso si la presioacuten del gas tiene valores cercanos a la presioacuten de vapor
de equilibrio para el adsorbato liacutequido se produciraacute una adsorcioacuten maacutes extensa en
capas muacuteltiples
27
Figura 110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesica
Quiacutemica Si el adsorbato sufre una interaccioacuten quiacutemica con el adsorbente el
fenoacutemeno se llama adsorcioacuten quiacutemica adsorcioacuten activa o quimisorcioacuten Las energiacuteas
de adsorcioacuten son elevadas del orden de las de un enlace quiacutemico debido a que el
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente Esta adsorcioacuten suele estar favorecida a una temperatura elevada [17]
(figura 111)
Figura 111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemica
La mayor parte de los fenoacutemenos de adsorcioacuten son combinaciones de las tres formas de
adsorcioacuten y de hecho no es faacutecil distinguir entre adsorcioacuten fiacutesica y quiacutemica
28
14 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten es el proceso en donde un fluido que satura un medio capilar es desplazado
por otro fluido Eacutesta es espontaacutenea cuando el fluido desplazante penetra el medio capilar
uacutenicamente bajo la accioacuten de las fuerzas capilares Las muestras de roca que imbiben
uacutenicamente agua se dice que son mojadas por agua de igual manera las que lo hacen con el
aceite son mojadas por aceite [10]
La imbibicioacuten es importante en un yacimiento que produce por mecanismos de empuje de
agua porque puede favorecer u obstruir el movimiento del agua afectando el aacuterea del barrido
Una prueba de imbibicioacuten es una comparacioacuten del potencial de imbibicioacuten del petroacuteleo y del
agua en una roca tal como se muestra en la figura 112 La mojabilidad de la roca es
determinada por la fase que maacutes absorbe
Figura 112 Celda de imbibicioacuten espontanea [10]
141 Interaccioacuten roca-fluido
29
La mojabilidad es muy importante en los procesos de recuperacioacuten de aceite debido al fuerte
efecto que eacutesta ejerce en la distribucioacuten localizacioacuten y flujo de aceite y agua dentro del
yacimiento durante la produccioacuten
Generalmente se asume que los yacimientos de aceite fueron creados por la acumulacioacuten de
hidrocarburos en rocas que originalmente conteniacutean agua y por ello se deduce que las rocas
de todos los yacimientos fueron originalmente mojadas por agua [23]
Asimismo existen casos aislados en los cuales despueacutes de haberse hecho pruebas se
descubrioacute que algunos yacimientos eran originalmente mojados por aceite Principalmente
los asfaltenos pesados y las fracciones de resina del aceite crudo son capaces de alterar por
adsorcioacuten la mojabilidad de una caliza mojada originalmente por agua a una mojada por
aceite en su superficie Los componentes maacutes importantes en el aceite crudo responsables
del cambio de mojabilidad son aquellos que contienen grupos cargados como un aacutecido o una
base
Las rocas carbonatadas usualmente llevan cargan positivas en la superficie y tienen una
afinidad mayor por los componentes aacutecidos del aceite crudo En el caso de las areniscas cuya
carga de superficie es negativa se tiene una mayor atraccioacuten por los componentes baacutesicos
del aceite crudo [10] La figura 113 es una representacioacuten esquemaacutetica de coacutemo las partes
aacutecidas del aceite se adsorben sobre la superficie de la caliza generando un estado maacutes mojado
por aceite
Figura 113 Esquema de las partes aacutecidas del aceite crudo sobre una superficie de roca
carbonatada
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacutenea
30
La comprensioacuten de los mecanismos detraacutes de la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes
puede mejorar el desempentildeo y aplicacioacuten del producto en operaciones de campo
Diversos investigadores notaron que para cada tipo de roca la efectividad de la alteracioacuten de
la mojabilidad depende de la naturaleza ioacutenica del surfactante empleado En nuacutecleos de
calizas mojadas por aceite Austad [19] observoacute que surfactantes catioacutenicos funcionaron
mejor que surfactantes anioacutenicos en el cambio de mojabilidad hacia un estado maacutes mojado
por agua Pensaron que para los surfactantes catioacutenicos el mecanismo responsable de la
alteracioacuten de la mojabilidad en una roca carbonatada mojada por aceite era la formacioacuten de
ion-par entre las cabezas catioacutenicas de las moleacuteculas de surfactante y los componentes aacutecidos
del aceite crudo adsorbidos en la superficie de la roca carbonatada
La formacioacuten del ioacuten-par puede remover la capa de aceite crudo adsorbida sobre la superficie
de la roca logrando exponer la superficie de la roca carbonatada originalmente mojada por
agua En cambio las moleacuteculas de los surfactantes anioacutenicos forman una capa en la
superficie de la roca carbonatada a traveacutes de la interaccioacuten hidrofoacutebica de las colas del
surfactante en la superficie La capa de surfactantes adsorbidos con los grupos de cabezas
hidrofiacutelicas cubriendo la roca originalmente mojada por aceite pueden cambiar la
mojabilidad del medio poroso a uno maacutes mojado por agua En este caso las interacciones
hidrofoacutebicas son mucho maacutes deacutebiles que las interacciones ioacuten-par explicando por queacute los
surfactantes catioacutenicos funcionan mejor que los anioacutenicos en la alteracioacuten de mojabilidad en
rocas carbonatadas hacia un estado maacutes mojado por agua Esas pruebas e hipoacutetesis fueron el
comienzo de un estudio que otros investigadores culminaron en un estudio de la mecaacutenica de
la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes [19]
143 Cambio de mojabilidad por el ioacuten-par
31
La formacioacuten del ioacuten-par es influenciado principalmente por interacciones electrostaacuteticas
entre las cabezas hidrofiacutelicas de los surfactantes y estabilizada por interacciones de las
secciones hidrofoacutebicas de la moleacutecula de surfactante Como se muestra en la figura 114 la
formacioacuten de iones-par remueve los componentes del aceite crudo adsorbido sobre la
superficie de la roca dando lugar a la cara originalmente mojada por agua [23]
Figura 114 Modelo esquemaacutetico del cambio de mojabilidad con la aplicacioacuten de
surfactantes
Los iones-par formados durante el proceso no son solubles en agua y por ello se mueven
raacutepidamente dentro de la fase aguaaceite hacia la fase aceite dejando las moleacuteculas de
surfactante libres en la fase agua para asociarse con los componentes del aceite adsorbidos
en la superficie de la roca (figura 114) De esta manera el surfactante cambia
satisfactoriamente la mojabilidad de la superficie de la roca a un estado maacutes mojado por agua
15 Surfactantes
Tambieacuten llamados agentes tensoactivos son moleacuteculas que poseen una doble afinidad
quiacutemica debido a su estructura de tipo polar-apolar Un surfactante o agente superficialmente
activo es una especie quiacutemica que es activa en la interfase entre dos fases como un
detergente que es activo en la interfase entre las fases hidroacutefila e hidroacutefoba El detergente se
acumula en la interfase y modifica la tensioacuten superficial La tensioacuten superficial disminuye
cuando un soluto se acumula en la interfase siendo el soluto en este caso el agente
tensoactivo [21] Su representacioacuten claacutesica se indica en la Figura 115
32
115 Representacioacuten de una moleacutecula surfactante
La parte polar o hidrofiacutelica es un grupo funcional ioacutenico o no ioacutenico generalmente constituida
por heteroaacutetomos como oxiacutegeno azufre nitroacutegeno y foacutesforo que permiten un alto grado de
solubilidad en solventes polares particularmente en agua La parte apolar o lipofiacutelica
generalmente es una cadena hidrocarbonada de tipo alquil o alquilbenceno con presencia en
ciertos casos de aacutetomos de un haloacutegeno u oxiacutegeno la cual es soluble en solventes orgaacutenicos
no polares particularmente hidrocarburos aceites y grasas Debido a esta dualidad polar-
apolar una moleacutecula de surfactante tiene tendencia a migrar a una intercara o una superficie
con la finalidad de satisfacer sus dos tipos de afinidad Sin embargo no todas las sustancias
anfifiacutelicas poseen esta propiedad [14]
151 Clasificacioacuten de los surfactantes
Debido a que la accioacuten de los surfactantes depende principalmente de fuerzas electrostaacuteticas
eacutestos se clasifican de acuerdo a la naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua Los
surfactantes se dividen en anioacutenicos catioacutenicos no ioacutenicos y zwitterioacutenicos (anfoteacutericos)
La tabla 13 muestra su clasificacioacuten incluyendo su descripcioacuten esquemaacutetica las
caracteriacutesticas de carga del grupo soluble en agua los grupos quiacutemicos maacutes importantes y
sus usos principales
La naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua se usa para clasificar los surfactantes en
cuatro clases
33
Tabla 13 Clasificacioacuten de Surfactantes
Clasificacioacuten Descripcioacuten Carga del grupo
soluble en agua
Grupos Quiacutemicos Usos
Anioacutenicos M+ + Negativa Sulfonatos
Sulfatos
Fosfatos
Fosfonatos
No
emulsificantes
Retardadores
Limpiadores
Catioacutenicos X- - Positiva Grupos aminos No
emulsificantes
Inhibidores de
corrosioacuten
No ioacutenicos XxR Sin Carga Alcoholes
Alquilfenoles
Esteres
Eteres
Amidas
Etileno
No
emulsificantes
Espumantes
Inhibidores de
corrosioacuten
Zwitterioacutenicos M+ X- Posee ambas
cargas
Dodedil amino
aacutecido propionico
Inhibidores de
corrosioacuten
Los surfactantes anioacutenicos se disocian en un anioacuten anfiacutefilo y un catioacuten el cual es en general
un metal alcalino o un grupo alquiacutelico A este tipo pertenecen los detergentes sinteacuteticos como
los alquil benceno sulfonatos los jabones (sales de sodio de aacutecidos grasos) los agentes
espumantes como el lauril sulfato los humectantes del tipo sulfosuccinato los dispersantes
del tipo lignosulfonatos etc La produccioacuten de los surfactantes anioacutenicos representa
alrededor del 55 de los surfactantes producidos anualmente en el mundo FIRP 303
Los surfactantes no ioacutenicos estaacuten en el segundo rango por orden de importancia con un poco
menos del 40 del total En solucioacuten acuosa no se ionizan puesto que ellos poseen grupos
hidroacutefilos del tipo alcohol fenol eacutester eacuteter o amida Una alta proporcioacuten de estos
surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofiacutelicos gracias a la presencia de una cadena
polieacuteter del tipo polioacutexido de etileno El grupo hidroacutefobo es generalmente un radical alquilo
o alquil benceno y a veces una estructura de origen natural como un aacutecido graso sobre todo
cuando se requiere una baja toxicidad
34
Los surfactantes catioacutenicos se disocian en solucioacuten acuosa en un catioacuten orgaacutenico anfiacutefilo y
un anioacuten generalmente del tipo halogenuro La gran mayoriacutea de estos surfactantes son
compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario La fabricacioacuten
de estos surfactantes es mucho maacutes cara que la de los anteriores y es por esta razoacuten que no
se les utilizan salvo en caso de aplicacioacuten particular como cuando se hace uso de sus
propiedades bactericidas o de su facilidad de adsorcioacuten sobre sustratos bioloacutegicos o inertes
que poseen una carga negativa
Esta uacuteltima propiedad hace que sean excelentes agentes antiestaacuteticos hidrofobantes asiacute
como inhibidores de corrosioacuten [24] y puedan ser utilizados tanto en productos industriales
como para uso domeacutestico
La combinacioacuten dentro de una misma moleacutecula de dos caracteres anioacutenico y catioacutenico
producen un surfactante llamado anfoacutetero o zwitterioacutenico como por ejemplo los
aminoaacutecidos las betaiacutenas o los fosfoliacutepidos ciertos anfoacuteteros son insensibles al pH otros
son de tipo catioacutenico a pH aacutecido y de tipo anioacutenico a pH alto Los anfoacuteteros son en general
tan caros como los catioacutenicos y por esta razoacuten su utilizacioacuten se reduce a aplicaciones
particulares
152 Propiedades de los surfactantes
Los surfactantes poseen dos propiedades fundamentales que permiten explicar las
caracteriacutesticas de su utilizacioacuten actividad superficial o interfacial adsorcioacuten y asociacioacuten
micelar
1511 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacuten
Cuando un surfactante estaacute presente a baja concentracioacuten en un sistema tiene la propiedad
de adsorberse en la superficie (liacutequido-gas) o en la cara interfacial (liacutequido-liacutequido) del
sistema Este fenoacutemeno que es debido a sus caracteriacutesticas anfifiacutelicas provoca una
disminucioacuten notable de la energiacutea libre superficial o interfacial
35
La energiacutea libre de la moleacutecula en la cara interfacial es inferior a la de la moleacutecula
solubilizada en la fase acuosa por tanto la transferencia desde el seno de la fase hacia la cara
interfacial llamada adsorcioacuten se realiza de manera espontaacutenea
La disminucioacuten de la tensioacuten interfacial provocada por la adsorcioacuten del surfactante favorece
la deformacioacuten y la ruptura de la cara interfacial la formacioacuten de sistemas dispersos como
las emulsiones y las espumas la movilizacioacuten del petroacuteleo residual en pozos entre otros [26]
1512 Micelas y asociacioacuten micelar
En soluciones diluidas el surfactante se encuentra en el seno del liacutequido bajo la forma de
solucioacuten molecular A partir de cierta concentracioacuten llamada concentracioacuten micelar criacutetica
(CMC) la fase acuosa se satura y la adicioacuten de maacutes moleacuteculas de surfactante provoca la
formacioacuten de agregados de tipo coloidal llamadas micelas [21]
Estos agregados pueden reunir entre decenas y centenas de moleacuteculas y su dimensioacuten y
estructura dependen de la estructura y del ambiente fisicoquiacutemico del surfactante La
tendencia liofoacutebica de una parte de la moleacutecula surfactante es el principal promotor de la
formacioacuten de las micelas en las cuales el surfactante alcanza una posicioacuten favorable para
satisfacer su doble afinidad
Generalmente se presenta a una micela como una entidad estaacutetica sin embargo las micelas
son agregados moleculares en equilibrio dinaacutemico con las moleacuteculas de surfactante dispersas
en el disolvente [19] De hecho se puede citar que ocurren dos procesos baacutesicos i) intercambio
de las micelas con las moleacuteculas de surfactante en el disolvente y con otras micelas que
ocurre en microsegundos o milisegundos y ii) la renovacioacuten real de una micela completa por
este proceso (de milisegundos a segundos)
Cuando el medio continuo estaacute formado por una sustancia no polar (denominado
geneacutericamente aceite aunque su estructura quiacutemica no corresponda a este nombre) se
forman las llamadas micelas inversas Ahora las cabezas polares estaacuten orientadas hacia el
interior de la micela y estaacuten en contacto con agua o alguna otra sustancia polar mientras que
las colas hidrocarbonadas se dirigen hacia el exterior de la micela (en contacto con el
36
disolvente apolar) como se muestra en la figura 116 Estos sistemas son mucho maacutes
complejos que los formados por las micelas normales tienen valores propios para la CMC y
nuacutemero de agregacioacuten aunque su tamantildeo y forma es similar al de las micelas normales
Figura 116 Tipos de micela A) micela normal B) micela inversa
El tamantildeo de una micela esfeacuterica estaacute determinado por el equilibrio entre las fuerzas de
atraccioacuten entre las colas hidrocarbonadas entre siacute (realmente se debe a que las moleacuteculas de
agua tienden a expulsar a las moleacuteculas hidrofoacutebicas de su contacto) y las fuerzas de repulsioacuten
electrostaacutetica de las cabezas polares (ayudada por efectos esteacutericos y de hidratacioacuten)
Mediante estudios de difraccioacuten de neutrones a aacutengulo pequentildeo se ha determinado la
estructura de una micela esfeacuterica el nuacutecleo es hidrocarbonado los grupos polares junto con
algunos contraiones (iones de carga opuesta al de la cabeza polar del surfactante) constituyen
la capa ioacutenica de Stern con un espesor de 02 a 04 nm y una capa difusa de Gouy-Chapman
mostrado en la figura 117
37
Figura 117 Comportamiento estaacutetico micelar
A concentraciones de surfactante ligeramente mayores que la CMC las micelas son esfeacutericas
al aumentar la concentracioacuten ciertas propiedades de la disolucioacuten indican un cambio en la
estructura de los agregados micelares Esto se debe probablemente a interacciones entre las
micelas Incrementando la concentracioacuten las micelas adoptan formas ciliacutendricas o lamelares
o en algunos casos de discos A concentraciones superiores pueden ocurrir transiciones de
fase de solucioacuten micelar a cristales liacutequidos
Algunas de las caracteriacutesticas que hacen atractivas a las micelas para aplicaciones analiacuteticas
son la existencia de la capa ioacutenica de Stern (en micelas ioacutenicas) la orientacioacuten anisotroacutepica
(o grado de ordenamiento) del nuacutecleo de la micela el ordenamiento de la interfaz micelar
debido a la carga y a las interacciones con el disolvente y a la diferencia de polaridad entre
el disolvente y el interior micelar
Muchas propiedades fiacutesicas de las soluciones de surfactante (conductividad tensioacuten
superficial densidad etc) cambian de manera notable en la CMC Comuacutenmente la CMC se
obtiene por la interseccioacuten de dos curvas que representan una propiedad fiacutesica determinada
de la solucioacuten una curva representa la propiedad fiacutesica a concentraciones inferiores a la CMC
y la otra representa la propiedad fiacutesica a concentraciones superiores [10]
38
16 Emulsiones
Las emulsiones son sistemas dispersos constituidos por dos liacutequidos inmiscibles en los cuales
la fase en suspensioacuten (fase interna o dispersa) se encuentra en forma de pequentildeas gotas
contenida en la fase externa (fase continua o dispersante) como se muestra en la figura 118
La estructura de las emulsiones estaacute estabilizada por un agente surfactante llamado
emulsionante Por definicioacuten una emulsioacuten es un sistema termodinaacutemicamente inestable y
tarde o temprano debe separarse en sus dos fases [19]
Figura 118 Micrografiacutea de una emulsioacuten WO
La nocioacuten de estabilidad es por supuesto relativa pero se refiere a una casi ausencia de
cambio durante un periacuteodo de tiempo suficientemente largo para el propoacutesito de la aplicacioacuten
praacutectica lo cual puede variar de algunos minutos a algunos antildeos
Las cantidades relativas de fase dispersa y fase continua (referidas tambieacuten como fase interna
y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades Por debajo de 20 de fase
interna se habla de una emulsioacuten de bajo contenido de fase interna En tales emulsiones se
puede considerar que hay poca interaccioacuten de las gotas entre siacute
39
161 Tipos de emulsiones
En la mayoriacutea de los casos en los cuales se hace una emulsioacuten con dos liacutequidos
inmiscibles uno de los liacutequidos es una fase acuosa y el otro una fase aceite u orgaacutenica Se
usan las abreviaturas O para el aceite y W para el agua siguiendo la nomenclatura
anglosajona Las emulsiones se clasifican [26]
Aceite en agua (OW) Esta emulsioacuten contiene gotas de aceite dispersadas en agua
es la emulsioacuten normal para todas las aplicaciones con excepcioacuten de la produccioacuten de
petroacuteleo en la cual se denomina emulsioacuten inversa
Agua en aceite (WO) En esta emulsioacuten la fase dispersa es el agua mientras que la
continua es el aceite esta es la emulsioacuten normal en la industria petrolera y la inversa
para todas las demaacutes aplicaciones
Agua en aceite en agua (WOW) Cuando las gotas de aceite de una emulsioacuten OW
contienen en su interior gotitas de agua se dice que se tiene una emulsioacuten muacuteltiple
del tipo WOW Las emulsiones muacuteltiples se encuentran en forma espontaacutenea en
ciertas circunstancias o pueden prepararse al propoacutesito
Aceite en agua en aceite (OWO) Este tipo de emulsioacuten no se encuentra con
frecuencia y estaacute constituida por una fase continua de aceite con gotas dispersas de
agua en su interior las cuales a su vez contienen pequentildeiacutesimas gotas de la fase
aceitosa
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleo
Durante las operaciones de extraccioacuten del petroacuteleo la mezcla bifaacutesica de petroacuteleo y agua se
desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden de 1 piediacutea lo que es insuficiente
para que se forme una emulsioacuten Sin embargo al pasar por todo el aparataje de produccioacuten
durante el levantamiento y el transporte en superficie (bombas vaacutelvulas codos restricciones
etc) se produce la agitacioacuten suficiente para que el agua se disperse en el petroacuteleo en forma
de emulsioacuten WO estabilizada por las especies de actividad interfacial presentes en el crudo
(asfaacuteltenos y resinas) y por soacutelidos
40
Existen tres requisitos esenciales para formar una emulsioacuten
Dos liacutequidos inmiscibles como el agua y el aceite
Suficiente agitacioacuten para dispersar uno de los liacutequidos en pequentildeas gotas en el otro
Un agente emulsionante para estabilizar las gotas dispersas en la fase continua
En los campos petroleros las emulsiones se conocen como emulsiones directas (agua
en aceite WO) y emulsiones indirectas (aceite en agua OW) Otra terminologiacutea en la
industria petrolera es clasificar las emulsiones directas producidas como duras y suaves Por
definicioacuten una emulsioacuten dura es muy estable y difiacutecil de romper principalmente porque las
gotas dispersas son muy pequentildeas Por otro lado una emulsioacuten suave es inestable y faacutecil de
romper En otras palabras cuando un gran nuacutemero de gotas de agua de gran diaacutemetro estaacuten
presentes ellas a menudo se separan faacutecilmente por la fuerza gravitacional El agua que se
separa en menos de cinco minutos es llamada agua libre
La mejor forma de deshidratar es evitar que se produzca la emulsioacuten o por lo menos
reducir al maacuteximo las condiciones que favorezcan el emulsionado
En pozos fluyentes una agitacioacuten considerable es generalmente causada por el gas
disuelto saliendo de la solucioacuten (el gas se desorbe) conforme decrece la presioacuten Este gas
tambieacuten causa turbulencia cuando fluye junto con la mezcla bifaacutesica agua-aceite a traveacutes de
accesorios y restricciones en la tuberiacutea de produccioacuten pasa por supuesto lo mismo cuando
se utiliza el levantamiento con gas Esta turbulencia puede ser reducida pero no eliminada
instalando un estrangulador de fondo Este estrangulador reduce la estabilidad de la emulsioacuten
por las siguientes causas
Hay menos presioacuten diferencial
La temperatura de fondo de pozo es considerablemente maacutes alta que la temperatura
en la superficie
Hay flujo laminar para una gran distancia corriente abajo del estrangulador de fondo
y por lo tanto menos turbulencia
Actualmente el 90 de las teacutecnicas utilizadas para la extraccioacuten de petroacuteleo crudo
generan o agravan los problemas de emulsionado Los quiacutemicos usados en las fracturas de la
41
formacioacuten estimulaciones de pozos inhibicioacuten de corrosioacuten etc frecuentemente causan
severos problemas de emulsionaje por lo que existen meacutetodos para romperlas tales como el
calentamiento aditivos quiacutemicos tratamiento eleacutectrico y asentamiento En los casos de bajo
contenido de agua (lt 10) resulta ventajoso antildeadir agua en fondo de pozo antes que se
produzca la emulsioacuten porque asiacute la emulsioacuten formada seraacute menos estable (el tamantildeo de gotas
aumenta y se favorece la coalescencia [22]
163 Agentes emulsionantes
Los agentes emulsionantes son numerosos y pueden ser clasificados
Compuestos naturales surfactantes tales como asfaltenos y resinas conteniendo
aacutecidos orgaacutenicos y bases aacutecidos nafteacutenicos aacutecidos carboxiacutelicos compuestos de
azufre fenoles cresoles y otros surfactantes naturales de alto peso molecular
Soacutelidos finamente divididos tales como arena arcilla finos de formacioacuten esquistos
lodos de perforacioacuten fluidos para estimulacioacuten incrustaciones minerales productos
de la corrosioacuten (por ejemplo sulfuro de hierro oacutexidos) parafinas asfaltenos
precipitados Los fluidos para estimulacioacuten de pozos pueden contribuir a formar
emulsiones muy estables
Quiacutemicos de produccioacuten antildeadidos tales como inhibidores de corrosioacuten biocidas
limpiadores surfactantes y agentes humectantes
Estos agentes pueden adsorberse en la interfase de la gota de agua y formar una peliacutecula
riacutegida que resulta en una alta estabilidad de la emulsioacuten WO formada lo cual ocurre en
menos de tres diacuteas Es por eso que la emulsioacuten debe tratarse lo maacutes pronto posible con
diferentes agentes tales como quiacutemica deshidratante calor sedimentacioacuten por
centrifugacioacuten o electrocoalescencia [26]
42
164 Estabilidad de una emulsioacuten
La peliacutecula interfacial formada estabiliza la emulsioacuten debido a que
Aumenta la tensioacuten interfacial Por lo general para emulsiones de crudo la tensioacuten
interfacial se encuentra en el intervalo de 30 a 36 mN m-1 Asiacute mismo la presencia
de sales aumenta la tensioacuten interfacial
Forma una barrera viscosa que inhibe la coalescencia de las gotas
Si el surfactante o partiacutecula adsorbida en la interfase es polar su carga eleacutectrica
provoca que se repelan unas gotas de otras
Otro mecanismo de estabilizacioacuten ocurre cuando los emulsionantes son partiacuteculas soacutelidas
muy finas Para ser agentes emulsionantes las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes pequentildeas que
las gotas suspendidas y deben ser mojadas por el aceite y el agua Luego estas finas partiacuteculas
soacutelidas o coloides (usualmente con surfactantes adheridos a su superficie) se colectan en la
superficie de la gota y forman una barrera fiacutesica Algunos de estos soacutelidos son el sulfuro de
hierro y la arcilla [14]
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacuten
La estabilidad y rompimiento de una emulsioacuten depende de varios factores
Tensioacuten interfacial Una reduccioacuten de la tensioacuten interfacial no aumenta la estabilidad
de la emulsioacuten Se ha encontrado que los sistemas de tensioacuten ultrabaja producen
emulsiones inestables
Viscosidad de la fase externa Una viscosidad alta en la fase externa disminuye el
coeficiente de difusioacuten y la frecuencia de colisioacuten de las gotas por lo que se
incrementa la estabilidad de la emulsioacuten Una alta concentracioacuten de las gotas tambieacuten
incrementa la viscosidad aparente de la fase continua y estabiliza la emulsioacuten Este
efecto puede ser minimizado calentando la emulsioacuten
Tamantildeo de la gota Gotas muy pequentildeas menores de 10 microm generalmente producen
emulsiones maacutes estables Una amplia distribucioacuten de tamantildeos de partiacuteculas resulta en
general en una emulsioacuten menos estable
43
Relacioacuten de volumen de fases Incrementando el volumen de la fase dispersa se
incrementa el nuacutemero de gotas yo tamantildeo de gotas y el aacuterea interfacial La distancia
de separacioacuten se reduce y esto aumenta la probabilidad de colisioacuten de las gotas Todos
estos factores reducen la estabilidad de la emulsioacuten
Temperatura Usualmente la temperatura tiene un efecto muy fuerte en la estabilidad
de la emulsioacuten Incrementando la temperatura se reduce la adsorcioacuten de surfactantes
naturales y disminuye la viscosidad de la fase externa la rigidez de la peliacutecula
interfacial y la tensioacuten superficial Todos estos cambios reducen la estabilidad de la
emulsioacuten
pH La adicioacuten de aacutecidos o bases inorgaacutenicos cambia radicalmente la formacioacuten de
peliacuteculas de asfaltenos y resinas que estabilizan las emulsiones agua-aceite
Envejecimiento de la interfase A medida que la interfase envejece la adsorcioacuten de
los surfactantes se completa y debido a las interacciones laterales entre las moleacuteculas
aumenta la rigidez de la peliacutecula hasta un valor estable en unas 3 o 4 horas Esta
peliacutecula o piel alrededor de la gota llega a ser maacutes gruesa maacutes fuerte y maacutes dura
Ademaacutes la cantidad de agentes emulsionantes se incrementa por oxidacioacuten fotoacutelisis
evaporacioacuten o por la accioacuten de bacterias
Salinidad de la salmuera La salinidad de la salmuera es un factor importante en la
formacioacuten de emulsiones estables Agua fresca o salmuera con baja concentracioacuten de
sal favorecen la estabilidad de las emulsiones Por el contrario altas concentraciones
de sal tienden a reducirla
Tipo de aceite Los crudos de base parafiacutenica usualmente no forman emulsiones
estables mientras que los crudos nafteacutenicos y de base mixta forman emulsiones
estables Ceras resinas asfaltenos y otros soacutelidos pueden influenciar la estabilidad
de la emulsioacuten En otras palabras el tipo de crudo determina la cantidad y tipo de
emulsionantes naturales
Diferencia de densidad La fuerza neta de gravedad que actuacutea en una gota es
directamente proporcional a la diferencia en densidades entre la gota y la fase
continua Aumentando la diferencia de densidad por incremento de la temperatura se
logra aumentar la velocidad de sedimentacioacuten de las gotas y por ende se acelera la
coalescencia
44
Capiacutetulo II
Metodologiacutea
45
La metodologiacutea usada en este proyecto se ilustra en la figura 21 la cual abarca desde la
preparacioacuten de las rocas carbonatadas hasta las pruebas de dispersioacuten de luz dinaacutemica y
potencial zeta con las cuales se concluyoacute este trabajo
Figura 21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyecto
Preparacioacuten de rocas carbonatadas (Pulido)
Caracterizacioacuten de las rocas carbonatadas por Espectroscopiacutea FTIR UV-vis SEMEDX
Preparacioacuten de emulsioacuten WO (7030) aplicando 500 y 800 mg L-1
de S(I) y S(II)
Imbibicioacuten espontaacutenea de roca de yacimiento
Pruebas tensiometricas de crudo emulsionado sobre roca
(Metodo de gota seacutesil)
Extraccioacuten de asfaltenos
Impregnacioacuten y caracterizacioacuten de asfaltenos sobre roca carbonatada
DLS de roca impreganada de asfaltenos
Potencial Zeta de roca impregnada de asfaltenos
46
21 Reactivos utilizados en el proyecto
En la tabla 21 se enlistan los reactivos utilizados en el desarrollo del proyecto
Tabla 21 Reactivos empleados en el proyecto
Reactivo Pureza Marca CAS
Acetona 999 Sigma-Aldrich 67-64-1
Heptano 95 Sigma-Aldrich 142-82-5
Tolueno 999 Sigma-Aldrich 108-99-3
Ciclohexano 99 Sigma-Aldrich 110-82-7
Nitrato de sodio 99 Sigma-Aldrich 7631-99-4
Cloruro de Sodio 99 Sigma-Aldrich 7647-14-5
Carbonato de calcio 99 Sigma-Aldrich 471-34-1
Sulfato de Magnesio 995 Sigma-Aldrich 7487-88-9
Agua desionizada 995 Sigma-Aldrich 7732-18-5
En la tabla 22 se muestran la nomenclatura de los surfactantes empleados en la
experimentacioacuten los cuales son de naturaleza catioacutenica debido a la propiedad de absorberse
sobre sustratos cargados negativamente
Tabla 22 Surfactantes utilizados en la experimentacioacuten
22 Sistemas de estudio
Clave Nombre surfactante Estructura
S1
P-toluensulfonato de 1-
metil-3-hexilimidazolio
[1M3HIMPTSO3]
S2
Cloruro de 1-metil-3-etil-
p-toluensulfonilimidazolio
[1M3EPTSO3IMCl]
CH3
N
N+
CH3
CH3
S
O
O
O-
CH3S
O
O
O
CH3
N
N+
Cl-
47
221 Agua congeacutenita
Se obtuvo una muestra de agua congeacutenita del petroacuteleo Aguacate 72 la cual fue proporcionada
por el Instituto Mexicano del Petroacuteleo Dicha muestra fue caracterizada por Espectroscopiacutea
de infrarrojo de Fourier con la finalidad de conocer los grupos funcionales presentes en la
misma
221 Salmuera
Se preparoacute a partir de una mezcla de 3 sales caracteriacutesticas de cualquier salmuera natural en
la siguiente proporcioacuten 30 de carbonato de calcio (CaCO3) 50 de cloruro de sodio
(NaCl) y 20 de sulfato de magnesio (MgSO4) Tomando como referencia 100 mL se pesoacute
1 gramo de mezcla de sales y se diluyoacute en agua desionizada posteriormente se realizaron
diluciones hasta obtener una concentracioacuten de 100 mg L-1
222 Extraccioacuten de asfaltenos
Se pesaron 10 g de crudo y se disolvieron en 40 mL de heptano posteriormente se aplicoacute
agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas Tras este periodo se dejoacute en reposo el sistema durante
24 horas Finalmente la solucioacuten se filtroacute aplicando vaciacuteo y exceso de heptano para arrastrar
los restos de compuestos no asfalteacutenicos contenidos en el producto
223 Impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada
Se preparoacute una muestra con la siguiente proporcioacuten 15 g de asfaltenos (30) y 35 g de
roca carbonatada (70) los cuales fueron agregados a 50 mL de Ciclohexano contenidos en
un matraz como se muestra en la figura 22 Se realizoacute agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas
posteriormente se realizoacute una filtracioacuten a vaciacuteo El producto obtenido se secoacute en una estufa a
100degC con un tiempo de secado de 24 horas
48
Figura 22 Muestra de roca carbonatada y asfaltenos
23 Disentildeo de experimentos
Se prepararon emulsiones con una proporcioacuten de 7030 (WO donde W corresponde al agua
siendo en nuestro caso de estudio agua congeacutenita oacute salmuera y O corresponde al crudo)
utilizando crudo Aguacate del pozo 72 manejando 10 g totales de muestra los cuales fueron
depositados en recipientes de plaacutestico de 20 mL ademaacutes de ser sometidas a agitacioacuten
continua con una espaacutetula por 20 minutos con el fin de formar la emulsioacuten
El petroacuteleo utilizado en el proyecto tiene las siguientes caracteriacutesticas
Densidad 09696 g cm-3
1440 grados API
2166 Saturados 3057 Aromaacuteticos 2435 Resinas y 2341 Asfaltenos
El disentildeo experimental es presentado en la tabla 23 se trabajoacute con 2 diferentes surfactantes
(S2 y S3) y estos se agregaron a las diferentes emulsiones WO usando concentraciones de
500 mg L-1 y 800 mg L-1 realizaacutendose micrografiacuteas de las emulsiones antes y despueacutes de
agregar el surfactante posteriormente se realizoacute el anaacutelisis tensiomeacutetrico de cada emulsioacuten
finalizando con el estudio dispersivo de los asfaltenos por Dispersioacuten de Luz dinaacutemica (DLS)
y Potencial Zeta
49
Tabla 23 Disentildeo de experimentos
Experimento Q1 O1 SX C(mg L-1)
Roca Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Experimento Q1 O1 SX C(ppm)
Roca Impregnada Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
50
24 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
241 Espectroscopiacutea de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)
Las teacutecnicas espectroscoacutepicas se fundamentan en la interaccioacuten de la materia con la
radiacioacuten Esta interaccioacuten provoca procesos como la absorcioacuten o la difusioacuten (scattering)
Cuando una moleacutecula absorbe o emite un fotoacuten su estado energeacutetico cambia En general
este cambio se manifiesta como una variacioacuten en la energiacutea traslacional de la moleacutecula y
como una modificacioacuten en su estado electroacutenico vibracional o rotacional Como las energiacuteas
asociadas a cada uno de estos cambios son muy diferentes cada uno de estos procesos se
puede tratar de manera independiente Exceptuando los cambios traslacionales los estados
energeacuteticos de las moleacuteculas estaacuten cuantizados consecuentemente los procesos de absorcioacuten
y emisioacuten soacutelo pueden darse a determinadas frecuencias de los fotones Para cada moleacutecula
dada su espectro de adsorcioacutenemisioacuten constituye una huella de la misma Las absorciones
que se producen en la regioacuten espectral del infrarrojo involucran energiacuteas mucho maacutes
pequentildeas comparadas con las energiacuteas de absorcioacuten relacionadas con la estructura electroacutenica
de la moleacutecula (ultravioleta y visible)
Sin embargo no todas las vibraciones yo rotaciones producen una absorcioacuten de radiacioacuten
incidente Soacutelo los modos vibracionales y rotacionales de moleacuteculas con momento bipolar
diferente de cero o bien aquellos modos que induzcan un momento diferente de cero en la
moleacutecula son activos al infrarrojo Para que exista un espectro rotacional activo en el
infrarrojo se requiere que la moleacutecula sea polar mientras que para tener un espectro
vibracional activo en el infrarrojo basta que el movimiento vibracional de los aacutetomos de la
moleacutecula induzca un momento bipolar no nulo [28]
En un interferoacutemetro Michelson el haz de radiacioacuten que viene de la fuente se divide mediante
un espejo semipermeable (beamsplitter) en dos haces parciales que se reflejan en sendos
espejos uno fijo y otro moacutevil vuelven al beamsplitter y se recombinan en interferencia Un
desplazamiento del espejo moacutevil cambia el camino oacuteptico en ese brazo del interferoacutemetro
51
introduciendo una diferencia de fase entre los haces y por tanto un cambio en la amplitud de
la interferencia La intensidad de sentildeal que llega al detector tras atravesar la muestra
representada como funcioacuten de la diferencia en la trayectoria de ambos haces (retardo) es lo
que se llama interferograma Con una radiacioacuten monocromaacutetica se obtiene una sentildeal coseno
que en el caso de caminos oacutepticos ideacutenticos en ambos brazos proporciona una interferencia
constructiva sin diferencia de fase entre los haces y por tanto una intensidad maacutexima El
resultado es un interferograma (intensidad en funcioacuten del tiempo) la cual se convierte viacutea un
algoritmo matemaacutetico (transformada de Fourier) en un diagrama de Intensidad en funcioacuten de
la frecuencia (espectro)
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro FTIR de marca Perkin Elmer Spectrum One donde se
analizoacute la roca carbonatada de yacimiento Para la identificacioacuten de los grupos funcionales
se trabajoacute con un intervalo espectral de 4000 a 380 cm-1 utilizando 12 barridos
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)
El espectro Ultravioleta y Visible de las moleacuteculas estaacute asociado a transiciones electroacutenicas
entre los diferentes niveles energeacuteticos en ciertos grupos o aacutetomos de la moleacutecula En
contraste la absorcioacuten de energiacutea en la regioacuten Infrarroja estimulan la moleacutecula completa y
causa cambios vibracionales y rotacionales en esta lo cual caracteriza la entidad estructural
de dicha moleacutecula Los grupos de aacutetomos que dan origen a la absorcioacuten en el UV cercano o
UV de cuarzo se conocen como grupos cromoacuteforos La mayoriacutea de los grupos insaturados y
heteroatoacutemicos que tienen pares de electrones no compartidos son cromoacuteforos potenciales y
estos grupos son la base de la elucidacioacuten de grupos estructurales en las moleacuteculas activas en
el UV cercano
Cuando dos aacutetomos forman un enlace quiacutemico los orbitales atoacutemicos de cada uno de ellos
se combinan para formar dos orbitales moleculares uno de baja energiacutea que es el orbital
enlazante y otro de energiacutea mayor que es el orbital antienlazante Los enlaces covalentes que
se originan entre los orbitales de dos aacutetomos que se enlazan quiacutemicamente pueden ser de dos
tipos y se conocen como enlaces σ y enlaces π
52
Al efectuarse dicho enlace covalente se forman simultaacuteneamente orbitales antienlazantes σ
en el caso de un orbital molecular enlazante σ y π en el caso de un orbital molecular
enlazante p La absorcioacuten de energiacutea radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones
σ oacute π resulta en la excitacioacuten de eacutestos los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales
antienlazantes La absorcioacuten de radiacioacuten Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas
transiciones
Un espectro ultravioleta-visible es esencialmente un graacutefico de absorbancia de luz frente a
una longitud de onda en el rango del ultravioleta o la luz visible para una determinada
sustancia puede hacerse un graacutefico estaacutendar del coeficiente de extincioacuten (ε) frente a la
longitud de onda (λ) Las longitudes de onda de los picos de absorcioacuten pueden
correlacionarse con los tipos de enlace en una determinada moleacutecula y son valiosos para
determinar los grupos funcionales dentro de la moleacutecula La absorcioacuten UV-Vis no es sin
embargo una prueba especiacutefica para ninguacuten compuesto determinado La naturaleza del
disolvente el pH de la solucioacuten la temperatura la concentracioacuten de electrolitos y la
presencia de sustancias interferentes pueden influir en los espectros de absorcioacuten de los
compuestos asiacute como las variaciones de ancho de banda [29]
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro UV-vis de marca Cintral 303 GBC en donde se analizaron
los compuestos sintetizados Para la identificacioacuten de los grupos funcionales se trabajoacute con
una celda de 10 mm de espesor en un intervalo espectral de 800 a 200 nm Se preparoacute una
solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano a una concentracioacuten de 100 mg L-1 asiacute como
soluciones de roca impregnada de crudo en ciclohexano a diferentes concentraciones (100
50 30 20 10 5 3 y 1 mg L-1)
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
El Microscopio electroacutenico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscopy) es una
teacutecnica que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen
ampliada de la superficie de un objeto Es un instrumento que permite la observacioacuten y
caracterizacioacuten superficial de soacutelidos inorgaacutenicos y orgaacutenicos Tiene una gran profundidad
53
de campo la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra Eacutesta teacutecnica
brinda informacioacuten topograacutefica sobre la superficie de material analizado y el anaacutelisis EDX
proporciona informacioacuten sobre su composicioacuten quiacutemica [30]
Esta teacutecnica esencialmente consiste en hacer incidir en la muestra un haz de electrones Este
bombardeo de electrones provoca la aparicioacuten de diferentes sentildeales que captadas con
detectores adecuados nos proporcionan informacioacuten acerca de la naturaleza de la muestra
La sentildeal de electrones secundarios proporciona una imagen de la morfologiacutea superficial de
la muestra La sentildeal de los electrones retrodispersados muestra una imagen cualitativa de
zonas con distinto nuacutemero atoacutemico medio y la sentildeal de rayos X presenta los espectros e
imaacutegenes acerca de la composicioacuten de elementos quiacutemicos en la muestra
25 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten espontaacutenea de la fase mojante sobre la superficie de una roca consiste en la
absorcioacuten de la misma en su superficie tan pronto como existe contacto entre dicha fase y el
soacutelido sin requerirse de la accioacuten de un trabajo externo para realizarse lo cual tambieacuten se
conoce como la succioacuten capilar de esta fase en el medio poroso es decir es un proceso que
consiste en el ingreso de la fase mojante en los poros de la roca por efecto de las fuerzas
capilares [10]
En este proceso se utiliza una Celda de Amott el cual es un contenedor ciliacutendrico conceacutentrico
de vidrio en cuya parte central se colocan el material que seraacute saturado por la fase mojante
y en la capucha externa se introduce liacutequido refrigerante para mantener la temperatura
constante dentro de la celda
Para la experimentacioacuten se utilizaron 3 rocas carbonatadas que fueron introducidas en una
celda de Amott de 500 mL Posteriormente se llenoacute la parte interna de la celda con petroacuteleo
crudo y la capucha externa con refrigerante La celda se colocoacute en un bantildeo de aceite a 65degC
durante 7 diacuteas En la figura 23 se observa el montaje del equipo para el proceso de
imbibicioacuten
54
Figura 23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacuten
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
Este meacutetodo experimental es usado para determinar el aacutengulo de contacto existente en un
sistema bifaacutesico Consiste en la colocacioacuten de una gota sobre una superficie soacutelida
posteriormente el equipo realiza el caacutelculo de paraacutemetros propios de la gota como radio y
diaacutemetro los cuales son fundamentales sustituidos en las ecuaciones de tensioacuten superficial
[10]
Para la experimentacioacuten se emplearon 8 rocas carbonatadas de yacimiento las cuales fueron
previamente pulidas para generar una superficie lisa obseacutervese la figura 24 Posteriormente
se colocoacute la emulsioacuten preparada en la jeringa para estudio tensiomeacutetrico por accioacuten
gravitacional el fluido descendioacute provocando la formacioacuten de una gota la cual se fija en la
roca La caacutemara del tensioacutemetro detecta el aacutengulo y la forma de la gota asiacute como su
deformacioacuten con el paso del tiempo
55
Figura 24 Roca carbonatada previamente pulida
Asiacute mismo se realizoacute la medicioacuten del aacutengulo de contacto para las rocas imbibidas en crudo
(figura 25) soacutelo difiriendo en la fase mojante la cual se trataba en un primer experimento
de la salmuera o del agua congeacutenita y posteriormente se adicionaron los dos surfactantes a
500 y 800 mg L-1
Figura 25 Roca carbonatada imbibida de petroacuteleo
Se utilizoacute un tensioacutemetro de la marca Attension modelo Theta Lite 101 (figura 26) en donde
se analizaron los sistemas de estudio mencionados anteriormente empleando el meacutetodo de
gota seacutesil
Figura 26 Tensioacutemetro Attension Theta Lite 101
56
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemica
La dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS) a la que a veces se hace referencia como dispersioacuten de
luz cuasi elaacutestica (QELS) es una teacutecnica no invasiva y bien establecida para medir el tamantildeo
y distribucioacuten de tamantildeo de moleacuteculas partiacuteculas y agregados tiacutepicamente en la regioacuten
submicromeacutetrica y con la uacuteltima tecnologiacutea inferiores a 1 μm
Las aplicaciones tiacutepicas de la dispersioacuten de luz dinaacutemica son la caracterizacioacuten de partiacuteculas
emulsiones o moleacuteculas que se han dispersado o disuelto en un liacutequido El movimiento
Browniano de las partiacuteculas o moleacuteculas en suspensioacuten hace que la luz laacuteser se disperse en
diferentes intensidades [31] Con el anaacutelisis de estas fluctuaciones en la intensidad se obtiene
la velocidad del movimiento Browniano y por lo tanto del tamantildeo de partiacutecula mediante la
relacioacuten de Stokes-Einstein (figura 27)
Figura 27 Diagrama de funcionamiento de Dispersioacuten de luz dinaacutemica
A diferencia de la dispersioacuten de luz estaacutetica para determinar el tamantildeo de las partiacuteculas y
agregados la dispersioacuten de luz dinaacutemica no tiene en cuenta la dependencia del aacutengulo sino
la variacioacuten de la intensidad de dispersioacuten en el tiempo debido a la aglomeracioacuten de las
partiacuteculas con respecto al tiempo teniendo un efecto de sedimentacioacuten que provoca un
caacutelculo erroacuteneo de la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
Esta teacutecnica fisicoquiacutemica se utiliza para determinar el perfil de distribucioacuten de tamantildeos de
partiacuteculas pequentildeas en suspensioacuten mediante una fuente monocromaacutetica que pasa a traveacutes de
un polarizador y la muestra La luz dispersada pasa posteriormente a traveacutes de un segundo
57
polarizador donde es recogido por un fotomultiplicador y se obtiene una intensidad de
dispersioacuten determinada [32]
Para la experimentacioacuten se preparoacute la solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano con una
concentracioacuten de 100 mg L-1 se llevoacute a sonicacioacuten durante 15 minutos posteriormente se
colocaron 3 mL de la muestra en la celda y se realizoacute su anaacutelisis Asiacute mismo se estudiaron
las soluciones de roca impregnada en ciclohexano y la aplicacioacuten de los surfactantes sobre
las mismas a 500 y 800 mg L-1
Se utilizoacute un equipo de la marca Malvern modelo Zetasizer en donde se analizaron los
sistemas de estudio mencionados anteriormente
28 Potencial Zeta
El potencial zeta es una propiedad que mide el potencial electrocineacutetico en sistemas
coloidales en la quiacutemica coloidal se denota por lo general con la letra griega zeta Desde un
punto de vista fiacutesico el potencial zeta es el potencial eleacutectrico en la doble capa interfacial es
decir que es el punto donde se unen la capa difusa y la de Stern Tambieacuten el potencial zeta es
la diferencia de potencial entre el medio de dispersioacuten y la capa estacionaria unido a la
partiacutecula dispersada []
Las partiacuteculas coloidales dispersas en una solucioacuten estaacuten cargadas eleacutectricamente gracias a
sus caracteriacutesticas ioacutenicas y de bipolaridad El desarrollo de una red de carga eleacutectrica en la
superficie de la partiacutecula puede afectar la distribucioacuten de iones en una regioacuten interfacial
vecina y provocar un aumento de la concentracioacuten de iones contados (iones de carga
contraria a las partiacuteculas) cerca de la superficie tal como se muestra en la figura 27
58
Figura 27 Interacciones entre las partiacuteculas tras la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica [33]
Cada partiacutecula dispersa en una solucioacuten se rodea de iones cargados con carga opuesta que se
denomina capa fija Fuera de esta capa fija existen distintas composiciones de iones de
polaridad opuesta formando un aacuterea nebulosa De esta manera se crea una capa doble
eleacutectrica en la regioacuten de interfase partiacutecula- liacutequido
La medida del Potencial Z permite caracterizar y predecir el comportamiento de soacutelidos
macroscoacutepicos y de partiacuteculas en suspensiones liacutequidas en multitud de aplicaciones teacutecnicas
En suspensiones liacutequidas el Potencial Z es una medida de la atraccioacutenrepulsioacuten entre
partiacuteculas cargadas electrostaacuteticamente permitiendo estudiar la estabilidad de dispersiones
emulsiones suspensiones proteiacutenas poliacutemeros etc
En soacutelidos macroscoacutepicos es una propiedad importante de interfaces soacutelidoliacutequido cargadas
eleacutectricamente siendo un indicador de la carga superficial de un soacutelido en contacto con un
electrolito Esto permite estudiar las caracteriacutesticas y funcionalizacioacuten de superficies
Este anaacutelisis se realizoacute con un equipo de marca Malvern modelo ZetaSizer Se estudiaron
los sistemas Roca carbonatada roca impregnada de crudo asiacute como la aplicacioacuten de los
surfactantes a 500 y 800 mg L-1 utilizando como electrolito indiferente nitrato de sodio
01mM el cual permite la desestabilizacioacuten del coloide con la finalidad de que la corriente
eleacutectrica pase por todas las partiacuteculas y se obtenga una medicioacuten correcta del anaacutelisis Asiacute
mismo se varioacute el pH del sistema de 1 a 7 utilizando HCl 01 M y NaOH 01 M para
observar el efecto dispersivo de las partiacuteculas de roca
59
Capiacutetulo III
Resultados
31 Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenos
60
Se realizaron 3 extracciones de asfaltenos utilizando 10 mL de petroacuteleo en cada una se
obtuvieron entre 14182 g y 16875 g de asfaltenos lo cual representa un porcentaje de
recuperacioacuten en 1418 y 1675 El producto obtenido teniacutea una tonalidad oscura lo anterior
se observa en la figura 31
Figura 31 Asfaltenos obtenidos tras extraccioacuten
Asiacute mismo se realizoacute el procesos de impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada por
triplicado de los cuales se obtuvieron entre 169 g y 189 g de roca impregnada que
representa una recuperacioacuten entre 338 y 378 El producto teniacutea una tonalidad cafeacute oscura
lo anterior se observa en la figura 32
Figura 32 Roca impregnada de asfaltenos
32 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con transformada de Fourier
61
La elucidacioacuten de los espectros de FTIR se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura [35] indica que el carbonato de
calcio presenta sentildeales caracteriacutesticas de sus grupos funcionales tales como CO3 Ca-C y C-
O y Ca-CO3
321 Espectro FTIR de roca carbonatada
El espectro FTIR de la roca carbonatada se muestra en la figura 33 en el que se observa el
estiramiento del enlace Ca-C en 2513 cm-1 sentildeal caracteriacutestica del compuesto CaCO3 el
estiramiento de C-O en 1480 cm-1 y las vibraciones particulares del grupo CO3 en 714 y 877
cm-1 Estas sentildeales dan certeza de que el compuesto analizado es una roca de carbonato de
calcio
Figura 33 Espectro FTIR de roca carbonatada
62
322 Espectro de roca impregnada de asfaltenos
El espectro FTIR de la roca impregnada se muestra en la figura 34 en el que se observa el
estiramiento del enlace O-H en 3300 cm-1 las vibraciones simeacutetricas y asimeacutetricas de C-H
en 2988 y 2875 cm-1 la absorcioacuten energeacutetica del enlace C-H en 1625 cm-1 las flexiones de
los compuestos aromaacuteticos entre 1100 y 1500 cm-1 asiacute como la deformacioacuten noplanar del
anillo benceacutenico entre 700 y 900 cm-1 Estas sentildeales confirman la impregnacioacuten de asfaltenos
teniendo como principal diferencia frente a la roca carbonatada las flexiones y vibraciones
de los enlaces C-H y de los anillos aromaacuteticos presentes en la estructura asfalteacutenica teoacuterica
Figura 34 Espectro FTIR de roca impregnada de asfaltenos
63
33 Espectroscopia ultravioleta visible (UV-vis)
La elucidacioacuten de los espectros de UV-vis se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura indica la presencia de grupos
benceacutenicos y nafteacutenico en las estructuras quiacutemicas de los asfaltenos los cuales son
caracteriacutesticos de los mismos [29]
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada y roca impregnada
El espectro UV-vis de la roca carbonatada no presenta ninguna banda significativa esto se
debe principalmente a la ausencia de dobles y triples enlaces los cuales son sumamente
caracteriacutesticos en longitudes de 200 a 600 nm El espectro UV-vis de la roca impregnada
(figura 35) muestra 4 sentildeales las dos primeras retribuidas a los grupos benceacutenicos a 226 y
250 nm la tercera y cuarta a los grupos nafteacutenicos a 263 y 270 nm estructuras quiacutemicas
presentes en los asfaltenos
Se realizaron 6 experimentos iniciando con la roca carbonatada posteriormente la
evaluacioacuten de la roca impregnada de asfaltenos (RASF) variando la concentracioacuten de roca
(10 5 3 1 05 mg L-1)
Los espectros muestran desdoblamiento en las bandas debido al cambio electroacutenico en los
enlaces sigma y pi presentes en los ciclos aromaacuteticos Se observa el efecto de la concentracioacuten
de roca impregnada a 05 y 1 mg L-1 se tienen bandas maacutes definidas y caracteriacutesticas de los
asfaltenos a concentraciones mayores a lo anterior se enmascaran estas sentildeales debido a la
saturacioacuten de las partiacuteculas de roca impregnada en las muestra Lo anterior hace imposible
para el equipo la identificacioacuten precisa de los grupos funcionales caracteriacutesticos de la misma
64
Figura 35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnada
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
Esta teacutecnica se realizoacute con la finalidad de observar el tamantildeo y la forma de las partiacuteculas de
roca carbonatada asiacute como la composicioacuten elemental de la misma Se observa un
comportamiento de agregacioacuten entre las partiacuteculas por lo que se puede deducir un tamantildeo
entre 100 y 400 nm Con el anaacutelisis elemental del EDX se comproboacute la naturaleza de la roca
la cual estaacute formada de carbonato de calcio La literatura [36] indica las sentildeales caracteriacutesticas
de este compuesto el carbono con una sentildeal en 028 keV el oxiacutegeno en 053 keV y el calcio
con dos picos en 369 y 401 keV y de partiacuteculas nanomeacutetricas de forma esfeacutericas lo anterior
esto se puede observar en la figura 36
65
36 Anaacutelisis SEMEDS de roca carbonatada
35 Imbibicioacuten espontaacutenea
Se obtuvieron las rocas imbibidas tras un proceso de 7 diacuteas [37] y se pesaron para conocer la
cantidad de crudo absorbido dentro de su estructura porosa Asiacute mismo se fracturaron las
rocas para comprobar la presencia del hidrocarburo dentro de la roca lo cual se observa en
la figura 37 En la tabla 31 se muestra la masa inicial y final de la roca asiacute como el
porcentaje de masa absorbida de crudo teniendo porcentajes entre 4 y 5
66
Figura 37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudo
Tabla 31 Resultados de rocas imbibidas
Muestra Masa Inicial (g) Masa Final (g)
1 103315 108098 46295
2 92475 96736 46077
36 Anaacutelisis del aacutengulo de contacto del crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
La medicioacuten del aacutengulo de contacto de diferentes sistemas de estudio aporta informacioacuten
sobre la interaccioacuten entre las interfaces soacutelidas y liquidas el comportamiento de un fluido
sobre una superficie asiacute como la variacioacuten de la misma con la aplicacioacuten de un agente en
este caso un surfactante
361 Roca no imbibida
Se colocaron los disolventes empleados en la experimentacioacuten variado uacutenicamente los
surfactantes y la concentracioacuten de los mismos En la figura 38 se muestra el aacutengulo de
contacto de la salmuera sobre la roca se observa que con la aplicacioacuten de los surfactantes
este aacutengulo disminuye deduciendo un aumento en la afinidad entre la roca y el disolvente
[38] Lo anterior se debe principalmente al aumento de la concentracioacuten de iones provocando
un efecto de pantalla que reduce las repulsiones electrostaacuteticas entre las moleacuteculas anfifiacutelicas
67
facilitando la formacioacuten de micelas en el sistema y asiacute aumentando la mojabilidad de la
salmuera obseacutervese en tabla 32
Figura 38 Angulo de contacto de la salmuera
Tabla 32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio
El efecto de las sales presentes en el agua congeacutenita en la formacioacuten micelar (figura 39)
propicia un incremento en la mojabilidad con la aplicacioacuten del surfactante lo cual se muestra
en la tabla 33
Figura 39 Angulo de contacto del agua congeacutenita
Tabla 33 Aacutengulos de contacto del agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio
68
Del mismo modo se colocaron sobre la superficie de la roca los diferentes sistemas de estudio
(emulsiones) los cuales variaban en el tipo de surfactante la concentracioacuten y el tipo de
disolvente empleado El aacutengulo de contacto del petroacuteleo se muestra en la figura 310
Figura 310 Angulo de contacto del petroacuteleo
Con una concentracioacuten de 500 mg L-1 de surfactante (tabla 34) se observa una disminucioacuten
del aacutengulo de contacto de la emulsioacuten lo anterior se atribuye al efecto de las cabezas
catioacutenicas sobre los agregados asfalteacutenicos los cuales son dispersados provocando una
mayor interaccioacuten con la roca y aumentando la mojabilidad sobre la misma
Tabla 34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 mg L-1
69
Con una concentracioacuten de 800 mg L-1 de surfactante (tabla 35) se observa un efecto similar
al sistema de estudio anterior un decremento del aacutengulo de contacto atribuido al efecto
pantalla de las sales de los disolvente en la concentracioacuten micelar dispersando los agregados
asfalteacutenicos y de esta forma aumentando la mojabilidad del sistema sobre la roca
carbonatada
Tabla 35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 mg L-1
362 Roca imbibida por petroacuteleo
70
Se colocaron los sistemas de estudio (salmuera y agua congeacutenita) sobre la roca impregnada
de crudo se observoacute una disminucioacuten en el aacutengulo de contacto menor que el estudio sobre
la roca carbonatada Lo anterior se debe a la alta hidrofobicidad de la superficie de la roca
la cual estaba impregnada en su totalidad de hidrocarburo y que aun con la aplicacioacuten de los
surfactantes se repelioacute el efecto de las cabezas catioacutenicas teniendo como consecuencia el
decremento del aacutengulo de contacto Las tablas 36 y 37 muestran los aacutengulos de contacto
tras la aplicacioacuten del surfactante
Tabla 36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 mg L-1
Tabla 37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 800 mg L-1
71
En la Tabla 38 se presentan los resultados del caacutelculo de tensioacuten interfacial y mojabilidad
los cuales son paraacutemetros que describen el comportamiento de las fuerzas intermoleculares
en la interfase soacutelido-liacutequido
Tabla 38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio
Fase soacutelida
Fase liacutequida
Surfactante (Sx)
Concentracioacuten (mg L-1)
Aacutengulo de
contacto ϴ
(deg)
Tensioacuten interfacial γ (dina cm-1)
Mojabilidad W
Roca carb Salmuera 8149 576 661
Roca carb Salmuera S1 500 5539 518 812
Roca carb Salmuera S1 800 5173 537 869
Roca carb Salmuera S2 500 4549 441 827
Roca carb Salmuera S2 800 4242 557 856
Roca Imb Salmuera S1 500 6956 421 566
Roca Imb Salmuera S1 800 6957 451 606
Roca Imb Salmuera S2 500 6681 472 657
Roca Imb Salmuera S2 800 7408 549 699
Roca carb Agua Cong 7391 528 674
Roca carb Agua Cong S1 500 4785 431 72
Roca carb Agua Cong S1 800 4069 446 784
Roca carb Agua Cong S2 500 4809 439 732
Roca carb Agua Cong S2 800 3327 42 771
Roca Imb Agua Cong S1 500 7456 525 664
Roca Imb Agua Cong S1 800 6575 494 696
Roca Imb Agua Cong S2 500 765 472 581
Roca Imb Agua Cong S2 800 6788 483 664
Roca carb Petroacuteleo 11177 838 536
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 500 8313 582 651
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 800 936 605 567
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 500 9088 652 641
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 800 8645 629 667
Roca carb Emulsioacuten AC S1 500 10289 815 641
Roca carb Emulsioacuten AC S1 800 9562 698 629
Roca carb Emulsioacuten AC S2 500 9846 782 666
Roca carb Emulsioacuten AC S2 800 9056 675 668
En los diferentes anaacutelisis sobre roca carbonatada con la aplicacioacuten de surfactantes en
salmuera o agua congeacutenita se observa una disminucioacuten del aacutengulo de contacto lo que implica
una menor tensioacuten en la interfase soacutelido-liacutequido obteniendo mayor mojabilidad en cada uno
de los sistemas Lo anterior se basa principalmente en el efecto dispersivo de los surfactantes
72
sobre las agregaciones asfalteacutenicas siendo las cabezas catioacutenicas las responsables de evitar
la apilacioacuten de los asfaltenos y disgregaacutendolas por todo el sistema
Asiacute mismo se observa el efecto de la concentracioacuten de los surfactantes en los diferentes
sistemas de estudio obteniendo menor tensioacuten interfacial a una concentracioacuten de 500 mgL-1
debido a la saturacioacuten ideal del aditivo en la muestra
37 Dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS)
Con el anaacutelisis DLS se estudioacute la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
y la roca impregnada asiacute como el efecto de los surfactantes en el sistema de estudio En la
figura 311 se muestra la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
(unimodal 1496 nm) a su vez en la figura 312 se observa la distribucioacuten de la roca
impregnada (unimodal 4063 nm) Posteriormente con la aplicacioacuten de los surfactantes se
comproboacute la disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula con S1 (unimodal 219 nm) y S2 (
unimodal 282 nm) Lo anterior se atribuye al efecto de los surfactantes sobre la superficie
impregnada que al entrar en contacto con los agregados asfalteacutenicos se generoacute la dispersioacuten
de los mismos disminuyendo de esta forma el tamantildeo de la partiacutecula [32] Ambos surfactantes
facilitan la dispersioacuten de los asfaltenos que recubren la superficie de la partiacutecula provocando
la reduccioacuten en el tamantildeo de la misma obseacutervese figs 313 y 314
Figura 311 Anaacutelisis DLS de roca carbonatada
73
Figura 312 Anaacutelisis DLS de roca impregnada
Figura 313 Anaacutelisis DLS de roca impregnada aplicando S3
Figura 314 DLS de roca impregnada aplicando S4
74
La disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de las rocas impregnadas se asocia al efecto
dispersivo de los surfactantes mencionado en las pruebas tensiomeacutetricas donde las parte
catioacutenica del compuesto inhibe la aglomeracioacuten de las moleacuteculas asfalteacutenicas provocando
no solo el cambio de la mojabilidad del sistema de estudio si no tambieacuten la disgregacioacuten de
los asfaltenos encontrados en la superficie de la roca carbonatada por tanto un decrecimiento
en la distribucioacuten de tamantildeo partiacutecula en la roca impregnada
38 Potencial Zeta
Con el anaacutelisis de potencial zeta se observoacute las fuerzas de atraccioacuten yo repulsioacuten de cada
sistema de estudio La literatura indica que en todo sistema en suspensioacuten coloidal existe un
equilibrio entre las fuerzas de repulsioacuten y las fuerzas de atraccioacuten molecular (Van del Waals)
resultando la aglomeracioacuten o dispersioacuten del sistema Si el sistema tiene carga positiva el
sistema es atractivo por lo que existen las fuerzas de atraccioacuten entre las partiacuteculas son
mayores que las fuerzas de repulsioacuten Si el sistema es negativo el sistema es repulsivo y se
tiene un efecto contrario al anterior Mientras maacutes alejado del cero se encuentre la muestra
mayor estabilidad le seraacute conferida debido a la relacioacuten entre las fuerzas intermoleculares
eso significa que se provocaraacute menor agregacioacuten facilitando la dispersioacuten del soluto [33] En
la figura 315 se muestra el efecto del pH en la dispersioacuten de los asfaltenos con la aplicacioacuten
de los surfactantes la tendencia se vuelve maacutes negativa por lo tanto existe mayor estabilidad
en el coloide disminuyendo la agregacioacuten de los asfaltenos
Este efecto se observoacute en las pruebas de DLS en donde los surfactantes dispersaron las
moleacuteculas de asfaltenos disminuyendo de esta forma la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
lo anterior se asocia a la disgregacioacuten de los asfaltenos observado en potencial Zeta
obteniendo una fase dispersa en el sistema
75
Figura 315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando el pH
76
Conclusiones
Se comproboacute el efecto dispersivo de los surfactantes sulfatados sobre los agregados
asfalteacutenicos causado principalmente por las cargas electroacutenicas presentes en estos
compuestos que al entrar en contacto con los asfaltenos provocaron la disgregacioacuten de
los mismos Dicho efecto fue visible en la mayoriacutea de las teacutecnicas empleadas generando
cambios en las interacciones moleculares de los sistemas de estudio y en las fuerzas de
la interfase soacutelido-liacutequido
Las teacutecnicas de caracterizacioacuten FTIR UV-vis corroboraron la presencia de grupos
funcionales caracteriacutesticos de la roca carbonatada asiacute como de la roca impregnada de
asfaltenos La teacutecnica de SEMEDX corroboroacute la existencia de los elementos que
componen a la roca y brindoacute informacioacuten importante sobre el tamantildeo y la forma de los
las partiacuteculas de roca
Las pruebas de aacutengulo de contacto por el meacutetodo de gota seacutesil comprobaron el efecto
superficial de los surfactantes en los diferentes sistemas de estudio cambiando la
tensioacuten interfacial de cada uno y afectando una caracteriacutestica innata de la roca su
mojabilidad Los aacutengulos de contacto tras la aplicacioacuten de los surfactantes sufrieron una
disminucioacuten por la facilidad de los aditivos antes mencionados para dispersar las capas
de agregacioacuten de los asfaltenos provocando una mejor interaccioacuten con la fase soacutelida
Mediante el anaacutelisis de Dispersioacuten de luz Dinaacutemica (DLS) se consiguioacute fundamentar el
efecto dispersivo de los surfactantes observado en las pruebas tensiomeacutetricas siendo de
gran importancia los resultados obtenidos de distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula en
donde con la aplicacioacuten de los surfactantes se consiguioacute disminuir este paraacutemetro por
la la difusioacuten de los agregados asfalteacutenicos contenidos en la superficie de la roca siendo
afectados principalmente por las cargas electroacutenicas cabezas catioacutenicas
La teacutecnica de potencial Zeta corroboroacute lo anterior debido a la facilidad de las muestras
con surfactantes para alcanzar la estabilidad coloidal por lo que se demuestra un efecto
77
contrario a la agregacioacuten un efecto dispersivo de los asfaltenos provocado por las
cargas presentes en las cadenas de los aditivos
78
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vi
Iacutendice de figuras
Figura Paacuteg
11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
12 Clasificacioacuten de yacimientoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
13 Acidificacioacuten controlada mediante inyeccioacuten de emulsioacuten en querosenohelliphelliphelliphelliphellip 16
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
15Representacioacuten de fuerzas intermoleculareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
17 Efecto de la capilaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24
18 Proceso general de adsorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectricahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
112 Celda de imbibicioacuten espontaacuteneahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
113 Esquema de las partes acidas del aceite sobre la superficie carbonatadahelliphelliphelliphelliphellip 29
114 Modelo esquemaacutetica del cambio de mojabilidad con aplicacioacuten de surfactanteshelliphellip 31
115 Representacioacuten de una moleacutecula de surfactantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
116 Tipos de micelahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
117 Comportamiento estaacutetico micelarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
118 Micrografiacutea de una emulsioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 45
22 Muestra de roca carbonatada con asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
24 Roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
25 Roca imbibida con crudohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
26 Tensioacutemetro empleado en la experimentacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55
27 Funcionamiento del anaacutelisis DLShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56
28 Interacciones entre las partiacuteculas en el anaacutelisis de potencial zeta helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
31 Asfaltenos obtenidos tras la extraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
32 Roca impregnada de asfaltenoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
33 Espectro FTIR de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
vii
34 Espectro FTIR de roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
36 Anaacutelisis SEMEDX de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 65
37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
38 Aacutengulo de contacto de la salmuerahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
39 Angulo de contacto de agua congeacutenitahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
310 Aacutengulo de contacto del petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
311 Anaacutelisis DLS de la roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
312 Anaacutelisis DLS de la roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
313 Anaacutelisis DLS de la roca impregnada aplicando surfactante S1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 73
314 Anaacutelisis DLS de la roca impregnada aplicando surfactante S2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 73
315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando pHhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Iacutendice de Tablas
Tabla Paacuteg
11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo 5
12 Clasificacioacuten de petroacuteleo crudo 6
13 Clasificacioacuten de los surfactantes 33
21 Reactivos empleados en el proyecto 46
22 Surfactantes utilizados en experimentacioacuten 46
23 Disentildeo de experimentos 49
31 Resultados de rocas imbibidas 66
32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio 67
33 Aacutengulos de contacto de agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio 68
34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 ppm 69
35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 ppm 69
36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 ppm 70
37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 ppm 70
38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio 71
viii
Resumen
Este proyecto de investigacioacuten se enfocoacute en el estudio de mojabilidad del crudo pesado sobre
roca carbonatada de yacimiento aplicando surfactantes con base sulfato los cuales provocan
un efecto dispersivo en las fracciones maacutes pesadas del petroacuteleo conocidos como
ldquoasfaltenosrdquo responsables de las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del petroacuteleo tales como
viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API
La primera etapa del proyecto consistioacute en caracterizar la roca carbonatada de yacimiento
por Espectroscopiacutea de infrarrojo de transformada de Fourier (FTIR) espectroscopia
ultravioleta visible y Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten
por Rayos X (SEMEDX) para la identificacioacuten de los grupos funcionales caracteriacutesticos
morfologiacutea y anaacutelisis elemental de la roca
La segunda etapa consistioacute en preparar emulsiones de agua en aceite adicionando los
surfactantes en diferentes concentraciones las cuales fueron observadas por microscopiacutea
oacuteptica Posteriormente se evaluoacute el aacutengulo de contacto de cada uno de los sistemas de estudio
sobre roca carbonatada para el caacutelculo de la tensioacuten superficial y en efecto de la mojabilidad
Asiacute mismo se realizoacute la imbibicioacuten espontaacutenea de las rocas con crudo usando la celda de
Amott y se midioacute el aacutengulo de contacto de los disolventes frente a las rocas impregnadas Se
observoacute un cambio en la mojabilidad del crudo con la aplicacioacuten de los surfactantes en los
anaacutelisis tensiomeacutetricos
En la tercera etapa se realizoacute el estudio dispersivo de los agregados asfalteacutenicos contenidos
en la roca Mediante el anaacutelisis de dispersioacuten de luz dinaacutemica se observoacute la disminucioacuten de
la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula siendo este efecto atribuido a las cabezas catioacutenicas
de los surfactantes Lo anterior fue comprobado con la teacutecnica de potencial zeta la cual mide
las fuerzas de atraccioacuten o repulsioacuten de las partiacuteculas siendo ambos surfactantes promotores
de estabilidad coloidal e inhibidores de agregacioacuten
ix
Abstract
This research project focuses on the study of the wettability of heavy crude oil on carbonate
reservoir rock by applying sulphate-based surfactants which have a dispersive effect on the
heavier fractions of petroleum known as asphaltenes responsible for the physicochemical
characteristics of oil such as viscosity surface tension and API gravity
The first stage of the project consisted of the carbonate reservoir rock by Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR) visible ultraviolet spectroscopy and Scanning Electron
Microscopy with X-ray Dispersion Spectroscopy (SEM EDX) for the identification of
characteristic functional groups morphology and elemental rock analysis
The second stage consisted of preparing water-in-oil emulsions by adding the surfactants in
different concentrations which were observed by light microscopy Afterwards the contact
angle of each of the study systems on carbonate rock was evaluated for the calculation of
surface tension and the wettability
The spontaneous imbibition of the rocks with crude oil was also carried out using the Amott
cell and the contact angle of the solvents against the impregnated rocks was measured A
change in the wettability of the crude oil was observed with the application of the surfactants
in the tensiometric analyzes
In the third stage was carried out the dispersive study of the asphalt aggregates contained in
the rock By the analysis of the dynamic light scattering observed the decrease in the size
distribution of the piece whereas this effect attributed to the cationic heads of the surfactants
The above was tested with the zeta potential technique which the attraction or repulsion
forces of the particles both are being surfactants colloidal stability promoters and
aggregation inhibitors
x
Introduccioacuten
Actualmente la industria petrolera enfrenta una serie de problemaacuteticas que van desde la
gravedad especiacutefica del hidrocarburo hasta su comportamiento en un sistema aceite-roca El
estudio de las fuerzas intermoleculares del sistema aceite-roca es un trabajo innovador para
la elaboracioacuten de nuevas formas de extraccioacuten yo el uso de sustancias quiacutemicas que faciliten
el transporte del crudo durante el proceso
Los surfactantes son empleados como aditivos para facilitar la extraccioacuten del crudo y su
transporte debido a sus efectos en la viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API Estos
compuestos son de gran intereacutes para la industria petrolera por lo que un estudio detallado de
la forma de actuar de estos aditivos podriacutea describir los fenoacutemenos que ocurren en un sistema
aceite-roca
La literatura [1 23] indica que los surfactantes del tipo sulfato tienen cierta afinidad con las
moleacuteculas maacutes pesadas del crudo los asfaltenos Hablar de asfaltenos implica ldquoproblemasrdquo
los cuales pueden ser observados durante la extraccioacuten y el transporte del petroacuteleo hacia las
refineriacuteas lo anterior se debe que al ser los componentes maacutes pesados del crudo la mayoriacutea
de las propiedades del crudo dependen de ellos por lo que el uso de aditivos que contengan
un grupo sulfato puede promover la dispersioacuten de los mismos generando un cambio en la
viscosidad del crudo en la tensioacuten interfacial del sistema por lo tanto a una variacioacuten de la
mojabilidad
La mojabilidad es una propiedad innata de las rocas que puede ser afectada a partir del cambio
en las interacciones del aceite y su superficie Con la aplicacioacuten de surfactantes sulfatados se
pretende la modificacioacuten de las fuerzas superficiales entre el crudo y la roca lo cual permitiriacutea
una recuperacioacuten mejorada del aceite contenido en los yacimientos facilitando de esta
manera el proceso de extraccioacuten del mismo [4]
En este proyecto se propone el anaacutelisis de las propiedades que afectan los fenoacutemenos de
superficie de los sistemas aceite-roca usando como referencia compuestos como agua
salmuera y posteriormente la adicioacuten de surfactantes sulfatados base imidazol asiacute como el
estudio de la dispersioacuten de dicho sistema
1
Capiacutetulo I
Antecedentes
2
1 Antecedentes
Actualmente con la disminucioacuten de crudos ligeros y la obtencioacuten de aceites pesados durante
la extraccioacuten de yacimientos se buscan meacutetodos alternativos que permitan la recuperacioacuten
mejorada en los pozos petroleros mediante la aplicacioacuten de aditivos quiacutemicos El estudio de
las fuerzas relacionadas entre el aceite y la roca permite describir de una forma real lo que
pasa dentro del sistema petroliacutefero con la aplicacioacuten de dichos compuestos
En 2009 Murillo y col [4] estudiaron el efecto del anioacuten PF6 en los agregados asfalteacutenicos
y encontraron un incremento en el momento dipolar debido al cambio de electronegatividad
provocado por el anioacuten Se establecioacute que el bromuro de 1-butil fue el liacutequido ioacutenico con
mejores propiedades estabilizadoras e inhibidoras de la agregacioacuten de asfaltenos
disminuyendo la aglomeracioacuten de asfaltenos hasta en un 70
En 2010 Ramiacuterez y col [5] investigaron experimentalmente el efecto que tienen los
surfactantes zwitterioacutenicos y catioacutenicos en el control de dantildeo al medio poroso debido a
depoacutesitos de asfaltenos y la descripcioacuten del cambio de mojabilidad en rocas carbonatadas
encontrando mejores condiciones de operacioacuten y concluyendo que el uso de salmuera con
alta concentracioacuten de sales provoca la precipitacioacuten de los surfactantes debido al efecto de
ioacuten comuacuten presente en los electrolitos que encapsula a las moleacuteculas surfactantes
hacieacutendolas maacutes pesadas y precipitaacutendolas por accioacuten de la gravedad
En 2010 Guzmaacuten y col [6] sintetizoacute y evaluoacute diferentes liacutequidos ioacutenicos como agentes
desemulsificantes del sistema de emulsioacuten de crudo mexicano ligero y pesado siendo el
bromuro de 1 metil-3-tetradecilimidazolio el que obtuvo mejores resultados frente a otros
compuestos con diferente tamantildeo de cadena hidrocarbonada Se estudioacute la aplicacioacuten de
calentamiento convencional y dieleacutectrico por microondas en los procesos de
desemulsificacioacuten siendo el segundo meacutetodo el que aceleroacute e incrementoacute la eficiencia de
desemulsificacioacuten
En 2011 Petcavich y col [7] desarrollaron un meacutetodo de extraccioacuten de hidrocarburos a partir
de rocas que contienen aceite En este trabajo se utilizoacute una mezcla de piedra arenisca de
3
aceite y un liacutequido ioacutenico a base de fosfonio el cual se sometioacute a la radiacioacuten de microondas
de 254 GHz y presentaron las condiciones de trabajo para la recuperacioacuten total del
hidrocarburo atrapado en la roca
En 2012 Dharaskar y col [8] investigaron sobre los liacutequidos ioacutenicos y su capacidad de
minimizar los efectos negativos de salud y medio ambientales En la industria de la refinacioacuten
se usa para la hidrodesulfurizacioacuten del crudo Estudiaron el efecto de cationes del tipo sulfato
contenidos en liacutequidos ioacutenicos sobre el petroacuteleo encontrando una disminucioacuten en la
concentracioacuten de grupos sulfurados y asfalteacutenicos
En 2014 Bin-Dahbag y col [9] realizaron un estudio sobre el proceso de inyeccioacuten de
liacutequidos ioacutenicos con base de amonio y fosfonio en la recuperacioacuten mejorada de petroacuteleo con
lo que redujo la tensioacuten interfacial de la fase acuosa del hidrocarburo Se realizaron pruebas
de deteccioacuten de nueve liacutequidos ioacutenicos con base de tetrasulfato de amonio los cuales fueron
diluidos en salmuera a distintas concentraciones y se probaron con un petroacuteleo crudo Saudiacute
Se registraron cambios en la tensioacuten interfacial por cambios de presioacuten y temperatura
indicando una mayor actividad de interaccioacuten superficial en el sistema rocapetroacuteleoliacutequido
ioacutenico
En 2014 Gonzaacutelez y col [10] estudiaron el cambio de la mojabilidad de rocas carbonatadas
en sistemas salmuerapetroacuteleo con la aplicacioacuten de surfactantes empleando el meacutetodo
tensiomeacutetrico de Gota cautiva Se obtuvieron resultados confiables y reproducibles que
concluyen un comportamiento afiacuten entre la salmuera el crudo y la roca
En 2015 Jiao y col [11] estudiaron el comportamiento de los liacutequidos ioacutenicos con base
imidazolio ( IBILs ) desarrollando nuevos agentes de extraccioacuten para separar indol una
sustancia industrial importante derivada del aceite de lavado que ocasiona graves problemas
medioambientales obteniendo eficiencias de extraccioacuten de maacutes de 90
En 2016 Banda y col [12] estudiaron el comportamiento de los asfaltenos presentes en
petroacuteleo crudo pesado usando como disolvente ciclohexano Primeramente se caracterizaron
los asfaltenos extraiacutedos por Espectroscopiacutea de ultravioleta-visible (UV-vis) posteriormente
se utilizoacute la teacutecnica de Dispersioacuten de Luz Dinaacutemica (DLS) para la distribucioacuten de tamantildeo de
partiacutecula de los agregados asfalteacutenicos Asiacute mismo se realizoacute un anaacutelisis de potencial Zeta
4
utilizando como disolvente nitrato de sodio 01 mmol para la comprobacioacuten del efecto
dispersivo de los asfaltenos frente a liacutequidos ioacutenicos sulfatados
11 Petroacuteleo
El petroacuteleo es una mezcla homogeacutenea de compuestos orgaacutenicos de estructura variada
principalmente hidrocarburos insolubles en agua En general es posible agrupar los
constituyentes del petroacuteleo en cuatro grupos orgaacutenicos bien definidos Saturados
Aromaacuteticos Resinas y Asfaltenos este conjunto es conocido como SARA Es un liacutequido
viscoso cuyo color variacutea entre amarillo y pardo obscuro hasta negro con reflejos verdes
Ademaacutes tiene un olor caracteriacutestico y flota en el agua Tambieacuten es conocido como petroacuteleo
crudo o simplemente crudo Se produce en el interior de la Tierra por transformacioacuten de la
materia orgaacutenica acumulada en sedimentos del pasado geoloacutegico y puede acumularse en
trampas geoloacutegicas naturales de donde se extrae mediante la perforacioacuten de pozos [13]
Las moleacuteculas de hidrocarburos que en forma colectiva constituyen el petroacuteleo estaacuten
formadas por distintas combinaciones de aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Seguacuten el nuacutemero
de aacutetomos de carbono de hidroacutegeno y de la distribucioacuten estructural de las mismas se tienen
los distintos hidrocarburos que abarcan desde el gas natural hasta los hidrocarburos soacutelidos
Comuacutenmente se denomina como petroacuteleo a aquella mezcla de hidrocarburos que a las
condiciones de temperatura y presioacuten ambientales estaacute en estado liacutequido En la naturaleza se
pueden encontrar afloraciones naturales de hidrocarburos muchos de ellos conocidos desde
la antiguumledad aunque la produccioacuten comercial se obtiene de acumulaciones que se localizan
en algunos lugares del subsuelo con profundidades variables desde pocos metros hasta
profundidades mayores a cinco mil metros [14]
Mientras mayor sea el contenido de carboacuten en relacioacuten al del hidroacutegeno mayor es la cantidad
de productos pesados que tiene el crudo [15] Esto depende de la edad del yacimiento y de
algunas caracteriacutesticas geoloacutegicas No obstante se ha comprobado que entre maacutes antiguos
son tienen maacutes hidrocarburos gaseosos y soacutelidos y menos liacutequidos entran en su
composicioacuten
5
Es un recurso natural no renovable y actualmente es la principal fuente de energiacutea en
los paiacuteses desarrollados El petroacuteleo liacutequido puede presentarse asociado a capas de gas
natural en yacimientos que han estado enterrados durante millones de antildeos cubiertos por los
estratos superiores de la corteza terrestre Los factores de presioacuten temperatura y procesos
quiacutemicos y fiacutesicos ayudados por la carencia de oxiacutegeno posibilitan la formacioacuten de petroacuteleo
liacutequido y de gas
La conversioacuten de materia orgaacutenica en petroacuteleo ocurre en varias etapas [15]
Degradacioacuten bioquiacutemica la accioacuten de las bacterias en un ambiente aerobio
oxidan la materia orgaacutenica
Policondensacioacuten e insolubilizacioacuten se produce un reordenamiento molecular
en dos etapas originaacutendose una sustancia insoluble en aacutelcalis con estructura
parecida al keroacutegeno
Cracking primario es la primera reaccioacuten de generacioacuten de hidrocarburos
regida por la ley de Arrhenius de donde se puede obtener petroacuteleo y gas
Cracking secundario se destruye la fraccioacuten inestable generando gas y
residuos carbonosos
111 Composicioacuten del petroacuteleo
El petroacuteleo crudo es la materia prima principal de la industria de Refinacioacuten del Petroacuteleo
estaacute constituido por una mezcla de diferentes tipos de hidrocarburos cuyas moleacuteculas se
componen de Carbono e Hidroacutegeno con un pequentildeo porcentaje de otros elementos
conformando hidrocarburos de estructuras maacutes o menos complejas como compuestos
heterociacuteclicos de nitroacutegeno oxiacutegeno y azufre compuestos organometaacutelicos ademaacutes contiene
sedimentos inorgaacutenicos y agua [16] La composicioacuten aproximada de los crudos puede verse
en la Tabla 11
6
Tabla11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo
Elemento Composicioacuten (peso)
Carbono 84-87
Hidroacutegeno 11-14
Azufre 0-5
Nitroacutegeno 0-02
Oxiacutegeno 0-05
112 Clasificacioacuten de petroacuteleo
Son miles los compuestos quiacutemicos que constituyen el petroacuteleo [16] y entre muchas otras
propiedades estos compuestos se diferenciacutean por su volatilidad (dependiendo de la
temperatura de ebullicioacuten) Al calentarse el petroacuteleo se evaporan preferentemente los
compuestos ligeros (de estructura quiacutemica sencilla y bajo peso molecular) de tal manera que
conforme aumenta la temperatura los componentes maacutes pesados van incorporaacutendose al
vapor
Las curvas de destilacioacuten TBP (del ingleacutes ldquotrue boiling pointrdquo temperatura de ebullicioacuten real)
distinguen a los diferentes tipos de petroacuteleo y definen los rendimientos que se pueden obtener
de los productos por separacioacuten directa [17] Por ejemplo mientras que en el crudo Istmo se
obtiene un rendimiento directo de 26 volumeacutetrico de gasolina en el Maya soacutelo se obtiene
157 [17]
La industria mundial de hidrocarburos liacutequidos clasifica el petroacuteleo de acuerdo con su
densidad API (paraacutemetro internacional del Instituto Americano del Petroacuteleo que diferenciacutea
las calidades del crudo) La Tabla 12 muestra estas clasificaciones
Tabla 12 Clasificacioacuten del petroacuteleo crudo [18]
Aceite crudo Densidad
( g cm3)
Densidad
grados API
Extrapesado gt10 100
Pesado 10 - 092 100 - 223
Mediano 092 - 087 223 - 311
7
Ligero 087 - 083 311 - 39
Superligero lt 083 gt 39
Para exportacioacuten en Meacutexico se preparan tres variedades de petroacuteleo crudo
a) Istmo Ligero con densidad de 336 grados API y 13 de azufre en peso
b) Maya Pesado con densidad de 22 grados API y 33 de azufre en peso
c) Olmeca Superligero con densidad de 393 grados API y 08 de azufre en peso
Atendiendo a la mayor proporcioacuten del tipo de hidrocarburos que conforman la mezcla los
crudos se clasifican seguacuten su base parafiacutenica nafteacutenica asfaacuteltica y mixta [15]
Base parafiacutenica Las parafinas livianas dan buenos aceites para usos domeacutesticos pues no
producen humo al quemarse tienden a resistir el calor Las parafinas maacutes espesas contienen
cristales blancos y blandos que cuando son aislados y refinados forman lo que se conoce
como cera parafinada Se encuentran generalmente en Pennsylvania West Virginia y centro
de Estados Unidos
Base nafteacutenica Generalmente contienen gran proporcioacuten de fracciones volaacutetiles es decir
componentes que se evaporan faacutecilmente Se encuentran generalmente en Rusia Peruacute
California y Golfo de Meacutexico En Cuba se encuentra en la zona de Motembo
Base asfaacuteltica Contienen ademaacutes de carbono e hidroacutegeno gran cantidad de azufre En la
destilacioacuten avanzada o maacutes completa rinden una cantidad relativamente alta de alquitraacuten y
asfalto Se pueden encontrar en Meacutexico Venezuela California y el Caribe
Base mixta Ninguacuten crudo es realmente netamente nafteacutenico asfaacuteltico o parafiacutenico en su
composicioacuten quiacutemica sino que contienen proporciones de los otros tipos caracterizaacutendose
por la predominancia del compuesto en mayoriacutea Sin embargo ciertos crudos de Kansas
Oklahoma y Texas tienen contenidos muy similares de nafta parafinas y asfaltos lo que
resulta imposible clasificarlos en una sola de estas clases
8
Asiacute mismo se puede clasificar al petroacuteleo crudo considerando dos grandes grupos de
hidrocarburos saturados y no saturados Cuando todas las valencias de los aacutetomos de carbono
se comparten con otros aacutetomos es saturado cuando hay falta de hidroacutegeno es no saturado y
se pueden compartir dos y hasta tres valencias entre un aacutetomo de carbono con otro aacutetomo [16]
Los saturados y no saturados se dividen a su vez en dos grupos importantes cada uno lo cual
se muestra en la figura 11
Figura 11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleo
Las parafinas son las maacutes ricas en hidroacutegeno son saturadas y por tanto relativamente estables
Las parafinas comunes son liacutequidos pero se pueden encontrar gaseosas o soacutelidas La foacutermula
general es CnH2n+2
Los naftenos (ciclanos o ciclo alcanos) son saturados lo que hace que sean resistentes a los
cambios incluyendo la oxidacioacuten Son relativamente insolubles en aacutecido sulfuacuterico
concentrado Los maacutes importantes son ciclopentano y ciclohexano La foacutermula general es
CnH2n
Los no saturados tienden a formar gomas lacas y fangos al unirse al oxiacutegeno y separarse del
carbono que es un enlace relativamente menos estable
Las olefinas son no saturados o insaturados y por lo que tienen deficiencia de hidroacutegeno
consecuentemente son muy reactivos y combinan faacutecilmente con el hidroacutegeno oxiacutegeno
cloro y azufre esto causa que no se deseen altos porcentajes de olefinas en los combustibles
9
sin embargo son apreciados en la manufactura de varios productos entre ellos el plaacutestico La
foacutermula general es CnH2n
Los aromaacuteticos son no saturados pero actuacutean como saturados Son deseables en la gasolina
pues tienen altas propiedades antidetonantes El nombre aromaacuteticos surge por su olor
caracteriacutestico Algunos se usan en la produccioacuten del TNT colorantes plaacutesticos insecticidas
etc Hoy en diacutea se ha limitado su concentracioacuten en los derivados por ser dantildeinos a la salud
son altamente canceriacutegenos La foacutermula general es CnH2n-6 [19]
113 Derivados del petroacuteleo
Un derivado del petroacuteleo es un producto procesado en una refineriacutea usando como materia
prima el petroacuteleo Seguacuten la composicioacuten del crudo y la demanda las refineriacuteas pueden
producir distintos productos derivados del petroacuteleo La mayor parte del crudo es usado como
materia prima para obtener energiacutea por ejemplo la gasolina Tambieacuten producen sustancias
quiacutemicas que se puede utilizar en procesos quiacutemicos para producir plaacutestico yo otros
materiales uacutetiles
Dentro de los productos que se generan a partir del petroacuteleo se tienen [17]
bull Gasolinas liacutequidas (fabricadas para automoacuteviles y aviacioacuten en sus diferentes grados
queroseno diversos combustibles de turbinas de avioacuten y el gasoacuteleo entre otros)
bull Lubricantes (aceites para maquinarias aceites de motor y grasas Estos compuestos llevan
ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ignicioacuten)
bull Parafinas Es la materia prima para la elaboracioacuten de velas y similares ceras para pisos
foacutesforos papel parafinado vaselinas faacutermacos etc
bull Cloruro de polivinilo (PVC) Existen dos tipos de cloruro de polivinilo tienen alta
resistencia a la abrasioacuten y a los productos quiacutemicos Se utiliza para hacer manteles cortinas
para bantildeo muebles alambres y cables eleacutectricos Tambieacuten se utiliza para la fabricacioacuten de
riego juntas techado y botellas
10
bull Plaacutesticos pinturas barnices disolventes fertilizantes e insecticidas detergentes cauchos
artificiales negro de humo polieacutester y muchos maacutes
bull Detergentes usados para limpieza
bull Azufre subproductos de la eliminacioacuten del azufre del petroacuteleo que pueden tener hasta un
2 de azufre como compuestos de azufre El azufre y aacutecido sulfuacuterico son materiales
importantes para la industria
bull Asfalto se utiliza como aglutinante para la grava que forma de asfalto concreto que se
utiliza para la pavimentacioacuten de carreteras etc
bull Petroquiacutemicos estos pueden ser hidrocarburos olefinas o sus precursores o diversos tipos
de quiacutemicos como aromaacuteticos y tienen una gran variedad de usos Por lo general son
utilizados como monoacutemeros como disolventes como precursores de una gran variedad de
sustancias quiacutemicas y productos quiacutemicos tales como los liacutequidos limpiadores de los
vehiacuteculos surfactante de la limpieza etc [19]
114 Importancia del petroacuteleo
El petroacuteleo tiene una gran trascendencia en la gran mayoriacutea de las actividades cotidianas Del
crudo se obtiene gasolina y diesel para autos y autobuses combustible para barcos y aviones
Se usa para generar electricidad obtener energiacutea caloriacutefica para faacutebricas hospitales y oficinas
y diversos lubricantes para maquinaria y vehiacuteculos La industria petroquiacutemica usa productos
derivados de eacutel para hacer plaacutesticos fibras sinteacuteticas detergentes medicinas conservadores
de alimentos hules y agroquiacutemicos El petroacuteleo ha transformado la vida de las personas y la
economiacutea de las naciones Su descubrimiento creoacute riqueza modernidad pueblos industriales
proacutesperos y nuevos empleos motivando el crecimiento de las industrias mencionadas [19]
12 Yacimiento
11
Un yacimiento de petroacuteleo puede definirse como un volumen poroso que contiene agua
petroacuteleo y a veces una fase gaseosa La proporcioacuten volumeacutetrica del petroacuteleo puede alcanzar
a veces el 40 El medio poroso del yacimiento o roca almaceacuten es de origen sedimentario
de tipo arenisca o caliza consolidado o no El diaacutemetro de poro variacutea ampliamente seguacuten la
roca pero es de tamantildeo microscoacutepico desde algunas fracciones de miliacutemetro a algunos
microacutemetros [20]
Cada medio poroso tiene sus caracteriacutesticas porosidad el porcentaje de volumen vaciacuteo
permeabilidad una medida de la resistencia al movimiento de los fluidos mojabilidad una
medida de la naturaleza superficial de la roca
Debido a su origen sedimentario el medio poroso del yacimiento es a menudo heterogeacuteneo
como consecuencia de las variaciones ocurridas durante el largo proceso de sedimentacioacuten
que formoacute la roca Estas heterogeneidades pueden existir a la escala de los poros o bien a la
escala macroscoacutepica en forma zonas muy o poco permeables y eventualmente de grietas
Las heterogeneidades complican las operaciones de produccioacuten porque tienden a producir
caminos preferenciales y segregaciones [21]
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientos
Geoloacutegicamente los yacimientos se clasifican en estratigraacuteficos estructurales y combinados
[22]
Estratigraacuteficos lentes de arena cambios de facies calizas o dolomitas porosas
cambios de permeabilidad
Estructurales Fracturas en calizas o rocas iacutegneas discordancias fallas en areniscas
sinclinales anticlinales domos salinos etc
Combinados Hace referencia a las posibles combinaciones que se presenten entre los
dos grupos anteriores
La clasificacioacuten anterior se puede observar en la figura 12
12
Figura 12 Clasificacioacuten de yacimientos [22]
122 Condiciones de explotacioacuten
La produccioacuten de petroacuteleo involucra dos aspectos El primero es la produccioacuten uacuteltima posible
en funcioacuten de las teacutecnicas empleadas y el segundo es el ritmo de produccioacuten de acuerdo con
el comportamiento de los pozos y de los diferentes meacutetodos de estimulacioacuten aplicables
(fracturacioacuten acidificacioacuten inyeccioacuten de vapor) Tradicionalmente se hace la distincioacuten entre
dos periacuteodos durante la explotacioacuten de un yacimiento la recuperacioacuten primaria y la
recuperacioacuten secundaria Desde el aumento del precio del petroacuteleo al principio de los antildeos
70 se considera ademaacutes una eventual recuperacioacuten terciaria yo una recuperacioacuten
(secundaria) mejorada [14]
123 Recuperacioacuten primaria
Durante este periacuteodo el petroacuteleo se drena naturalmente hacia los pozos bajo el efecto del
gradiente de presioacuten existente entre el fondo de los pozos y el seno del yacimiento
En muchos yacimientos profundos la presioacuten es mayor que la presioacuten hidrostaacutetica lo que
hace que el petroacuteleo llegue a la superficie con el solo aporte energeacutetico del yacimiento A
medida que se expanden los fluidos en el yacimiento la presioacuten tiende a bajar en forma maacutes
13
o menos raacutepida seguacuten los mecanismos involucrados En ciertos casos puede existir un
mecanismo de compensacioacuten natural que reduzca notablemente la velocidad de decaimiento
de la presioacuten como la compactacioacuten de sedimento (subsidencia) la migracioacuten de un acuiacutefero
activo o la lenta expansioacuten de una bolsa de gas
Cuando el pozo no es eruptivo o cuando la presioacuten se ha reducido se necesita un aporte
externo de energiacutea para disminuir la presioacuten en fondo de pozo O bien se bombea el crudo
desde el fondo del pozo o bien se utiliza el meacutetodo del levantamiento con gas este consiste
en inyectar gas en fondo de pozo de tal forma que el fluido producido sea una mezcla de gas
y petroacuteleo de densidad suficientemente baja para llegar a la superficie bajo el efecto de la
presioacuten del yacimiento [20]
El periacuteodo de recuperacioacuten primaria tiene una duracioacuten variable pero siempre se lleva a cabo
ya que permite recoger numerosas informaciones sobre el comportamiento del yacimiento
las cuales son de primera importancia para la planificacioacuten de la explotacioacuten ulterior
La recuperacioacuten primaria se termina cuando la presioacuten del yacimiento ha bajado demasiado
o cuando se estaacuten produciendo cantidades demasiado importantes de otros fluidos (gas
agua) El porcentaje de recuperacioacuten primaria del crudo originalmente en sitio es en promedio
del orden de 10-15 pero puede ser tan bajo como 5 en yacimientos sin gas disuelto o
alcanzar 20 y auacuten maacutes en yacimientos que poseen una baja permeabilidad y una bolsa de
gas o un acuiacutefero activo
Anteriormente se explotaba el yacimiento en recuperacioacuten primaria hasta que los gastos de
explotacioacuten se vuelvan prohibitivos en cuyo momento se pasaba a los meacutetodos de
recuperacioacuten secundaria Hoy en diacutea se inician las operaciones de recuperacioacuten secundaria
mucho antes de llegar a este punto y la seleccioacuten del meacutetodo de explotacioacuten en un yacimiento
o en una parte de un yacimiento obedece a criterios de optimizacioacuten [22]
14
124 Recuperacioacuten secundaria
Los meacutetodos de recuperacioacuten secundarios consisten en inyectar dentro del yacimiento un
fluido menos costoso que el petroacuteleo para mantener un gradiente de presioacuten Estos fluidos se
inyectan por ciertos pozos (inyectores) y desplazan o arrastran una parte del petroacuteleo hacia
los otros pozos (productores) [14]
Hasta el principio de los antildeos 70 el bajo precio del crudo haciacutea que los uacutenicos fluidos
susceptibles de inyectarse econoacutemicamente eran el agua y en ciertos casos el gas natural
El drenaje por agua permite elevar la recuperacioacuten del aceite originalmente en sitio hasta un
promedio de 25-30 con variaciones desde 15 hasta 40 seguacuten los casos
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejorada
Despueacutes de las recuperaciones primaria y secundaria el yacimiento contiene todaviacutea 60-
80 (promedio 72) del crudo originalmente en sitio Esto se debe a que la eficiencia de los
meacutetodos de recuperacioacuten primaria y secundaria estaacute limitada por dos factores [14]
A la escala de los poros el crudo alcanza una saturacioacuten residual suficientemente baja
para encontrarse en forma de gloacutebulos discontinuos atrapados por las fuerzas
capilares
A la escala del yacimiento existen ciertas zonas en las cuales el fluido inyectado
durante la recuperacioacuten secundaria no penetra por la baja permeabilidad de estas
zonas porque siguen caminos preferenciales o porque la geometriacutea de implantacioacuten
de los pozos no es favorable
Entre los meacutetodos cuyo propoacutesito es mejorar la eficiencia del desplazamiento mediante una
reduccioacuten de las fuerzas capilares se pueden citar la utilizacioacuten de solventes miscibles con
el crudo y la obtencioacuten de baja tensioacuten interfacial con soluciones de surfactantes o soluciones
alcalinas Para mejorar la eficiencia de barrido se puede reducir la viscosidad del crudo
mediante calentamiento aumentar la viscosidad del agua con poliacutemeros hidrosolubles o
taponar los caminos preferenciales por ejemplo con espumas [21]
15
Los meacutetodos actualmente propuestos para la recuperacioacuten mejorada involucran uno o varios
de estos aspectos En lo que se refiere a la utilizacioacuten de surfactantes se destacan los
siguientes
Drenaje miscible con microemulsiones
Drenaje inmiscible con soluciones de surfactantes y poliacutemeros (y a veces aacutelcali)
Inyeccioacuten de vapor con surfactante ndash espumas
126 Generalidades de pozos
La estimulacioacuten de pozos se utiliza para mejorar la productividad de pozos petroleros Esto
se logra inyectando fluidos al pozo y dependiendo del gasto y presioacuten de inyeccioacuten
alcanzada seraacute el tipo de estimulacioacuten realizada Para aumentar la produccioacuten de un pozo se
debe tratar la roca situada en la cercaniacutea para aumentar su permeabilidad esto se debe a que
la geometriacutea ciliacutendrica del pozo produce una mayor resistencia al flujo en la vecindad del
mismo Existen esencialmente dos meacutetodos de estimulacioacuten que pueden emplearse solos o
juntos la fracturacioacuten y la acidificacioacuten [23]
En ambos tipos de procesos se usan surfactantes como dispersantes de partiacuteculas finas (alquil
fenoles y alquil amonios etoxilados) y como inhibidores de corrosioacuten (alquilpiridinios)
En el proceso de fracturacioacuten se inyecta bajo alta presioacuten una mezcla de agua y de arena La
arena penetra en las fracturas producidas e impide que se vuelvan a cerrar cuando la presioacuten
retorna a lo normal
En la acidificacioacuten se inyecta una solucioacuten aacutecida (HCl HF) extremadamente corrosiva para
los metales pero capaz de disolver la roca almaceacuten (carbonato siacutelica) Se usan alquil
piridinios como inhibidores de corrosioacuten alquil fenoles etoxilados como humectantes y
alquil amonios etoxilados como dispersantes de partiacuteculas finas
A menudo en presencia de carbonatos se desea retardar la acidificacioacuten para que el fluido
aacutecido pueda penetrar a cierta distancia del pozo antes de reaccionar con la roca
Uno de los meacutetodos de retardacioacuten consiste en emulsionar la fase acuosa aacutecida en queroseno
en forma WO Para tales emulsiones se usan sulfonatos de petroacuteleo o sales de aacutecidos
16
carboxiacutelicos por la interaccioacuten que presentan los grupos ldquosulfatordquo con los hidrocarburos [22]
Siendo el queroseno la fase continua el contacto aacutecido-roca no se produce inmediatamente
y la emulsioacuten puede penetrar a varios metros del pozo antes de que se consuma todo el aacutecido
obseacutervese en la figura 13
Figura 13 Acidificacioacuten controlada mediante la inyeccioacuten de una emulsioacuten de aacutecido en
queroseno [23]
Otro meacutetodo de retardacioacuten consiste en inyectar nitroacutegeno con la solucioacuten aacutecida la cual
contiene agentes espumantes como alquil eacutester sulfatos surfactantes etoxilados y a veces
surfactantes fluorocarbonados La espuma formada juega dos papeles de una parte reduce el
contacto entre el aacutecido y la roca y por lo tanto reduce la velocidad de ataque Por otra parte
tienen tendencia en llenar las fracturas y taponarlas (efecto Jamin) lo que obliga al aacutecido a
penetrar en la zonas de baja permeabilidad (figura 14)
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumas
Sin embargo estos dos uacuteltimos meacutetodos deben emplearse con cierto cuidado para evitar el
taponamiento del pozo con emulsiones o espumas debido a la presioacuten con la que actuacutean en
17
el mismo sistema lo que puede luego tener un efecto desfavorable sobre la produccioacuten[22]
Despueacutes de la acidificacioacuten se pone el pozo en produccioacuten para eliminar el residuo de aacutecido
y las partiacuteculas finas producidas por la desagregacioacuten de la roca Es en esta etapa que se
requieren agentes dispersantes
Ciertos meacutetodos de estimulacioacuten consisten en inyectar surfactantes para bien sea cambiar la
mojabilidad de la roca de mojable por el agua a mojable por el aceite bien sea desplazar
el crudo atrapado en la cercaniacutea del pozo Tales meacutetodos se usan para estimular pozos que
han dejado de producir por cierto tiempo o que han sufrido un dantildeo
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluido
131 Porosidad
Es el volumen de huecos de la roca y define la capacidad de eacutesta para almacenar fluidos Se
expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca
(porosidad total o bruta) [24]
Tipos de Porosidad
Absoluta La porosidad absoluta se considera como el volumen poroso total (esteacuten o
no interconectados)
Efectiva La porosidad efectiva se refiere al porcentaje de poros interconectados que
permiten la circulacioacuten de fluidos
No efectiva Representa la diferencia entre las porosidades anteriores es decir la
porosidad absoluta y la efectiva
132 Permeabilidad
18
La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo
atraviese sin alterar su estructura interna Se afirma que un material es permeable si deja
pasar a traveacutes de eacutel una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado e impermeable si la
cantidad de fluido es despreciable Se define con la ecuacioacuten de Darcy [14]
119876 =119870119860
120583
119889119875
119889119905 119910 119870 =
119876120583
119860 119889119897
119889119875 (1)
Doacutende
A Aacuterea de flujo (cm2)
Q Gasto (cm3 s-1)
dP Diferencia de presiones a la entrada y salida del permeaacutemetro (kPa)
dl Longitud del medio poroso (cm)
micro Viscosidad del fluido (cP)
K Velocidad de filtracioacuten (m s-1)
Si el fluido es homogeacuteneo y no produce ninguna accioacuten importante sobre la roca se habla
de permeabilidad absoluta pero si en la roca existen varios fluidos como es el caso de un
yacimiento petroliacutefero en el que se puede tener petroacuteleo agua y gas se producen
interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los
fluidos
La permeabilidad relativa corresponde a la relacioacuten entre permeabilidad absoluta y efectiva
Para un fluido dado variacutea en funcioacuten directa con la saturacioacuten de ese fluido en la roca y se
expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro
133 Tortuosidad
19
Una medida de la complejidad geomeacutetrica de un medio poroso La tortuosidad es una relacioacuten
que caracteriza los trayectos de la difusioacuten del fluido y la conduccioacuten eleacutectrica a traveacutes de los
medios porosos En mecaacutenica de fluidos de los medios porosos la tortuosidad es la relacioacuten
del largo de la corriente natural de un fluido (una liacutenea o trayecto de flujo) entre dos puntos
y la distancia en liacutenea recta entre esos puntos Por consiguiente la tortuosidad se relaciona
con la relacioacuten entre el coeficiente de difusioacuten de un fluido cuando no estaacute confinado por un
medio poroso y su coeficiente de difusioacuten efectivo cuando estaacute confinado en un medio poroso
[22] Este paraacutemetro es calculado con la ecuacioacuten 2
119879 =119871119864
119871 ( 2)
Doacutende
L es la longitud de la muestra de roca (cm)
LE es la longitud de la trayectoria de difusioacuten del fluido sobre la muestra (cm)
El flujo de fluidos a traveacutes de medios porosos estaacute fuertemente afectado por fenoacutemenos de
superficie los cuales representan fuerzas retentivas de fluidos en el medio poroso La accioacuten
de la estimulacioacuten matricial no reactiva concierne principalmente a la alteracioacuten de estas
fuerzas retentivas manifiestas en los fenoacutemenos de tensioacuten superficial mojabilidad y
capilaridad [20]
134 Tensioacuten Superficial e Interfacial
La materia en sus diferentes estados (soacutelido liacutequido y gaseoso) estaacute compuesta de moleacuteculas
las cuales presentan una atraccioacuten llamada fuerza de cohesioacuten Esta fuerza es una
combinacioacuten de fuerzas electrostaacuteticas y de Van der Waals [21] Naturalmente estas fuerzas
son de diferente magnitud dependiendo del estado de la materia Por ejemplo en el seno de
un liacutequido una moleacutecula es rodeada por moleacuteculas similares ejerciendo unas con otras
fuerzas iguales de atraccioacuten por lo que eacutestas se encuentran balanceadas tal como se muestra
en la figura 15
20
15 Representacioacuten de fuerzas intermoleculares en un sistema bifaacutesico (soacutelido-liacutequido)
En la interfase entre un liacutequido y un soacutelido o entre un liacutequido y un gas estas fuerzas son
desequilibradas causando que exista una resultante en la interfase con ello se crea una
energiacutea libre de superficie En la misma figura 15 se observa la fuerza resultante en la
interfase del sistema denotada con el teacutermino FR cuyo valor representa la tensioacuten que existe
entre las moleacuteculas de las fase liquida y gaseosa
Esta fuerza seraacute mayor entre mayores sean las fuerzas de atraccioacuten de las moleacuteculas del
liacutequido Si se deseara romper esta superficie se tendriacutea que realizar un trabajo por unidad de
aacuterea equivalente a vencer la energiacutea libre de superficie Este trabajo por unidad de aacuterea se
denomina tensioacuten superficial y su valor especiacutefico para cada liacutequido depende
principalmente de la temperatura y presioacuten a las cuales se encuentre
Para medir la tensioacuten superficial se utilizan varios meacutetodos de los cuales el maacutes utilizado es
el meacutetodo de Du Nouumly Este procedimiento consiste en colocar en el liacutequido un arillo de
platino y llevarlo hasta la interfase midiendo la fuerza necesaria con la que el anillo rompe
la superficie La tensioacuten superficial generalmente se da en dina cm-1 Para el agua a
21
condiciones estaacutendar la tensioacuten superficial es de 72 dina cm-1 para el benceno es de 29 dina
cm-1 [19]
En 1905 Young mostroacute que las propiedades mecaacutenicas de la energiacutea libre de superficie
podriacutean relacionarse con una membrana hipoteacutetica en la superficie Usando en concepto de
tensioacuten superficial Young fue capaz de derivar expliacutecitamente la condicioacuten de equilibrio
mecaacutenico de una superficie curva entre dos fases [21] La ecuacioacuten de Young se expresa en la
ecuacioacuten 3
119875primeprime minus 119875prime =2120590
119903 (3)
Doacutende
Pacute Presioacuten en la fase externa (kPa)
Pacuteacute Presioacuten en la fase interna (kPa)
σ Tensioacuten Superficial (Erg)
r Radio de curvatura (cm)
Si un liacutequido estaacute en contacto con otra sustancia (gas soacutelido u otros liacutequidos inmiscibles) hay
una energiacutea libre interfacial Esto significa que se tiene que realizar cierta cantidad de trabajo
con el fin de separar ambos medios Los dos principales paraacutemetros que afectan a la magnitud
de la tensioacuten superficial son la temperatura y la composicioacuten quiacutemica de las fases La
variacioacuten de la tensioacuten superficial liacutequido-vapor (γLG) usualmente sigue una relacioacuten lineal
seguacuten la expresioacuten [15]
120574119871119866 = 1205740 + (∆120575119871119866
∆119879) (119879 minus 119879119898) (4)
Doacutende
γLG Tensioacuten interfacial liquido-gas (dina cm-1)
γ0 Tensioacuten superficial del liacutequido (dina cm-1)
ΔδLG Diferencia de densidad entre fase liacutequida y fase gaseosa (kg m-3)
22
ΔT Diferencia de temperaturas
T Temperatura del sistema (degC)
Tm Temperatura media (degC)
En general la tensioacuten superficial para metales fundidos disminuye con el incremento de la
temperatura (dγLGdT) lt 0 ya que las fuerzas de cohesioacuten disminuyen al aumentar la
agitacioacuten teacutermica La influencia del medio exterior se debe a que las moleacuteculas del medio
ejercen acciones atractivas sobre las moleacuteculas situadas en la superficie del liacutequido
contrarrestando las acciones de las moleacuteculas del interior del liacutequido
La medida de la tensioacuten superficial en soacutelidos policristalinos es compleja comparada con la
medida de γLG y en consecuencia los datos experimentales son difiacutecilmente fiables Se han
desarrollado modelos teoacutericos para predecir γSG pero con un eacutexito limitado Por otro lado la
tensioacuten γSL no puede ser medida directamente soacutelo puede predecirse con la ayuda de modelos
teoacutericos [19] El uso de la ecuacioacuten 5 para determinar el trabajo de adherencia (conociendo
previamente γLG o midieacutendolo simultaacuteneamente con θ) es una de las praacutecticas maacutes habituales
para investigar la mojabilidad de soacutelidos por metales liacutequidos
119882119886 = 120574119871119866(1 + 119888119900119904120579)
Donde
Wa Mojabilidad
γLG= Tensioacuten interfacial (dina cm-1)
θ= Angulo de contacto (deg)
135 Mojabilidad
23
La mojabilidad es uno de los fenoacutemenos de superficie y representa la interaccioacuten soacutelidondash
liacutequido este paraacutemetro depende de las fuerzas intermoleculares de los materiales en contacto
la fuerza de adhesioacuten entre el liacutequido y el soacutelido provoca que el liacutequido se extienda por la
superficie mientras que la de cohesioacuten del liacutequido hacen que eacuteste se abulte y tienda a evitarla
Es claro que tambieacuten estaacute muy relacionada con la capilaridad porque algunas sustancias
disueltas en el agua pueden modificar su tensioacuten superficial y por lo tanto su mojabilidad [14]
El aacutengulo de contacto ϴ es el aacutengulo que forma el liacutequido respecto a la superficie de contacto
con el soacutelido y estaacute determinado por la resultante de las fuerzas adhesivas y cohesivas Como
la tendencia de una gota a expandirse en una superficie plana aumenta con la disminucioacuten
del aacutengulo de contacto este aacutengulo proporciona una medida inversa de la mojabilidad [25]
Un aacutengulo de contacto pequentildeo (lt 90deg) indica que la mojabilidad es muy alta y el fluido se
extenderaacute sobre la superficie aacutengulos de contacto grandes (gt 90deg) significan que la
mojabilidad es baja y el fluido disminuiraacute el contacto con la superficie formando una gota
compacta este efecto puede observarse en las figuras 6a 6b y 6c Cuantitativamente la
mojabilidad se define como el producto de la tensioacuten superficial por el aacutengulo de contacto
esto es
119882119886 = 120590119888119900119904120579 (5)
Figura 16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidad [25]
El fenoacutemeno de mojabilidad es de gran importancia para el flujo de aceite en un medio
poroso Se ha demostrado que si la roca se encuentra mojada por agua la permeabilidad al
a) b) c)
24
aceite es muy superior al caso en que la roca se encuentre mojada por aceite lo cual favorece
la recuperacioacuten del aceite contenido en el yacimiento [26]
136 Capilaridad
La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de adsorber a otra Sucede cuando las
fuerzas intermoleculares adhesivas entre el liacutequido y el soacutelido son mayores que las fuerzas
intermoleculares cohesivas del liacutequido Cuando un liacutequido sube por un tubo capilar es debido
a la cohesioacuten intermolecular entre sus moleacuteculas es menor que la adhesioacuten del liacutequido con el
material del tubo es decir es un liacutequido que moja El liacutequido sigue subiendo hasta que la
tensioacuten superficial es equilibrada por el peso del liacutequido que llena el tubo
Al sumergir un tubo de vidrio capilar en agua eacutesta se elevaraacute en el tubo como se muestra en
la figura 17 en este caso se define como presioacuten capilar la diferencia de presiones en la
interfase [5]
Figura 17 Efecto de la capilaridad [5]
La presioacuten capilar seraacute la fuerza requerida para soportar la columna de agua en el tubo
dividida entre el aacuterea del capilar se explica con la ecuacioacuten 6
119875119862 = 120588119892ℎ119888 (6)
Doacutende
25
Pc Presioacuten capilar (N m-2)
ρ Densidad (kg m-3)
g Aceleracioacuten de la gravedad (981 m s-2)
hc Altura de la columna (m)
137 Adsorcioacuten
La adsorcioacuten es un proceso de separacioacuten y concentracioacuten de uno o maacutes componentes de un
sistema sobre una superficie soacutelida o liacutequida Los distintos sistemas heterogeacuteneos en los que
puede tener lugar la adsorcioacuten son soacutelido-liacutequido soacutelido-gas y liacutequido-gas Como en otros
procesos de este tipo los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases
La adsorcioacuten es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra
sobre la superficie de otra fase (generalmente soacutelida) Por ello se considera como un
fenoacutemeno subsuperficial La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama
adsorbato y la fase impregnada se llama adsorbente [21] Lo anterior se muestra en la
figura 18
Figura 18 Proceso de adsorcioacuten
1371 Tipos de adsorcioacuten
Cabe distinguir tres tipos de adsorcioacuten seguacuten sea la atraccioacuten entre el soluto y el adsorbente
sea de tipo eleacutectrico de Van der Waals (o Fiacutesica) o de naturaleza quiacutemica [23]
26
Eleacutectrica Cae de lleno dentro del intercambio ioacutenico y a menudo se le llama
adsorcioacuten por intercambio que es un proceso mediante el cual los iones de una
sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atraccioacuten electrostaacutetica
en los lugares cargados de la superficie Para dos absorbatos ioacutenicos posibles a
igualdad de otros factores la carga del ioacuten es el factor determinante en la adsorcioacuten
de intercambio Para iones de igual carga el tamantildeo molecular (radio de solvatacioacuten)
determina el orden de preferencia para la adsorcioacuten (figura 19)
Figura 19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectrica
Fiacutesica La adsorcioacuten que tiene lugar debido a las fuerzas de Van der Waals se llama
generalmente adsorcioacuten fiacutesica En este caso la moleacutecula adsorbida no estaacute fija en un
lugar especiacutefico de la superficie sino maacutes bien estaacute libre de trasladarse dentro de la
interfase Esta adsorcioacuten en general predomina a temperaturas bajas El aumento de
la temperatura disminuye considerablemente la adsorcioacuten (figura 110)
No se produce adsorcioacuten a temperaturas superiores a la temperatura criacutetica del
adsorbato gaseoso si la presioacuten del gas tiene valores cercanos a la presioacuten de vapor
de equilibrio para el adsorbato liacutequido se produciraacute una adsorcioacuten maacutes extensa en
capas muacuteltiples
27
Figura 110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesica
Quiacutemica Si el adsorbato sufre una interaccioacuten quiacutemica con el adsorbente el
fenoacutemeno se llama adsorcioacuten quiacutemica adsorcioacuten activa o quimisorcioacuten Las energiacuteas
de adsorcioacuten son elevadas del orden de las de un enlace quiacutemico debido a que el
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente Esta adsorcioacuten suele estar favorecida a una temperatura elevada [17]
(figura 111)
Figura 111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemica
La mayor parte de los fenoacutemenos de adsorcioacuten son combinaciones de las tres formas de
adsorcioacuten y de hecho no es faacutecil distinguir entre adsorcioacuten fiacutesica y quiacutemica
28
14 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten es el proceso en donde un fluido que satura un medio capilar es desplazado
por otro fluido Eacutesta es espontaacutenea cuando el fluido desplazante penetra el medio capilar
uacutenicamente bajo la accioacuten de las fuerzas capilares Las muestras de roca que imbiben
uacutenicamente agua se dice que son mojadas por agua de igual manera las que lo hacen con el
aceite son mojadas por aceite [10]
La imbibicioacuten es importante en un yacimiento que produce por mecanismos de empuje de
agua porque puede favorecer u obstruir el movimiento del agua afectando el aacuterea del barrido
Una prueba de imbibicioacuten es una comparacioacuten del potencial de imbibicioacuten del petroacuteleo y del
agua en una roca tal como se muestra en la figura 112 La mojabilidad de la roca es
determinada por la fase que maacutes absorbe
Figura 112 Celda de imbibicioacuten espontanea [10]
141 Interaccioacuten roca-fluido
29
La mojabilidad es muy importante en los procesos de recuperacioacuten de aceite debido al fuerte
efecto que eacutesta ejerce en la distribucioacuten localizacioacuten y flujo de aceite y agua dentro del
yacimiento durante la produccioacuten
Generalmente se asume que los yacimientos de aceite fueron creados por la acumulacioacuten de
hidrocarburos en rocas que originalmente conteniacutean agua y por ello se deduce que las rocas
de todos los yacimientos fueron originalmente mojadas por agua [23]
Asimismo existen casos aislados en los cuales despueacutes de haberse hecho pruebas se
descubrioacute que algunos yacimientos eran originalmente mojados por aceite Principalmente
los asfaltenos pesados y las fracciones de resina del aceite crudo son capaces de alterar por
adsorcioacuten la mojabilidad de una caliza mojada originalmente por agua a una mojada por
aceite en su superficie Los componentes maacutes importantes en el aceite crudo responsables
del cambio de mojabilidad son aquellos que contienen grupos cargados como un aacutecido o una
base
Las rocas carbonatadas usualmente llevan cargan positivas en la superficie y tienen una
afinidad mayor por los componentes aacutecidos del aceite crudo En el caso de las areniscas cuya
carga de superficie es negativa se tiene una mayor atraccioacuten por los componentes baacutesicos
del aceite crudo [10] La figura 113 es una representacioacuten esquemaacutetica de coacutemo las partes
aacutecidas del aceite se adsorben sobre la superficie de la caliza generando un estado maacutes mojado
por aceite
Figura 113 Esquema de las partes aacutecidas del aceite crudo sobre una superficie de roca
carbonatada
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacutenea
30
La comprensioacuten de los mecanismos detraacutes de la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes
puede mejorar el desempentildeo y aplicacioacuten del producto en operaciones de campo
Diversos investigadores notaron que para cada tipo de roca la efectividad de la alteracioacuten de
la mojabilidad depende de la naturaleza ioacutenica del surfactante empleado En nuacutecleos de
calizas mojadas por aceite Austad [19] observoacute que surfactantes catioacutenicos funcionaron
mejor que surfactantes anioacutenicos en el cambio de mojabilidad hacia un estado maacutes mojado
por agua Pensaron que para los surfactantes catioacutenicos el mecanismo responsable de la
alteracioacuten de la mojabilidad en una roca carbonatada mojada por aceite era la formacioacuten de
ion-par entre las cabezas catioacutenicas de las moleacuteculas de surfactante y los componentes aacutecidos
del aceite crudo adsorbidos en la superficie de la roca carbonatada
La formacioacuten del ioacuten-par puede remover la capa de aceite crudo adsorbida sobre la superficie
de la roca logrando exponer la superficie de la roca carbonatada originalmente mojada por
agua En cambio las moleacuteculas de los surfactantes anioacutenicos forman una capa en la
superficie de la roca carbonatada a traveacutes de la interaccioacuten hidrofoacutebica de las colas del
surfactante en la superficie La capa de surfactantes adsorbidos con los grupos de cabezas
hidrofiacutelicas cubriendo la roca originalmente mojada por aceite pueden cambiar la
mojabilidad del medio poroso a uno maacutes mojado por agua En este caso las interacciones
hidrofoacutebicas son mucho maacutes deacutebiles que las interacciones ioacuten-par explicando por queacute los
surfactantes catioacutenicos funcionan mejor que los anioacutenicos en la alteracioacuten de mojabilidad en
rocas carbonatadas hacia un estado maacutes mojado por agua Esas pruebas e hipoacutetesis fueron el
comienzo de un estudio que otros investigadores culminaron en un estudio de la mecaacutenica de
la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes [19]
143 Cambio de mojabilidad por el ioacuten-par
31
La formacioacuten del ioacuten-par es influenciado principalmente por interacciones electrostaacuteticas
entre las cabezas hidrofiacutelicas de los surfactantes y estabilizada por interacciones de las
secciones hidrofoacutebicas de la moleacutecula de surfactante Como se muestra en la figura 114 la
formacioacuten de iones-par remueve los componentes del aceite crudo adsorbido sobre la
superficie de la roca dando lugar a la cara originalmente mojada por agua [23]
Figura 114 Modelo esquemaacutetico del cambio de mojabilidad con la aplicacioacuten de
surfactantes
Los iones-par formados durante el proceso no son solubles en agua y por ello se mueven
raacutepidamente dentro de la fase aguaaceite hacia la fase aceite dejando las moleacuteculas de
surfactante libres en la fase agua para asociarse con los componentes del aceite adsorbidos
en la superficie de la roca (figura 114) De esta manera el surfactante cambia
satisfactoriamente la mojabilidad de la superficie de la roca a un estado maacutes mojado por agua
15 Surfactantes
Tambieacuten llamados agentes tensoactivos son moleacuteculas que poseen una doble afinidad
quiacutemica debido a su estructura de tipo polar-apolar Un surfactante o agente superficialmente
activo es una especie quiacutemica que es activa en la interfase entre dos fases como un
detergente que es activo en la interfase entre las fases hidroacutefila e hidroacutefoba El detergente se
acumula en la interfase y modifica la tensioacuten superficial La tensioacuten superficial disminuye
cuando un soluto se acumula en la interfase siendo el soluto en este caso el agente
tensoactivo [21] Su representacioacuten claacutesica se indica en la Figura 115
32
115 Representacioacuten de una moleacutecula surfactante
La parte polar o hidrofiacutelica es un grupo funcional ioacutenico o no ioacutenico generalmente constituida
por heteroaacutetomos como oxiacutegeno azufre nitroacutegeno y foacutesforo que permiten un alto grado de
solubilidad en solventes polares particularmente en agua La parte apolar o lipofiacutelica
generalmente es una cadena hidrocarbonada de tipo alquil o alquilbenceno con presencia en
ciertos casos de aacutetomos de un haloacutegeno u oxiacutegeno la cual es soluble en solventes orgaacutenicos
no polares particularmente hidrocarburos aceites y grasas Debido a esta dualidad polar-
apolar una moleacutecula de surfactante tiene tendencia a migrar a una intercara o una superficie
con la finalidad de satisfacer sus dos tipos de afinidad Sin embargo no todas las sustancias
anfifiacutelicas poseen esta propiedad [14]
151 Clasificacioacuten de los surfactantes
Debido a que la accioacuten de los surfactantes depende principalmente de fuerzas electrostaacuteticas
eacutestos se clasifican de acuerdo a la naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua Los
surfactantes se dividen en anioacutenicos catioacutenicos no ioacutenicos y zwitterioacutenicos (anfoteacutericos)
La tabla 13 muestra su clasificacioacuten incluyendo su descripcioacuten esquemaacutetica las
caracteriacutesticas de carga del grupo soluble en agua los grupos quiacutemicos maacutes importantes y
sus usos principales
La naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua se usa para clasificar los surfactantes en
cuatro clases
33
Tabla 13 Clasificacioacuten de Surfactantes
Clasificacioacuten Descripcioacuten Carga del grupo
soluble en agua
Grupos Quiacutemicos Usos
Anioacutenicos M+ + Negativa Sulfonatos
Sulfatos
Fosfatos
Fosfonatos
No
emulsificantes
Retardadores
Limpiadores
Catioacutenicos X- - Positiva Grupos aminos No
emulsificantes
Inhibidores de
corrosioacuten
No ioacutenicos XxR Sin Carga Alcoholes
Alquilfenoles
Esteres
Eteres
Amidas
Etileno
No
emulsificantes
Espumantes
Inhibidores de
corrosioacuten
Zwitterioacutenicos M+ X- Posee ambas
cargas
Dodedil amino
aacutecido propionico
Inhibidores de
corrosioacuten
Los surfactantes anioacutenicos se disocian en un anioacuten anfiacutefilo y un catioacuten el cual es en general
un metal alcalino o un grupo alquiacutelico A este tipo pertenecen los detergentes sinteacuteticos como
los alquil benceno sulfonatos los jabones (sales de sodio de aacutecidos grasos) los agentes
espumantes como el lauril sulfato los humectantes del tipo sulfosuccinato los dispersantes
del tipo lignosulfonatos etc La produccioacuten de los surfactantes anioacutenicos representa
alrededor del 55 de los surfactantes producidos anualmente en el mundo FIRP 303
Los surfactantes no ioacutenicos estaacuten en el segundo rango por orden de importancia con un poco
menos del 40 del total En solucioacuten acuosa no se ionizan puesto que ellos poseen grupos
hidroacutefilos del tipo alcohol fenol eacutester eacuteter o amida Una alta proporcioacuten de estos
surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofiacutelicos gracias a la presencia de una cadena
polieacuteter del tipo polioacutexido de etileno El grupo hidroacutefobo es generalmente un radical alquilo
o alquil benceno y a veces una estructura de origen natural como un aacutecido graso sobre todo
cuando se requiere una baja toxicidad
34
Los surfactantes catioacutenicos se disocian en solucioacuten acuosa en un catioacuten orgaacutenico anfiacutefilo y
un anioacuten generalmente del tipo halogenuro La gran mayoriacutea de estos surfactantes son
compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario La fabricacioacuten
de estos surfactantes es mucho maacutes cara que la de los anteriores y es por esta razoacuten que no
se les utilizan salvo en caso de aplicacioacuten particular como cuando se hace uso de sus
propiedades bactericidas o de su facilidad de adsorcioacuten sobre sustratos bioloacutegicos o inertes
que poseen una carga negativa
Esta uacuteltima propiedad hace que sean excelentes agentes antiestaacuteticos hidrofobantes asiacute
como inhibidores de corrosioacuten [24] y puedan ser utilizados tanto en productos industriales
como para uso domeacutestico
La combinacioacuten dentro de una misma moleacutecula de dos caracteres anioacutenico y catioacutenico
producen un surfactante llamado anfoacutetero o zwitterioacutenico como por ejemplo los
aminoaacutecidos las betaiacutenas o los fosfoliacutepidos ciertos anfoacuteteros son insensibles al pH otros
son de tipo catioacutenico a pH aacutecido y de tipo anioacutenico a pH alto Los anfoacuteteros son en general
tan caros como los catioacutenicos y por esta razoacuten su utilizacioacuten se reduce a aplicaciones
particulares
152 Propiedades de los surfactantes
Los surfactantes poseen dos propiedades fundamentales que permiten explicar las
caracteriacutesticas de su utilizacioacuten actividad superficial o interfacial adsorcioacuten y asociacioacuten
micelar
1511 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacuten
Cuando un surfactante estaacute presente a baja concentracioacuten en un sistema tiene la propiedad
de adsorberse en la superficie (liacutequido-gas) o en la cara interfacial (liacutequido-liacutequido) del
sistema Este fenoacutemeno que es debido a sus caracteriacutesticas anfifiacutelicas provoca una
disminucioacuten notable de la energiacutea libre superficial o interfacial
35
La energiacutea libre de la moleacutecula en la cara interfacial es inferior a la de la moleacutecula
solubilizada en la fase acuosa por tanto la transferencia desde el seno de la fase hacia la cara
interfacial llamada adsorcioacuten se realiza de manera espontaacutenea
La disminucioacuten de la tensioacuten interfacial provocada por la adsorcioacuten del surfactante favorece
la deformacioacuten y la ruptura de la cara interfacial la formacioacuten de sistemas dispersos como
las emulsiones y las espumas la movilizacioacuten del petroacuteleo residual en pozos entre otros [26]
1512 Micelas y asociacioacuten micelar
En soluciones diluidas el surfactante se encuentra en el seno del liacutequido bajo la forma de
solucioacuten molecular A partir de cierta concentracioacuten llamada concentracioacuten micelar criacutetica
(CMC) la fase acuosa se satura y la adicioacuten de maacutes moleacuteculas de surfactante provoca la
formacioacuten de agregados de tipo coloidal llamadas micelas [21]
Estos agregados pueden reunir entre decenas y centenas de moleacuteculas y su dimensioacuten y
estructura dependen de la estructura y del ambiente fisicoquiacutemico del surfactante La
tendencia liofoacutebica de una parte de la moleacutecula surfactante es el principal promotor de la
formacioacuten de las micelas en las cuales el surfactante alcanza una posicioacuten favorable para
satisfacer su doble afinidad
Generalmente se presenta a una micela como una entidad estaacutetica sin embargo las micelas
son agregados moleculares en equilibrio dinaacutemico con las moleacuteculas de surfactante dispersas
en el disolvente [19] De hecho se puede citar que ocurren dos procesos baacutesicos i) intercambio
de las micelas con las moleacuteculas de surfactante en el disolvente y con otras micelas que
ocurre en microsegundos o milisegundos y ii) la renovacioacuten real de una micela completa por
este proceso (de milisegundos a segundos)
Cuando el medio continuo estaacute formado por una sustancia no polar (denominado
geneacutericamente aceite aunque su estructura quiacutemica no corresponda a este nombre) se
forman las llamadas micelas inversas Ahora las cabezas polares estaacuten orientadas hacia el
interior de la micela y estaacuten en contacto con agua o alguna otra sustancia polar mientras que
las colas hidrocarbonadas se dirigen hacia el exterior de la micela (en contacto con el
36
disolvente apolar) como se muestra en la figura 116 Estos sistemas son mucho maacutes
complejos que los formados por las micelas normales tienen valores propios para la CMC y
nuacutemero de agregacioacuten aunque su tamantildeo y forma es similar al de las micelas normales
Figura 116 Tipos de micela A) micela normal B) micela inversa
El tamantildeo de una micela esfeacuterica estaacute determinado por el equilibrio entre las fuerzas de
atraccioacuten entre las colas hidrocarbonadas entre siacute (realmente se debe a que las moleacuteculas de
agua tienden a expulsar a las moleacuteculas hidrofoacutebicas de su contacto) y las fuerzas de repulsioacuten
electrostaacutetica de las cabezas polares (ayudada por efectos esteacutericos y de hidratacioacuten)
Mediante estudios de difraccioacuten de neutrones a aacutengulo pequentildeo se ha determinado la
estructura de una micela esfeacuterica el nuacutecleo es hidrocarbonado los grupos polares junto con
algunos contraiones (iones de carga opuesta al de la cabeza polar del surfactante) constituyen
la capa ioacutenica de Stern con un espesor de 02 a 04 nm y una capa difusa de Gouy-Chapman
mostrado en la figura 117
37
Figura 117 Comportamiento estaacutetico micelar
A concentraciones de surfactante ligeramente mayores que la CMC las micelas son esfeacutericas
al aumentar la concentracioacuten ciertas propiedades de la disolucioacuten indican un cambio en la
estructura de los agregados micelares Esto se debe probablemente a interacciones entre las
micelas Incrementando la concentracioacuten las micelas adoptan formas ciliacutendricas o lamelares
o en algunos casos de discos A concentraciones superiores pueden ocurrir transiciones de
fase de solucioacuten micelar a cristales liacutequidos
Algunas de las caracteriacutesticas que hacen atractivas a las micelas para aplicaciones analiacuteticas
son la existencia de la capa ioacutenica de Stern (en micelas ioacutenicas) la orientacioacuten anisotroacutepica
(o grado de ordenamiento) del nuacutecleo de la micela el ordenamiento de la interfaz micelar
debido a la carga y a las interacciones con el disolvente y a la diferencia de polaridad entre
el disolvente y el interior micelar
Muchas propiedades fiacutesicas de las soluciones de surfactante (conductividad tensioacuten
superficial densidad etc) cambian de manera notable en la CMC Comuacutenmente la CMC se
obtiene por la interseccioacuten de dos curvas que representan una propiedad fiacutesica determinada
de la solucioacuten una curva representa la propiedad fiacutesica a concentraciones inferiores a la CMC
y la otra representa la propiedad fiacutesica a concentraciones superiores [10]
38
16 Emulsiones
Las emulsiones son sistemas dispersos constituidos por dos liacutequidos inmiscibles en los cuales
la fase en suspensioacuten (fase interna o dispersa) se encuentra en forma de pequentildeas gotas
contenida en la fase externa (fase continua o dispersante) como se muestra en la figura 118
La estructura de las emulsiones estaacute estabilizada por un agente surfactante llamado
emulsionante Por definicioacuten una emulsioacuten es un sistema termodinaacutemicamente inestable y
tarde o temprano debe separarse en sus dos fases [19]
Figura 118 Micrografiacutea de una emulsioacuten WO
La nocioacuten de estabilidad es por supuesto relativa pero se refiere a una casi ausencia de
cambio durante un periacuteodo de tiempo suficientemente largo para el propoacutesito de la aplicacioacuten
praacutectica lo cual puede variar de algunos minutos a algunos antildeos
Las cantidades relativas de fase dispersa y fase continua (referidas tambieacuten como fase interna
y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades Por debajo de 20 de fase
interna se habla de una emulsioacuten de bajo contenido de fase interna En tales emulsiones se
puede considerar que hay poca interaccioacuten de las gotas entre siacute
39
161 Tipos de emulsiones
En la mayoriacutea de los casos en los cuales se hace una emulsioacuten con dos liacutequidos
inmiscibles uno de los liacutequidos es una fase acuosa y el otro una fase aceite u orgaacutenica Se
usan las abreviaturas O para el aceite y W para el agua siguiendo la nomenclatura
anglosajona Las emulsiones se clasifican [26]
Aceite en agua (OW) Esta emulsioacuten contiene gotas de aceite dispersadas en agua
es la emulsioacuten normal para todas las aplicaciones con excepcioacuten de la produccioacuten de
petroacuteleo en la cual se denomina emulsioacuten inversa
Agua en aceite (WO) En esta emulsioacuten la fase dispersa es el agua mientras que la
continua es el aceite esta es la emulsioacuten normal en la industria petrolera y la inversa
para todas las demaacutes aplicaciones
Agua en aceite en agua (WOW) Cuando las gotas de aceite de una emulsioacuten OW
contienen en su interior gotitas de agua se dice que se tiene una emulsioacuten muacuteltiple
del tipo WOW Las emulsiones muacuteltiples se encuentran en forma espontaacutenea en
ciertas circunstancias o pueden prepararse al propoacutesito
Aceite en agua en aceite (OWO) Este tipo de emulsioacuten no se encuentra con
frecuencia y estaacute constituida por una fase continua de aceite con gotas dispersas de
agua en su interior las cuales a su vez contienen pequentildeiacutesimas gotas de la fase
aceitosa
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleo
Durante las operaciones de extraccioacuten del petroacuteleo la mezcla bifaacutesica de petroacuteleo y agua se
desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden de 1 piediacutea lo que es insuficiente
para que se forme una emulsioacuten Sin embargo al pasar por todo el aparataje de produccioacuten
durante el levantamiento y el transporte en superficie (bombas vaacutelvulas codos restricciones
etc) se produce la agitacioacuten suficiente para que el agua se disperse en el petroacuteleo en forma
de emulsioacuten WO estabilizada por las especies de actividad interfacial presentes en el crudo
(asfaacuteltenos y resinas) y por soacutelidos
40
Existen tres requisitos esenciales para formar una emulsioacuten
Dos liacutequidos inmiscibles como el agua y el aceite
Suficiente agitacioacuten para dispersar uno de los liacutequidos en pequentildeas gotas en el otro
Un agente emulsionante para estabilizar las gotas dispersas en la fase continua
En los campos petroleros las emulsiones se conocen como emulsiones directas (agua
en aceite WO) y emulsiones indirectas (aceite en agua OW) Otra terminologiacutea en la
industria petrolera es clasificar las emulsiones directas producidas como duras y suaves Por
definicioacuten una emulsioacuten dura es muy estable y difiacutecil de romper principalmente porque las
gotas dispersas son muy pequentildeas Por otro lado una emulsioacuten suave es inestable y faacutecil de
romper En otras palabras cuando un gran nuacutemero de gotas de agua de gran diaacutemetro estaacuten
presentes ellas a menudo se separan faacutecilmente por la fuerza gravitacional El agua que se
separa en menos de cinco minutos es llamada agua libre
La mejor forma de deshidratar es evitar que se produzca la emulsioacuten o por lo menos
reducir al maacuteximo las condiciones que favorezcan el emulsionado
En pozos fluyentes una agitacioacuten considerable es generalmente causada por el gas
disuelto saliendo de la solucioacuten (el gas se desorbe) conforme decrece la presioacuten Este gas
tambieacuten causa turbulencia cuando fluye junto con la mezcla bifaacutesica agua-aceite a traveacutes de
accesorios y restricciones en la tuberiacutea de produccioacuten pasa por supuesto lo mismo cuando
se utiliza el levantamiento con gas Esta turbulencia puede ser reducida pero no eliminada
instalando un estrangulador de fondo Este estrangulador reduce la estabilidad de la emulsioacuten
por las siguientes causas
Hay menos presioacuten diferencial
La temperatura de fondo de pozo es considerablemente maacutes alta que la temperatura
en la superficie
Hay flujo laminar para una gran distancia corriente abajo del estrangulador de fondo
y por lo tanto menos turbulencia
Actualmente el 90 de las teacutecnicas utilizadas para la extraccioacuten de petroacuteleo crudo
generan o agravan los problemas de emulsionado Los quiacutemicos usados en las fracturas de la
41
formacioacuten estimulaciones de pozos inhibicioacuten de corrosioacuten etc frecuentemente causan
severos problemas de emulsionaje por lo que existen meacutetodos para romperlas tales como el
calentamiento aditivos quiacutemicos tratamiento eleacutectrico y asentamiento En los casos de bajo
contenido de agua (lt 10) resulta ventajoso antildeadir agua en fondo de pozo antes que se
produzca la emulsioacuten porque asiacute la emulsioacuten formada seraacute menos estable (el tamantildeo de gotas
aumenta y se favorece la coalescencia [22]
163 Agentes emulsionantes
Los agentes emulsionantes son numerosos y pueden ser clasificados
Compuestos naturales surfactantes tales como asfaltenos y resinas conteniendo
aacutecidos orgaacutenicos y bases aacutecidos nafteacutenicos aacutecidos carboxiacutelicos compuestos de
azufre fenoles cresoles y otros surfactantes naturales de alto peso molecular
Soacutelidos finamente divididos tales como arena arcilla finos de formacioacuten esquistos
lodos de perforacioacuten fluidos para estimulacioacuten incrustaciones minerales productos
de la corrosioacuten (por ejemplo sulfuro de hierro oacutexidos) parafinas asfaltenos
precipitados Los fluidos para estimulacioacuten de pozos pueden contribuir a formar
emulsiones muy estables
Quiacutemicos de produccioacuten antildeadidos tales como inhibidores de corrosioacuten biocidas
limpiadores surfactantes y agentes humectantes
Estos agentes pueden adsorberse en la interfase de la gota de agua y formar una peliacutecula
riacutegida que resulta en una alta estabilidad de la emulsioacuten WO formada lo cual ocurre en
menos de tres diacuteas Es por eso que la emulsioacuten debe tratarse lo maacutes pronto posible con
diferentes agentes tales como quiacutemica deshidratante calor sedimentacioacuten por
centrifugacioacuten o electrocoalescencia [26]
42
164 Estabilidad de una emulsioacuten
La peliacutecula interfacial formada estabiliza la emulsioacuten debido a que
Aumenta la tensioacuten interfacial Por lo general para emulsiones de crudo la tensioacuten
interfacial se encuentra en el intervalo de 30 a 36 mN m-1 Asiacute mismo la presencia
de sales aumenta la tensioacuten interfacial
Forma una barrera viscosa que inhibe la coalescencia de las gotas
Si el surfactante o partiacutecula adsorbida en la interfase es polar su carga eleacutectrica
provoca que se repelan unas gotas de otras
Otro mecanismo de estabilizacioacuten ocurre cuando los emulsionantes son partiacuteculas soacutelidas
muy finas Para ser agentes emulsionantes las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes pequentildeas que
las gotas suspendidas y deben ser mojadas por el aceite y el agua Luego estas finas partiacuteculas
soacutelidas o coloides (usualmente con surfactantes adheridos a su superficie) se colectan en la
superficie de la gota y forman una barrera fiacutesica Algunos de estos soacutelidos son el sulfuro de
hierro y la arcilla [14]
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacuten
La estabilidad y rompimiento de una emulsioacuten depende de varios factores
Tensioacuten interfacial Una reduccioacuten de la tensioacuten interfacial no aumenta la estabilidad
de la emulsioacuten Se ha encontrado que los sistemas de tensioacuten ultrabaja producen
emulsiones inestables
Viscosidad de la fase externa Una viscosidad alta en la fase externa disminuye el
coeficiente de difusioacuten y la frecuencia de colisioacuten de las gotas por lo que se
incrementa la estabilidad de la emulsioacuten Una alta concentracioacuten de las gotas tambieacuten
incrementa la viscosidad aparente de la fase continua y estabiliza la emulsioacuten Este
efecto puede ser minimizado calentando la emulsioacuten
Tamantildeo de la gota Gotas muy pequentildeas menores de 10 microm generalmente producen
emulsiones maacutes estables Una amplia distribucioacuten de tamantildeos de partiacuteculas resulta en
general en una emulsioacuten menos estable
43
Relacioacuten de volumen de fases Incrementando el volumen de la fase dispersa se
incrementa el nuacutemero de gotas yo tamantildeo de gotas y el aacuterea interfacial La distancia
de separacioacuten se reduce y esto aumenta la probabilidad de colisioacuten de las gotas Todos
estos factores reducen la estabilidad de la emulsioacuten
Temperatura Usualmente la temperatura tiene un efecto muy fuerte en la estabilidad
de la emulsioacuten Incrementando la temperatura se reduce la adsorcioacuten de surfactantes
naturales y disminuye la viscosidad de la fase externa la rigidez de la peliacutecula
interfacial y la tensioacuten superficial Todos estos cambios reducen la estabilidad de la
emulsioacuten
pH La adicioacuten de aacutecidos o bases inorgaacutenicos cambia radicalmente la formacioacuten de
peliacuteculas de asfaltenos y resinas que estabilizan las emulsiones agua-aceite
Envejecimiento de la interfase A medida que la interfase envejece la adsorcioacuten de
los surfactantes se completa y debido a las interacciones laterales entre las moleacuteculas
aumenta la rigidez de la peliacutecula hasta un valor estable en unas 3 o 4 horas Esta
peliacutecula o piel alrededor de la gota llega a ser maacutes gruesa maacutes fuerte y maacutes dura
Ademaacutes la cantidad de agentes emulsionantes se incrementa por oxidacioacuten fotoacutelisis
evaporacioacuten o por la accioacuten de bacterias
Salinidad de la salmuera La salinidad de la salmuera es un factor importante en la
formacioacuten de emulsiones estables Agua fresca o salmuera con baja concentracioacuten de
sal favorecen la estabilidad de las emulsiones Por el contrario altas concentraciones
de sal tienden a reducirla
Tipo de aceite Los crudos de base parafiacutenica usualmente no forman emulsiones
estables mientras que los crudos nafteacutenicos y de base mixta forman emulsiones
estables Ceras resinas asfaltenos y otros soacutelidos pueden influenciar la estabilidad
de la emulsioacuten En otras palabras el tipo de crudo determina la cantidad y tipo de
emulsionantes naturales
Diferencia de densidad La fuerza neta de gravedad que actuacutea en una gota es
directamente proporcional a la diferencia en densidades entre la gota y la fase
continua Aumentando la diferencia de densidad por incremento de la temperatura se
logra aumentar la velocidad de sedimentacioacuten de las gotas y por ende se acelera la
coalescencia
44
Capiacutetulo II
Metodologiacutea
45
La metodologiacutea usada en este proyecto se ilustra en la figura 21 la cual abarca desde la
preparacioacuten de las rocas carbonatadas hasta las pruebas de dispersioacuten de luz dinaacutemica y
potencial zeta con las cuales se concluyoacute este trabajo
Figura 21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyecto
Preparacioacuten de rocas carbonatadas (Pulido)
Caracterizacioacuten de las rocas carbonatadas por Espectroscopiacutea FTIR UV-vis SEMEDX
Preparacioacuten de emulsioacuten WO (7030) aplicando 500 y 800 mg L-1
de S(I) y S(II)
Imbibicioacuten espontaacutenea de roca de yacimiento
Pruebas tensiometricas de crudo emulsionado sobre roca
(Metodo de gota seacutesil)
Extraccioacuten de asfaltenos
Impregnacioacuten y caracterizacioacuten de asfaltenos sobre roca carbonatada
DLS de roca impreganada de asfaltenos
Potencial Zeta de roca impregnada de asfaltenos
46
21 Reactivos utilizados en el proyecto
En la tabla 21 se enlistan los reactivos utilizados en el desarrollo del proyecto
Tabla 21 Reactivos empleados en el proyecto
Reactivo Pureza Marca CAS
Acetona 999 Sigma-Aldrich 67-64-1
Heptano 95 Sigma-Aldrich 142-82-5
Tolueno 999 Sigma-Aldrich 108-99-3
Ciclohexano 99 Sigma-Aldrich 110-82-7
Nitrato de sodio 99 Sigma-Aldrich 7631-99-4
Cloruro de Sodio 99 Sigma-Aldrich 7647-14-5
Carbonato de calcio 99 Sigma-Aldrich 471-34-1
Sulfato de Magnesio 995 Sigma-Aldrich 7487-88-9
Agua desionizada 995 Sigma-Aldrich 7732-18-5
En la tabla 22 se muestran la nomenclatura de los surfactantes empleados en la
experimentacioacuten los cuales son de naturaleza catioacutenica debido a la propiedad de absorberse
sobre sustratos cargados negativamente
Tabla 22 Surfactantes utilizados en la experimentacioacuten
22 Sistemas de estudio
Clave Nombre surfactante Estructura
S1
P-toluensulfonato de 1-
metil-3-hexilimidazolio
[1M3HIMPTSO3]
S2
Cloruro de 1-metil-3-etil-
p-toluensulfonilimidazolio
[1M3EPTSO3IMCl]
CH3
N
N+
CH3
CH3
S
O
O
O-
CH3S
O
O
O
CH3
N
N+
Cl-
47
221 Agua congeacutenita
Se obtuvo una muestra de agua congeacutenita del petroacuteleo Aguacate 72 la cual fue proporcionada
por el Instituto Mexicano del Petroacuteleo Dicha muestra fue caracterizada por Espectroscopiacutea
de infrarrojo de Fourier con la finalidad de conocer los grupos funcionales presentes en la
misma
221 Salmuera
Se preparoacute a partir de una mezcla de 3 sales caracteriacutesticas de cualquier salmuera natural en
la siguiente proporcioacuten 30 de carbonato de calcio (CaCO3) 50 de cloruro de sodio
(NaCl) y 20 de sulfato de magnesio (MgSO4) Tomando como referencia 100 mL se pesoacute
1 gramo de mezcla de sales y se diluyoacute en agua desionizada posteriormente se realizaron
diluciones hasta obtener una concentracioacuten de 100 mg L-1
222 Extraccioacuten de asfaltenos
Se pesaron 10 g de crudo y se disolvieron en 40 mL de heptano posteriormente se aplicoacute
agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas Tras este periodo se dejoacute en reposo el sistema durante
24 horas Finalmente la solucioacuten se filtroacute aplicando vaciacuteo y exceso de heptano para arrastrar
los restos de compuestos no asfalteacutenicos contenidos en el producto
223 Impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada
Se preparoacute una muestra con la siguiente proporcioacuten 15 g de asfaltenos (30) y 35 g de
roca carbonatada (70) los cuales fueron agregados a 50 mL de Ciclohexano contenidos en
un matraz como se muestra en la figura 22 Se realizoacute agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas
posteriormente se realizoacute una filtracioacuten a vaciacuteo El producto obtenido se secoacute en una estufa a
100degC con un tiempo de secado de 24 horas
48
Figura 22 Muestra de roca carbonatada y asfaltenos
23 Disentildeo de experimentos
Se prepararon emulsiones con una proporcioacuten de 7030 (WO donde W corresponde al agua
siendo en nuestro caso de estudio agua congeacutenita oacute salmuera y O corresponde al crudo)
utilizando crudo Aguacate del pozo 72 manejando 10 g totales de muestra los cuales fueron
depositados en recipientes de plaacutestico de 20 mL ademaacutes de ser sometidas a agitacioacuten
continua con una espaacutetula por 20 minutos con el fin de formar la emulsioacuten
El petroacuteleo utilizado en el proyecto tiene las siguientes caracteriacutesticas
Densidad 09696 g cm-3
1440 grados API
2166 Saturados 3057 Aromaacuteticos 2435 Resinas y 2341 Asfaltenos
El disentildeo experimental es presentado en la tabla 23 se trabajoacute con 2 diferentes surfactantes
(S2 y S3) y estos se agregaron a las diferentes emulsiones WO usando concentraciones de
500 mg L-1 y 800 mg L-1 realizaacutendose micrografiacuteas de las emulsiones antes y despueacutes de
agregar el surfactante posteriormente se realizoacute el anaacutelisis tensiomeacutetrico de cada emulsioacuten
finalizando con el estudio dispersivo de los asfaltenos por Dispersioacuten de Luz dinaacutemica (DLS)
y Potencial Zeta
49
Tabla 23 Disentildeo de experimentos
Experimento Q1 O1 SX C(mg L-1)
Roca Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Experimento Q1 O1 SX C(ppm)
Roca Impregnada Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
50
24 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
241 Espectroscopiacutea de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)
Las teacutecnicas espectroscoacutepicas se fundamentan en la interaccioacuten de la materia con la
radiacioacuten Esta interaccioacuten provoca procesos como la absorcioacuten o la difusioacuten (scattering)
Cuando una moleacutecula absorbe o emite un fotoacuten su estado energeacutetico cambia En general
este cambio se manifiesta como una variacioacuten en la energiacutea traslacional de la moleacutecula y
como una modificacioacuten en su estado electroacutenico vibracional o rotacional Como las energiacuteas
asociadas a cada uno de estos cambios son muy diferentes cada uno de estos procesos se
puede tratar de manera independiente Exceptuando los cambios traslacionales los estados
energeacuteticos de las moleacuteculas estaacuten cuantizados consecuentemente los procesos de absorcioacuten
y emisioacuten soacutelo pueden darse a determinadas frecuencias de los fotones Para cada moleacutecula
dada su espectro de adsorcioacutenemisioacuten constituye una huella de la misma Las absorciones
que se producen en la regioacuten espectral del infrarrojo involucran energiacuteas mucho maacutes
pequentildeas comparadas con las energiacuteas de absorcioacuten relacionadas con la estructura electroacutenica
de la moleacutecula (ultravioleta y visible)
Sin embargo no todas las vibraciones yo rotaciones producen una absorcioacuten de radiacioacuten
incidente Soacutelo los modos vibracionales y rotacionales de moleacuteculas con momento bipolar
diferente de cero o bien aquellos modos que induzcan un momento diferente de cero en la
moleacutecula son activos al infrarrojo Para que exista un espectro rotacional activo en el
infrarrojo se requiere que la moleacutecula sea polar mientras que para tener un espectro
vibracional activo en el infrarrojo basta que el movimiento vibracional de los aacutetomos de la
moleacutecula induzca un momento bipolar no nulo [28]
En un interferoacutemetro Michelson el haz de radiacioacuten que viene de la fuente se divide mediante
un espejo semipermeable (beamsplitter) en dos haces parciales que se reflejan en sendos
espejos uno fijo y otro moacutevil vuelven al beamsplitter y se recombinan en interferencia Un
desplazamiento del espejo moacutevil cambia el camino oacuteptico en ese brazo del interferoacutemetro
51
introduciendo una diferencia de fase entre los haces y por tanto un cambio en la amplitud de
la interferencia La intensidad de sentildeal que llega al detector tras atravesar la muestra
representada como funcioacuten de la diferencia en la trayectoria de ambos haces (retardo) es lo
que se llama interferograma Con una radiacioacuten monocromaacutetica se obtiene una sentildeal coseno
que en el caso de caminos oacutepticos ideacutenticos en ambos brazos proporciona una interferencia
constructiva sin diferencia de fase entre los haces y por tanto una intensidad maacutexima El
resultado es un interferograma (intensidad en funcioacuten del tiempo) la cual se convierte viacutea un
algoritmo matemaacutetico (transformada de Fourier) en un diagrama de Intensidad en funcioacuten de
la frecuencia (espectro)
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro FTIR de marca Perkin Elmer Spectrum One donde se
analizoacute la roca carbonatada de yacimiento Para la identificacioacuten de los grupos funcionales
se trabajoacute con un intervalo espectral de 4000 a 380 cm-1 utilizando 12 barridos
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)
El espectro Ultravioleta y Visible de las moleacuteculas estaacute asociado a transiciones electroacutenicas
entre los diferentes niveles energeacuteticos en ciertos grupos o aacutetomos de la moleacutecula En
contraste la absorcioacuten de energiacutea en la regioacuten Infrarroja estimulan la moleacutecula completa y
causa cambios vibracionales y rotacionales en esta lo cual caracteriza la entidad estructural
de dicha moleacutecula Los grupos de aacutetomos que dan origen a la absorcioacuten en el UV cercano o
UV de cuarzo se conocen como grupos cromoacuteforos La mayoriacutea de los grupos insaturados y
heteroatoacutemicos que tienen pares de electrones no compartidos son cromoacuteforos potenciales y
estos grupos son la base de la elucidacioacuten de grupos estructurales en las moleacuteculas activas en
el UV cercano
Cuando dos aacutetomos forman un enlace quiacutemico los orbitales atoacutemicos de cada uno de ellos
se combinan para formar dos orbitales moleculares uno de baja energiacutea que es el orbital
enlazante y otro de energiacutea mayor que es el orbital antienlazante Los enlaces covalentes que
se originan entre los orbitales de dos aacutetomos que se enlazan quiacutemicamente pueden ser de dos
tipos y se conocen como enlaces σ y enlaces π
52
Al efectuarse dicho enlace covalente se forman simultaacuteneamente orbitales antienlazantes σ
en el caso de un orbital molecular enlazante σ y π en el caso de un orbital molecular
enlazante p La absorcioacuten de energiacutea radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones
σ oacute π resulta en la excitacioacuten de eacutestos los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales
antienlazantes La absorcioacuten de radiacioacuten Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas
transiciones
Un espectro ultravioleta-visible es esencialmente un graacutefico de absorbancia de luz frente a
una longitud de onda en el rango del ultravioleta o la luz visible para una determinada
sustancia puede hacerse un graacutefico estaacutendar del coeficiente de extincioacuten (ε) frente a la
longitud de onda (λ) Las longitudes de onda de los picos de absorcioacuten pueden
correlacionarse con los tipos de enlace en una determinada moleacutecula y son valiosos para
determinar los grupos funcionales dentro de la moleacutecula La absorcioacuten UV-Vis no es sin
embargo una prueba especiacutefica para ninguacuten compuesto determinado La naturaleza del
disolvente el pH de la solucioacuten la temperatura la concentracioacuten de electrolitos y la
presencia de sustancias interferentes pueden influir en los espectros de absorcioacuten de los
compuestos asiacute como las variaciones de ancho de banda [29]
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro UV-vis de marca Cintral 303 GBC en donde se analizaron
los compuestos sintetizados Para la identificacioacuten de los grupos funcionales se trabajoacute con
una celda de 10 mm de espesor en un intervalo espectral de 800 a 200 nm Se preparoacute una
solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano a una concentracioacuten de 100 mg L-1 asiacute como
soluciones de roca impregnada de crudo en ciclohexano a diferentes concentraciones (100
50 30 20 10 5 3 y 1 mg L-1)
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
El Microscopio electroacutenico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscopy) es una
teacutecnica que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen
ampliada de la superficie de un objeto Es un instrumento que permite la observacioacuten y
caracterizacioacuten superficial de soacutelidos inorgaacutenicos y orgaacutenicos Tiene una gran profundidad
53
de campo la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra Eacutesta teacutecnica
brinda informacioacuten topograacutefica sobre la superficie de material analizado y el anaacutelisis EDX
proporciona informacioacuten sobre su composicioacuten quiacutemica [30]
Esta teacutecnica esencialmente consiste en hacer incidir en la muestra un haz de electrones Este
bombardeo de electrones provoca la aparicioacuten de diferentes sentildeales que captadas con
detectores adecuados nos proporcionan informacioacuten acerca de la naturaleza de la muestra
La sentildeal de electrones secundarios proporciona una imagen de la morfologiacutea superficial de
la muestra La sentildeal de los electrones retrodispersados muestra una imagen cualitativa de
zonas con distinto nuacutemero atoacutemico medio y la sentildeal de rayos X presenta los espectros e
imaacutegenes acerca de la composicioacuten de elementos quiacutemicos en la muestra
25 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten espontaacutenea de la fase mojante sobre la superficie de una roca consiste en la
absorcioacuten de la misma en su superficie tan pronto como existe contacto entre dicha fase y el
soacutelido sin requerirse de la accioacuten de un trabajo externo para realizarse lo cual tambieacuten se
conoce como la succioacuten capilar de esta fase en el medio poroso es decir es un proceso que
consiste en el ingreso de la fase mojante en los poros de la roca por efecto de las fuerzas
capilares [10]
En este proceso se utiliza una Celda de Amott el cual es un contenedor ciliacutendrico conceacutentrico
de vidrio en cuya parte central se colocan el material que seraacute saturado por la fase mojante
y en la capucha externa se introduce liacutequido refrigerante para mantener la temperatura
constante dentro de la celda
Para la experimentacioacuten se utilizaron 3 rocas carbonatadas que fueron introducidas en una
celda de Amott de 500 mL Posteriormente se llenoacute la parte interna de la celda con petroacuteleo
crudo y la capucha externa con refrigerante La celda se colocoacute en un bantildeo de aceite a 65degC
durante 7 diacuteas En la figura 23 se observa el montaje del equipo para el proceso de
imbibicioacuten
54
Figura 23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacuten
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
Este meacutetodo experimental es usado para determinar el aacutengulo de contacto existente en un
sistema bifaacutesico Consiste en la colocacioacuten de una gota sobre una superficie soacutelida
posteriormente el equipo realiza el caacutelculo de paraacutemetros propios de la gota como radio y
diaacutemetro los cuales son fundamentales sustituidos en las ecuaciones de tensioacuten superficial
[10]
Para la experimentacioacuten se emplearon 8 rocas carbonatadas de yacimiento las cuales fueron
previamente pulidas para generar una superficie lisa obseacutervese la figura 24 Posteriormente
se colocoacute la emulsioacuten preparada en la jeringa para estudio tensiomeacutetrico por accioacuten
gravitacional el fluido descendioacute provocando la formacioacuten de una gota la cual se fija en la
roca La caacutemara del tensioacutemetro detecta el aacutengulo y la forma de la gota asiacute como su
deformacioacuten con el paso del tiempo
55
Figura 24 Roca carbonatada previamente pulida
Asiacute mismo se realizoacute la medicioacuten del aacutengulo de contacto para las rocas imbibidas en crudo
(figura 25) soacutelo difiriendo en la fase mojante la cual se trataba en un primer experimento
de la salmuera o del agua congeacutenita y posteriormente se adicionaron los dos surfactantes a
500 y 800 mg L-1
Figura 25 Roca carbonatada imbibida de petroacuteleo
Se utilizoacute un tensioacutemetro de la marca Attension modelo Theta Lite 101 (figura 26) en donde
se analizaron los sistemas de estudio mencionados anteriormente empleando el meacutetodo de
gota seacutesil
Figura 26 Tensioacutemetro Attension Theta Lite 101
56
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemica
La dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS) a la que a veces se hace referencia como dispersioacuten de
luz cuasi elaacutestica (QELS) es una teacutecnica no invasiva y bien establecida para medir el tamantildeo
y distribucioacuten de tamantildeo de moleacuteculas partiacuteculas y agregados tiacutepicamente en la regioacuten
submicromeacutetrica y con la uacuteltima tecnologiacutea inferiores a 1 μm
Las aplicaciones tiacutepicas de la dispersioacuten de luz dinaacutemica son la caracterizacioacuten de partiacuteculas
emulsiones o moleacuteculas que se han dispersado o disuelto en un liacutequido El movimiento
Browniano de las partiacuteculas o moleacuteculas en suspensioacuten hace que la luz laacuteser se disperse en
diferentes intensidades [31] Con el anaacutelisis de estas fluctuaciones en la intensidad se obtiene
la velocidad del movimiento Browniano y por lo tanto del tamantildeo de partiacutecula mediante la
relacioacuten de Stokes-Einstein (figura 27)
Figura 27 Diagrama de funcionamiento de Dispersioacuten de luz dinaacutemica
A diferencia de la dispersioacuten de luz estaacutetica para determinar el tamantildeo de las partiacuteculas y
agregados la dispersioacuten de luz dinaacutemica no tiene en cuenta la dependencia del aacutengulo sino
la variacioacuten de la intensidad de dispersioacuten en el tiempo debido a la aglomeracioacuten de las
partiacuteculas con respecto al tiempo teniendo un efecto de sedimentacioacuten que provoca un
caacutelculo erroacuteneo de la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
Esta teacutecnica fisicoquiacutemica se utiliza para determinar el perfil de distribucioacuten de tamantildeos de
partiacuteculas pequentildeas en suspensioacuten mediante una fuente monocromaacutetica que pasa a traveacutes de
un polarizador y la muestra La luz dispersada pasa posteriormente a traveacutes de un segundo
57
polarizador donde es recogido por un fotomultiplicador y se obtiene una intensidad de
dispersioacuten determinada [32]
Para la experimentacioacuten se preparoacute la solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano con una
concentracioacuten de 100 mg L-1 se llevoacute a sonicacioacuten durante 15 minutos posteriormente se
colocaron 3 mL de la muestra en la celda y se realizoacute su anaacutelisis Asiacute mismo se estudiaron
las soluciones de roca impregnada en ciclohexano y la aplicacioacuten de los surfactantes sobre
las mismas a 500 y 800 mg L-1
Se utilizoacute un equipo de la marca Malvern modelo Zetasizer en donde se analizaron los
sistemas de estudio mencionados anteriormente
28 Potencial Zeta
El potencial zeta es una propiedad que mide el potencial electrocineacutetico en sistemas
coloidales en la quiacutemica coloidal se denota por lo general con la letra griega zeta Desde un
punto de vista fiacutesico el potencial zeta es el potencial eleacutectrico en la doble capa interfacial es
decir que es el punto donde se unen la capa difusa y la de Stern Tambieacuten el potencial zeta es
la diferencia de potencial entre el medio de dispersioacuten y la capa estacionaria unido a la
partiacutecula dispersada []
Las partiacuteculas coloidales dispersas en una solucioacuten estaacuten cargadas eleacutectricamente gracias a
sus caracteriacutesticas ioacutenicas y de bipolaridad El desarrollo de una red de carga eleacutectrica en la
superficie de la partiacutecula puede afectar la distribucioacuten de iones en una regioacuten interfacial
vecina y provocar un aumento de la concentracioacuten de iones contados (iones de carga
contraria a las partiacuteculas) cerca de la superficie tal como se muestra en la figura 27
58
Figura 27 Interacciones entre las partiacuteculas tras la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica [33]
Cada partiacutecula dispersa en una solucioacuten se rodea de iones cargados con carga opuesta que se
denomina capa fija Fuera de esta capa fija existen distintas composiciones de iones de
polaridad opuesta formando un aacuterea nebulosa De esta manera se crea una capa doble
eleacutectrica en la regioacuten de interfase partiacutecula- liacutequido
La medida del Potencial Z permite caracterizar y predecir el comportamiento de soacutelidos
macroscoacutepicos y de partiacuteculas en suspensiones liacutequidas en multitud de aplicaciones teacutecnicas
En suspensiones liacutequidas el Potencial Z es una medida de la atraccioacutenrepulsioacuten entre
partiacuteculas cargadas electrostaacuteticamente permitiendo estudiar la estabilidad de dispersiones
emulsiones suspensiones proteiacutenas poliacutemeros etc
En soacutelidos macroscoacutepicos es una propiedad importante de interfaces soacutelidoliacutequido cargadas
eleacutectricamente siendo un indicador de la carga superficial de un soacutelido en contacto con un
electrolito Esto permite estudiar las caracteriacutesticas y funcionalizacioacuten de superficies
Este anaacutelisis se realizoacute con un equipo de marca Malvern modelo ZetaSizer Se estudiaron
los sistemas Roca carbonatada roca impregnada de crudo asiacute como la aplicacioacuten de los
surfactantes a 500 y 800 mg L-1 utilizando como electrolito indiferente nitrato de sodio
01mM el cual permite la desestabilizacioacuten del coloide con la finalidad de que la corriente
eleacutectrica pase por todas las partiacuteculas y se obtenga una medicioacuten correcta del anaacutelisis Asiacute
mismo se varioacute el pH del sistema de 1 a 7 utilizando HCl 01 M y NaOH 01 M para
observar el efecto dispersivo de las partiacuteculas de roca
59
Capiacutetulo III
Resultados
31 Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenos
60
Se realizaron 3 extracciones de asfaltenos utilizando 10 mL de petroacuteleo en cada una se
obtuvieron entre 14182 g y 16875 g de asfaltenos lo cual representa un porcentaje de
recuperacioacuten en 1418 y 1675 El producto obtenido teniacutea una tonalidad oscura lo anterior
se observa en la figura 31
Figura 31 Asfaltenos obtenidos tras extraccioacuten
Asiacute mismo se realizoacute el procesos de impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada por
triplicado de los cuales se obtuvieron entre 169 g y 189 g de roca impregnada que
representa una recuperacioacuten entre 338 y 378 El producto teniacutea una tonalidad cafeacute oscura
lo anterior se observa en la figura 32
Figura 32 Roca impregnada de asfaltenos
32 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con transformada de Fourier
61
La elucidacioacuten de los espectros de FTIR se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura [35] indica que el carbonato de
calcio presenta sentildeales caracteriacutesticas de sus grupos funcionales tales como CO3 Ca-C y C-
O y Ca-CO3
321 Espectro FTIR de roca carbonatada
El espectro FTIR de la roca carbonatada se muestra en la figura 33 en el que se observa el
estiramiento del enlace Ca-C en 2513 cm-1 sentildeal caracteriacutestica del compuesto CaCO3 el
estiramiento de C-O en 1480 cm-1 y las vibraciones particulares del grupo CO3 en 714 y 877
cm-1 Estas sentildeales dan certeza de que el compuesto analizado es una roca de carbonato de
calcio
Figura 33 Espectro FTIR de roca carbonatada
62
322 Espectro de roca impregnada de asfaltenos
El espectro FTIR de la roca impregnada se muestra en la figura 34 en el que se observa el
estiramiento del enlace O-H en 3300 cm-1 las vibraciones simeacutetricas y asimeacutetricas de C-H
en 2988 y 2875 cm-1 la absorcioacuten energeacutetica del enlace C-H en 1625 cm-1 las flexiones de
los compuestos aromaacuteticos entre 1100 y 1500 cm-1 asiacute como la deformacioacuten noplanar del
anillo benceacutenico entre 700 y 900 cm-1 Estas sentildeales confirman la impregnacioacuten de asfaltenos
teniendo como principal diferencia frente a la roca carbonatada las flexiones y vibraciones
de los enlaces C-H y de los anillos aromaacuteticos presentes en la estructura asfalteacutenica teoacuterica
Figura 34 Espectro FTIR de roca impregnada de asfaltenos
63
33 Espectroscopia ultravioleta visible (UV-vis)
La elucidacioacuten de los espectros de UV-vis se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura indica la presencia de grupos
benceacutenicos y nafteacutenico en las estructuras quiacutemicas de los asfaltenos los cuales son
caracteriacutesticos de los mismos [29]
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada y roca impregnada
El espectro UV-vis de la roca carbonatada no presenta ninguna banda significativa esto se
debe principalmente a la ausencia de dobles y triples enlaces los cuales son sumamente
caracteriacutesticos en longitudes de 200 a 600 nm El espectro UV-vis de la roca impregnada
(figura 35) muestra 4 sentildeales las dos primeras retribuidas a los grupos benceacutenicos a 226 y
250 nm la tercera y cuarta a los grupos nafteacutenicos a 263 y 270 nm estructuras quiacutemicas
presentes en los asfaltenos
Se realizaron 6 experimentos iniciando con la roca carbonatada posteriormente la
evaluacioacuten de la roca impregnada de asfaltenos (RASF) variando la concentracioacuten de roca
(10 5 3 1 05 mg L-1)
Los espectros muestran desdoblamiento en las bandas debido al cambio electroacutenico en los
enlaces sigma y pi presentes en los ciclos aromaacuteticos Se observa el efecto de la concentracioacuten
de roca impregnada a 05 y 1 mg L-1 se tienen bandas maacutes definidas y caracteriacutesticas de los
asfaltenos a concentraciones mayores a lo anterior se enmascaran estas sentildeales debido a la
saturacioacuten de las partiacuteculas de roca impregnada en las muestra Lo anterior hace imposible
para el equipo la identificacioacuten precisa de los grupos funcionales caracteriacutesticos de la misma
64
Figura 35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnada
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
Esta teacutecnica se realizoacute con la finalidad de observar el tamantildeo y la forma de las partiacuteculas de
roca carbonatada asiacute como la composicioacuten elemental de la misma Se observa un
comportamiento de agregacioacuten entre las partiacuteculas por lo que se puede deducir un tamantildeo
entre 100 y 400 nm Con el anaacutelisis elemental del EDX se comproboacute la naturaleza de la roca
la cual estaacute formada de carbonato de calcio La literatura [36] indica las sentildeales caracteriacutesticas
de este compuesto el carbono con una sentildeal en 028 keV el oxiacutegeno en 053 keV y el calcio
con dos picos en 369 y 401 keV y de partiacuteculas nanomeacutetricas de forma esfeacutericas lo anterior
esto se puede observar en la figura 36
65
36 Anaacutelisis SEMEDS de roca carbonatada
35 Imbibicioacuten espontaacutenea
Se obtuvieron las rocas imbibidas tras un proceso de 7 diacuteas [37] y se pesaron para conocer la
cantidad de crudo absorbido dentro de su estructura porosa Asiacute mismo se fracturaron las
rocas para comprobar la presencia del hidrocarburo dentro de la roca lo cual se observa en
la figura 37 En la tabla 31 se muestra la masa inicial y final de la roca asiacute como el
porcentaje de masa absorbida de crudo teniendo porcentajes entre 4 y 5
66
Figura 37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudo
Tabla 31 Resultados de rocas imbibidas
Muestra Masa Inicial (g) Masa Final (g)
1 103315 108098 46295
2 92475 96736 46077
36 Anaacutelisis del aacutengulo de contacto del crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
La medicioacuten del aacutengulo de contacto de diferentes sistemas de estudio aporta informacioacuten
sobre la interaccioacuten entre las interfaces soacutelidas y liquidas el comportamiento de un fluido
sobre una superficie asiacute como la variacioacuten de la misma con la aplicacioacuten de un agente en
este caso un surfactante
361 Roca no imbibida
Se colocaron los disolventes empleados en la experimentacioacuten variado uacutenicamente los
surfactantes y la concentracioacuten de los mismos En la figura 38 se muestra el aacutengulo de
contacto de la salmuera sobre la roca se observa que con la aplicacioacuten de los surfactantes
este aacutengulo disminuye deduciendo un aumento en la afinidad entre la roca y el disolvente
[38] Lo anterior se debe principalmente al aumento de la concentracioacuten de iones provocando
un efecto de pantalla que reduce las repulsiones electrostaacuteticas entre las moleacuteculas anfifiacutelicas
67
facilitando la formacioacuten de micelas en el sistema y asiacute aumentando la mojabilidad de la
salmuera obseacutervese en tabla 32
Figura 38 Angulo de contacto de la salmuera
Tabla 32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio
El efecto de las sales presentes en el agua congeacutenita en la formacioacuten micelar (figura 39)
propicia un incremento en la mojabilidad con la aplicacioacuten del surfactante lo cual se muestra
en la tabla 33
Figura 39 Angulo de contacto del agua congeacutenita
Tabla 33 Aacutengulos de contacto del agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio
68
Del mismo modo se colocaron sobre la superficie de la roca los diferentes sistemas de estudio
(emulsiones) los cuales variaban en el tipo de surfactante la concentracioacuten y el tipo de
disolvente empleado El aacutengulo de contacto del petroacuteleo se muestra en la figura 310
Figura 310 Angulo de contacto del petroacuteleo
Con una concentracioacuten de 500 mg L-1 de surfactante (tabla 34) se observa una disminucioacuten
del aacutengulo de contacto de la emulsioacuten lo anterior se atribuye al efecto de las cabezas
catioacutenicas sobre los agregados asfalteacutenicos los cuales son dispersados provocando una
mayor interaccioacuten con la roca y aumentando la mojabilidad sobre la misma
Tabla 34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 mg L-1
69
Con una concentracioacuten de 800 mg L-1 de surfactante (tabla 35) se observa un efecto similar
al sistema de estudio anterior un decremento del aacutengulo de contacto atribuido al efecto
pantalla de las sales de los disolvente en la concentracioacuten micelar dispersando los agregados
asfalteacutenicos y de esta forma aumentando la mojabilidad del sistema sobre la roca
carbonatada
Tabla 35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 mg L-1
362 Roca imbibida por petroacuteleo
70
Se colocaron los sistemas de estudio (salmuera y agua congeacutenita) sobre la roca impregnada
de crudo se observoacute una disminucioacuten en el aacutengulo de contacto menor que el estudio sobre
la roca carbonatada Lo anterior se debe a la alta hidrofobicidad de la superficie de la roca
la cual estaba impregnada en su totalidad de hidrocarburo y que aun con la aplicacioacuten de los
surfactantes se repelioacute el efecto de las cabezas catioacutenicas teniendo como consecuencia el
decremento del aacutengulo de contacto Las tablas 36 y 37 muestran los aacutengulos de contacto
tras la aplicacioacuten del surfactante
Tabla 36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 mg L-1
Tabla 37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 800 mg L-1
71
En la Tabla 38 se presentan los resultados del caacutelculo de tensioacuten interfacial y mojabilidad
los cuales son paraacutemetros que describen el comportamiento de las fuerzas intermoleculares
en la interfase soacutelido-liacutequido
Tabla 38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio
Fase soacutelida
Fase liacutequida
Surfactante (Sx)
Concentracioacuten (mg L-1)
Aacutengulo de
contacto ϴ
(deg)
Tensioacuten interfacial γ (dina cm-1)
Mojabilidad W
Roca carb Salmuera 8149 576 661
Roca carb Salmuera S1 500 5539 518 812
Roca carb Salmuera S1 800 5173 537 869
Roca carb Salmuera S2 500 4549 441 827
Roca carb Salmuera S2 800 4242 557 856
Roca Imb Salmuera S1 500 6956 421 566
Roca Imb Salmuera S1 800 6957 451 606
Roca Imb Salmuera S2 500 6681 472 657
Roca Imb Salmuera S2 800 7408 549 699
Roca carb Agua Cong 7391 528 674
Roca carb Agua Cong S1 500 4785 431 72
Roca carb Agua Cong S1 800 4069 446 784
Roca carb Agua Cong S2 500 4809 439 732
Roca carb Agua Cong S2 800 3327 42 771
Roca Imb Agua Cong S1 500 7456 525 664
Roca Imb Agua Cong S1 800 6575 494 696
Roca Imb Agua Cong S2 500 765 472 581
Roca Imb Agua Cong S2 800 6788 483 664
Roca carb Petroacuteleo 11177 838 536
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 500 8313 582 651
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 800 936 605 567
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 500 9088 652 641
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 800 8645 629 667
Roca carb Emulsioacuten AC S1 500 10289 815 641
Roca carb Emulsioacuten AC S1 800 9562 698 629
Roca carb Emulsioacuten AC S2 500 9846 782 666
Roca carb Emulsioacuten AC S2 800 9056 675 668
En los diferentes anaacutelisis sobre roca carbonatada con la aplicacioacuten de surfactantes en
salmuera o agua congeacutenita se observa una disminucioacuten del aacutengulo de contacto lo que implica
una menor tensioacuten en la interfase soacutelido-liacutequido obteniendo mayor mojabilidad en cada uno
de los sistemas Lo anterior se basa principalmente en el efecto dispersivo de los surfactantes
72
sobre las agregaciones asfalteacutenicas siendo las cabezas catioacutenicas las responsables de evitar
la apilacioacuten de los asfaltenos y disgregaacutendolas por todo el sistema
Asiacute mismo se observa el efecto de la concentracioacuten de los surfactantes en los diferentes
sistemas de estudio obteniendo menor tensioacuten interfacial a una concentracioacuten de 500 mgL-1
debido a la saturacioacuten ideal del aditivo en la muestra
37 Dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS)
Con el anaacutelisis DLS se estudioacute la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
y la roca impregnada asiacute como el efecto de los surfactantes en el sistema de estudio En la
figura 311 se muestra la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
(unimodal 1496 nm) a su vez en la figura 312 se observa la distribucioacuten de la roca
impregnada (unimodal 4063 nm) Posteriormente con la aplicacioacuten de los surfactantes se
comproboacute la disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula con S1 (unimodal 219 nm) y S2 (
unimodal 282 nm) Lo anterior se atribuye al efecto de los surfactantes sobre la superficie
impregnada que al entrar en contacto con los agregados asfalteacutenicos se generoacute la dispersioacuten
de los mismos disminuyendo de esta forma el tamantildeo de la partiacutecula [32] Ambos surfactantes
facilitan la dispersioacuten de los asfaltenos que recubren la superficie de la partiacutecula provocando
la reduccioacuten en el tamantildeo de la misma obseacutervese figs 313 y 314
Figura 311 Anaacutelisis DLS de roca carbonatada
73
Figura 312 Anaacutelisis DLS de roca impregnada
Figura 313 Anaacutelisis DLS de roca impregnada aplicando S3
Figura 314 DLS de roca impregnada aplicando S4
74
La disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de las rocas impregnadas se asocia al efecto
dispersivo de los surfactantes mencionado en las pruebas tensiomeacutetricas donde las parte
catioacutenica del compuesto inhibe la aglomeracioacuten de las moleacuteculas asfalteacutenicas provocando
no solo el cambio de la mojabilidad del sistema de estudio si no tambieacuten la disgregacioacuten de
los asfaltenos encontrados en la superficie de la roca carbonatada por tanto un decrecimiento
en la distribucioacuten de tamantildeo partiacutecula en la roca impregnada
38 Potencial Zeta
Con el anaacutelisis de potencial zeta se observoacute las fuerzas de atraccioacuten yo repulsioacuten de cada
sistema de estudio La literatura indica que en todo sistema en suspensioacuten coloidal existe un
equilibrio entre las fuerzas de repulsioacuten y las fuerzas de atraccioacuten molecular (Van del Waals)
resultando la aglomeracioacuten o dispersioacuten del sistema Si el sistema tiene carga positiva el
sistema es atractivo por lo que existen las fuerzas de atraccioacuten entre las partiacuteculas son
mayores que las fuerzas de repulsioacuten Si el sistema es negativo el sistema es repulsivo y se
tiene un efecto contrario al anterior Mientras maacutes alejado del cero se encuentre la muestra
mayor estabilidad le seraacute conferida debido a la relacioacuten entre las fuerzas intermoleculares
eso significa que se provocaraacute menor agregacioacuten facilitando la dispersioacuten del soluto [33] En
la figura 315 se muestra el efecto del pH en la dispersioacuten de los asfaltenos con la aplicacioacuten
de los surfactantes la tendencia se vuelve maacutes negativa por lo tanto existe mayor estabilidad
en el coloide disminuyendo la agregacioacuten de los asfaltenos
Este efecto se observoacute en las pruebas de DLS en donde los surfactantes dispersaron las
moleacuteculas de asfaltenos disminuyendo de esta forma la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
lo anterior se asocia a la disgregacioacuten de los asfaltenos observado en potencial Zeta
obteniendo una fase dispersa en el sistema
75
Figura 315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando el pH
76
Conclusiones
Se comproboacute el efecto dispersivo de los surfactantes sulfatados sobre los agregados
asfalteacutenicos causado principalmente por las cargas electroacutenicas presentes en estos
compuestos que al entrar en contacto con los asfaltenos provocaron la disgregacioacuten de
los mismos Dicho efecto fue visible en la mayoriacutea de las teacutecnicas empleadas generando
cambios en las interacciones moleculares de los sistemas de estudio y en las fuerzas de
la interfase soacutelido-liacutequido
Las teacutecnicas de caracterizacioacuten FTIR UV-vis corroboraron la presencia de grupos
funcionales caracteriacutesticos de la roca carbonatada asiacute como de la roca impregnada de
asfaltenos La teacutecnica de SEMEDX corroboroacute la existencia de los elementos que
componen a la roca y brindoacute informacioacuten importante sobre el tamantildeo y la forma de los
las partiacuteculas de roca
Las pruebas de aacutengulo de contacto por el meacutetodo de gota seacutesil comprobaron el efecto
superficial de los surfactantes en los diferentes sistemas de estudio cambiando la
tensioacuten interfacial de cada uno y afectando una caracteriacutestica innata de la roca su
mojabilidad Los aacutengulos de contacto tras la aplicacioacuten de los surfactantes sufrieron una
disminucioacuten por la facilidad de los aditivos antes mencionados para dispersar las capas
de agregacioacuten de los asfaltenos provocando una mejor interaccioacuten con la fase soacutelida
Mediante el anaacutelisis de Dispersioacuten de luz Dinaacutemica (DLS) se consiguioacute fundamentar el
efecto dispersivo de los surfactantes observado en las pruebas tensiomeacutetricas siendo de
gran importancia los resultados obtenidos de distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula en
donde con la aplicacioacuten de los surfactantes se consiguioacute disminuir este paraacutemetro por
la la difusioacuten de los agregados asfalteacutenicos contenidos en la superficie de la roca siendo
afectados principalmente por las cargas electroacutenicas cabezas catioacutenicas
La teacutecnica de potencial Zeta corroboroacute lo anterior debido a la facilidad de las muestras
con surfactantes para alcanzar la estabilidad coloidal por lo que se demuestra un efecto
77
contrario a la agregacioacuten un efecto dispersivo de los asfaltenos provocado por las
cargas presentes en las cadenas de los aditivos
78
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34 Espectro FTIR de roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
36 Anaacutelisis SEMEDX de roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 65
37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 66
38 Aacutengulo de contacto de la salmuerahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
39 Angulo de contacto de agua congeacutenitahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
310 Aacutengulo de contacto del petroacuteleohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 68
311 Anaacutelisis DLS de la roca carbonatadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
312 Anaacutelisis DLS de la roca impregnadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
313 Anaacutelisis DLS de la roca impregnada aplicando surfactante S1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 73
314 Anaacutelisis DLS de la roca impregnada aplicando surfactante S2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 73
315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando pHhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
Iacutendice de Tablas
Tabla Paacuteg
11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo 5
12 Clasificacioacuten de petroacuteleo crudo 6
13 Clasificacioacuten de los surfactantes 33
21 Reactivos empleados en el proyecto 46
22 Surfactantes utilizados en experimentacioacuten 46
23 Disentildeo de experimentos 49
31 Resultados de rocas imbibidas 66
32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio 67
33 Aacutengulos de contacto de agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio 68
34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 ppm 69
35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 ppm 69
36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 ppm 70
37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 ppm 70
38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio 71
viii
Resumen
Este proyecto de investigacioacuten se enfocoacute en el estudio de mojabilidad del crudo pesado sobre
roca carbonatada de yacimiento aplicando surfactantes con base sulfato los cuales provocan
un efecto dispersivo en las fracciones maacutes pesadas del petroacuteleo conocidos como
ldquoasfaltenosrdquo responsables de las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del petroacuteleo tales como
viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API
La primera etapa del proyecto consistioacute en caracterizar la roca carbonatada de yacimiento
por Espectroscopiacutea de infrarrojo de transformada de Fourier (FTIR) espectroscopia
ultravioleta visible y Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten
por Rayos X (SEMEDX) para la identificacioacuten de los grupos funcionales caracteriacutesticos
morfologiacutea y anaacutelisis elemental de la roca
La segunda etapa consistioacute en preparar emulsiones de agua en aceite adicionando los
surfactantes en diferentes concentraciones las cuales fueron observadas por microscopiacutea
oacuteptica Posteriormente se evaluoacute el aacutengulo de contacto de cada uno de los sistemas de estudio
sobre roca carbonatada para el caacutelculo de la tensioacuten superficial y en efecto de la mojabilidad
Asiacute mismo se realizoacute la imbibicioacuten espontaacutenea de las rocas con crudo usando la celda de
Amott y se midioacute el aacutengulo de contacto de los disolventes frente a las rocas impregnadas Se
observoacute un cambio en la mojabilidad del crudo con la aplicacioacuten de los surfactantes en los
anaacutelisis tensiomeacutetricos
En la tercera etapa se realizoacute el estudio dispersivo de los agregados asfalteacutenicos contenidos
en la roca Mediante el anaacutelisis de dispersioacuten de luz dinaacutemica se observoacute la disminucioacuten de
la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula siendo este efecto atribuido a las cabezas catioacutenicas
de los surfactantes Lo anterior fue comprobado con la teacutecnica de potencial zeta la cual mide
las fuerzas de atraccioacuten o repulsioacuten de las partiacuteculas siendo ambos surfactantes promotores
de estabilidad coloidal e inhibidores de agregacioacuten
ix
Abstract
This research project focuses on the study of the wettability of heavy crude oil on carbonate
reservoir rock by applying sulphate-based surfactants which have a dispersive effect on the
heavier fractions of petroleum known as asphaltenes responsible for the physicochemical
characteristics of oil such as viscosity surface tension and API gravity
The first stage of the project consisted of the carbonate reservoir rock by Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR) visible ultraviolet spectroscopy and Scanning Electron
Microscopy with X-ray Dispersion Spectroscopy (SEM EDX) for the identification of
characteristic functional groups morphology and elemental rock analysis
The second stage consisted of preparing water-in-oil emulsions by adding the surfactants in
different concentrations which were observed by light microscopy Afterwards the contact
angle of each of the study systems on carbonate rock was evaluated for the calculation of
surface tension and the wettability
The spontaneous imbibition of the rocks with crude oil was also carried out using the Amott
cell and the contact angle of the solvents against the impregnated rocks was measured A
change in the wettability of the crude oil was observed with the application of the surfactants
in the tensiometric analyzes
In the third stage was carried out the dispersive study of the asphalt aggregates contained in
the rock By the analysis of the dynamic light scattering observed the decrease in the size
distribution of the piece whereas this effect attributed to the cationic heads of the surfactants
The above was tested with the zeta potential technique which the attraction or repulsion
forces of the particles both are being surfactants colloidal stability promoters and
aggregation inhibitors
x
Introduccioacuten
Actualmente la industria petrolera enfrenta una serie de problemaacuteticas que van desde la
gravedad especiacutefica del hidrocarburo hasta su comportamiento en un sistema aceite-roca El
estudio de las fuerzas intermoleculares del sistema aceite-roca es un trabajo innovador para
la elaboracioacuten de nuevas formas de extraccioacuten yo el uso de sustancias quiacutemicas que faciliten
el transporte del crudo durante el proceso
Los surfactantes son empleados como aditivos para facilitar la extraccioacuten del crudo y su
transporte debido a sus efectos en la viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API Estos
compuestos son de gran intereacutes para la industria petrolera por lo que un estudio detallado de
la forma de actuar de estos aditivos podriacutea describir los fenoacutemenos que ocurren en un sistema
aceite-roca
La literatura [1 23] indica que los surfactantes del tipo sulfato tienen cierta afinidad con las
moleacuteculas maacutes pesadas del crudo los asfaltenos Hablar de asfaltenos implica ldquoproblemasrdquo
los cuales pueden ser observados durante la extraccioacuten y el transporte del petroacuteleo hacia las
refineriacuteas lo anterior se debe que al ser los componentes maacutes pesados del crudo la mayoriacutea
de las propiedades del crudo dependen de ellos por lo que el uso de aditivos que contengan
un grupo sulfato puede promover la dispersioacuten de los mismos generando un cambio en la
viscosidad del crudo en la tensioacuten interfacial del sistema por lo tanto a una variacioacuten de la
mojabilidad
La mojabilidad es una propiedad innata de las rocas que puede ser afectada a partir del cambio
en las interacciones del aceite y su superficie Con la aplicacioacuten de surfactantes sulfatados se
pretende la modificacioacuten de las fuerzas superficiales entre el crudo y la roca lo cual permitiriacutea
una recuperacioacuten mejorada del aceite contenido en los yacimientos facilitando de esta
manera el proceso de extraccioacuten del mismo [4]
En este proyecto se propone el anaacutelisis de las propiedades que afectan los fenoacutemenos de
superficie de los sistemas aceite-roca usando como referencia compuestos como agua
salmuera y posteriormente la adicioacuten de surfactantes sulfatados base imidazol asiacute como el
estudio de la dispersioacuten de dicho sistema
1
Capiacutetulo I
Antecedentes
2
1 Antecedentes
Actualmente con la disminucioacuten de crudos ligeros y la obtencioacuten de aceites pesados durante
la extraccioacuten de yacimientos se buscan meacutetodos alternativos que permitan la recuperacioacuten
mejorada en los pozos petroleros mediante la aplicacioacuten de aditivos quiacutemicos El estudio de
las fuerzas relacionadas entre el aceite y la roca permite describir de una forma real lo que
pasa dentro del sistema petroliacutefero con la aplicacioacuten de dichos compuestos
En 2009 Murillo y col [4] estudiaron el efecto del anioacuten PF6 en los agregados asfalteacutenicos
y encontraron un incremento en el momento dipolar debido al cambio de electronegatividad
provocado por el anioacuten Se establecioacute que el bromuro de 1-butil fue el liacutequido ioacutenico con
mejores propiedades estabilizadoras e inhibidoras de la agregacioacuten de asfaltenos
disminuyendo la aglomeracioacuten de asfaltenos hasta en un 70
En 2010 Ramiacuterez y col [5] investigaron experimentalmente el efecto que tienen los
surfactantes zwitterioacutenicos y catioacutenicos en el control de dantildeo al medio poroso debido a
depoacutesitos de asfaltenos y la descripcioacuten del cambio de mojabilidad en rocas carbonatadas
encontrando mejores condiciones de operacioacuten y concluyendo que el uso de salmuera con
alta concentracioacuten de sales provoca la precipitacioacuten de los surfactantes debido al efecto de
ioacuten comuacuten presente en los electrolitos que encapsula a las moleacuteculas surfactantes
hacieacutendolas maacutes pesadas y precipitaacutendolas por accioacuten de la gravedad
En 2010 Guzmaacuten y col [6] sintetizoacute y evaluoacute diferentes liacutequidos ioacutenicos como agentes
desemulsificantes del sistema de emulsioacuten de crudo mexicano ligero y pesado siendo el
bromuro de 1 metil-3-tetradecilimidazolio el que obtuvo mejores resultados frente a otros
compuestos con diferente tamantildeo de cadena hidrocarbonada Se estudioacute la aplicacioacuten de
calentamiento convencional y dieleacutectrico por microondas en los procesos de
desemulsificacioacuten siendo el segundo meacutetodo el que aceleroacute e incrementoacute la eficiencia de
desemulsificacioacuten
En 2011 Petcavich y col [7] desarrollaron un meacutetodo de extraccioacuten de hidrocarburos a partir
de rocas que contienen aceite En este trabajo se utilizoacute una mezcla de piedra arenisca de
3
aceite y un liacutequido ioacutenico a base de fosfonio el cual se sometioacute a la radiacioacuten de microondas
de 254 GHz y presentaron las condiciones de trabajo para la recuperacioacuten total del
hidrocarburo atrapado en la roca
En 2012 Dharaskar y col [8] investigaron sobre los liacutequidos ioacutenicos y su capacidad de
minimizar los efectos negativos de salud y medio ambientales En la industria de la refinacioacuten
se usa para la hidrodesulfurizacioacuten del crudo Estudiaron el efecto de cationes del tipo sulfato
contenidos en liacutequidos ioacutenicos sobre el petroacuteleo encontrando una disminucioacuten en la
concentracioacuten de grupos sulfurados y asfalteacutenicos
En 2014 Bin-Dahbag y col [9] realizaron un estudio sobre el proceso de inyeccioacuten de
liacutequidos ioacutenicos con base de amonio y fosfonio en la recuperacioacuten mejorada de petroacuteleo con
lo que redujo la tensioacuten interfacial de la fase acuosa del hidrocarburo Se realizaron pruebas
de deteccioacuten de nueve liacutequidos ioacutenicos con base de tetrasulfato de amonio los cuales fueron
diluidos en salmuera a distintas concentraciones y se probaron con un petroacuteleo crudo Saudiacute
Se registraron cambios en la tensioacuten interfacial por cambios de presioacuten y temperatura
indicando una mayor actividad de interaccioacuten superficial en el sistema rocapetroacuteleoliacutequido
ioacutenico
En 2014 Gonzaacutelez y col [10] estudiaron el cambio de la mojabilidad de rocas carbonatadas
en sistemas salmuerapetroacuteleo con la aplicacioacuten de surfactantes empleando el meacutetodo
tensiomeacutetrico de Gota cautiva Se obtuvieron resultados confiables y reproducibles que
concluyen un comportamiento afiacuten entre la salmuera el crudo y la roca
En 2015 Jiao y col [11] estudiaron el comportamiento de los liacutequidos ioacutenicos con base
imidazolio ( IBILs ) desarrollando nuevos agentes de extraccioacuten para separar indol una
sustancia industrial importante derivada del aceite de lavado que ocasiona graves problemas
medioambientales obteniendo eficiencias de extraccioacuten de maacutes de 90
En 2016 Banda y col [12] estudiaron el comportamiento de los asfaltenos presentes en
petroacuteleo crudo pesado usando como disolvente ciclohexano Primeramente se caracterizaron
los asfaltenos extraiacutedos por Espectroscopiacutea de ultravioleta-visible (UV-vis) posteriormente
se utilizoacute la teacutecnica de Dispersioacuten de Luz Dinaacutemica (DLS) para la distribucioacuten de tamantildeo de
partiacutecula de los agregados asfalteacutenicos Asiacute mismo se realizoacute un anaacutelisis de potencial Zeta
4
utilizando como disolvente nitrato de sodio 01 mmol para la comprobacioacuten del efecto
dispersivo de los asfaltenos frente a liacutequidos ioacutenicos sulfatados
11 Petroacuteleo
El petroacuteleo es una mezcla homogeacutenea de compuestos orgaacutenicos de estructura variada
principalmente hidrocarburos insolubles en agua En general es posible agrupar los
constituyentes del petroacuteleo en cuatro grupos orgaacutenicos bien definidos Saturados
Aromaacuteticos Resinas y Asfaltenos este conjunto es conocido como SARA Es un liacutequido
viscoso cuyo color variacutea entre amarillo y pardo obscuro hasta negro con reflejos verdes
Ademaacutes tiene un olor caracteriacutestico y flota en el agua Tambieacuten es conocido como petroacuteleo
crudo o simplemente crudo Se produce en el interior de la Tierra por transformacioacuten de la
materia orgaacutenica acumulada en sedimentos del pasado geoloacutegico y puede acumularse en
trampas geoloacutegicas naturales de donde se extrae mediante la perforacioacuten de pozos [13]
Las moleacuteculas de hidrocarburos que en forma colectiva constituyen el petroacuteleo estaacuten
formadas por distintas combinaciones de aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Seguacuten el nuacutemero
de aacutetomos de carbono de hidroacutegeno y de la distribucioacuten estructural de las mismas se tienen
los distintos hidrocarburos que abarcan desde el gas natural hasta los hidrocarburos soacutelidos
Comuacutenmente se denomina como petroacuteleo a aquella mezcla de hidrocarburos que a las
condiciones de temperatura y presioacuten ambientales estaacute en estado liacutequido En la naturaleza se
pueden encontrar afloraciones naturales de hidrocarburos muchos de ellos conocidos desde
la antiguumledad aunque la produccioacuten comercial se obtiene de acumulaciones que se localizan
en algunos lugares del subsuelo con profundidades variables desde pocos metros hasta
profundidades mayores a cinco mil metros [14]
Mientras mayor sea el contenido de carboacuten en relacioacuten al del hidroacutegeno mayor es la cantidad
de productos pesados que tiene el crudo [15] Esto depende de la edad del yacimiento y de
algunas caracteriacutesticas geoloacutegicas No obstante se ha comprobado que entre maacutes antiguos
son tienen maacutes hidrocarburos gaseosos y soacutelidos y menos liacutequidos entran en su
composicioacuten
5
Es un recurso natural no renovable y actualmente es la principal fuente de energiacutea en
los paiacuteses desarrollados El petroacuteleo liacutequido puede presentarse asociado a capas de gas
natural en yacimientos que han estado enterrados durante millones de antildeos cubiertos por los
estratos superiores de la corteza terrestre Los factores de presioacuten temperatura y procesos
quiacutemicos y fiacutesicos ayudados por la carencia de oxiacutegeno posibilitan la formacioacuten de petroacuteleo
liacutequido y de gas
La conversioacuten de materia orgaacutenica en petroacuteleo ocurre en varias etapas [15]
Degradacioacuten bioquiacutemica la accioacuten de las bacterias en un ambiente aerobio
oxidan la materia orgaacutenica
Policondensacioacuten e insolubilizacioacuten se produce un reordenamiento molecular
en dos etapas originaacutendose una sustancia insoluble en aacutelcalis con estructura
parecida al keroacutegeno
Cracking primario es la primera reaccioacuten de generacioacuten de hidrocarburos
regida por la ley de Arrhenius de donde se puede obtener petroacuteleo y gas
Cracking secundario se destruye la fraccioacuten inestable generando gas y
residuos carbonosos
111 Composicioacuten del petroacuteleo
El petroacuteleo crudo es la materia prima principal de la industria de Refinacioacuten del Petroacuteleo
estaacute constituido por una mezcla de diferentes tipos de hidrocarburos cuyas moleacuteculas se
componen de Carbono e Hidroacutegeno con un pequentildeo porcentaje de otros elementos
conformando hidrocarburos de estructuras maacutes o menos complejas como compuestos
heterociacuteclicos de nitroacutegeno oxiacutegeno y azufre compuestos organometaacutelicos ademaacutes contiene
sedimentos inorgaacutenicos y agua [16] La composicioacuten aproximada de los crudos puede verse
en la Tabla 11
6
Tabla11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo
Elemento Composicioacuten (peso)
Carbono 84-87
Hidroacutegeno 11-14
Azufre 0-5
Nitroacutegeno 0-02
Oxiacutegeno 0-05
112 Clasificacioacuten de petroacuteleo
Son miles los compuestos quiacutemicos que constituyen el petroacuteleo [16] y entre muchas otras
propiedades estos compuestos se diferenciacutean por su volatilidad (dependiendo de la
temperatura de ebullicioacuten) Al calentarse el petroacuteleo se evaporan preferentemente los
compuestos ligeros (de estructura quiacutemica sencilla y bajo peso molecular) de tal manera que
conforme aumenta la temperatura los componentes maacutes pesados van incorporaacutendose al
vapor
Las curvas de destilacioacuten TBP (del ingleacutes ldquotrue boiling pointrdquo temperatura de ebullicioacuten real)
distinguen a los diferentes tipos de petroacuteleo y definen los rendimientos que se pueden obtener
de los productos por separacioacuten directa [17] Por ejemplo mientras que en el crudo Istmo se
obtiene un rendimiento directo de 26 volumeacutetrico de gasolina en el Maya soacutelo se obtiene
157 [17]
La industria mundial de hidrocarburos liacutequidos clasifica el petroacuteleo de acuerdo con su
densidad API (paraacutemetro internacional del Instituto Americano del Petroacuteleo que diferenciacutea
las calidades del crudo) La Tabla 12 muestra estas clasificaciones
Tabla 12 Clasificacioacuten del petroacuteleo crudo [18]
Aceite crudo Densidad
( g cm3)
Densidad
grados API
Extrapesado gt10 100
Pesado 10 - 092 100 - 223
Mediano 092 - 087 223 - 311
7
Ligero 087 - 083 311 - 39
Superligero lt 083 gt 39
Para exportacioacuten en Meacutexico se preparan tres variedades de petroacuteleo crudo
a) Istmo Ligero con densidad de 336 grados API y 13 de azufre en peso
b) Maya Pesado con densidad de 22 grados API y 33 de azufre en peso
c) Olmeca Superligero con densidad de 393 grados API y 08 de azufre en peso
Atendiendo a la mayor proporcioacuten del tipo de hidrocarburos que conforman la mezcla los
crudos se clasifican seguacuten su base parafiacutenica nafteacutenica asfaacuteltica y mixta [15]
Base parafiacutenica Las parafinas livianas dan buenos aceites para usos domeacutesticos pues no
producen humo al quemarse tienden a resistir el calor Las parafinas maacutes espesas contienen
cristales blancos y blandos que cuando son aislados y refinados forman lo que se conoce
como cera parafinada Se encuentran generalmente en Pennsylvania West Virginia y centro
de Estados Unidos
Base nafteacutenica Generalmente contienen gran proporcioacuten de fracciones volaacutetiles es decir
componentes que se evaporan faacutecilmente Se encuentran generalmente en Rusia Peruacute
California y Golfo de Meacutexico En Cuba se encuentra en la zona de Motembo
Base asfaacuteltica Contienen ademaacutes de carbono e hidroacutegeno gran cantidad de azufre En la
destilacioacuten avanzada o maacutes completa rinden una cantidad relativamente alta de alquitraacuten y
asfalto Se pueden encontrar en Meacutexico Venezuela California y el Caribe
Base mixta Ninguacuten crudo es realmente netamente nafteacutenico asfaacuteltico o parafiacutenico en su
composicioacuten quiacutemica sino que contienen proporciones de los otros tipos caracterizaacutendose
por la predominancia del compuesto en mayoriacutea Sin embargo ciertos crudos de Kansas
Oklahoma y Texas tienen contenidos muy similares de nafta parafinas y asfaltos lo que
resulta imposible clasificarlos en una sola de estas clases
8
Asiacute mismo se puede clasificar al petroacuteleo crudo considerando dos grandes grupos de
hidrocarburos saturados y no saturados Cuando todas las valencias de los aacutetomos de carbono
se comparten con otros aacutetomos es saturado cuando hay falta de hidroacutegeno es no saturado y
se pueden compartir dos y hasta tres valencias entre un aacutetomo de carbono con otro aacutetomo [16]
Los saturados y no saturados se dividen a su vez en dos grupos importantes cada uno lo cual
se muestra en la figura 11
Figura 11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleo
Las parafinas son las maacutes ricas en hidroacutegeno son saturadas y por tanto relativamente estables
Las parafinas comunes son liacutequidos pero se pueden encontrar gaseosas o soacutelidas La foacutermula
general es CnH2n+2
Los naftenos (ciclanos o ciclo alcanos) son saturados lo que hace que sean resistentes a los
cambios incluyendo la oxidacioacuten Son relativamente insolubles en aacutecido sulfuacuterico
concentrado Los maacutes importantes son ciclopentano y ciclohexano La foacutermula general es
CnH2n
Los no saturados tienden a formar gomas lacas y fangos al unirse al oxiacutegeno y separarse del
carbono que es un enlace relativamente menos estable
Las olefinas son no saturados o insaturados y por lo que tienen deficiencia de hidroacutegeno
consecuentemente son muy reactivos y combinan faacutecilmente con el hidroacutegeno oxiacutegeno
cloro y azufre esto causa que no se deseen altos porcentajes de olefinas en los combustibles
9
sin embargo son apreciados en la manufactura de varios productos entre ellos el plaacutestico La
foacutermula general es CnH2n
Los aromaacuteticos son no saturados pero actuacutean como saturados Son deseables en la gasolina
pues tienen altas propiedades antidetonantes El nombre aromaacuteticos surge por su olor
caracteriacutestico Algunos se usan en la produccioacuten del TNT colorantes plaacutesticos insecticidas
etc Hoy en diacutea se ha limitado su concentracioacuten en los derivados por ser dantildeinos a la salud
son altamente canceriacutegenos La foacutermula general es CnH2n-6 [19]
113 Derivados del petroacuteleo
Un derivado del petroacuteleo es un producto procesado en una refineriacutea usando como materia
prima el petroacuteleo Seguacuten la composicioacuten del crudo y la demanda las refineriacuteas pueden
producir distintos productos derivados del petroacuteleo La mayor parte del crudo es usado como
materia prima para obtener energiacutea por ejemplo la gasolina Tambieacuten producen sustancias
quiacutemicas que se puede utilizar en procesos quiacutemicos para producir plaacutestico yo otros
materiales uacutetiles
Dentro de los productos que se generan a partir del petroacuteleo se tienen [17]
bull Gasolinas liacutequidas (fabricadas para automoacuteviles y aviacioacuten en sus diferentes grados
queroseno diversos combustibles de turbinas de avioacuten y el gasoacuteleo entre otros)
bull Lubricantes (aceites para maquinarias aceites de motor y grasas Estos compuestos llevan
ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ignicioacuten)
bull Parafinas Es la materia prima para la elaboracioacuten de velas y similares ceras para pisos
foacutesforos papel parafinado vaselinas faacutermacos etc
bull Cloruro de polivinilo (PVC) Existen dos tipos de cloruro de polivinilo tienen alta
resistencia a la abrasioacuten y a los productos quiacutemicos Se utiliza para hacer manteles cortinas
para bantildeo muebles alambres y cables eleacutectricos Tambieacuten se utiliza para la fabricacioacuten de
riego juntas techado y botellas
10
bull Plaacutesticos pinturas barnices disolventes fertilizantes e insecticidas detergentes cauchos
artificiales negro de humo polieacutester y muchos maacutes
bull Detergentes usados para limpieza
bull Azufre subproductos de la eliminacioacuten del azufre del petroacuteleo que pueden tener hasta un
2 de azufre como compuestos de azufre El azufre y aacutecido sulfuacuterico son materiales
importantes para la industria
bull Asfalto se utiliza como aglutinante para la grava que forma de asfalto concreto que se
utiliza para la pavimentacioacuten de carreteras etc
bull Petroquiacutemicos estos pueden ser hidrocarburos olefinas o sus precursores o diversos tipos
de quiacutemicos como aromaacuteticos y tienen una gran variedad de usos Por lo general son
utilizados como monoacutemeros como disolventes como precursores de una gran variedad de
sustancias quiacutemicas y productos quiacutemicos tales como los liacutequidos limpiadores de los
vehiacuteculos surfactante de la limpieza etc [19]
114 Importancia del petroacuteleo
El petroacuteleo tiene una gran trascendencia en la gran mayoriacutea de las actividades cotidianas Del
crudo se obtiene gasolina y diesel para autos y autobuses combustible para barcos y aviones
Se usa para generar electricidad obtener energiacutea caloriacutefica para faacutebricas hospitales y oficinas
y diversos lubricantes para maquinaria y vehiacuteculos La industria petroquiacutemica usa productos
derivados de eacutel para hacer plaacutesticos fibras sinteacuteticas detergentes medicinas conservadores
de alimentos hules y agroquiacutemicos El petroacuteleo ha transformado la vida de las personas y la
economiacutea de las naciones Su descubrimiento creoacute riqueza modernidad pueblos industriales
proacutesperos y nuevos empleos motivando el crecimiento de las industrias mencionadas [19]
12 Yacimiento
11
Un yacimiento de petroacuteleo puede definirse como un volumen poroso que contiene agua
petroacuteleo y a veces una fase gaseosa La proporcioacuten volumeacutetrica del petroacuteleo puede alcanzar
a veces el 40 El medio poroso del yacimiento o roca almaceacuten es de origen sedimentario
de tipo arenisca o caliza consolidado o no El diaacutemetro de poro variacutea ampliamente seguacuten la
roca pero es de tamantildeo microscoacutepico desde algunas fracciones de miliacutemetro a algunos
microacutemetros [20]
Cada medio poroso tiene sus caracteriacutesticas porosidad el porcentaje de volumen vaciacuteo
permeabilidad una medida de la resistencia al movimiento de los fluidos mojabilidad una
medida de la naturaleza superficial de la roca
Debido a su origen sedimentario el medio poroso del yacimiento es a menudo heterogeacuteneo
como consecuencia de las variaciones ocurridas durante el largo proceso de sedimentacioacuten
que formoacute la roca Estas heterogeneidades pueden existir a la escala de los poros o bien a la
escala macroscoacutepica en forma zonas muy o poco permeables y eventualmente de grietas
Las heterogeneidades complican las operaciones de produccioacuten porque tienden a producir
caminos preferenciales y segregaciones [21]
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientos
Geoloacutegicamente los yacimientos se clasifican en estratigraacuteficos estructurales y combinados
[22]
Estratigraacuteficos lentes de arena cambios de facies calizas o dolomitas porosas
cambios de permeabilidad
Estructurales Fracturas en calizas o rocas iacutegneas discordancias fallas en areniscas
sinclinales anticlinales domos salinos etc
Combinados Hace referencia a las posibles combinaciones que se presenten entre los
dos grupos anteriores
La clasificacioacuten anterior se puede observar en la figura 12
12
Figura 12 Clasificacioacuten de yacimientos [22]
122 Condiciones de explotacioacuten
La produccioacuten de petroacuteleo involucra dos aspectos El primero es la produccioacuten uacuteltima posible
en funcioacuten de las teacutecnicas empleadas y el segundo es el ritmo de produccioacuten de acuerdo con
el comportamiento de los pozos y de los diferentes meacutetodos de estimulacioacuten aplicables
(fracturacioacuten acidificacioacuten inyeccioacuten de vapor) Tradicionalmente se hace la distincioacuten entre
dos periacuteodos durante la explotacioacuten de un yacimiento la recuperacioacuten primaria y la
recuperacioacuten secundaria Desde el aumento del precio del petroacuteleo al principio de los antildeos
70 se considera ademaacutes una eventual recuperacioacuten terciaria yo una recuperacioacuten
(secundaria) mejorada [14]
123 Recuperacioacuten primaria
Durante este periacuteodo el petroacuteleo se drena naturalmente hacia los pozos bajo el efecto del
gradiente de presioacuten existente entre el fondo de los pozos y el seno del yacimiento
En muchos yacimientos profundos la presioacuten es mayor que la presioacuten hidrostaacutetica lo que
hace que el petroacuteleo llegue a la superficie con el solo aporte energeacutetico del yacimiento A
medida que se expanden los fluidos en el yacimiento la presioacuten tiende a bajar en forma maacutes
13
o menos raacutepida seguacuten los mecanismos involucrados En ciertos casos puede existir un
mecanismo de compensacioacuten natural que reduzca notablemente la velocidad de decaimiento
de la presioacuten como la compactacioacuten de sedimento (subsidencia) la migracioacuten de un acuiacutefero
activo o la lenta expansioacuten de una bolsa de gas
Cuando el pozo no es eruptivo o cuando la presioacuten se ha reducido se necesita un aporte
externo de energiacutea para disminuir la presioacuten en fondo de pozo O bien se bombea el crudo
desde el fondo del pozo o bien se utiliza el meacutetodo del levantamiento con gas este consiste
en inyectar gas en fondo de pozo de tal forma que el fluido producido sea una mezcla de gas
y petroacuteleo de densidad suficientemente baja para llegar a la superficie bajo el efecto de la
presioacuten del yacimiento [20]
El periacuteodo de recuperacioacuten primaria tiene una duracioacuten variable pero siempre se lleva a cabo
ya que permite recoger numerosas informaciones sobre el comportamiento del yacimiento
las cuales son de primera importancia para la planificacioacuten de la explotacioacuten ulterior
La recuperacioacuten primaria se termina cuando la presioacuten del yacimiento ha bajado demasiado
o cuando se estaacuten produciendo cantidades demasiado importantes de otros fluidos (gas
agua) El porcentaje de recuperacioacuten primaria del crudo originalmente en sitio es en promedio
del orden de 10-15 pero puede ser tan bajo como 5 en yacimientos sin gas disuelto o
alcanzar 20 y auacuten maacutes en yacimientos que poseen una baja permeabilidad y una bolsa de
gas o un acuiacutefero activo
Anteriormente se explotaba el yacimiento en recuperacioacuten primaria hasta que los gastos de
explotacioacuten se vuelvan prohibitivos en cuyo momento se pasaba a los meacutetodos de
recuperacioacuten secundaria Hoy en diacutea se inician las operaciones de recuperacioacuten secundaria
mucho antes de llegar a este punto y la seleccioacuten del meacutetodo de explotacioacuten en un yacimiento
o en una parte de un yacimiento obedece a criterios de optimizacioacuten [22]
14
124 Recuperacioacuten secundaria
Los meacutetodos de recuperacioacuten secundarios consisten en inyectar dentro del yacimiento un
fluido menos costoso que el petroacuteleo para mantener un gradiente de presioacuten Estos fluidos se
inyectan por ciertos pozos (inyectores) y desplazan o arrastran una parte del petroacuteleo hacia
los otros pozos (productores) [14]
Hasta el principio de los antildeos 70 el bajo precio del crudo haciacutea que los uacutenicos fluidos
susceptibles de inyectarse econoacutemicamente eran el agua y en ciertos casos el gas natural
El drenaje por agua permite elevar la recuperacioacuten del aceite originalmente en sitio hasta un
promedio de 25-30 con variaciones desde 15 hasta 40 seguacuten los casos
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejorada
Despueacutes de las recuperaciones primaria y secundaria el yacimiento contiene todaviacutea 60-
80 (promedio 72) del crudo originalmente en sitio Esto se debe a que la eficiencia de los
meacutetodos de recuperacioacuten primaria y secundaria estaacute limitada por dos factores [14]
A la escala de los poros el crudo alcanza una saturacioacuten residual suficientemente baja
para encontrarse en forma de gloacutebulos discontinuos atrapados por las fuerzas
capilares
A la escala del yacimiento existen ciertas zonas en las cuales el fluido inyectado
durante la recuperacioacuten secundaria no penetra por la baja permeabilidad de estas
zonas porque siguen caminos preferenciales o porque la geometriacutea de implantacioacuten
de los pozos no es favorable
Entre los meacutetodos cuyo propoacutesito es mejorar la eficiencia del desplazamiento mediante una
reduccioacuten de las fuerzas capilares se pueden citar la utilizacioacuten de solventes miscibles con
el crudo y la obtencioacuten de baja tensioacuten interfacial con soluciones de surfactantes o soluciones
alcalinas Para mejorar la eficiencia de barrido se puede reducir la viscosidad del crudo
mediante calentamiento aumentar la viscosidad del agua con poliacutemeros hidrosolubles o
taponar los caminos preferenciales por ejemplo con espumas [21]
15
Los meacutetodos actualmente propuestos para la recuperacioacuten mejorada involucran uno o varios
de estos aspectos En lo que se refiere a la utilizacioacuten de surfactantes se destacan los
siguientes
Drenaje miscible con microemulsiones
Drenaje inmiscible con soluciones de surfactantes y poliacutemeros (y a veces aacutelcali)
Inyeccioacuten de vapor con surfactante ndash espumas
126 Generalidades de pozos
La estimulacioacuten de pozos se utiliza para mejorar la productividad de pozos petroleros Esto
se logra inyectando fluidos al pozo y dependiendo del gasto y presioacuten de inyeccioacuten
alcanzada seraacute el tipo de estimulacioacuten realizada Para aumentar la produccioacuten de un pozo se
debe tratar la roca situada en la cercaniacutea para aumentar su permeabilidad esto se debe a que
la geometriacutea ciliacutendrica del pozo produce una mayor resistencia al flujo en la vecindad del
mismo Existen esencialmente dos meacutetodos de estimulacioacuten que pueden emplearse solos o
juntos la fracturacioacuten y la acidificacioacuten [23]
En ambos tipos de procesos se usan surfactantes como dispersantes de partiacuteculas finas (alquil
fenoles y alquil amonios etoxilados) y como inhibidores de corrosioacuten (alquilpiridinios)
En el proceso de fracturacioacuten se inyecta bajo alta presioacuten una mezcla de agua y de arena La
arena penetra en las fracturas producidas e impide que se vuelvan a cerrar cuando la presioacuten
retorna a lo normal
En la acidificacioacuten se inyecta una solucioacuten aacutecida (HCl HF) extremadamente corrosiva para
los metales pero capaz de disolver la roca almaceacuten (carbonato siacutelica) Se usan alquil
piridinios como inhibidores de corrosioacuten alquil fenoles etoxilados como humectantes y
alquil amonios etoxilados como dispersantes de partiacuteculas finas
A menudo en presencia de carbonatos se desea retardar la acidificacioacuten para que el fluido
aacutecido pueda penetrar a cierta distancia del pozo antes de reaccionar con la roca
Uno de los meacutetodos de retardacioacuten consiste en emulsionar la fase acuosa aacutecida en queroseno
en forma WO Para tales emulsiones se usan sulfonatos de petroacuteleo o sales de aacutecidos
16
carboxiacutelicos por la interaccioacuten que presentan los grupos ldquosulfatordquo con los hidrocarburos [22]
Siendo el queroseno la fase continua el contacto aacutecido-roca no se produce inmediatamente
y la emulsioacuten puede penetrar a varios metros del pozo antes de que se consuma todo el aacutecido
obseacutervese en la figura 13
Figura 13 Acidificacioacuten controlada mediante la inyeccioacuten de una emulsioacuten de aacutecido en
queroseno [23]
Otro meacutetodo de retardacioacuten consiste en inyectar nitroacutegeno con la solucioacuten aacutecida la cual
contiene agentes espumantes como alquil eacutester sulfatos surfactantes etoxilados y a veces
surfactantes fluorocarbonados La espuma formada juega dos papeles de una parte reduce el
contacto entre el aacutecido y la roca y por lo tanto reduce la velocidad de ataque Por otra parte
tienen tendencia en llenar las fracturas y taponarlas (efecto Jamin) lo que obliga al aacutecido a
penetrar en la zonas de baja permeabilidad (figura 14)
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumas
Sin embargo estos dos uacuteltimos meacutetodos deben emplearse con cierto cuidado para evitar el
taponamiento del pozo con emulsiones o espumas debido a la presioacuten con la que actuacutean en
17
el mismo sistema lo que puede luego tener un efecto desfavorable sobre la produccioacuten[22]
Despueacutes de la acidificacioacuten se pone el pozo en produccioacuten para eliminar el residuo de aacutecido
y las partiacuteculas finas producidas por la desagregacioacuten de la roca Es en esta etapa que se
requieren agentes dispersantes
Ciertos meacutetodos de estimulacioacuten consisten en inyectar surfactantes para bien sea cambiar la
mojabilidad de la roca de mojable por el agua a mojable por el aceite bien sea desplazar
el crudo atrapado en la cercaniacutea del pozo Tales meacutetodos se usan para estimular pozos que
han dejado de producir por cierto tiempo o que han sufrido un dantildeo
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluido
131 Porosidad
Es el volumen de huecos de la roca y define la capacidad de eacutesta para almacenar fluidos Se
expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca
(porosidad total o bruta) [24]
Tipos de Porosidad
Absoluta La porosidad absoluta se considera como el volumen poroso total (esteacuten o
no interconectados)
Efectiva La porosidad efectiva se refiere al porcentaje de poros interconectados que
permiten la circulacioacuten de fluidos
No efectiva Representa la diferencia entre las porosidades anteriores es decir la
porosidad absoluta y la efectiva
132 Permeabilidad
18
La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo
atraviese sin alterar su estructura interna Se afirma que un material es permeable si deja
pasar a traveacutes de eacutel una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado e impermeable si la
cantidad de fluido es despreciable Se define con la ecuacioacuten de Darcy [14]
119876 =119870119860
120583
119889119875
119889119905 119910 119870 =
119876120583
119860 119889119897
119889119875 (1)
Doacutende
A Aacuterea de flujo (cm2)
Q Gasto (cm3 s-1)
dP Diferencia de presiones a la entrada y salida del permeaacutemetro (kPa)
dl Longitud del medio poroso (cm)
micro Viscosidad del fluido (cP)
K Velocidad de filtracioacuten (m s-1)
Si el fluido es homogeacuteneo y no produce ninguna accioacuten importante sobre la roca se habla
de permeabilidad absoluta pero si en la roca existen varios fluidos como es el caso de un
yacimiento petroliacutefero en el que se puede tener petroacuteleo agua y gas se producen
interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los
fluidos
La permeabilidad relativa corresponde a la relacioacuten entre permeabilidad absoluta y efectiva
Para un fluido dado variacutea en funcioacuten directa con la saturacioacuten de ese fluido en la roca y se
expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro
133 Tortuosidad
19
Una medida de la complejidad geomeacutetrica de un medio poroso La tortuosidad es una relacioacuten
que caracteriza los trayectos de la difusioacuten del fluido y la conduccioacuten eleacutectrica a traveacutes de los
medios porosos En mecaacutenica de fluidos de los medios porosos la tortuosidad es la relacioacuten
del largo de la corriente natural de un fluido (una liacutenea o trayecto de flujo) entre dos puntos
y la distancia en liacutenea recta entre esos puntos Por consiguiente la tortuosidad se relaciona
con la relacioacuten entre el coeficiente de difusioacuten de un fluido cuando no estaacute confinado por un
medio poroso y su coeficiente de difusioacuten efectivo cuando estaacute confinado en un medio poroso
[22] Este paraacutemetro es calculado con la ecuacioacuten 2
119879 =119871119864
119871 ( 2)
Doacutende
L es la longitud de la muestra de roca (cm)
LE es la longitud de la trayectoria de difusioacuten del fluido sobre la muestra (cm)
El flujo de fluidos a traveacutes de medios porosos estaacute fuertemente afectado por fenoacutemenos de
superficie los cuales representan fuerzas retentivas de fluidos en el medio poroso La accioacuten
de la estimulacioacuten matricial no reactiva concierne principalmente a la alteracioacuten de estas
fuerzas retentivas manifiestas en los fenoacutemenos de tensioacuten superficial mojabilidad y
capilaridad [20]
134 Tensioacuten Superficial e Interfacial
La materia en sus diferentes estados (soacutelido liacutequido y gaseoso) estaacute compuesta de moleacuteculas
las cuales presentan una atraccioacuten llamada fuerza de cohesioacuten Esta fuerza es una
combinacioacuten de fuerzas electrostaacuteticas y de Van der Waals [21] Naturalmente estas fuerzas
son de diferente magnitud dependiendo del estado de la materia Por ejemplo en el seno de
un liacutequido una moleacutecula es rodeada por moleacuteculas similares ejerciendo unas con otras
fuerzas iguales de atraccioacuten por lo que eacutestas se encuentran balanceadas tal como se muestra
en la figura 15
20
15 Representacioacuten de fuerzas intermoleculares en un sistema bifaacutesico (soacutelido-liacutequido)
En la interfase entre un liacutequido y un soacutelido o entre un liacutequido y un gas estas fuerzas son
desequilibradas causando que exista una resultante en la interfase con ello se crea una
energiacutea libre de superficie En la misma figura 15 se observa la fuerza resultante en la
interfase del sistema denotada con el teacutermino FR cuyo valor representa la tensioacuten que existe
entre las moleacuteculas de las fase liquida y gaseosa
Esta fuerza seraacute mayor entre mayores sean las fuerzas de atraccioacuten de las moleacuteculas del
liacutequido Si se deseara romper esta superficie se tendriacutea que realizar un trabajo por unidad de
aacuterea equivalente a vencer la energiacutea libre de superficie Este trabajo por unidad de aacuterea se
denomina tensioacuten superficial y su valor especiacutefico para cada liacutequido depende
principalmente de la temperatura y presioacuten a las cuales se encuentre
Para medir la tensioacuten superficial se utilizan varios meacutetodos de los cuales el maacutes utilizado es
el meacutetodo de Du Nouumly Este procedimiento consiste en colocar en el liacutequido un arillo de
platino y llevarlo hasta la interfase midiendo la fuerza necesaria con la que el anillo rompe
la superficie La tensioacuten superficial generalmente se da en dina cm-1 Para el agua a
21
condiciones estaacutendar la tensioacuten superficial es de 72 dina cm-1 para el benceno es de 29 dina
cm-1 [19]
En 1905 Young mostroacute que las propiedades mecaacutenicas de la energiacutea libre de superficie
podriacutean relacionarse con una membrana hipoteacutetica en la superficie Usando en concepto de
tensioacuten superficial Young fue capaz de derivar expliacutecitamente la condicioacuten de equilibrio
mecaacutenico de una superficie curva entre dos fases [21] La ecuacioacuten de Young se expresa en la
ecuacioacuten 3
119875primeprime minus 119875prime =2120590
119903 (3)
Doacutende
Pacute Presioacuten en la fase externa (kPa)
Pacuteacute Presioacuten en la fase interna (kPa)
σ Tensioacuten Superficial (Erg)
r Radio de curvatura (cm)
Si un liacutequido estaacute en contacto con otra sustancia (gas soacutelido u otros liacutequidos inmiscibles) hay
una energiacutea libre interfacial Esto significa que se tiene que realizar cierta cantidad de trabajo
con el fin de separar ambos medios Los dos principales paraacutemetros que afectan a la magnitud
de la tensioacuten superficial son la temperatura y la composicioacuten quiacutemica de las fases La
variacioacuten de la tensioacuten superficial liacutequido-vapor (γLG) usualmente sigue una relacioacuten lineal
seguacuten la expresioacuten [15]
120574119871119866 = 1205740 + (∆120575119871119866
∆119879) (119879 minus 119879119898) (4)
Doacutende
γLG Tensioacuten interfacial liquido-gas (dina cm-1)
γ0 Tensioacuten superficial del liacutequido (dina cm-1)
ΔδLG Diferencia de densidad entre fase liacutequida y fase gaseosa (kg m-3)
22
ΔT Diferencia de temperaturas
T Temperatura del sistema (degC)
Tm Temperatura media (degC)
En general la tensioacuten superficial para metales fundidos disminuye con el incremento de la
temperatura (dγLGdT) lt 0 ya que las fuerzas de cohesioacuten disminuyen al aumentar la
agitacioacuten teacutermica La influencia del medio exterior se debe a que las moleacuteculas del medio
ejercen acciones atractivas sobre las moleacuteculas situadas en la superficie del liacutequido
contrarrestando las acciones de las moleacuteculas del interior del liacutequido
La medida de la tensioacuten superficial en soacutelidos policristalinos es compleja comparada con la
medida de γLG y en consecuencia los datos experimentales son difiacutecilmente fiables Se han
desarrollado modelos teoacutericos para predecir γSG pero con un eacutexito limitado Por otro lado la
tensioacuten γSL no puede ser medida directamente soacutelo puede predecirse con la ayuda de modelos
teoacutericos [19] El uso de la ecuacioacuten 5 para determinar el trabajo de adherencia (conociendo
previamente γLG o midieacutendolo simultaacuteneamente con θ) es una de las praacutecticas maacutes habituales
para investigar la mojabilidad de soacutelidos por metales liacutequidos
119882119886 = 120574119871119866(1 + 119888119900119904120579)
Donde
Wa Mojabilidad
γLG= Tensioacuten interfacial (dina cm-1)
θ= Angulo de contacto (deg)
135 Mojabilidad
23
La mojabilidad es uno de los fenoacutemenos de superficie y representa la interaccioacuten soacutelidondash
liacutequido este paraacutemetro depende de las fuerzas intermoleculares de los materiales en contacto
la fuerza de adhesioacuten entre el liacutequido y el soacutelido provoca que el liacutequido se extienda por la
superficie mientras que la de cohesioacuten del liacutequido hacen que eacuteste se abulte y tienda a evitarla
Es claro que tambieacuten estaacute muy relacionada con la capilaridad porque algunas sustancias
disueltas en el agua pueden modificar su tensioacuten superficial y por lo tanto su mojabilidad [14]
El aacutengulo de contacto ϴ es el aacutengulo que forma el liacutequido respecto a la superficie de contacto
con el soacutelido y estaacute determinado por la resultante de las fuerzas adhesivas y cohesivas Como
la tendencia de una gota a expandirse en una superficie plana aumenta con la disminucioacuten
del aacutengulo de contacto este aacutengulo proporciona una medida inversa de la mojabilidad [25]
Un aacutengulo de contacto pequentildeo (lt 90deg) indica que la mojabilidad es muy alta y el fluido se
extenderaacute sobre la superficie aacutengulos de contacto grandes (gt 90deg) significan que la
mojabilidad es baja y el fluido disminuiraacute el contacto con la superficie formando una gota
compacta este efecto puede observarse en las figuras 6a 6b y 6c Cuantitativamente la
mojabilidad se define como el producto de la tensioacuten superficial por el aacutengulo de contacto
esto es
119882119886 = 120590119888119900119904120579 (5)
Figura 16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidad [25]
El fenoacutemeno de mojabilidad es de gran importancia para el flujo de aceite en un medio
poroso Se ha demostrado que si la roca se encuentra mojada por agua la permeabilidad al
a) b) c)
24
aceite es muy superior al caso en que la roca se encuentre mojada por aceite lo cual favorece
la recuperacioacuten del aceite contenido en el yacimiento [26]
136 Capilaridad
La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de adsorber a otra Sucede cuando las
fuerzas intermoleculares adhesivas entre el liacutequido y el soacutelido son mayores que las fuerzas
intermoleculares cohesivas del liacutequido Cuando un liacutequido sube por un tubo capilar es debido
a la cohesioacuten intermolecular entre sus moleacuteculas es menor que la adhesioacuten del liacutequido con el
material del tubo es decir es un liacutequido que moja El liacutequido sigue subiendo hasta que la
tensioacuten superficial es equilibrada por el peso del liacutequido que llena el tubo
Al sumergir un tubo de vidrio capilar en agua eacutesta se elevaraacute en el tubo como se muestra en
la figura 17 en este caso se define como presioacuten capilar la diferencia de presiones en la
interfase [5]
Figura 17 Efecto de la capilaridad [5]
La presioacuten capilar seraacute la fuerza requerida para soportar la columna de agua en el tubo
dividida entre el aacuterea del capilar se explica con la ecuacioacuten 6
119875119862 = 120588119892ℎ119888 (6)
Doacutende
25
Pc Presioacuten capilar (N m-2)
ρ Densidad (kg m-3)
g Aceleracioacuten de la gravedad (981 m s-2)
hc Altura de la columna (m)
137 Adsorcioacuten
La adsorcioacuten es un proceso de separacioacuten y concentracioacuten de uno o maacutes componentes de un
sistema sobre una superficie soacutelida o liacutequida Los distintos sistemas heterogeacuteneos en los que
puede tener lugar la adsorcioacuten son soacutelido-liacutequido soacutelido-gas y liacutequido-gas Como en otros
procesos de este tipo los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases
La adsorcioacuten es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra
sobre la superficie de otra fase (generalmente soacutelida) Por ello se considera como un
fenoacutemeno subsuperficial La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama
adsorbato y la fase impregnada se llama adsorbente [21] Lo anterior se muestra en la
figura 18
Figura 18 Proceso de adsorcioacuten
1371 Tipos de adsorcioacuten
Cabe distinguir tres tipos de adsorcioacuten seguacuten sea la atraccioacuten entre el soluto y el adsorbente
sea de tipo eleacutectrico de Van der Waals (o Fiacutesica) o de naturaleza quiacutemica [23]
26
Eleacutectrica Cae de lleno dentro del intercambio ioacutenico y a menudo se le llama
adsorcioacuten por intercambio que es un proceso mediante el cual los iones de una
sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atraccioacuten electrostaacutetica
en los lugares cargados de la superficie Para dos absorbatos ioacutenicos posibles a
igualdad de otros factores la carga del ioacuten es el factor determinante en la adsorcioacuten
de intercambio Para iones de igual carga el tamantildeo molecular (radio de solvatacioacuten)
determina el orden de preferencia para la adsorcioacuten (figura 19)
Figura 19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectrica
Fiacutesica La adsorcioacuten que tiene lugar debido a las fuerzas de Van der Waals se llama
generalmente adsorcioacuten fiacutesica En este caso la moleacutecula adsorbida no estaacute fija en un
lugar especiacutefico de la superficie sino maacutes bien estaacute libre de trasladarse dentro de la
interfase Esta adsorcioacuten en general predomina a temperaturas bajas El aumento de
la temperatura disminuye considerablemente la adsorcioacuten (figura 110)
No se produce adsorcioacuten a temperaturas superiores a la temperatura criacutetica del
adsorbato gaseoso si la presioacuten del gas tiene valores cercanos a la presioacuten de vapor
de equilibrio para el adsorbato liacutequido se produciraacute una adsorcioacuten maacutes extensa en
capas muacuteltiples
27
Figura 110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesica
Quiacutemica Si el adsorbato sufre una interaccioacuten quiacutemica con el adsorbente el
fenoacutemeno se llama adsorcioacuten quiacutemica adsorcioacuten activa o quimisorcioacuten Las energiacuteas
de adsorcioacuten son elevadas del orden de las de un enlace quiacutemico debido a que el
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente Esta adsorcioacuten suele estar favorecida a una temperatura elevada [17]
(figura 111)
Figura 111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemica
La mayor parte de los fenoacutemenos de adsorcioacuten son combinaciones de las tres formas de
adsorcioacuten y de hecho no es faacutecil distinguir entre adsorcioacuten fiacutesica y quiacutemica
28
14 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten es el proceso en donde un fluido que satura un medio capilar es desplazado
por otro fluido Eacutesta es espontaacutenea cuando el fluido desplazante penetra el medio capilar
uacutenicamente bajo la accioacuten de las fuerzas capilares Las muestras de roca que imbiben
uacutenicamente agua se dice que son mojadas por agua de igual manera las que lo hacen con el
aceite son mojadas por aceite [10]
La imbibicioacuten es importante en un yacimiento que produce por mecanismos de empuje de
agua porque puede favorecer u obstruir el movimiento del agua afectando el aacuterea del barrido
Una prueba de imbibicioacuten es una comparacioacuten del potencial de imbibicioacuten del petroacuteleo y del
agua en una roca tal como se muestra en la figura 112 La mojabilidad de la roca es
determinada por la fase que maacutes absorbe
Figura 112 Celda de imbibicioacuten espontanea [10]
141 Interaccioacuten roca-fluido
29
La mojabilidad es muy importante en los procesos de recuperacioacuten de aceite debido al fuerte
efecto que eacutesta ejerce en la distribucioacuten localizacioacuten y flujo de aceite y agua dentro del
yacimiento durante la produccioacuten
Generalmente se asume que los yacimientos de aceite fueron creados por la acumulacioacuten de
hidrocarburos en rocas que originalmente conteniacutean agua y por ello se deduce que las rocas
de todos los yacimientos fueron originalmente mojadas por agua [23]
Asimismo existen casos aislados en los cuales despueacutes de haberse hecho pruebas se
descubrioacute que algunos yacimientos eran originalmente mojados por aceite Principalmente
los asfaltenos pesados y las fracciones de resina del aceite crudo son capaces de alterar por
adsorcioacuten la mojabilidad de una caliza mojada originalmente por agua a una mojada por
aceite en su superficie Los componentes maacutes importantes en el aceite crudo responsables
del cambio de mojabilidad son aquellos que contienen grupos cargados como un aacutecido o una
base
Las rocas carbonatadas usualmente llevan cargan positivas en la superficie y tienen una
afinidad mayor por los componentes aacutecidos del aceite crudo En el caso de las areniscas cuya
carga de superficie es negativa se tiene una mayor atraccioacuten por los componentes baacutesicos
del aceite crudo [10] La figura 113 es una representacioacuten esquemaacutetica de coacutemo las partes
aacutecidas del aceite se adsorben sobre la superficie de la caliza generando un estado maacutes mojado
por aceite
Figura 113 Esquema de las partes aacutecidas del aceite crudo sobre una superficie de roca
carbonatada
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacutenea
30
La comprensioacuten de los mecanismos detraacutes de la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes
puede mejorar el desempentildeo y aplicacioacuten del producto en operaciones de campo
Diversos investigadores notaron que para cada tipo de roca la efectividad de la alteracioacuten de
la mojabilidad depende de la naturaleza ioacutenica del surfactante empleado En nuacutecleos de
calizas mojadas por aceite Austad [19] observoacute que surfactantes catioacutenicos funcionaron
mejor que surfactantes anioacutenicos en el cambio de mojabilidad hacia un estado maacutes mojado
por agua Pensaron que para los surfactantes catioacutenicos el mecanismo responsable de la
alteracioacuten de la mojabilidad en una roca carbonatada mojada por aceite era la formacioacuten de
ion-par entre las cabezas catioacutenicas de las moleacuteculas de surfactante y los componentes aacutecidos
del aceite crudo adsorbidos en la superficie de la roca carbonatada
La formacioacuten del ioacuten-par puede remover la capa de aceite crudo adsorbida sobre la superficie
de la roca logrando exponer la superficie de la roca carbonatada originalmente mojada por
agua En cambio las moleacuteculas de los surfactantes anioacutenicos forman una capa en la
superficie de la roca carbonatada a traveacutes de la interaccioacuten hidrofoacutebica de las colas del
surfactante en la superficie La capa de surfactantes adsorbidos con los grupos de cabezas
hidrofiacutelicas cubriendo la roca originalmente mojada por aceite pueden cambiar la
mojabilidad del medio poroso a uno maacutes mojado por agua En este caso las interacciones
hidrofoacutebicas son mucho maacutes deacutebiles que las interacciones ioacuten-par explicando por queacute los
surfactantes catioacutenicos funcionan mejor que los anioacutenicos en la alteracioacuten de mojabilidad en
rocas carbonatadas hacia un estado maacutes mojado por agua Esas pruebas e hipoacutetesis fueron el
comienzo de un estudio que otros investigadores culminaron en un estudio de la mecaacutenica de
la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes [19]
143 Cambio de mojabilidad por el ioacuten-par
31
La formacioacuten del ioacuten-par es influenciado principalmente por interacciones electrostaacuteticas
entre las cabezas hidrofiacutelicas de los surfactantes y estabilizada por interacciones de las
secciones hidrofoacutebicas de la moleacutecula de surfactante Como se muestra en la figura 114 la
formacioacuten de iones-par remueve los componentes del aceite crudo adsorbido sobre la
superficie de la roca dando lugar a la cara originalmente mojada por agua [23]
Figura 114 Modelo esquemaacutetico del cambio de mojabilidad con la aplicacioacuten de
surfactantes
Los iones-par formados durante el proceso no son solubles en agua y por ello se mueven
raacutepidamente dentro de la fase aguaaceite hacia la fase aceite dejando las moleacuteculas de
surfactante libres en la fase agua para asociarse con los componentes del aceite adsorbidos
en la superficie de la roca (figura 114) De esta manera el surfactante cambia
satisfactoriamente la mojabilidad de la superficie de la roca a un estado maacutes mojado por agua
15 Surfactantes
Tambieacuten llamados agentes tensoactivos son moleacuteculas que poseen una doble afinidad
quiacutemica debido a su estructura de tipo polar-apolar Un surfactante o agente superficialmente
activo es una especie quiacutemica que es activa en la interfase entre dos fases como un
detergente que es activo en la interfase entre las fases hidroacutefila e hidroacutefoba El detergente se
acumula en la interfase y modifica la tensioacuten superficial La tensioacuten superficial disminuye
cuando un soluto se acumula en la interfase siendo el soluto en este caso el agente
tensoactivo [21] Su representacioacuten claacutesica se indica en la Figura 115
32
115 Representacioacuten de una moleacutecula surfactante
La parte polar o hidrofiacutelica es un grupo funcional ioacutenico o no ioacutenico generalmente constituida
por heteroaacutetomos como oxiacutegeno azufre nitroacutegeno y foacutesforo que permiten un alto grado de
solubilidad en solventes polares particularmente en agua La parte apolar o lipofiacutelica
generalmente es una cadena hidrocarbonada de tipo alquil o alquilbenceno con presencia en
ciertos casos de aacutetomos de un haloacutegeno u oxiacutegeno la cual es soluble en solventes orgaacutenicos
no polares particularmente hidrocarburos aceites y grasas Debido a esta dualidad polar-
apolar una moleacutecula de surfactante tiene tendencia a migrar a una intercara o una superficie
con la finalidad de satisfacer sus dos tipos de afinidad Sin embargo no todas las sustancias
anfifiacutelicas poseen esta propiedad [14]
151 Clasificacioacuten de los surfactantes
Debido a que la accioacuten de los surfactantes depende principalmente de fuerzas electrostaacuteticas
eacutestos se clasifican de acuerdo a la naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua Los
surfactantes se dividen en anioacutenicos catioacutenicos no ioacutenicos y zwitterioacutenicos (anfoteacutericos)
La tabla 13 muestra su clasificacioacuten incluyendo su descripcioacuten esquemaacutetica las
caracteriacutesticas de carga del grupo soluble en agua los grupos quiacutemicos maacutes importantes y
sus usos principales
La naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua se usa para clasificar los surfactantes en
cuatro clases
33
Tabla 13 Clasificacioacuten de Surfactantes
Clasificacioacuten Descripcioacuten Carga del grupo
soluble en agua
Grupos Quiacutemicos Usos
Anioacutenicos M+ + Negativa Sulfonatos
Sulfatos
Fosfatos
Fosfonatos
No
emulsificantes
Retardadores
Limpiadores
Catioacutenicos X- - Positiva Grupos aminos No
emulsificantes
Inhibidores de
corrosioacuten
No ioacutenicos XxR Sin Carga Alcoholes
Alquilfenoles
Esteres
Eteres
Amidas
Etileno
No
emulsificantes
Espumantes
Inhibidores de
corrosioacuten
Zwitterioacutenicos M+ X- Posee ambas
cargas
Dodedil amino
aacutecido propionico
Inhibidores de
corrosioacuten
Los surfactantes anioacutenicos se disocian en un anioacuten anfiacutefilo y un catioacuten el cual es en general
un metal alcalino o un grupo alquiacutelico A este tipo pertenecen los detergentes sinteacuteticos como
los alquil benceno sulfonatos los jabones (sales de sodio de aacutecidos grasos) los agentes
espumantes como el lauril sulfato los humectantes del tipo sulfosuccinato los dispersantes
del tipo lignosulfonatos etc La produccioacuten de los surfactantes anioacutenicos representa
alrededor del 55 de los surfactantes producidos anualmente en el mundo FIRP 303
Los surfactantes no ioacutenicos estaacuten en el segundo rango por orden de importancia con un poco
menos del 40 del total En solucioacuten acuosa no se ionizan puesto que ellos poseen grupos
hidroacutefilos del tipo alcohol fenol eacutester eacuteter o amida Una alta proporcioacuten de estos
surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofiacutelicos gracias a la presencia de una cadena
polieacuteter del tipo polioacutexido de etileno El grupo hidroacutefobo es generalmente un radical alquilo
o alquil benceno y a veces una estructura de origen natural como un aacutecido graso sobre todo
cuando se requiere una baja toxicidad
34
Los surfactantes catioacutenicos se disocian en solucioacuten acuosa en un catioacuten orgaacutenico anfiacutefilo y
un anioacuten generalmente del tipo halogenuro La gran mayoriacutea de estos surfactantes son
compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario La fabricacioacuten
de estos surfactantes es mucho maacutes cara que la de los anteriores y es por esta razoacuten que no
se les utilizan salvo en caso de aplicacioacuten particular como cuando se hace uso de sus
propiedades bactericidas o de su facilidad de adsorcioacuten sobre sustratos bioloacutegicos o inertes
que poseen una carga negativa
Esta uacuteltima propiedad hace que sean excelentes agentes antiestaacuteticos hidrofobantes asiacute
como inhibidores de corrosioacuten [24] y puedan ser utilizados tanto en productos industriales
como para uso domeacutestico
La combinacioacuten dentro de una misma moleacutecula de dos caracteres anioacutenico y catioacutenico
producen un surfactante llamado anfoacutetero o zwitterioacutenico como por ejemplo los
aminoaacutecidos las betaiacutenas o los fosfoliacutepidos ciertos anfoacuteteros son insensibles al pH otros
son de tipo catioacutenico a pH aacutecido y de tipo anioacutenico a pH alto Los anfoacuteteros son en general
tan caros como los catioacutenicos y por esta razoacuten su utilizacioacuten se reduce a aplicaciones
particulares
152 Propiedades de los surfactantes
Los surfactantes poseen dos propiedades fundamentales que permiten explicar las
caracteriacutesticas de su utilizacioacuten actividad superficial o interfacial adsorcioacuten y asociacioacuten
micelar
1511 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacuten
Cuando un surfactante estaacute presente a baja concentracioacuten en un sistema tiene la propiedad
de adsorberse en la superficie (liacutequido-gas) o en la cara interfacial (liacutequido-liacutequido) del
sistema Este fenoacutemeno que es debido a sus caracteriacutesticas anfifiacutelicas provoca una
disminucioacuten notable de la energiacutea libre superficial o interfacial
35
La energiacutea libre de la moleacutecula en la cara interfacial es inferior a la de la moleacutecula
solubilizada en la fase acuosa por tanto la transferencia desde el seno de la fase hacia la cara
interfacial llamada adsorcioacuten se realiza de manera espontaacutenea
La disminucioacuten de la tensioacuten interfacial provocada por la adsorcioacuten del surfactante favorece
la deformacioacuten y la ruptura de la cara interfacial la formacioacuten de sistemas dispersos como
las emulsiones y las espumas la movilizacioacuten del petroacuteleo residual en pozos entre otros [26]
1512 Micelas y asociacioacuten micelar
En soluciones diluidas el surfactante se encuentra en el seno del liacutequido bajo la forma de
solucioacuten molecular A partir de cierta concentracioacuten llamada concentracioacuten micelar criacutetica
(CMC) la fase acuosa se satura y la adicioacuten de maacutes moleacuteculas de surfactante provoca la
formacioacuten de agregados de tipo coloidal llamadas micelas [21]
Estos agregados pueden reunir entre decenas y centenas de moleacuteculas y su dimensioacuten y
estructura dependen de la estructura y del ambiente fisicoquiacutemico del surfactante La
tendencia liofoacutebica de una parte de la moleacutecula surfactante es el principal promotor de la
formacioacuten de las micelas en las cuales el surfactante alcanza una posicioacuten favorable para
satisfacer su doble afinidad
Generalmente se presenta a una micela como una entidad estaacutetica sin embargo las micelas
son agregados moleculares en equilibrio dinaacutemico con las moleacuteculas de surfactante dispersas
en el disolvente [19] De hecho se puede citar que ocurren dos procesos baacutesicos i) intercambio
de las micelas con las moleacuteculas de surfactante en el disolvente y con otras micelas que
ocurre en microsegundos o milisegundos y ii) la renovacioacuten real de una micela completa por
este proceso (de milisegundos a segundos)
Cuando el medio continuo estaacute formado por una sustancia no polar (denominado
geneacutericamente aceite aunque su estructura quiacutemica no corresponda a este nombre) se
forman las llamadas micelas inversas Ahora las cabezas polares estaacuten orientadas hacia el
interior de la micela y estaacuten en contacto con agua o alguna otra sustancia polar mientras que
las colas hidrocarbonadas se dirigen hacia el exterior de la micela (en contacto con el
36
disolvente apolar) como se muestra en la figura 116 Estos sistemas son mucho maacutes
complejos que los formados por las micelas normales tienen valores propios para la CMC y
nuacutemero de agregacioacuten aunque su tamantildeo y forma es similar al de las micelas normales
Figura 116 Tipos de micela A) micela normal B) micela inversa
El tamantildeo de una micela esfeacuterica estaacute determinado por el equilibrio entre las fuerzas de
atraccioacuten entre las colas hidrocarbonadas entre siacute (realmente se debe a que las moleacuteculas de
agua tienden a expulsar a las moleacuteculas hidrofoacutebicas de su contacto) y las fuerzas de repulsioacuten
electrostaacutetica de las cabezas polares (ayudada por efectos esteacutericos y de hidratacioacuten)
Mediante estudios de difraccioacuten de neutrones a aacutengulo pequentildeo se ha determinado la
estructura de una micela esfeacuterica el nuacutecleo es hidrocarbonado los grupos polares junto con
algunos contraiones (iones de carga opuesta al de la cabeza polar del surfactante) constituyen
la capa ioacutenica de Stern con un espesor de 02 a 04 nm y una capa difusa de Gouy-Chapman
mostrado en la figura 117
37
Figura 117 Comportamiento estaacutetico micelar
A concentraciones de surfactante ligeramente mayores que la CMC las micelas son esfeacutericas
al aumentar la concentracioacuten ciertas propiedades de la disolucioacuten indican un cambio en la
estructura de los agregados micelares Esto se debe probablemente a interacciones entre las
micelas Incrementando la concentracioacuten las micelas adoptan formas ciliacutendricas o lamelares
o en algunos casos de discos A concentraciones superiores pueden ocurrir transiciones de
fase de solucioacuten micelar a cristales liacutequidos
Algunas de las caracteriacutesticas que hacen atractivas a las micelas para aplicaciones analiacuteticas
son la existencia de la capa ioacutenica de Stern (en micelas ioacutenicas) la orientacioacuten anisotroacutepica
(o grado de ordenamiento) del nuacutecleo de la micela el ordenamiento de la interfaz micelar
debido a la carga y a las interacciones con el disolvente y a la diferencia de polaridad entre
el disolvente y el interior micelar
Muchas propiedades fiacutesicas de las soluciones de surfactante (conductividad tensioacuten
superficial densidad etc) cambian de manera notable en la CMC Comuacutenmente la CMC se
obtiene por la interseccioacuten de dos curvas que representan una propiedad fiacutesica determinada
de la solucioacuten una curva representa la propiedad fiacutesica a concentraciones inferiores a la CMC
y la otra representa la propiedad fiacutesica a concentraciones superiores [10]
38
16 Emulsiones
Las emulsiones son sistemas dispersos constituidos por dos liacutequidos inmiscibles en los cuales
la fase en suspensioacuten (fase interna o dispersa) se encuentra en forma de pequentildeas gotas
contenida en la fase externa (fase continua o dispersante) como se muestra en la figura 118
La estructura de las emulsiones estaacute estabilizada por un agente surfactante llamado
emulsionante Por definicioacuten una emulsioacuten es un sistema termodinaacutemicamente inestable y
tarde o temprano debe separarse en sus dos fases [19]
Figura 118 Micrografiacutea de una emulsioacuten WO
La nocioacuten de estabilidad es por supuesto relativa pero se refiere a una casi ausencia de
cambio durante un periacuteodo de tiempo suficientemente largo para el propoacutesito de la aplicacioacuten
praacutectica lo cual puede variar de algunos minutos a algunos antildeos
Las cantidades relativas de fase dispersa y fase continua (referidas tambieacuten como fase interna
y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades Por debajo de 20 de fase
interna se habla de una emulsioacuten de bajo contenido de fase interna En tales emulsiones se
puede considerar que hay poca interaccioacuten de las gotas entre siacute
39
161 Tipos de emulsiones
En la mayoriacutea de los casos en los cuales se hace una emulsioacuten con dos liacutequidos
inmiscibles uno de los liacutequidos es una fase acuosa y el otro una fase aceite u orgaacutenica Se
usan las abreviaturas O para el aceite y W para el agua siguiendo la nomenclatura
anglosajona Las emulsiones se clasifican [26]
Aceite en agua (OW) Esta emulsioacuten contiene gotas de aceite dispersadas en agua
es la emulsioacuten normal para todas las aplicaciones con excepcioacuten de la produccioacuten de
petroacuteleo en la cual se denomina emulsioacuten inversa
Agua en aceite (WO) En esta emulsioacuten la fase dispersa es el agua mientras que la
continua es el aceite esta es la emulsioacuten normal en la industria petrolera y la inversa
para todas las demaacutes aplicaciones
Agua en aceite en agua (WOW) Cuando las gotas de aceite de una emulsioacuten OW
contienen en su interior gotitas de agua se dice que se tiene una emulsioacuten muacuteltiple
del tipo WOW Las emulsiones muacuteltiples se encuentran en forma espontaacutenea en
ciertas circunstancias o pueden prepararse al propoacutesito
Aceite en agua en aceite (OWO) Este tipo de emulsioacuten no se encuentra con
frecuencia y estaacute constituida por una fase continua de aceite con gotas dispersas de
agua en su interior las cuales a su vez contienen pequentildeiacutesimas gotas de la fase
aceitosa
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleo
Durante las operaciones de extraccioacuten del petroacuteleo la mezcla bifaacutesica de petroacuteleo y agua se
desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden de 1 piediacutea lo que es insuficiente
para que se forme una emulsioacuten Sin embargo al pasar por todo el aparataje de produccioacuten
durante el levantamiento y el transporte en superficie (bombas vaacutelvulas codos restricciones
etc) se produce la agitacioacuten suficiente para que el agua se disperse en el petroacuteleo en forma
de emulsioacuten WO estabilizada por las especies de actividad interfacial presentes en el crudo
(asfaacuteltenos y resinas) y por soacutelidos
40
Existen tres requisitos esenciales para formar una emulsioacuten
Dos liacutequidos inmiscibles como el agua y el aceite
Suficiente agitacioacuten para dispersar uno de los liacutequidos en pequentildeas gotas en el otro
Un agente emulsionante para estabilizar las gotas dispersas en la fase continua
En los campos petroleros las emulsiones se conocen como emulsiones directas (agua
en aceite WO) y emulsiones indirectas (aceite en agua OW) Otra terminologiacutea en la
industria petrolera es clasificar las emulsiones directas producidas como duras y suaves Por
definicioacuten una emulsioacuten dura es muy estable y difiacutecil de romper principalmente porque las
gotas dispersas son muy pequentildeas Por otro lado una emulsioacuten suave es inestable y faacutecil de
romper En otras palabras cuando un gran nuacutemero de gotas de agua de gran diaacutemetro estaacuten
presentes ellas a menudo se separan faacutecilmente por la fuerza gravitacional El agua que se
separa en menos de cinco minutos es llamada agua libre
La mejor forma de deshidratar es evitar que se produzca la emulsioacuten o por lo menos
reducir al maacuteximo las condiciones que favorezcan el emulsionado
En pozos fluyentes una agitacioacuten considerable es generalmente causada por el gas
disuelto saliendo de la solucioacuten (el gas se desorbe) conforme decrece la presioacuten Este gas
tambieacuten causa turbulencia cuando fluye junto con la mezcla bifaacutesica agua-aceite a traveacutes de
accesorios y restricciones en la tuberiacutea de produccioacuten pasa por supuesto lo mismo cuando
se utiliza el levantamiento con gas Esta turbulencia puede ser reducida pero no eliminada
instalando un estrangulador de fondo Este estrangulador reduce la estabilidad de la emulsioacuten
por las siguientes causas
Hay menos presioacuten diferencial
La temperatura de fondo de pozo es considerablemente maacutes alta que la temperatura
en la superficie
Hay flujo laminar para una gran distancia corriente abajo del estrangulador de fondo
y por lo tanto menos turbulencia
Actualmente el 90 de las teacutecnicas utilizadas para la extraccioacuten de petroacuteleo crudo
generan o agravan los problemas de emulsionado Los quiacutemicos usados en las fracturas de la
41
formacioacuten estimulaciones de pozos inhibicioacuten de corrosioacuten etc frecuentemente causan
severos problemas de emulsionaje por lo que existen meacutetodos para romperlas tales como el
calentamiento aditivos quiacutemicos tratamiento eleacutectrico y asentamiento En los casos de bajo
contenido de agua (lt 10) resulta ventajoso antildeadir agua en fondo de pozo antes que se
produzca la emulsioacuten porque asiacute la emulsioacuten formada seraacute menos estable (el tamantildeo de gotas
aumenta y se favorece la coalescencia [22]
163 Agentes emulsionantes
Los agentes emulsionantes son numerosos y pueden ser clasificados
Compuestos naturales surfactantes tales como asfaltenos y resinas conteniendo
aacutecidos orgaacutenicos y bases aacutecidos nafteacutenicos aacutecidos carboxiacutelicos compuestos de
azufre fenoles cresoles y otros surfactantes naturales de alto peso molecular
Soacutelidos finamente divididos tales como arena arcilla finos de formacioacuten esquistos
lodos de perforacioacuten fluidos para estimulacioacuten incrustaciones minerales productos
de la corrosioacuten (por ejemplo sulfuro de hierro oacutexidos) parafinas asfaltenos
precipitados Los fluidos para estimulacioacuten de pozos pueden contribuir a formar
emulsiones muy estables
Quiacutemicos de produccioacuten antildeadidos tales como inhibidores de corrosioacuten biocidas
limpiadores surfactantes y agentes humectantes
Estos agentes pueden adsorberse en la interfase de la gota de agua y formar una peliacutecula
riacutegida que resulta en una alta estabilidad de la emulsioacuten WO formada lo cual ocurre en
menos de tres diacuteas Es por eso que la emulsioacuten debe tratarse lo maacutes pronto posible con
diferentes agentes tales como quiacutemica deshidratante calor sedimentacioacuten por
centrifugacioacuten o electrocoalescencia [26]
42
164 Estabilidad de una emulsioacuten
La peliacutecula interfacial formada estabiliza la emulsioacuten debido a que
Aumenta la tensioacuten interfacial Por lo general para emulsiones de crudo la tensioacuten
interfacial se encuentra en el intervalo de 30 a 36 mN m-1 Asiacute mismo la presencia
de sales aumenta la tensioacuten interfacial
Forma una barrera viscosa que inhibe la coalescencia de las gotas
Si el surfactante o partiacutecula adsorbida en la interfase es polar su carga eleacutectrica
provoca que se repelan unas gotas de otras
Otro mecanismo de estabilizacioacuten ocurre cuando los emulsionantes son partiacuteculas soacutelidas
muy finas Para ser agentes emulsionantes las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes pequentildeas que
las gotas suspendidas y deben ser mojadas por el aceite y el agua Luego estas finas partiacuteculas
soacutelidas o coloides (usualmente con surfactantes adheridos a su superficie) se colectan en la
superficie de la gota y forman una barrera fiacutesica Algunos de estos soacutelidos son el sulfuro de
hierro y la arcilla [14]
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacuten
La estabilidad y rompimiento de una emulsioacuten depende de varios factores
Tensioacuten interfacial Una reduccioacuten de la tensioacuten interfacial no aumenta la estabilidad
de la emulsioacuten Se ha encontrado que los sistemas de tensioacuten ultrabaja producen
emulsiones inestables
Viscosidad de la fase externa Una viscosidad alta en la fase externa disminuye el
coeficiente de difusioacuten y la frecuencia de colisioacuten de las gotas por lo que se
incrementa la estabilidad de la emulsioacuten Una alta concentracioacuten de las gotas tambieacuten
incrementa la viscosidad aparente de la fase continua y estabiliza la emulsioacuten Este
efecto puede ser minimizado calentando la emulsioacuten
Tamantildeo de la gota Gotas muy pequentildeas menores de 10 microm generalmente producen
emulsiones maacutes estables Una amplia distribucioacuten de tamantildeos de partiacuteculas resulta en
general en una emulsioacuten menos estable
43
Relacioacuten de volumen de fases Incrementando el volumen de la fase dispersa se
incrementa el nuacutemero de gotas yo tamantildeo de gotas y el aacuterea interfacial La distancia
de separacioacuten se reduce y esto aumenta la probabilidad de colisioacuten de las gotas Todos
estos factores reducen la estabilidad de la emulsioacuten
Temperatura Usualmente la temperatura tiene un efecto muy fuerte en la estabilidad
de la emulsioacuten Incrementando la temperatura se reduce la adsorcioacuten de surfactantes
naturales y disminuye la viscosidad de la fase externa la rigidez de la peliacutecula
interfacial y la tensioacuten superficial Todos estos cambios reducen la estabilidad de la
emulsioacuten
pH La adicioacuten de aacutecidos o bases inorgaacutenicos cambia radicalmente la formacioacuten de
peliacuteculas de asfaltenos y resinas que estabilizan las emulsiones agua-aceite
Envejecimiento de la interfase A medida que la interfase envejece la adsorcioacuten de
los surfactantes se completa y debido a las interacciones laterales entre las moleacuteculas
aumenta la rigidez de la peliacutecula hasta un valor estable en unas 3 o 4 horas Esta
peliacutecula o piel alrededor de la gota llega a ser maacutes gruesa maacutes fuerte y maacutes dura
Ademaacutes la cantidad de agentes emulsionantes se incrementa por oxidacioacuten fotoacutelisis
evaporacioacuten o por la accioacuten de bacterias
Salinidad de la salmuera La salinidad de la salmuera es un factor importante en la
formacioacuten de emulsiones estables Agua fresca o salmuera con baja concentracioacuten de
sal favorecen la estabilidad de las emulsiones Por el contrario altas concentraciones
de sal tienden a reducirla
Tipo de aceite Los crudos de base parafiacutenica usualmente no forman emulsiones
estables mientras que los crudos nafteacutenicos y de base mixta forman emulsiones
estables Ceras resinas asfaltenos y otros soacutelidos pueden influenciar la estabilidad
de la emulsioacuten En otras palabras el tipo de crudo determina la cantidad y tipo de
emulsionantes naturales
Diferencia de densidad La fuerza neta de gravedad que actuacutea en una gota es
directamente proporcional a la diferencia en densidades entre la gota y la fase
continua Aumentando la diferencia de densidad por incremento de la temperatura se
logra aumentar la velocidad de sedimentacioacuten de las gotas y por ende se acelera la
coalescencia
44
Capiacutetulo II
Metodologiacutea
45
La metodologiacutea usada en este proyecto se ilustra en la figura 21 la cual abarca desde la
preparacioacuten de las rocas carbonatadas hasta las pruebas de dispersioacuten de luz dinaacutemica y
potencial zeta con las cuales se concluyoacute este trabajo
Figura 21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyecto
Preparacioacuten de rocas carbonatadas (Pulido)
Caracterizacioacuten de las rocas carbonatadas por Espectroscopiacutea FTIR UV-vis SEMEDX
Preparacioacuten de emulsioacuten WO (7030) aplicando 500 y 800 mg L-1
de S(I) y S(II)
Imbibicioacuten espontaacutenea de roca de yacimiento
Pruebas tensiometricas de crudo emulsionado sobre roca
(Metodo de gota seacutesil)
Extraccioacuten de asfaltenos
Impregnacioacuten y caracterizacioacuten de asfaltenos sobre roca carbonatada
DLS de roca impreganada de asfaltenos
Potencial Zeta de roca impregnada de asfaltenos
46
21 Reactivos utilizados en el proyecto
En la tabla 21 se enlistan los reactivos utilizados en el desarrollo del proyecto
Tabla 21 Reactivos empleados en el proyecto
Reactivo Pureza Marca CAS
Acetona 999 Sigma-Aldrich 67-64-1
Heptano 95 Sigma-Aldrich 142-82-5
Tolueno 999 Sigma-Aldrich 108-99-3
Ciclohexano 99 Sigma-Aldrich 110-82-7
Nitrato de sodio 99 Sigma-Aldrich 7631-99-4
Cloruro de Sodio 99 Sigma-Aldrich 7647-14-5
Carbonato de calcio 99 Sigma-Aldrich 471-34-1
Sulfato de Magnesio 995 Sigma-Aldrich 7487-88-9
Agua desionizada 995 Sigma-Aldrich 7732-18-5
En la tabla 22 se muestran la nomenclatura de los surfactantes empleados en la
experimentacioacuten los cuales son de naturaleza catioacutenica debido a la propiedad de absorberse
sobre sustratos cargados negativamente
Tabla 22 Surfactantes utilizados en la experimentacioacuten
22 Sistemas de estudio
Clave Nombre surfactante Estructura
S1
P-toluensulfonato de 1-
metil-3-hexilimidazolio
[1M3HIMPTSO3]
S2
Cloruro de 1-metil-3-etil-
p-toluensulfonilimidazolio
[1M3EPTSO3IMCl]
CH3
N
N+
CH3
CH3
S
O
O
O-
CH3S
O
O
O
CH3
N
N+
Cl-
47
221 Agua congeacutenita
Se obtuvo una muestra de agua congeacutenita del petroacuteleo Aguacate 72 la cual fue proporcionada
por el Instituto Mexicano del Petroacuteleo Dicha muestra fue caracterizada por Espectroscopiacutea
de infrarrojo de Fourier con la finalidad de conocer los grupos funcionales presentes en la
misma
221 Salmuera
Se preparoacute a partir de una mezcla de 3 sales caracteriacutesticas de cualquier salmuera natural en
la siguiente proporcioacuten 30 de carbonato de calcio (CaCO3) 50 de cloruro de sodio
(NaCl) y 20 de sulfato de magnesio (MgSO4) Tomando como referencia 100 mL se pesoacute
1 gramo de mezcla de sales y se diluyoacute en agua desionizada posteriormente se realizaron
diluciones hasta obtener una concentracioacuten de 100 mg L-1
222 Extraccioacuten de asfaltenos
Se pesaron 10 g de crudo y se disolvieron en 40 mL de heptano posteriormente se aplicoacute
agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas Tras este periodo se dejoacute en reposo el sistema durante
24 horas Finalmente la solucioacuten se filtroacute aplicando vaciacuteo y exceso de heptano para arrastrar
los restos de compuestos no asfalteacutenicos contenidos en el producto
223 Impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada
Se preparoacute una muestra con la siguiente proporcioacuten 15 g de asfaltenos (30) y 35 g de
roca carbonatada (70) los cuales fueron agregados a 50 mL de Ciclohexano contenidos en
un matraz como se muestra en la figura 22 Se realizoacute agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas
posteriormente se realizoacute una filtracioacuten a vaciacuteo El producto obtenido se secoacute en una estufa a
100degC con un tiempo de secado de 24 horas
48
Figura 22 Muestra de roca carbonatada y asfaltenos
23 Disentildeo de experimentos
Se prepararon emulsiones con una proporcioacuten de 7030 (WO donde W corresponde al agua
siendo en nuestro caso de estudio agua congeacutenita oacute salmuera y O corresponde al crudo)
utilizando crudo Aguacate del pozo 72 manejando 10 g totales de muestra los cuales fueron
depositados en recipientes de plaacutestico de 20 mL ademaacutes de ser sometidas a agitacioacuten
continua con una espaacutetula por 20 minutos con el fin de formar la emulsioacuten
El petroacuteleo utilizado en el proyecto tiene las siguientes caracteriacutesticas
Densidad 09696 g cm-3
1440 grados API
2166 Saturados 3057 Aromaacuteticos 2435 Resinas y 2341 Asfaltenos
El disentildeo experimental es presentado en la tabla 23 se trabajoacute con 2 diferentes surfactantes
(S2 y S3) y estos se agregaron a las diferentes emulsiones WO usando concentraciones de
500 mg L-1 y 800 mg L-1 realizaacutendose micrografiacuteas de las emulsiones antes y despueacutes de
agregar el surfactante posteriormente se realizoacute el anaacutelisis tensiomeacutetrico de cada emulsioacuten
finalizando con el estudio dispersivo de los asfaltenos por Dispersioacuten de Luz dinaacutemica (DLS)
y Potencial Zeta
49
Tabla 23 Disentildeo de experimentos
Experimento Q1 O1 SX C(mg L-1)
Roca Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Experimento Q1 O1 SX C(ppm)
Roca Impregnada Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
50
24 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
241 Espectroscopiacutea de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)
Las teacutecnicas espectroscoacutepicas se fundamentan en la interaccioacuten de la materia con la
radiacioacuten Esta interaccioacuten provoca procesos como la absorcioacuten o la difusioacuten (scattering)
Cuando una moleacutecula absorbe o emite un fotoacuten su estado energeacutetico cambia En general
este cambio se manifiesta como una variacioacuten en la energiacutea traslacional de la moleacutecula y
como una modificacioacuten en su estado electroacutenico vibracional o rotacional Como las energiacuteas
asociadas a cada uno de estos cambios son muy diferentes cada uno de estos procesos se
puede tratar de manera independiente Exceptuando los cambios traslacionales los estados
energeacuteticos de las moleacuteculas estaacuten cuantizados consecuentemente los procesos de absorcioacuten
y emisioacuten soacutelo pueden darse a determinadas frecuencias de los fotones Para cada moleacutecula
dada su espectro de adsorcioacutenemisioacuten constituye una huella de la misma Las absorciones
que se producen en la regioacuten espectral del infrarrojo involucran energiacuteas mucho maacutes
pequentildeas comparadas con las energiacuteas de absorcioacuten relacionadas con la estructura electroacutenica
de la moleacutecula (ultravioleta y visible)
Sin embargo no todas las vibraciones yo rotaciones producen una absorcioacuten de radiacioacuten
incidente Soacutelo los modos vibracionales y rotacionales de moleacuteculas con momento bipolar
diferente de cero o bien aquellos modos que induzcan un momento diferente de cero en la
moleacutecula son activos al infrarrojo Para que exista un espectro rotacional activo en el
infrarrojo se requiere que la moleacutecula sea polar mientras que para tener un espectro
vibracional activo en el infrarrojo basta que el movimiento vibracional de los aacutetomos de la
moleacutecula induzca un momento bipolar no nulo [28]
En un interferoacutemetro Michelson el haz de radiacioacuten que viene de la fuente se divide mediante
un espejo semipermeable (beamsplitter) en dos haces parciales que se reflejan en sendos
espejos uno fijo y otro moacutevil vuelven al beamsplitter y se recombinan en interferencia Un
desplazamiento del espejo moacutevil cambia el camino oacuteptico en ese brazo del interferoacutemetro
51
introduciendo una diferencia de fase entre los haces y por tanto un cambio en la amplitud de
la interferencia La intensidad de sentildeal que llega al detector tras atravesar la muestra
representada como funcioacuten de la diferencia en la trayectoria de ambos haces (retardo) es lo
que se llama interferograma Con una radiacioacuten monocromaacutetica se obtiene una sentildeal coseno
que en el caso de caminos oacutepticos ideacutenticos en ambos brazos proporciona una interferencia
constructiva sin diferencia de fase entre los haces y por tanto una intensidad maacutexima El
resultado es un interferograma (intensidad en funcioacuten del tiempo) la cual se convierte viacutea un
algoritmo matemaacutetico (transformada de Fourier) en un diagrama de Intensidad en funcioacuten de
la frecuencia (espectro)
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro FTIR de marca Perkin Elmer Spectrum One donde se
analizoacute la roca carbonatada de yacimiento Para la identificacioacuten de los grupos funcionales
se trabajoacute con un intervalo espectral de 4000 a 380 cm-1 utilizando 12 barridos
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)
El espectro Ultravioleta y Visible de las moleacuteculas estaacute asociado a transiciones electroacutenicas
entre los diferentes niveles energeacuteticos en ciertos grupos o aacutetomos de la moleacutecula En
contraste la absorcioacuten de energiacutea en la regioacuten Infrarroja estimulan la moleacutecula completa y
causa cambios vibracionales y rotacionales en esta lo cual caracteriza la entidad estructural
de dicha moleacutecula Los grupos de aacutetomos que dan origen a la absorcioacuten en el UV cercano o
UV de cuarzo se conocen como grupos cromoacuteforos La mayoriacutea de los grupos insaturados y
heteroatoacutemicos que tienen pares de electrones no compartidos son cromoacuteforos potenciales y
estos grupos son la base de la elucidacioacuten de grupos estructurales en las moleacuteculas activas en
el UV cercano
Cuando dos aacutetomos forman un enlace quiacutemico los orbitales atoacutemicos de cada uno de ellos
se combinan para formar dos orbitales moleculares uno de baja energiacutea que es el orbital
enlazante y otro de energiacutea mayor que es el orbital antienlazante Los enlaces covalentes que
se originan entre los orbitales de dos aacutetomos que se enlazan quiacutemicamente pueden ser de dos
tipos y se conocen como enlaces σ y enlaces π
52
Al efectuarse dicho enlace covalente se forman simultaacuteneamente orbitales antienlazantes σ
en el caso de un orbital molecular enlazante σ y π en el caso de un orbital molecular
enlazante p La absorcioacuten de energiacutea radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones
σ oacute π resulta en la excitacioacuten de eacutestos los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales
antienlazantes La absorcioacuten de radiacioacuten Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas
transiciones
Un espectro ultravioleta-visible es esencialmente un graacutefico de absorbancia de luz frente a
una longitud de onda en el rango del ultravioleta o la luz visible para una determinada
sustancia puede hacerse un graacutefico estaacutendar del coeficiente de extincioacuten (ε) frente a la
longitud de onda (λ) Las longitudes de onda de los picos de absorcioacuten pueden
correlacionarse con los tipos de enlace en una determinada moleacutecula y son valiosos para
determinar los grupos funcionales dentro de la moleacutecula La absorcioacuten UV-Vis no es sin
embargo una prueba especiacutefica para ninguacuten compuesto determinado La naturaleza del
disolvente el pH de la solucioacuten la temperatura la concentracioacuten de electrolitos y la
presencia de sustancias interferentes pueden influir en los espectros de absorcioacuten de los
compuestos asiacute como las variaciones de ancho de banda [29]
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro UV-vis de marca Cintral 303 GBC en donde se analizaron
los compuestos sintetizados Para la identificacioacuten de los grupos funcionales se trabajoacute con
una celda de 10 mm de espesor en un intervalo espectral de 800 a 200 nm Se preparoacute una
solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano a una concentracioacuten de 100 mg L-1 asiacute como
soluciones de roca impregnada de crudo en ciclohexano a diferentes concentraciones (100
50 30 20 10 5 3 y 1 mg L-1)
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
El Microscopio electroacutenico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscopy) es una
teacutecnica que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen
ampliada de la superficie de un objeto Es un instrumento que permite la observacioacuten y
caracterizacioacuten superficial de soacutelidos inorgaacutenicos y orgaacutenicos Tiene una gran profundidad
53
de campo la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra Eacutesta teacutecnica
brinda informacioacuten topograacutefica sobre la superficie de material analizado y el anaacutelisis EDX
proporciona informacioacuten sobre su composicioacuten quiacutemica [30]
Esta teacutecnica esencialmente consiste en hacer incidir en la muestra un haz de electrones Este
bombardeo de electrones provoca la aparicioacuten de diferentes sentildeales que captadas con
detectores adecuados nos proporcionan informacioacuten acerca de la naturaleza de la muestra
La sentildeal de electrones secundarios proporciona una imagen de la morfologiacutea superficial de
la muestra La sentildeal de los electrones retrodispersados muestra una imagen cualitativa de
zonas con distinto nuacutemero atoacutemico medio y la sentildeal de rayos X presenta los espectros e
imaacutegenes acerca de la composicioacuten de elementos quiacutemicos en la muestra
25 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten espontaacutenea de la fase mojante sobre la superficie de una roca consiste en la
absorcioacuten de la misma en su superficie tan pronto como existe contacto entre dicha fase y el
soacutelido sin requerirse de la accioacuten de un trabajo externo para realizarse lo cual tambieacuten se
conoce como la succioacuten capilar de esta fase en el medio poroso es decir es un proceso que
consiste en el ingreso de la fase mojante en los poros de la roca por efecto de las fuerzas
capilares [10]
En este proceso se utiliza una Celda de Amott el cual es un contenedor ciliacutendrico conceacutentrico
de vidrio en cuya parte central se colocan el material que seraacute saturado por la fase mojante
y en la capucha externa se introduce liacutequido refrigerante para mantener la temperatura
constante dentro de la celda
Para la experimentacioacuten se utilizaron 3 rocas carbonatadas que fueron introducidas en una
celda de Amott de 500 mL Posteriormente se llenoacute la parte interna de la celda con petroacuteleo
crudo y la capucha externa con refrigerante La celda se colocoacute en un bantildeo de aceite a 65degC
durante 7 diacuteas En la figura 23 se observa el montaje del equipo para el proceso de
imbibicioacuten
54
Figura 23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacuten
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
Este meacutetodo experimental es usado para determinar el aacutengulo de contacto existente en un
sistema bifaacutesico Consiste en la colocacioacuten de una gota sobre una superficie soacutelida
posteriormente el equipo realiza el caacutelculo de paraacutemetros propios de la gota como radio y
diaacutemetro los cuales son fundamentales sustituidos en las ecuaciones de tensioacuten superficial
[10]
Para la experimentacioacuten se emplearon 8 rocas carbonatadas de yacimiento las cuales fueron
previamente pulidas para generar una superficie lisa obseacutervese la figura 24 Posteriormente
se colocoacute la emulsioacuten preparada en la jeringa para estudio tensiomeacutetrico por accioacuten
gravitacional el fluido descendioacute provocando la formacioacuten de una gota la cual se fija en la
roca La caacutemara del tensioacutemetro detecta el aacutengulo y la forma de la gota asiacute como su
deformacioacuten con el paso del tiempo
55
Figura 24 Roca carbonatada previamente pulida
Asiacute mismo se realizoacute la medicioacuten del aacutengulo de contacto para las rocas imbibidas en crudo
(figura 25) soacutelo difiriendo en la fase mojante la cual se trataba en un primer experimento
de la salmuera o del agua congeacutenita y posteriormente se adicionaron los dos surfactantes a
500 y 800 mg L-1
Figura 25 Roca carbonatada imbibida de petroacuteleo
Se utilizoacute un tensioacutemetro de la marca Attension modelo Theta Lite 101 (figura 26) en donde
se analizaron los sistemas de estudio mencionados anteriormente empleando el meacutetodo de
gota seacutesil
Figura 26 Tensioacutemetro Attension Theta Lite 101
56
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemica
La dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS) a la que a veces se hace referencia como dispersioacuten de
luz cuasi elaacutestica (QELS) es una teacutecnica no invasiva y bien establecida para medir el tamantildeo
y distribucioacuten de tamantildeo de moleacuteculas partiacuteculas y agregados tiacutepicamente en la regioacuten
submicromeacutetrica y con la uacuteltima tecnologiacutea inferiores a 1 μm
Las aplicaciones tiacutepicas de la dispersioacuten de luz dinaacutemica son la caracterizacioacuten de partiacuteculas
emulsiones o moleacuteculas que se han dispersado o disuelto en un liacutequido El movimiento
Browniano de las partiacuteculas o moleacuteculas en suspensioacuten hace que la luz laacuteser se disperse en
diferentes intensidades [31] Con el anaacutelisis de estas fluctuaciones en la intensidad se obtiene
la velocidad del movimiento Browniano y por lo tanto del tamantildeo de partiacutecula mediante la
relacioacuten de Stokes-Einstein (figura 27)
Figura 27 Diagrama de funcionamiento de Dispersioacuten de luz dinaacutemica
A diferencia de la dispersioacuten de luz estaacutetica para determinar el tamantildeo de las partiacuteculas y
agregados la dispersioacuten de luz dinaacutemica no tiene en cuenta la dependencia del aacutengulo sino
la variacioacuten de la intensidad de dispersioacuten en el tiempo debido a la aglomeracioacuten de las
partiacuteculas con respecto al tiempo teniendo un efecto de sedimentacioacuten que provoca un
caacutelculo erroacuteneo de la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
Esta teacutecnica fisicoquiacutemica se utiliza para determinar el perfil de distribucioacuten de tamantildeos de
partiacuteculas pequentildeas en suspensioacuten mediante una fuente monocromaacutetica que pasa a traveacutes de
un polarizador y la muestra La luz dispersada pasa posteriormente a traveacutes de un segundo
57
polarizador donde es recogido por un fotomultiplicador y se obtiene una intensidad de
dispersioacuten determinada [32]
Para la experimentacioacuten se preparoacute la solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano con una
concentracioacuten de 100 mg L-1 se llevoacute a sonicacioacuten durante 15 minutos posteriormente se
colocaron 3 mL de la muestra en la celda y se realizoacute su anaacutelisis Asiacute mismo se estudiaron
las soluciones de roca impregnada en ciclohexano y la aplicacioacuten de los surfactantes sobre
las mismas a 500 y 800 mg L-1
Se utilizoacute un equipo de la marca Malvern modelo Zetasizer en donde se analizaron los
sistemas de estudio mencionados anteriormente
28 Potencial Zeta
El potencial zeta es una propiedad que mide el potencial electrocineacutetico en sistemas
coloidales en la quiacutemica coloidal se denota por lo general con la letra griega zeta Desde un
punto de vista fiacutesico el potencial zeta es el potencial eleacutectrico en la doble capa interfacial es
decir que es el punto donde se unen la capa difusa y la de Stern Tambieacuten el potencial zeta es
la diferencia de potencial entre el medio de dispersioacuten y la capa estacionaria unido a la
partiacutecula dispersada []
Las partiacuteculas coloidales dispersas en una solucioacuten estaacuten cargadas eleacutectricamente gracias a
sus caracteriacutesticas ioacutenicas y de bipolaridad El desarrollo de una red de carga eleacutectrica en la
superficie de la partiacutecula puede afectar la distribucioacuten de iones en una regioacuten interfacial
vecina y provocar un aumento de la concentracioacuten de iones contados (iones de carga
contraria a las partiacuteculas) cerca de la superficie tal como se muestra en la figura 27
58
Figura 27 Interacciones entre las partiacuteculas tras la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica [33]
Cada partiacutecula dispersa en una solucioacuten se rodea de iones cargados con carga opuesta que se
denomina capa fija Fuera de esta capa fija existen distintas composiciones de iones de
polaridad opuesta formando un aacuterea nebulosa De esta manera se crea una capa doble
eleacutectrica en la regioacuten de interfase partiacutecula- liacutequido
La medida del Potencial Z permite caracterizar y predecir el comportamiento de soacutelidos
macroscoacutepicos y de partiacuteculas en suspensiones liacutequidas en multitud de aplicaciones teacutecnicas
En suspensiones liacutequidas el Potencial Z es una medida de la atraccioacutenrepulsioacuten entre
partiacuteculas cargadas electrostaacuteticamente permitiendo estudiar la estabilidad de dispersiones
emulsiones suspensiones proteiacutenas poliacutemeros etc
En soacutelidos macroscoacutepicos es una propiedad importante de interfaces soacutelidoliacutequido cargadas
eleacutectricamente siendo un indicador de la carga superficial de un soacutelido en contacto con un
electrolito Esto permite estudiar las caracteriacutesticas y funcionalizacioacuten de superficies
Este anaacutelisis se realizoacute con un equipo de marca Malvern modelo ZetaSizer Se estudiaron
los sistemas Roca carbonatada roca impregnada de crudo asiacute como la aplicacioacuten de los
surfactantes a 500 y 800 mg L-1 utilizando como electrolito indiferente nitrato de sodio
01mM el cual permite la desestabilizacioacuten del coloide con la finalidad de que la corriente
eleacutectrica pase por todas las partiacuteculas y se obtenga una medicioacuten correcta del anaacutelisis Asiacute
mismo se varioacute el pH del sistema de 1 a 7 utilizando HCl 01 M y NaOH 01 M para
observar el efecto dispersivo de las partiacuteculas de roca
59
Capiacutetulo III
Resultados
31 Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenos
60
Se realizaron 3 extracciones de asfaltenos utilizando 10 mL de petroacuteleo en cada una se
obtuvieron entre 14182 g y 16875 g de asfaltenos lo cual representa un porcentaje de
recuperacioacuten en 1418 y 1675 El producto obtenido teniacutea una tonalidad oscura lo anterior
se observa en la figura 31
Figura 31 Asfaltenos obtenidos tras extraccioacuten
Asiacute mismo se realizoacute el procesos de impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada por
triplicado de los cuales se obtuvieron entre 169 g y 189 g de roca impregnada que
representa una recuperacioacuten entre 338 y 378 El producto teniacutea una tonalidad cafeacute oscura
lo anterior se observa en la figura 32
Figura 32 Roca impregnada de asfaltenos
32 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con transformada de Fourier
61
La elucidacioacuten de los espectros de FTIR se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura [35] indica que el carbonato de
calcio presenta sentildeales caracteriacutesticas de sus grupos funcionales tales como CO3 Ca-C y C-
O y Ca-CO3
321 Espectro FTIR de roca carbonatada
El espectro FTIR de la roca carbonatada se muestra en la figura 33 en el que se observa el
estiramiento del enlace Ca-C en 2513 cm-1 sentildeal caracteriacutestica del compuesto CaCO3 el
estiramiento de C-O en 1480 cm-1 y las vibraciones particulares del grupo CO3 en 714 y 877
cm-1 Estas sentildeales dan certeza de que el compuesto analizado es una roca de carbonato de
calcio
Figura 33 Espectro FTIR de roca carbonatada
62
322 Espectro de roca impregnada de asfaltenos
El espectro FTIR de la roca impregnada se muestra en la figura 34 en el que se observa el
estiramiento del enlace O-H en 3300 cm-1 las vibraciones simeacutetricas y asimeacutetricas de C-H
en 2988 y 2875 cm-1 la absorcioacuten energeacutetica del enlace C-H en 1625 cm-1 las flexiones de
los compuestos aromaacuteticos entre 1100 y 1500 cm-1 asiacute como la deformacioacuten noplanar del
anillo benceacutenico entre 700 y 900 cm-1 Estas sentildeales confirman la impregnacioacuten de asfaltenos
teniendo como principal diferencia frente a la roca carbonatada las flexiones y vibraciones
de los enlaces C-H y de los anillos aromaacuteticos presentes en la estructura asfalteacutenica teoacuterica
Figura 34 Espectro FTIR de roca impregnada de asfaltenos
63
33 Espectroscopia ultravioleta visible (UV-vis)
La elucidacioacuten de los espectros de UV-vis se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura indica la presencia de grupos
benceacutenicos y nafteacutenico en las estructuras quiacutemicas de los asfaltenos los cuales son
caracteriacutesticos de los mismos [29]
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada y roca impregnada
El espectro UV-vis de la roca carbonatada no presenta ninguna banda significativa esto se
debe principalmente a la ausencia de dobles y triples enlaces los cuales son sumamente
caracteriacutesticos en longitudes de 200 a 600 nm El espectro UV-vis de la roca impregnada
(figura 35) muestra 4 sentildeales las dos primeras retribuidas a los grupos benceacutenicos a 226 y
250 nm la tercera y cuarta a los grupos nafteacutenicos a 263 y 270 nm estructuras quiacutemicas
presentes en los asfaltenos
Se realizaron 6 experimentos iniciando con la roca carbonatada posteriormente la
evaluacioacuten de la roca impregnada de asfaltenos (RASF) variando la concentracioacuten de roca
(10 5 3 1 05 mg L-1)
Los espectros muestran desdoblamiento en las bandas debido al cambio electroacutenico en los
enlaces sigma y pi presentes en los ciclos aromaacuteticos Se observa el efecto de la concentracioacuten
de roca impregnada a 05 y 1 mg L-1 se tienen bandas maacutes definidas y caracteriacutesticas de los
asfaltenos a concentraciones mayores a lo anterior se enmascaran estas sentildeales debido a la
saturacioacuten de las partiacuteculas de roca impregnada en las muestra Lo anterior hace imposible
para el equipo la identificacioacuten precisa de los grupos funcionales caracteriacutesticos de la misma
64
Figura 35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnada
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
Esta teacutecnica se realizoacute con la finalidad de observar el tamantildeo y la forma de las partiacuteculas de
roca carbonatada asiacute como la composicioacuten elemental de la misma Se observa un
comportamiento de agregacioacuten entre las partiacuteculas por lo que se puede deducir un tamantildeo
entre 100 y 400 nm Con el anaacutelisis elemental del EDX se comproboacute la naturaleza de la roca
la cual estaacute formada de carbonato de calcio La literatura [36] indica las sentildeales caracteriacutesticas
de este compuesto el carbono con una sentildeal en 028 keV el oxiacutegeno en 053 keV y el calcio
con dos picos en 369 y 401 keV y de partiacuteculas nanomeacutetricas de forma esfeacutericas lo anterior
esto se puede observar en la figura 36
65
36 Anaacutelisis SEMEDS de roca carbonatada
35 Imbibicioacuten espontaacutenea
Se obtuvieron las rocas imbibidas tras un proceso de 7 diacuteas [37] y se pesaron para conocer la
cantidad de crudo absorbido dentro de su estructura porosa Asiacute mismo se fracturaron las
rocas para comprobar la presencia del hidrocarburo dentro de la roca lo cual se observa en
la figura 37 En la tabla 31 se muestra la masa inicial y final de la roca asiacute como el
porcentaje de masa absorbida de crudo teniendo porcentajes entre 4 y 5
66
Figura 37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudo
Tabla 31 Resultados de rocas imbibidas
Muestra Masa Inicial (g) Masa Final (g)
1 103315 108098 46295
2 92475 96736 46077
36 Anaacutelisis del aacutengulo de contacto del crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
La medicioacuten del aacutengulo de contacto de diferentes sistemas de estudio aporta informacioacuten
sobre la interaccioacuten entre las interfaces soacutelidas y liquidas el comportamiento de un fluido
sobre una superficie asiacute como la variacioacuten de la misma con la aplicacioacuten de un agente en
este caso un surfactante
361 Roca no imbibida
Se colocaron los disolventes empleados en la experimentacioacuten variado uacutenicamente los
surfactantes y la concentracioacuten de los mismos En la figura 38 se muestra el aacutengulo de
contacto de la salmuera sobre la roca se observa que con la aplicacioacuten de los surfactantes
este aacutengulo disminuye deduciendo un aumento en la afinidad entre la roca y el disolvente
[38] Lo anterior se debe principalmente al aumento de la concentracioacuten de iones provocando
un efecto de pantalla que reduce las repulsiones electrostaacuteticas entre las moleacuteculas anfifiacutelicas
67
facilitando la formacioacuten de micelas en el sistema y asiacute aumentando la mojabilidad de la
salmuera obseacutervese en tabla 32
Figura 38 Angulo de contacto de la salmuera
Tabla 32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio
El efecto de las sales presentes en el agua congeacutenita en la formacioacuten micelar (figura 39)
propicia un incremento en la mojabilidad con la aplicacioacuten del surfactante lo cual se muestra
en la tabla 33
Figura 39 Angulo de contacto del agua congeacutenita
Tabla 33 Aacutengulos de contacto del agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio
68
Del mismo modo se colocaron sobre la superficie de la roca los diferentes sistemas de estudio
(emulsiones) los cuales variaban en el tipo de surfactante la concentracioacuten y el tipo de
disolvente empleado El aacutengulo de contacto del petroacuteleo se muestra en la figura 310
Figura 310 Angulo de contacto del petroacuteleo
Con una concentracioacuten de 500 mg L-1 de surfactante (tabla 34) se observa una disminucioacuten
del aacutengulo de contacto de la emulsioacuten lo anterior se atribuye al efecto de las cabezas
catioacutenicas sobre los agregados asfalteacutenicos los cuales son dispersados provocando una
mayor interaccioacuten con la roca y aumentando la mojabilidad sobre la misma
Tabla 34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 mg L-1
69
Con una concentracioacuten de 800 mg L-1 de surfactante (tabla 35) se observa un efecto similar
al sistema de estudio anterior un decremento del aacutengulo de contacto atribuido al efecto
pantalla de las sales de los disolvente en la concentracioacuten micelar dispersando los agregados
asfalteacutenicos y de esta forma aumentando la mojabilidad del sistema sobre la roca
carbonatada
Tabla 35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 mg L-1
362 Roca imbibida por petroacuteleo
70
Se colocaron los sistemas de estudio (salmuera y agua congeacutenita) sobre la roca impregnada
de crudo se observoacute una disminucioacuten en el aacutengulo de contacto menor que el estudio sobre
la roca carbonatada Lo anterior se debe a la alta hidrofobicidad de la superficie de la roca
la cual estaba impregnada en su totalidad de hidrocarburo y que aun con la aplicacioacuten de los
surfactantes se repelioacute el efecto de las cabezas catioacutenicas teniendo como consecuencia el
decremento del aacutengulo de contacto Las tablas 36 y 37 muestran los aacutengulos de contacto
tras la aplicacioacuten del surfactante
Tabla 36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 mg L-1
Tabla 37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 800 mg L-1
71
En la Tabla 38 se presentan los resultados del caacutelculo de tensioacuten interfacial y mojabilidad
los cuales son paraacutemetros que describen el comportamiento de las fuerzas intermoleculares
en la interfase soacutelido-liacutequido
Tabla 38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio
Fase soacutelida
Fase liacutequida
Surfactante (Sx)
Concentracioacuten (mg L-1)
Aacutengulo de
contacto ϴ
(deg)
Tensioacuten interfacial γ (dina cm-1)
Mojabilidad W
Roca carb Salmuera 8149 576 661
Roca carb Salmuera S1 500 5539 518 812
Roca carb Salmuera S1 800 5173 537 869
Roca carb Salmuera S2 500 4549 441 827
Roca carb Salmuera S2 800 4242 557 856
Roca Imb Salmuera S1 500 6956 421 566
Roca Imb Salmuera S1 800 6957 451 606
Roca Imb Salmuera S2 500 6681 472 657
Roca Imb Salmuera S2 800 7408 549 699
Roca carb Agua Cong 7391 528 674
Roca carb Agua Cong S1 500 4785 431 72
Roca carb Agua Cong S1 800 4069 446 784
Roca carb Agua Cong S2 500 4809 439 732
Roca carb Agua Cong S2 800 3327 42 771
Roca Imb Agua Cong S1 500 7456 525 664
Roca Imb Agua Cong S1 800 6575 494 696
Roca Imb Agua Cong S2 500 765 472 581
Roca Imb Agua Cong S2 800 6788 483 664
Roca carb Petroacuteleo 11177 838 536
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 500 8313 582 651
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 800 936 605 567
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 500 9088 652 641
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 800 8645 629 667
Roca carb Emulsioacuten AC S1 500 10289 815 641
Roca carb Emulsioacuten AC S1 800 9562 698 629
Roca carb Emulsioacuten AC S2 500 9846 782 666
Roca carb Emulsioacuten AC S2 800 9056 675 668
En los diferentes anaacutelisis sobre roca carbonatada con la aplicacioacuten de surfactantes en
salmuera o agua congeacutenita se observa una disminucioacuten del aacutengulo de contacto lo que implica
una menor tensioacuten en la interfase soacutelido-liacutequido obteniendo mayor mojabilidad en cada uno
de los sistemas Lo anterior se basa principalmente en el efecto dispersivo de los surfactantes
72
sobre las agregaciones asfalteacutenicas siendo las cabezas catioacutenicas las responsables de evitar
la apilacioacuten de los asfaltenos y disgregaacutendolas por todo el sistema
Asiacute mismo se observa el efecto de la concentracioacuten de los surfactantes en los diferentes
sistemas de estudio obteniendo menor tensioacuten interfacial a una concentracioacuten de 500 mgL-1
debido a la saturacioacuten ideal del aditivo en la muestra
37 Dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS)
Con el anaacutelisis DLS se estudioacute la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
y la roca impregnada asiacute como el efecto de los surfactantes en el sistema de estudio En la
figura 311 se muestra la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
(unimodal 1496 nm) a su vez en la figura 312 se observa la distribucioacuten de la roca
impregnada (unimodal 4063 nm) Posteriormente con la aplicacioacuten de los surfactantes se
comproboacute la disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula con S1 (unimodal 219 nm) y S2 (
unimodal 282 nm) Lo anterior se atribuye al efecto de los surfactantes sobre la superficie
impregnada que al entrar en contacto con los agregados asfalteacutenicos se generoacute la dispersioacuten
de los mismos disminuyendo de esta forma el tamantildeo de la partiacutecula [32] Ambos surfactantes
facilitan la dispersioacuten de los asfaltenos que recubren la superficie de la partiacutecula provocando
la reduccioacuten en el tamantildeo de la misma obseacutervese figs 313 y 314
Figura 311 Anaacutelisis DLS de roca carbonatada
73
Figura 312 Anaacutelisis DLS de roca impregnada
Figura 313 Anaacutelisis DLS de roca impregnada aplicando S3
Figura 314 DLS de roca impregnada aplicando S4
74
La disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de las rocas impregnadas se asocia al efecto
dispersivo de los surfactantes mencionado en las pruebas tensiomeacutetricas donde las parte
catioacutenica del compuesto inhibe la aglomeracioacuten de las moleacuteculas asfalteacutenicas provocando
no solo el cambio de la mojabilidad del sistema de estudio si no tambieacuten la disgregacioacuten de
los asfaltenos encontrados en la superficie de la roca carbonatada por tanto un decrecimiento
en la distribucioacuten de tamantildeo partiacutecula en la roca impregnada
38 Potencial Zeta
Con el anaacutelisis de potencial zeta se observoacute las fuerzas de atraccioacuten yo repulsioacuten de cada
sistema de estudio La literatura indica que en todo sistema en suspensioacuten coloidal existe un
equilibrio entre las fuerzas de repulsioacuten y las fuerzas de atraccioacuten molecular (Van del Waals)
resultando la aglomeracioacuten o dispersioacuten del sistema Si el sistema tiene carga positiva el
sistema es atractivo por lo que existen las fuerzas de atraccioacuten entre las partiacuteculas son
mayores que las fuerzas de repulsioacuten Si el sistema es negativo el sistema es repulsivo y se
tiene un efecto contrario al anterior Mientras maacutes alejado del cero se encuentre la muestra
mayor estabilidad le seraacute conferida debido a la relacioacuten entre las fuerzas intermoleculares
eso significa que se provocaraacute menor agregacioacuten facilitando la dispersioacuten del soluto [33] En
la figura 315 se muestra el efecto del pH en la dispersioacuten de los asfaltenos con la aplicacioacuten
de los surfactantes la tendencia se vuelve maacutes negativa por lo tanto existe mayor estabilidad
en el coloide disminuyendo la agregacioacuten de los asfaltenos
Este efecto se observoacute en las pruebas de DLS en donde los surfactantes dispersaron las
moleacuteculas de asfaltenos disminuyendo de esta forma la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
lo anterior se asocia a la disgregacioacuten de los asfaltenos observado en potencial Zeta
obteniendo una fase dispersa en el sistema
75
Figura 315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando el pH
76
Conclusiones
Se comproboacute el efecto dispersivo de los surfactantes sulfatados sobre los agregados
asfalteacutenicos causado principalmente por las cargas electroacutenicas presentes en estos
compuestos que al entrar en contacto con los asfaltenos provocaron la disgregacioacuten de
los mismos Dicho efecto fue visible en la mayoriacutea de las teacutecnicas empleadas generando
cambios en las interacciones moleculares de los sistemas de estudio y en las fuerzas de
la interfase soacutelido-liacutequido
Las teacutecnicas de caracterizacioacuten FTIR UV-vis corroboraron la presencia de grupos
funcionales caracteriacutesticos de la roca carbonatada asiacute como de la roca impregnada de
asfaltenos La teacutecnica de SEMEDX corroboroacute la existencia de los elementos que
componen a la roca y brindoacute informacioacuten importante sobre el tamantildeo y la forma de los
las partiacuteculas de roca
Las pruebas de aacutengulo de contacto por el meacutetodo de gota seacutesil comprobaron el efecto
superficial de los surfactantes en los diferentes sistemas de estudio cambiando la
tensioacuten interfacial de cada uno y afectando una caracteriacutestica innata de la roca su
mojabilidad Los aacutengulos de contacto tras la aplicacioacuten de los surfactantes sufrieron una
disminucioacuten por la facilidad de los aditivos antes mencionados para dispersar las capas
de agregacioacuten de los asfaltenos provocando una mejor interaccioacuten con la fase soacutelida
Mediante el anaacutelisis de Dispersioacuten de luz Dinaacutemica (DLS) se consiguioacute fundamentar el
efecto dispersivo de los surfactantes observado en las pruebas tensiomeacutetricas siendo de
gran importancia los resultados obtenidos de distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula en
donde con la aplicacioacuten de los surfactantes se consiguioacute disminuir este paraacutemetro por
la la difusioacuten de los agregados asfalteacutenicos contenidos en la superficie de la roca siendo
afectados principalmente por las cargas electroacutenicas cabezas catioacutenicas
La teacutecnica de potencial Zeta corroboroacute lo anterior debido a la facilidad de las muestras
con surfactantes para alcanzar la estabilidad coloidal por lo que se demuestra un efecto
77
contrario a la agregacioacuten un efecto dispersivo de los asfaltenos provocado por las
cargas presentes en las cadenas de los aditivos
78
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viii
Resumen
Este proyecto de investigacioacuten se enfocoacute en el estudio de mojabilidad del crudo pesado sobre
roca carbonatada de yacimiento aplicando surfactantes con base sulfato los cuales provocan
un efecto dispersivo en las fracciones maacutes pesadas del petroacuteleo conocidos como
ldquoasfaltenosrdquo responsables de las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del petroacuteleo tales como
viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API
La primera etapa del proyecto consistioacute en caracterizar la roca carbonatada de yacimiento
por Espectroscopiacutea de infrarrojo de transformada de Fourier (FTIR) espectroscopia
ultravioleta visible y Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten
por Rayos X (SEMEDX) para la identificacioacuten de los grupos funcionales caracteriacutesticos
morfologiacutea y anaacutelisis elemental de la roca
La segunda etapa consistioacute en preparar emulsiones de agua en aceite adicionando los
surfactantes en diferentes concentraciones las cuales fueron observadas por microscopiacutea
oacuteptica Posteriormente se evaluoacute el aacutengulo de contacto de cada uno de los sistemas de estudio
sobre roca carbonatada para el caacutelculo de la tensioacuten superficial y en efecto de la mojabilidad
Asiacute mismo se realizoacute la imbibicioacuten espontaacutenea de las rocas con crudo usando la celda de
Amott y se midioacute el aacutengulo de contacto de los disolventes frente a las rocas impregnadas Se
observoacute un cambio en la mojabilidad del crudo con la aplicacioacuten de los surfactantes en los
anaacutelisis tensiomeacutetricos
En la tercera etapa se realizoacute el estudio dispersivo de los agregados asfalteacutenicos contenidos
en la roca Mediante el anaacutelisis de dispersioacuten de luz dinaacutemica se observoacute la disminucioacuten de
la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula siendo este efecto atribuido a las cabezas catioacutenicas
de los surfactantes Lo anterior fue comprobado con la teacutecnica de potencial zeta la cual mide
las fuerzas de atraccioacuten o repulsioacuten de las partiacuteculas siendo ambos surfactantes promotores
de estabilidad coloidal e inhibidores de agregacioacuten
ix
Abstract
This research project focuses on the study of the wettability of heavy crude oil on carbonate
reservoir rock by applying sulphate-based surfactants which have a dispersive effect on the
heavier fractions of petroleum known as asphaltenes responsible for the physicochemical
characteristics of oil such as viscosity surface tension and API gravity
The first stage of the project consisted of the carbonate reservoir rock by Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR) visible ultraviolet spectroscopy and Scanning Electron
Microscopy with X-ray Dispersion Spectroscopy (SEM EDX) for the identification of
characteristic functional groups morphology and elemental rock analysis
The second stage consisted of preparing water-in-oil emulsions by adding the surfactants in
different concentrations which were observed by light microscopy Afterwards the contact
angle of each of the study systems on carbonate rock was evaluated for the calculation of
surface tension and the wettability
The spontaneous imbibition of the rocks with crude oil was also carried out using the Amott
cell and the contact angle of the solvents against the impregnated rocks was measured A
change in the wettability of the crude oil was observed with the application of the surfactants
in the tensiometric analyzes
In the third stage was carried out the dispersive study of the asphalt aggregates contained in
the rock By the analysis of the dynamic light scattering observed the decrease in the size
distribution of the piece whereas this effect attributed to the cationic heads of the surfactants
The above was tested with the zeta potential technique which the attraction or repulsion
forces of the particles both are being surfactants colloidal stability promoters and
aggregation inhibitors
x
Introduccioacuten
Actualmente la industria petrolera enfrenta una serie de problemaacuteticas que van desde la
gravedad especiacutefica del hidrocarburo hasta su comportamiento en un sistema aceite-roca El
estudio de las fuerzas intermoleculares del sistema aceite-roca es un trabajo innovador para
la elaboracioacuten de nuevas formas de extraccioacuten yo el uso de sustancias quiacutemicas que faciliten
el transporte del crudo durante el proceso
Los surfactantes son empleados como aditivos para facilitar la extraccioacuten del crudo y su
transporte debido a sus efectos en la viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API Estos
compuestos son de gran intereacutes para la industria petrolera por lo que un estudio detallado de
la forma de actuar de estos aditivos podriacutea describir los fenoacutemenos que ocurren en un sistema
aceite-roca
La literatura [1 23] indica que los surfactantes del tipo sulfato tienen cierta afinidad con las
moleacuteculas maacutes pesadas del crudo los asfaltenos Hablar de asfaltenos implica ldquoproblemasrdquo
los cuales pueden ser observados durante la extraccioacuten y el transporte del petroacuteleo hacia las
refineriacuteas lo anterior se debe que al ser los componentes maacutes pesados del crudo la mayoriacutea
de las propiedades del crudo dependen de ellos por lo que el uso de aditivos que contengan
un grupo sulfato puede promover la dispersioacuten de los mismos generando un cambio en la
viscosidad del crudo en la tensioacuten interfacial del sistema por lo tanto a una variacioacuten de la
mojabilidad
La mojabilidad es una propiedad innata de las rocas que puede ser afectada a partir del cambio
en las interacciones del aceite y su superficie Con la aplicacioacuten de surfactantes sulfatados se
pretende la modificacioacuten de las fuerzas superficiales entre el crudo y la roca lo cual permitiriacutea
una recuperacioacuten mejorada del aceite contenido en los yacimientos facilitando de esta
manera el proceso de extraccioacuten del mismo [4]
En este proyecto se propone el anaacutelisis de las propiedades que afectan los fenoacutemenos de
superficie de los sistemas aceite-roca usando como referencia compuestos como agua
salmuera y posteriormente la adicioacuten de surfactantes sulfatados base imidazol asiacute como el
estudio de la dispersioacuten de dicho sistema
1
Capiacutetulo I
Antecedentes
2
1 Antecedentes
Actualmente con la disminucioacuten de crudos ligeros y la obtencioacuten de aceites pesados durante
la extraccioacuten de yacimientos se buscan meacutetodos alternativos que permitan la recuperacioacuten
mejorada en los pozos petroleros mediante la aplicacioacuten de aditivos quiacutemicos El estudio de
las fuerzas relacionadas entre el aceite y la roca permite describir de una forma real lo que
pasa dentro del sistema petroliacutefero con la aplicacioacuten de dichos compuestos
En 2009 Murillo y col [4] estudiaron el efecto del anioacuten PF6 en los agregados asfalteacutenicos
y encontraron un incremento en el momento dipolar debido al cambio de electronegatividad
provocado por el anioacuten Se establecioacute que el bromuro de 1-butil fue el liacutequido ioacutenico con
mejores propiedades estabilizadoras e inhibidoras de la agregacioacuten de asfaltenos
disminuyendo la aglomeracioacuten de asfaltenos hasta en un 70
En 2010 Ramiacuterez y col [5] investigaron experimentalmente el efecto que tienen los
surfactantes zwitterioacutenicos y catioacutenicos en el control de dantildeo al medio poroso debido a
depoacutesitos de asfaltenos y la descripcioacuten del cambio de mojabilidad en rocas carbonatadas
encontrando mejores condiciones de operacioacuten y concluyendo que el uso de salmuera con
alta concentracioacuten de sales provoca la precipitacioacuten de los surfactantes debido al efecto de
ioacuten comuacuten presente en los electrolitos que encapsula a las moleacuteculas surfactantes
hacieacutendolas maacutes pesadas y precipitaacutendolas por accioacuten de la gravedad
En 2010 Guzmaacuten y col [6] sintetizoacute y evaluoacute diferentes liacutequidos ioacutenicos como agentes
desemulsificantes del sistema de emulsioacuten de crudo mexicano ligero y pesado siendo el
bromuro de 1 metil-3-tetradecilimidazolio el que obtuvo mejores resultados frente a otros
compuestos con diferente tamantildeo de cadena hidrocarbonada Se estudioacute la aplicacioacuten de
calentamiento convencional y dieleacutectrico por microondas en los procesos de
desemulsificacioacuten siendo el segundo meacutetodo el que aceleroacute e incrementoacute la eficiencia de
desemulsificacioacuten
En 2011 Petcavich y col [7] desarrollaron un meacutetodo de extraccioacuten de hidrocarburos a partir
de rocas que contienen aceite En este trabajo se utilizoacute una mezcla de piedra arenisca de
3
aceite y un liacutequido ioacutenico a base de fosfonio el cual se sometioacute a la radiacioacuten de microondas
de 254 GHz y presentaron las condiciones de trabajo para la recuperacioacuten total del
hidrocarburo atrapado en la roca
En 2012 Dharaskar y col [8] investigaron sobre los liacutequidos ioacutenicos y su capacidad de
minimizar los efectos negativos de salud y medio ambientales En la industria de la refinacioacuten
se usa para la hidrodesulfurizacioacuten del crudo Estudiaron el efecto de cationes del tipo sulfato
contenidos en liacutequidos ioacutenicos sobre el petroacuteleo encontrando una disminucioacuten en la
concentracioacuten de grupos sulfurados y asfalteacutenicos
En 2014 Bin-Dahbag y col [9] realizaron un estudio sobre el proceso de inyeccioacuten de
liacutequidos ioacutenicos con base de amonio y fosfonio en la recuperacioacuten mejorada de petroacuteleo con
lo que redujo la tensioacuten interfacial de la fase acuosa del hidrocarburo Se realizaron pruebas
de deteccioacuten de nueve liacutequidos ioacutenicos con base de tetrasulfato de amonio los cuales fueron
diluidos en salmuera a distintas concentraciones y se probaron con un petroacuteleo crudo Saudiacute
Se registraron cambios en la tensioacuten interfacial por cambios de presioacuten y temperatura
indicando una mayor actividad de interaccioacuten superficial en el sistema rocapetroacuteleoliacutequido
ioacutenico
En 2014 Gonzaacutelez y col [10] estudiaron el cambio de la mojabilidad de rocas carbonatadas
en sistemas salmuerapetroacuteleo con la aplicacioacuten de surfactantes empleando el meacutetodo
tensiomeacutetrico de Gota cautiva Se obtuvieron resultados confiables y reproducibles que
concluyen un comportamiento afiacuten entre la salmuera el crudo y la roca
En 2015 Jiao y col [11] estudiaron el comportamiento de los liacutequidos ioacutenicos con base
imidazolio ( IBILs ) desarrollando nuevos agentes de extraccioacuten para separar indol una
sustancia industrial importante derivada del aceite de lavado que ocasiona graves problemas
medioambientales obteniendo eficiencias de extraccioacuten de maacutes de 90
En 2016 Banda y col [12] estudiaron el comportamiento de los asfaltenos presentes en
petroacuteleo crudo pesado usando como disolvente ciclohexano Primeramente se caracterizaron
los asfaltenos extraiacutedos por Espectroscopiacutea de ultravioleta-visible (UV-vis) posteriormente
se utilizoacute la teacutecnica de Dispersioacuten de Luz Dinaacutemica (DLS) para la distribucioacuten de tamantildeo de
partiacutecula de los agregados asfalteacutenicos Asiacute mismo se realizoacute un anaacutelisis de potencial Zeta
4
utilizando como disolvente nitrato de sodio 01 mmol para la comprobacioacuten del efecto
dispersivo de los asfaltenos frente a liacutequidos ioacutenicos sulfatados
11 Petroacuteleo
El petroacuteleo es una mezcla homogeacutenea de compuestos orgaacutenicos de estructura variada
principalmente hidrocarburos insolubles en agua En general es posible agrupar los
constituyentes del petroacuteleo en cuatro grupos orgaacutenicos bien definidos Saturados
Aromaacuteticos Resinas y Asfaltenos este conjunto es conocido como SARA Es un liacutequido
viscoso cuyo color variacutea entre amarillo y pardo obscuro hasta negro con reflejos verdes
Ademaacutes tiene un olor caracteriacutestico y flota en el agua Tambieacuten es conocido como petroacuteleo
crudo o simplemente crudo Se produce en el interior de la Tierra por transformacioacuten de la
materia orgaacutenica acumulada en sedimentos del pasado geoloacutegico y puede acumularse en
trampas geoloacutegicas naturales de donde se extrae mediante la perforacioacuten de pozos [13]
Las moleacuteculas de hidrocarburos que en forma colectiva constituyen el petroacuteleo estaacuten
formadas por distintas combinaciones de aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Seguacuten el nuacutemero
de aacutetomos de carbono de hidroacutegeno y de la distribucioacuten estructural de las mismas se tienen
los distintos hidrocarburos que abarcan desde el gas natural hasta los hidrocarburos soacutelidos
Comuacutenmente se denomina como petroacuteleo a aquella mezcla de hidrocarburos que a las
condiciones de temperatura y presioacuten ambientales estaacute en estado liacutequido En la naturaleza se
pueden encontrar afloraciones naturales de hidrocarburos muchos de ellos conocidos desde
la antiguumledad aunque la produccioacuten comercial se obtiene de acumulaciones que se localizan
en algunos lugares del subsuelo con profundidades variables desde pocos metros hasta
profundidades mayores a cinco mil metros [14]
Mientras mayor sea el contenido de carboacuten en relacioacuten al del hidroacutegeno mayor es la cantidad
de productos pesados que tiene el crudo [15] Esto depende de la edad del yacimiento y de
algunas caracteriacutesticas geoloacutegicas No obstante se ha comprobado que entre maacutes antiguos
son tienen maacutes hidrocarburos gaseosos y soacutelidos y menos liacutequidos entran en su
composicioacuten
5
Es un recurso natural no renovable y actualmente es la principal fuente de energiacutea en
los paiacuteses desarrollados El petroacuteleo liacutequido puede presentarse asociado a capas de gas
natural en yacimientos que han estado enterrados durante millones de antildeos cubiertos por los
estratos superiores de la corteza terrestre Los factores de presioacuten temperatura y procesos
quiacutemicos y fiacutesicos ayudados por la carencia de oxiacutegeno posibilitan la formacioacuten de petroacuteleo
liacutequido y de gas
La conversioacuten de materia orgaacutenica en petroacuteleo ocurre en varias etapas [15]
Degradacioacuten bioquiacutemica la accioacuten de las bacterias en un ambiente aerobio
oxidan la materia orgaacutenica
Policondensacioacuten e insolubilizacioacuten se produce un reordenamiento molecular
en dos etapas originaacutendose una sustancia insoluble en aacutelcalis con estructura
parecida al keroacutegeno
Cracking primario es la primera reaccioacuten de generacioacuten de hidrocarburos
regida por la ley de Arrhenius de donde se puede obtener petroacuteleo y gas
Cracking secundario se destruye la fraccioacuten inestable generando gas y
residuos carbonosos
111 Composicioacuten del petroacuteleo
El petroacuteleo crudo es la materia prima principal de la industria de Refinacioacuten del Petroacuteleo
estaacute constituido por una mezcla de diferentes tipos de hidrocarburos cuyas moleacuteculas se
componen de Carbono e Hidroacutegeno con un pequentildeo porcentaje de otros elementos
conformando hidrocarburos de estructuras maacutes o menos complejas como compuestos
heterociacuteclicos de nitroacutegeno oxiacutegeno y azufre compuestos organometaacutelicos ademaacutes contiene
sedimentos inorgaacutenicos y agua [16] La composicioacuten aproximada de los crudos puede verse
en la Tabla 11
6
Tabla11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo
Elemento Composicioacuten (peso)
Carbono 84-87
Hidroacutegeno 11-14
Azufre 0-5
Nitroacutegeno 0-02
Oxiacutegeno 0-05
112 Clasificacioacuten de petroacuteleo
Son miles los compuestos quiacutemicos que constituyen el petroacuteleo [16] y entre muchas otras
propiedades estos compuestos se diferenciacutean por su volatilidad (dependiendo de la
temperatura de ebullicioacuten) Al calentarse el petroacuteleo se evaporan preferentemente los
compuestos ligeros (de estructura quiacutemica sencilla y bajo peso molecular) de tal manera que
conforme aumenta la temperatura los componentes maacutes pesados van incorporaacutendose al
vapor
Las curvas de destilacioacuten TBP (del ingleacutes ldquotrue boiling pointrdquo temperatura de ebullicioacuten real)
distinguen a los diferentes tipos de petroacuteleo y definen los rendimientos que se pueden obtener
de los productos por separacioacuten directa [17] Por ejemplo mientras que en el crudo Istmo se
obtiene un rendimiento directo de 26 volumeacutetrico de gasolina en el Maya soacutelo se obtiene
157 [17]
La industria mundial de hidrocarburos liacutequidos clasifica el petroacuteleo de acuerdo con su
densidad API (paraacutemetro internacional del Instituto Americano del Petroacuteleo que diferenciacutea
las calidades del crudo) La Tabla 12 muestra estas clasificaciones
Tabla 12 Clasificacioacuten del petroacuteleo crudo [18]
Aceite crudo Densidad
( g cm3)
Densidad
grados API
Extrapesado gt10 100
Pesado 10 - 092 100 - 223
Mediano 092 - 087 223 - 311
7
Ligero 087 - 083 311 - 39
Superligero lt 083 gt 39
Para exportacioacuten en Meacutexico se preparan tres variedades de petroacuteleo crudo
a) Istmo Ligero con densidad de 336 grados API y 13 de azufre en peso
b) Maya Pesado con densidad de 22 grados API y 33 de azufre en peso
c) Olmeca Superligero con densidad de 393 grados API y 08 de azufre en peso
Atendiendo a la mayor proporcioacuten del tipo de hidrocarburos que conforman la mezcla los
crudos se clasifican seguacuten su base parafiacutenica nafteacutenica asfaacuteltica y mixta [15]
Base parafiacutenica Las parafinas livianas dan buenos aceites para usos domeacutesticos pues no
producen humo al quemarse tienden a resistir el calor Las parafinas maacutes espesas contienen
cristales blancos y blandos que cuando son aislados y refinados forman lo que se conoce
como cera parafinada Se encuentran generalmente en Pennsylvania West Virginia y centro
de Estados Unidos
Base nafteacutenica Generalmente contienen gran proporcioacuten de fracciones volaacutetiles es decir
componentes que se evaporan faacutecilmente Se encuentran generalmente en Rusia Peruacute
California y Golfo de Meacutexico En Cuba se encuentra en la zona de Motembo
Base asfaacuteltica Contienen ademaacutes de carbono e hidroacutegeno gran cantidad de azufre En la
destilacioacuten avanzada o maacutes completa rinden una cantidad relativamente alta de alquitraacuten y
asfalto Se pueden encontrar en Meacutexico Venezuela California y el Caribe
Base mixta Ninguacuten crudo es realmente netamente nafteacutenico asfaacuteltico o parafiacutenico en su
composicioacuten quiacutemica sino que contienen proporciones de los otros tipos caracterizaacutendose
por la predominancia del compuesto en mayoriacutea Sin embargo ciertos crudos de Kansas
Oklahoma y Texas tienen contenidos muy similares de nafta parafinas y asfaltos lo que
resulta imposible clasificarlos en una sola de estas clases
8
Asiacute mismo se puede clasificar al petroacuteleo crudo considerando dos grandes grupos de
hidrocarburos saturados y no saturados Cuando todas las valencias de los aacutetomos de carbono
se comparten con otros aacutetomos es saturado cuando hay falta de hidroacutegeno es no saturado y
se pueden compartir dos y hasta tres valencias entre un aacutetomo de carbono con otro aacutetomo [16]
Los saturados y no saturados se dividen a su vez en dos grupos importantes cada uno lo cual
se muestra en la figura 11
Figura 11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleo
Las parafinas son las maacutes ricas en hidroacutegeno son saturadas y por tanto relativamente estables
Las parafinas comunes son liacutequidos pero se pueden encontrar gaseosas o soacutelidas La foacutermula
general es CnH2n+2
Los naftenos (ciclanos o ciclo alcanos) son saturados lo que hace que sean resistentes a los
cambios incluyendo la oxidacioacuten Son relativamente insolubles en aacutecido sulfuacuterico
concentrado Los maacutes importantes son ciclopentano y ciclohexano La foacutermula general es
CnH2n
Los no saturados tienden a formar gomas lacas y fangos al unirse al oxiacutegeno y separarse del
carbono que es un enlace relativamente menos estable
Las olefinas son no saturados o insaturados y por lo que tienen deficiencia de hidroacutegeno
consecuentemente son muy reactivos y combinan faacutecilmente con el hidroacutegeno oxiacutegeno
cloro y azufre esto causa que no se deseen altos porcentajes de olefinas en los combustibles
9
sin embargo son apreciados en la manufactura de varios productos entre ellos el plaacutestico La
foacutermula general es CnH2n
Los aromaacuteticos son no saturados pero actuacutean como saturados Son deseables en la gasolina
pues tienen altas propiedades antidetonantes El nombre aromaacuteticos surge por su olor
caracteriacutestico Algunos se usan en la produccioacuten del TNT colorantes plaacutesticos insecticidas
etc Hoy en diacutea se ha limitado su concentracioacuten en los derivados por ser dantildeinos a la salud
son altamente canceriacutegenos La foacutermula general es CnH2n-6 [19]
113 Derivados del petroacuteleo
Un derivado del petroacuteleo es un producto procesado en una refineriacutea usando como materia
prima el petroacuteleo Seguacuten la composicioacuten del crudo y la demanda las refineriacuteas pueden
producir distintos productos derivados del petroacuteleo La mayor parte del crudo es usado como
materia prima para obtener energiacutea por ejemplo la gasolina Tambieacuten producen sustancias
quiacutemicas que se puede utilizar en procesos quiacutemicos para producir plaacutestico yo otros
materiales uacutetiles
Dentro de los productos que se generan a partir del petroacuteleo se tienen [17]
bull Gasolinas liacutequidas (fabricadas para automoacuteviles y aviacioacuten en sus diferentes grados
queroseno diversos combustibles de turbinas de avioacuten y el gasoacuteleo entre otros)
bull Lubricantes (aceites para maquinarias aceites de motor y grasas Estos compuestos llevan
ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ignicioacuten)
bull Parafinas Es la materia prima para la elaboracioacuten de velas y similares ceras para pisos
foacutesforos papel parafinado vaselinas faacutermacos etc
bull Cloruro de polivinilo (PVC) Existen dos tipos de cloruro de polivinilo tienen alta
resistencia a la abrasioacuten y a los productos quiacutemicos Se utiliza para hacer manteles cortinas
para bantildeo muebles alambres y cables eleacutectricos Tambieacuten se utiliza para la fabricacioacuten de
riego juntas techado y botellas
10
bull Plaacutesticos pinturas barnices disolventes fertilizantes e insecticidas detergentes cauchos
artificiales negro de humo polieacutester y muchos maacutes
bull Detergentes usados para limpieza
bull Azufre subproductos de la eliminacioacuten del azufre del petroacuteleo que pueden tener hasta un
2 de azufre como compuestos de azufre El azufre y aacutecido sulfuacuterico son materiales
importantes para la industria
bull Asfalto se utiliza como aglutinante para la grava que forma de asfalto concreto que se
utiliza para la pavimentacioacuten de carreteras etc
bull Petroquiacutemicos estos pueden ser hidrocarburos olefinas o sus precursores o diversos tipos
de quiacutemicos como aromaacuteticos y tienen una gran variedad de usos Por lo general son
utilizados como monoacutemeros como disolventes como precursores de una gran variedad de
sustancias quiacutemicas y productos quiacutemicos tales como los liacutequidos limpiadores de los
vehiacuteculos surfactante de la limpieza etc [19]
114 Importancia del petroacuteleo
El petroacuteleo tiene una gran trascendencia en la gran mayoriacutea de las actividades cotidianas Del
crudo se obtiene gasolina y diesel para autos y autobuses combustible para barcos y aviones
Se usa para generar electricidad obtener energiacutea caloriacutefica para faacutebricas hospitales y oficinas
y diversos lubricantes para maquinaria y vehiacuteculos La industria petroquiacutemica usa productos
derivados de eacutel para hacer plaacutesticos fibras sinteacuteticas detergentes medicinas conservadores
de alimentos hules y agroquiacutemicos El petroacuteleo ha transformado la vida de las personas y la
economiacutea de las naciones Su descubrimiento creoacute riqueza modernidad pueblos industriales
proacutesperos y nuevos empleos motivando el crecimiento de las industrias mencionadas [19]
12 Yacimiento
11
Un yacimiento de petroacuteleo puede definirse como un volumen poroso que contiene agua
petroacuteleo y a veces una fase gaseosa La proporcioacuten volumeacutetrica del petroacuteleo puede alcanzar
a veces el 40 El medio poroso del yacimiento o roca almaceacuten es de origen sedimentario
de tipo arenisca o caliza consolidado o no El diaacutemetro de poro variacutea ampliamente seguacuten la
roca pero es de tamantildeo microscoacutepico desde algunas fracciones de miliacutemetro a algunos
microacutemetros [20]
Cada medio poroso tiene sus caracteriacutesticas porosidad el porcentaje de volumen vaciacuteo
permeabilidad una medida de la resistencia al movimiento de los fluidos mojabilidad una
medida de la naturaleza superficial de la roca
Debido a su origen sedimentario el medio poroso del yacimiento es a menudo heterogeacuteneo
como consecuencia de las variaciones ocurridas durante el largo proceso de sedimentacioacuten
que formoacute la roca Estas heterogeneidades pueden existir a la escala de los poros o bien a la
escala macroscoacutepica en forma zonas muy o poco permeables y eventualmente de grietas
Las heterogeneidades complican las operaciones de produccioacuten porque tienden a producir
caminos preferenciales y segregaciones [21]
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientos
Geoloacutegicamente los yacimientos se clasifican en estratigraacuteficos estructurales y combinados
[22]
Estratigraacuteficos lentes de arena cambios de facies calizas o dolomitas porosas
cambios de permeabilidad
Estructurales Fracturas en calizas o rocas iacutegneas discordancias fallas en areniscas
sinclinales anticlinales domos salinos etc
Combinados Hace referencia a las posibles combinaciones que se presenten entre los
dos grupos anteriores
La clasificacioacuten anterior se puede observar en la figura 12
12
Figura 12 Clasificacioacuten de yacimientos [22]
122 Condiciones de explotacioacuten
La produccioacuten de petroacuteleo involucra dos aspectos El primero es la produccioacuten uacuteltima posible
en funcioacuten de las teacutecnicas empleadas y el segundo es el ritmo de produccioacuten de acuerdo con
el comportamiento de los pozos y de los diferentes meacutetodos de estimulacioacuten aplicables
(fracturacioacuten acidificacioacuten inyeccioacuten de vapor) Tradicionalmente se hace la distincioacuten entre
dos periacuteodos durante la explotacioacuten de un yacimiento la recuperacioacuten primaria y la
recuperacioacuten secundaria Desde el aumento del precio del petroacuteleo al principio de los antildeos
70 se considera ademaacutes una eventual recuperacioacuten terciaria yo una recuperacioacuten
(secundaria) mejorada [14]
123 Recuperacioacuten primaria
Durante este periacuteodo el petroacuteleo se drena naturalmente hacia los pozos bajo el efecto del
gradiente de presioacuten existente entre el fondo de los pozos y el seno del yacimiento
En muchos yacimientos profundos la presioacuten es mayor que la presioacuten hidrostaacutetica lo que
hace que el petroacuteleo llegue a la superficie con el solo aporte energeacutetico del yacimiento A
medida que se expanden los fluidos en el yacimiento la presioacuten tiende a bajar en forma maacutes
13
o menos raacutepida seguacuten los mecanismos involucrados En ciertos casos puede existir un
mecanismo de compensacioacuten natural que reduzca notablemente la velocidad de decaimiento
de la presioacuten como la compactacioacuten de sedimento (subsidencia) la migracioacuten de un acuiacutefero
activo o la lenta expansioacuten de una bolsa de gas
Cuando el pozo no es eruptivo o cuando la presioacuten se ha reducido se necesita un aporte
externo de energiacutea para disminuir la presioacuten en fondo de pozo O bien se bombea el crudo
desde el fondo del pozo o bien se utiliza el meacutetodo del levantamiento con gas este consiste
en inyectar gas en fondo de pozo de tal forma que el fluido producido sea una mezcla de gas
y petroacuteleo de densidad suficientemente baja para llegar a la superficie bajo el efecto de la
presioacuten del yacimiento [20]
El periacuteodo de recuperacioacuten primaria tiene una duracioacuten variable pero siempre se lleva a cabo
ya que permite recoger numerosas informaciones sobre el comportamiento del yacimiento
las cuales son de primera importancia para la planificacioacuten de la explotacioacuten ulterior
La recuperacioacuten primaria se termina cuando la presioacuten del yacimiento ha bajado demasiado
o cuando se estaacuten produciendo cantidades demasiado importantes de otros fluidos (gas
agua) El porcentaje de recuperacioacuten primaria del crudo originalmente en sitio es en promedio
del orden de 10-15 pero puede ser tan bajo como 5 en yacimientos sin gas disuelto o
alcanzar 20 y auacuten maacutes en yacimientos que poseen una baja permeabilidad y una bolsa de
gas o un acuiacutefero activo
Anteriormente se explotaba el yacimiento en recuperacioacuten primaria hasta que los gastos de
explotacioacuten se vuelvan prohibitivos en cuyo momento se pasaba a los meacutetodos de
recuperacioacuten secundaria Hoy en diacutea se inician las operaciones de recuperacioacuten secundaria
mucho antes de llegar a este punto y la seleccioacuten del meacutetodo de explotacioacuten en un yacimiento
o en una parte de un yacimiento obedece a criterios de optimizacioacuten [22]
14
124 Recuperacioacuten secundaria
Los meacutetodos de recuperacioacuten secundarios consisten en inyectar dentro del yacimiento un
fluido menos costoso que el petroacuteleo para mantener un gradiente de presioacuten Estos fluidos se
inyectan por ciertos pozos (inyectores) y desplazan o arrastran una parte del petroacuteleo hacia
los otros pozos (productores) [14]
Hasta el principio de los antildeos 70 el bajo precio del crudo haciacutea que los uacutenicos fluidos
susceptibles de inyectarse econoacutemicamente eran el agua y en ciertos casos el gas natural
El drenaje por agua permite elevar la recuperacioacuten del aceite originalmente en sitio hasta un
promedio de 25-30 con variaciones desde 15 hasta 40 seguacuten los casos
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejorada
Despueacutes de las recuperaciones primaria y secundaria el yacimiento contiene todaviacutea 60-
80 (promedio 72) del crudo originalmente en sitio Esto se debe a que la eficiencia de los
meacutetodos de recuperacioacuten primaria y secundaria estaacute limitada por dos factores [14]
A la escala de los poros el crudo alcanza una saturacioacuten residual suficientemente baja
para encontrarse en forma de gloacutebulos discontinuos atrapados por las fuerzas
capilares
A la escala del yacimiento existen ciertas zonas en las cuales el fluido inyectado
durante la recuperacioacuten secundaria no penetra por la baja permeabilidad de estas
zonas porque siguen caminos preferenciales o porque la geometriacutea de implantacioacuten
de los pozos no es favorable
Entre los meacutetodos cuyo propoacutesito es mejorar la eficiencia del desplazamiento mediante una
reduccioacuten de las fuerzas capilares se pueden citar la utilizacioacuten de solventes miscibles con
el crudo y la obtencioacuten de baja tensioacuten interfacial con soluciones de surfactantes o soluciones
alcalinas Para mejorar la eficiencia de barrido se puede reducir la viscosidad del crudo
mediante calentamiento aumentar la viscosidad del agua con poliacutemeros hidrosolubles o
taponar los caminos preferenciales por ejemplo con espumas [21]
15
Los meacutetodos actualmente propuestos para la recuperacioacuten mejorada involucran uno o varios
de estos aspectos En lo que se refiere a la utilizacioacuten de surfactantes se destacan los
siguientes
Drenaje miscible con microemulsiones
Drenaje inmiscible con soluciones de surfactantes y poliacutemeros (y a veces aacutelcali)
Inyeccioacuten de vapor con surfactante ndash espumas
126 Generalidades de pozos
La estimulacioacuten de pozos se utiliza para mejorar la productividad de pozos petroleros Esto
se logra inyectando fluidos al pozo y dependiendo del gasto y presioacuten de inyeccioacuten
alcanzada seraacute el tipo de estimulacioacuten realizada Para aumentar la produccioacuten de un pozo se
debe tratar la roca situada en la cercaniacutea para aumentar su permeabilidad esto se debe a que
la geometriacutea ciliacutendrica del pozo produce una mayor resistencia al flujo en la vecindad del
mismo Existen esencialmente dos meacutetodos de estimulacioacuten que pueden emplearse solos o
juntos la fracturacioacuten y la acidificacioacuten [23]
En ambos tipos de procesos se usan surfactantes como dispersantes de partiacuteculas finas (alquil
fenoles y alquil amonios etoxilados) y como inhibidores de corrosioacuten (alquilpiridinios)
En el proceso de fracturacioacuten se inyecta bajo alta presioacuten una mezcla de agua y de arena La
arena penetra en las fracturas producidas e impide que se vuelvan a cerrar cuando la presioacuten
retorna a lo normal
En la acidificacioacuten se inyecta una solucioacuten aacutecida (HCl HF) extremadamente corrosiva para
los metales pero capaz de disolver la roca almaceacuten (carbonato siacutelica) Se usan alquil
piridinios como inhibidores de corrosioacuten alquil fenoles etoxilados como humectantes y
alquil amonios etoxilados como dispersantes de partiacuteculas finas
A menudo en presencia de carbonatos se desea retardar la acidificacioacuten para que el fluido
aacutecido pueda penetrar a cierta distancia del pozo antes de reaccionar con la roca
Uno de los meacutetodos de retardacioacuten consiste en emulsionar la fase acuosa aacutecida en queroseno
en forma WO Para tales emulsiones se usan sulfonatos de petroacuteleo o sales de aacutecidos
16
carboxiacutelicos por la interaccioacuten que presentan los grupos ldquosulfatordquo con los hidrocarburos [22]
Siendo el queroseno la fase continua el contacto aacutecido-roca no se produce inmediatamente
y la emulsioacuten puede penetrar a varios metros del pozo antes de que se consuma todo el aacutecido
obseacutervese en la figura 13
Figura 13 Acidificacioacuten controlada mediante la inyeccioacuten de una emulsioacuten de aacutecido en
queroseno [23]
Otro meacutetodo de retardacioacuten consiste en inyectar nitroacutegeno con la solucioacuten aacutecida la cual
contiene agentes espumantes como alquil eacutester sulfatos surfactantes etoxilados y a veces
surfactantes fluorocarbonados La espuma formada juega dos papeles de una parte reduce el
contacto entre el aacutecido y la roca y por lo tanto reduce la velocidad de ataque Por otra parte
tienen tendencia en llenar las fracturas y taponarlas (efecto Jamin) lo que obliga al aacutecido a
penetrar en la zonas de baja permeabilidad (figura 14)
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumas
Sin embargo estos dos uacuteltimos meacutetodos deben emplearse con cierto cuidado para evitar el
taponamiento del pozo con emulsiones o espumas debido a la presioacuten con la que actuacutean en
17
el mismo sistema lo que puede luego tener un efecto desfavorable sobre la produccioacuten[22]
Despueacutes de la acidificacioacuten se pone el pozo en produccioacuten para eliminar el residuo de aacutecido
y las partiacuteculas finas producidas por la desagregacioacuten de la roca Es en esta etapa que se
requieren agentes dispersantes
Ciertos meacutetodos de estimulacioacuten consisten en inyectar surfactantes para bien sea cambiar la
mojabilidad de la roca de mojable por el agua a mojable por el aceite bien sea desplazar
el crudo atrapado en la cercaniacutea del pozo Tales meacutetodos se usan para estimular pozos que
han dejado de producir por cierto tiempo o que han sufrido un dantildeo
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluido
131 Porosidad
Es el volumen de huecos de la roca y define la capacidad de eacutesta para almacenar fluidos Se
expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca
(porosidad total o bruta) [24]
Tipos de Porosidad
Absoluta La porosidad absoluta se considera como el volumen poroso total (esteacuten o
no interconectados)
Efectiva La porosidad efectiva se refiere al porcentaje de poros interconectados que
permiten la circulacioacuten de fluidos
No efectiva Representa la diferencia entre las porosidades anteriores es decir la
porosidad absoluta y la efectiva
132 Permeabilidad
18
La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo
atraviese sin alterar su estructura interna Se afirma que un material es permeable si deja
pasar a traveacutes de eacutel una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado e impermeable si la
cantidad de fluido es despreciable Se define con la ecuacioacuten de Darcy [14]
119876 =119870119860
120583
119889119875
119889119905 119910 119870 =
119876120583
119860 119889119897
119889119875 (1)
Doacutende
A Aacuterea de flujo (cm2)
Q Gasto (cm3 s-1)
dP Diferencia de presiones a la entrada y salida del permeaacutemetro (kPa)
dl Longitud del medio poroso (cm)
micro Viscosidad del fluido (cP)
K Velocidad de filtracioacuten (m s-1)
Si el fluido es homogeacuteneo y no produce ninguna accioacuten importante sobre la roca se habla
de permeabilidad absoluta pero si en la roca existen varios fluidos como es el caso de un
yacimiento petroliacutefero en el que se puede tener petroacuteleo agua y gas se producen
interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los
fluidos
La permeabilidad relativa corresponde a la relacioacuten entre permeabilidad absoluta y efectiva
Para un fluido dado variacutea en funcioacuten directa con la saturacioacuten de ese fluido en la roca y se
expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro
133 Tortuosidad
19
Una medida de la complejidad geomeacutetrica de un medio poroso La tortuosidad es una relacioacuten
que caracteriza los trayectos de la difusioacuten del fluido y la conduccioacuten eleacutectrica a traveacutes de los
medios porosos En mecaacutenica de fluidos de los medios porosos la tortuosidad es la relacioacuten
del largo de la corriente natural de un fluido (una liacutenea o trayecto de flujo) entre dos puntos
y la distancia en liacutenea recta entre esos puntos Por consiguiente la tortuosidad se relaciona
con la relacioacuten entre el coeficiente de difusioacuten de un fluido cuando no estaacute confinado por un
medio poroso y su coeficiente de difusioacuten efectivo cuando estaacute confinado en un medio poroso
[22] Este paraacutemetro es calculado con la ecuacioacuten 2
119879 =119871119864
119871 ( 2)
Doacutende
L es la longitud de la muestra de roca (cm)
LE es la longitud de la trayectoria de difusioacuten del fluido sobre la muestra (cm)
El flujo de fluidos a traveacutes de medios porosos estaacute fuertemente afectado por fenoacutemenos de
superficie los cuales representan fuerzas retentivas de fluidos en el medio poroso La accioacuten
de la estimulacioacuten matricial no reactiva concierne principalmente a la alteracioacuten de estas
fuerzas retentivas manifiestas en los fenoacutemenos de tensioacuten superficial mojabilidad y
capilaridad [20]
134 Tensioacuten Superficial e Interfacial
La materia en sus diferentes estados (soacutelido liacutequido y gaseoso) estaacute compuesta de moleacuteculas
las cuales presentan una atraccioacuten llamada fuerza de cohesioacuten Esta fuerza es una
combinacioacuten de fuerzas electrostaacuteticas y de Van der Waals [21] Naturalmente estas fuerzas
son de diferente magnitud dependiendo del estado de la materia Por ejemplo en el seno de
un liacutequido una moleacutecula es rodeada por moleacuteculas similares ejerciendo unas con otras
fuerzas iguales de atraccioacuten por lo que eacutestas se encuentran balanceadas tal como se muestra
en la figura 15
20
15 Representacioacuten de fuerzas intermoleculares en un sistema bifaacutesico (soacutelido-liacutequido)
En la interfase entre un liacutequido y un soacutelido o entre un liacutequido y un gas estas fuerzas son
desequilibradas causando que exista una resultante en la interfase con ello se crea una
energiacutea libre de superficie En la misma figura 15 se observa la fuerza resultante en la
interfase del sistema denotada con el teacutermino FR cuyo valor representa la tensioacuten que existe
entre las moleacuteculas de las fase liquida y gaseosa
Esta fuerza seraacute mayor entre mayores sean las fuerzas de atraccioacuten de las moleacuteculas del
liacutequido Si se deseara romper esta superficie se tendriacutea que realizar un trabajo por unidad de
aacuterea equivalente a vencer la energiacutea libre de superficie Este trabajo por unidad de aacuterea se
denomina tensioacuten superficial y su valor especiacutefico para cada liacutequido depende
principalmente de la temperatura y presioacuten a las cuales se encuentre
Para medir la tensioacuten superficial se utilizan varios meacutetodos de los cuales el maacutes utilizado es
el meacutetodo de Du Nouumly Este procedimiento consiste en colocar en el liacutequido un arillo de
platino y llevarlo hasta la interfase midiendo la fuerza necesaria con la que el anillo rompe
la superficie La tensioacuten superficial generalmente se da en dina cm-1 Para el agua a
21
condiciones estaacutendar la tensioacuten superficial es de 72 dina cm-1 para el benceno es de 29 dina
cm-1 [19]
En 1905 Young mostroacute que las propiedades mecaacutenicas de la energiacutea libre de superficie
podriacutean relacionarse con una membrana hipoteacutetica en la superficie Usando en concepto de
tensioacuten superficial Young fue capaz de derivar expliacutecitamente la condicioacuten de equilibrio
mecaacutenico de una superficie curva entre dos fases [21] La ecuacioacuten de Young se expresa en la
ecuacioacuten 3
119875primeprime minus 119875prime =2120590
119903 (3)
Doacutende
Pacute Presioacuten en la fase externa (kPa)
Pacuteacute Presioacuten en la fase interna (kPa)
σ Tensioacuten Superficial (Erg)
r Radio de curvatura (cm)
Si un liacutequido estaacute en contacto con otra sustancia (gas soacutelido u otros liacutequidos inmiscibles) hay
una energiacutea libre interfacial Esto significa que se tiene que realizar cierta cantidad de trabajo
con el fin de separar ambos medios Los dos principales paraacutemetros que afectan a la magnitud
de la tensioacuten superficial son la temperatura y la composicioacuten quiacutemica de las fases La
variacioacuten de la tensioacuten superficial liacutequido-vapor (γLG) usualmente sigue una relacioacuten lineal
seguacuten la expresioacuten [15]
120574119871119866 = 1205740 + (∆120575119871119866
∆119879) (119879 minus 119879119898) (4)
Doacutende
γLG Tensioacuten interfacial liquido-gas (dina cm-1)
γ0 Tensioacuten superficial del liacutequido (dina cm-1)
ΔδLG Diferencia de densidad entre fase liacutequida y fase gaseosa (kg m-3)
22
ΔT Diferencia de temperaturas
T Temperatura del sistema (degC)
Tm Temperatura media (degC)
En general la tensioacuten superficial para metales fundidos disminuye con el incremento de la
temperatura (dγLGdT) lt 0 ya que las fuerzas de cohesioacuten disminuyen al aumentar la
agitacioacuten teacutermica La influencia del medio exterior se debe a que las moleacuteculas del medio
ejercen acciones atractivas sobre las moleacuteculas situadas en la superficie del liacutequido
contrarrestando las acciones de las moleacuteculas del interior del liacutequido
La medida de la tensioacuten superficial en soacutelidos policristalinos es compleja comparada con la
medida de γLG y en consecuencia los datos experimentales son difiacutecilmente fiables Se han
desarrollado modelos teoacutericos para predecir γSG pero con un eacutexito limitado Por otro lado la
tensioacuten γSL no puede ser medida directamente soacutelo puede predecirse con la ayuda de modelos
teoacutericos [19] El uso de la ecuacioacuten 5 para determinar el trabajo de adherencia (conociendo
previamente γLG o midieacutendolo simultaacuteneamente con θ) es una de las praacutecticas maacutes habituales
para investigar la mojabilidad de soacutelidos por metales liacutequidos
119882119886 = 120574119871119866(1 + 119888119900119904120579)
Donde
Wa Mojabilidad
γLG= Tensioacuten interfacial (dina cm-1)
θ= Angulo de contacto (deg)
135 Mojabilidad
23
La mojabilidad es uno de los fenoacutemenos de superficie y representa la interaccioacuten soacutelidondash
liacutequido este paraacutemetro depende de las fuerzas intermoleculares de los materiales en contacto
la fuerza de adhesioacuten entre el liacutequido y el soacutelido provoca que el liacutequido se extienda por la
superficie mientras que la de cohesioacuten del liacutequido hacen que eacuteste se abulte y tienda a evitarla
Es claro que tambieacuten estaacute muy relacionada con la capilaridad porque algunas sustancias
disueltas en el agua pueden modificar su tensioacuten superficial y por lo tanto su mojabilidad [14]
El aacutengulo de contacto ϴ es el aacutengulo que forma el liacutequido respecto a la superficie de contacto
con el soacutelido y estaacute determinado por la resultante de las fuerzas adhesivas y cohesivas Como
la tendencia de una gota a expandirse en una superficie plana aumenta con la disminucioacuten
del aacutengulo de contacto este aacutengulo proporciona una medida inversa de la mojabilidad [25]
Un aacutengulo de contacto pequentildeo (lt 90deg) indica que la mojabilidad es muy alta y el fluido se
extenderaacute sobre la superficie aacutengulos de contacto grandes (gt 90deg) significan que la
mojabilidad es baja y el fluido disminuiraacute el contacto con la superficie formando una gota
compacta este efecto puede observarse en las figuras 6a 6b y 6c Cuantitativamente la
mojabilidad se define como el producto de la tensioacuten superficial por el aacutengulo de contacto
esto es
119882119886 = 120590119888119900119904120579 (5)
Figura 16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidad [25]
El fenoacutemeno de mojabilidad es de gran importancia para el flujo de aceite en un medio
poroso Se ha demostrado que si la roca se encuentra mojada por agua la permeabilidad al
a) b) c)
24
aceite es muy superior al caso en que la roca se encuentre mojada por aceite lo cual favorece
la recuperacioacuten del aceite contenido en el yacimiento [26]
136 Capilaridad
La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de adsorber a otra Sucede cuando las
fuerzas intermoleculares adhesivas entre el liacutequido y el soacutelido son mayores que las fuerzas
intermoleculares cohesivas del liacutequido Cuando un liacutequido sube por un tubo capilar es debido
a la cohesioacuten intermolecular entre sus moleacuteculas es menor que la adhesioacuten del liacutequido con el
material del tubo es decir es un liacutequido que moja El liacutequido sigue subiendo hasta que la
tensioacuten superficial es equilibrada por el peso del liacutequido que llena el tubo
Al sumergir un tubo de vidrio capilar en agua eacutesta se elevaraacute en el tubo como se muestra en
la figura 17 en este caso se define como presioacuten capilar la diferencia de presiones en la
interfase [5]
Figura 17 Efecto de la capilaridad [5]
La presioacuten capilar seraacute la fuerza requerida para soportar la columna de agua en el tubo
dividida entre el aacuterea del capilar se explica con la ecuacioacuten 6
119875119862 = 120588119892ℎ119888 (6)
Doacutende
25
Pc Presioacuten capilar (N m-2)
ρ Densidad (kg m-3)
g Aceleracioacuten de la gravedad (981 m s-2)
hc Altura de la columna (m)
137 Adsorcioacuten
La adsorcioacuten es un proceso de separacioacuten y concentracioacuten de uno o maacutes componentes de un
sistema sobre una superficie soacutelida o liacutequida Los distintos sistemas heterogeacuteneos en los que
puede tener lugar la adsorcioacuten son soacutelido-liacutequido soacutelido-gas y liacutequido-gas Como en otros
procesos de este tipo los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases
La adsorcioacuten es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra
sobre la superficie de otra fase (generalmente soacutelida) Por ello se considera como un
fenoacutemeno subsuperficial La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama
adsorbato y la fase impregnada se llama adsorbente [21] Lo anterior se muestra en la
figura 18
Figura 18 Proceso de adsorcioacuten
1371 Tipos de adsorcioacuten
Cabe distinguir tres tipos de adsorcioacuten seguacuten sea la atraccioacuten entre el soluto y el adsorbente
sea de tipo eleacutectrico de Van der Waals (o Fiacutesica) o de naturaleza quiacutemica [23]
26
Eleacutectrica Cae de lleno dentro del intercambio ioacutenico y a menudo se le llama
adsorcioacuten por intercambio que es un proceso mediante el cual los iones de una
sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atraccioacuten electrostaacutetica
en los lugares cargados de la superficie Para dos absorbatos ioacutenicos posibles a
igualdad de otros factores la carga del ioacuten es el factor determinante en la adsorcioacuten
de intercambio Para iones de igual carga el tamantildeo molecular (radio de solvatacioacuten)
determina el orden de preferencia para la adsorcioacuten (figura 19)
Figura 19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectrica
Fiacutesica La adsorcioacuten que tiene lugar debido a las fuerzas de Van der Waals se llama
generalmente adsorcioacuten fiacutesica En este caso la moleacutecula adsorbida no estaacute fija en un
lugar especiacutefico de la superficie sino maacutes bien estaacute libre de trasladarse dentro de la
interfase Esta adsorcioacuten en general predomina a temperaturas bajas El aumento de
la temperatura disminuye considerablemente la adsorcioacuten (figura 110)
No se produce adsorcioacuten a temperaturas superiores a la temperatura criacutetica del
adsorbato gaseoso si la presioacuten del gas tiene valores cercanos a la presioacuten de vapor
de equilibrio para el adsorbato liacutequido se produciraacute una adsorcioacuten maacutes extensa en
capas muacuteltiples
27
Figura 110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesica
Quiacutemica Si el adsorbato sufre una interaccioacuten quiacutemica con el adsorbente el
fenoacutemeno se llama adsorcioacuten quiacutemica adsorcioacuten activa o quimisorcioacuten Las energiacuteas
de adsorcioacuten son elevadas del orden de las de un enlace quiacutemico debido a que el
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente Esta adsorcioacuten suele estar favorecida a una temperatura elevada [17]
(figura 111)
Figura 111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemica
La mayor parte de los fenoacutemenos de adsorcioacuten son combinaciones de las tres formas de
adsorcioacuten y de hecho no es faacutecil distinguir entre adsorcioacuten fiacutesica y quiacutemica
28
14 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten es el proceso en donde un fluido que satura un medio capilar es desplazado
por otro fluido Eacutesta es espontaacutenea cuando el fluido desplazante penetra el medio capilar
uacutenicamente bajo la accioacuten de las fuerzas capilares Las muestras de roca que imbiben
uacutenicamente agua se dice que son mojadas por agua de igual manera las que lo hacen con el
aceite son mojadas por aceite [10]
La imbibicioacuten es importante en un yacimiento que produce por mecanismos de empuje de
agua porque puede favorecer u obstruir el movimiento del agua afectando el aacuterea del barrido
Una prueba de imbibicioacuten es una comparacioacuten del potencial de imbibicioacuten del petroacuteleo y del
agua en una roca tal como se muestra en la figura 112 La mojabilidad de la roca es
determinada por la fase que maacutes absorbe
Figura 112 Celda de imbibicioacuten espontanea [10]
141 Interaccioacuten roca-fluido
29
La mojabilidad es muy importante en los procesos de recuperacioacuten de aceite debido al fuerte
efecto que eacutesta ejerce en la distribucioacuten localizacioacuten y flujo de aceite y agua dentro del
yacimiento durante la produccioacuten
Generalmente se asume que los yacimientos de aceite fueron creados por la acumulacioacuten de
hidrocarburos en rocas que originalmente conteniacutean agua y por ello se deduce que las rocas
de todos los yacimientos fueron originalmente mojadas por agua [23]
Asimismo existen casos aislados en los cuales despueacutes de haberse hecho pruebas se
descubrioacute que algunos yacimientos eran originalmente mojados por aceite Principalmente
los asfaltenos pesados y las fracciones de resina del aceite crudo son capaces de alterar por
adsorcioacuten la mojabilidad de una caliza mojada originalmente por agua a una mojada por
aceite en su superficie Los componentes maacutes importantes en el aceite crudo responsables
del cambio de mojabilidad son aquellos que contienen grupos cargados como un aacutecido o una
base
Las rocas carbonatadas usualmente llevan cargan positivas en la superficie y tienen una
afinidad mayor por los componentes aacutecidos del aceite crudo En el caso de las areniscas cuya
carga de superficie es negativa se tiene una mayor atraccioacuten por los componentes baacutesicos
del aceite crudo [10] La figura 113 es una representacioacuten esquemaacutetica de coacutemo las partes
aacutecidas del aceite se adsorben sobre la superficie de la caliza generando un estado maacutes mojado
por aceite
Figura 113 Esquema de las partes aacutecidas del aceite crudo sobre una superficie de roca
carbonatada
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacutenea
30
La comprensioacuten de los mecanismos detraacutes de la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes
puede mejorar el desempentildeo y aplicacioacuten del producto en operaciones de campo
Diversos investigadores notaron que para cada tipo de roca la efectividad de la alteracioacuten de
la mojabilidad depende de la naturaleza ioacutenica del surfactante empleado En nuacutecleos de
calizas mojadas por aceite Austad [19] observoacute que surfactantes catioacutenicos funcionaron
mejor que surfactantes anioacutenicos en el cambio de mojabilidad hacia un estado maacutes mojado
por agua Pensaron que para los surfactantes catioacutenicos el mecanismo responsable de la
alteracioacuten de la mojabilidad en una roca carbonatada mojada por aceite era la formacioacuten de
ion-par entre las cabezas catioacutenicas de las moleacuteculas de surfactante y los componentes aacutecidos
del aceite crudo adsorbidos en la superficie de la roca carbonatada
La formacioacuten del ioacuten-par puede remover la capa de aceite crudo adsorbida sobre la superficie
de la roca logrando exponer la superficie de la roca carbonatada originalmente mojada por
agua En cambio las moleacuteculas de los surfactantes anioacutenicos forman una capa en la
superficie de la roca carbonatada a traveacutes de la interaccioacuten hidrofoacutebica de las colas del
surfactante en la superficie La capa de surfactantes adsorbidos con los grupos de cabezas
hidrofiacutelicas cubriendo la roca originalmente mojada por aceite pueden cambiar la
mojabilidad del medio poroso a uno maacutes mojado por agua En este caso las interacciones
hidrofoacutebicas son mucho maacutes deacutebiles que las interacciones ioacuten-par explicando por queacute los
surfactantes catioacutenicos funcionan mejor que los anioacutenicos en la alteracioacuten de mojabilidad en
rocas carbonatadas hacia un estado maacutes mojado por agua Esas pruebas e hipoacutetesis fueron el
comienzo de un estudio que otros investigadores culminaron en un estudio de la mecaacutenica de
la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes [19]
143 Cambio de mojabilidad por el ioacuten-par
31
La formacioacuten del ioacuten-par es influenciado principalmente por interacciones electrostaacuteticas
entre las cabezas hidrofiacutelicas de los surfactantes y estabilizada por interacciones de las
secciones hidrofoacutebicas de la moleacutecula de surfactante Como se muestra en la figura 114 la
formacioacuten de iones-par remueve los componentes del aceite crudo adsorbido sobre la
superficie de la roca dando lugar a la cara originalmente mojada por agua [23]
Figura 114 Modelo esquemaacutetico del cambio de mojabilidad con la aplicacioacuten de
surfactantes
Los iones-par formados durante el proceso no son solubles en agua y por ello se mueven
raacutepidamente dentro de la fase aguaaceite hacia la fase aceite dejando las moleacuteculas de
surfactante libres en la fase agua para asociarse con los componentes del aceite adsorbidos
en la superficie de la roca (figura 114) De esta manera el surfactante cambia
satisfactoriamente la mojabilidad de la superficie de la roca a un estado maacutes mojado por agua
15 Surfactantes
Tambieacuten llamados agentes tensoactivos son moleacuteculas que poseen una doble afinidad
quiacutemica debido a su estructura de tipo polar-apolar Un surfactante o agente superficialmente
activo es una especie quiacutemica que es activa en la interfase entre dos fases como un
detergente que es activo en la interfase entre las fases hidroacutefila e hidroacutefoba El detergente se
acumula en la interfase y modifica la tensioacuten superficial La tensioacuten superficial disminuye
cuando un soluto se acumula en la interfase siendo el soluto en este caso el agente
tensoactivo [21] Su representacioacuten claacutesica se indica en la Figura 115
32
115 Representacioacuten de una moleacutecula surfactante
La parte polar o hidrofiacutelica es un grupo funcional ioacutenico o no ioacutenico generalmente constituida
por heteroaacutetomos como oxiacutegeno azufre nitroacutegeno y foacutesforo que permiten un alto grado de
solubilidad en solventes polares particularmente en agua La parte apolar o lipofiacutelica
generalmente es una cadena hidrocarbonada de tipo alquil o alquilbenceno con presencia en
ciertos casos de aacutetomos de un haloacutegeno u oxiacutegeno la cual es soluble en solventes orgaacutenicos
no polares particularmente hidrocarburos aceites y grasas Debido a esta dualidad polar-
apolar una moleacutecula de surfactante tiene tendencia a migrar a una intercara o una superficie
con la finalidad de satisfacer sus dos tipos de afinidad Sin embargo no todas las sustancias
anfifiacutelicas poseen esta propiedad [14]
151 Clasificacioacuten de los surfactantes
Debido a que la accioacuten de los surfactantes depende principalmente de fuerzas electrostaacuteticas
eacutestos se clasifican de acuerdo a la naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua Los
surfactantes se dividen en anioacutenicos catioacutenicos no ioacutenicos y zwitterioacutenicos (anfoteacutericos)
La tabla 13 muestra su clasificacioacuten incluyendo su descripcioacuten esquemaacutetica las
caracteriacutesticas de carga del grupo soluble en agua los grupos quiacutemicos maacutes importantes y
sus usos principales
La naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua se usa para clasificar los surfactantes en
cuatro clases
33
Tabla 13 Clasificacioacuten de Surfactantes
Clasificacioacuten Descripcioacuten Carga del grupo
soluble en agua
Grupos Quiacutemicos Usos
Anioacutenicos M+ + Negativa Sulfonatos
Sulfatos
Fosfatos
Fosfonatos
No
emulsificantes
Retardadores
Limpiadores
Catioacutenicos X- - Positiva Grupos aminos No
emulsificantes
Inhibidores de
corrosioacuten
No ioacutenicos XxR Sin Carga Alcoholes
Alquilfenoles
Esteres
Eteres
Amidas
Etileno
No
emulsificantes
Espumantes
Inhibidores de
corrosioacuten
Zwitterioacutenicos M+ X- Posee ambas
cargas
Dodedil amino
aacutecido propionico
Inhibidores de
corrosioacuten
Los surfactantes anioacutenicos se disocian en un anioacuten anfiacutefilo y un catioacuten el cual es en general
un metal alcalino o un grupo alquiacutelico A este tipo pertenecen los detergentes sinteacuteticos como
los alquil benceno sulfonatos los jabones (sales de sodio de aacutecidos grasos) los agentes
espumantes como el lauril sulfato los humectantes del tipo sulfosuccinato los dispersantes
del tipo lignosulfonatos etc La produccioacuten de los surfactantes anioacutenicos representa
alrededor del 55 de los surfactantes producidos anualmente en el mundo FIRP 303
Los surfactantes no ioacutenicos estaacuten en el segundo rango por orden de importancia con un poco
menos del 40 del total En solucioacuten acuosa no se ionizan puesto que ellos poseen grupos
hidroacutefilos del tipo alcohol fenol eacutester eacuteter o amida Una alta proporcioacuten de estos
surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofiacutelicos gracias a la presencia de una cadena
polieacuteter del tipo polioacutexido de etileno El grupo hidroacutefobo es generalmente un radical alquilo
o alquil benceno y a veces una estructura de origen natural como un aacutecido graso sobre todo
cuando se requiere una baja toxicidad
34
Los surfactantes catioacutenicos se disocian en solucioacuten acuosa en un catioacuten orgaacutenico anfiacutefilo y
un anioacuten generalmente del tipo halogenuro La gran mayoriacutea de estos surfactantes son
compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario La fabricacioacuten
de estos surfactantes es mucho maacutes cara que la de los anteriores y es por esta razoacuten que no
se les utilizan salvo en caso de aplicacioacuten particular como cuando se hace uso de sus
propiedades bactericidas o de su facilidad de adsorcioacuten sobre sustratos bioloacutegicos o inertes
que poseen una carga negativa
Esta uacuteltima propiedad hace que sean excelentes agentes antiestaacuteticos hidrofobantes asiacute
como inhibidores de corrosioacuten [24] y puedan ser utilizados tanto en productos industriales
como para uso domeacutestico
La combinacioacuten dentro de una misma moleacutecula de dos caracteres anioacutenico y catioacutenico
producen un surfactante llamado anfoacutetero o zwitterioacutenico como por ejemplo los
aminoaacutecidos las betaiacutenas o los fosfoliacutepidos ciertos anfoacuteteros son insensibles al pH otros
son de tipo catioacutenico a pH aacutecido y de tipo anioacutenico a pH alto Los anfoacuteteros son en general
tan caros como los catioacutenicos y por esta razoacuten su utilizacioacuten se reduce a aplicaciones
particulares
152 Propiedades de los surfactantes
Los surfactantes poseen dos propiedades fundamentales que permiten explicar las
caracteriacutesticas de su utilizacioacuten actividad superficial o interfacial adsorcioacuten y asociacioacuten
micelar
1511 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacuten
Cuando un surfactante estaacute presente a baja concentracioacuten en un sistema tiene la propiedad
de adsorberse en la superficie (liacutequido-gas) o en la cara interfacial (liacutequido-liacutequido) del
sistema Este fenoacutemeno que es debido a sus caracteriacutesticas anfifiacutelicas provoca una
disminucioacuten notable de la energiacutea libre superficial o interfacial
35
La energiacutea libre de la moleacutecula en la cara interfacial es inferior a la de la moleacutecula
solubilizada en la fase acuosa por tanto la transferencia desde el seno de la fase hacia la cara
interfacial llamada adsorcioacuten se realiza de manera espontaacutenea
La disminucioacuten de la tensioacuten interfacial provocada por la adsorcioacuten del surfactante favorece
la deformacioacuten y la ruptura de la cara interfacial la formacioacuten de sistemas dispersos como
las emulsiones y las espumas la movilizacioacuten del petroacuteleo residual en pozos entre otros [26]
1512 Micelas y asociacioacuten micelar
En soluciones diluidas el surfactante se encuentra en el seno del liacutequido bajo la forma de
solucioacuten molecular A partir de cierta concentracioacuten llamada concentracioacuten micelar criacutetica
(CMC) la fase acuosa se satura y la adicioacuten de maacutes moleacuteculas de surfactante provoca la
formacioacuten de agregados de tipo coloidal llamadas micelas [21]
Estos agregados pueden reunir entre decenas y centenas de moleacuteculas y su dimensioacuten y
estructura dependen de la estructura y del ambiente fisicoquiacutemico del surfactante La
tendencia liofoacutebica de una parte de la moleacutecula surfactante es el principal promotor de la
formacioacuten de las micelas en las cuales el surfactante alcanza una posicioacuten favorable para
satisfacer su doble afinidad
Generalmente se presenta a una micela como una entidad estaacutetica sin embargo las micelas
son agregados moleculares en equilibrio dinaacutemico con las moleacuteculas de surfactante dispersas
en el disolvente [19] De hecho se puede citar que ocurren dos procesos baacutesicos i) intercambio
de las micelas con las moleacuteculas de surfactante en el disolvente y con otras micelas que
ocurre en microsegundos o milisegundos y ii) la renovacioacuten real de una micela completa por
este proceso (de milisegundos a segundos)
Cuando el medio continuo estaacute formado por una sustancia no polar (denominado
geneacutericamente aceite aunque su estructura quiacutemica no corresponda a este nombre) se
forman las llamadas micelas inversas Ahora las cabezas polares estaacuten orientadas hacia el
interior de la micela y estaacuten en contacto con agua o alguna otra sustancia polar mientras que
las colas hidrocarbonadas se dirigen hacia el exterior de la micela (en contacto con el
36
disolvente apolar) como se muestra en la figura 116 Estos sistemas son mucho maacutes
complejos que los formados por las micelas normales tienen valores propios para la CMC y
nuacutemero de agregacioacuten aunque su tamantildeo y forma es similar al de las micelas normales
Figura 116 Tipos de micela A) micela normal B) micela inversa
El tamantildeo de una micela esfeacuterica estaacute determinado por el equilibrio entre las fuerzas de
atraccioacuten entre las colas hidrocarbonadas entre siacute (realmente se debe a que las moleacuteculas de
agua tienden a expulsar a las moleacuteculas hidrofoacutebicas de su contacto) y las fuerzas de repulsioacuten
electrostaacutetica de las cabezas polares (ayudada por efectos esteacutericos y de hidratacioacuten)
Mediante estudios de difraccioacuten de neutrones a aacutengulo pequentildeo se ha determinado la
estructura de una micela esfeacuterica el nuacutecleo es hidrocarbonado los grupos polares junto con
algunos contraiones (iones de carga opuesta al de la cabeza polar del surfactante) constituyen
la capa ioacutenica de Stern con un espesor de 02 a 04 nm y una capa difusa de Gouy-Chapman
mostrado en la figura 117
37
Figura 117 Comportamiento estaacutetico micelar
A concentraciones de surfactante ligeramente mayores que la CMC las micelas son esfeacutericas
al aumentar la concentracioacuten ciertas propiedades de la disolucioacuten indican un cambio en la
estructura de los agregados micelares Esto se debe probablemente a interacciones entre las
micelas Incrementando la concentracioacuten las micelas adoptan formas ciliacutendricas o lamelares
o en algunos casos de discos A concentraciones superiores pueden ocurrir transiciones de
fase de solucioacuten micelar a cristales liacutequidos
Algunas de las caracteriacutesticas que hacen atractivas a las micelas para aplicaciones analiacuteticas
son la existencia de la capa ioacutenica de Stern (en micelas ioacutenicas) la orientacioacuten anisotroacutepica
(o grado de ordenamiento) del nuacutecleo de la micela el ordenamiento de la interfaz micelar
debido a la carga y a las interacciones con el disolvente y a la diferencia de polaridad entre
el disolvente y el interior micelar
Muchas propiedades fiacutesicas de las soluciones de surfactante (conductividad tensioacuten
superficial densidad etc) cambian de manera notable en la CMC Comuacutenmente la CMC se
obtiene por la interseccioacuten de dos curvas que representan una propiedad fiacutesica determinada
de la solucioacuten una curva representa la propiedad fiacutesica a concentraciones inferiores a la CMC
y la otra representa la propiedad fiacutesica a concentraciones superiores [10]
38
16 Emulsiones
Las emulsiones son sistemas dispersos constituidos por dos liacutequidos inmiscibles en los cuales
la fase en suspensioacuten (fase interna o dispersa) se encuentra en forma de pequentildeas gotas
contenida en la fase externa (fase continua o dispersante) como se muestra en la figura 118
La estructura de las emulsiones estaacute estabilizada por un agente surfactante llamado
emulsionante Por definicioacuten una emulsioacuten es un sistema termodinaacutemicamente inestable y
tarde o temprano debe separarse en sus dos fases [19]
Figura 118 Micrografiacutea de una emulsioacuten WO
La nocioacuten de estabilidad es por supuesto relativa pero se refiere a una casi ausencia de
cambio durante un periacuteodo de tiempo suficientemente largo para el propoacutesito de la aplicacioacuten
praacutectica lo cual puede variar de algunos minutos a algunos antildeos
Las cantidades relativas de fase dispersa y fase continua (referidas tambieacuten como fase interna
y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades Por debajo de 20 de fase
interna se habla de una emulsioacuten de bajo contenido de fase interna En tales emulsiones se
puede considerar que hay poca interaccioacuten de las gotas entre siacute
39
161 Tipos de emulsiones
En la mayoriacutea de los casos en los cuales se hace una emulsioacuten con dos liacutequidos
inmiscibles uno de los liacutequidos es una fase acuosa y el otro una fase aceite u orgaacutenica Se
usan las abreviaturas O para el aceite y W para el agua siguiendo la nomenclatura
anglosajona Las emulsiones se clasifican [26]
Aceite en agua (OW) Esta emulsioacuten contiene gotas de aceite dispersadas en agua
es la emulsioacuten normal para todas las aplicaciones con excepcioacuten de la produccioacuten de
petroacuteleo en la cual se denomina emulsioacuten inversa
Agua en aceite (WO) En esta emulsioacuten la fase dispersa es el agua mientras que la
continua es el aceite esta es la emulsioacuten normal en la industria petrolera y la inversa
para todas las demaacutes aplicaciones
Agua en aceite en agua (WOW) Cuando las gotas de aceite de una emulsioacuten OW
contienen en su interior gotitas de agua se dice que se tiene una emulsioacuten muacuteltiple
del tipo WOW Las emulsiones muacuteltiples se encuentran en forma espontaacutenea en
ciertas circunstancias o pueden prepararse al propoacutesito
Aceite en agua en aceite (OWO) Este tipo de emulsioacuten no se encuentra con
frecuencia y estaacute constituida por una fase continua de aceite con gotas dispersas de
agua en su interior las cuales a su vez contienen pequentildeiacutesimas gotas de la fase
aceitosa
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleo
Durante las operaciones de extraccioacuten del petroacuteleo la mezcla bifaacutesica de petroacuteleo y agua se
desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden de 1 piediacutea lo que es insuficiente
para que se forme una emulsioacuten Sin embargo al pasar por todo el aparataje de produccioacuten
durante el levantamiento y el transporte en superficie (bombas vaacutelvulas codos restricciones
etc) se produce la agitacioacuten suficiente para que el agua se disperse en el petroacuteleo en forma
de emulsioacuten WO estabilizada por las especies de actividad interfacial presentes en el crudo
(asfaacuteltenos y resinas) y por soacutelidos
40
Existen tres requisitos esenciales para formar una emulsioacuten
Dos liacutequidos inmiscibles como el agua y el aceite
Suficiente agitacioacuten para dispersar uno de los liacutequidos en pequentildeas gotas en el otro
Un agente emulsionante para estabilizar las gotas dispersas en la fase continua
En los campos petroleros las emulsiones se conocen como emulsiones directas (agua
en aceite WO) y emulsiones indirectas (aceite en agua OW) Otra terminologiacutea en la
industria petrolera es clasificar las emulsiones directas producidas como duras y suaves Por
definicioacuten una emulsioacuten dura es muy estable y difiacutecil de romper principalmente porque las
gotas dispersas son muy pequentildeas Por otro lado una emulsioacuten suave es inestable y faacutecil de
romper En otras palabras cuando un gran nuacutemero de gotas de agua de gran diaacutemetro estaacuten
presentes ellas a menudo se separan faacutecilmente por la fuerza gravitacional El agua que se
separa en menos de cinco minutos es llamada agua libre
La mejor forma de deshidratar es evitar que se produzca la emulsioacuten o por lo menos
reducir al maacuteximo las condiciones que favorezcan el emulsionado
En pozos fluyentes una agitacioacuten considerable es generalmente causada por el gas
disuelto saliendo de la solucioacuten (el gas se desorbe) conforme decrece la presioacuten Este gas
tambieacuten causa turbulencia cuando fluye junto con la mezcla bifaacutesica agua-aceite a traveacutes de
accesorios y restricciones en la tuberiacutea de produccioacuten pasa por supuesto lo mismo cuando
se utiliza el levantamiento con gas Esta turbulencia puede ser reducida pero no eliminada
instalando un estrangulador de fondo Este estrangulador reduce la estabilidad de la emulsioacuten
por las siguientes causas
Hay menos presioacuten diferencial
La temperatura de fondo de pozo es considerablemente maacutes alta que la temperatura
en la superficie
Hay flujo laminar para una gran distancia corriente abajo del estrangulador de fondo
y por lo tanto menos turbulencia
Actualmente el 90 de las teacutecnicas utilizadas para la extraccioacuten de petroacuteleo crudo
generan o agravan los problemas de emulsionado Los quiacutemicos usados en las fracturas de la
41
formacioacuten estimulaciones de pozos inhibicioacuten de corrosioacuten etc frecuentemente causan
severos problemas de emulsionaje por lo que existen meacutetodos para romperlas tales como el
calentamiento aditivos quiacutemicos tratamiento eleacutectrico y asentamiento En los casos de bajo
contenido de agua (lt 10) resulta ventajoso antildeadir agua en fondo de pozo antes que se
produzca la emulsioacuten porque asiacute la emulsioacuten formada seraacute menos estable (el tamantildeo de gotas
aumenta y se favorece la coalescencia [22]
163 Agentes emulsionantes
Los agentes emulsionantes son numerosos y pueden ser clasificados
Compuestos naturales surfactantes tales como asfaltenos y resinas conteniendo
aacutecidos orgaacutenicos y bases aacutecidos nafteacutenicos aacutecidos carboxiacutelicos compuestos de
azufre fenoles cresoles y otros surfactantes naturales de alto peso molecular
Soacutelidos finamente divididos tales como arena arcilla finos de formacioacuten esquistos
lodos de perforacioacuten fluidos para estimulacioacuten incrustaciones minerales productos
de la corrosioacuten (por ejemplo sulfuro de hierro oacutexidos) parafinas asfaltenos
precipitados Los fluidos para estimulacioacuten de pozos pueden contribuir a formar
emulsiones muy estables
Quiacutemicos de produccioacuten antildeadidos tales como inhibidores de corrosioacuten biocidas
limpiadores surfactantes y agentes humectantes
Estos agentes pueden adsorberse en la interfase de la gota de agua y formar una peliacutecula
riacutegida que resulta en una alta estabilidad de la emulsioacuten WO formada lo cual ocurre en
menos de tres diacuteas Es por eso que la emulsioacuten debe tratarse lo maacutes pronto posible con
diferentes agentes tales como quiacutemica deshidratante calor sedimentacioacuten por
centrifugacioacuten o electrocoalescencia [26]
42
164 Estabilidad de una emulsioacuten
La peliacutecula interfacial formada estabiliza la emulsioacuten debido a que
Aumenta la tensioacuten interfacial Por lo general para emulsiones de crudo la tensioacuten
interfacial se encuentra en el intervalo de 30 a 36 mN m-1 Asiacute mismo la presencia
de sales aumenta la tensioacuten interfacial
Forma una barrera viscosa que inhibe la coalescencia de las gotas
Si el surfactante o partiacutecula adsorbida en la interfase es polar su carga eleacutectrica
provoca que se repelan unas gotas de otras
Otro mecanismo de estabilizacioacuten ocurre cuando los emulsionantes son partiacuteculas soacutelidas
muy finas Para ser agentes emulsionantes las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes pequentildeas que
las gotas suspendidas y deben ser mojadas por el aceite y el agua Luego estas finas partiacuteculas
soacutelidas o coloides (usualmente con surfactantes adheridos a su superficie) se colectan en la
superficie de la gota y forman una barrera fiacutesica Algunos de estos soacutelidos son el sulfuro de
hierro y la arcilla [14]
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacuten
La estabilidad y rompimiento de una emulsioacuten depende de varios factores
Tensioacuten interfacial Una reduccioacuten de la tensioacuten interfacial no aumenta la estabilidad
de la emulsioacuten Se ha encontrado que los sistemas de tensioacuten ultrabaja producen
emulsiones inestables
Viscosidad de la fase externa Una viscosidad alta en la fase externa disminuye el
coeficiente de difusioacuten y la frecuencia de colisioacuten de las gotas por lo que se
incrementa la estabilidad de la emulsioacuten Una alta concentracioacuten de las gotas tambieacuten
incrementa la viscosidad aparente de la fase continua y estabiliza la emulsioacuten Este
efecto puede ser minimizado calentando la emulsioacuten
Tamantildeo de la gota Gotas muy pequentildeas menores de 10 microm generalmente producen
emulsiones maacutes estables Una amplia distribucioacuten de tamantildeos de partiacuteculas resulta en
general en una emulsioacuten menos estable
43
Relacioacuten de volumen de fases Incrementando el volumen de la fase dispersa se
incrementa el nuacutemero de gotas yo tamantildeo de gotas y el aacuterea interfacial La distancia
de separacioacuten se reduce y esto aumenta la probabilidad de colisioacuten de las gotas Todos
estos factores reducen la estabilidad de la emulsioacuten
Temperatura Usualmente la temperatura tiene un efecto muy fuerte en la estabilidad
de la emulsioacuten Incrementando la temperatura se reduce la adsorcioacuten de surfactantes
naturales y disminuye la viscosidad de la fase externa la rigidez de la peliacutecula
interfacial y la tensioacuten superficial Todos estos cambios reducen la estabilidad de la
emulsioacuten
pH La adicioacuten de aacutecidos o bases inorgaacutenicos cambia radicalmente la formacioacuten de
peliacuteculas de asfaltenos y resinas que estabilizan las emulsiones agua-aceite
Envejecimiento de la interfase A medida que la interfase envejece la adsorcioacuten de
los surfactantes se completa y debido a las interacciones laterales entre las moleacuteculas
aumenta la rigidez de la peliacutecula hasta un valor estable en unas 3 o 4 horas Esta
peliacutecula o piel alrededor de la gota llega a ser maacutes gruesa maacutes fuerte y maacutes dura
Ademaacutes la cantidad de agentes emulsionantes se incrementa por oxidacioacuten fotoacutelisis
evaporacioacuten o por la accioacuten de bacterias
Salinidad de la salmuera La salinidad de la salmuera es un factor importante en la
formacioacuten de emulsiones estables Agua fresca o salmuera con baja concentracioacuten de
sal favorecen la estabilidad de las emulsiones Por el contrario altas concentraciones
de sal tienden a reducirla
Tipo de aceite Los crudos de base parafiacutenica usualmente no forman emulsiones
estables mientras que los crudos nafteacutenicos y de base mixta forman emulsiones
estables Ceras resinas asfaltenos y otros soacutelidos pueden influenciar la estabilidad
de la emulsioacuten En otras palabras el tipo de crudo determina la cantidad y tipo de
emulsionantes naturales
Diferencia de densidad La fuerza neta de gravedad que actuacutea en una gota es
directamente proporcional a la diferencia en densidades entre la gota y la fase
continua Aumentando la diferencia de densidad por incremento de la temperatura se
logra aumentar la velocidad de sedimentacioacuten de las gotas y por ende se acelera la
coalescencia
44
Capiacutetulo II
Metodologiacutea
45
La metodologiacutea usada en este proyecto se ilustra en la figura 21 la cual abarca desde la
preparacioacuten de las rocas carbonatadas hasta las pruebas de dispersioacuten de luz dinaacutemica y
potencial zeta con las cuales se concluyoacute este trabajo
Figura 21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyecto
Preparacioacuten de rocas carbonatadas (Pulido)
Caracterizacioacuten de las rocas carbonatadas por Espectroscopiacutea FTIR UV-vis SEMEDX
Preparacioacuten de emulsioacuten WO (7030) aplicando 500 y 800 mg L-1
de S(I) y S(II)
Imbibicioacuten espontaacutenea de roca de yacimiento
Pruebas tensiometricas de crudo emulsionado sobre roca
(Metodo de gota seacutesil)
Extraccioacuten de asfaltenos
Impregnacioacuten y caracterizacioacuten de asfaltenos sobre roca carbonatada
DLS de roca impreganada de asfaltenos
Potencial Zeta de roca impregnada de asfaltenos
46
21 Reactivos utilizados en el proyecto
En la tabla 21 se enlistan los reactivos utilizados en el desarrollo del proyecto
Tabla 21 Reactivos empleados en el proyecto
Reactivo Pureza Marca CAS
Acetona 999 Sigma-Aldrich 67-64-1
Heptano 95 Sigma-Aldrich 142-82-5
Tolueno 999 Sigma-Aldrich 108-99-3
Ciclohexano 99 Sigma-Aldrich 110-82-7
Nitrato de sodio 99 Sigma-Aldrich 7631-99-4
Cloruro de Sodio 99 Sigma-Aldrich 7647-14-5
Carbonato de calcio 99 Sigma-Aldrich 471-34-1
Sulfato de Magnesio 995 Sigma-Aldrich 7487-88-9
Agua desionizada 995 Sigma-Aldrich 7732-18-5
En la tabla 22 se muestran la nomenclatura de los surfactantes empleados en la
experimentacioacuten los cuales son de naturaleza catioacutenica debido a la propiedad de absorberse
sobre sustratos cargados negativamente
Tabla 22 Surfactantes utilizados en la experimentacioacuten
22 Sistemas de estudio
Clave Nombre surfactante Estructura
S1
P-toluensulfonato de 1-
metil-3-hexilimidazolio
[1M3HIMPTSO3]
S2
Cloruro de 1-metil-3-etil-
p-toluensulfonilimidazolio
[1M3EPTSO3IMCl]
CH3
N
N+
CH3
CH3
S
O
O
O-
CH3S
O
O
O
CH3
N
N+
Cl-
47
221 Agua congeacutenita
Se obtuvo una muestra de agua congeacutenita del petroacuteleo Aguacate 72 la cual fue proporcionada
por el Instituto Mexicano del Petroacuteleo Dicha muestra fue caracterizada por Espectroscopiacutea
de infrarrojo de Fourier con la finalidad de conocer los grupos funcionales presentes en la
misma
221 Salmuera
Se preparoacute a partir de una mezcla de 3 sales caracteriacutesticas de cualquier salmuera natural en
la siguiente proporcioacuten 30 de carbonato de calcio (CaCO3) 50 de cloruro de sodio
(NaCl) y 20 de sulfato de magnesio (MgSO4) Tomando como referencia 100 mL se pesoacute
1 gramo de mezcla de sales y se diluyoacute en agua desionizada posteriormente se realizaron
diluciones hasta obtener una concentracioacuten de 100 mg L-1
222 Extraccioacuten de asfaltenos
Se pesaron 10 g de crudo y se disolvieron en 40 mL de heptano posteriormente se aplicoacute
agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas Tras este periodo se dejoacute en reposo el sistema durante
24 horas Finalmente la solucioacuten se filtroacute aplicando vaciacuteo y exceso de heptano para arrastrar
los restos de compuestos no asfalteacutenicos contenidos en el producto
223 Impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada
Se preparoacute una muestra con la siguiente proporcioacuten 15 g de asfaltenos (30) y 35 g de
roca carbonatada (70) los cuales fueron agregados a 50 mL de Ciclohexano contenidos en
un matraz como se muestra en la figura 22 Se realizoacute agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas
posteriormente se realizoacute una filtracioacuten a vaciacuteo El producto obtenido se secoacute en una estufa a
100degC con un tiempo de secado de 24 horas
48
Figura 22 Muestra de roca carbonatada y asfaltenos
23 Disentildeo de experimentos
Se prepararon emulsiones con una proporcioacuten de 7030 (WO donde W corresponde al agua
siendo en nuestro caso de estudio agua congeacutenita oacute salmuera y O corresponde al crudo)
utilizando crudo Aguacate del pozo 72 manejando 10 g totales de muestra los cuales fueron
depositados en recipientes de plaacutestico de 20 mL ademaacutes de ser sometidas a agitacioacuten
continua con una espaacutetula por 20 minutos con el fin de formar la emulsioacuten
El petroacuteleo utilizado en el proyecto tiene las siguientes caracteriacutesticas
Densidad 09696 g cm-3
1440 grados API
2166 Saturados 3057 Aromaacuteticos 2435 Resinas y 2341 Asfaltenos
El disentildeo experimental es presentado en la tabla 23 se trabajoacute con 2 diferentes surfactantes
(S2 y S3) y estos se agregaron a las diferentes emulsiones WO usando concentraciones de
500 mg L-1 y 800 mg L-1 realizaacutendose micrografiacuteas de las emulsiones antes y despueacutes de
agregar el surfactante posteriormente se realizoacute el anaacutelisis tensiomeacutetrico de cada emulsioacuten
finalizando con el estudio dispersivo de los asfaltenos por Dispersioacuten de Luz dinaacutemica (DLS)
y Potencial Zeta
49
Tabla 23 Disentildeo de experimentos
Experimento Q1 O1 SX C(mg L-1)
Roca Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Experimento Q1 O1 SX C(ppm)
Roca Impregnada Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
50
24 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
241 Espectroscopiacutea de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)
Las teacutecnicas espectroscoacutepicas se fundamentan en la interaccioacuten de la materia con la
radiacioacuten Esta interaccioacuten provoca procesos como la absorcioacuten o la difusioacuten (scattering)
Cuando una moleacutecula absorbe o emite un fotoacuten su estado energeacutetico cambia En general
este cambio se manifiesta como una variacioacuten en la energiacutea traslacional de la moleacutecula y
como una modificacioacuten en su estado electroacutenico vibracional o rotacional Como las energiacuteas
asociadas a cada uno de estos cambios son muy diferentes cada uno de estos procesos se
puede tratar de manera independiente Exceptuando los cambios traslacionales los estados
energeacuteticos de las moleacuteculas estaacuten cuantizados consecuentemente los procesos de absorcioacuten
y emisioacuten soacutelo pueden darse a determinadas frecuencias de los fotones Para cada moleacutecula
dada su espectro de adsorcioacutenemisioacuten constituye una huella de la misma Las absorciones
que se producen en la regioacuten espectral del infrarrojo involucran energiacuteas mucho maacutes
pequentildeas comparadas con las energiacuteas de absorcioacuten relacionadas con la estructura electroacutenica
de la moleacutecula (ultravioleta y visible)
Sin embargo no todas las vibraciones yo rotaciones producen una absorcioacuten de radiacioacuten
incidente Soacutelo los modos vibracionales y rotacionales de moleacuteculas con momento bipolar
diferente de cero o bien aquellos modos que induzcan un momento diferente de cero en la
moleacutecula son activos al infrarrojo Para que exista un espectro rotacional activo en el
infrarrojo se requiere que la moleacutecula sea polar mientras que para tener un espectro
vibracional activo en el infrarrojo basta que el movimiento vibracional de los aacutetomos de la
moleacutecula induzca un momento bipolar no nulo [28]
En un interferoacutemetro Michelson el haz de radiacioacuten que viene de la fuente se divide mediante
un espejo semipermeable (beamsplitter) en dos haces parciales que se reflejan en sendos
espejos uno fijo y otro moacutevil vuelven al beamsplitter y se recombinan en interferencia Un
desplazamiento del espejo moacutevil cambia el camino oacuteptico en ese brazo del interferoacutemetro
51
introduciendo una diferencia de fase entre los haces y por tanto un cambio en la amplitud de
la interferencia La intensidad de sentildeal que llega al detector tras atravesar la muestra
representada como funcioacuten de la diferencia en la trayectoria de ambos haces (retardo) es lo
que se llama interferograma Con una radiacioacuten monocromaacutetica se obtiene una sentildeal coseno
que en el caso de caminos oacutepticos ideacutenticos en ambos brazos proporciona una interferencia
constructiva sin diferencia de fase entre los haces y por tanto una intensidad maacutexima El
resultado es un interferograma (intensidad en funcioacuten del tiempo) la cual se convierte viacutea un
algoritmo matemaacutetico (transformada de Fourier) en un diagrama de Intensidad en funcioacuten de
la frecuencia (espectro)
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro FTIR de marca Perkin Elmer Spectrum One donde se
analizoacute la roca carbonatada de yacimiento Para la identificacioacuten de los grupos funcionales
se trabajoacute con un intervalo espectral de 4000 a 380 cm-1 utilizando 12 barridos
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)
El espectro Ultravioleta y Visible de las moleacuteculas estaacute asociado a transiciones electroacutenicas
entre los diferentes niveles energeacuteticos en ciertos grupos o aacutetomos de la moleacutecula En
contraste la absorcioacuten de energiacutea en la regioacuten Infrarroja estimulan la moleacutecula completa y
causa cambios vibracionales y rotacionales en esta lo cual caracteriza la entidad estructural
de dicha moleacutecula Los grupos de aacutetomos que dan origen a la absorcioacuten en el UV cercano o
UV de cuarzo se conocen como grupos cromoacuteforos La mayoriacutea de los grupos insaturados y
heteroatoacutemicos que tienen pares de electrones no compartidos son cromoacuteforos potenciales y
estos grupos son la base de la elucidacioacuten de grupos estructurales en las moleacuteculas activas en
el UV cercano
Cuando dos aacutetomos forman un enlace quiacutemico los orbitales atoacutemicos de cada uno de ellos
se combinan para formar dos orbitales moleculares uno de baja energiacutea que es el orbital
enlazante y otro de energiacutea mayor que es el orbital antienlazante Los enlaces covalentes que
se originan entre los orbitales de dos aacutetomos que se enlazan quiacutemicamente pueden ser de dos
tipos y se conocen como enlaces σ y enlaces π
52
Al efectuarse dicho enlace covalente se forman simultaacuteneamente orbitales antienlazantes σ
en el caso de un orbital molecular enlazante σ y π en el caso de un orbital molecular
enlazante p La absorcioacuten de energiacutea radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones
σ oacute π resulta en la excitacioacuten de eacutestos los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales
antienlazantes La absorcioacuten de radiacioacuten Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas
transiciones
Un espectro ultravioleta-visible es esencialmente un graacutefico de absorbancia de luz frente a
una longitud de onda en el rango del ultravioleta o la luz visible para una determinada
sustancia puede hacerse un graacutefico estaacutendar del coeficiente de extincioacuten (ε) frente a la
longitud de onda (λ) Las longitudes de onda de los picos de absorcioacuten pueden
correlacionarse con los tipos de enlace en una determinada moleacutecula y son valiosos para
determinar los grupos funcionales dentro de la moleacutecula La absorcioacuten UV-Vis no es sin
embargo una prueba especiacutefica para ninguacuten compuesto determinado La naturaleza del
disolvente el pH de la solucioacuten la temperatura la concentracioacuten de electrolitos y la
presencia de sustancias interferentes pueden influir en los espectros de absorcioacuten de los
compuestos asiacute como las variaciones de ancho de banda [29]
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro UV-vis de marca Cintral 303 GBC en donde se analizaron
los compuestos sintetizados Para la identificacioacuten de los grupos funcionales se trabajoacute con
una celda de 10 mm de espesor en un intervalo espectral de 800 a 200 nm Se preparoacute una
solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano a una concentracioacuten de 100 mg L-1 asiacute como
soluciones de roca impregnada de crudo en ciclohexano a diferentes concentraciones (100
50 30 20 10 5 3 y 1 mg L-1)
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
El Microscopio electroacutenico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscopy) es una
teacutecnica que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen
ampliada de la superficie de un objeto Es un instrumento que permite la observacioacuten y
caracterizacioacuten superficial de soacutelidos inorgaacutenicos y orgaacutenicos Tiene una gran profundidad
53
de campo la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra Eacutesta teacutecnica
brinda informacioacuten topograacutefica sobre la superficie de material analizado y el anaacutelisis EDX
proporciona informacioacuten sobre su composicioacuten quiacutemica [30]
Esta teacutecnica esencialmente consiste en hacer incidir en la muestra un haz de electrones Este
bombardeo de electrones provoca la aparicioacuten de diferentes sentildeales que captadas con
detectores adecuados nos proporcionan informacioacuten acerca de la naturaleza de la muestra
La sentildeal de electrones secundarios proporciona una imagen de la morfologiacutea superficial de
la muestra La sentildeal de los electrones retrodispersados muestra una imagen cualitativa de
zonas con distinto nuacutemero atoacutemico medio y la sentildeal de rayos X presenta los espectros e
imaacutegenes acerca de la composicioacuten de elementos quiacutemicos en la muestra
25 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten espontaacutenea de la fase mojante sobre la superficie de una roca consiste en la
absorcioacuten de la misma en su superficie tan pronto como existe contacto entre dicha fase y el
soacutelido sin requerirse de la accioacuten de un trabajo externo para realizarse lo cual tambieacuten se
conoce como la succioacuten capilar de esta fase en el medio poroso es decir es un proceso que
consiste en el ingreso de la fase mojante en los poros de la roca por efecto de las fuerzas
capilares [10]
En este proceso se utiliza una Celda de Amott el cual es un contenedor ciliacutendrico conceacutentrico
de vidrio en cuya parte central se colocan el material que seraacute saturado por la fase mojante
y en la capucha externa se introduce liacutequido refrigerante para mantener la temperatura
constante dentro de la celda
Para la experimentacioacuten se utilizaron 3 rocas carbonatadas que fueron introducidas en una
celda de Amott de 500 mL Posteriormente se llenoacute la parte interna de la celda con petroacuteleo
crudo y la capucha externa con refrigerante La celda se colocoacute en un bantildeo de aceite a 65degC
durante 7 diacuteas En la figura 23 se observa el montaje del equipo para el proceso de
imbibicioacuten
54
Figura 23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacuten
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
Este meacutetodo experimental es usado para determinar el aacutengulo de contacto existente en un
sistema bifaacutesico Consiste en la colocacioacuten de una gota sobre una superficie soacutelida
posteriormente el equipo realiza el caacutelculo de paraacutemetros propios de la gota como radio y
diaacutemetro los cuales son fundamentales sustituidos en las ecuaciones de tensioacuten superficial
[10]
Para la experimentacioacuten se emplearon 8 rocas carbonatadas de yacimiento las cuales fueron
previamente pulidas para generar una superficie lisa obseacutervese la figura 24 Posteriormente
se colocoacute la emulsioacuten preparada en la jeringa para estudio tensiomeacutetrico por accioacuten
gravitacional el fluido descendioacute provocando la formacioacuten de una gota la cual se fija en la
roca La caacutemara del tensioacutemetro detecta el aacutengulo y la forma de la gota asiacute como su
deformacioacuten con el paso del tiempo
55
Figura 24 Roca carbonatada previamente pulida
Asiacute mismo se realizoacute la medicioacuten del aacutengulo de contacto para las rocas imbibidas en crudo
(figura 25) soacutelo difiriendo en la fase mojante la cual se trataba en un primer experimento
de la salmuera o del agua congeacutenita y posteriormente se adicionaron los dos surfactantes a
500 y 800 mg L-1
Figura 25 Roca carbonatada imbibida de petroacuteleo
Se utilizoacute un tensioacutemetro de la marca Attension modelo Theta Lite 101 (figura 26) en donde
se analizaron los sistemas de estudio mencionados anteriormente empleando el meacutetodo de
gota seacutesil
Figura 26 Tensioacutemetro Attension Theta Lite 101
56
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemica
La dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS) a la que a veces se hace referencia como dispersioacuten de
luz cuasi elaacutestica (QELS) es una teacutecnica no invasiva y bien establecida para medir el tamantildeo
y distribucioacuten de tamantildeo de moleacuteculas partiacuteculas y agregados tiacutepicamente en la regioacuten
submicromeacutetrica y con la uacuteltima tecnologiacutea inferiores a 1 μm
Las aplicaciones tiacutepicas de la dispersioacuten de luz dinaacutemica son la caracterizacioacuten de partiacuteculas
emulsiones o moleacuteculas que se han dispersado o disuelto en un liacutequido El movimiento
Browniano de las partiacuteculas o moleacuteculas en suspensioacuten hace que la luz laacuteser se disperse en
diferentes intensidades [31] Con el anaacutelisis de estas fluctuaciones en la intensidad se obtiene
la velocidad del movimiento Browniano y por lo tanto del tamantildeo de partiacutecula mediante la
relacioacuten de Stokes-Einstein (figura 27)
Figura 27 Diagrama de funcionamiento de Dispersioacuten de luz dinaacutemica
A diferencia de la dispersioacuten de luz estaacutetica para determinar el tamantildeo de las partiacuteculas y
agregados la dispersioacuten de luz dinaacutemica no tiene en cuenta la dependencia del aacutengulo sino
la variacioacuten de la intensidad de dispersioacuten en el tiempo debido a la aglomeracioacuten de las
partiacuteculas con respecto al tiempo teniendo un efecto de sedimentacioacuten que provoca un
caacutelculo erroacuteneo de la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
Esta teacutecnica fisicoquiacutemica se utiliza para determinar el perfil de distribucioacuten de tamantildeos de
partiacuteculas pequentildeas en suspensioacuten mediante una fuente monocromaacutetica que pasa a traveacutes de
un polarizador y la muestra La luz dispersada pasa posteriormente a traveacutes de un segundo
57
polarizador donde es recogido por un fotomultiplicador y se obtiene una intensidad de
dispersioacuten determinada [32]
Para la experimentacioacuten se preparoacute la solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano con una
concentracioacuten de 100 mg L-1 se llevoacute a sonicacioacuten durante 15 minutos posteriormente se
colocaron 3 mL de la muestra en la celda y se realizoacute su anaacutelisis Asiacute mismo se estudiaron
las soluciones de roca impregnada en ciclohexano y la aplicacioacuten de los surfactantes sobre
las mismas a 500 y 800 mg L-1
Se utilizoacute un equipo de la marca Malvern modelo Zetasizer en donde se analizaron los
sistemas de estudio mencionados anteriormente
28 Potencial Zeta
El potencial zeta es una propiedad que mide el potencial electrocineacutetico en sistemas
coloidales en la quiacutemica coloidal se denota por lo general con la letra griega zeta Desde un
punto de vista fiacutesico el potencial zeta es el potencial eleacutectrico en la doble capa interfacial es
decir que es el punto donde se unen la capa difusa y la de Stern Tambieacuten el potencial zeta es
la diferencia de potencial entre el medio de dispersioacuten y la capa estacionaria unido a la
partiacutecula dispersada []
Las partiacuteculas coloidales dispersas en una solucioacuten estaacuten cargadas eleacutectricamente gracias a
sus caracteriacutesticas ioacutenicas y de bipolaridad El desarrollo de una red de carga eleacutectrica en la
superficie de la partiacutecula puede afectar la distribucioacuten de iones en una regioacuten interfacial
vecina y provocar un aumento de la concentracioacuten de iones contados (iones de carga
contraria a las partiacuteculas) cerca de la superficie tal como se muestra en la figura 27
58
Figura 27 Interacciones entre las partiacuteculas tras la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica [33]
Cada partiacutecula dispersa en una solucioacuten se rodea de iones cargados con carga opuesta que se
denomina capa fija Fuera de esta capa fija existen distintas composiciones de iones de
polaridad opuesta formando un aacuterea nebulosa De esta manera se crea una capa doble
eleacutectrica en la regioacuten de interfase partiacutecula- liacutequido
La medida del Potencial Z permite caracterizar y predecir el comportamiento de soacutelidos
macroscoacutepicos y de partiacuteculas en suspensiones liacutequidas en multitud de aplicaciones teacutecnicas
En suspensiones liacutequidas el Potencial Z es una medida de la atraccioacutenrepulsioacuten entre
partiacuteculas cargadas electrostaacuteticamente permitiendo estudiar la estabilidad de dispersiones
emulsiones suspensiones proteiacutenas poliacutemeros etc
En soacutelidos macroscoacutepicos es una propiedad importante de interfaces soacutelidoliacutequido cargadas
eleacutectricamente siendo un indicador de la carga superficial de un soacutelido en contacto con un
electrolito Esto permite estudiar las caracteriacutesticas y funcionalizacioacuten de superficies
Este anaacutelisis se realizoacute con un equipo de marca Malvern modelo ZetaSizer Se estudiaron
los sistemas Roca carbonatada roca impregnada de crudo asiacute como la aplicacioacuten de los
surfactantes a 500 y 800 mg L-1 utilizando como electrolito indiferente nitrato de sodio
01mM el cual permite la desestabilizacioacuten del coloide con la finalidad de que la corriente
eleacutectrica pase por todas las partiacuteculas y se obtenga una medicioacuten correcta del anaacutelisis Asiacute
mismo se varioacute el pH del sistema de 1 a 7 utilizando HCl 01 M y NaOH 01 M para
observar el efecto dispersivo de las partiacuteculas de roca
59
Capiacutetulo III
Resultados
31 Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenos
60
Se realizaron 3 extracciones de asfaltenos utilizando 10 mL de petroacuteleo en cada una se
obtuvieron entre 14182 g y 16875 g de asfaltenos lo cual representa un porcentaje de
recuperacioacuten en 1418 y 1675 El producto obtenido teniacutea una tonalidad oscura lo anterior
se observa en la figura 31
Figura 31 Asfaltenos obtenidos tras extraccioacuten
Asiacute mismo se realizoacute el procesos de impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada por
triplicado de los cuales se obtuvieron entre 169 g y 189 g de roca impregnada que
representa una recuperacioacuten entre 338 y 378 El producto teniacutea una tonalidad cafeacute oscura
lo anterior se observa en la figura 32
Figura 32 Roca impregnada de asfaltenos
32 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con transformada de Fourier
61
La elucidacioacuten de los espectros de FTIR se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura [35] indica que el carbonato de
calcio presenta sentildeales caracteriacutesticas de sus grupos funcionales tales como CO3 Ca-C y C-
O y Ca-CO3
321 Espectro FTIR de roca carbonatada
El espectro FTIR de la roca carbonatada se muestra en la figura 33 en el que se observa el
estiramiento del enlace Ca-C en 2513 cm-1 sentildeal caracteriacutestica del compuesto CaCO3 el
estiramiento de C-O en 1480 cm-1 y las vibraciones particulares del grupo CO3 en 714 y 877
cm-1 Estas sentildeales dan certeza de que el compuesto analizado es una roca de carbonato de
calcio
Figura 33 Espectro FTIR de roca carbonatada
62
322 Espectro de roca impregnada de asfaltenos
El espectro FTIR de la roca impregnada se muestra en la figura 34 en el que se observa el
estiramiento del enlace O-H en 3300 cm-1 las vibraciones simeacutetricas y asimeacutetricas de C-H
en 2988 y 2875 cm-1 la absorcioacuten energeacutetica del enlace C-H en 1625 cm-1 las flexiones de
los compuestos aromaacuteticos entre 1100 y 1500 cm-1 asiacute como la deformacioacuten noplanar del
anillo benceacutenico entre 700 y 900 cm-1 Estas sentildeales confirman la impregnacioacuten de asfaltenos
teniendo como principal diferencia frente a la roca carbonatada las flexiones y vibraciones
de los enlaces C-H y de los anillos aromaacuteticos presentes en la estructura asfalteacutenica teoacuterica
Figura 34 Espectro FTIR de roca impregnada de asfaltenos
63
33 Espectroscopia ultravioleta visible (UV-vis)
La elucidacioacuten de los espectros de UV-vis se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura indica la presencia de grupos
benceacutenicos y nafteacutenico en las estructuras quiacutemicas de los asfaltenos los cuales son
caracteriacutesticos de los mismos [29]
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada y roca impregnada
El espectro UV-vis de la roca carbonatada no presenta ninguna banda significativa esto se
debe principalmente a la ausencia de dobles y triples enlaces los cuales son sumamente
caracteriacutesticos en longitudes de 200 a 600 nm El espectro UV-vis de la roca impregnada
(figura 35) muestra 4 sentildeales las dos primeras retribuidas a los grupos benceacutenicos a 226 y
250 nm la tercera y cuarta a los grupos nafteacutenicos a 263 y 270 nm estructuras quiacutemicas
presentes en los asfaltenos
Se realizaron 6 experimentos iniciando con la roca carbonatada posteriormente la
evaluacioacuten de la roca impregnada de asfaltenos (RASF) variando la concentracioacuten de roca
(10 5 3 1 05 mg L-1)
Los espectros muestran desdoblamiento en las bandas debido al cambio electroacutenico en los
enlaces sigma y pi presentes en los ciclos aromaacuteticos Se observa el efecto de la concentracioacuten
de roca impregnada a 05 y 1 mg L-1 se tienen bandas maacutes definidas y caracteriacutesticas de los
asfaltenos a concentraciones mayores a lo anterior se enmascaran estas sentildeales debido a la
saturacioacuten de las partiacuteculas de roca impregnada en las muestra Lo anterior hace imposible
para el equipo la identificacioacuten precisa de los grupos funcionales caracteriacutesticos de la misma
64
Figura 35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnada
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
Esta teacutecnica se realizoacute con la finalidad de observar el tamantildeo y la forma de las partiacuteculas de
roca carbonatada asiacute como la composicioacuten elemental de la misma Se observa un
comportamiento de agregacioacuten entre las partiacuteculas por lo que se puede deducir un tamantildeo
entre 100 y 400 nm Con el anaacutelisis elemental del EDX se comproboacute la naturaleza de la roca
la cual estaacute formada de carbonato de calcio La literatura [36] indica las sentildeales caracteriacutesticas
de este compuesto el carbono con una sentildeal en 028 keV el oxiacutegeno en 053 keV y el calcio
con dos picos en 369 y 401 keV y de partiacuteculas nanomeacutetricas de forma esfeacutericas lo anterior
esto se puede observar en la figura 36
65
36 Anaacutelisis SEMEDS de roca carbonatada
35 Imbibicioacuten espontaacutenea
Se obtuvieron las rocas imbibidas tras un proceso de 7 diacuteas [37] y se pesaron para conocer la
cantidad de crudo absorbido dentro de su estructura porosa Asiacute mismo se fracturaron las
rocas para comprobar la presencia del hidrocarburo dentro de la roca lo cual se observa en
la figura 37 En la tabla 31 se muestra la masa inicial y final de la roca asiacute como el
porcentaje de masa absorbida de crudo teniendo porcentajes entre 4 y 5
66
Figura 37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudo
Tabla 31 Resultados de rocas imbibidas
Muestra Masa Inicial (g) Masa Final (g)
1 103315 108098 46295
2 92475 96736 46077
36 Anaacutelisis del aacutengulo de contacto del crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
La medicioacuten del aacutengulo de contacto de diferentes sistemas de estudio aporta informacioacuten
sobre la interaccioacuten entre las interfaces soacutelidas y liquidas el comportamiento de un fluido
sobre una superficie asiacute como la variacioacuten de la misma con la aplicacioacuten de un agente en
este caso un surfactante
361 Roca no imbibida
Se colocaron los disolventes empleados en la experimentacioacuten variado uacutenicamente los
surfactantes y la concentracioacuten de los mismos En la figura 38 se muestra el aacutengulo de
contacto de la salmuera sobre la roca se observa que con la aplicacioacuten de los surfactantes
este aacutengulo disminuye deduciendo un aumento en la afinidad entre la roca y el disolvente
[38] Lo anterior se debe principalmente al aumento de la concentracioacuten de iones provocando
un efecto de pantalla que reduce las repulsiones electrostaacuteticas entre las moleacuteculas anfifiacutelicas
67
facilitando la formacioacuten de micelas en el sistema y asiacute aumentando la mojabilidad de la
salmuera obseacutervese en tabla 32
Figura 38 Angulo de contacto de la salmuera
Tabla 32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio
El efecto de las sales presentes en el agua congeacutenita en la formacioacuten micelar (figura 39)
propicia un incremento en la mojabilidad con la aplicacioacuten del surfactante lo cual se muestra
en la tabla 33
Figura 39 Angulo de contacto del agua congeacutenita
Tabla 33 Aacutengulos de contacto del agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio
68
Del mismo modo se colocaron sobre la superficie de la roca los diferentes sistemas de estudio
(emulsiones) los cuales variaban en el tipo de surfactante la concentracioacuten y el tipo de
disolvente empleado El aacutengulo de contacto del petroacuteleo se muestra en la figura 310
Figura 310 Angulo de contacto del petroacuteleo
Con una concentracioacuten de 500 mg L-1 de surfactante (tabla 34) se observa una disminucioacuten
del aacutengulo de contacto de la emulsioacuten lo anterior se atribuye al efecto de las cabezas
catioacutenicas sobre los agregados asfalteacutenicos los cuales son dispersados provocando una
mayor interaccioacuten con la roca y aumentando la mojabilidad sobre la misma
Tabla 34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 mg L-1
69
Con una concentracioacuten de 800 mg L-1 de surfactante (tabla 35) se observa un efecto similar
al sistema de estudio anterior un decremento del aacutengulo de contacto atribuido al efecto
pantalla de las sales de los disolvente en la concentracioacuten micelar dispersando los agregados
asfalteacutenicos y de esta forma aumentando la mojabilidad del sistema sobre la roca
carbonatada
Tabla 35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 mg L-1
362 Roca imbibida por petroacuteleo
70
Se colocaron los sistemas de estudio (salmuera y agua congeacutenita) sobre la roca impregnada
de crudo se observoacute una disminucioacuten en el aacutengulo de contacto menor que el estudio sobre
la roca carbonatada Lo anterior se debe a la alta hidrofobicidad de la superficie de la roca
la cual estaba impregnada en su totalidad de hidrocarburo y que aun con la aplicacioacuten de los
surfactantes se repelioacute el efecto de las cabezas catioacutenicas teniendo como consecuencia el
decremento del aacutengulo de contacto Las tablas 36 y 37 muestran los aacutengulos de contacto
tras la aplicacioacuten del surfactante
Tabla 36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 mg L-1
Tabla 37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 800 mg L-1
71
En la Tabla 38 se presentan los resultados del caacutelculo de tensioacuten interfacial y mojabilidad
los cuales son paraacutemetros que describen el comportamiento de las fuerzas intermoleculares
en la interfase soacutelido-liacutequido
Tabla 38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio
Fase soacutelida
Fase liacutequida
Surfactante (Sx)
Concentracioacuten (mg L-1)
Aacutengulo de
contacto ϴ
(deg)
Tensioacuten interfacial γ (dina cm-1)
Mojabilidad W
Roca carb Salmuera 8149 576 661
Roca carb Salmuera S1 500 5539 518 812
Roca carb Salmuera S1 800 5173 537 869
Roca carb Salmuera S2 500 4549 441 827
Roca carb Salmuera S2 800 4242 557 856
Roca Imb Salmuera S1 500 6956 421 566
Roca Imb Salmuera S1 800 6957 451 606
Roca Imb Salmuera S2 500 6681 472 657
Roca Imb Salmuera S2 800 7408 549 699
Roca carb Agua Cong 7391 528 674
Roca carb Agua Cong S1 500 4785 431 72
Roca carb Agua Cong S1 800 4069 446 784
Roca carb Agua Cong S2 500 4809 439 732
Roca carb Agua Cong S2 800 3327 42 771
Roca Imb Agua Cong S1 500 7456 525 664
Roca Imb Agua Cong S1 800 6575 494 696
Roca Imb Agua Cong S2 500 765 472 581
Roca Imb Agua Cong S2 800 6788 483 664
Roca carb Petroacuteleo 11177 838 536
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 500 8313 582 651
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 800 936 605 567
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 500 9088 652 641
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 800 8645 629 667
Roca carb Emulsioacuten AC S1 500 10289 815 641
Roca carb Emulsioacuten AC S1 800 9562 698 629
Roca carb Emulsioacuten AC S2 500 9846 782 666
Roca carb Emulsioacuten AC S2 800 9056 675 668
En los diferentes anaacutelisis sobre roca carbonatada con la aplicacioacuten de surfactantes en
salmuera o agua congeacutenita se observa una disminucioacuten del aacutengulo de contacto lo que implica
una menor tensioacuten en la interfase soacutelido-liacutequido obteniendo mayor mojabilidad en cada uno
de los sistemas Lo anterior se basa principalmente en el efecto dispersivo de los surfactantes
72
sobre las agregaciones asfalteacutenicas siendo las cabezas catioacutenicas las responsables de evitar
la apilacioacuten de los asfaltenos y disgregaacutendolas por todo el sistema
Asiacute mismo se observa el efecto de la concentracioacuten de los surfactantes en los diferentes
sistemas de estudio obteniendo menor tensioacuten interfacial a una concentracioacuten de 500 mgL-1
debido a la saturacioacuten ideal del aditivo en la muestra
37 Dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS)
Con el anaacutelisis DLS se estudioacute la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
y la roca impregnada asiacute como el efecto de los surfactantes en el sistema de estudio En la
figura 311 se muestra la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
(unimodal 1496 nm) a su vez en la figura 312 se observa la distribucioacuten de la roca
impregnada (unimodal 4063 nm) Posteriormente con la aplicacioacuten de los surfactantes se
comproboacute la disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula con S1 (unimodal 219 nm) y S2 (
unimodal 282 nm) Lo anterior se atribuye al efecto de los surfactantes sobre la superficie
impregnada que al entrar en contacto con los agregados asfalteacutenicos se generoacute la dispersioacuten
de los mismos disminuyendo de esta forma el tamantildeo de la partiacutecula [32] Ambos surfactantes
facilitan la dispersioacuten de los asfaltenos que recubren la superficie de la partiacutecula provocando
la reduccioacuten en el tamantildeo de la misma obseacutervese figs 313 y 314
Figura 311 Anaacutelisis DLS de roca carbonatada
73
Figura 312 Anaacutelisis DLS de roca impregnada
Figura 313 Anaacutelisis DLS de roca impregnada aplicando S3
Figura 314 DLS de roca impregnada aplicando S4
74
La disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de las rocas impregnadas se asocia al efecto
dispersivo de los surfactantes mencionado en las pruebas tensiomeacutetricas donde las parte
catioacutenica del compuesto inhibe la aglomeracioacuten de las moleacuteculas asfalteacutenicas provocando
no solo el cambio de la mojabilidad del sistema de estudio si no tambieacuten la disgregacioacuten de
los asfaltenos encontrados en la superficie de la roca carbonatada por tanto un decrecimiento
en la distribucioacuten de tamantildeo partiacutecula en la roca impregnada
38 Potencial Zeta
Con el anaacutelisis de potencial zeta se observoacute las fuerzas de atraccioacuten yo repulsioacuten de cada
sistema de estudio La literatura indica que en todo sistema en suspensioacuten coloidal existe un
equilibrio entre las fuerzas de repulsioacuten y las fuerzas de atraccioacuten molecular (Van del Waals)
resultando la aglomeracioacuten o dispersioacuten del sistema Si el sistema tiene carga positiva el
sistema es atractivo por lo que existen las fuerzas de atraccioacuten entre las partiacuteculas son
mayores que las fuerzas de repulsioacuten Si el sistema es negativo el sistema es repulsivo y se
tiene un efecto contrario al anterior Mientras maacutes alejado del cero se encuentre la muestra
mayor estabilidad le seraacute conferida debido a la relacioacuten entre las fuerzas intermoleculares
eso significa que se provocaraacute menor agregacioacuten facilitando la dispersioacuten del soluto [33] En
la figura 315 se muestra el efecto del pH en la dispersioacuten de los asfaltenos con la aplicacioacuten
de los surfactantes la tendencia se vuelve maacutes negativa por lo tanto existe mayor estabilidad
en el coloide disminuyendo la agregacioacuten de los asfaltenos
Este efecto se observoacute en las pruebas de DLS en donde los surfactantes dispersaron las
moleacuteculas de asfaltenos disminuyendo de esta forma la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
lo anterior se asocia a la disgregacioacuten de los asfaltenos observado en potencial Zeta
obteniendo una fase dispersa en el sistema
75
Figura 315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando el pH
76
Conclusiones
Se comproboacute el efecto dispersivo de los surfactantes sulfatados sobre los agregados
asfalteacutenicos causado principalmente por las cargas electroacutenicas presentes en estos
compuestos que al entrar en contacto con los asfaltenos provocaron la disgregacioacuten de
los mismos Dicho efecto fue visible en la mayoriacutea de las teacutecnicas empleadas generando
cambios en las interacciones moleculares de los sistemas de estudio y en las fuerzas de
la interfase soacutelido-liacutequido
Las teacutecnicas de caracterizacioacuten FTIR UV-vis corroboraron la presencia de grupos
funcionales caracteriacutesticos de la roca carbonatada asiacute como de la roca impregnada de
asfaltenos La teacutecnica de SEMEDX corroboroacute la existencia de los elementos que
componen a la roca y brindoacute informacioacuten importante sobre el tamantildeo y la forma de los
las partiacuteculas de roca
Las pruebas de aacutengulo de contacto por el meacutetodo de gota seacutesil comprobaron el efecto
superficial de los surfactantes en los diferentes sistemas de estudio cambiando la
tensioacuten interfacial de cada uno y afectando una caracteriacutestica innata de la roca su
mojabilidad Los aacutengulos de contacto tras la aplicacioacuten de los surfactantes sufrieron una
disminucioacuten por la facilidad de los aditivos antes mencionados para dispersar las capas
de agregacioacuten de los asfaltenos provocando una mejor interaccioacuten con la fase soacutelida
Mediante el anaacutelisis de Dispersioacuten de luz Dinaacutemica (DLS) se consiguioacute fundamentar el
efecto dispersivo de los surfactantes observado en las pruebas tensiomeacutetricas siendo de
gran importancia los resultados obtenidos de distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula en
donde con la aplicacioacuten de los surfactantes se consiguioacute disminuir este paraacutemetro por
la la difusioacuten de los agregados asfalteacutenicos contenidos en la superficie de la roca siendo
afectados principalmente por las cargas electroacutenicas cabezas catioacutenicas
La teacutecnica de potencial Zeta corroboroacute lo anterior debido a la facilidad de las muestras
con surfactantes para alcanzar la estabilidad coloidal por lo que se demuestra un efecto
77
contrario a la agregacioacuten un efecto dispersivo de los asfaltenos provocado por las
cargas presentes en las cadenas de los aditivos
78
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Universidad Autoacutenoma Metropolitana Ciudad de Meacutexico Meacutexico (2002)
30- Ayache J Boumendil GE Laub B ldquoSample Preparation Handbook for Transmission
Electron Microscopy Techniquesrdquo J Springer NY EUA (2010)
31- Cuadros A Casantildeas R ldquoDispersioacuten de luz dinaacutemica en la determinacioacuten de tamantildeo de
nanopartiacuteculas polimeacutericasrdquo Centro de Investigacioacuten Ciencia Aplicada y Tecnologiacutea
Avanzada del Instituto Politeacutecnico Nacional Ciudad de Meacutexico Meacutexico (2014)
81
32- Kaumltzel U ldquoDynamic Light Scattering for the Characterization of Polydisperse Fractal
Systems by the Example of Pyrogenic Silicardquo Universidad de Dresden Alemania (2007)
33- Hunter R ldquoZeta Potential in colloid Science Principles and applicationsrdquo Science
Direct Universidad de Sidney Sidney Australia (1981)
34 Pretsch E Clerk T Seibl J y Simon W ldquoTablas para la elucidacioacuten estructural de
compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicosrdquo Ed Alhambra Madrid Espantildea
(1980)
35- Piqueacute T ldquoUso de espectroscopiacutea Infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) en el
estudio de la hidratacioacuten del cementordquo Concreto y Cemento Investigacioacuten y desarrollo Vol
3 pag 62-71 Buenos Aires Argentina (2012)
36- Pineda N ldquoMicroscopiacutea electroacutenica de barridordquo Centro de Investigacioacuten en Materiales
Avanzados Monterrey Meacutexico (2015)
37- Andrade J Reporte Teacutecnico ldquoDeterminacioacuten de la humectabilidad en rocas de un
yacimiento petrolerordquo Instituto Tecnologico de Ciudad Madero Meacutexico (2016)
38- Salager JL ldquoSurfactantes en solucioacuten acuosardquo Laboratorio de formulacioacuten interfases
reologiacutea y procesos (FIRP) Universidad de los Andes Meacuterida Venezuela (1993)
ix
Abstract
This research project focuses on the study of the wettability of heavy crude oil on carbonate
reservoir rock by applying sulphate-based surfactants which have a dispersive effect on the
heavier fractions of petroleum known as asphaltenes responsible for the physicochemical
characteristics of oil such as viscosity surface tension and API gravity
The first stage of the project consisted of the carbonate reservoir rock by Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR) visible ultraviolet spectroscopy and Scanning Electron
Microscopy with X-ray Dispersion Spectroscopy (SEM EDX) for the identification of
characteristic functional groups morphology and elemental rock analysis
The second stage consisted of preparing water-in-oil emulsions by adding the surfactants in
different concentrations which were observed by light microscopy Afterwards the contact
angle of each of the study systems on carbonate rock was evaluated for the calculation of
surface tension and the wettability
The spontaneous imbibition of the rocks with crude oil was also carried out using the Amott
cell and the contact angle of the solvents against the impregnated rocks was measured A
change in the wettability of the crude oil was observed with the application of the surfactants
in the tensiometric analyzes
In the third stage was carried out the dispersive study of the asphalt aggregates contained in
the rock By the analysis of the dynamic light scattering observed the decrease in the size
distribution of the piece whereas this effect attributed to the cationic heads of the surfactants
The above was tested with the zeta potential technique which the attraction or repulsion
forces of the particles both are being surfactants colloidal stability promoters and
aggregation inhibitors
x
Introduccioacuten
Actualmente la industria petrolera enfrenta una serie de problemaacuteticas que van desde la
gravedad especiacutefica del hidrocarburo hasta su comportamiento en un sistema aceite-roca El
estudio de las fuerzas intermoleculares del sistema aceite-roca es un trabajo innovador para
la elaboracioacuten de nuevas formas de extraccioacuten yo el uso de sustancias quiacutemicas que faciliten
el transporte del crudo durante el proceso
Los surfactantes son empleados como aditivos para facilitar la extraccioacuten del crudo y su
transporte debido a sus efectos en la viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API Estos
compuestos son de gran intereacutes para la industria petrolera por lo que un estudio detallado de
la forma de actuar de estos aditivos podriacutea describir los fenoacutemenos que ocurren en un sistema
aceite-roca
La literatura [1 23] indica que los surfactantes del tipo sulfato tienen cierta afinidad con las
moleacuteculas maacutes pesadas del crudo los asfaltenos Hablar de asfaltenos implica ldquoproblemasrdquo
los cuales pueden ser observados durante la extraccioacuten y el transporte del petroacuteleo hacia las
refineriacuteas lo anterior se debe que al ser los componentes maacutes pesados del crudo la mayoriacutea
de las propiedades del crudo dependen de ellos por lo que el uso de aditivos que contengan
un grupo sulfato puede promover la dispersioacuten de los mismos generando un cambio en la
viscosidad del crudo en la tensioacuten interfacial del sistema por lo tanto a una variacioacuten de la
mojabilidad
La mojabilidad es una propiedad innata de las rocas que puede ser afectada a partir del cambio
en las interacciones del aceite y su superficie Con la aplicacioacuten de surfactantes sulfatados se
pretende la modificacioacuten de las fuerzas superficiales entre el crudo y la roca lo cual permitiriacutea
una recuperacioacuten mejorada del aceite contenido en los yacimientos facilitando de esta
manera el proceso de extraccioacuten del mismo [4]
En este proyecto se propone el anaacutelisis de las propiedades que afectan los fenoacutemenos de
superficie de los sistemas aceite-roca usando como referencia compuestos como agua
salmuera y posteriormente la adicioacuten de surfactantes sulfatados base imidazol asiacute como el
estudio de la dispersioacuten de dicho sistema
1
Capiacutetulo I
Antecedentes
2
1 Antecedentes
Actualmente con la disminucioacuten de crudos ligeros y la obtencioacuten de aceites pesados durante
la extraccioacuten de yacimientos se buscan meacutetodos alternativos que permitan la recuperacioacuten
mejorada en los pozos petroleros mediante la aplicacioacuten de aditivos quiacutemicos El estudio de
las fuerzas relacionadas entre el aceite y la roca permite describir de una forma real lo que
pasa dentro del sistema petroliacutefero con la aplicacioacuten de dichos compuestos
En 2009 Murillo y col [4] estudiaron el efecto del anioacuten PF6 en los agregados asfalteacutenicos
y encontraron un incremento en el momento dipolar debido al cambio de electronegatividad
provocado por el anioacuten Se establecioacute que el bromuro de 1-butil fue el liacutequido ioacutenico con
mejores propiedades estabilizadoras e inhibidoras de la agregacioacuten de asfaltenos
disminuyendo la aglomeracioacuten de asfaltenos hasta en un 70
En 2010 Ramiacuterez y col [5] investigaron experimentalmente el efecto que tienen los
surfactantes zwitterioacutenicos y catioacutenicos en el control de dantildeo al medio poroso debido a
depoacutesitos de asfaltenos y la descripcioacuten del cambio de mojabilidad en rocas carbonatadas
encontrando mejores condiciones de operacioacuten y concluyendo que el uso de salmuera con
alta concentracioacuten de sales provoca la precipitacioacuten de los surfactantes debido al efecto de
ioacuten comuacuten presente en los electrolitos que encapsula a las moleacuteculas surfactantes
hacieacutendolas maacutes pesadas y precipitaacutendolas por accioacuten de la gravedad
En 2010 Guzmaacuten y col [6] sintetizoacute y evaluoacute diferentes liacutequidos ioacutenicos como agentes
desemulsificantes del sistema de emulsioacuten de crudo mexicano ligero y pesado siendo el
bromuro de 1 metil-3-tetradecilimidazolio el que obtuvo mejores resultados frente a otros
compuestos con diferente tamantildeo de cadena hidrocarbonada Se estudioacute la aplicacioacuten de
calentamiento convencional y dieleacutectrico por microondas en los procesos de
desemulsificacioacuten siendo el segundo meacutetodo el que aceleroacute e incrementoacute la eficiencia de
desemulsificacioacuten
En 2011 Petcavich y col [7] desarrollaron un meacutetodo de extraccioacuten de hidrocarburos a partir
de rocas que contienen aceite En este trabajo se utilizoacute una mezcla de piedra arenisca de
3
aceite y un liacutequido ioacutenico a base de fosfonio el cual se sometioacute a la radiacioacuten de microondas
de 254 GHz y presentaron las condiciones de trabajo para la recuperacioacuten total del
hidrocarburo atrapado en la roca
En 2012 Dharaskar y col [8] investigaron sobre los liacutequidos ioacutenicos y su capacidad de
minimizar los efectos negativos de salud y medio ambientales En la industria de la refinacioacuten
se usa para la hidrodesulfurizacioacuten del crudo Estudiaron el efecto de cationes del tipo sulfato
contenidos en liacutequidos ioacutenicos sobre el petroacuteleo encontrando una disminucioacuten en la
concentracioacuten de grupos sulfurados y asfalteacutenicos
En 2014 Bin-Dahbag y col [9] realizaron un estudio sobre el proceso de inyeccioacuten de
liacutequidos ioacutenicos con base de amonio y fosfonio en la recuperacioacuten mejorada de petroacuteleo con
lo que redujo la tensioacuten interfacial de la fase acuosa del hidrocarburo Se realizaron pruebas
de deteccioacuten de nueve liacutequidos ioacutenicos con base de tetrasulfato de amonio los cuales fueron
diluidos en salmuera a distintas concentraciones y se probaron con un petroacuteleo crudo Saudiacute
Se registraron cambios en la tensioacuten interfacial por cambios de presioacuten y temperatura
indicando una mayor actividad de interaccioacuten superficial en el sistema rocapetroacuteleoliacutequido
ioacutenico
En 2014 Gonzaacutelez y col [10] estudiaron el cambio de la mojabilidad de rocas carbonatadas
en sistemas salmuerapetroacuteleo con la aplicacioacuten de surfactantes empleando el meacutetodo
tensiomeacutetrico de Gota cautiva Se obtuvieron resultados confiables y reproducibles que
concluyen un comportamiento afiacuten entre la salmuera el crudo y la roca
En 2015 Jiao y col [11] estudiaron el comportamiento de los liacutequidos ioacutenicos con base
imidazolio ( IBILs ) desarrollando nuevos agentes de extraccioacuten para separar indol una
sustancia industrial importante derivada del aceite de lavado que ocasiona graves problemas
medioambientales obteniendo eficiencias de extraccioacuten de maacutes de 90
En 2016 Banda y col [12] estudiaron el comportamiento de los asfaltenos presentes en
petroacuteleo crudo pesado usando como disolvente ciclohexano Primeramente se caracterizaron
los asfaltenos extraiacutedos por Espectroscopiacutea de ultravioleta-visible (UV-vis) posteriormente
se utilizoacute la teacutecnica de Dispersioacuten de Luz Dinaacutemica (DLS) para la distribucioacuten de tamantildeo de
partiacutecula de los agregados asfalteacutenicos Asiacute mismo se realizoacute un anaacutelisis de potencial Zeta
4
utilizando como disolvente nitrato de sodio 01 mmol para la comprobacioacuten del efecto
dispersivo de los asfaltenos frente a liacutequidos ioacutenicos sulfatados
11 Petroacuteleo
El petroacuteleo es una mezcla homogeacutenea de compuestos orgaacutenicos de estructura variada
principalmente hidrocarburos insolubles en agua En general es posible agrupar los
constituyentes del petroacuteleo en cuatro grupos orgaacutenicos bien definidos Saturados
Aromaacuteticos Resinas y Asfaltenos este conjunto es conocido como SARA Es un liacutequido
viscoso cuyo color variacutea entre amarillo y pardo obscuro hasta negro con reflejos verdes
Ademaacutes tiene un olor caracteriacutestico y flota en el agua Tambieacuten es conocido como petroacuteleo
crudo o simplemente crudo Se produce en el interior de la Tierra por transformacioacuten de la
materia orgaacutenica acumulada en sedimentos del pasado geoloacutegico y puede acumularse en
trampas geoloacutegicas naturales de donde se extrae mediante la perforacioacuten de pozos [13]
Las moleacuteculas de hidrocarburos que en forma colectiva constituyen el petroacuteleo estaacuten
formadas por distintas combinaciones de aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Seguacuten el nuacutemero
de aacutetomos de carbono de hidroacutegeno y de la distribucioacuten estructural de las mismas se tienen
los distintos hidrocarburos que abarcan desde el gas natural hasta los hidrocarburos soacutelidos
Comuacutenmente se denomina como petroacuteleo a aquella mezcla de hidrocarburos que a las
condiciones de temperatura y presioacuten ambientales estaacute en estado liacutequido En la naturaleza se
pueden encontrar afloraciones naturales de hidrocarburos muchos de ellos conocidos desde
la antiguumledad aunque la produccioacuten comercial se obtiene de acumulaciones que se localizan
en algunos lugares del subsuelo con profundidades variables desde pocos metros hasta
profundidades mayores a cinco mil metros [14]
Mientras mayor sea el contenido de carboacuten en relacioacuten al del hidroacutegeno mayor es la cantidad
de productos pesados que tiene el crudo [15] Esto depende de la edad del yacimiento y de
algunas caracteriacutesticas geoloacutegicas No obstante se ha comprobado que entre maacutes antiguos
son tienen maacutes hidrocarburos gaseosos y soacutelidos y menos liacutequidos entran en su
composicioacuten
5
Es un recurso natural no renovable y actualmente es la principal fuente de energiacutea en
los paiacuteses desarrollados El petroacuteleo liacutequido puede presentarse asociado a capas de gas
natural en yacimientos que han estado enterrados durante millones de antildeos cubiertos por los
estratos superiores de la corteza terrestre Los factores de presioacuten temperatura y procesos
quiacutemicos y fiacutesicos ayudados por la carencia de oxiacutegeno posibilitan la formacioacuten de petroacuteleo
liacutequido y de gas
La conversioacuten de materia orgaacutenica en petroacuteleo ocurre en varias etapas [15]
Degradacioacuten bioquiacutemica la accioacuten de las bacterias en un ambiente aerobio
oxidan la materia orgaacutenica
Policondensacioacuten e insolubilizacioacuten se produce un reordenamiento molecular
en dos etapas originaacutendose una sustancia insoluble en aacutelcalis con estructura
parecida al keroacutegeno
Cracking primario es la primera reaccioacuten de generacioacuten de hidrocarburos
regida por la ley de Arrhenius de donde se puede obtener petroacuteleo y gas
Cracking secundario se destruye la fraccioacuten inestable generando gas y
residuos carbonosos
111 Composicioacuten del petroacuteleo
El petroacuteleo crudo es la materia prima principal de la industria de Refinacioacuten del Petroacuteleo
estaacute constituido por una mezcla de diferentes tipos de hidrocarburos cuyas moleacuteculas se
componen de Carbono e Hidroacutegeno con un pequentildeo porcentaje de otros elementos
conformando hidrocarburos de estructuras maacutes o menos complejas como compuestos
heterociacuteclicos de nitroacutegeno oxiacutegeno y azufre compuestos organometaacutelicos ademaacutes contiene
sedimentos inorgaacutenicos y agua [16] La composicioacuten aproximada de los crudos puede verse
en la Tabla 11
6
Tabla11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo
Elemento Composicioacuten (peso)
Carbono 84-87
Hidroacutegeno 11-14
Azufre 0-5
Nitroacutegeno 0-02
Oxiacutegeno 0-05
112 Clasificacioacuten de petroacuteleo
Son miles los compuestos quiacutemicos que constituyen el petroacuteleo [16] y entre muchas otras
propiedades estos compuestos se diferenciacutean por su volatilidad (dependiendo de la
temperatura de ebullicioacuten) Al calentarse el petroacuteleo se evaporan preferentemente los
compuestos ligeros (de estructura quiacutemica sencilla y bajo peso molecular) de tal manera que
conforme aumenta la temperatura los componentes maacutes pesados van incorporaacutendose al
vapor
Las curvas de destilacioacuten TBP (del ingleacutes ldquotrue boiling pointrdquo temperatura de ebullicioacuten real)
distinguen a los diferentes tipos de petroacuteleo y definen los rendimientos que se pueden obtener
de los productos por separacioacuten directa [17] Por ejemplo mientras que en el crudo Istmo se
obtiene un rendimiento directo de 26 volumeacutetrico de gasolina en el Maya soacutelo se obtiene
157 [17]
La industria mundial de hidrocarburos liacutequidos clasifica el petroacuteleo de acuerdo con su
densidad API (paraacutemetro internacional del Instituto Americano del Petroacuteleo que diferenciacutea
las calidades del crudo) La Tabla 12 muestra estas clasificaciones
Tabla 12 Clasificacioacuten del petroacuteleo crudo [18]
Aceite crudo Densidad
( g cm3)
Densidad
grados API
Extrapesado gt10 100
Pesado 10 - 092 100 - 223
Mediano 092 - 087 223 - 311
7
Ligero 087 - 083 311 - 39
Superligero lt 083 gt 39
Para exportacioacuten en Meacutexico se preparan tres variedades de petroacuteleo crudo
a) Istmo Ligero con densidad de 336 grados API y 13 de azufre en peso
b) Maya Pesado con densidad de 22 grados API y 33 de azufre en peso
c) Olmeca Superligero con densidad de 393 grados API y 08 de azufre en peso
Atendiendo a la mayor proporcioacuten del tipo de hidrocarburos que conforman la mezcla los
crudos se clasifican seguacuten su base parafiacutenica nafteacutenica asfaacuteltica y mixta [15]
Base parafiacutenica Las parafinas livianas dan buenos aceites para usos domeacutesticos pues no
producen humo al quemarse tienden a resistir el calor Las parafinas maacutes espesas contienen
cristales blancos y blandos que cuando son aislados y refinados forman lo que se conoce
como cera parafinada Se encuentran generalmente en Pennsylvania West Virginia y centro
de Estados Unidos
Base nafteacutenica Generalmente contienen gran proporcioacuten de fracciones volaacutetiles es decir
componentes que se evaporan faacutecilmente Se encuentran generalmente en Rusia Peruacute
California y Golfo de Meacutexico En Cuba se encuentra en la zona de Motembo
Base asfaacuteltica Contienen ademaacutes de carbono e hidroacutegeno gran cantidad de azufre En la
destilacioacuten avanzada o maacutes completa rinden una cantidad relativamente alta de alquitraacuten y
asfalto Se pueden encontrar en Meacutexico Venezuela California y el Caribe
Base mixta Ninguacuten crudo es realmente netamente nafteacutenico asfaacuteltico o parafiacutenico en su
composicioacuten quiacutemica sino que contienen proporciones de los otros tipos caracterizaacutendose
por la predominancia del compuesto en mayoriacutea Sin embargo ciertos crudos de Kansas
Oklahoma y Texas tienen contenidos muy similares de nafta parafinas y asfaltos lo que
resulta imposible clasificarlos en una sola de estas clases
8
Asiacute mismo se puede clasificar al petroacuteleo crudo considerando dos grandes grupos de
hidrocarburos saturados y no saturados Cuando todas las valencias de los aacutetomos de carbono
se comparten con otros aacutetomos es saturado cuando hay falta de hidroacutegeno es no saturado y
se pueden compartir dos y hasta tres valencias entre un aacutetomo de carbono con otro aacutetomo [16]
Los saturados y no saturados se dividen a su vez en dos grupos importantes cada uno lo cual
se muestra en la figura 11
Figura 11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleo
Las parafinas son las maacutes ricas en hidroacutegeno son saturadas y por tanto relativamente estables
Las parafinas comunes son liacutequidos pero se pueden encontrar gaseosas o soacutelidas La foacutermula
general es CnH2n+2
Los naftenos (ciclanos o ciclo alcanos) son saturados lo que hace que sean resistentes a los
cambios incluyendo la oxidacioacuten Son relativamente insolubles en aacutecido sulfuacuterico
concentrado Los maacutes importantes son ciclopentano y ciclohexano La foacutermula general es
CnH2n
Los no saturados tienden a formar gomas lacas y fangos al unirse al oxiacutegeno y separarse del
carbono que es un enlace relativamente menos estable
Las olefinas son no saturados o insaturados y por lo que tienen deficiencia de hidroacutegeno
consecuentemente son muy reactivos y combinan faacutecilmente con el hidroacutegeno oxiacutegeno
cloro y azufre esto causa que no se deseen altos porcentajes de olefinas en los combustibles
9
sin embargo son apreciados en la manufactura de varios productos entre ellos el plaacutestico La
foacutermula general es CnH2n
Los aromaacuteticos son no saturados pero actuacutean como saturados Son deseables en la gasolina
pues tienen altas propiedades antidetonantes El nombre aromaacuteticos surge por su olor
caracteriacutestico Algunos se usan en la produccioacuten del TNT colorantes plaacutesticos insecticidas
etc Hoy en diacutea se ha limitado su concentracioacuten en los derivados por ser dantildeinos a la salud
son altamente canceriacutegenos La foacutermula general es CnH2n-6 [19]
113 Derivados del petroacuteleo
Un derivado del petroacuteleo es un producto procesado en una refineriacutea usando como materia
prima el petroacuteleo Seguacuten la composicioacuten del crudo y la demanda las refineriacuteas pueden
producir distintos productos derivados del petroacuteleo La mayor parte del crudo es usado como
materia prima para obtener energiacutea por ejemplo la gasolina Tambieacuten producen sustancias
quiacutemicas que se puede utilizar en procesos quiacutemicos para producir plaacutestico yo otros
materiales uacutetiles
Dentro de los productos que se generan a partir del petroacuteleo se tienen [17]
bull Gasolinas liacutequidas (fabricadas para automoacuteviles y aviacioacuten en sus diferentes grados
queroseno diversos combustibles de turbinas de avioacuten y el gasoacuteleo entre otros)
bull Lubricantes (aceites para maquinarias aceites de motor y grasas Estos compuestos llevan
ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ignicioacuten)
bull Parafinas Es la materia prima para la elaboracioacuten de velas y similares ceras para pisos
foacutesforos papel parafinado vaselinas faacutermacos etc
bull Cloruro de polivinilo (PVC) Existen dos tipos de cloruro de polivinilo tienen alta
resistencia a la abrasioacuten y a los productos quiacutemicos Se utiliza para hacer manteles cortinas
para bantildeo muebles alambres y cables eleacutectricos Tambieacuten se utiliza para la fabricacioacuten de
riego juntas techado y botellas
10
bull Plaacutesticos pinturas barnices disolventes fertilizantes e insecticidas detergentes cauchos
artificiales negro de humo polieacutester y muchos maacutes
bull Detergentes usados para limpieza
bull Azufre subproductos de la eliminacioacuten del azufre del petroacuteleo que pueden tener hasta un
2 de azufre como compuestos de azufre El azufre y aacutecido sulfuacuterico son materiales
importantes para la industria
bull Asfalto se utiliza como aglutinante para la grava que forma de asfalto concreto que se
utiliza para la pavimentacioacuten de carreteras etc
bull Petroquiacutemicos estos pueden ser hidrocarburos olefinas o sus precursores o diversos tipos
de quiacutemicos como aromaacuteticos y tienen una gran variedad de usos Por lo general son
utilizados como monoacutemeros como disolventes como precursores de una gran variedad de
sustancias quiacutemicas y productos quiacutemicos tales como los liacutequidos limpiadores de los
vehiacuteculos surfactante de la limpieza etc [19]
114 Importancia del petroacuteleo
El petroacuteleo tiene una gran trascendencia en la gran mayoriacutea de las actividades cotidianas Del
crudo se obtiene gasolina y diesel para autos y autobuses combustible para barcos y aviones
Se usa para generar electricidad obtener energiacutea caloriacutefica para faacutebricas hospitales y oficinas
y diversos lubricantes para maquinaria y vehiacuteculos La industria petroquiacutemica usa productos
derivados de eacutel para hacer plaacutesticos fibras sinteacuteticas detergentes medicinas conservadores
de alimentos hules y agroquiacutemicos El petroacuteleo ha transformado la vida de las personas y la
economiacutea de las naciones Su descubrimiento creoacute riqueza modernidad pueblos industriales
proacutesperos y nuevos empleos motivando el crecimiento de las industrias mencionadas [19]
12 Yacimiento
11
Un yacimiento de petroacuteleo puede definirse como un volumen poroso que contiene agua
petroacuteleo y a veces una fase gaseosa La proporcioacuten volumeacutetrica del petroacuteleo puede alcanzar
a veces el 40 El medio poroso del yacimiento o roca almaceacuten es de origen sedimentario
de tipo arenisca o caliza consolidado o no El diaacutemetro de poro variacutea ampliamente seguacuten la
roca pero es de tamantildeo microscoacutepico desde algunas fracciones de miliacutemetro a algunos
microacutemetros [20]
Cada medio poroso tiene sus caracteriacutesticas porosidad el porcentaje de volumen vaciacuteo
permeabilidad una medida de la resistencia al movimiento de los fluidos mojabilidad una
medida de la naturaleza superficial de la roca
Debido a su origen sedimentario el medio poroso del yacimiento es a menudo heterogeacuteneo
como consecuencia de las variaciones ocurridas durante el largo proceso de sedimentacioacuten
que formoacute la roca Estas heterogeneidades pueden existir a la escala de los poros o bien a la
escala macroscoacutepica en forma zonas muy o poco permeables y eventualmente de grietas
Las heterogeneidades complican las operaciones de produccioacuten porque tienden a producir
caminos preferenciales y segregaciones [21]
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientos
Geoloacutegicamente los yacimientos se clasifican en estratigraacuteficos estructurales y combinados
[22]
Estratigraacuteficos lentes de arena cambios de facies calizas o dolomitas porosas
cambios de permeabilidad
Estructurales Fracturas en calizas o rocas iacutegneas discordancias fallas en areniscas
sinclinales anticlinales domos salinos etc
Combinados Hace referencia a las posibles combinaciones que se presenten entre los
dos grupos anteriores
La clasificacioacuten anterior se puede observar en la figura 12
12
Figura 12 Clasificacioacuten de yacimientos [22]
122 Condiciones de explotacioacuten
La produccioacuten de petroacuteleo involucra dos aspectos El primero es la produccioacuten uacuteltima posible
en funcioacuten de las teacutecnicas empleadas y el segundo es el ritmo de produccioacuten de acuerdo con
el comportamiento de los pozos y de los diferentes meacutetodos de estimulacioacuten aplicables
(fracturacioacuten acidificacioacuten inyeccioacuten de vapor) Tradicionalmente se hace la distincioacuten entre
dos periacuteodos durante la explotacioacuten de un yacimiento la recuperacioacuten primaria y la
recuperacioacuten secundaria Desde el aumento del precio del petroacuteleo al principio de los antildeos
70 se considera ademaacutes una eventual recuperacioacuten terciaria yo una recuperacioacuten
(secundaria) mejorada [14]
123 Recuperacioacuten primaria
Durante este periacuteodo el petroacuteleo se drena naturalmente hacia los pozos bajo el efecto del
gradiente de presioacuten existente entre el fondo de los pozos y el seno del yacimiento
En muchos yacimientos profundos la presioacuten es mayor que la presioacuten hidrostaacutetica lo que
hace que el petroacuteleo llegue a la superficie con el solo aporte energeacutetico del yacimiento A
medida que se expanden los fluidos en el yacimiento la presioacuten tiende a bajar en forma maacutes
13
o menos raacutepida seguacuten los mecanismos involucrados En ciertos casos puede existir un
mecanismo de compensacioacuten natural que reduzca notablemente la velocidad de decaimiento
de la presioacuten como la compactacioacuten de sedimento (subsidencia) la migracioacuten de un acuiacutefero
activo o la lenta expansioacuten de una bolsa de gas
Cuando el pozo no es eruptivo o cuando la presioacuten se ha reducido se necesita un aporte
externo de energiacutea para disminuir la presioacuten en fondo de pozo O bien se bombea el crudo
desde el fondo del pozo o bien se utiliza el meacutetodo del levantamiento con gas este consiste
en inyectar gas en fondo de pozo de tal forma que el fluido producido sea una mezcla de gas
y petroacuteleo de densidad suficientemente baja para llegar a la superficie bajo el efecto de la
presioacuten del yacimiento [20]
El periacuteodo de recuperacioacuten primaria tiene una duracioacuten variable pero siempre se lleva a cabo
ya que permite recoger numerosas informaciones sobre el comportamiento del yacimiento
las cuales son de primera importancia para la planificacioacuten de la explotacioacuten ulterior
La recuperacioacuten primaria se termina cuando la presioacuten del yacimiento ha bajado demasiado
o cuando se estaacuten produciendo cantidades demasiado importantes de otros fluidos (gas
agua) El porcentaje de recuperacioacuten primaria del crudo originalmente en sitio es en promedio
del orden de 10-15 pero puede ser tan bajo como 5 en yacimientos sin gas disuelto o
alcanzar 20 y auacuten maacutes en yacimientos que poseen una baja permeabilidad y una bolsa de
gas o un acuiacutefero activo
Anteriormente se explotaba el yacimiento en recuperacioacuten primaria hasta que los gastos de
explotacioacuten se vuelvan prohibitivos en cuyo momento se pasaba a los meacutetodos de
recuperacioacuten secundaria Hoy en diacutea se inician las operaciones de recuperacioacuten secundaria
mucho antes de llegar a este punto y la seleccioacuten del meacutetodo de explotacioacuten en un yacimiento
o en una parte de un yacimiento obedece a criterios de optimizacioacuten [22]
14
124 Recuperacioacuten secundaria
Los meacutetodos de recuperacioacuten secundarios consisten en inyectar dentro del yacimiento un
fluido menos costoso que el petroacuteleo para mantener un gradiente de presioacuten Estos fluidos se
inyectan por ciertos pozos (inyectores) y desplazan o arrastran una parte del petroacuteleo hacia
los otros pozos (productores) [14]
Hasta el principio de los antildeos 70 el bajo precio del crudo haciacutea que los uacutenicos fluidos
susceptibles de inyectarse econoacutemicamente eran el agua y en ciertos casos el gas natural
El drenaje por agua permite elevar la recuperacioacuten del aceite originalmente en sitio hasta un
promedio de 25-30 con variaciones desde 15 hasta 40 seguacuten los casos
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejorada
Despueacutes de las recuperaciones primaria y secundaria el yacimiento contiene todaviacutea 60-
80 (promedio 72) del crudo originalmente en sitio Esto se debe a que la eficiencia de los
meacutetodos de recuperacioacuten primaria y secundaria estaacute limitada por dos factores [14]
A la escala de los poros el crudo alcanza una saturacioacuten residual suficientemente baja
para encontrarse en forma de gloacutebulos discontinuos atrapados por las fuerzas
capilares
A la escala del yacimiento existen ciertas zonas en las cuales el fluido inyectado
durante la recuperacioacuten secundaria no penetra por la baja permeabilidad de estas
zonas porque siguen caminos preferenciales o porque la geometriacutea de implantacioacuten
de los pozos no es favorable
Entre los meacutetodos cuyo propoacutesito es mejorar la eficiencia del desplazamiento mediante una
reduccioacuten de las fuerzas capilares se pueden citar la utilizacioacuten de solventes miscibles con
el crudo y la obtencioacuten de baja tensioacuten interfacial con soluciones de surfactantes o soluciones
alcalinas Para mejorar la eficiencia de barrido se puede reducir la viscosidad del crudo
mediante calentamiento aumentar la viscosidad del agua con poliacutemeros hidrosolubles o
taponar los caminos preferenciales por ejemplo con espumas [21]
15
Los meacutetodos actualmente propuestos para la recuperacioacuten mejorada involucran uno o varios
de estos aspectos En lo que se refiere a la utilizacioacuten de surfactantes se destacan los
siguientes
Drenaje miscible con microemulsiones
Drenaje inmiscible con soluciones de surfactantes y poliacutemeros (y a veces aacutelcali)
Inyeccioacuten de vapor con surfactante ndash espumas
126 Generalidades de pozos
La estimulacioacuten de pozos se utiliza para mejorar la productividad de pozos petroleros Esto
se logra inyectando fluidos al pozo y dependiendo del gasto y presioacuten de inyeccioacuten
alcanzada seraacute el tipo de estimulacioacuten realizada Para aumentar la produccioacuten de un pozo se
debe tratar la roca situada en la cercaniacutea para aumentar su permeabilidad esto se debe a que
la geometriacutea ciliacutendrica del pozo produce una mayor resistencia al flujo en la vecindad del
mismo Existen esencialmente dos meacutetodos de estimulacioacuten que pueden emplearse solos o
juntos la fracturacioacuten y la acidificacioacuten [23]
En ambos tipos de procesos se usan surfactantes como dispersantes de partiacuteculas finas (alquil
fenoles y alquil amonios etoxilados) y como inhibidores de corrosioacuten (alquilpiridinios)
En el proceso de fracturacioacuten se inyecta bajo alta presioacuten una mezcla de agua y de arena La
arena penetra en las fracturas producidas e impide que se vuelvan a cerrar cuando la presioacuten
retorna a lo normal
En la acidificacioacuten se inyecta una solucioacuten aacutecida (HCl HF) extremadamente corrosiva para
los metales pero capaz de disolver la roca almaceacuten (carbonato siacutelica) Se usan alquil
piridinios como inhibidores de corrosioacuten alquil fenoles etoxilados como humectantes y
alquil amonios etoxilados como dispersantes de partiacuteculas finas
A menudo en presencia de carbonatos se desea retardar la acidificacioacuten para que el fluido
aacutecido pueda penetrar a cierta distancia del pozo antes de reaccionar con la roca
Uno de los meacutetodos de retardacioacuten consiste en emulsionar la fase acuosa aacutecida en queroseno
en forma WO Para tales emulsiones se usan sulfonatos de petroacuteleo o sales de aacutecidos
16
carboxiacutelicos por la interaccioacuten que presentan los grupos ldquosulfatordquo con los hidrocarburos [22]
Siendo el queroseno la fase continua el contacto aacutecido-roca no se produce inmediatamente
y la emulsioacuten puede penetrar a varios metros del pozo antes de que se consuma todo el aacutecido
obseacutervese en la figura 13
Figura 13 Acidificacioacuten controlada mediante la inyeccioacuten de una emulsioacuten de aacutecido en
queroseno [23]
Otro meacutetodo de retardacioacuten consiste en inyectar nitroacutegeno con la solucioacuten aacutecida la cual
contiene agentes espumantes como alquil eacutester sulfatos surfactantes etoxilados y a veces
surfactantes fluorocarbonados La espuma formada juega dos papeles de una parte reduce el
contacto entre el aacutecido y la roca y por lo tanto reduce la velocidad de ataque Por otra parte
tienen tendencia en llenar las fracturas y taponarlas (efecto Jamin) lo que obliga al aacutecido a
penetrar en la zonas de baja permeabilidad (figura 14)
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumas
Sin embargo estos dos uacuteltimos meacutetodos deben emplearse con cierto cuidado para evitar el
taponamiento del pozo con emulsiones o espumas debido a la presioacuten con la que actuacutean en
17
el mismo sistema lo que puede luego tener un efecto desfavorable sobre la produccioacuten[22]
Despueacutes de la acidificacioacuten se pone el pozo en produccioacuten para eliminar el residuo de aacutecido
y las partiacuteculas finas producidas por la desagregacioacuten de la roca Es en esta etapa que se
requieren agentes dispersantes
Ciertos meacutetodos de estimulacioacuten consisten en inyectar surfactantes para bien sea cambiar la
mojabilidad de la roca de mojable por el agua a mojable por el aceite bien sea desplazar
el crudo atrapado en la cercaniacutea del pozo Tales meacutetodos se usan para estimular pozos que
han dejado de producir por cierto tiempo o que han sufrido un dantildeo
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluido
131 Porosidad
Es el volumen de huecos de la roca y define la capacidad de eacutesta para almacenar fluidos Se
expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca
(porosidad total o bruta) [24]
Tipos de Porosidad
Absoluta La porosidad absoluta se considera como el volumen poroso total (esteacuten o
no interconectados)
Efectiva La porosidad efectiva se refiere al porcentaje de poros interconectados que
permiten la circulacioacuten de fluidos
No efectiva Representa la diferencia entre las porosidades anteriores es decir la
porosidad absoluta y la efectiva
132 Permeabilidad
18
La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo
atraviese sin alterar su estructura interna Se afirma que un material es permeable si deja
pasar a traveacutes de eacutel una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado e impermeable si la
cantidad de fluido es despreciable Se define con la ecuacioacuten de Darcy [14]
119876 =119870119860
120583
119889119875
119889119905 119910 119870 =
119876120583
119860 119889119897
119889119875 (1)
Doacutende
A Aacuterea de flujo (cm2)
Q Gasto (cm3 s-1)
dP Diferencia de presiones a la entrada y salida del permeaacutemetro (kPa)
dl Longitud del medio poroso (cm)
micro Viscosidad del fluido (cP)
K Velocidad de filtracioacuten (m s-1)
Si el fluido es homogeacuteneo y no produce ninguna accioacuten importante sobre la roca se habla
de permeabilidad absoluta pero si en la roca existen varios fluidos como es el caso de un
yacimiento petroliacutefero en el que se puede tener petroacuteleo agua y gas se producen
interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los
fluidos
La permeabilidad relativa corresponde a la relacioacuten entre permeabilidad absoluta y efectiva
Para un fluido dado variacutea en funcioacuten directa con la saturacioacuten de ese fluido en la roca y se
expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro
133 Tortuosidad
19
Una medida de la complejidad geomeacutetrica de un medio poroso La tortuosidad es una relacioacuten
que caracteriza los trayectos de la difusioacuten del fluido y la conduccioacuten eleacutectrica a traveacutes de los
medios porosos En mecaacutenica de fluidos de los medios porosos la tortuosidad es la relacioacuten
del largo de la corriente natural de un fluido (una liacutenea o trayecto de flujo) entre dos puntos
y la distancia en liacutenea recta entre esos puntos Por consiguiente la tortuosidad se relaciona
con la relacioacuten entre el coeficiente de difusioacuten de un fluido cuando no estaacute confinado por un
medio poroso y su coeficiente de difusioacuten efectivo cuando estaacute confinado en un medio poroso
[22] Este paraacutemetro es calculado con la ecuacioacuten 2
119879 =119871119864
119871 ( 2)
Doacutende
L es la longitud de la muestra de roca (cm)
LE es la longitud de la trayectoria de difusioacuten del fluido sobre la muestra (cm)
El flujo de fluidos a traveacutes de medios porosos estaacute fuertemente afectado por fenoacutemenos de
superficie los cuales representan fuerzas retentivas de fluidos en el medio poroso La accioacuten
de la estimulacioacuten matricial no reactiva concierne principalmente a la alteracioacuten de estas
fuerzas retentivas manifiestas en los fenoacutemenos de tensioacuten superficial mojabilidad y
capilaridad [20]
134 Tensioacuten Superficial e Interfacial
La materia en sus diferentes estados (soacutelido liacutequido y gaseoso) estaacute compuesta de moleacuteculas
las cuales presentan una atraccioacuten llamada fuerza de cohesioacuten Esta fuerza es una
combinacioacuten de fuerzas electrostaacuteticas y de Van der Waals [21] Naturalmente estas fuerzas
son de diferente magnitud dependiendo del estado de la materia Por ejemplo en el seno de
un liacutequido una moleacutecula es rodeada por moleacuteculas similares ejerciendo unas con otras
fuerzas iguales de atraccioacuten por lo que eacutestas se encuentran balanceadas tal como se muestra
en la figura 15
20
15 Representacioacuten de fuerzas intermoleculares en un sistema bifaacutesico (soacutelido-liacutequido)
En la interfase entre un liacutequido y un soacutelido o entre un liacutequido y un gas estas fuerzas son
desequilibradas causando que exista una resultante en la interfase con ello se crea una
energiacutea libre de superficie En la misma figura 15 se observa la fuerza resultante en la
interfase del sistema denotada con el teacutermino FR cuyo valor representa la tensioacuten que existe
entre las moleacuteculas de las fase liquida y gaseosa
Esta fuerza seraacute mayor entre mayores sean las fuerzas de atraccioacuten de las moleacuteculas del
liacutequido Si se deseara romper esta superficie se tendriacutea que realizar un trabajo por unidad de
aacuterea equivalente a vencer la energiacutea libre de superficie Este trabajo por unidad de aacuterea se
denomina tensioacuten superficial y su valor especiacutefico para cada liacutequido depende
principalmente de la temperatura y presioacuten a las cuales se encuentre
Para medir la tensioacuten superficial se utilizan varios meacutetodos de los cuales el maacutes utilizado es
el meacutetodo de Du Nouumly Este procedimiento consiste en colocar en el liacutequido un arillo de
platino y llevarlo hasta la interfase midiendo la fuerza necesaria con la que el anillo rompe
la superficie La tensioacuten superficial generalmente se da en dina cm-1 Para el agua a
21
condiciones estaacutendar la tensioacuten superficial es de 72 dina cm-1 para el benceno es de 29 dina
cm-1 [19]
En 1905 Young mostroacute que las propiedades mecaacutenicas de la energiacutea libre de superficie
podriacutean relacionarse con una membrana hipoteacutetica en la superficie Usando en concepto de
tensioacuten superficial Young fue capaz de derivar expliacutecitamente la condicioacuten de equilibrio
mecaacutenico de una superficie curva entre dos fases [21] La ecuacioacuten de Young se expresa en la
ecuacioacuten 3
119875primeprime minus 119875prime =2120590
119903 (3)
Doacutende
Pacute Presioacuten en la fase externa (kPa)
Pacuteacute Presioacuten en la fase interna (kPa)
σ Tensioacuten Superficial (Erg)
r Radio de curvatura (cm)
Si un liacutequido estaacute en contacto con otra sustancia (gas soacutelido u otros liacutequidos inmiscibles) hay
una energiacutea libre interfacial Esto significa que se tiene que realizar cierta cantidad de trabajo
con el fin de separar ambos medios Los dos principales paraacutemetros que afectan a la magnitud
de la tensioacuten superficial son la temperatura y la composicioacuten quiacutemica de las fases La
variacioacuten de la tensioacuten superficial liacutequido-vapor (γLG) usualmente sigue una relacioacuten lineal
seguacuten la expresioacuten [15]
120574119871119866 = 1205740 + (∆120575119871119866
∆119879) (119879 minus 119879119898) (4)
Doacutende
γLG Tensioacuten interfacial liquido-gas (dina cm-1)
γ0 Tensioacuten superficial del liacutequido (dina cm-1)
ΔδLG Diferencia de densidad entre fase liacutequida y fase gaseosa (kg m-3)
22
ΔT Diferencia de temperaturas
T Temperatura del sistema (degC)
Tm Temperatura media (degC)
En general la tensioacuten superficial para metales fundidos disminuye con el incremento de la
temperatura (dγLGdT) lt 0 ya que las fuerzas de cohesioacuten disminuyen al aumentar la
agitacioacuten teacutermica La influencia del medio exterior se debe a que las moleacuteculas del medio
ejercen acciones atractivas sobre las moleacuteculas situadas en la superficie del liacutequido
contrarrestando las acciones de las moleacuteculas del interior del liacutequido
La medida de la tensioacuten superficial en soacutelidos policristalinos es compleja comparada con la
medida de γLG y en consecuencia los datos experimentales son difiacutecilmente fiables Se han
desarrollado modelos teoacutericos para predecir γSG pero con un eacutexito limitado Por otro lado la
tensioacuten γSL no puede ser medida directamente soacutelo puede predecirse con la ayuda de modelos
teoacutericos [19] El uso de la ecuacioacuten 5 para determinar el trabajo de adherencia (conociendo
previamente γLG o midieacutendolo simultaacuteneamente con θ) es una de las praacutecticas maacutes habituales
para investigar la mojabilidad de soacutelidos por metales liacutequidos
119882119886 = 120574119871119866(1 + 119888119900119904120579)
Donde
Wa Mojabilidad
γLG= Tensioacuten interfacial (dina cm-1)
θ= Angulo de contacto (deg)
135 Mojabilidad
23
La mojabilidad es uno de los fenoacutemenos de superficie y representa la interaccioacuten soacutelidondash
liacutequido este paraacutemetro depende de las fuerzas intermoleculares de los materiales en contacto
la fuerza de adhesioacuten entre el liacutequido y el soacutelido provoca que el liacutequido se extienda por la
superficie mientras que la de cohesioacuten del liacutequido hacen que eacuteste se abulte y tienda a evitarla
Es claro que tambieacuten estaacute muy relacionada con la capilaridad porque algunas sustancias
disueltas en el agua pueden modificar su tensioacuten superficial y por lo tanto su mojabilidad [14]
El aacutengulo de contacto ϴ es el aacutengulo que forma el liacutequido respecto a la superficie de contacto
con el soacutelido y estaacute determinado por la resultante de las fuerzas adhesivas y cohesivas Como
la tendencia de una gota a expandirse en una superficie plana aumenta con la disminucioacuten
del aacutengulo de contacto este aacutengulo proporciona una medida inversa de la mojabilidad [25]
Un aacutengulo de contacto pequentildeo (lt 90deg) indica que la mojabilidad es muy alta y el fluido se
extenderaacute sobre la superficie aacutengulos de contacto grandes (gt 90deg) significan que la
mojabilidad es baja y el fluido disminuiraacute el contacto con la superficie formando una gota
compacta este efecto puede observarse en las figuras 6a 6b y 6c Cuantitativamente la
mojabilidad se define como el producto de la tensioacuten superficial por el aacutengulo de contacto
esto es
119882119886 = 120590119888119900119904120579 (5)
Figura 16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidad [25]
El fenoacutemeno de mojabilidad es de gran importancia para el flujo de aceite en un medio
poroso Se ha demostrado que si la roca se encuentra mojada por agua la permeabilidad al
a) b) c)
24
aceite es muy superior al caso en que la roca se encuentre mojada por aceite lo cual favorece
la recuperacioacuten del aceite contenido en el yacimiento [26]
136 Capilaridad
La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de adsorber a otra Sucede cuando las
fuerzas intermoleculares adhesivas entre el liacutequido y el soacutelido son mayores que las fuerzas
intermoleculares cohesivas del liacutequido Cuando un liacutequido sube por un tubo capilar es debido
a la cohesioacuten intermolecular entre sus moleacuteculas es menor que la adhesioacuten del liacutequido con el
material del tubo es decir es un liacutequido que moja El liacutequido sigue subiendo hasta que la
tensioacuten superficial es equilibrada por el peso del liacutequido que llena el tubo
Al sumergir un tubo de vidrio capilar en agua eacutesta se elevaraacute en el tubo como se muestra en
la figura 17 en este caso se define como presioacuten capilar la diferencia de presiones en la
interfase [5]
Figura 17 Efecto de la capilaridad [5]
La presioacuten capilar seraacute la fuerza requerida para soportar la columna de agua en el tubo
dividida entre el aacuterea del capilar se explica con la ecuacioacuten 6
119875119862 = 120588119892ℎ119888 (6)
Doacutende
25
Pc Presioacuten capilar (N m-2)
ρ Densidad (kg m-3)
g Aceleracioacuten de la gravedad (981 m s-2)
hc Altura de la columna (m)
137 Adsorcioacuten
La adsorcioacuten es un proceso de separacioacuten y concentracioacuten de uno o maacutes componentes de un
sistema sobre una superficie soacutelida o liacutequida Los distintos sistemas heterogeacuteneos en los que
puede tener lugar la adsorcioacuten son soacutelido-liacutequido soacutelido-gas y liacutequido-gas Como en otros
procesos de este tipo los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases
La adsorcioacuten es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra
sobre la superficie de otra fase (generalmente soacutelida) Por ello se considera como un
fenoacutemeno subsuperficial La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama
adsorbato y la fase impregnada se llama adsorbente [21] Lo anterior se muestra en la
figura 18
Figura 18 Proceso de adsorcioacuten
1371 Tipos de adsorcioacuten
Cabe distinguir tres tipos de adsorcioacuten seguacuten sea la atraccioacuten entre el soluto y el adsorbente
sea de tipo eleacutectrico de Van der Waals (o Fiacutesica) o de naturaleza quiacutemica [23]
26
Eleacutectrica Cae de lleno dentro del intercambio ioacutenico y a menudo se le llama
adsorcioacuten por intercambio que es un proceso mediante el cual los iones de una
sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atraccioacuten electrostaacutetica
en los lugares cargados de la superficie Para dos absorbatos ioacutenicos posibles a
igualdad de otros factores la carga del ioacuten es el factor determinante en la adsorcioacuten
de intercambio Para iones de igual carga el tamantildeo molecular (radio de solvatacioacuten)
determina el orden de preferencia para la adsorcioacuten (figura 19)
Figura 19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectrica
Fiacutesica La adsorcioacuten que tiene lugar debido a las fuerzas de Van der Waals se llama
generalmente adsorcioacuten fiacutesica En este caso la moleacutecula adsorbida no estaacute fija en un
lugar especiacutefico de la superficie sino maacutes bien estaacute libre de trasladarse dentro de la
interfase Esta adsorcioacuten en general predomina a temperaturas bajas El aumento de
la temperatura disminuye considerablemente la adsorcioacuten (figura 110)
No se produce adsorcioacuten a temperaturas superiores a la temperatura criacutetica del
adsorbato gaseoso si la presioacuten del gas tiene valores cercanos a la presioacuten de vapor
de equilibrio para el adsorbato liacutequido se produciraacute una adsorcioacuten maacutes extensa en
capas muacuteltiples
27
Figura 110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesica
Quiacutemica Si el adsorbato sufre una interaccioacuten quiacutemica con el adsorbente el
fenoacutemeno se llama adsorcioacuten quiacutemica adsorcioacuten activa o quimisorcioacuten Las energiacuteas
de adsorcioacuten son elevadas del orden de las de un enlace quiacutemico debido a que el
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente Esta adsorcioacuten suele estar favorecida a una temperatura elevada [17]
(figura 111)
Figura 111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemica
La mayor parte de los fenoacutemenos de adsorcioacuten son combinaciones de las tres formas de
adsorcioacuten y de hecho no es faacutecil distinguir entre adsorcioacuten fiacutesica y quiacutemica
28
14 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten es el proceso en donde un fluido que satura un medio capilar es desplazado
por otro fluido Eacutesta es espontaacutenea cuando el fluido desplazante penetra el medio capilar
uacutenicamente bajo la accioacuten de las fuerzas capilares Las muestras de roca que imbiben
uacutenicamente agua se dice que son mojadas por agua de igual manera las que lo hacen con el
aceite son mojadas por aceite [10]
La imbibicioacuten es importante en un yacimiento que produce por mecanismos de empuje de
agua porque puede favorecer u obstruir el movimiento del agua afectando el aacuterea del barrido
Una prueba de imbibicioacuten es una comparacioacuten del potencial de imbibicioacuten del petroacuteleo y del
agua en una roca tal como se muestra en la figura 112 La mojabilidad de la roca es
determinada por la fase que maacutes absorbe
Figura 112 Celda de imbibicioacuten espontanea [10]
141 Interaccioacuten roca-fluido
29
La mojabilidad es muy importante en los procesos de recuperacioacuten de aceite debido al fuerte
efecto que eacutesta ejerce en la distribucioacuten localizacioacuten y flujo de aceite y agua dentro del
yacimiento durante la produccioacuten
Generalmente se asume que los yacimientos de aceite fueron creados por la acumulacioacuten de
hidrocarburos en rocas que originalmente conteniacutean agua y por ello se deduce que las rocas
de todos los yacimientos fueron originalmente mojadas por agua [23]
Asimismo existen casos aislados en los cuales despueacutes de haberse hecho pruebas se
descubrioacute que algunos yacimientos eran originalmente mojados por aceite Principalmente
los asfaltenos pesados y las fracciones de resina del aceite crudo son capaces de alterar por
adsorcioacuten la mojabilidad de una caliza mojada originalmente por agua a una mojada por
aceite en su superficie Los componentes maacutes importantes en el aceite crudo responsables
del cambio de mojabilidad son aquellos que contienen grupos cargados como un aacutecido o una
base
Las rocas carbonatadas usualmente llevan cargan positivas en la superficie y tienen una
afinidad mayor por los componentes aacutecidos del aceite crudo En el caso de las areniscas cuya
carga de superficie es negativa se tiene una mayor atraccioacuten por los componentes baacutesicos
del aceite crudo [10] La figura 113 es una representacioacuten esquemaacutetica de coacutemo las partes
aacutecidas del aceite se adsorben sobre la superficie de la caliza generando un estado maacutes mojado
por aceite
Figura 113 Esquema de las partes aacutecidas del aceite crudo sobre una superficie de roca
carbonatada
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacutenea
30
La comprensioacuten de los mecanismos detraacutes de la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes
puede mejorar el desempentildeo y aplicacioacuten del producto en operaciones de campo
Diversos investigadores notaron que para cada tipo de roca la efectividad de la alteracioacuten de
la mojabilidad depende de la naturaleza ioacutenica del surfactante empleado En nuacutecleos de
calizas mojadas por aceite Austad [19] observoacute que surfactantes catioacutenicos funcionaron
mejor que surfactantes anioacutenicos en el cambio de mojabilidad hacia un estado maacutes mojado
por agua Pensaron que para los surfactantes catioacutenicos el mecanismo responsable de la
alteracioacuten de la mojabilidad en una roca carbonatada mojada por aceite era la formacioacuten de
ion-par entre las cabezas catioacutenicas de las moleacuteculas de surfactante y los componentes aacutecidos
del aceite crudo adsorbidos en la superficie de la roca carbonatada
La formacioacuten del ioacuten-par puede remover la capa de aceite crudo adsorbida sobre la superficie
de la roca logrando exponer la superficie de la roca carbonatada originalmente mojada por
agua En cambio las moleacuteculas de los surfactantes anioacutenicos forman una capa en la
superficie de la roca carbonatada a traveacutes de la interaccioacuten hidrofoacutebica de las colas del
surfactante en la superficie La capa de surfactantes adsorbidos con los grupos de cabezas
hidrofiacutelicas cubriendo la roca originalmente mojada por aceite pueden cambiar la
mojabilidad del medio poroso a uno maacutes mojado por agua En este caso las interacciones
hidrofoacutebicas son mucho maacutes deacutebiles que las interacciones ioacuten-par explicando por queacute los
surfactantes catioacutenicos funcionan mejor que los anioacutenicos en la alteracioacuten de mojabilidad en
rocas carbonatadas hacia un estado maacutes mojado por agua Esas pruebas e hipoacutetesis fueron el
comienzo de un estudio que otros investigadores culminaron en un estudio de la mecaacutenica de
la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes [19]
143 Cambio de mojabilidad por el ioacuten-par
31
La formacioacuten del ioacuten-par es influenciado principalmente por interacciones electrostaacuteticas
entre las cabezas hidrofiacutelicas de los surfactantes y estabilizada por interacciones de las
secciones hidrofoacutebicas de la moleacutecula de surfactante Como se muestra en la figura 114 la
formacioacuten de iones-par remueve los componentes del aceite crudo adsorbido sobre la
superficie de la roca dando lugar a la cara originalmente mojada por agua [23]
Figura 114 Modelo esquemaacutetico del cambio de mojabilidad con la aplicacioacuten de
surfactantes
Los iones-par formados durante el proceso no son solubles en agua y por ello se mueven
raacutepidamente dentro de la fase aguaaceite hacia la fase aceite dejando las moleacuteculas de
surfactante libres en la fase agua para asociarse con los componentes del aceite adsorbidos
en la superficie de la roca (figura 114) De esta manera el surfactante cambia
satisfactoriamente la mojabilidad de la superficie de la roca a un estado maacutes mojado por agua
15 Surfactantes
Tambieacuten llamados agentes tensoactivos son moleacuteculas que poseen una doble afinidad
quiacutemica debido a su estructura de tipo polar-apolar Un surfactante o agente superficialmente
activo es una especie quiacutemica que es activa en la interfase entre dos fases como un
detergente que es activo en la interfase entre las fases hidroacutefila e hidroacutefoba El detergente se
acumula en la interfase y modifica la tensioacuten superficial La tensioacuten superficial disminuye
cuando un soluto se acumula en la interfase siendo el soluto en este caso el agente
tensoactivo [21] Su representacioacuten claacutesica se indica en la Figura 115
32
115 Representacioacuten de una moleacutecula surfactante
La parte polar o hidrofiacutelica es un grupo funcional ioacutenico o no ioacutenico generalmente constituida
por heteroaacutetomos como oxiacutegeno azufre nitroacutegeno y foacutesforo que permiten un alto grado de
solubilidad en solventes polares particularmente en agua La parte apolar o lipofiacutelica
generalmente es una cadena hidrocarbonada de tipo alquil o alquilbenceno con presencia en
ciertos casos de aacutetomos de un haloacutegeno u oxiacutegeno la cual es soluble en solventes orgaacutenicos
no polares particularmente hidrocarburos aceites y grasas Debido a esta dualidad polar-
apolar una moleacutecula de surfactante tiene tendencia a migrar a una intercara o una superficie
con la finalidad de satisfacer sus dos tipos de afinidad Sin embargo no todas las sustancias
anfifiacutelicas poseen esta propiedad [14]
151 Clasificacioacuten de los surfactantes
Debido a que la accioacuten de los surfactantes depende principalmente de fuerzas electrostaacuteticas
eacutestos se clasifican de acuerdo a la naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua Los
surfactantes se dividen en anioacutenicos catioacutenicos no ioacutenicos y zwitterioacutenicos (anfoteacutericos)
La tabla 13 muestra su clasificacioacuten incluyendo su descripcioacuten esquemaacutetica las
caracteriacutesticas de carga del grupo soluble en agua los grupos quiacutemicos maacutes importantes y
sus usos principales
La naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua se usa para clasificar los surfactantes en
cuatro clases
33
Tabla 13 Clasificacioacuten de Surfactantes
Clasificacioacuten Descripcioacuten Carga del grupo
soluble en agua
Grupos Quiacutemicos Usos
Anioacutenicos M+ + Negativa Sulfonatos
Sulfatos
Fosfatos
Fosfonatos
No
emulsificantes
Retardadores
Limpiadores
Catioacutenicos X- - Positiva Grupos aminos No
emulsificantes
Inhibidores de
corrosioacuten
No ioacutenicos XxR Sin Carga Alcoholes
Alquilfenoles
Esteres
Eteres
Amidas
Etileno
No
emulsificantes
Espumantes
Inhibidores de
corrosioacuten
Zwitterioacutenicos M+ X- Posee ambas
cargas
Dodedil amino
aacutecido propionico
Inhibidores de
corrosioacuten
Los surfactantes anioacutenicos se disocian en un anioacuten anfiacutefilo y un catioacuten el cual es en general
un metal alcalino o un grupo alquiacutelico A este tipo pertenecen los detergentes sinteacuteticos como
los alquil benceno sulfonatos los jabones (sales de sodio de aacutecidos grasos) los agentes
espumantes como el lauril sulfato los humectantes del tipo sulfosuccinato los dispersantes
del tipo lignosulfonatos etc La produccioacuten de los surfactantes anioacutenicos representa
alrededor del 55 de los surfactantes producidos anualmente en el mundo FIRP 303
Los surfactantes no ioacutenicos estaacuten en el segundo rango por orden de importancia con un poco
menos del 40 del total En solucioacuten acuosa no se ionizan puesto que ellos poseen grupos
hidroacutefilos del tipo alcohol fenol eacutester eacuteter o amida Una alta proporcioacuten de estos
surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofiacutelicos gracias a la presencia de una cadena
polieacuteter del tipo polioacutexido de etileno El grupo hidroacutefobo es generalmente un radical alquilo
o alquil benceno y a veces una estructura de origen natural como un aacutecido graso sobre todo
cuando se requiere una baja toxicidad
34
Los surfactantes catioacutenicos se disocian en solucioacuten acuosa en un catioacuten orgaacutenico anfiacutefilo y
un anioacuten generalmente del tipo halogenuro La gran mayoriacutea de estos surfactantes son
compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario La fabricacioacuten
de estos surfactantes es mucho maacutes cara que la de los anteriores y es por esta razoacuten que no
se les utilizan salvo en caso de aplicacioacuten particular como cuando se hace uso de sus
propiedades bactericidas o de su facilidad de adsorcioacuten sobre sustratos bioloacutegicos o inertes
que poseen una carga negativa
Esta uacuteltima propiedad hace que sean excelentes agentes antiestaacuteticos hidrofobantes asiacute
como inhibidores de corrosioacuten [24] y puedan ser utilizados tanto en productos industriales
como para uso domeacutestico
La combinacioacuten dentro de una misma moleacutecula de dos caracteres anioacutenico y catioacutenico
producen un surfactante llamado anfoacutetero o zwitterioacutenico como por ejemplo los
aminoaacutecidos las betaiacutenas o los fosfoliacutepidos ciertos anfoacuteteros son insensibles al pH otros
son de tipo catioacutenico a pH aacutecido y de tipo anioacutenico a pH alto Los anfoacuteteros son en general
tan caros como los catioacutenicos y por esta razoacuten su utilizacioacuten se reduce a aplicaciones
particulares
152 Propiedades de los surfactantes
Los surfactantes poseen dos propiedades fundamentales que permiten explicar las
caracteriacutesticas de su utilizacioacuten actividad superficial o interfacial adsorcioacuten y asociacioacuten
micelar
1511 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacuten
Cuando un surfactante estaacute presente a baja concentracioacuten en un sistema tiene la propiedad
de adsorberse en la superficie (liacutequido-gas) o en la cara interfacial (liacutequido-liacutequido) del
sistema Este fenoacutemeno que es debido a sus caracteriacutesticas anfifiacutelicas provoca una
disminucioacuten notable de la energiacutea libre superficial o interfacial
35
La energiacutea libre de la moleacutecula en la cara interfacial es inferior a la de la moleacutecula
solubilizada en la fase acuosa por tanto la transferencia desde el seno de la fase hacia la cara
interfacial llamada adsorcioacuten se realiza de manera espontaacutenea
La disminucioacuten de la tensioacuten interfacial provocada por la adsorcioacuten del surfactante favorece
la deformacioacuten y la ruptura de la cara interfacial la formacioacuten de sistemas dispersos como
las emulsiones y las espumas la movilizacioacuten del petroacuteleo residual en pozos entre otros [26]
1512 Micelas y asociacioacuten micelar
En soluciones diluidas el surfactante se encuentra en el seno del liacutequido bajo la forma de
solucioacuten molecular A partir de cierta concentracioacuten llamada concentracioacuten micelar criacutetica
(CMC) la fase acuosa se satura y la adicioacuten de maacutes moleacuteculas de surfactante provoca la
formacioacuten de agregados de tipo coloidal llamadas micelas [21]
Estos agregados pueden reunir entre decenas y centenas de moleacuteculas y su dimensioacuten y
estructura dependen de la estructura y del ambiente fisicoquiacutemico del surfactante La
tendencia liofoacutebica de una parte de la moleacutecula surfactante es el principal promotor de la
formacioacuten de las micelas en las cuales el surfactante alcanza una posicioacuten favorable para
satisfacer su doble afinidad
Generalmente se presenta a una micela como una entidad estaacutetica sin embargo las micelas
son agregados moleculares en equilibrio dinaacutemico con las moleacuteculas de surfactante dispersas
en el disolvente [19] De hecho se puede citar que ocurren dos procesos baacutesicos i) intercambio
de las micelas con las moleacuteculas de surfactante en el disolvente y con otras micelas que
ocurre en microsegundos o milisegundos y ii) la renovacioacuten real de una micela completa por
este proceso (de milisegundos a segundos)
Cuando el medio continuo estaacute formado por una sustancia no polar (denominado
geneacutericamente aceite aunque su estructura quiacutemica no corresponda a este nombre) se
forman las llamadas micelas inversas Ahora las cabezas polares estaacuten orientadas hacia el
interior de la micela y estaacuten en contacto con agua o alguna otra sustancia polar mientras que
las colas hidrocarbonadas se dirigen hacia el exterior de la micela (en contacto con el
36
disolvente apolar) como se muestra en la figura 116 Estos sistemas son mucho maacutes
complejos que los formados por las micelas normales tienen valores propios para la CMC y
nuacutemero de agregacioacuten aunque su tamantildeo y forma es similar al de las micelas normales
Figura 116 Tipos de micela A) micela normal B) micela inversa
El tamantildeo de una micela esfeacuterica estaacute determinado por el equilibrio entre las fuerzas de
atraccioacuten entre las colas hidrocarbonadas entre siacute (realmente se debe a que las moleacuteculas de
agua tienden a expulsar a las moleacuteculas hidrofoacutebicas de su contacto) y las fuerzas de repulsioacuten
electrostaacutetica de las cabezas polares (ayudada por efectos esteacutericos y de hidratacioacuten)
Mediante estudios de difraccioacuten de neutrones a aacutengulo pequentildeo se ha determinado la
estructura de una micela esfeacuterica el nuacutecleo es hidrocarbonado los grupos polares junto con
algunos contraiones (iones de carga opuesta al de la cabeza polar del surfactante) constituyen
la capa ioacutenica de Stern con un espesor de 02 a 04 nm y una capa difusa de Gouy-Chapman
mostrado en la figura 117
37
Figura 117 Comportamiento estaacutetico micelar
A concentraciones de surfactante ligeramente mayores que la CMC las micelas son esfeacutericas
al aumentar la concentracioacuten ciertas propiedades de la disolucioacuten indican un cambio en la
estructura de los agregados micelares Esto se debe probablemente a interacciones entre las
micelas Incrementando la concentracioacuten las micelas adoptan formas ciliacutendricas o lamelares
o en algunos casos de discos A concentraciones superiores pueden ocurrir transiciones de
fase de solucioacuten micelar a cristales liacutequidos
Algunas de las caracteriacutesticas que hacen atractivas a las micelas para aplicaciones analiacuteticas
son la existencia de la capa ioacutenica de Stern (en micelas ioacutenicas) la orientacioacuten anisotroacutepica
(o grado de ordenamiento) del nuacutecleo de la micela el ordenamiento de la interfaz micelar
debido a la carga y a las interacciones con el disolvente y a la diferencia de polaridad entre
el disolvente y el interior micelar
Muchas propiedades fiacutesicas de las soluciones de surfactante (conductividad tensioacuten
superficial densidad etc) cambian de manera notable en la CMC Comuacutenmente la CMC se
obtiene por la interseccioacuten de dos curvas que representan una propiedad fiacutesica determinada
de la solucioacuten una curva representa la propiedad fiacutesica a concentraciones inferiores a la CMC
y la otra representa la propiedad fiacutesica a concentraciones superiores [10]
38
16 Emulsiones
Las emulsiones son sistemas dispersos constituidos por dos liacutequidos inmiscibles en los cuales
la fase en suspensioacuten (fase interna o dispersa) se encuentra en forma de pequentildeas gotas
contenida en la fase externa (fase continua o dispersante) como se muestra en la figura 118
La estructura de las emulsiones estaacute estabilizada por un agente surfactante llamado
emulsionante Por definicioacuten una emulsioacuten es un sistema termodinaacutemicamente inestable y
tarde o temprano debe separarse en sus dos fases [19]
Figura 118 Micrografiacutea de una emulsioacuten WO
La nocioacuten de estabilidad es por supuesto relativa pero se refiere a una casi ausencia de
cambio durante un periacuteodo de tiempo suficientemente largo para el propoacutesito de la aplicacioacuten
praacutectica lo cual puede variar de algunos minutos a algunos antildeos
Las cantidades relativas de fase dispersa y fase continua (referidas tambieacuten como fase interna
y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades Por debajo de 20 de fase
interna se habla de una emulsioacuten de bajo contenido de fase interna En tales emulsiones se
puede considerar que hay poca interaccioacuten de las gotas entre siacute
39
161 Tipos de emulsiones
En la mayoriacutea de los casos en los cuales se hace una emulsioacuten con dos liacutequidos
inmiscibles uno de los liacutequidos es una fase acuosa y el otro una fase aceite u orgaacutenica Se
usan las abreviaturas O para el aceite y W para el agua siguiendo la nomenclatura
anglosajona Las emulsiones se clasifican [26]
Aceite en agua (OW) Esta emulsioacuten contiene gotas de aceite dispersadas en agua
es la emulsioacuten normal para todas las aplicaciones con excepcioacuten de la produccioacuten de
petroacuteleo en la cual se denomina emulsioacuten inversa
Agua en aceite (WO) En esta emulsioacuten la fase dispersa es el agua mientras que la
continua es el aceite esta es la emulsioacuten normal en la industria petrolera y la inversa
para todas las demaacutes aplicaciones
Agua en aceite en agua (WOW) Cuando las gotas de aceite de una emulsioacuten OW
contienen en su interior gotitas de agua se dice que se tiene una emulsioacuten muacuteltiple
del tipo WOW Las emulsiones muacuteltiples se encuentran en forma espontaacutenea en
ciertas circunstancias o pueden prepararse al propoacutesito
Aceite en agua en aceite (OWO) Este tipo de emulsioacuten no se encuentra con
frecuencia y estaacute constituida por una fase continua de aceite con gotas dispersas de
agua en su interior las cuales a su vez contienen pequentildeiacutesimas gotas de la fase
aceitosa
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleo
Durante las operaciones de extraccioacuten del petroacuteleo la mezcla bifaacutesica de petroacuteleo y agua se
desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden de 1 piediacutea lo que es insuficiente
para que se forme una emulsioacuten Sin embargo al pasar por todo el aparataje de produccioacuten
durante el levantamiento y el transporte en superficie (bombas vaacutelvulas codos restricciones
etc) se produce la agitacioacuten suficiente para que el agua se disperse en el petroacuteleo en forma
de emulsioacuten WO estabilizada por las especies de actividad interfacial presentes en el crudo
(asfaacuteltenos y resinas) y por soacutelidos
40
Existen tres requisitos esenciales para formar una emulsioacuten
Dos liacutequidos inmiscibles como el agua y el aceite
Suficiente agitacioacuten para dispersar uno de los liacutequidos en pequentildeas gotas en el otro
Un agente emulsionante para estabilizar las gotas dispersas en la fase continua
En los campos petroleros las emulsiones se conocen como emulsiones directas (agua
en aceite WO) y emulsiones indirectas (aceite en agua OW) Otra terminologiacutea en la
industria petrolera es clasificar las emulsiones directas producidas como duras y suaves Por
definicioacuten una emulsioacuten dura es muy estable y difiacutecil de romper principalmente porque las
gotas dispersas son muy pequentildeas Por otro lado una emulsioacuten suave es inestable y faacutecil de
romper En otras palabras cuando un gran nuacutemero de gotas de agua de gran diaacutemetro estaacuten
presentes ellas a menudo se separan faacutecilmente por la fuerza gravitacional El agua que se
separa en menos de cinco minutos es llamada agua libre
La mejor forma de deshidratar es evitar que se produzca la emulsioacuten o por lo menos
reducir al maacuteximo las condiciones que favorezcan el emulsionado
En pozos fluyentes una agitacioacuten considerable es generalmente causada por el gas
disuelto saliendo de la solucioacuten (el gas se desorbe) conforme decrece la presioacuten Este gas
tambieacuten causa turbulencia cuando fluye junto con la mezcla bifaacutesica agua-aceite a traveacutes de
accesorios y restricciones en la tuberiacutea de produccioacuten pasa por supuesto lo mismo cuando
se utiliza el levantamiento con gas Esta turbulencia puede ser reducida pero no eliminada
instalando un estrangulador de fondo Este estrangulador reduce la estabilidad de la emulsioacuten
por las siguientes causas
Hay menos presioacuten diferencial
La temperatura de fondo de pozo es considerablemente maacutes alta que la temperatura
en la superficie
Hay flujo laminar para una gran distancia corriente abajo del estrangulador de fondo
y por lo tanto menos turbulencia
Actualmente el 90 de las teacutecnicas utilizadas para la extraccioacuten de petroacuteleo crudo
generan o agravan los problemas de emulsionado Los quiacutemicos usados en las fracturas de la
41
formacioacuten estimulaciones de pozos inhibicioacuten de corrosioacuten etc frecuentemente causan
severos problemas de emulsionaje por lo que existen meacutetodos para romperlas tales como el
calentamiento aditivos quiacutemicos tratamiento eleacutectrico y asentamiento En los casos de bajo
contenido de agua (lt 10) resulta ventajoso antildeadir agua en fondo de pozo antes que se
produzca la emulsioacuten porque asiacute la emulsioacuten formada seraacute menos estable (el tamantildeo de gotas
aumenta y se favorece la coalescencia [22]
163 Agentes emulsionantes
Los agentes emulsionantes son numerosos y pueden ser clasificados
Compuestos naturales surfactantes tales como asfaltenos y resinas conteniendo
aacutecidos orgaacutenicos y bases aacutecidos nafteacutenicos aacutecidos carboxiacutelicos compuestos de
azufre fenoles cresoles y otros surfactantes naturales de alto peso molecular
Soacutelidos finamente divididos tales como arena arcilla finos de formacioacuten esquistos
lodos de perforacioacuten fluidos para estimulacioacuten incrustaciones minerales productos
de la corrosioacuten (por ejemplo sulfuro de hierro oacutexidos) parafinas asfaltenos
precipitados Los fluidos para estimulacioacuten de pozos pueden contribuir a formar
emulsiones muy estables
Quiacutemicos de produccioacuten antildeadidos tales como inhibidores de corrosioacuten biocidas
limpiadores surfactantes y agentes humectantes
Estos agentes pueden adsorberse en la interfase de la gota de agua y formar una peliacutecula
riacutegida que resulta en una alta estabilidad de la emulsioacuten WO formada lo cual ocurre en
menos de tres diacuteas Es por eso que la emulsioacuten debe tratarse lo maacutes pronto posible con
diferentes agentes tales como quiacutemica deshidratante calor sedimentacioacuten por
centrifugacioacuten o electrocoalescencia [26]
42
164 Estabilidad de una emulsioacuten
La peliacutecula interfacial formada estabiliza la emulsioacuten debido a que
Aumenta la tensioacuten interfacial Por lo general para emulsiones de crudo la tensioacuten
interfacial se encuentra en el intervalo de 30 a 36 mN m-1 Asiacute mismo la presencia
de sales aumenta la tensioacuten interfacial
Forma una barrera viscosa que inhibe la coalescencia de las gotas
Si el surfactante o partiacutecula adsorbida en la interfase es polar su carga eleacutectrica
provoca que se repelan unas gotas de otras
Otro mecanismo de estabilizacioacuten ocurre cuando los emulsionantes son partiacuteculas soacutelidas
muy finas Para ser agentes emulsionantes las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes pequentildeas que
las gotas suspendidas y deben ser mojadas por el aceite y el agua Luego estas finas partiacuteculas
soacutelidas o coloides (usualmente con surfactantes adheridos a su superficie) se colectan en la
superficie de la gota y forman una barrera fiacutesica Algunos de estos soacutelidos son el sulfuro de
hierro y la arcilla [14]
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacuten
La estabilidad y rompimiento de una emulsioacuten depende de varios factores
Tensioacuten interfacial Una reduccioacuten de la tensioacuten interfacial no aumenta la estabilidad
de la emulsioacuten Se ha encontrado que los sistemas de tensioacuten ultrabaja producen
emulsiones inestables
Viscosidad de la fase externa Una viscosidad alta en la fase externa disminuye el
coeficiente de difusioacuten y la frecuencia de colisioacuten de las gotas por lo que se
incrementa la estabilidad de la emulsioacuten Una alta concentracioacuten de las gotas tambieacuten
incrementa la viscosidad aparente de la fase continua y estabiliza la emulsioacuten Este
efecto puede ser minimizado calentando la emulsioacuten
Tamantildeo de la gota Gotas muy pequentildeas menores de 10 microm generalmente producen
emulsiones maacutes estables Una amplia distribucioacuten de tamantildeos de partiacuteculas resulta en
general en una emulsioacuten menos estable
43
Relacioacuten de volumen de fases Incrementando el volumen de la fase dispersa se
incrementa el nuacutemero de gotas yo tamantildeo de gotas y el aacuterea interfacial La distancia
de separacioacuten se reduce y esto aumenta la probabilidad de colisioacuten de las gotas Todos
estos factores reducen la estabilidad de la emulsioacuten
Temperatura Usualmente la temperatura tiene un efecto muy fuerte en la estabilidad
de la emulsioacuten Incrementando la temperatura se reduce la adsorcioacuten de surfactantes
naturales y disminuye la viscosidad de la fase externa la rigidez de la peliacutecula
interfacial y la tensioacuten superficial Todos estos cambios reducen la estabilidad de la
emulsioacuten
pH La adicioacuten de aacutecidos o bases inorgaacutenicos cambia radicalmente la formacioacuten de
peliacuteculas de asfaltenos y resinas que estabilizan las emulsiones agua-aceite
Envejecimiento de la interfase A medida que la interfase envejece la adsorcioacuten de
los surfactantes se completa y debido a las interacciones laterales entre las moleacuteculas
aumenta la rigidez de la peliacutecula hasta un valor estable en unas 3 o 4 horas Esta
peliacutecula o piel alrededor de la gota llega a ser maacutes gruesa maacutes fuerte y maacutes dura
Ademaacutes la cantidad de agentes emulsionantes se incrementa por oxidacioacuten fotoacutelisis
evaporacioacuten o por la accioacuten de bacterias
Salinidad de la salmuera La salinidad de la salmuera es un factor importante en la
formacioacuten de emulsiones estables Agua fresca o salmuera con baja concentracioacuten de
sal favorecen la estabilidad de las emulsiones Por el contrario altas concentraciones
de sal tienden a reducirla
Tipo de aceite Los crudos de base parafiacutenica usualmente no forman emulsiones
estables mientras que los crudos nafteacutenicos y de base mixta forman emulsiones
estables Ceras resinas asfaltenos y otros soacutelidos pueden influenciar la estabilidad
de la emulsioacuten En otras palabras el tipo de crudo determina la cantidad y tipo de
emulsionantes naturales
Diferencia de densidad La fuerza neta de gravedad que actuacutea en una gota es
directamente proporcional a la diferencia en densidades entre la gota y la fase
continua Aumentando la diferencia de densidad por incremento de la temperatura se
logra aumentar la velocidad de sedimentacioacuten de las gotas y por ende se acelera la
coalescencia
44
Capiacutetulo II
Metodologiacutea
45
La metodologiacutea usada en este proyecto se ilustra en la figura 21 la cual abarca desde la
preparacioacuten de las rocas carbonatadas hasta las pruebas de dispersioacuten de luz dinaacutemica y
potencial zeta con las cuales se concluyoacute este trabajo
Figura 21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyecto
Preparacioacuten de rocas carbonatadas (Pulido)
Caracterizacioacuten de las rocas carbonatadas por Espectroscopiacutea FTIR UV-vis SEMEDX
Preparacioacuten de emulsioacuten WO (7030) aplicando 500 y 800 mg L-1
de S(I) y S(II)
Imbibicioacuten espontaacutenea de roca de yacimiento
Pruebas tensiometricas de crudo emulsionado sobre roca
(Metodo de gota seacutesil)
Extraccioacuten de asfaltenos
Impregnacioacuten y caracterizacioacuten de asfaltenos sobre roca carbonatada
DLS de roca impreganada de asfaltenos
Potencial Zeta de roca impregnada de asfaltenos
46
21 Reactivos utilizados en el proyecto
En la tabla 21 se enlistan los reactivos utilizados en el desarrollo del proyecto
Tabla 21 Reactivos empleados en el proyecto
Reactivo Pureza Marca CAS
Acetona 999 Sigma-Aldrich 67-64-1
Heptano 95 Sigma-Aldrich 142-82-5
Tolueno 999 Sigma-Aldrich 108-99-3
Ciclohexano 99 Sigma-Aldrich 110-82-7
Nitrato de sodio 99 Sigma-Aldrich 7631-99-4
Cloruro de Sodio 99 Sigma-Aldrich 7647-14-5
Carbonato de calcio 99 Sigma-Aldrich 471-34-1
Sulfato de Magnesio 995 Sigma-Aldrich 7487-88-9
Agua desionizada 995 Sigma-Aldrich 7732-18-5
En la tabla 22 se muestran la nomenclatura de los surfactantes empleados en la
experimentacioacuten los cuales son de naturaleza catioacutenica debido a la propiedad de absorberse
sobre sustratos cargados negativamente
Tabla 22 Surfactantes utilizados en la experimentacioacuten
22 Sistemas de estudio
Clave Nombre surfactante Estructura
S1
P-toluensulfonato de 1-
metil-3-hexilimidazolio
[1M3HIMPTSO3]
S2
Cloruro de 1-metil-3-etil-
p-toluensulfonilimidazolio
[1M3EPTSO3IMCl]
CH3
N
N+
CH3
CH3
S
O
O
O-
CH3S
O
O
O
CH3
N
N+
Cl-
47
221 Agua congeacutenita
Se obtuvo una muestra de agua congeacutenita del petroacuteleo Aguacate 72 la cual fue proporcionada
por el Instituto Mexicano del Petroacuteleo Dicha muestra fue caracterizada por Espectroscopiacutea
de infrarrojo de Fourier con la finalidad de conocer los grupos funcionales presentes en la
misma
221 Salmuera
Se preparoacute a partir de una mezcla de 3 sales caracteriacutesticas de cualquier salmuera natural en
la siguiente proporcioacuten 30 de carbonato de calcio (CaCO3) 50 de cloruro de sodio
(NaCl) y 20 de sulfato de magnesio (MgSO4) Tomando como referencia 100 mL se pesoacute
1 gramo de mezcla de sales y se diluyoacute en agua desionizada posteriormente se realizaron
diluciones hasta obtener una concentracioacuten de 100 mg L-1
222 Extraccioacuten de asfaltenos
Se pesaron 10 g de crudo y se disolvieron en 40 mL de heptano posteriormente se aplicoacute
agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas Tras este periodo se dejoacute en reposo el sistema durante
24 horas Finalmente la solucioacuten se filtroacute aplicando vaciacuteo y exceso de heptano para arrastrar
los restos de compuestos no asfalteacutenicos contenidos en el producto
223 Impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada
Se preparoacute una muestra con la siguiente proporcioacuten 15 g de asfaltenos (30) y 35 g de
roca carbonatada (70) los cuales fueron agregados a 50 mL de Ciclohexano contenidos en
un matraz como se muestra en la figura 22 Se realizoacute agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas
posteriormente se realizoacute una filtracioacuten a vaciacuteo El producto obtenido se secoacute en una estufa a
100degC con un tiempo de secado de 24 horas
48
Figura 22 Muestra de roca carbonatada y asfaltenos
23 Disentildeo de experimentos
Se prepararon emulsiones con una proporcioacuten de 7030 (WO donde W corresponde al agua
siendo en nuestro caso de estudio agua congeacutenita oacute salmuera y O corresponde al crudo)
utilizando crudo Aguacate del pozo 72 manejando 10 g totales de muestra los cuales fueron
depositados en recipientes de plaacutestico de 20 mL ademaacutes de ser sometidas a agitacioacuten
continua con una espaacutetula por 20 minutos con el fin de formar la emulsioacuten
El petroacuteleo utilizado en el proyecto tiene las siguientes caracteriacutesticas
Densidad 09696 g cm-3
1440 grados API
2166 Saturados 3057 Aromaacuteticos 2435 Resinas y 2341 Asfaltenos
El disentildeo experimental es presentado en la tabla 23 se trabajoacute con 2 diferentes surfactantes
(S2 y S3) y estos se agregaron a las diferentes emulsiones WO usando concentraciones de
500 mg L-1 y 800 mg L-1 realizaacutendose micrografiacuteas de las emulsiones antes y despueacutes de
agregar el surfactante posteriormente se realizoacute el anaacutelisis tensiomeacutetrico de cada emulsioacuten
finalizando con el estudio dispersivo de los asfaltenos por Dispersioacuten de Luz dinaacutemica (DLS)
y Potencial Zeta
49
Tabla 23 Disentildeo de experimentos
Experimento Q1 O1 SX C(mg L-1)
Roca Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Experimento Q1 O1 SX C(ppm)
Roca Impregnada Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
50
24 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
241 Espectroscopiacutea de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)
Las teacutecnicas espectroscoacutepicas se fundamentan en la interaccioacuten de la materia con la
radiacioacuten Esta interaccioacuten provoca procesos como la absorcioacuten o la difusioacuten (scattering)
Cuando una moleacutecula absorbe o emite un fotoacuten su estado energeacutetico cambia En general
este cambio se manifiesta como una variacioacuten en la energiacutea traslacional de la moleacutecula y
como una modificacioacuten en su estado electroacutenico vibracional o rotacional Como las energiacuteas
asociadas a cada uno de estos cambios son muy diferentes cada uno de estos procesos se
puede tratar de manera independiente Exceptuando los cambios traslacionales los estados
energeacuteticos de las moleacuteculas estaacuten cuantizados consecuentemente los procesos de absorcioacuten
y emisioacuten soacutelo pueden darse a determinadas frecuencias de los fotones Para cada moleacutecula
dada su espectro de adsorcioacutenemisioacuten constituye una huella de la misma Las absorciones
que se producen en la regioacuten espectral del infrarrojo involucran energiacuteas mucho maacutes
pequentildeas comparadas con las energiacuteas de absorcioacuten relacionadas con la estructura electroacutenica
de la moleacutecula (ultravioleta y visible)
Sin embargo no todas las vibraciones yo rotaciones producen una absorcioacuten de radiacioacuten
incidente Soacutelo los modos vibracionales y rotacionales de moleacuteculas con momento bipolar
diferente de cero o bien aquellos modos que induzcan un momento diferente de cero en la
moleacutecula son activos al infrarrojo Para que exista un espectro rotacional activo en el
infrarrojo se requiere que la moleacutecula sea polar mientras que para tener un espectro
vibracional activo en el infrarrojo basta que el movimiento vibracional de los aacutetomos de la
moleacutecula induzca un momento bipolar no nulo [28]
En un interferoacutemetro Michelson el haz de radiacioacuten que viene de la fuente se divide mediante
un espejo semipermeable (beamsplitter) en dos haces parciales que se reflejan en sendos
espejos uno fijo y otro moacutevil vuelven al beamsplitter y se recombinan en interferencia Un
desplazamiento del espejo moacutevil cambia el camino oacuteptico en ese brazo del interferoacutemetro
51
introduciendo una diferencia de fase entre los haces y por tanto un cambio en la amplitud de
la interferencia La intensidad de sentildeal que llega al detector tras atravesar la muestra
representada como funcioacuten de la diferencia en la trayectoria de ambos haces (retardo) es lo
que se llama interferograma Con una radiacioacuten monocromaacutetica se obtiene una sentildeal coseno
que en el caso de caminos oacutepticos ideacutenticos en ambos brazos proporciona una interferencia
constructiva sin diferencia de fase entre los haces y por tanto una intensidad maacutexima El
resultado es un interferograma (intensidad en funcioacuten del tiempo) la cual se convierte viacutea un
algoritmo matemaacutetico (transformada de Fourier) en un diagrama de Intensidad en funcioacuten de
la frecuencia (espectro)
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro FTIR de marca Perkin Elmer Spectrum One donde se
analizoacute la roca carbonatada de yacimiento Para la identificacioacuten de los grupos funcionales
se trabajoacute con un intervalo espectral de 4000 a 380 cm-1 utilizando 12 barridos
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)
El espectro Ultravioleta y Visible de las moleacuteculas estaacute asociado a transiciones electroacutenicas
entre los diferentes niveles energeacuteticos en ciertos grupos o aacutetomos de la moleacutecula En
contraste la absorcioacuten de energiacutea en la regioacuten Infrarroja estimulan la moleacutecula completa y
causa cambios vibracionales y rotacionales en esta lo cual caracteriza la entidad estructural
de dicha moleacutecula Los grupos de aacutetomos que dan origen a la absorcioacuten en el UV cercano o
UV de cuarzo se conocen como grupos cromoacuteforos La mayoriacutea de los grupos insaturados y
heteroatoacutemicos que tienen pares de electrones no compartidos son cromoacuteforos potenciales y
estos grupos son la base de la elucidacioacuten de grupos estructurales en las moleacuteculas activas en
el UV cercano
Cuando dos aacutetomos forman un enlace quiacutemico los orbitales atoacutemicos de cada uno de ellos
se combinan para formar dos orbitales moleculares uno de baja energiacutea que es el orbital
enlazante y otro de energiacutea mayor que es el orbital antienlazante Los enlaces covalentes que
se originan entre los orbitales de dos aacutetomos que se enlazan quiacutemicamente pueden ser de dos
tipos y se conocen como enlaces σ y enlaces π
52
Al efectuarse dicho enlace covalente se forman simultaacuteneamente orbitales antienlazantes σ
en el caso de un orbital molecular enlazante σ y π en el caso de un orbital molecular
enlazante p La absorcioacuten de energiacutea radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones
σ oacute π resulta en la excitacioacuten de eacutestos los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales
antienlazantes La absorcioacuten de radiacioacuten Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas
transiciones
Un espectro ultravioleta-visible es esencialmente un graacutefico de absorbancia de luz frente a
una longitud de onda en el rango del ultravioleta o la luz visible para una determinada
sustancia puede hacerse un graacutefico estaacutendar del coeficiente de extincioacuten (ε) frente a la
longitud de onda (λ) Las longitudes de onda de los picos de absorcioacuten pueden
correlacionarse con los tipos de enlace en una determinada moleacutecula y son valiosos para
determinar los grupos funcionales dentro de la moleacutecula La absorcioacuten UV-Vis no es sin
embargo una prueba especiacutefica para ninguacuten compuesto determinado La naturaleza del
disolvente el pH de la solucioacuten la temperatura la concentracioacuten de electrolitos y la
presencia de sustancias interferentes pueden influir en los espectros de absorcioacuten de los
compuestos asiacute como las variaciones de ancho de banda [29]
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro UV-vis de marca Cintral 303 GBC en donde se analizaron
los compuestos sintetizados Para la identificacioacuten de los grupos funcionales se trabajoacute con
una celda de 10 mm de espesor en un intervalo espectral de 800 a 200 nm Se preparoacute una
solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano a una concentracioacuten de 100 mg L-1 asiacute como
soluciones de roca impregnada de crudo en ciclohexano a diferentes concentraciones (100
50 30 20 10 5 3 y 1 mg L-1)
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
El Microscopio electroacutenico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscopy) es una
teacutecnica que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen
ampliada de la superficie de un objeto Es un instrumento que permite la observacioacuten y
caracterizacioacuten superficial de soacutelidos inorgaacutenicos y orgaacutenicos Tiene una gran profundidad
53
de campo la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra Eacutesta teacutecnica
brinda informacioacuten topograacutefica sobre la superficie de material analizado y el anaacutelisis EDX
proporciona informacioacuten sobre su composicioacuten quiacutemica [30]
Esta teacutecnica esencialmente consiste en hacer incidir en la muestra un haz de electrones Este
bombardeo de electrones provoca la aparicioacuten de diferentes sentildeales que captadas con
detectores adecuados nos proporcionan informacioacuten acerca de la naturaleza de la muestra
La sentildeal de electrones secundarios proporciona una imagen de la morfologiacutea superficial de
la muestra La sentildeal de los electrones retrodispersados muestra una imagen cualitativa de
zonas con distinto nuacutemero atoacutemico medio y la sentildeal de rayos X presenta los espectros e
imaacutegenes acerca de la composicioacuten de elementos quiacutemicos en la muestra
25 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten espontaacutenea de la fase mojante sobre la superficie de una roca consiste en la
absorcioacuten de la misma en su superficie tan pronto como existe contacto entre dicha fase y el
soacutelido sin requerirse de la accioacuten de un trabajo externo para realizarse lo cual tambieacuten se
conoce como la succioacuten capilar de esta fase en el medio poroso es decir es un proceso que
consiste en el ingreso de la fase mojante en los poros de la roca por efecto de las fuerzas
capilares [10]
En este proceso se utiliza una Celda de Amott el cual es un contenedor ciliacutendrico conceacutentrico
de vidrio en cuya parte central se colocan el material que seraacute saturado por la fase mojante
y en la capucha externa se introduce liacutequido refrigerante para mantener la temperatura
constante dentro de la celda
Para la experimentacioacuten se utilizaron 3 rocas carbonatadas que fueron introducidas en una
celda de Amott de 500 mL Posteriormente se llenoacute la parte interna de la celda con petroacuteleo
crudo y la capucha externa con refrigerante La celda se colocoacute en un bantildeo de aceite a 65degC
durante 7 diacuteas En la figura 23 se observa el montaje del equipo para el proceso de
imbibicioacuten
54
Figura 23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacuten
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
Este meacutetodo experimental es usado para determinar el aacutengulo de contacto existente en un
sistema bifaacutesico Consiste en la colocacioacuten de una gota sobre una superficie soacutelida
posteriormente el equipo realiza el caacutelculo de paraacutemetros propios de la gota como radio y
diaacutemetro los cuales son fundamentales sustituidos en las ecuaciones de tensioacuten superficial
[10]
Para la experimentacioacuten se emplearon 8 rocas carbonatadas de yacimiento las cuales fueron
previamente pulidas para generar una superficie lisa obseacutervese la figura 24 Posteriormente
se colocoacute la emulsioacuten preparada en la jeringa para estudio tensiomeacutetrico por accioacuten
gravitacional el fluido descendioacute provocando la formacioacuten de una gota la cual se fija en la
roca La caacutemara del tensioacutemetro detecta el aacutengulo y la forma de la gota asiacute como su
deformacioacuten con el paso del tiempo
55
Figura 24 Roca carbonatada previamente pulida
Asiacute mismo se realizoacute la medicioacuten del aacutengulo de contacto para las rocas imbibidas en crudo
(figura 25) soacutelo difiriendo en la fase mojante la cual se trataba en un primer experimento
de la salmuera o del agua congeacutenita y posteriormente se adicionaron los dos surfactantes a
500 y 800 mg L-1
Figura 25 Roca carbonatada imbibida de petroacuteleo
Se utilizoacute un tensioacutemetro de la marca Attension modelo Theta Lite 101 (figura 26) en donde
se analizaron los sistemas de estudio mencionados anteriormente empleando el meacutetodo de
gota seacutesil
Figura 26 Tensioacutemetro Attension Theta Lite 101
56
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemica
La dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS) a la que a veces se hace referencia como dispersioacuten de
luz cuasi elaacutestica (QELS) es una teacutecnica no invasiva y bien establecida para medir el tamantildeo
y distribucioacuten de tamantildeo de moleacuteculas partiacuteculas y agregados tiacutepicamente en la regioacuten
submicromeacutetrica y con la uacuteltima tecnologiacutea inferiores a 1 μm
Las aplicaciones tiacutepicas de la dispersioacuten de luz dinaacutemica son la caracterizacioacuten de partiacuteculas
emulsiones o moleacuteculas que se han dispersado o disuelto en un liacutequido El movimiento
Browniano de las partiacuteculas o moleacuteculas en suspensioacuten hace que la luz laacuteser se disperse en
diferentes intensidades [31] Con el anaacutelisis de estas fluctuaciones en la intensidad se obtiene
la velocidad del movimiento Browniano y por lo tanto del tamantildeo de partiacutecula mediante la
relacioacuten de Stokes-Einstein (figura 27)
Figura 27 Diagrama de funcionamiento de Dispersioacuten de luz dinaacutemica
A diferencia de la dispersioacuten de luz estaacutetica para determinar el tamantildeo de las partiacuteculas y
agregados la dispersioacuten de luz dinaacutemica no tiene en cuenta la dependencia del aacutengulo sino
la variacioacuten de la intensidad de dispersioacuten en el tiempo debido a la aglomeracioacuten de las
partiacuteculas con respecto al tiempo teniendo un efecto de sedimentacioacuten que provoca un
caacutelculo erroacuteneo de la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
Esta teacutecnica fisicoquiacutemica se utiliza para determinar el perfil de distribucioacuten de tamantildeos de
partiacuteculas pequentildeas en suspensioacuten mediante una fuente monocromaacutetica que pasa a traveacutes de
un polarizador y la muestra La luz dispersada pasa posteriormente a traveacutes de un segundo
57
polarizador donde es recogido por un fotomultiplicador y se obtiene una intensidad de
dispersioacuten determinada [32]
Para la experimentacioacuten se preparoacute la solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano con una
concentracioacuten de 100 mg L-1 se llevoacute a sonicacioacuten durante 15 minutos posteriormente se
colocaron 3 mL de la muestra en la celda y se realizoacute su anaacutelisis Asiacute mismo se estudiaron
las soluciones de roca impregnada en ciclohexano y la aplicacioacuten de los surfactantes sobre
las mismas a 500 y 800 mg L-1
Se utilizoacute un equipo de la marca Malvern modelo Zetasizer en donde se analizaron los
sistemas de estudio mencionados anteriormente
28 Potencial Zeta
El potencial zeta es una propiedad que mide el potencial electrocineacutetico en sistemas
coloidales en la quiacutemica coloidal se denota por lo general con la letra griega zeta Desde un
punto de vista fiacutesico el potencial zeta es el potencial eleacutectrico en la doble capa interfacial es
decir que es el punto donde se unen la capa difusa y la de Stern Tambieacuten el potencial zeta es
la diferencia de potencial entre el medio de dispersioacuten y la capa estacionaria unido a la
partiacutecula dispersada []
Las partiacuteculas coloidales dispersas en una solucioacuten estaacuten cargadas eleacutectricamente gracias a
sus caracteriacutesticas ioacutenicas y de bipolaridad El desarrollo de una red de carga eleacutectrica en la
superficie de la partiacutecula puede afectar la distribucioacuten de iones en una regioacuten interfacial
vecina y provocar un aumento de la concentracioacuten de iones contados (iones de carga
contraria a las partiacuteculas) cerca de la superficie tal como se muestra en la figura 27
58
Figura 27 Interacciones entre las partiacuteculas tras la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica [33]
Cada partiacutecula dispersa en una solucioacuten se rodea de iones cargados con carga opuesta que se
denomina capa fija Fuera de esta capa fija existen distintas composiciones de iones de
polaridad opuesta formando un aacuterea nebulosa De esta manera se crea una capa doble
eleacutectrica en la regioacuten de interfase partiacutecula- liacutequido
La medida del Potencial Z permite caracterizar y predecir el comportamiento de soacutelidos
macroscoacutepicos y de partiacuteculas en suspensiones liacutequidas en multitud de aplicaciones teacutecnicas
En suspensiones liacutequidas el Potencial Z es una medida de la atraccioacutenrepulsioacuten entre
partiacuteculas cargadas electrostaacuteticamente permitiendo estudiar la estabilidad de dispersiones
emulsiones suspensiones proteiacutenas poliacutemeros etc
En soacutelidos macroscoacutepicos es una propiedad importante de interfaces soacutelidoliacutequido cargadas
eleacutectricamente siendo un indicador de la carga superficial de un soacutelido en contacto con un
electrolito Esto permite estudiar las caracteriacutesticas y funcionalizacioacuten de superficies
Este anaacutelisis se realizoacute con un equipo de marca Malvern modelo ZetaSizer Se estudiaron
los sistemas Roca carbonatada roca impregnada de crudo asiacute como la aplicacioacuten de los
surfactantes a 500 y 800 mg L-1 utilizando como electrolito indiferente nitrato de sodio
01mM el cual permite la desestabilizacioacuten del coloide con la finalidad de que la corriente
eleacutectrica pase por todas las partiacuteculas y se obtenga una medicioacuten correcta del anaacutelisis Asiacute
mismo se varioacute el pH del sistema de 1 a 7 utilizando HCl 01 M y NaOH 01 M para
observar el efecto dispersivo de las partiacuteculas de roca
59
Capiacutetulo III
Resultados
31 Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenos
60
Se realizaron 3 extracciones de asfaltenos utilizando 10 mL de petroacuteleo en cada una se
obtuvieron entre 14182 g y 16875 g de asfaltenos lo cual representa un porcentaje de
recuperacioacuten en 1418 y 1675 El producto obtenido teniacutea una tonalidad oscura lo anterior
se observa en la figura 31
Figura 31 Asfaltenos obtenidos tras extraccioacuten
Asiacute mismo se realizoacute el procesos de impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada por
triplicado de los cuales se obtuvieron entre 169 g y 189 g de roca impregnada que
representa una recuperacioacuten entre 338 y 378 El producto teniacutea una tonalidad cafeacute oscura
lo anterior se observa en la figura 32
Figura 32 Roca impregnada de asfaltenos
32 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con transformada de Fourier
61
La elucidacioacuten de los espectros de FTIR se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura [35] indica que el carbonato de
calcio presenta sentildeales caracteriacutesticas de sus grupos funcionales tales como CO3 Ca-C y C-
O y Ca-CO3
321 Espectro FTIR de roca carbonatada
El espectro FTIR de la roca carbonatada se muestra en la figura 33 en el que se observa el
estiramiento del enlace Ca-C en 2513 cm-1 sentildeal caracteriacutestica del compuesto CaCO3 el
estiramiento de C-O en 1480 cm-1 y las vibraciones particulares del grupo CO3 en 714 y 877
cm-1 Estas sentildeales dan certeza de que el compuesto analizado es una roca de carbonato de
calcio
Figura 33 Espectro FTIR de roca carbonatada
62
322 Espectro de roca impregnada de asfaltenos
El espectro FTIR de la roca impregnada se muestra en la figura 34 en el que se observa el
estiramiento del enlace O-H en 3300 cm-1 las vibraciones simeacutetricas y asimeacutetricas de C-H
en 2988 y 2875 cm-1 la absorcioacuten energeacutetica del enlace C-H en 1625 cm-1 las flexiones de
los compuestos aromaacuteticos entre 1100 y 1500 cm-1 asiacute como la deformacioacuten noplanar del
anillo benceacutenico entre 700 y 900 cm-1 Estas sentildeales confirman la impregnacioacuten de asfaltenos
teniendo como principal diferencia frente a la roca carbonatada las flexiones y vibraciones
de los enlaces C-H y de los anillos aromaacuteticos presentes en la estructura asfalteacutenica teoacuterica
Figura 34 Espectro FTIR de roca impregnada de asfaltenos
63
33 Espectroscopia ultravioleta visible (UV-vis)
La elucidacioacuten de los espectros de UV-vis se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura indica la presencia de grupos
benceacutenicos y nafteacutenico en las estructuras quiacutemicas de los asfaltenos los cuales son
caracteriacutesticos de los mismos [29]
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada y roca impregnada
El espectro UV-vis de la roca carbonatada no presenta ninguna banda significativa esto se
debe principalmente a la ausencia de dobles y triples enlaces los cuales son sumamente
caracteriacutesticos en longitudes de 200 a 600 nm El espectro UV-vis de la roca impregnada
(figura 35) muestra 4 sentildeales las dos primeras retribuidas a los grupos benceacutenicos a 226 y
250 nm la tercera y cuarta a los grupos nafteacutenicos a 263 y 270 nm estructuras quiacutemicas
presentes en los asfaltenos
Se realizaron 6 experimentos iniciando con la roca carbonatada posteriormente la
evaluacioacuten de la roca impregnada de asfaltenos (RASF) variando la concentracioacuten de roca
(10 5 3 1 05 mg L-1)
Los espectros muestran desdoblamiento en las bandas debido al cambio electroacutenico en los
enlaces sigma y pi presentes en los ciclos aromaacuteticos Se observa el efecto de la concentracioacuten
de roca impregnada a 05 y 1 mg L-1 se tienen bandas maacutes definidas y caracteriacutesticas de los
asfaltenos a concentraciones mayores a lo anterior se enmascaran estas sentildeales debido a la
saturacioacuten de las partiacuteculas de roca impregnada en las muestra Lo anterior hace imposible
para el equipo la identificacioacuten precisa de los grupos funcionales caracteriacutesticos de la misma
64
Figura 35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnada
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
Esta teacutecnica se realizoacute con la finalidad de observar el tamantildeo y la forma de las partiacuteculas de
roca carbonatada asiacute como la composicioacuten elemental de la misma Se observa un
comportamiento de agregacioacuten entre las partiacuteculas por lo que se puede deducir un tamantildeo
entre 100 y 400 nm Con el anaacutelisis elemental del EDX se comproboacute la naturaleza de la roca
la cual estaacute formada de carbonato de calcio La literatura [36] indica las sentildeales caracteriacutesticas
de este compuesto el carbono con una sentildeal en 028 keV el oxiacutegeno en 053 keV y el calcio
con dos picos en 369 y 401 keV y de partiacuteculas nanomeacutetricas de forma esfeacutericas lo anterior
esto se puede observar en la figura 36
65
36 Anaacutelisis SEMEDS de roca carbonatada
35 Imbibicioacuten espontaacutenea
Se obtuvieron las rocas imbibidas tras un proceso de 7 diacuteas [37] y se pesaron para conocer la
cantidad de crudo absorbido dentro de su estructura porosa Asiacute mismo se fracturaron las
rocas para comprobar la presencia del hidrocarburo dentro de la roca lo cual se observa en
la figura 37 En la tabla 31 se muestra la masa inicial y final de la roca asiacute como el
porcentaje de masa absorbida de crudo teniendo porcentajes entre 4 y 5
66
Figura 37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudo
Tabla 31 Resultados de rocas imbibidas
Muestra Masa Inicial (g) Masa Final (g)
1 103315 108098 46295
2 92475 96736 46077
36 Anaacutelisis del aacutengulo de contacto del crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
La medicioacuten del aacutengulo de contacto de diferentes sistemas de estudio aporta informacioacuten
sobre la interaccioacuten entre las interfaces soacutelidas y liquidas el comportamiento de un fluido
sobre una superficie asiacute como la variacioacuten de la misma con la aplicacioacuten de un agente en
este caso un surfactante
361 Roca no imbibida
Se colocaron los disolventes empleados en la experimentacioacuten variado uacutenicamente los
surfactantes y la concentracioacuten de los mismos En la figura 38 se muestra el aacutengulo de
contacto de la salmuera sobre la roca se observa que con la aplicacioacuten de los surfactantes
este aacutengulo disminuye deduciendo un aumento en la afinidad entre la roca y el disolvente
[38] Lo anterior se debe principalmente al aumento de la concentracioacuten de iones provocando
un efecto de pantalla que reduce las repulsiones electrostaacuteticas entre las moleacuteculas anfifiacutelicas
67
facilitando la formacioacuten de micelas en el sistema y asiacute aumentando la mojabilidad de la
salmuera obseacutervese en tabla 32
Figura 38 Angulo de contacto de la salmuera
Tabla 32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio
El efecto de las sales presentes en el agua congeacutenita en la formacioacuten micelar (figura 39)
propicia un incremento en la mojabilidad con la aplicacioacuten del surfactante lo cual se muestra
en la tabla 33
Figura 39 Angulo de contacto del agua congeacutenita
Tabla 33 Aacutengulos de contacto del agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio
68
Del mismo modo se colocaron sobre la superficie de la roca los diferentes sistemas de estudio
(emulsiones) los cuales variaban en el tipo de surfactante la concentracioacuten y el tipo de
disolvente empleado El aacutengulo de contacto del petroacuteleo se muestra en la figura 310
Figura 310 Angulo de contacto del petroacuteleo
Con una concentracioacuten de 500 mg L-1 de surfactante (tabla 34) se observa una disminucioacuten
del aacutengulo de contacto de la emulsioacuten lo anterior se atribuye al efecto de las cabezas
catioacutenicas sobre los agregados asfalteacutenicos los cuales son dispersados provocando una
mayor interaccioacuten con la roca y aumentando la mojabilidad sobre la misma
Tabla 34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 mg L-1
69
Con una concentracioacuten de 800 mg L-1 de surfactante (tabla 35) se observa un efecto similar
al sistema de estudio anterior un decremento del aacutengulo de contacto atribuido al efecto
pantalla de las sales de los disolvente en la concentracioacuten micelar dispersando los agregados
asfalteacutenicos y de esta forma aumentando la mojabilidad del sistema sobre la roca
carbonatada
Tabla 35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 mg L-1
362 Roca imbibida por petroacuteleo
70
Se colocaron los sistemas de estudio (salmuera y agua congeacutenita) sobre la roca impregnada
de crudo se observoacute una disminucioacuten en el aacutengulo de contacto menor que el estudio sobre
la roca carbonatada Lo anterior se debe a la alta hidrofobicidad de la superficie de la roca
la cual estaba impregnada en su totalidad de hidrocarburo y que aun con la aplicacioacuten de los
surfactantes se repelioacute el efecto de las cabezas catioacutenicas teniendo como consecuencia el
decremento del aacutengulo de contacto Las tablas 36 y 37 muestran los aacutengulos de contacto
tras la aplicacioacuten del surfactante
Tabla 36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 mg L-1
Tabla 37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 800 mg L-1
71
En la Tabla 38 se presentan los resultados del caacutelculo de tensioacuten interfacial y mojabilidad
los cuales son paraacutemetros que describen el comportamiento de las fuerzas intermoleculares
en la interfase soacutelido-liacutequido
Tabla 38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio
Fase soacutelida
Fase liacutequida
Surfactante (Sx)
Concentracioacuten (mg L-1)
Aacutengulo de
contacto ϴ
(deg)
Tensioacuten interfacial γ (dina cm-1)
Mojabilidad W
Roca carb Salmuera 8149 576 661
Roca carb Salmuera S1 500 5539 518 812
Roca carb Salmuera S1 800 5173 537 869
Roca carb Salmuera S2 500 4549 441 827
Roca carb Salmuera S2 800 4242 557 856
Roca Imb Salmuera S1 500 6956 421 566
Roca Imb Salmuera S1 800 6957 451 606
Roca Imb Salmuera S2 500 6681 472 657
Roca Imb Salmuera S2 800 7408 549 699
Roca carb Agua Cong 7391 528 674
Roca carb Agua Cong S1 500 4785 431 72
Roca carb Agua Cong S1 800 4069 446 784
Roca carb Agua Cong S2 500 4809 439 732
Roca carb Agua Cong S2 800 3327 42 771
Roca Imb Agua Cong S1 500 7456 525 664
Roca Imb Agua Cong S1 800 6575 494 696
Roca Imb Agua Cong S2 500 765 472 581
Roca Imb Agua Cong S2 800 6788 483 664
Roca carb Petroacuteleo 11177 838 536
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 500 8313 582 651
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 800 936 605 567
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 500 9088 652 641
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 800 8645 629 667
Roca carb Emulsioacuten AC S1 500 10289 815 641
Roca carb Emulsioacuten AC S1 800 9562 698 629
Roca carb Emulsioacuten AC S2 500 9846 782 666
Roca carb Emulsioacuten AC S2 800 9056 675 668
En los diferentes anaacutelisis sobre roca carbonatada con la aplicacioacuten de surfactantes en
salmuera o agua congeacutenita se observa una disminucioacuten del aacutengulo de contacto lo que implica
una menor tensioacuten en la interfase soacutelido-liacutequido obteniendo mayor mojabilidad en cada uno
de los sistemas Lo anterior se basa principalmente en el efecto dispersivo de los surfactantes
72
sobre las agregaciones asfalteacutenicas siendo las cabezas catioacutenicas las responsables de evitar
la apilacioacuten de los asfaltenos y disgregaacutendolas por todo el sistema
Asiacute mismo se observa el efecto de la concentracioacuten de los surfactantes en los diferentes
sistemas de estudio obteniendo menor tensioacuten interfacial a una concentracioacuten de 500 mgL-1
debido a la saturacioacuten ideal del aditivo en la muestra
37 Dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS)
Con el anaacutelisis DLS se estudioacute la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
y la roca impregnada asiacute como el efecto de los surfactantes en el sistema de estudio En la
figura 311 se muestra la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
(unimodal 1496 nm) a su vez en la figura 312 se observa la distribucioacuten de la roca
impregnada (unimodal 4063 nm) Posteriormente con la aplicacioacuten de los surfactantes se
comproboacute la disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula con S1 (unimodal 219 nm) y S2 (
unimodal 282 nm) Lo anterior se atribuye al efecto de los surfactantes sobre la superficie
impregnada que al entrar en contacto con los agregados asfalteacutenicos se generoacute la dispersioacuten
de los mismos disminuyendo de esta forma el tamantildeo de la partiacutecula [32] Ambos surfactantes
facilitan la dispersioacuten de los asfaltenos que recubren la superficie de la partiacutecula provocando
la reduccioacuten en el tamantildeo de la misma obseacutervese figs 313 y 314
Figura 311 Anaacutelisis DLS de roca carbonatada
73
Figura 312 Anaacutelisis DLS de roca impregnada
Figura 313 Anaacutelisis DLS de roca impregnada aplicando S3
Figura 314 DLS de roca impregnada aplicando S4
74
La disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de las rocas impregnadas se asocia al efecto
dispersivo de los surfactantes mencionado en las pruebas tensiomeacutetricas donde las parte
catioacutenica del compuesto inhibe la aglomeracioacuten de las moleacuteculas asfalteacutenicas provocando
no solo el cambio de la mojabilidad del sistema de estudio si no tambieacuten la disgregacioacuten de
los asfaltenos encontrados en la superficie de la roca carbonatada por tanto un decrecimiento
en la distribucioacuten de tamantildeo partiacutecula en la roca impregnada
38 Potencial Zeta
Con el anaacutelisis de potencial zeta se observoacute las fuerzas de atraccioacuten yo repulsioacuten de cada
sistema de estudio La literatura indica que en todo sistema en suspensioacuten coloidal existe un
equilibrio entre las fuerzas de repulsioacuten y las fuerzas de atraccioacuten molecular (Van del Waals)
resultando la aglomeracioacuten o dispersioacuten del sistema Si el sistema tiene carga positiva el
sistema es atractivo por lo que existen las fuerzas de atraccioacuten entre las partiacuteculas son
mayores que las fuerzas de repulsioacuten Si el sistema es negativo el sistema es repulsivo y se
tiene un efecto contrario al anterior Mientras maacutes alejado del cero se encuentre la muestra
mayor estabilidad le seraacute conferida debido a la relacioacuten entre las fuerzas intermoleculares
eso significa que se provocaraacute menor agregacioacuten facilitando la dispersioacuten del soluto [33] En
la figura 315 se muestra el efecto del pH en la dispersioacuten de los asfaltenos con la aplicacioacuten
de los surfactantes la tendencia se vuelve maacutes negativa por lo tanto existe mayor estabilidad
en el coloide disminuyendo la agregacioacuten de los asfaltenos
Este efecto se observoacute en las pruebas de DLS en donde los surfactantes dispersaron las
moleacuteculas de asfaltenos disminuyendo de esta forma la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
lo anterior se asocia a la disgregacioacuten de los asfaltenos observado en potencial Zeta
obteniendo una fase dispersa en el sistema
75
Figura 315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando el pH
76
Conclusiones
Se comproboacute el efecto dispersivo de los surfactantes sulfatados sobre los agregados
asfalteacutenicos causado principalmente por las cargas electroacutenicas presentes en estos
compuestos que al entrar en contacto con los asfaltenos provocaron la disgregacioacuten de
los mismos Dicho efecto fue visible en la mayoriacutea de las teacutecnicas empleadas generando
cambios en las interacciones moleculares de los sistemas de estudio y en las fuerzas de
la interfase soacutelido-liacutequido
Las teacutecnicas de caracterizacioacuten FTIR UV-vis corroboraron la presencia de grupos
funcionales caracteriacutesticos de la roca carbonatada asiacute como de la roca impregnada de
asfaltenos La teacutecnica de SEMEDX corroboroacute la existencia de los elementos que
componen a la roca y brindoacute informacioacuten importante sobre el tamantildeo y la forma de los
las partiacuteculas de roca
Las pruebas de aacutengulo de contacto por el meacutetodo de gota seacutesil comprobaron el efecto
superficial de los surfactantes en los diferentes sistemas de estudio cambiando la
tensioacuten interfacial de cada uno y afectando una caracteriacutestica innata de la roca su
mojabilidad Los aacutengulos de contacto tras la aplicacioacuten de los surfactantes sufrieron una
disminucioacuten por la facilidad de los aditivos antes mencionados para dispersar las capas
de agregacioacuten de los asfaltenos provocando una mejor interaccioacuten con la fase soacutelida
Mediante el anaacutelisis de Dispersioacuten de luz Dinaacutemica (DLS) se consiguioacute fundamentar el
efecto dispersivo de los surfactantes observado en las pruebas tensiomeacutetricas siendo de
gran importancia los resultados obtenidos de distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula en
donde con la aplicacioacuten de los surfactantes se consiguioacute disminuir este paraacutemetro por
la la difusioacuten de los agregados asfalteacutenicos contenidos en la superficie de la roca siendo
afectados principalmente por las cargas electroacutenicas cabezas catioacutenicas
La teacutecnica de potencial Zeta corroboroacute lo anterior debido a la facilidad de las muestras
con surfactantes para alcanzar la estabilidad coloidal por lo que se demuestra un efecto
77
contrario a la agregacioacuten un efecto dispersivo de los asfaltenos provocado por las
cargas presentes en las cadenas de los aditivos
78
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x
Introduccioacuten
Actualmente la industria petrolera enfrenta una serie de problemaacuteticas que van desde la
gravedad especiacutefica del hidrocarburo hasta su comportamiento en un sistema aceite-roca El
estudio de las fuerzas intermoleculares del sistema aceite-roca es un trabajo innovador para
la elaboracioacuten de nuevas formas de extraccioacuten yo el uso de sustancias quiacutemicas que faciliten
el transporte del crudo durante el proceso
Los surfactantes son empleados como aditivos para facilitar la extraccioacuten del crudo y su
transporte debido a sus efectos en la viscosidad tensioacuten superficial y gravedad API Estos
compuestos son de gran intereacutes para la industria petrolera por lo que un estudio detallado de
la forma de actuar de estos aditivos podriacutea describir los fenoacutemenos que ocurren en un sistema
aceite-roca
La literatura [1 23] indica que los surfactantes del tipo sulfato tienen cierta afinidad con las
moleacuteculas maacutes pesadas del crudo los asfaltenos Hablar de asfaltenos implica ldquoproblemasrdquo
los cuales pueden ser observados durante la extraccioacuten y el transporte del petroacuteleo hacia las
refineriacuteas lo anterior se debe que al ser los componentes maacutes pesados del crudo la mayoriacutea
de las propiedades del crudo dependen de ellos por lo que el uso de aditivos que contengan
un grupo sulfato puede promover la dispersioacuten de los mismos generando un cambio en la
viscosidad del crudo en la tensioacuten interfacial del sistema por lo tanto a una variacioacuten de la
mojabilidad
La mojabilidad es una propiedad innata de las rocas que puede ser afectada a partir del cambio
en las interacciones del aceite y su superficie Con la aplicacioacuten de surfactantes sulfatados se
pretende la modificacioacuten de las fuerzas superficiales entre el crudo y la roca lo cual permitiriacutea
una recuperacioacuten mejorada del aceite contenido en los yacimientos facilitando de esta
manera el proceso de extraccioacuten del mismo [4]
En este proyecto se propone el anaacutelisis de las propiedades que afectan los fenoacutemenos de
superficie de los sistemas aceite-roca usando como referencia compuestos como agua
salmuera y posteriormente la adicioacuten de surfactantes sulfatados base imidazol asiacute como el
estudio de la dispersioacuten de dicho sistema
1
Capiacutetulo I
Antecedentes
2
1 Antecedentes
Actualmente con la disminucioacuten de crudos ligeros y la obtencioacuten de aceites pesados durante
la extraccioacuten de yacimientos se buscan meacutetodos alternativos que permitan la recuperacioacuten
mejorada en los pozos petroleros mediante la aplicacioacuten de aditivos quiacutemicos El estudio de
las fuerzas relacionadas entre el aceite y la roca permite describir de una forma real lo que
pasa dentro del sistema petroliacutefero con la aplicacioacuten de dichos compuestos
En 2009 Murillo y col [4] estudiaron el efecto del anioacuten PF6 en los agregados asfalteacutenicos
y encontraron un incremento en el momento dipolar debido al cambio de electronegatividad
provocado por el anioacuten Se establecioacute que el bromuro de 1-butil fue el liacutequido ioacutenico con
mejores propiedades estabilizadoras e inhibidoras de la agregacioacuten de asfaltenos
disminuyendo la aglomeracioacuten de asfaltenos hasta en un 70
En 2010 Ramiacuterez y col [5] investigaron experimentalmente el efecto que tienen los
surfactantes zwitterioacutenicos y catioacutenicos en el control de dantildeo al medio poroso debido a
depoacutesitos de asfaltenos y la descripcioacuten del cambio de mojabilidad en rocas carbonatadas
encontrando mejores condiciones de operacioacuten y concluyendo que el uso de salmuera con
alta concentracioacuten de sales provoca la precipitacioacuten de los surfactantes debido al efecto de
ioacuten comuacuten presente en los electrolitos que encapsula a las moleacuteculas surfactantes
hacieacutendolas maacutes pesadas y precipitaacutendolas por accioacuten de la gravedad
En 2010 Guzmaacuten y col [6] sintetizoacute y evaluoacute diferentes liacutequidos ioacutenicos como agentes
desemulsificantes del sistema de emulsioacuten de crudo mexicano ligero y pesado siendo el
bromuro de 1 metil-3-tetradecilimidazolio el que obtuvo mejores resultados frente a otros
compuestos con diferente tamantildeo de cadena hidrocarbonada Se estudioacute la aplicacioacuten de
calentamiento convencional y dieleacutectrico por microondas en los procesos de
desemulsificacioacuten siendo el segundo meacutetodo el que aceleroacute e incrementoacute la eficiencia de
desemulsificacioacuten
En 2011 Petcavich y col [7] desarrollaron un meacutetodo de extraccioacuten de hidrocarburos a partir
de rocas que contienen aceite En este trabajo se utilizoacute una mezcla de piedra arenisca de
3
aceite y un liacutequido ioacutenico a base de fosfonio el cual se sometioacute a la radiacioacuten de microondas
de 254 GHz y presentaron las condiciones de trabajo para la recuperacioacuten total del
hidrocarburo atrapado en la roca
En 2012 Dharaskar y col [8] investigaron sobre los liacutequidos ioacutenicos y su capacidad de
minimizar los efectos negativos de salud y medio ambientales En la industria de la refinacioacuten
se usa para la hidrodesulfurizacioacuten del crudo Estudiaron el efecto de cationes del tipo sulfato
contenidos en liacutequidos ioacutenicos sobre el petroacuteleo encontrando una disminucioacuten en la
concentracioacuten de grupos sulfurados y asfalteacutenicos
En 2014 Bin-Dahbag y col [9] realizaron un estudio sobre el proceso de inyeccioacuten de
liacutequidos ioacutenicos con base de amonio y fosfonio en la recuperacioacuten mejorada de petroacuteleo con
lo que redujo la tensioacuten interfacial de la fase acuosa del hidrocarburo Se realizaron pruebas
de deteccioacuten de nueve liacutequidos ioacutenicos con base de tetrasulfato de amonio los cuales fueron
diluidos en salmuera a distintas concentraciones y se probaron con un petroacuteleo crudo Saudiacute
Se registraron cambios en la tensioacuten interfacial por cambios de presioacuten y temperatura
indicando una mayor actividad de interaccioacuten superficial en el sistema rocapetroacuteleoliacutequido
ioacutenico
En 2014 Gonzaacutelez y col [10] estudiaron el cambio de la mojabilidad de rocas carbonatadas
en sistemas salmuerapetroacuteleo con la aplicacioacuten de surfactantes empleando el meacutetodo
tensiomeacutetrico de Gota cautiva Se obtuvieron resultados confiables y reproducibles que
concluyen un comportamiento afiacuten entre la salmuera el crudo y la roca
En 2015 Jiao y col [11] estudiaron el comportamiento de los liacutequidos ioacutenicos con base
imidazolio ( IBILs ) desarrollando nuevos agentes de extraccioacuten para separar indol una
sustancia industrial importante derivada del aceite de lavado que ocasiona graves problemas
medioambientales obteniendo eficiencias de extraccioacuten de maacutes de 90
En 2016 Banda y col [12] estudiaron el comportamiento de los asfaltenos presentes en
petroacuteleo crudo pesado usando como disolvente ciclohexano Primeramente se caracterizaron
los asfaltenos extraiacutedos por Espectroscopiacutea de ultravioleta-visible (UV-vis) posteriormente
se utilizoacute la teacutecnica de Dispersioacuten de Luz Dinaacutemica (DLS) para la distribucioacuten de tamantildeo de
partiacutecula de los agregados asfalteacutenicos Asiacute mismo se realizoacute un anaacutelisis de potencial Zeta
4
utilizando como disolvente nitrato de sodio 01 mmol para la comprobacioacuten del efecto
dispersivo de los asfaltenos frente a liacutequidos ioacutenicos sulfatados
11 Petroacuteleo
El petroacuteleo es una mezcla homogeacutenea de compuestos orgaacutenicos de estructura variada
principalmente hidrocarburos insolubles en agua En general es posible agrupar los
constituyentes del petroacuteleo en cuatro grupos orgaacutenicos bien definidos Saturados
Aromaacuteticos Resinas y Asfaltenos este conjunto es conocido como SARA Es un liacutequido
viscoso cuyo color variacutea entre amarillo y pardo obscuro hasta negro con reflejos verdes
Ademaacutes tiene un olor caracteriacutestico y flota en el agua Tambieacuten es conocido como petroacuteleo
crudo o simplemente crudo Se produce en el interior de la Tierra por transformacioacuten de la
materia orgaacutenica acumulada en sedimentos del pasado geoloacutegico y puede acumularse en
trampas geoloacutegicas naturales de donde se extrae mediante la perforacioacuten de pozos [13]
Las moleacuteculas de hidrocarburos que en forma colectiva constituyen el petroacuteleo estaacuten
formadas por distintas combinaciones de aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Seguacuten el nuacutemero
de aacutetomos de carbono de hidroacutegeno y de la distribucioacuten estructural de las mismas se tienen
los distintos hidrocarburos que abarcan desde el gas natural hasta los hidrocarburos soacutelidos
Comuacutenmente se denomina como petroacuteleo a aquella mezcla de hidrocarburos que a las
condiciones de temperatura y presioacuten ambientales estaacute en estado liacutequido En la naturaleza se
pueden encontrar afloraciones naturales de hidrocarburos muchos de ellos conocidos desde
la antiguumledad aunque la produccioacuten comercial se obtiene de acumulaciones que se localizan
en algunos lugares del subsuelo con profundidades variables desde pocos metros hasta
profundidades mayores a cinco mil metros [14]
Mientras mayor sea el contenido de carboacuten en relacioacuten al del hidroacutegeno mayor es la cantidad
de productos pesados que tiene el crudo [15] Esto depende de la edad del yacimiento y de
algunas caracteriacutesticas geoloacutegicas No obstante se ha comprobado que entre maacutes antiguos
son tienen maacutes hidrocarburos gaseosos y soacutelidos y menos liacutequidos entran en su
composicioacuten
5
Es un recurso natural no renovable y actualmente es la principal fuente de energiacutea en
los paiacuteses desarrollados El petroacuteleo liacutequido puede presentarse asociado a capas de gas
natural en yacimientos que han estado enterrados durante millones de antildeos cubiertos por los
estratos superiores de la corteza terrestre Los factores de presioacuten temperatura y procesos
quiacutemicos y fiacutesicos ayudados por la carencia de oxiacutegeno posibilitan la formacioacuten de petroacuteleo
liacutequido y de gas
La conversioacuten de materia orgaacutenica en petroacuteleo ocurre en varias etapas [15]
Degradacioacuten bioquiacutemica la accioacuten de las bacterias en un ambiente aerobio
oxidan la materia orgaacutenica
Policondensacioacuten e insolubilizacioacuten se produce un reordenamiento molecular
en dos etapas originaacutendose una sustancia insoluble en aacutelcalis con estructura
parecida al keroacutegeno
Cracking primario es la primera reaccioacuten de generacioacuten de hidrocarburos
regida por la ley de Arrhenius de donde se puede obtener petroacuteleo y gas
Cracking secundario se destruye la fraccioacuten inestable generando gas y
residuos carbonosos
111 Composicioacuten del petroacuteleo
El petroacuteleo crudo es la materia prima principal de la industria de Refinacioacuten del Petroacuteleo
estaacute constituido por una mezcla de diferentes tipos de hidrocarburos cuyas moleacuteculas se
componen de Carbono e Hidroacutegeno con un pequentildeo porcentaje de otros elementos
conformando hidrocarburos de estructuras maacutes o menos complejas como compuestos
heterociacuteclicos de nitroacutegeno oxiacutegeno y azufre compuestos organometaacutelicos ademaacutes contiene
sedimentos inorgaacutenicos y agua [16] La composicioacuten aproximada de los crudos puede verse
en la Tabla 11
6
Tabla11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo
Elemento Composicioacuten (peso)
Carbono 84-87
Hidroacutegeno 11-14
Azufre 0-5
Nitroacutegeno 0-02
Oxiacutegeno 0-05
112 Clasificacioacuten de petroacuteleo
Son miles los compuestos quiacutemicos que constituyen el petroacuteleo [16] y entre muchas otras
propiedades estos compuestos se diferenciacutean por su volatilidad (dependiendo de la
temperatura de ebullicioacuten) Al calentarse el petroacuteleo se evaporan preferentemente los
compuestos ligeros (de estructura quiacutemica sencilla y bajo peso molecular) de tal manera que
conforme aumenta la temperatura los componentes maacutes pesados van incorporaacutendose al
vapor
Las curvas de destilacioacuten TBP (del ingleacutes ldquotrue boiling pointrdquo temperatura de ebullicioacuten real)
distinguen a los diferentes tipos de petroacuteleo y definen los rendimientos que se pueden obtener
de los productos por separacioacuten directa [17] Por ejemplo mientras que en el crudo Istmo se
obtiene un rendimiento directo de 26 volumeacutetrico de gasolina en el Maya soacutelo se obtiene
157 [17]
La industria mundial de hidrocarburos liacutequidos clasifica el petroacuteleo de acuerdo con su
densidad API (paraacutemetro internacional del Instituto Americano del Petroacuteleo que diferenciacutea
las calidades del crudo) La Tabla 12 muestra estas clasificaciones
Tabla 12 Clasificacioacuten del petroacuteleo crudo [18]
Aceite crudo Densidad
( g cm3)
Densidad
grados API
Extrapesado gt10 100
Pesado 10 - 092 100 - 223
Mediano 092 - 087 223 - 311
7
Ligero 087 - 083 311 - 39
Superligero lt 083 gt 39
Para exportacioacuten en Meacutexico se preparan tres variedades de petroacuteleo crudo
a) Istmo Ligero con densidad de 336 grados API y 13 de azufre en peso
b) Maya Pesado con densidad de 22 grados API y 33 de azufre en peso
c) Olmeca Superligero con densidad de 393 grados API y 08 de azufre en peso
Atendiendo a la mayor proporcioacuten del tipo de hidrocarburos que conforman la mezcla los
crudos se clasifican seguacuten su base parafiacutenica nafteacutenica asfaacuteltica y mixta [15]
Base parafiacutenica Las parafinas livianas dan buenos aceites para usos domeacutesticos pues no
producen humo al quemarse tienden a resistir el calor Las parafinas maacutes espesas contienen
cristales blancos y blandos que cuando son aislados y refinados forman lo que se conoce
como cera parafinada Se encuentran generalmente en Pennsylvania West Virginia y centro
de Estados Unidos
Base nafteacutenica Generalmente contienen gran proporcioacuten de fracciones volaacutetiles es decir
componentes que se evaporan faacutecilmente Se encuentran generalmente en Rusia Peruacute
California y Golfo de Meacutexico En Cuba se encuentra en la zona de Motembo
Base asfaacuteltica Contienen ademaacutes de carbono e hidroacutegeno gran cantidad de azufre En la
destilacioacuten avanzada o maacutes completa rinden una cantidad relativamente alta de alquitraacuten y
asfalto Se pueden encontrar en Meacutexico Venezuela California y el Caribe
Base mixta Ninguacuten crudo es realmente netamente nafteacutenico asfaacuteltico o parafiacutenico en su
composicioacuten quiacutemica sino que contienen proporciones de los otros tipos caracterizaacutendose
por la predominancia del compuesto en mayoriacutea Sin embargo ciertos crudos de Kansas
Oklahoma y Texas tienen contenidos muy similares de nafta parafinas y asfaltos lo que
resulta imposible clasificarlos en una sola de estas clases
8
Asiacute mismo se puede clasificar al petroacuteleo crudo considerando dos grandes grupos de
hidrocarburos saturados y no saturados Cuando todas las valencias de los aacutetomos de carbono
se comparten con otros aacutetomos es saturado cuando hay falta de hidroacutegeno es no saturado y
se pueden compartir dos y hasta tres valencias entre un aacutetomo de carbono con otro aacutetomo [16]
Los saturados y no saturados se dividen a su vez en dos grupos importantes cada uno lo cual
se muestra en la figura 11
Figura 11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleo
Las parafinas son las maacutes ricas en hidroacutegeno son saturadas y por tanto relativamente estables
Las parafinas comunes son liacutequidos pero se pueden encontrar gaseosas o soacutelidas La foacutermula
general es CnH2n+2
Los naftenos (ciclanos o ciclo alcanos) son saturados lo que hace que sean resistentes a los
cambios incluyendo la oxidacioacuten Son relativamente insolubles en aacutecido sulfuacuterico
concentrado Los maacutes importantes son ciclopentano y ciclohexano La foacutermula general es
CnH2n
Los no saturados tienden a formar gomas lacas y fangos al unirse al oxiacutegeno y separarse del
carbono que es un enlace relativamente menos estable
Las olefinas son no saturados o insaturados y por lo que tienen deficiencia de hidroacutegeno
consecuentemente son muy reactivos y combinan faacutecilmente con el hidroacutegeno oxiacutegeno
cloro y azufre esto causa que no se deseen altos porcentajes de olefinas en los combustibles
9
sin embargo son apreciados en la manufactura de varios productos entre ellos el plaacutestico La
foacutermula general es CnH2n
Los aromaacuteticos son no saturados pero actuacutean como saturados Son deseables en la gasolina
pues tienen altas propiedades antidetonantes El nombre aromaacuteticos surge por su olor
caracteriacutestico Algunos se usan en la produccioacuten del TNT colorantes plaacutesticos insecticidas
etc Hoy en diacutea se ha limitado su concentracioacuten en los derivados por ser dantildeinos a la salud
son altamente canceriacutegenos La foacutermula general es CnH2n-6 [19]
113 Derivados del petroacuteleo
Un derivado del petroacuteleo es un producto procesado en una refineriacutea usando como materia
prima el petroacuteleo Seguacuten la composicioacuten del crudo y la demanda las refineriacuteas pueden
producir distintos productos derivados del petroacuteleo La mayor parte del crudo es usado como
materia prima para obtener energiacutea por ejemplo la gasolina Tambieacuten producen sustancias
quiacutemicas que se puede utilizar en procesos quiacutemicos para producir plaacutestico yo otros
materiales uacutetiles
Dentro de los productos que se generan a partir del petroacuteleo se tienen [17]
bull Gasolinas liacutequidas (fabricadas para automoacuteviles y aviacioacuten en sus diferentes grados
queroseno diversos combustibles de turbinas de avioacuten y el gasoacuteleo entre otros)
bull Lubricantes (aceites para maquinarias aceites de motor y grasas Estos compuestos llevan
ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ignicioacuten)
bull Parafinas Es la materia prima para la elaboracioacuten de velas y similares ceras para pisos
foacutesforos papel parafinado vaselinas faacutermacos etc
bull Cloruro de polivinilo (PVC) Existen dos tipos de cloruro de polivinilo tienen alta
resistencia a la abrasioacuten y a los productos quiacutemicos Se utiliza para hacer manteles cortinas
para bantildeo muebles alambres y cables eleacutectricos Tambieacuten se utiliza para la fabricacioacuten de
riego juntas techado y botellas
10
bull Plaacutesticos pinturas barnices disolventes fertilizantes e insecticidas detergentes cauchos
artificiales negro de humo polieacutester y muchos maacutes
bull Detergentes usados para limpieza
bull Azufre subproductos de la eliminacioacuten del azufre del petroacuteleo que pueden tener hasta un
2 de azufre como compuestos de azufre El azufre y aacutecido sulfuacuterico son materiales
importantes para la industria
bull Asfalto se utiliza como aglutinante para la grava que forma de asfalto concreto que se
utiliza para la pavimentacioacuten de carreteras etc
bull Petroquiacutemicos estos pueden ser hidrocarburos olefinas o sus precursores o diversos tipos
de quiacutemicos como aromaacuteticos y tienen una gran variedad de usos Por lo general son
utilizados como monoacutemeros como disolventes como precursores de una gran variedad de
sustancias quiacutemicas y productos quiacutemicos tales como los liacutequidos limpiadores de los
vehiacuteculos surfactante de la limpieza etc [19]
114 Importancia del petroacuteleo
El petroacuteleo tiene una gran trascendencia en la gran mayoriacutea de las actividades cotidianas Del
crudo se obtiene gasolina y diesel para autos y autobuses combustible para barcos y aviones
Se usa para generar electricidad obtener energiacutea caloriacutefica para faacutebricas hospitales y oficinas
y diversos lubricantes para maquinaria y vehiacuteculos La industria petroquiacutemica usa productos
derivados de eacutel para hacer plaacutesticos fibras sinteacuteticas detergentes medicinas conservadores
de alimentos hules y agroquiacutemicos El petroacuteleo ha transformado la vida de las personas y la
economiacutea de las naciones Su descubrimiento creoacute riqueza modernidad pueblos industriales
proacutesperos y nuevos empleos motivando el crecimiento de las industrias mencionadas [19]
12 Yacimiento
11
Un yacimiento de petroacuteleo puede definirse como un volumen poroso que contiene agua
petroacuteleo y a veces una fase gaseosa La proporcioacuten volumeacutetrica del petroacuteleo puede alcanzar
a veces el 40 El medio poroso del yacimiento o roca almaceacuten es de origen sedimentario
de tipo arenisca o caliza consolidado o no El diaacutemetro de poro variacutea ampliamente seguacuten la
roca pero es de tamantildeo microscoacutepico desde algunas fracciones de miliacutemetro a algunos
microacutemetros [20]
Cada medio poroso tiene sus caracteriacutesticas porosidad el porcentaje de volumen vaciacuteo
permeabilidad una medida de la resistencia al movimiento de los fluidos mojabilidad una
medida de la naturaleza superficial de la roca
Debido a su origen sedimentario el medio poroso del yacimiento es a menudo heterogeacuteneo
como consecuencia de las variaciones ocurridas durante el largo proceso de sedimentacioacuten
que formoacute la roca Estas heterogeneidades pueden existir a la escala de los poros o bien a la
escala macroscoacutepica en forma zonas muy o poco permeables y eventualmente de grietas
Las heterogeneidades complican las operaciones de produccioacuten porque tienden a producir
caminos preferenciales y segregaciones [21]
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientos
Geoloacutegicamente los yacimientos se clasifican en estratigraacuteficos estructurales y combinados
[22]
Estratigraacuteficos lentes de arena cambios de facies calizas o dolomitas porosas
cambios de permeabilidad
Estructurales Fracturas en calizas o rocas iacutegneas discordancias fallas en areniscas
sinclinales anticlinales domos salinos etc
Combinados Hace referencia a las posibles combinaciones que se presenten entre los
dos grupos anteriores
La clasificacioacuten anterior se puede observar en la figura 12
12
Figura 12 Clasificacioacuten de yacimientos [22]
122 Condiciones de explotacioacuten
La produccioacuten de petroacuteleo involucra dos aspectos El primero es la produccioacuten uacuteltima posible
en funcioacuten de las teacutecnicas empleadas y el segundo es el ritmo de produccioacuten de acuerdo con
el comportamiento de los pozos y de los diferentes meacutetodos de estimulacioacuten aplicables
(fracturacioacuten acidificacioacuten inyeccioacuten de vapor) Tradicionalmente se hace la distincioacuten entre
dos periacuteodos durante la explotacioacuten de un yacimiento la recuperacioacuten primaria y la
recuperacioacuten secundaria Desde el aumento del precio del petroacuteleo al principio de los antildeos
70 se considera ademaacutes una eventual recuperacioacuten terciaria yo una recuperacioacuten
(secundaria) mejorada [14]
123 Recuperacioacuten primaria
Durante este periacuteodo el petroacuteleo se drena naturalmente hacia los pozos bajo el efecto del
gradiente de presioacuten existente entre el fondo de los pozos y el seno del yacimiento
En muchos yacimientos profundos la presioacuten es mayor que la presioacuten hidrostaacutetica lo que
hace que el petroacuteleo llegue a la superficie con el solo aporte energeacutetico del yacimiento A
medida que se expanden los fluidos en el yacimiento la presioacuten tiende a bajar en forma maacutes
13
o menos raacutepida seguacuten los mecanismos involucrados En ciertos casos puede existir un
mecanismo de compensacioacuten natural que reduzca notablemente la velocidad de decaimiento
de la presioacuten como la compactacioacuten de sedimento (subsidencia) la migracioacuten de un acuiacutefero
activo o la lenta expansioacuten de una bolsa de gas
Cuando el pozo no es eruptivo o cuando la presioacuten se ha reducido se necesita un aporte
externo de energiacutea para disminuir la presioacuten en fondo de pozo O bien se bombea el crudo
desde el fondo del pozo o bien se utiliza el meacutetodo del levantamiento con gas este consiste
en inyectar gas en fondo de pozo de tal forma que el fluido producido sea una mezcla de gas
y petroacuteleo de densidad suficientemente baja para llegar a la superficie bajo el efecto de la
presioacuten del yacimiento [20]
El periacuteodo de recuperacioacuten primaria tiene una duracioacuten variable pero siempre se lleva a cabo
ya que permite recoger numerosas informaciones sobre el comportamiento del yacimiento
las cuales son de primera importancia para la planificacioacuten de la explotacioacuten ulterior
La recuperacioacuten primaria se termina cuando la presioacuten del yacimiento ha bajado demasiado
o cuando se estaacuten produciendo cantidades demasiado importantes de otros fluidos (gas
agua) El porcentaje de recuperacioacuten primaria del crudo originalmente en sitio es en promedio
del orden de 10-15 pero puede ser tan bajo como 5 en yacimientos sin gas disuelto o
alcanzar 20 y auacuten maacutes en yacimientos que poseen una baja permeabilidad y una bolsa de
gas o un acuiacutefero activo
Anteriormente se explotaba el yacimiento en recuperacioacuten primaria hasta que los gastos de
explotacioacuten se vuelvan prohibitivos en cuyo momento se pasaba a los meacutetodos de
recuperacioacuten secundaria Hoy en diacutea se inician las operaciones de recuperacioacuten secundaria
mucho antes de llegar a este punto y la seleccioacuten del meacutetodo de explotacioacuten en un yacimiento
o en una parte de un yacimiento obedece a criterios de optimizacioacuten [22]
14
124 Recuperacioacuten secundaria
Los meacutetodos de recuperacioacuten secundarios consisten en inyectar dentro del yacimiento un
fluido menos costoso que el petroacuteleo para mantener un gradiente de presioacuten Estos fluidos se
inyectan por ciertos pozos (inyectores) y desplazan o arrastran una parte del petroacuteleo hacia
los otros pozos (productores) [14]
Hasta el principio de los antildeos 70 el bajo precio del crudo haciacutea que los uacutenicos fluidos
susceptibles de inyectarse econoacutemicamente eran el agua y en ciertos casos el gas natural
El drenaje por agua permite elevar la recuperacioacuten del aceite originalmente en sitio hasta un
promedio de 25-30 con variaciones desde 15 hasta 40 seguacuten los casos
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejorada
Despueacutes de las recuperaciones primaria y secundaria el yacimiento contiene todaviacutea 60-
80 (promedio 72) del crudo originalmente en sitio Esto se debe a que la eficiencia de los
meacutetodos de recuperacioacuten primaria y secundaria estaacute limitada por dos factores [14]
A la escala de los poros el crudo alcanza una saturacioacuten residual suficientemente baja
para encontrarse en forma de gloacutebulos discontinuos atrapados por las fuerzas
capilares
A la escala del yacimiento existen ciertas zonas en las cuales el fluido inyectado
durante la recuperacioacuten secundaria no penetra por la baja permeabilidad de estas
zonas porque siguen caminos preferenciales o porque la geometriacutea de implantacioacuten
de los pozos no es favorable
Entre los meacutetodos cuyo propoacutesito es mejorar la eficiencia del desplazamiento mediante una
reduccioacuten de las fuerzas capilares se pueden citar la utilizacioacuten de solventes miscibles con
el crudo y la obtencioacuten de baja tensioacuten interfacial con soluciones de surfactantes o soluciones
alcalinas Para mejorar la eficiencia de barrido se puede reducir la viscosidad del crudo
mediante calentamiento aumentar la viscosidad del agua con poliacutemeros hidrosolubles o
taponar los caminos preferenciales por ejemplo con espumas [21]
15
Los meacutetodos actualmente propuestos para la recuperacioacuten mejorada involucran uno o varios
de estos aspectos En lo que se refiere a la utilizacioacuten de surfactantes se destacan los
siguientes
Drenaje miscible con microemulsiones
Drenaje inmiscible con soluciones de surfactantes y poliacutemeros (y a veces aacutelcali)
Inyeccioacuten de vapor con surfactante ndash espumas
126 Generalidades de pozos
La estimulacioacuten de pozos se utiliza para mejorar la productividad de pozos petroleros Esto
se logra inyectando fluidos al pozo y dependiendo del gasto y presioacuten de inyeccioacuten
alcanzada seraacute el tipo de estimulacioacuten realizada Para aumentar la produccioacuten de un pozo se
debe tratar la roca situada en la cercaniacutea para aumentar su permeabilidad esto se debe a que
la geometriacutea ciliacutendrica del pozo produce una mayor resistencia al flujo en la vecindad del
mismo Existen esencialmente dos meacutetodos de estimulacioacuten que pueden emplearse solos o
juntos la fracturacioacuten y la acidificacioacuten [23]
En ambos tipos de procesos se usan surfactantes como dispersantes de partiacuteculas finas (alquil
fenoles y alquil amonios etoxilados) y como inhibidores de corrosioacuten (alquilpiridinios)
En el proceso de fracturacioacuten se inyecta bajo alta presioacuten una mezcla de agua y de arena La
arena penetra en las fracturas producidas e impide que se vuelvan a cerrar cuando la presioacuten
retorna a lo normal
En la acidificacioacuten se inyecta una solucioacuten aacutecida (HCl HF) extremadamente corrosiva para
los metales pero capaz de disolver la roca almaceacuten (carbonato siacutelica) Se usan alquil
piridinios como inhibidores de corrosioacuten alquil fenoles etoxilados como humectantes y
alquil amonios etoxilados como dispersantes de partiacuteculas finas
A menudo en presencia de carbonatos se desea retardar la acidificacioacuten para que el fluido
aacutecido pueda penetrar a cierta distancia del pozo antes de reaccionar con la roca
Uno de los meacutetodos de retardacioacuten consiste en emulsionar la fase acuosa aacutecida en queroseno
en forma WO Para tales emulsiones se usan sulfonatos de petroacuteleo o sales de aacutecidos
16
carboxiacutelicos por la interaccioacuten que presentan los grupos ldquosulfatordquo con los hidrocarburos [22]
Siendo el queroseno la fase continua el contacto aacutecido-roca no se produce inmediatamente
y la emulsioacuten puede penetrar a varios metros del pozo antes de que se consuma todo el aacutecido
obseacutervese en la figura 13
Figura 13 Acidificacioacuten controlada mediante la inyeccioacuten de una emulsioacuten de aacutecido en
queroseno [23]
Otro meacutetodo de retardacioacuten consiste en inyectar nitroacutegeno con la solucioacuten aacutecida la cual
contiene agentes espumantes como alquil eacutester sulfatos surfactantes etoxilados y a veces
surfactantes fluorocarbonados La espuma formada juega dos papeles de una parte reduce el
contacto entre el aacutecido y la roca y por lo tanto reduce la velocidad de ataque Por otra parte
tienen tendencia en llenar las fracturas y taponarlas (efecto Jamin) lo que obliga al aacutecido a
penetrar en la zonas de baja permeabilidad (figura 14)
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumas
Sin embargo estos dos uacuteltimos meacutetodos deben emplearse con cierto cuidado para evitar el
taponamiento del pozo con emulsiones o espumas debido a la presioacuten con la que actuacutean en
17
el mismo sistema lo que puede luego tener un efecto desfavorable sobre la produccioacuten[22]
Despueacutes de la acidificacioacuten se pone el pozo en produccioacuten para eliminar el residuo de aacutecido
y las partiacuteculas finas producidas por la desagregacioacuten de la roca Es en esta etapa que se
requieren agentes dispersantes
Ciertos meacutetodos de estimulacioacuten consisten en inyectar surfactantes para bien sea cambiar la
mojabilidad de la roca de mojable por el agua a mojable por el aceite bien sea desplazar
el crudo atrapado en la cercaniacutea del pozo Tales meacutetodos se usan para estimular pozos que
han dejado de producir por cierto tiempo o que han sufrido un dantildeo
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluido
131 Porosidad
Es el volumen de huecos de la roca y define la capacidad de eacutesta para almacenar fluidos Se
expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca
(porosidad total o bruta) [24]
Tipos de Porosidad
Absoluta La porosidad absoluta se considera como el volumen poroso total (esteacuten o
no interconectados)
Efectiva La porosidad efectiva se refiere al porcentaje de poros interconectados que
permiten la circulacioacuten de fluidos
No efectiva Representa la diferencia entre las porosidades anteriores es decir la
porosidad absoluta y la efectiva
132 Permeabilidad
18
La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo
atraviese sin alterar su estructura interna Se afirma que un material es permeable si deja
pasar a traveacutes de eacutel una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado e impermeable si la
cantidad de fluido es despreciable Se define con la ecuacioacuten de Darcy [14]
119876 =119870119860
120583
119889119875
119889119905 119910 119870 =
119876120583
119860 119889119897
119889119875 (1)
Doacutende
A Aacuterea de flujo (cm2)
Q Gasto (cm3 s-1)
dP Diferencia de presiones a la entrada y salida del permeaacutemetro (kPa)
dl Longitud del medio poroso (cm)
micro Viscosidad del fluido (cP)
K Velocidad de filtracioacuten (m s-1)
Si el fluido es homogeacuteneo y no produce ninguna accioacuten importante sobre la roca se habla
de permeabilidad absoluta pero si en la roca existen varios fluidos como es el caso de un
yacimiento petroliacutefero en el que se puede tener petroacuteleo agua y gas se producen
interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los
fluidos
La permeabilidad relativa corresponde a la relacioacuten entre permeabilidad absoluta y efectiva
Para un fluido dado variacutea en funcioacuten directa con la saturacioacuten de ese fluido en la roca y se
expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro
133 Tortuosidad
19
Una medida de la complejidad geomeacutetrica de un medio poroso La tortuosidad es una relacioacuten
que caracteriza los trayectos de la difusioacuten del fluido y la conduccioacuten eleacutectrica a traveacutes de los
medios porosos En mecaacutenica de fluidos de los medios porosos la tortuosidad es la relacioacuten
del largo de la corriente natural de un fluido (una liacutenea o trayecto de flujo) entre dos puntos
y la distancia en liacutenea recta entre esos puntos Por consiguiente la tortuosidad se relaciona
con la relacioacuten entre el coeficiente de difusioacuten de un fluido cuando no estaacute confinado por un
medio poroso y su coeficiente de difusioacuten efectivo cuando estaacute confinado en un medio poroso
[22] Este paraacutemetro es calculado con la ecuacioacuten 2
119879 =119871119864
119871 ( 2)
Doacutende
L es la longitud de la muestra de roca (cm)
LE es la longitud de la trayectoria de difusioacuten del fluido sobre la muestra (cm)
El flujo de fluidos a traveacutes de medios porosos estaacute fuertemente afectado por fenoacutemenos de
superficie los cuales representan fuerzas retentivas de fluidos en el medio poroso La accioacuten
de la estimulacioacuten matricial no reactiva concierne principalmente a la alteracioacuten de estas
fuerzas retentivas manifiestas en los fenoacutemenos de tensioacuten superficial mojabilidad y
capilaridad [20]
134 Tensioacuten Superficial e Interfacial
La materia en sus diferentes estados (soacutelido liacutequido y gaseoso) estaacute compuesta de moleacuteculas
las cuales presentan una atraccioacuten llamada fuerza de cohesioacuten Esta fuerza es una
combinacioacuten de fuerzas electrostaacuteticas y de Van der Waals [21] Naturalmente estas fuerzas
son de diferente magnitud dependiendo del estado de la materia Por ejemplo en el seno de
un liacutequido una moleacutecula es rodeada por moleacuteculas similares ejerciendo unas con otras
fuerzas iguales de atraccioacuten por lo que eacutestas se encuentran balanceadas tal como se muestra
en la figura 15
20
15 Representacioacuten de fuerzas intermoleculares en un sistema bifaacutesico (soacutelido-liacutequido)
En la interfase entre un liacutequido y un soacutelido o entre un liacutequido y un gas estas fuerzas son
desequilibradas causando que exista una resultante en la interfase con ello se crea una
energiacutea libre de superficie En la misma figura 15 se observa la fuerza resultante en la
interfase del sistema denotada con el teacutermino FR cuyo valor representa la tensioacuten que existe
entre las moleacuteculas de las fase liquida y gaseosa
Esta fuerza seraacute mayor entre mayores sean las fuerzas de atraccioacuten de las moleacuteculas del
liacutequido Si se deseara romper esta superficie se tendriacutea que realizar un trabajo por unidad de
aacuterea equivalente a vencer la energiacutea libre de superficie Este trabajo por unidad de aacuterea se
denomina tensioacuten superficial y su valor especiacutefico para cada liacutequido depende
principalmente de la temperatura y presioacuten a las cuales se encuentre
Para medir la tensioacuten superficial se utilizan varios meacutetodos de los cuales el maacutes utilizado es
el meacutetodo de Du Nouumly Este procedimiento consiste en colocar en el liacutequido un arillo de
platino y llevarlo hasta la interfase midiendo la fuerza necesaria con la que el anillo rompe
la superficie La tensioacuten superficial generalmente se da en dina cm-1 Para el agua a
21
condiciones estaacutendar la tensioacuten superficial es de 72 dina cm-1 para el benceno es de 29 dina
cm-1 [19]
En 1905 Young mostroacute que las propiedades mecaacutenicas de la energiacutea libre de superficie
podriacutean relacionarse con una membrana hipoteacutetica en la superficie Usando en concepto de
tensioacuten superficial Young fue capaz de derivar expliacutecitamente la condicioacuten de equilibrio
mecaacutenico de una superficie curva entre dos fases [21] La ecuacioacuten de Young se expresa en la
ecuacioacuten 3
119875primeprime minus 119875prime =2120590
119903 (3)
Doacutende
Pacute Presioacuten en la fase externa (kPa)
Pacuteacute Presioacuten en la fase interna (kPa)
σ Tensioacuten Superficial (Erg)
r Radio de curvatura (cm)
Si un liacutequido estaacute en contacto con otra sustancia (gas soacutelido u otros liacutequidos inmiscibles) hay
una energiacutea libre interfacial Esto significa que se tiene que realizar cierta cantidad de trabajo
con el fin de separar ambos medios Los dos principales paraacutemetros que afectan a la magnitud
de la tensioacuten superficial son la temperatura y la composicioacuten quiacutemica de las fases La
variacioacuten de la tensioacuten superficial liacutequido-vapor (γLG) usualmente sigue una relacioacuten lineal
seguacuten la expresioacuten [15]
120574119871119866 = 1205740 + (∆120575119871119866
∆119879) (119879 minus 119879119898) (4)
Doacutende
γLG Tensioacuten interfacial liquido-gas (dina cm-1)
γ0 Tensioacuten superficial del liacutequido (dina cm-1)
ΔδLG Diferencia de densidad entre fase liacutequida y fase gaseosa (kg m-3)
22
ΔT Diferencia de temperaturas
T Temperatura del sistema (degC)
Tm Temperatura media (degC)
En general la tensioacuten superficial para metales fundidos disminuye con el incremento de la
temperatura (dγLGdT) lt 0 ya que las fuerzas de cohesioacuten disminuyen al aumentar la
agitacioacuten teacutermica La influencia del medio exterior se debe a que las moleacuteculas del medio
ejercen acciones atractivas sobre las moleacuteculas situadas en la superficie del liacutequido
contrarrestando las acciones de las moleacuteculas del interior del liacutequido
La medida de la tensioacuten superficial en soacutelidos policristalinos es compleja comparada con la
medida de γLG y en consecuencia los datos experimentales son difiacutecilmente fiables Se han
desarrollado modelos teoacutericos para predecir γSG pero con un eacutexito limitado Por otro lado la
tensioacuten γSL no puede ser medida directamente soacutelo puede predecirse con la ayuda de modelos
teoacutericos [19] El uso de la ecuacioacuten 5 para determinar el trabajo de adherencia (conociendo
previamente γLG o midieacutendolo simultaacuteneamente con θ) es una de las praacutecticas maacutes habituales
para investigar la mojabilidad de soacutelidos por metales liacutequidos
119882119886 = 120574119871119866(1 + 119888119900119904120579)
Donde
Wa Mojabilidad
γLG= Tensioacuten interfacial (dina cm-1)
θ= Angulo de contacto (deg)
135 Mojabilidad
23
La mojabilidad es uno de los fenoacutemenos de superficie y representa la interaccioacuten soacutelidondash
liacutequido este paraacutemetro depende de las fuerzas intermoleculares de los materiales en contacto
la fuerza de adhesioacuten entre el liacutequido y el soacutelido provoca que el liacutequido se extienda por la
superficie mientras que la de cohesioacuten del liacutequido hacen que eacuteste se abulte y tienda a evitarla
Es claro que tambieacuten estaacute muy relacionada con la capilaridad porque algunas sustancias
disueltas en el agua pueden modificar su tensioacuten superficial y por lo tanto su mojabilidad [14]
El aacutengulo de contacto ϴ es el aacutengulo que forma el liacutequido respecto a la superficie de contacto
con el soacutelido y estaacute determinado por la resultante de las fuerzas adhesivas y cohesivas Como
la tendencia de una gota a expandirse en una superficie plana aumenta con la disminucioacuten
del aacutengulo de contacto este aacutengulo proporciona una medida inversa de la mojabilidad [25]
Un aacutengulo de contacto pequentildeo (lt 90deg) indica que la mojabilidad es muy alta y el fluido se
extenderaacute sobre la superficie aacutengulos de contacto grandes (gt 90deg) significan que la
mojabilidad es baja y el fluido disminuiraacute el contacto con la superficie formando una gota
compacta este efecto puede observarse en las figuras 6a 6b y 6c Cuantitativamente la
mojabilidad se define como el producto de la tensioacuten superficial por el aacutengulo de contacto
esto es
119882119886 = 120590119888119900119904120579 (5)
Figura 16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidad [25]
El fenoacutemeno de mojabilidad es de gran importancia para el flujo de aceite en un medio
poroso Se ha demostrado que si la roca se encuentra mojada por agua la permeabilidad al
a) b) c)
24
aceite es muy superior al caso en que la roca se encuentre mojada por aceite lo cual favorece
la recuperacioacuten del aceite contenido en el yacimiento [26]
136 Capilaridad
La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de adsorber a otra Sucede cuando las
fuerzas intermoleculares adhesivas entre el liacutequido y el soacutelido son mayores que las fuerzas
intermoleculares cohesivas del liacutequido Cuando un liacutequido sube por un tubo capilar es debido
a la cohesioacuten intermolecular entre sus moleacuteculas es menor que la adhesioacuten del liacutequido con el
material del tubo es decir es un liacutequido que moja El liacutequido sigue subiendo hasta que la
tensioacuten superficial es equilibrada por el peso del liacutequido que llena el tubo
Al sumergir un tubo de vidrio capilar en agua eacutesta se elevaraacute en el tubo como se muestra en
la figura 17 en este caso se define como presioacuten capilar la diferencia de presiones en la
interfase [5]
Figura 17 Efecto de la capilaridad [5]
La presioacuten capilar seraacute la fuerza requerida para soportar la columna de agua en el tubo
dividida entre el aacuterea del capilar se explica con la ecuacioacuten 6
119875119862 = 120588119892ℎ119888 (6)
Doacutende
25
Pc Presioacuten capilar (N m-2)
ρ Densidad (kg m-3)
g Aceleracioacuten de la gravedad (981 m s-2)
hc Altura de la columna (m)
137 Adsorcioacuten
La adsorcioacuten es un proceso de separacioacuten y concentracioacuten de uno o maacutes componentes de un
sistema sobre una superficie soacutelida o liacutequida Los distintos sistemas heterogeacuteneos en los que
puede tener lugar la adsorcioacuten son soacutelido-liacutequido soacutelido-gas y liacutequido-gas Como en otros
procesos de este tipo los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases
La adsorcioacuten es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra
sobre la superficie de otra fase (generalmente soacutelida) Por ello se considera como un
fenoacutemeno subsuperficial La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama
adsorbato y la fase impregnada se llama adsorbente [21] Lo anterior se muestra en la
figura 18
Figura 18 Proceso de adsorcioacuten
1371 Tipos de adsorcioacuten
Cabe distinguir tres tipos de adsorcioacuten seguacuten sea la atraccioacuten entre el soluto y el adsorbente
sea de tipo eleacutectrico de Van der Waals (o Fiacutesica) o de naturaleza quiacutemica [23]
26
Eleacutectrica Cae de lleno dentro del intercambio ioacutenico y a menudo se le llama
adsorcioacuten por intercambio que es un proceso mediante el cual los iones de una
sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atraccioacuten electrostaacutetica
en los lugares cargados de la superficie Para dos absorbatos ioacutenicos posibles a
igualdad de otros factores la carga del ioacuten es el factor determinante en la adsorcioacuten
de intercambio Para iones de igual carga el tamantildeo molecular (radio de solvatacioacuten)
determina el orden de preferencia para la adsorcioacuten (figura 19)
Figura 19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectrica
Fiacutesica La adsorcioacuten que tiene lugar debido a las fuerzas de Van der Waals se llama
generalmente adsorcioacuten fiacutesica En este caso la moleacutecula adsorbida no estaacute fija en un
lugar especiacutefico de la superficie sino maacutes bien estaacute libre de trasladarse dentro de la
interfase Esta adsorcioacuten en general predomina a temperaturas bajas El aumento de
la temperatura disminuye considerablemente la adsorcioacuten (figura 110)
No se produce adsorcioacuten a temperaturas superiores a la temperatura criacutetica del
adsorbato gaseoso si la presioacuten del gas tiene valores cercanos a la presioacuten de vapor
de equilibrio para el adsorbato liacutequido se produciraacute una adsorcioacuten maacutes extensa en
capas muacuteltiples
27
Figura 110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesica
Quiacutemica Si el adsorbato sufre una interaccioacuten quiacutemica con el adsorbente el
fenoacutemeno se llama adsorcioacuten quiacutemica adsorcioacuten activa o quimisorcioacuten Las energiacuteas
de adsorcioacuten son elevadas del orden de las de un enlace quiacutemico debido a que el
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente Esta adsorcioacuten suele estar favorecida a una temperatura elevada [17]
(figura 111)
Figura 111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemica
La mayor parte de los fenoacutemenos de adsorcioacuten son combinaciones de las tres formas de
adsorcioacuten y de hecho no es faacutecil distinguir entre adsorcioacuten fiacutesica y quiacutemica
28
14 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten es el proceso en donde un fluido que satura un medio capilar es desplazado
por otro fluido Eacutesta es espontaacutenea cuando el fluido desplazante penetra el medio capilar
uacutenicamente bajo la accioacuten de las fuerzas capilares Las muestras de roca que imbiben
uacutenicamente agua se dice que son mojadas por agua de igual manera las que lo hacen con el
aceite son mojadas por aceite [10]
La imbibicioacuten es importante en un yacimiento que produce por mecanismos de empuje de
agua porque puede favorecer u obstruir el movimiento del agua afectando el aacuterea del barrido
Una prueba de imbibicioacuten es una comparacioacuten del potencial de imbibicioacuten del petroacuteleo y del
agua en una roca tal como se muestra en la figura 112 La mojabilidad de la roca es
determinada por la fase que maacutes absorbe
Figura 112 Celda de imbibicioacuten espontanea [10]
141 Interaccioacuten roca-fluido
29
La mojabilidad es muy importante en los procesos de recuperacioacuten de aceite debido al fuerte
efecto que eacutesta ejerce en la distribucioacuten localizacioacuten y flujo de aceite y agua dentro del
yacimiento durante la produccioacuten
Generalmente se asume que los yacimientos de aceite fueron creados por la acumulacioacuten de
hidrocarburos en rocas que originalmente conteniacutean agua y por ello se deduce que las rocas
de todos los yacimientos fueron originalmente mojadas por agua [23]
Asimismo existen casos aislados en los cuales despueacutes de haberse hecho pruebas se
descubrioacute que algunos yacimientos eran originalmente mojados por aceite Principalmente
los asfaltenos pesados y las fracciones de resina del aceite crudo son capaces de alterar por
adsorcioacuten la mojabilidad de una caliza mojada originalmente por agua a una mojada por
aceite en su superficie Los componentes maacutes importantes en el aceite crudo responsables
del cambio de mojabilidad son aquellos que contienen grupos cargados como un aacutecido o una
base
Las rocas carbonatadas usualmente llevan cargan positivas en la superficie y tienen una
afinidad mayor por los componentes aacutecidos del aceite crudo En el caso de las areniscas cuya
carga de superficie es negativa se tiene una mayor atraccioacuten por los componentes baacutesicos
del aceite crudo [10] La figura 113 es una representacioacuten esquemaacutetica de coacutemo las partes
aacutecidas del aceite se adsorben sobre la superficie de la caliza generando un estado maacutes mojado
por aceite
Figura 113 Esquema de las partes aacutecidas del aceite crudo sobre una superficie de roca
carbonatada
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacutenea
30
La comprensioacuten de los mecanismos detraacutes de la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes
puede mejorar el desempentildeo y aplicacioacuten del producto en operaciones de campo
Diversos investigadores notaron que para cada tipo de roca la efectividad de la alteracioacuten de
la mojabilidad depende de la naturaleza ioacutenica del surfactante empleado En nuacutecleos de
calizas mojadas por aceite Austad [19] observoacute que surfactantes catioacutenicos funcionaron
mejor que surfactantes anioacutenicos en el cambio de mojabilidad hacia un estado maacutes mojado
por agua Pensaron que para los surfactantes catioacutenicos el mecanismo responsable de la
alteracioacuten de la mojabilidad en una roca carbonatada mojada por aceite era la formacioacuten de
ion-par entre las cabezas catioacutenicas de las moleacuteculas de surfactante y los componentes aacutecidos
del aceite crudo adsorbidos en la superficie de la roca carbonatada
La formacioacuten del ioacuten-par puede remover la capa de aceite crudo adsorbida sobre la superficie
de la roca logrando exponer la superficie de la roca carbonatada originalmente mojada por
agua En cambio las moleacuteculas de los surfactantes anioacutenicos forman una capa en la
superficie de la roca carbonatada a traveacutes de la interaccioacuten hidrofoacutebica de las colas del
surfactante en la superficie La capa de surfactantes adsorbidos con los grupos de cabezas
hidrofiacutelicas cubriendo la roca originalmente mojada por aceite pueden cambiar la
mojabilidad del medio poroso a uno maacutes mojado por agua En este caso las interacciones
hidrofoacutebicas son mucho maacutes deacutebiles que las interacciones ioacuten-par explicando por queacute los
surfactantes catioacutenicos funcionan mejor que los anioacutenicos en la alteracioacuten de mojabilidad en
rocas carbonatadas hacia un estado maacutes mojado por agua Esas pruebas e hipoacutetesis fueron el
comienzo de un estudio que otros investigadores culminaron en un estudio de la mecaacutenica de
la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes [19]
143 Cambio de mojabilidad por el ioacuten-par
31
La formacioacuten del ioacuten-par es influenciado principalmente por interacciones electrostaacuteticas
entre las cabezas hidrofiacutelicas de los surfactantes y estabilizada por interacciones de las
secciones hidrofoacutebicas de la moleacutecula de surfactante Como se muestra en la figura 114 la
formacioacuten de iones-par remueve los componentes del aceite crudo adsorbido sobre la
superficie de la roca dando lugar a la cara originalmente mojada por agua [23]
Figura 114 Modelo esquemaacutetico del cambio de mojabilidad con la aplicacioacuten de
surfactantes
Los iones-par formados durante el proceso no son solubles en agua y por ello se mueven
raacutepidamente dentro de la fase aguaaceite hacia la fase aceite dejando las moleacuteculas de
surfactante libres en la fase agua para asociarse con los componentes del aceite adsorbidos
en la superficie de la roca (figura 114) De esta manera el surfactante cambia
satisfactoriamente la mojabilidad de la superficie de la roca a un estado maacutes mojado por agua
15 Surfactantes
Tambieacuten llamados agentes tensoactivos son moleacuteculas que poseen una doble afinidad
quiacutemica debido a su estructura de tipo polar-apolar Un surfactante o agente superficialmente
activo es una especie quiacutemica que es activa en la interfase entre dos fases como un
detergente que es activo en la interfase entre las fases hidroacutefila e hidroacutefoba El detergente se
acumula en la interfase y modifica la tensioacuten superficial La tensioacuten superficial disminuye
cuando un soluto se acumula en la interfase siendo el soluto en este caso el agente
tensoactivo [21] Su representacioacuten claacutesica se indica en la Figura 115
32
115 Representacioacuten de una moleacutecula surfactante
La parte polar o hidrofiacutelica es un grupo funcional ioacutenico o no ioacutenico generalmente constituida
por heteroaacutetomos como oxiacutegeno azufre nitroacutegeno y foacutesforo que permiten un alto grado de
solubilidad en solventes polares particularmente en agua La parte apolar o lipofiacutelica
generalmente es una cadena hidrocarbonada de tipo alquil o alquilbenceno con presencia en
ciertos casos de aacutetomos de un haloacutegeno u oxiacutegeno la cual es soluble en solventes orgaacutenicos
no polares particularmente hidrocarburos aceites y grasas Debido a esta dualidad polar-
apolar una moleacutecula de surfactante tiene tendencia a migrar a una intercara o una superficie
con la finalidad de satisfacer sus dos tipos de afinidad Sin embargo no todas las sustancias
anfifiacutelicas poseen esta propiedad [14]
151 Clasificacioacuten de los surfactantes
Debido a que la accioacuten de los surfactantes depende principalmente de fuerzas electrostaacuteticas
eacutestos se clasifican de acuerdo a la naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua Los
surfactantes se dividen en anioacutenicos catioacutenicos no ioacutenicos y zwitterioacutenicos (anfoteacutericos)
La tabla 13 muestra su clasificacioacuten incluyendo su descripcioacuten esquemaacutetica las
caracteriacutesticas de carga del grupo soluble en agua los grupos quiacutemicos maacutes importantes y
sus usos principales
La naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua se usa para clasificar los surfactantes en
cuatro clases
33
Tabla 13 Clasificacioacuten de Surfactantes
Clasificacioacuten Descripcioacuten Carga del grupo
soluble en agua
Grupos Quiacutemicos Usos
Anioacutenicos M+ + Negativa Sulfonatos
Sulfatos
Fosfatos
Fosfonatos
No
emulsificantes
Retardadores
Limpiadores
Catioacutenicos X- - Positiva Grupos aminos No
emulsificantes
Inhibidores de
corrosioacuten
No ioacutenicos XxR Sin Carga Alcoholes
Alquilfenoles
Esteres
Eteres
Amidas
Etileno
No
emulsificantes
Espumantes
Inhibidores de
corrosioacuten
Zwitterioacutenicos M+ X- Posee ambas
cargas
Dodedil amino
aacutecido propionico
Inhibidores de
corrosioacuten
Los surfactantes anioacutenicos se disocian en un anioacuten anfiacutefilo y un catioacuten el cual es en general
un metal alcalino o un grupo alquiacutelico A este tipo pertenecen los detergentes sinteacuteticos como
los alquil benceno sulfonatos los jabones (sales de sodio de aacutecidos grasos) los agentes
espumantes como el lauril sulfato los humectantes del tipo sulfosuccinato los dispersantes
del tipo lignosulfonatos etc La produccioacuten de los surfactantes anioacutenicos representa
alrededor del 55 de los surfactantes producidos anualmente en el mundo FIRP 303
Los surfactantes no ioacutenicos estaacuten en el segundo rango por orden de importancia con un poco
menos del 40 del total En solucioacuten acuosa no se ionizan puesto que ellos poseen grupos
hidroacutefilos del tipo alcohol fenol eacutester eacuteter o amida Una alta proporcioacuten de estos
surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofiacutelicos gracias a la presencia de una cadena
polieacuteter del tipo polioacutexido de etileno El grupo hidroacutefobo es generalmente un radical alquilo
o alquil benceno y a veces una estructura de origen natural como un aacutecido graso sobre todo
cuando se requiere una baja toxicidad
34
Los surfactantes catioacutenicos se disocian en solucioacuten acuosa en un catioacuten orgaacutenico anfiacutefilo y
un anioacuten generalmente del tipo halogenuro La gran mayoriacutea de estos surfactantes son
compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario La fabricacioacuten
de estos surfactantes es mucho maacutes cara que la de los anteriores y es por esta razoacuten que no
se les utilizan salvo en caso de aplicacioacuten particular como cuando se hace uso de sus
propiedades bactericidas o de su facilidad de adsorcioacuten sobre sustratos bioloacutegicos o inertes
que poseen una carga negativa
Esta uacuteltima propiedad hace que sean excelentes agentes antiestaacuteticos hidrofobantes asiacute
como inhibidores de corrosioacuten [24] y puedan ser utilizados tanto en productos industriales
como para uso domeacutestico
La combinacioacuten dentro de una misma moleacutecula de dos caracteres anioacutenico y catioacutenico
producen un surfactante llamado anfoacutetero o zwitterioacutenico como por ejemplo los
aminoaacutecidos las betaiacutenas o los fosfoliacutepidos ciertos anfoacuteteros son insensibles al pH otros
son de tipo catioacutenico a pH aacutecido y de tipo anioacutenico a pH alto Los anfoacuteteros son en general
tan caros como los catioacutenicos y por esta razoacuten su utilizacioacuten se reduce a aplicaciones
particulares
152 Propiedades de los surfactantes
Los surfactantes poseen dos propiedades fundamentales que permiten explicar las
caracteriacutesticas de su utilizacioacuten actividad superficial o interfacial adsorcioacuten y asociacioacuten
micelar
1511 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacuten
Cuando un surfactante estaacute presente a baja concentracioacuten en un sistema tiene la propiedad
de adsorberse en la superficie (liacutequido-gas) o en la cara interfacial (liacutequido-liacutequido) del
sistema Este fenoacutemeno que es debido a sus caracteriacutesticas anfifiacutelicas provoca una
disminucioacuten notable de la energiacutea libre superficial o interfacial
35
La energiacutea libre de la moleacutecula en la cara interfacial es inferior a la de la moleacutecula
solubilizada en la fase acuosa por tanto la transferencia desde el seno de la fase hacia la cara
interfacial llamada adsorcioacuten se realiza de manera espontaacutenea
La disminucioacuten de la tensioacuten interfacial provocada por la adsorcioacuten del surfactante favorece
la deformacioacuten y la ruptura de la cara interfacial la formacioacuten de sistemas dispersos como
las emulsiones y las espumas la movilizacioacuten del petroacuteleo residual en pozos entre otros [26]
1512 Micelas y asociacioacuten micelar
En soluciones diluidas el surfactante se encuentra en el seno del liacutequido bajo la forma de
solucioacuten molecular A partir de cierta concentracioacuten llamada concentracioacuten micelar criacutetica
(CMC) la fase acuosa se satura y la adicioacuten de maacutes moleacuteculas de surfactante provoca la
formacioacuten de agregados de tipo coloidal llamadas micelas [21]
Estos agregados pueden reunir entre decenas y centenas de moleacuteculas y su dimensioacuten y
estructura dependen de la estructura y del ambiente fisicoquiacutemico del surfactante La
tendencia liofoacutebica de una parte de la moleacutecula surfactante es el principal promotor de la
formacioacuten de las micelas en las cuales el surfactante alcanza una posicioacuten favorable para
satisfacer su doble afinidad
Generalmente se presenta a una micela como una entidad estaacutetica sin embargo las micelas
son agregados moleculares en equilibrio dinaacutemico con las moleacuteculas de surfactante dispersas
en el disolvente [19] De hecho se puede citar que ocurren dos procesos baacutesicos i) intercambio
de las micelas con las moleacuteculas de surfactante en el disolvente y con otras micelas que
ocurre en microsegundos o milisegundos y ii) la renovacioacuten real de una micela completa por
este proceso (de milisegundos a segundos)
Cuando el medio continuo estaacute formado por una sustancia no polar (denominado
geneacutericamente aceite aunque su estructura quiacutemica no corresponda a este nombre) se
forman las llamadas micelas inversas Ahora las cabezas polares estaacuten orientadas hacia el
interior de la micela y estaacuten en contacto con agua o alguna otra sustancia polar mientras que
las colas hidrocarbonadas se dirigen hacia el exterior de la micela (en contacto con el
36
disolvente apolar) como se muestra en la figura 116 Estos sistemas son mucho maacutes
complejos que los formados por las micelas normales tienen valores propios para la CMC y
nuacutemero de agregacioacuten aunque su tamantildeo y forma es similar al de las micelas normales
Figura 116 Tipos de micela A) micela normal B) micela inversa
El tamantildeo de una micela esfeacuterica estaacute determinado por el equilibrio entre las fuerzas de
atraccioacuten entre las colas hidrocarbonadas entre siacute (realmente se debe a que las moleacuteculas de
agua tienden a expulsar a las moleacuteculas hidrofoacutebicas de su contacto) y las fuerzas de repulsioacuten
electrostaacutetica de las cabezas polares (ayudada por efectos esteacutericos y de hidratacioacuten)
Mediante estudios de difraccioacuten de neutrones a aacutengulo pequentildeo se ha determinado la
estructura de una micela esfeacuterica el nuacutecleo es hidrocarbonado los grupos polares junto con
algunos contraiones (iones de carga opuesta al de la cabeza polar del surfactante) constituyen
la capa ioacutenica de Stern con un espesor de 02 a 04 nm y una capa difusa de Gouy-Chapman
mostrado en la figura 117
37
Figura 117 Comportamiento estaacutetico micelar
A concentraciones de surfactante ligeramente mayores que la CMC las micelas son esfeacutericas
al aumentar la concentracioacuten ciertas propiedades de la disolucioacuten indican un cambio en la
estructura de los agregados micelares Esto se debe probablemente a interacciones entre las
micelas Incrementando la concentracioacuten las micelas adoptan formas ciliacutendricas o lamelares
o en algunos casos de discos A concentraciones superiores pueden ocurrir transiciones de
fase de solucioacuten micelar a cristales liacutequidos
Algunas de las caracteriacutesticas que hacen atractivas a las micelas para aplicaciones analiacuteticas
son la existencia de la capa ioacutenica de Stern (en micelas ioacutenicas) la orientacioacuten anisotroacutepica
(o grado de ordenamiento) del nuacutecleo de la micela el ordenamiento de la interfaz micelar
debido a la carga y a las interacciones con el disolvente y a la diferencia de polaridad entre
el disolvente y el interior micelar
Muchas propiedades fiacutesicas de las soluciones de surfactante (conductividad tensioacuten
superficial densidad etc) cambian de manera notable en la CMC Comuacutenmente la CMC se
obtiene por la interseccioacuten de dos curvas que representan una propiedad fiacutesica determinada
de la solucioacuten una curva representa la propiedad fiacutesica a concentraciones inferiores a la CMC
y la otra representa la propiedad fiacutesica a concentraciones superiores [10]
38
16 Emulsiones
Las emulsiones son sistemas dispersos constituidos por dos liacutequidos inmiscibles en los cuales
la fase en suspensioacuten (fase interna o dispersa) se encuentra en forma de pequentildeas gotas
contenida en la fase externa (fase continua o dispersante) como se muestra en la figura 118
La estructura de las emulsiones estaacute estabilizada por un agente surfactante llamado
emulsionante Por definicioacuten una emulsioacuten es un sistema termodinaacutemicamente inestable y
tarde o temprano debe separarse en sus dos fases [19]
Figura 118 Micrografiacutea de una emulsioacuten WO
La nocioacuten de estabilidad es por supuesto relativa pero se refiere a una casi ausencia de
cambio durante un periacuteodo de tiempo suficientemente largo para el propoacutesito de la aplicacioacuten
praacutectica lo cual puede variar de algunos minutos a algunos antildeos
Las cantidades relativas de fase dispersa y fase continua (referidas tambieacuten como fase interna
y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades Por debajo de 20 de fase
interna se habla de una emulsioacuten de bajo contenido de fase interna En tales emulsiones se
puede considerar que hay poca interaccioacuten de las gotas entre siacute
39
161 Tipos de emulsiones
En la mayoriacutea de los casos en los cuales se hace una emulsioacuten con dos liacutequidos
inmiscibles uno de los liacutequidos es una fase acuosa y el otro una fase aceite u orgaacutenica Se
usan las abreviaturas O para el aceite y W para el agua siguiendo la nomenclatura
anglosajona Las emulsiones se clasifican [26]
Aceite en agua (OW) Esta emulsioacuten contiene gotas de aceite dispersadas en agua
es la emulsioacuten normal para todas las aplicaciones con excepcioacuten de la produccioacuten de
petroacuteleo en la cual se denomina emulsioacuten inversa
Agua en aceite (WO) En esta emulsioacuten la fase dispersa es el agua mientras que la
continua es el aceite esta es la emulsioacuten normal en la industria petrolera y la inversa
para todas las demaacutes aplicaciones
Agua en aceite en agua (WOW) Cuando las gotas de aceite de una emulsioacuten OW
contienen en su interior gotitas de agua se dice que se tiene una emulsioacuten muacuteltiple
del tipo WOW Las emulsiones muacuteltiples se encuentran en forma espontaacutenea en
ciertas circunstancias o pueden prepararse al propoacutesito
Aceite en agua en aceite (OWO) Este tipo de emulsioacuten no se encuentra con
frecuencia y estaacute constituida por una fase continua de aceite con gotas dispersas de
agua en su interior las cuales a su vez contienen pequentildeiacutesimas gotas de la fase
aceitosa
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleo
Durante las operaciones de extraccioacuten del petroacuteleo la mezcla bifaacutesica de petroacuteleo y agua se
desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden de 1 piediacutea lo que es insuficiente
para que se forme una emulsioacuten Sin embargo al pasar por todo el aparataje de produccioacuten
durante el levantamiento y el transporte en superficie (bombas vaacutelvulas codos restricciones
etc) se produce la agitacioacuten suficiente para que el agua se disperse en el petroacuteleo en forma
de emulsioacuten WO estabilizada por las especies de actividad interfacial presentes en el crudo
(asfaacuteltenos y resinas) y por soacutelidos
40
Existen tres requisitos esenciales para formar una emulsioacuten
Dos liacutequidos inmiscibles como el agua y el aceite
Suficiente agitacioacuten para dispersar uno de los liacutequidos en pequentildeas gotas en el otro
Un agente emulsionante para estabilizar las gotas dispersas en la fase continua
En los campos petroleros las emulsiones se conocen como emulsiones directas (agua
en aceite WO) y emulsiones indirectas (aceite en agua OW) Otra terminologiacutea en la
industria petrolera es clasificar las emulsiones directas producidas como duras y suaves Por
definicioacuten una emulsioacuten dura es muy estable y difiacutecil de romper principalmente porque las
gotas dispersas son muy pequentildeas Por otro lado una emulsioacuten suave es inestable y faacutecil de
romper En otras palabras cuando un gran nuacutemero de gotas de agua de gran diaacutemetro estaacuten
presentes ellas a menudo se separan faacutecilmente por la fuerza gravitacional El agua que se
separa en menos de cinco minutos es llamada agua libre
La mejor forma de deshidratar es evitar que se produzca la emulsioacuten o por lo menos
reducir al maacuteximo las condiciones que favorezcan el emulsionado
En pozos fluyentes una agitacioacuten considerable es generalmente causada por el gas
disuelto saliendo de la solucioacuten (el gas se desorbe) conforme decrece la presioacuten Este gas
tambieacuten causa turbulencia cuando fluye junto con la mezcla bifaacutesica agua-aceite a traveacutes de
accesorios y restricciones en la tuberiacutea de produccioacuten pasa por supuesto lo mismo cuando
se utiliza el levantamiento con gas Esta turbulencia puede ser reducida pero no eliminada
instalando un estrangulador de fondo Este estrangulador reduce la estabilidad de la emulsioacuten
por las siguientes causas
Hay menos presioacuten diferencial
La temperatura de fondo de pozo es considerablemente maacutes alta que la temperatura
en la superficie
Hay flujo laminar para una gran distancia corriente abajo del estrangulador de fondo
y por lo tanto menos turbulencia
Actualmente el 90 de las teacutecnicas utilizadas para la extraccioacuten de petroacuteleo crudo
generan o agravan los problemas de emulsionado Los quiacutemicos usados en las fracturas de la
41
formacioacuten estimulaciones de pozos inhibicioacuten de corrosioacuten etc frecuentemente causan
severos problemas de emulsionaje por lo que existen meacutetodos para romperlas tales como el
calentamiento aditivos quiacutemicos tratamiento eleacutectrico y asentamiento En los casos de bajo
contenido de agua (lt 10) resulta ventajoso antildeadir agua en fondo de pozo antes que se
produzca la emulsioacuten porque asiacute la emulsioacuten formada seraacute menos estable (el tamantildeo de gotas
aumenta y se favorece la coalescencia [22]
163 Agentes emulsionantes
Los agentes emulsionantes son numerosos y pueden ser clasificados
Compuestos naturales surfactantes tales como asfaltenos y resinas conteniendo
aacutecidos orgaacutenicos y bases aacutecidos nafteacutenicos aacutecidos carboxiacutelicos compuestos de
azufre fenoles cresoles y otros surfactantes naturales de alto peso molecular
Soacutelidos finamente divididos tales como arena arcilla finos de formacioacuten esquistos
lodos de perforacioacuten fluidos para estimulacioacuten incrustaciones minerales productos
de la corrosioacuten (por ejemplo sulfuro de hierro oacutexidos) parafinas asfaltenos
precipitados Los fluidos para estimulacioacuten de pozos pueden contribuir a formar
emulsiones muy estables
Quiacutemicos de produccioacuten antildeadidos tales como inhibidores de corrosioacuten biocidas
limpiadores surfactantes y agentes humectantes
Estos agentes pueden adsorberse en la interfase de la gota de agua y formar una peliacutecula
riacutegida que resulta en una alta estabilidad de la emulsioacuten WO formada lo cual ocurre en
menos de tres diacuteas Es por eso que la emulsioacuten debe tratarse lo maacutes pronto posible con
diferentes agentes tales como quiacutemica deshidratante calor sedimentacioacuten por
centrifugacioacuten o electrocoalescencia [26]
42
164 Estabilidad de una emulsioacuten
La peliacutecula interfacial formada estabiliza la emulsioacuten debido a que
Aumenta la tensioacuten interfacial Por lo general para emulsiones de crudo la tensioacuten
interfacial se encuentra en el intervalo de 30 a 36 mN m-1 Asiacute mismo la presencia
de sales aumenta la tensioacuten interfacial
Forma una barrera viscosa que inhibe la coalescencia de las gotas
Si el surfactante o partiacutecula adsorbida en la interfase es polar su carga eleacutectrica
provoca que se repelan unas gotas de otras
Otro mecanismo de estabilizacioacuten ocurre cuando los emulsionantes son partiacuteculas soacutelidas
muy finas Para ser agentes emulsionantes las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes pequentildeas que
las gotas suspendidas y deben ser mojadas por el aceite y el agua Luego estas finas partiacuteculas
soacutelidas o coloides (usualmente con surfactantes adheridos a su superficie) se colectan en la
superficie de la gota y forman una barrera fiacutesica Algunos de estos soacutelidos son el sulfuro de
hierro y la arcilla [14]
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacuten
La estabilidad y rompimiento de una emulsioacuten depende de varios factores
Tensioacuten interfacial Una reduccioacuten de la tensioacuten interfacial no aumenta la estabilidad
de la emulsioacuten Se ha encontrado que los sistemas de tensioacuten ultrabaja producen
emulsiones inestables
Viscosidad de la fase externa Una viscosidad alta en la fase externa disminuye el
coeficiente de difusioacuten y la frecuencia de colisioacuten de las gotas por lo que se
incrementa la estabilidad de la emulsioacuten Una alta concentracioacuten de las gotas tambieacuten
incrementa la viscosidad aparente de la fase continua y estabiliza la emulsioacuten Este
efecto puede ser minimizado calentando la emulsioacuten
Tamantildeo de la gota Gotas muy pequentildeas menores de 10 microm generalmente producen
emulsiones maacutes estables Una amplia distribucioacuten de tamantildeos de partiacuteculas resulta en
general en una emulsioacuten menos estable
43
Relacioacuten de volumen de fases Incrementando el volumen de la fase dispersa se
incrementa el nuacutemero de gotas yo tamantildeo de gotas y el aacuterea interfacial La distancia
de separacioacuten se reduce y esto aumenta la probabilidad de colisioacuten de las gotas Todos
estos factores reducen la estabilidad de la emulsioacuten
Temperatura Usualmente la temperatura tiene un efecto muy fuerte en la estabilidad
de la emulsioacuten Incrementando la temperatura se reduce la adsorcioacuten de surfactantes
naturales y disminuye la viscosidad de la fase externa la rigidez de la peliacutecula
interfacial y la tensioacuten superficial Todos estos cambios reducen la estabilidad de la
emulsioacuten
pH La adicioacuten de aacutecidos o bases inorgaacutenicos cambia radicalmente la formacioacuten de
peliacuteculas de asfaltenos y resinas que estabilizan las emulsiones agua-aceite
Envejecimiento de la interfase A medida que la interfase envejece la adsorcioacuten de
los surfactantes se completa y debido a las interacciones laterales entre las moleacuteculas
aumenta la rigidez de la peliacutecula hasta un valor estable en unas 3 o 4 horas Esta
peliacutecula o piel alrededor de la gota llega a ser maacutes gruesa maacutes fuerte y maacutes dura
Ademaacutes la cantidad de agentes emulsionantes se incrementa por oxidacioacuten fotoacutelisis
evaporacioacuten o por la accioacuten de bacterias
Salinidad de la salmuera La salinidad de la salmuera es un factor importante en la
formacioacuten de emulsiones estables Agua fresca o salmuera con baja concentracioacuten de
sal favorecen la estabilidad de las emulsiones Por el contrario altas concentraciones
de sal tienden a reducirla
Tipo de aceite Los crudos de base parafiacutenica usualmente no forman emulsiones
estables mientras que los crudos nafteacutenicos y de base mixta forman emulsiones
estables Ceras resinas asfaltenos y otros soacutelidos pueden influenciar la estabilidad
de la emulsioacuten En otras palabras el tipo de crudo determina la cantidad y tipo de
emulsionantes naturales
Diferencia de densidad La fuerza neta de gravedad que actuacutea en una gota es
directamente proporcional a la diferencia en densidades entre la gota y la fase
continua Aumentando la diferencia de densidad por incremento de la temperatura se
logra aumentar la velocidad de sedimentacioacuten de las gotas y por ende se acelera la
coalescencia
44
Capiacutetulo II
Metodologiacutea
45
La metodologiacutea usada en este proyecto se ilustra en la figura 21 la cual abarca desde la
preparacioacuten de las rocas carbonatadas hasta las pruebas de dispersioacuten de luz dinaacutemica y
potencial zeta con las cuales se concluyoacute este trabajo
Figura 21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyecto
Preparacioacuten de rocas carbonatadas (Pulido)
Caracterizacioacuten de las rocas carbonatadas por Espectroscopiacutea FTIR UV-vis SEMEDX
Preparacioacuten de emulsioacuten WO (7030) aplicando 500 y 800 mg L-1
de S(I) y S(II)
Imbibicioacuten espontaacutenea de roca de yacimiento
Pruebas tensiometricas de crudo emulsionado sobre roca
(Metodo de gota seacutesil)
Extraccioacuten de asfaltenos
Impregnacioacuten y caracterizacioacuten de asfaltenos sobre roca carbonatada
DLS de roca impreganada de asfaltenos
Potencial Zeta de roca impregnada de asfaltenos
46
21 Reactivos utilizados en el proyecto
En la tabla 21 se enlistan los reactivos utilizados en el desarrollo del proyecto
Tabla 21 Reactivos empleados en el proyecto
Reactivo Pureza Marca CAS
Acetona 999 Sigma-Aldrich 67-64-1
Heptano 95 Sigma-Aldrich 142-82-5
Tolueno 999 Sigma-Aldrich 108-99-3
Ciclohexano 99 Sigma-Aldrich 110-82-7
Nitrato de sodio 99 Sigma-Aldrich 7631-99-4
Cloruro de Sodio 99 Sigma-Aldrich 7647-14-5
Carbonato de calcio 99 Sigma-Aldrich 471-34-1
Sulfato de Magnesio 995 Sigma-Aldrich 7487-88-9
Agua desionizada 995 Sigma-Aldrich 7732-18-5
En la tabla 22 se muestran la nomenclatura de los surfactantes empleados en la
experimentacioacuten los cuales son de naturaleza catioacutenica debido a la propiedad de absorberse
sobre sustratos cargados negativamente
Tabla 22 Surfactantes utilizados en la experimentacioacuten
22 Sistemas de estudio
Clave Nombre surfactante Estructura
S1
P-toluensulfonato de 1-
metil-3-hexilimidazolio
[1M3HIMPTSO3]
S2
Cloruro de 1-metil-3-etil-
p-toluensulfonilimidazolio
[1M3EPTSO3IMCl]
CH3
N
N+
CH3
CH3
S
O
O
O-
CH3S
O
O
O
CH3
N
N+
Cl-
47
221 Agua congeacutenita
Se obtuvo una muestra de agua congeacutenita del petroacuteleo Aguacate 72 la cual fue proporcionada
por el Instituto Mexicano del Petroacuteleo Dicha muestra fue caracterizada por Espectroscopiacutea
de infrarrojo de Fourier con la finalidad de conocer los grupos funcionales presentes en la
misma
221 Salmuera
Se preparoacute a partir de una mezcla de 3 sales caracteriacutesticas de cualquier salmuera natural en
la siguiente proporcioacuten 30 de carbonato de calcio (CaCO3) 50 de cloruro de sodio
(NaCl) y 20 de sulfato de magnesio (MgSO4) Tomando como referencia 100 mL se pesoacute
1 gramo de mezcla de sales y se diluyoacute en agua desionizada posteriormente se realizaron
diluciones hasta obtener una concentracioacuten de 100 mg L-1
222 Extraccioacuten de asfaltenos
Se pesaron 10 g de crudo y se disolvieron en 40 mL de heptano posteriormente se aplicoacute
agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas Tras este periodo se dejoacute en reposo el sistema durante
24 horas Finalmente la solucioacuten se filtroacute aplicando vaciacuteo y exceso de heptano para arrastrar
los restos de compuestos no asfalteacutenicos contenidos en el producto
223 Impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada
Se preparoacute una muestra con la siguiente proporcioacuten 15 g de asfaltenos (30) y 35 g de
roca carbonatada (70) los cuales fueron agregados a 50 mL de Ciclohexano contenidos en
un matraz como se muestra en la figura 22 Se realizoacute agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas
posteriormente se realizoacute una filtracioacuten a vaciacuteo El producto obtenido se secoacute en una estufa a
100degC con un tiempo de secado de 24 horas
48
Figura 22 Muestra de roca carbonatada y asfaltenos
23 Disentildeo de experimentos
Se prepararon emulsiones con una proporcioacuten de 7030 (WO donde W corresponde al agua
siendo en nuestro caso de estudio agua congeacutenita oacute salmuera y O corresponde al crudo)
utilizando crudo Aguacate del pozo 72 manejando 10 g totales de muestra los cuales fueron
depositados en recipientes de plaacutestico de 20 mL ademaacutes de ser sometidas a agitacioacuten
continua con una espaacutetula por 20 minutos con el fin de formar la emulsioacuten
El petroacuteleo utilizado en el proyecto tiene las siguientes caracteriacutesticas
Densidad 09696 g cm-3
1440 grados API
2166 Saturados 3057 Aromaacuteticos 2435 Resinas y 2341 Asfaltenos
El disentildeo experimental es presentado en la tabla 23 se trabajoacute con 2 diferentes surfactantes
(S2 y S3) y estos se agregaron a las diferentes emulsiones WO usando concentraciones de
500 mg L-1 y 800 mg L-1 realizaacutendose micrografiacuteas de las emulsiones antes y despueacutes de
agregar el surfactante posteriormente se realizoacute el anaacutelisis tensiomeacutetrico de cada emulsioacuten
finalizando con el estudio dispersivo de los asfaltenos por Dispersioacuten de Luz dinaacutemica (DLS)
y Potencial Zeta
49
Tabla 23 Disentildeo de experimentos
Experimento Q1 O1 SX C(mg L-1)
Roca Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Experimento Q1 O1 SX C(ppm)
Roca Impregnada Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
50
24 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
241 Espectroscopiacutea de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)
Las teacutecnicas espectroscoacutepicas se fundamentan en la interaccioacuten de la materia con la
radiacioacuten Esta interaccioacuten provoca procesos como la absorcioacuten o la difusioacuten (scattering)
Cuando una moleacutecula absorbe o emite un fotoacuten su estado energeacutetico cambia En general
este cambio se manifiesta como una variacioacuten en la energiacutea traslacional de la moleacutecula y
como una modificacioacuten en su estado electroacutenico vibracional o rotacional Como las energiacuteas
asociadas a cada uno de estos cambios son muy diferentes cada uno de estos procesos se
puede tratar de manera independiente Exceptuando los cambios traslacionales los estados
energeacuteticos de las moleacuteculas estaacuten cuantizados consecuentemente los procesos de absorcioacuten
y emisioacuten soacutelo pueden darse a determinadas frecuencias de los fotones Para cada moleacutecula
dada su espectro de adsorcioacutenemisioacuten constituye una huella de la misma Las absorciones
que se producen en la regioacuten espectral del infrarrojo involucran energiacuteas mucho maacutes
pequentildeas comparadas con las energiacuteas de absorcioacuten relacionadas con la estructura electroacutenica
de la moleacutecula (ultravioleta y visible)
Sin embargo no todas las vibraciones yo rotaciones producen una absorcioacuten de radiacioacuten
incidente Soacutelo los modos vibracionales y rotacionales de moleacuteculas con momento bipolar
diferente de cero o bien aquellos modos que induzcan un momento diferente de cero en la
moleacutecula son activos al infrarrojo Para que exista un espectro rotacional activo en el
infrarrojo se requiere que la moleacutecula sea polar mientras que para tener un espectro
vibracional activo en el infrarrojo basta que el movimiento vibracional de los aacutetomos de la
moleacutecula induzca un momento bipolar no nulo [28]
En un interferoacutemetro Michelson el haz de radiacioacuten que viene de la fuente se divide mediante
un espejo semipermeable (beamsplitter) en dos haces parciales que se reflejan en sendos
espejos uno fijo y otro moacutevil vuelven al beamsplitter y se recombinan en interferencia Un
desplazamiento del espejo moacutevil cambia el camino oacuteptico en ese brazo del interferoacutemetro
51
introduciendo una diferencia de fase entre los haces y por tanto un cambio en la amplitud de
la interferencia La intensidad de sentildeal que llega al detector tras atravesar la muestra
representada como funcioacuten de la diferencia en la trayectoria de ambos haces (retardo) es lo
que se llama interferograma Con una radiacioacuten monocromaacutetica se obtiene una sentildeal coseno
que en el caso de caminos oacutepticos ideacutenticos en ambos brazos proporciona una interferencia
constructiva sin diferencia de fase entre los haces y por tanto una intensidad maacutexima El
resultado es un interferograma (intensidad en funcioacuten del tiempo) la cual se convierte viacutea un
algoritmo matemaacutetico (transformada de Fourier) en un diagrama de Intensidad en funcioacuten de
la frecuencia (espectro)
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro FTIR de marca Perkin Elmer Spectrum One donde se
analizoacute la roca carbonatada de yacimiento Para la identificacioacuten de los grupos funcionales
se trabajoacute con un intervalo espectral de 4000 a 380 cm-1 utilizando 12 barridos
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)
El espectro Ultravioleta y Visible de las moleacuteculas estaacute asociado a transiciones electroacutenicas
entre los diferentes niveles energeacuteticos en ciertos grupos o aacutetomos de la moleacutecula En
contraste la absorcioacuten de energiacutea en la regioacuten Infrarroja estimulan la moleacutecula completa y
causa cambios vibracionales y rotacionales en esta lo cual caracteriza la entidad estructural
de dicha moleacutecula Los grupos de aacutetomos que dan origen a la absorcioacuten en el UV cercano o
UV de cuarzo se conocen como grupos cromoacuteforos La mayoriacutea de los grupos insaturados y
heteroatoacutemicos que tienen pares de electrones no compartidos son cromoacuteforos potenciales y
estos grupos son la base de la elucidacioacuten de grupos estructurales en las moleacuteculas activas en
el UV cercano
Cuando dos aacutetomos forman un enlace quiacutemico los orbitales atoacutemicos de cada uno de ellos
se combinan para formar dos orbitales moleculares uno de baja energiacutea que es el orbital
enlazante y otro de energiacutea mayor que es el orbital antienlazante Los enlaces covalentes que
se originan entre los orbitales de dos aacutetomos que se enlazan quiacutemicamente pueden ser de dos
tipos y se conocen como enlaces σ y enlaces π
52
Al efectuarse dicho enlace covalente se forman simultaacuteneamente orbitales antienlazantes σ
en el caso de un orbital molecular enlazante σ y π en el caso de un orbital molecular
enlazante p La absorcioacuten de energiacutea radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones
σ oacute π resulta en la excitacioacuten de eacutestos los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales
antienlazantes La absorcioacuten de radiacioacuten Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas
transiciones
Un espectro ultravioleta-visible es esencialmente un graacutefico de absorbancia de luz frente a
una longitud de onda en el rango del ultravioleta o la luz visible para una determinada
sustancia puede hacerse un graacutefico estaacutendar del coeficiente de extincioacuten (ε) frente a la
longitud de onda (λ) Las longitudes de onda de los picos de absorcioacuten pueden
correlacionarse con los tipos de enlace en una determinada moleacutecula y son valiosos para
determinar los grupos funcionales dentro de la moleacutecula La absorcioacuten UV-Vis no es sin
embargo una prueba especiacutefica para ninguacuten compuesto determinado La naturaleza del
disolvente el pH de la solucioacuten la temperatura la concentracioacuten de electrolitos y la
presencia de sustancias interferentes pueden influir en los espectros de absorcioacuten de los
compuestos asiacute como las variaciones de ancho de banda [29]
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro UV-vis de marca Cintral 303 GBC en donde se analizaron
los compuestos sintetizados Para la identificacioacuten de los grupos funcionales se trabajoacute con
una celda de 10 mm de espesor en un intervalo espectral de 800 a 200 nm Se preparoacute una
solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano a una concentracioacuten de 100 mg L-1 asiacute como
soluciones de roca impregnada de crudo en ciclohexano a diferentes concentraciones (100
50 30 20 10 5 3 y 1 mg L-1)
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
El Microscopio electroacutenico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscopy) es una
teacutecnica que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen
ampliada de la superficie de un objeto Es un instrumento que permite la observacioacuten y
caracterizacioacuten superficial de soacutelidos inorgaacutenicos y orgaacutenicos Tiene una gran profundidad
53
de campo la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra Eacutesta teacutecnica
brinda informacioacuten topograacutefica sobre la superficie de material analizado y el anaacutelisis EDX
proporciona informacioacuten sobre su composicioacuten quiacutemica [30]
Esta teacutecnica esencialmente consiste en hacer incidir en la muestra un haz de electrones Este
bombardeo de electrones provoca la aparicioacuten de diferentes sentildeales que captadas con
detectores adecuados nos proporcionan informacioacuten acerca de la naturaleza de la muestra
La sentildeal de electrones secundarios proporciona una imagen de la morfologiacutea superficial de
la muestra La sentildeal de los electrones retrodispersados muestra una imagen cualitativa de
zonas con distinto nuacutemero atoacutemico medio y la sentildeal de rayos X presenta los espectros e
imaacutegenes acerca de la composicioacuten de elementos quiacutemicos en la muestra
25 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten espontaacutenea de la fase mojante sobre la superficie de una roca consiste en la
absorcioacuten de la misma en su superficie tan pronto como existe contacto entre dicha fase y el
soacutelido sin requerirse de la accioacuten de un trabajo externo para realizarse lo cual tambieacuten se
conoce como la succioacuten capilar de esta fase en el medio poroso es decir es un proceso que
consiste en el ingreso de la fase mojante en los poros de la roca por efecto de las fuerzas
capilares [10]
En este proceso se utiliza una Celda de Amott el cual es un contenedor ciliacutendrico conceacutentrico
de vidrio en cuya parte central se colocan el material que seraacute saturado por la fase mojante
y en la capucha externa se introduce liacutequido refrigerante para mantener la temperatura
constante dentro de la celda
Para la experimentacioacuten se utilizaron 3 rocas carbonatadas que fueron introducidas en una
celda de Amott de 500 mL Posteriormente se llenoacute la parte interna de la celda con petroacuteleo
crudo y la capucha externa con refrigerante La celda se colocoacute en un bantildeo de aceite a 65degC
durante 7 diacuteas En la figura 23 se observa el montaje del equipo para el proceso de
imbibicioacuten
54
Figura 23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacuten
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
Este meacutetodo experimental es usado para determinar el aacutengulo de contacto existente en un
sistema bifaacutesico Consiste en la colocacioacuten de una gota sobre una superficie soacutelida
posteriormente el equipo realiza el caacutelculo de paraacutemetros propios de la gota como radio y
diaacutemetro los cuales son fundamentales sustituidos en las ecuaciones de tensioacuten superficial
[10]
Para la experimentacioacuten se emplearon 8 rocas carbonatadas de yacimiento las cuales fueron
previamente pulidas para generar una superficie lisa obseacutervese la figura 24 Posteriormente
se colocoacute la emulsioacuten preparada en la jeringa para estudio tensiomeacutetrico por accioacuten
gravitacional el fluido descendioacute provocando la formacioacuten de una gota la cual se fija en la
roca La caacutemara del tensioacutemetro detecta el aacutengulo y la forma de la gota asiacute como su
deformacioacuten con el paso del tiempo
55
Figura 24 Roca carbonatada previamente pulida
Asiacute mismo se realizoacute la medicioacuten del aacutengulo de contacto para las rocas imbibidas en crudo
(figura 25) soacutelo difiriendo en la fase mojante la cual se trataba en un primer experimento
de la salmuera o del agua congeacutenita y posteriormente se adicionaron los dos surfactantes a
500 y 800 mg L-1
Figura 25 Roca carbonatada imbibida de petroacuteleo
Se utilizoacute un tensioacutemetro de la marca Attension modelo Theta Lite 101 (figura 26) en donde
se analizaron los sistemas de estudio mencionados anteriormente empleando el meacutetodo de
gota seacutesil
Figura 26 Tensioacutemetro Attension Theta Lite 101
56
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemica
La dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS) a la que a veces se hace referencia como dispersioacuten de
luz cuasi elaacutestica (QELS) es una teacutecnica no invasiva y bien establecida para medir el tamantildeo
y distribucioacuten de tamantildeo de moleacuteculas partiacuteculas y agregados tiacutepicamente en la regioacuten
submicromeacutetrica y con la uacuteltima tecnologiacutea inferiores a 1 μm
Las aplicaciones tiacutepicas de la dispersioacuten de luz dinaacutemica son la caracterizacioacuten de partiacuteculas
emulsiones o moleacuteculas que se han dispersado o disuelto en un liacutequido El movimiento
Browniano de las partiacuteculas o moleacuteculas en suspensioacuten hace que la luz laacuteser se disperse en
diferentes intensidades [31] Con el anaacutelisis de estas fluctuaciones en la intensidad se obtiene
la velocidad del movimiento Browniano y por lo tanto del tamantildeo de partiacutecula mediante la
relacioacuten de Stokes-Einstein (figura 27)
Figura 27 Diagrama de funcionamiento de Dispersioacuten de luz dinaacutemica
A diferencia de la dispersioacuten de luz estaacutetica para determinar el tamantildeo de las partiacuteculas y
agregados la dispersioacuten de luz dinaacutemica no tiene en cuenta la dependencia del aacutengulo sino
la variacioacuten de la intensidad de dispersioacuten en el tiempo debido a la aglomeracioacuten de las
partiacuteculas con respecto al tiempo teniendo un efecto de sedimentacioacuten que provoca un
caacutelculo erroacuteneo de la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
Esta teacutecnica fisicoquiacutemica se utiliza para determinar el perfil de distribucioacuten de tamantildeos de
partiacuteculas pequentildeas en suspensioacuten mediante una fuente monocromaacutetica que pasa a traveacutes de
un polarizador y la muestra La luz dispersada pasa posteriormente a traveacutes de un segundo
57
polarizador donde es recogido por un fotomultiplicador y se obtiene una intensidad de
dispersioacuten determinada [32]
Para la experimentacioacuten se preparoacute la solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano con una
concentracioacuten de 100 mg L-1 se llevoacute a sonicacioacuten durante 15 minutos posteriormente se
colocaron 3 mL de la muestra en la celda y se realizoacute su anaacutelisis Asiacute mismo se estudiaron
las soluciones de roca impregnada en ciclohexano y la aplicacioacuten de los surfactantes sobre
las mismas a 500 y 800 mg L-1
Se utilizoacute un equipo de la marca Malvern modelo Zetasizer en donde se analizaron los
sistemas de estudio mencionados anteriormente
28 Potencial Zeta
El potencial zeta es una propiedad que mide el potencial electrocineacutetico en sistemas
coloidales en la quiacutemica coloidal se denota por lo general con la letra griega zeta Desde un
punto de vista fiacutesico el potencial zeta es el potencial eleacutectrico en la doble capa interfacial es
decir que es el punto donde se unen la capa difusa y la de Stern Tambieacuten el potencial zeta es
la diferencia de potencial entre el medio de dispersioacuten y la capa estacionaria unido a la
partiacutecula dispersada []
Las partiacuteculas coloidales dispersas en una solucioacuten estaacuten cargadas eleacutectricamente gracias a
sus caracteriacutesticas ioacutenicas y de bipolaridad El desarrollo de una red de carga eleacutectrica en la
superficie de la partiacutecula puede afectar la distribucioacuten de iones en una regioacuten interfacial
vecina y provocar un aumento de la concentracioacuten de iones contados (iones de carga
contraria a las partiacuteculas) cerca de la superficie tal como se muestra en la figura 27
58
Figura 27 Interacciones entre las partiacuteculas tras la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica [33]
Cada partiacutecula dispersa en una solucioacuten se rodea de iones cargados con carga opuesta que se
denomina capa fija Fuera de esta capa fija existen distintas composiciones de iones de
polaridad opuesta formando un aacuterea nebulosa De esta manera se crea una capa doble
eleacutectrica en la regioacuten de interfase partiacutecula- liacutequido
La medida del Potencial Z permite caracterizar y predecir el comportamiento de soacutelidos
macroscoacutepicos y de partiacuteculas en suspensiones liacutequidas en multitud de aplicaciones teacutecnicas
En suspensiones liacutequidas el Potencial Z es una medida de la atraccioacutenrepulsioacuten entre
partiacuteculas cargadas electrostaacuteticamente permitiendo estudiar la estabilidad de dispersiones
emulsiones suspensiones proteiacutenas poliacutemeros etc
En soacutelidos macroscoacutepicos es una propiedad importante de interfaces soacutelidoliacutequido cargadas
eleacutectricamente siendo un indicador de la carga superficial de un soacutelido en contacto con un
electrolito Esto permite estudiar las caracteriacutesticas y funcionalizacioacuten de superficies
Este anaacutelisis se realizoacute con un equipo de marca Malvern modelo ZetaSizer Se estudiaron
los sistemas Roca carbonatada roca impregnada de crudo asiacute como la aplicacioacuten de los
surfactantes a 500 y 800 mg L-1 utilizando como electrolito indiferente nitrato de sodio
01mM el cual permite la desestabilizacioacuten del coloide con la finalidad de que la corriente
eleacutectrica pase por todas las partiacuteculas y se obtenga una medicioacuten correcta del anaacutelisis Asiacute
mismo se varioacute el pH del sistema de 1 a 7 utilizando HCl 01 M y NaOH 01 M para
observar el efecto dispersivo de las partiacuteculas de roca
59
Capiacutetulo III
Resultados
31 Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenos
60
Se realizaron 3 extracciones de asfaltenos utilizando 10 mL de petroacuteleo en cada una se
obtuvieron entre 14182 g y 16875 g de asfaltenos lo cual representa un porcentaje de
recuperacioacuten en 1418 y 1675 El producto obtenido teniacutea una tonalidad oscura lo anterior
se observa en la figura 31
Figura 31 Asfaltenos obtenidos tras extraccioacuten
Asiacute mismo se realizoacute el procesos de impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada por
triplicado de los cuales se obtuvieron entre 169 g y 189 g de roca impregnada que
representa una recuperacioacuten entre 338 y 378 El producto teniacutea una tonalidad cafeacute oscura
lo anterior se observa en la figura 32
Figura 32 Roca impregnada de asfaltenos
32 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con transformada de Fourier
61
La elucidacioacuten de los espectros de FTIR se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura [35] indica que el carbonato de
calcio presenta sentildeales caracteriacutesticas de sus grupos funcionales tales como CO3 Ca-C y C-
O y Ca-CO3
321 Espectro FTIR de roca carbonatada
El espectro FTIR de la roca carbonatada se muestra en la figura 33 en el que se observa el
estiramiento del enlace Ca-C en 2513 cm-1 sentildeal caracteriacutestica del compuesto CaCO3 el
estiramiento de C-O en 1480 cm-1 y las vibraciones particulares del grupo CO3 en 714 y 877
cm-1 Estas sentildeales dan certeza de que el compuesto analizado es una roca de carbonato de
calcio
Figura 33 Espectro FTIR de roca carbonatada
62
322 Espectro de roca impregnada de asfaltenos
El espectro FTIR de la roca impregnada se muestra en la figura 34 en el que se observa el
estiramiento del enlace O-H en 3300 cm-1 las vibraciones simeacutetricas y asimeacutetricas de C-H
en 2988 y 2875 cm-1 la absorcioacuten energeacutetica del enlace C-H en 1625 cm-1 las flexiones de
los compuestos aromaacuteticos entre 1100 y 1500 cm-1 asiacute como la deformacioacuten noplanar del
anillo benceacutenico entre 700 y 900 cm-1 Estas sentildeales confirman la impregnacioacuten de asfaltenos
teniendo como principal diferencia frente a la roca carbonatada las flexiones y vibraciones
de los enlaces C-H y de los anillos aromaacuteticos presentes en la estructura asfalteacutenica teoacuterica
Figura 34 Espectro FTIR de roca impregnada de asfaltenos
63
33 Espectroscopia ultravioleta visible (UV-vis)
La elucidacioacuten de los espectros de UV-vis se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura indica la presencia de grupos
benceacutenicos y nafteacutenico en las estructuras quiacutemicas de los asfaltenos los cuales son
caracteriacutesticos de los mismos [29]
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada y roca impregnada
El espectro UV-vis de la roca carbonatada no presenta ninguna banda significativa esto se
debe principalmente a la ausencia de dobles y triples enlaces los cuales son sumamente
caracteriacutesticos en longitudes de 200 a 600 nm El espectro UV-vis de la roca impregnada
(figura 35) muestra 4 sentildeales las dos primeras retribuidas a los grupos benceacutenicos a 226 y
250 nm la tercera y cuarta a los grupos nafteacutenicos a 263 y 270 nm estructuras quiacutemicas
presentes en los asfaltenos
Se realizaron 6 experimentos iniciando con la roca carbonatada posteriormente la
evaluacioacuten de la roca impregnada de asfaltenos (RASF) variando la concentracioacuten de roca
(10 5 3 1 05 mg L-1)
Los espectros muestran desdoblamiento en las bandas debido al cambio electroacutenico en los
enlaces sigma y pi presentes en los ciclos aromaacuteticos Se observa el efecto de la concentracioacuten
de roca impregnada a 05 y 1 mg L-1 se tienen bandas maacutes definidas y caracteriacutesticas de los
asfaltenos a concentraciones mayores a lo anterior se enmascaran estas sentildeales debido a la
saturacioacuten de las partiacuteculas de roca impregnada en las muestra Lo anterior hace imposible
para el equipo la identificacioacuten precisa de los grupos funcionales caracteriacutesticos de la misma
64
Figura 35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnada
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
Esta teacutecnica se realizoacute con la finalidad de observar el tamantildeo y la forma de las partiacuteculas de
roca carbonatada asiacute como la composicioacuten elemental de la misma Se observa un
comportamiento de agregacioacuten entre las partiacuteculas por lo que se puede deducir un tamantildeo
entre 100 y 400 nm Con el anaacutelisis elemental del EDX se comproboacute la naturaleza de la roca
la cual estaacute formada de carbonato de calcio La literatura [36] indica las sentildeales caracteriacutesticas
de este compuesto el carbono con una sentildeal en 028 keV el oxiacutegeno en 053 keV y el calcio
con dos picos en 369 y 401 keV y de partiacuteculas nanomeacutetricas de forma esfeacutericas lo anterior
esto se puede observar en la figura 36
65
36 Anaacutelisis SEMEDS de roca carbonatada
35 Imbibicioacuten espontaacutenea
Se obtuvieron las rocas imbibidas tras un proceso de 7 diacuteas [37] y se pesaron para conocer la
cantidad de crudo absorbido dentro de su estructura porosa Asiacute mismo se fracturaron las
rocas para comprobar la presencia del hidrocarburo dentro de la roca lo cual se observa en
la figura 37 En la tabla 31 se muestra la masa inicial y final de la roca asiacute como el
porcentaje de masa absorbida de crudo teniendo porcentajes entre 4 y 5
66
Figura 37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudo
Tabla 31 Resultados de rocas imbibidas
Muestra Masa Inicial (g) Masa Final (g)
1 103315 108098 46295
2 92475 96736 46077
36 Anaacutelisis del aacutengulo de contacto del crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
La medicioacuten del aacutengulo de contacto de diferentes sistemas de estudio aporta informacioacuten
sobre la interaccioacuten entre las interfaces soacutelidas y liquidas el comportamiento de un fluido
sobre una superficie asiacute como la variacioacuten de la misma con la aplicacioacuten de un agente en
este caso un surfactante
361 Roca no imbibida
Se colocaron los disolventes empleados en la experimentacioacuten variado uacutenicamente los
surfactantes y la concentracioacuten de los mismos En la figura 38 se muestra el aacutengulo de
contacto de la salmuera sobre la roca se observa que con la aplicacioacuten de los surfactantes
este aacutengulo disminuye deduciendo un aumento en la afinidad entre la roca y el disolvente
[38] Lo anterior se debe principalmente al aumento de la concentracioacuten de iones provocando
un efecto de pantalla que reduce las repulsiones electrostaacuteticas entre las moleacuteculas anfifiacutelicas
67
facilitando la formacioacuten de micelas en el sistema y asiacute aumentando la mojabilidad de la
salmuera obseacutervese en tabla 32
Figura 38 Angulo de contacto de la salmuera
Tabla 32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio
El efecto de las sales presentes en el agua congeacutenita en la formacioacuten micelar (figura 39)
propicia un incremento en la mojabilidad con la aplicacioacuten del surfactante lo cual se muestra
en la tabla 33
Figura 39 Angulo de contacto del agua congeacutenita
Tabla 33 Aacutengulos de contacto del agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio
68
Del mismo modo se colocaron sobre la superficie de la roca los diferentes sistemas de estudio
(emulsiones) los cuales variaban en el tipo de surfactante la concentracioacuten y el tipo de
disolvente empleado El aacutengulo de contacto del petroacuteleo se muestra en la figura 310
Figura 310 Angulo de contacto del petroacuteleo
Con una concentracioacuten de 500 mg L-1 de surfactante (tabla 34) se observa una disminucioacuten
del aacutengulo de contacto de la emulsioacuten lo anterior se atribuye al efecto de las cabezas
catioacutenicas sobre los agregados asfalteacutenicos los cuales son dispersados provocando una
mayor interaccioacuten con la roca y aumentando la mojabilidad sobre la misma
Tabla 34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 mg L-1
69
Con una concentracioacuten de 800 mg L-1 de surfactante (tabla 35) se observa un efecto similar
al sistema de estudio anterior un decremento del aacutengulo de contacto atribuido al efecto
pantalla de las sales de los disolvente en la concentracioacuten micelar dispersando los agregados
asfalteacutenicos y de esta forma aumentando la mojabilidad del sistema sobre la roca
carbonatada
Tabla 35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 mg L-1
362 Roca imbibida por petroacuteleo
70
Se colocaron los sistemas de estudio (salmuera y agua congeacutenita) sobre la roca impregnada
de crudo se observoacute una disminucioacuten en el aacutengulo de contacto menor que el estudio sobre
la roca carbonatada Lo anterior se debe a la alta hidrofobicidad de la superficie de la roca
la cual estaba impregnada en su totalidad de hidrocarburo y que aun con la aplicacioacuten de los
surfactantes se repelioacute el efecto de las cabezas catioacutenicas teniendo como consecuencia el
decremento del aacutengulo de contacto Las tablas 36 y 37 muestran los aacutengulos de contacto
tras la aplicacioacuten del surfactante
Tabla 36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 mg L-1
Tabla 37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 800 mg L-1
71
En la Tabla 38 se presentan los resultados del caacutelculo de tensioacuten interfacial y mojabilidad
los cuales son paraacutemetros que describen el comportamiento de las fuerzas intermoleculares
en la interfase soacutelido-liacutequido
Tabla 38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio
Fase soacutelida
Fase liacutequida
Surfactante (Sx)
Concentracioacuten (mg L-1)
Aacutengulo de
contacto ϴ
(deg)
Tensioacuten interfacial γ (dina cm-1)
Mojabilidad W
Roca carb Salmuera 8149 576 661
Roca carb Salmuera S1 500 5539 518 812
Roca carb Salmuera S1 800 5173 537 869
Roca carb Salmuera S2 500 4549 441 827
Roca carb Salmuera S2 800 4242 557 856
Roca Imb Salmuera S1 500 6956 421 566
Roca Imb Salmuera S1 800 6957 451 606
Roca Imb Salmuera S2 500 6681 472 657
Roca Imb Salmuera S2 800 7408 549 699
Roca carb Agua Cong 7391 528 674
Roca carb Agua Cong S1 500 4785 431 72
Roca carb Agua Cong S1 800 4069 446 784
Roca carb Agua Cong S2 500 4809 439 732
Roca carb Agua Cong S2 800 3327 42 771
Roca Imb Agua Cong S1 500 7456 525 664
Roca Imb Agua Cong S1 800 6575 494 696
Roca Imb Agua Cong S2 500 765 472 581
Roca Imb Agua Cong S2 800 6788 483 664
Roca carb Petroacuteleo 11177 838 536
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 500 8313 582 651
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 800 936 605 567
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 500 9088 652 641
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 800 8645 629 667
Roca carb Emulsioacuten AC S1 500 10289 815 641
Roca carb Emulsioacuten AC S1 800 9562 698 629
Roca carb Emulsioacuten AC S2 500 9846 782 666
Roca carb Emulsioacuten AC S2 800 9056 675 668
En los diferentes anaacutelisis sobre roca carbonatada con la aplicacioacuten de surfactantes en
salmuera o agua congeacutenita se observa una disminucioacuten del aacutengulo de contacto lo que implica
una menor tensioacuten en la interfase soacutelido-liacutequido obteniendo mayor mojabilidad en cada uno
de los sistemas Lo anterior se basa principalmente en el efecto dispersivo de los surfactantes
72
sobre las agregaciones asfalteacutenicas siendo las cabezas catioacutenicas las responsables de evitar
la apilacioacuten de los asfaltenos y disgregaacutendolas por todo el sistema
Asiacute mismo se observa el efecto de la concentracioacuten de los surfactantes en los diferentes
sistemas de estudio obteniendo menor tensioacuten interfacial a una concentracioacuten de 500 mgL-1
debido a la saturacioacuten ideal del aditivo en la muestra
37 Dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS)
Con el anaacutelisis DLS se estudioacute la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
y la roca impregnada asiacute como el efecto de los surfactantes en el sistema de estudio En la
figura 311 se muestra la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
(unimodal 1496 nm) a su vez en la figura 312 se observa la distribucioacuten de la roca
impregnada (unimodal 4063 nm) Posteriormente con la aplicacioacuten de los surfactantes se
comproboacute la disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula con S1 (unimodal 219 nm) y S2 (
unimodal 282 nm) Lo anterior se atribuye al efecto de los surfactantes sobre la superficie
impregnada que al entrar en contacto con los agregados asfalteacutenicos se generoacute la dispersioacuten
de los mismos disminuyendo de esta forma el tamantildeo de la partiacutecula [32] Ambos surfactantes
facilitan la dispersioacuten de los asfaltenos que recubren la superficie de la partiacutecula provocando
la reduccioacuten en el tamantildeo de la misma obseacutervese figs 313 y 314
Figura 311 Anaacutelisis DLS de roca carbonatada
73
Figura 312 Anaacutelisis DLS de roca impregnada
Figura 313 Anaacutelisis DLS de roca impregnada aplicando S3
Figura 314 DLS de roca impregnada aplicando S4
74
La disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de las rocas impregnadas se asocia al efecto
dispersivo de los surfactantes mencionado en las pruebas tensiomeacutetricas donde las parte
catioacutenica del compuesto inhibe la aglomeracioacuten de las moleacuteculas asfalteacutenicas provocando
no solo el cambio de la mojabilidad del sistema de estudio si no tambieacuten la disgregacioacuten de
los asfaltenos encontrados en la superficie de la roca carbonatada por tanto un decrecimiento
en la distribucioacuten de tamantildeo partiacutecula en la roca impregnada
38 Potencial Zeta
Con el anaacutelisis de potencial zeta se observoacute las fuerzas de atraccioacuten yo repulsioacuten de cada
sistema de estudio La literatura indica que en todo sistema en suspensioacuten coloidal existe un
equilibrio entre las fuerzas de repulsioacuten y las fuerzas de atraccioacuten molecular (Van del Waals)
resultando la aglomeracioacuten o dispersioacuten del sistema Si el sistema tiene carga positiva el
sistema es atractivo por lo que existen las fuerzas de atraccioacuten entre las partiacuteculas son
mayores que las fuerzas de repulsioacuten Si el sistema es negativo el sistema es repulsivo y se
tiene un efecto contrario al anterior Mientras maacutes alejado del cero se encuentre la muestra
mayor estabilidad le seraacute conferida debido a la relacioacuten entre las fuerzas intermoleculares
eso significa que se provocaraacute menor agregacioacuten facilitando la dispersioacuten del soluto [33] En
la figura 315 se muestra el efecto del pH en la dispersioacuten de los asfaltenos con la aplicacioacuten
de los surfactantes la tendencia se vuelve maacutes negativa por lo tanto existe mayor estabilidad
en el coloide disminuyendo la agregacioacuten de los asfaltenos
Este efecto se observoacute en las pruebas de DLS en donde los surfactantes dispersaron las
moleacuteculas de asfaltenos disminuyendo de esta forma la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
lo anterior se asocia a la disgregacioacuten de los asfaltenos observado en potencial Zeta
obteniendo una fase dispersa en el sistema
75
Figura 315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando el pH
76
Conclusiones
Se comproboacute el efecto dispersivo de los surfactantes sulfatados sobre los agregados
asfalteacutenicos causado principalmente por las cargas electroacutenicas presentes en estos
compuestos que al entrar en contacto con los asfaltenos provocaron la disgregacioacuten de
los mismos Dicho efecto fue visible en la mayoriacutea de las teacutecnicas empleadas generando
cambios en las interacciones moleculares de los sistemas de estudio y en las fuerzas de
la interfase soacutelido-liacutequido
Las teacutecnicas de caracterizacioacuten FTIR UV-vis corroboraron la presencia de grupos
funcionales caracteriacutesticos de la roca carbonatada asiacute como de la roca impregnada de
asfaltenos La teacutecnica de SEMEDX corroboroacute la existencia de los elementos que
componen a la roca y brindoacute informacioacuten importante sobre el tamantildeo y la forma de los
las partiacuteculas de roca
Las pruebas de aacutengulo de contacto por el meacutetodo de gota seacutesil comprobaron el efecto
superficial de los surfactantes en los diferentes sistemas de estudio cambiando la
tensioacuten interfacial de cada uno y afectando una caracteriacutestica innata de la roca su
mojabilidad Los aacutengulos de contacto tras la aplicacioacuten de los surfactantes sufrieron una
disminucioacuten por la facilidad de los aditivos antes mencionados para dispersar las capas
de agregacioacuten de los asfaltenos provocando una mejor interaccioacuten con la fase soacutelida
Mediante el anaacutelisis de Dispersioacuten de luz Dinaacutemica (DLS) se consiguioacute fundamentar el
efecto dispersivo de los surfactantes observado en las pruebas tensiomeacutetricas siendo de
gran importancia los resultados obtenidos de distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula en
donde con la aplicacioacuten de los surfactantes se consiguioacute disminuir este paraacutemetro por
la la difusioacuten de los agregados asfalteacutenicos contenidos en la superficie de la roca siendo
afectados principalmente por las cargas electroacutenicas cabezas catioacutenicas
La teacutecnica de potencial Zeta corroboroacute lo anterior debido a la facilidad de las muestras
con surfactantes para alcanzar la estabilidad coloidal por lo que se demuestra un efecto
77
contrario a la agregacioacuten un efecto dispersivo de los asfaltenos provocado por las
cargas presentes en las cadenas de los aditivos
78
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1
Capiacutetulo I
Antecedentes
2
1 Antecedentes
Actualmente con la disminucioacuten de crudos ligeros y la obtencioacuten de aceites pesados durante
la extraccioacuten de yacimientos se buscan meacutetodos alternativos que permitan la recuperacioacuten
mejorada en los pozos petroleros mediante la aplicacioacuten de aditivos quiacutemicos El estudio de
las fuerzas relacionadas entre el aceite y la roca permite describir de una forma real lo que
pasa dentro del sistema petroliacutefero con la aplicacioacuten de dichos compuestos
En 2009 Murillo y col [4] estudiaron el efecto del anioacuten PF6 en los agregados asfalteacutenicos
y encontraron un incremento en el momento dipolar debido al cambio de electronegatividad
provocado por el anioacuten Se establecioacute que el bromuro de 1-butil fue el liacutequido ioacutenico con
mejores propiedades estabilizadoras e inhibidoras de la agregacioacuten de asfaltenos
disminuyendo la aglomeracioacuten de asfaltenos hasta en un 70
En 2010 Ramiacuterez y col [5] investigaron experimentalmente el efecto que tienen los
surfactantes zwitterioacutenicos y catioacutenicos en el control de dantildeo al medio poroso debido a
depoacutesitos de asfaltenos y la descripcioacuten del cambio de mojabilidad en rocas carbonatadas
encontrando mejores condiciones de operacioacuten y concluyendo que el uso de salmuera con
alta concentracioacuten de sales provoca la precipitacioacuten de los surfactantes debido al efecto de
ioacuten comuacuten presente en los electrolitos que encapsula a las moleacuteculas surfactantes
hacieacutendolas maacutes pesadas y precipitaacutendolas por accioacuten de la gravedad
En 2010 Guzmaacuten y col [6] sintetizoacute y evaluoacute diferentes liacutequidos ioacutenicos como agentes
desemulsificantes del sistema de emulsioacuten de crudo mexicano ligero y pesado siendo el
bromuro de 1 metil-3-tetradecilimidazolio el que obtuvo mejores resultados frente a otros
compuestos con diferente tamantildeo de cadena hidrocarbonada Se estudioacute la aplicacioacuten de
calentamiento convencional y dieleacutectrico por microondas en los procesos de
desemulsificacioacuten siendo el segundo meacutetodo el que aceleroacute e incrementoacute la eficiencia de
desemulsificacioacuten
En 2011 Petcavich y col [7] desarrollaron un meacutetodo de extraccioacuten de hidrocarburos a partir
de rocas que contienen aceite En este trabajo se utilizoacute una mezcla de piedra arenisca de
3
aceite y un liacutequido ioacutenico a base de fosfonio el cual se sometioacute a la radiacioacuten de microondas
de 254 GHz y presentaron las condiciones de trabajo para la recuperacioacuten total del
hidrocarburo atrapado en la roca
En 2012 Dharaskar y col [8] investigaron sobre los liacutequidos ioacutenicos y su capacidad de
minimizar los efectos negativos de salud y medio ambientales En la industria de la refinacioacuten
se usa para la hidrodesulfurizacioacuten del crudo Estudiaron el efecto de cationes del tipo sulfato
contenidos en liacutequidos ioacutenicos sobre el petroacuteleo encontrando una disminucioacuten en la
concentracioacuten de grupos sulfurados y asfalteacutenicos
En 2014 Bin-Dahbag y col [9] realizaron un estudio sobre el proceso de inyeccioacuten de
liacutequidos ioacutenicos con base de amonio y fosfonio en la recuperacioacuten mejorada de petroacuteleo con
lo que redujo la tensioacuten interfacial de la fase acuosa del hidrocarburo Se realizaron pruebas
de deteccioacuten de nueve liacutequidos ioacutenicos con base de tetrasulfato de amonio los cuales fueron
diluidos en salmuera a distintas concentraciones y se probaron con un petroacuteleo crudo Saudiacute
Se registraron cambios en la tensioacuten interfacial por cambios de presioacuten y temperatura
indicando una mayor actividad de interaccioacuten superficial en el sistema rocapetroacuteleoliacutequido
ioacutenico
En 2014 Gonzaacutelez y col [10] estudiaron el cambio de la mojabilidad de rocas carbonatadas
en sistemas salmuerapetroacuteleo con la aplicacioacuten de surfactantes empleando el meacutetodo
tensiomeacutetrico de Gota cautiva Se obtuvieron resultados confiables y reproducibles que
concluyen un comportamiento afiacuten entre la salmuera el crudo y la roca
En 2015 Jiao y col [11] estudiaron el comportamiento de los liacutequidos ioacutenicos con base
imidazolio ( IBILs ) desarrollando nuevos agentes de extraccioacuten para separar indol una
sustancia industrial importante derivada del aceite de lavado que ocasiona graves problemas
medioambientales obteniendo eficiencias de extraccioacuten de maacutes de 90
En 2016 Banda y col [12] estudiaron el comportamiento de los asfaltenos presentes en
petroacuteleo crudo pesado usando como disolvente ciclohexano Primeramente se caracterizaron
los asfaltenos extraiacutedos por Espectroscopiacutea de ultravioleta-visible (UV-vis) posteriormente
se utilizoacute la teacutecnica de Dispersioacuten de Luz Dinaacutemica (DLS) para la distribucioacuten de tamantildeo de
partiacutecula de los agregados asfalteacutenicos Asiacute mismo se realizoacute un anaacutelisis de potencial Zeta
4
utilizando como disolvente nitrato de sodio 01 mmol para la comprobacioacuten del efecto
dispersivo de los asfaltenos frente a liacutequidos ioacutenicos sulfatados
11 Petroacuteleo
El petroacuteleo es una mezcla homogeacutenea de compuestos orgaacutenicos de estructura variada
principalmente hidrocarburos insolubles en agua En general es posible agrupar los
constituyentes del petroacuteleo en cuatro grupos orgaacutenicos bien definidos Saturados
Aromaacuteticos Resinas y Asfaltenos este conjunto es conocido como SARA Es un liacutequido
viscoso cuyo color variacutea entre amarillo y pardo obscuro hasta negro con reflejos verdes
Ademaacutes tiene un olor caracteriacutestico y flota en el agua Tambieacuten es conocido como petroacuteleo
crudo o simplemente crudo Se produce en el interior de la Tierra por transformacioacuten de la
materia orgaacutenica acumulada en sedimentos del pasado geoloacutegico y puede acumularse en
trampas geoloacutegicas naturales de donde se extrae mediante la perforacioacuten de pozos [13]
Las moleacuteculas de hidrocarburos que en forma colectiva constituyen el petroacuteleo estaacuten
formadas por distintas combinaciones de aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Seguacuten el nuacutemero
de aacutetomos de carbono de hidroacutegeno y de la distribucioacuten estructural de las mismas se tienen
los distintos hidrocarburos que abarcan desde el gas natural hasta los hidrocarburos soacutelidos
Comuacutenmente se denomina como petroacuteleo a aquella mezcla de hidrocarburos que a las
condiciones de temperatura y presioacuten ambientales estaacute en estado liacutequido En la naturaleza se
pueden encontrar afloraciones naturales de hidrocarburos muchos de ellos conocidos desde
la antiguumledad aunque la produccioacuten comercial se obtiene de acumulaciones que se localizan
en algunos lugares del subsuelo con profundidades variables desde pocos metros hasta
profundidades mayores a cinco mil metros [14]
Mientras mayor sea el contenido de carboacuten en relacioacuten al del hidroacutegeno mayor es la cantidad
de productos pesados que tiene el crudo [15] Esto depende de la edad del yacimiento y de
algunas caracteriacutesticas geoloacutegicas No obstante se ha comprobado que entre maacutes antiguos
son tienen maacutes hidrocarburos gaseosos y soacutelidos y menos liacutequidos entran en su
composicioacuten
5
Es un recurso natural no renovable y actualmente es la principal fuente de energiacutea en
los paiacuteses desarrollados El petroacuteleo liacutequido puede presentarse asociado a capas de gas
natural en yacimientos que han estado enterrados durante millones de antildeos cubiertos por los
estratos superiores de la corteza terrestre Los factores de presioacuten temperatura y procesos
quiacutemicos y fiacutesicos ayudados por la carencia de oxiacutegeno posibilitan la formacioacuten de petroacuteleo
liacutequido y de gas
La conversioacuten de materia orgaacutenica en petroacuteleo ocurre en varias etapas [15]
Degradacioacuten bioquiacutemica la accioacuten de las bacterias en un ambiente aerobio
oxidan la materia orgaacutenica
Policondensacioacuten e insolubilizacioacuten se produce un reordenamiento molecular
en dos etapas originaacutendose una sustancia insoluble en aacutelcalis con estructura
parecida al keroacutegeno
Cracking primario es la primera reaccioacuten de generacioacuten de hidrocarburos
regida por la ley de Arrhenius de donde se puede obtener petroacuteleo y gas
Cracking secundario se destruye la fraccioacuten inestable generando gas y
residuos carbonosos
111 Composicioacuten del petroacuteleo
El petroacuteleo crudo es la materia prima principal de la industria de Refinacioacuten del Petroacuteleo
estaacute constituido por una mezcla de diferentes tipos de hidrocarburos cuyas moleacuteculas se
componen de Carbono e Hidroacutegeno con un pequentildeo porcentaje de otros elementos
conformando hidrocarburos de estructuras maacutes o menos complejas como compuestos
heterociacuteclicos de nitroacutegeno oxiacutegeno y azufre compuestos organometaacutelicos ademaacutes contiene
sedimentos inorgaacutenicos y agua [16] La composicioacuten aproximada de los crudos puede verse
en la Tabla 11
6
Tabla11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo
Elemento Composicioacuten (peso)
Carbono 84-87
Hidroacutegeno 11-14
Azufre 0-5
Nitroacutegeno 0-02
Oxiacutegeno 0-05
112 Clasificacioacuten de petroacuteleo
Son miles los compuestos quiacutemicos que constituyen el petroacuteleo [16] y entre muchas otras
propiedades estos compuestos se diferenciacutean por su volatilidad (dependiendo de la
temperatura de ebullicioacuten) Al calentarse el petroacuteleo se evaporan preferentemente los
compuestos ligeros (de estructura quiacutemica sencilla y bajo peso molecular) de tal manera que
conforme aumenta la temperatura los componentes maacutes pesados van incorporaacutendose al
vapor
Las curvas de destilacioacuten TBP (del ingleacutes ldquotrue boiling pointrdquo temperatura de ebullicioacuten real)
distinguen a los diferentes tipos de petroacuteleo y definen los rendimientos que se pueden obtener
de los productos por separacioacuten directa [17] Por ejemplo mientras que en el crudo Istmo se
obtiene un rendimiento directo de 26 volumeacutetrico de gasolina en el Maya soacutelo se obtiene
157 [17]
La industria mundial de hidrocarburos liacutequidos clasifica el petroacuteleo de acuerdo con su
densidad API (paraacutemetro internacional del Instituto Americano del Petroacuteleo que diferenciacutea
las calidades del crudo) La Tabla 12 muestra estas clasificaciones
Tabla 12 Clasificacioacuten del petroacuteleo crudo [18]
Aceite crudo Densidad
( g cm3)
Densidad
grados API
Extrapesado gt10 100
Pesado 10 - 092 100 - 223
Mediano 092 - 087 223 - 311
7
Ligero 087 - 083 311 - 39
Superligero lt 083 gt 39
Para exportacioacuten en Meacutexico se preparan tres variedades de petroacuteleo crudo
a) Istmo Ligero con densidad de 336 grados API y 13 de azufre en peso
b) Maya Pesado con densidad de 22 grados API y 33 de azufre en peso
c) Olmeca Superligero con densidad de 393 grados API y 08 de azufre en peso
Atendiendo a la mayor proporcioacuten del tipo de hidrocarburos que conforman la mezcla los
crudos se clasifican seguacuten su base parafiacutenica nafteacutenica asfaacuteltica y mixta [15]
Base parafiacutenica Las parafinas livianas dan buenos aceites para usos domeacutesticos pues no
producen humo al quemarse tienden a resistir el calor Las parafinas maacutes espesas contienen
cristales blancos y blandos que cuando son aislados y refinados forman lo que se conoce
como cera parafinada Se encuentran generalmente en Pennsylvania West Virginia y centro
de Estados Unidos
Base nafteacutenica Generalmente contienen gran proporcioacuten de fracciones volaacutetiles es decir
componentes que se evaporan faacutecilmente Se encuentran generalmente en Rusia Peruacute
California y Golfo de Meacutexico En Cuba se encuentra en la zona de Motembo
Base asfaacuteltica Contienen ademaacutes de carbono e hidroacutegeno gran cantidad de azufre En la
destilacioacuten avanzada o maacutes completa rinden una cantidad relativamente alta de alquitraacuten y
asfalto Se pueden encontrar en Meacutexico Venezuela California y el Caribe
Base mixta Ninguacuten crudo es realmente netamente nafteacutenico asfaacuteltico o parafiacutenico en su
composicioacuten quiacutemica sino que contienen proporciones de los otros tipos caracterizaacutendose
por la predominancia del compuesto en mayoriacutea Sin embargo ciertos crudos de Kansas
Oklahoma y Texas tienen contenidos muy similares de nafta parafinas y asfaltos lo que
resulta imposible clasificarlos en una sola de estas clases
8
Asiacute mismo se puede clasificar al petroacuteleo crudo considerando dos grandes grupos de
hidrocarburos saturados y no saturados Cuando todas las valencias de los aacutetomos de carbono
se comparten con otros aacutetomos es saturado cuando hay falta de hidroacutegeno es no saturado y
se pueden compartir dos y hasta tres valencias entre un aacutetomo de carbono con otro aacutetomo [16]
Los saturados y no saturados se dividen a su vez en dos grupos importantes cada uno lo cual
se muestra en la figura 11
Figura 11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleo
Las parafinas son las maacutes ricas en hidroacutegeno son saturadas y por tanto relativamente estables
Las parafinas comunes son liacutequidos pero se pueden encontrar gaseosas o soacutelidas La foacutermula
general es CnH2n+2
Los naftenos (ciclanos o ciclo alcanos) son saturados lo que hace que sean resistentes a los
cambios incluyendo la oxidacioacuten Son relativamente insolubles en aacutecido sulfuacuterico
concentrado Los maacutes importantes son ciclopentano y ciclohexano La foacutermula general es
CnH2n
Los no saturados tienden a formar gomas lacas y fangos al unirse al oxiacutegeno y separarse del
carbono que es un enlace relativamente menos estable
Las olefinas son no saturados o insaturados y por lo que tienen deficiencia de hidroacutegeno
consecuentemente son muy reactivos y combinan faacutecilmente con el hidroacutegeno oxiacutegeno
cloro y azufre esto causa que no se deseen altos porcentajes de olefinas en los combustibles
9
sin embargo son apreciados en la manufactura de varios productos entre ellos el plaacutestico La
foacutermula general es CnH2n
Los aromaacuteticos son no saturados pero actuacutean como saturados Son deseables en la gasolina
pues tienen altas propiedades antidetonantes El nombre aromaacuteticos surge por su olor
caracteriacutestico Algunos se usan en la produccioacuten del TNT colorantes plaacutesticos insecticidas
etc Hoy en diacutea se ha limitado su concentracioacuten en los derivados por ser dantildeinos a la salud
son altamente canceriacutegenos La foacutermula general es CnH2n-6 [19]
113 Derivados del petroacuteleo
Un derivado del petroacuteleo es un producto procesado en una refineriacutea usando como materia
prima el petroacuteleo Seguacuten la composicioacuten del crudo y la demanda las refineriacuteas pueden
producir distintos productos derivados del petroacuteleo La mayor parte del crudo es usado como
materia prima para obtener energiacutea por ejemplo la gasolina Tambieacuten producen sustancias
quiacutemicas que se puede utilizar en procesos quiacutemicos para producir plaacutestico yo otros
materiales uacutetiles
Dentro de los productos que se generan a partir del petroacuteleo se tienen [17]
bull Gasolinas liacutequidas (fabricadas para automoacuteviles y aviacioacuten en sus diferentes grados
queroseno diversos combustibles de turbinas de avioacuten y el gasoacuteleo entre otros)
bull Lubricantes (aceites para maquinarias aceites de motor y grasas Estos compuestos llevan
ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ignicioacuten)
bull Parafinas Es la materia prima para la elaboracioacuten de velas y similares ceras para pisos
foacutesforos papel parafinado vaselinas faacutermacos etc
bull Cloruro de polivinilo (PVC) Existen dos tipos de cloruro de polivinilo tienen alta
resistencia a la abrasioacuten y a los productos quiacutemicos Se utiliza para hacer manteles cortinas
para bantildeo muebles alambres y cables eleacutectricos Tambieacuten se utiliza para la fabricacioacuten de
riego juntas techado y botellas
10
bull Plaacutesticos pinturas barnices disolventes fertilizantes e insecticidas detergentes cauchos
artificiales negro de humo polieacutester y muchos maacutes
bull Detergentes usados para limpieza
bull Azufre subproductos de la eliminacioacuten del azufre del petroacuteleo que pueden tener hasta un
2 de azufre como compuestos de azufre El azufre y aacutecido sulfuacuterico son materiales
importantes para la industria
bull Asfalto se utiliza como aglutinante para la grava que forma de asfalto concreto que se
utiliza para la pavimentacioacuten de carreteras etc
bull Petroquiacutemicos estos pueden ser hidrocarburos olefinas o sus precursores o diversos tipos
de quiacutemicos como aromaacuteticos y tienen una gran variedad de usos Por lo general son
utilizados como monoacutemeros como disolventes como precursores de una gran variedad de
sustancias quiacutemicas y productos quiacutemicos tales como los liacutequidos limpiadores de los
vehiacuteculos surfactante de la limpieza etc [19]
114 Importancia del petroacuteleo
El petroacuteleo tiene una gran trascendencia en la gran mayoriacutea de las actividades cotidianas Del
crudo se obtiene gasolina y diesel para autos y autobuses combustible para barcos y aviones
Se usa para generar electricidad obtener energiacutea caloriacutefica para faacutebricas hospitales y oficinas
y diversos lubricantes para maquinaria y vehiacuteculos La industria petroquiacutemica usa productos
derivados de eacutel para hacer plaacutesticos fibras sinteacuteticas detergentes medicinas conservadores
de alimentos hules y agroquiacutemicos El petroacuteleo ha transformado la vida de las personas y la
economiacutea de las naciones Su descubrimiento creoacute riqueza modernidad pueblos industriales
proacutesperos y nuevos empleos motivando el crecimiento de las industrias mencionadas [19]
12 Yacimiento
11
Un yacimiento de petroacuteleo puede definirse como un volumen poroso que contiene agua
petroacuteleo y a veces una fase gaseosa La proporcioacuten volumeacutetrica del petroacuteleo puede alcanzar
a veces el 40 El medio poroso del yacimiento o roca almaceacuten es de origen sedimentario
de tipo arenisca o caliza consolidado o no El diaacutemetro de poro variacutea ampliamente seguacuten la
roca pero es de tamantildeo microscoacutepico desde algunas fracciones de miliacutemetro a algunos
microacutemetros [20]
Cada medio poroso tiene sus caracteriacutesticas porosidad el porcentaje de volumen vaciacuteo
permeabilidad una medida de la resistencia al movimiento de los fluidos mojabilidad una
medida de la naturaleza superficial de la roca
Debido a su origen sedimentario el medio poroso del yacimiento es a menudo heterogeacuteneo
como consecuencia de las variaciones ocurridas durante el largo proceso de sedimentacioacuten
que formoacute la roca Estas heterogeneidades pueden existir a la escala de los poros o bien a la
escala macroscoacutepica en forma zonas muy o poco permeables y eventualmente de grietas
Las heterogeneidades complican las operaciones de produccioacuten porque tienden a producir
caminos preferenciales y segregaciones [21]
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientos
Geoloacutegicamente los yacimientos se clasifican en estratigraacuteficos estructurales y combinados
[22]
Estratigraacuteficos lentes de arena cambios de facies calizas o dolomitas porosas
cambios de permeabilidad
Estructurales Fracturas en calizas o rocas iacutegneas discordancias fallas en areniscas
sinclinales anticlinales domos salinos etc
Combinados Hace referencia a las posibles combinaciones que se presenten entre los
dos grupos anteriores
La clasificacioacuten anterior se puede observar en la figura 12
12
Figura 12 Clasificacioacuten de yacimientos [22]
122 Condiciones de explotacioacuten
La produccioacuten de petroacuteleo involucra dos aspectos El primero es la produccioacuten uacuteltima posible
en funcioacuten de las teacutecnicas empleadas y el segundo es el ritmo de produccioacuten de acuerdo con
el comportamiento de los pozos y de los diferentes meacutetodos de estimulacioacuten aplicables
(fracturacioacuten acidificacioacuten inyeccioacuten de vapor) Tradicionalmente se hace la distincioacuten entre
dos periacuteodos durante la explotacioacuten de un yacimiento la recuperacioacuten primaria y la
recuperacioacuten secundaria Desde el aumento del precio del petroacuteleo al principio de los antildeos
70 se considera ademaacutes una eventual recuperacioacuten terciaria yo una recuperacioacuten
(secundaria) mejorada [14]
123 Recuperacioacuten primaria
Durante este periacuteodo el petroacuteleo se drena naturalmente hacia los pozos bajo el efecto del
gradiente de presioacuten existente entre el fondo de los pozos y el seno del yacimiento
En muchos yacimientos profundos la presioacuten es mayor que la presioacuten hidrostaacutetica lo que
hace que el petroacuteleo llegue a la superficie con el solo aporte energeacutetico del yacimiento A
medida que se expanden los fluidos en el yacimiento la presioacuten tiende a bajar en forma maacutes
13
o menos raacutepida seguacuten los mecanismos involucrados En ciertos casos puede existir un
mecanismo de compensacioacuten natural que reduzca notablemente la velocidad de decaimiento
de la presioacuten como la compactacioacuten de sedimento (subsidencia) la migracioacuten de un acuiacutefero
activo o la lenta expansioacuten de una bolsa de gas
Cuando el pozo no es eruptivo o cuando la presioacuten se ha reducido se necesita un aporte
externo de energiacutea para disminuir la presioacuten en fondo de pozo O bien se bombea el crudo
desde el fondo del pozo o bien se utiliza el meacutetodo del levantamiento con gas este consiste
en inyectar gas en fondo de pozo de tal forma que el fluido producido sea una mezcla de gas
y petroacuteleo de densidad suficientemente baja para llegar a la superficie bajo el efecto de la
presioacuten del yacimiento [20]
El periacuteodo de recuperacioacuten primaria tiene una duracioacuten variable pero siempre se lleva a cabo
ya que permite recoger numerosas informaciones sobre el comportamiento del yacimiento
las cuales son de primera importancia para la planificacioacuten de la explotacioacuten ulterior
La recuperacioacuten primaria se termina cuando la presioacuten del yacimiento ha bajado demasiado
o cuando se estaacuten produciendo cantidades demasiado importantes de otros fluidos (gas
agua) El porcentaje de recuperacioacuten primaria del crudo originalmente en sitio es en promedio
del orden de 10-15 pero puede ser tan bajo como 5 en yacimientos sin gas disuelto o
alcanzar 20 y auacuten maacutes en yacimientos que poseen una baja permeabilidad y una bolsa de
gas o un acuiacutefero activo
Anteriormente se explotaba el yacimiento en recuperacioacuten primaria hasta que los gastos de
explotacioacuten se vuelvan prohibitivos en cuyo momento se pasaba a los meacutetodos de
recuperacioacuten secundaria Hoy en diacutea se inician las operaciones de recuperacioacuten secundaria
mucho antes de llegar a este punto y la seleccioacuten del meacutetodo de explotacioacuten en un yacimiento
o en una parte de un yacimiento obedece a criterios de optimizacioacuten [22]
14
124 Recuperacioacuten secundaria
Los meacutetodos de recuperacioacuten secundarios consisten en inyectar dentro del yacimiento un
fluido menos costoso que el petroacuteleo para mantener un gradiente de presioacuten Estos fluidos se
inyectan por ciertos pozos (inyectores) y desplazan o arrastran una parte del petroacuteleo hacia
los otros pozos (productores) [14]
Hasta el principio de los antildeos 70 el bajo precio del crudo haciacutea que los uacutenicos fluidos
susceptibles de inyectarse econoacutemicamente eran el agua y en ciertos casos el gas natural
El drenaje por agua permite elevar la recuperacioacuten del aceite originalmente en sitio hasta un
promedio de 25-30 con variaciones desde 15 hasta 40 seguacuten los casos
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejorada
Despueacutes de las recuperaciones primaria y secundaria el yacimiento contiene todaviacutea 60-
80 (promedio 72) del crudo originalmente en sitio Esto se debe a que la eficiencia de los
meacutetodos de recuperacioacuten primaria y secundaria estaacute limitada por dos factores [14]
A la escala de los poros el crudo alcanza una saturacioacuten residual suficientemente baja
para encontrarse en forma de gloacutebulos discontinuos atrapados por las fuerzas
capilares
A la escala del yacimiento existen ciertas zonas en las cuales el fluido inyectado
durante la recuperacioacuten secundaria no penetra por la baja permeabilidad de estas
zonas porque siguen caminos preferenciales o porque la geometriacutea de implantacioacuten
de los pozos no es favorable
Entre los meacutetodos cuyo propoacutesito es mejorar la eficiencia del desplazamiento mediante una
reduccioacuten de las fuerzas capilares se pueden citar la utilizacioacuten de solventes miscibles con
el crudo y la obtencioacuten de baja tensioacuten interfacial con soluciones de surfactantes o soluciones
alcalinas Para mejorar la eficiencia de barrido se puede reducir la viscosidad del crudo
mediante calentamiento aumentar la viscosidad del agua con poliacutemeros hidrosolubles o
taponar los caminos preferenciales por ejemplo con espumas [21]
15
Los meacutetodos actualmente propuestos para la recuperacioacuten mejorada involucran uno o varios
de estos aspectos En lo que se refiere a la utilizacioacuten de surfactantes se destacan los
siguientes
Drenaje miscible con microemulsiones
Drenaje inmiscible con soluciones de surfactantes y poliacutemeros (y a veces aacutelcali)
Inyeccioacuten de vapor con surfactante ndash espumas
126 Generalidades de pozos
La estimulacioacuten de pozos se utiliza para mejorar la productividad de pozos petroleros Esto
se logra inyectando fluidos al pozo y dependiendo del gasto y presioacuten de inyeccioacuten
alcanzada seraacute el tipo de estimulacioacuten realizada Para aumentar la produccioacuten de un pozo se
debe tratar la roca situada en la cercaniacutea para aumentar su permeabilidad esto se debe a que
la geometriacutea ciliacutendrica del pozo produce una mayor resistencia al flujo en la vecindad del
mismo Existen esencialmente dos meacutetodos de estimulacioacuten que pueden emplearse solos o
juntos la fracturacioacuten y la acidificacioacuten [23]
En ambos tipos de procesos se usan surfactantes como dispersantes de partiacuteculas finas (alquil
fenoles y alquil amonios etoxilados) y como inhibidores de corrosioacuten (alquilpiridinios)
En el proceso de fracturacioacuten se inyecta bajo alta presioacuten una mezcla de agua y de arena La
arena penetra en las fracturas producidas e impide que se vuelvan a cerrar cuando la presioacuten
retorna a lo normal
En la acidificacioacuten se inyecta una solucioacuten aacutecida (HCl HF) extremadamente corrosiva para
los metales pero capaz de disolver la roca almaceacuten (carbonato siacutelica) Se usan alquil
piridinios como inhibidores de corrosioacuten alquil fenoles etoxilados como humectantes y
alquil amonios etoxilados como dispersantes de partiacuteculas finas
A menudo en presencia de carbonatos se desea retardar la acidificacioacuten para que el fluido
aacutecido pueda penetrar a cierta distancia del pozo antes de reaccionar con la roca
Uno de los meacutetodos de retardacioacuten consiste en emulsionar la fase acuosa aacutecida en queroseno
en forma WO Para tales emulsiones se usan sulfonatos de petroacuteleo o sales de aacutecidos
16
carboxiacutelicos por la interaccioacuten que presentan los grupos ldquosulfatordquo con los hidrocarburos [22]
Siendo el queroseno la fase continua el contacto aacutecido-roca no se produce inmediatamente
y la emulsioacuten puede penetrar a varios metros del pozo antes de que se consuma todo el aacutecido
obseacutervese en la figura 13
Figura 13 Acidificacioacuten controlada mediante la inyeccioacuten de una emulsioacuten de aacutecido en
queroseno [23]
Otro meacutetodo de retardacioacuten consiste en inyectar nitroacutegeno con la solucioacuten aacutecida la cual
contiene agentes espumantes como alquil eacutester sulfatos surfactantes etoxilados y a veces
surfactantes fluorocarbonados La espuma formada juega dos papeles de una parte reduce el
contacto entre el aacutecido y la roca y por lo tanto reduce la velocidad de ataque Por otra parte
tienen tendencia en llenar las fracturas y taponarlas (efecto Jamin) lo que obliga al aacutecido a
penetrar en la zonas de baja permeabilidad (figura 14)
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumas
Sin embargo estos dos uacuteltimos meacutetodos deben emplearse con cierto cuidado para evitar el
taponamiento del pozo con emulsiones o espumas debido a la presioacuten con la que actuacutean en
17
el mismo sistema lo que puede luego tener un efecto desfavorable sobre la produccioacuten[22]
Despueacutes de la acidificacioacuten se pone el pozo en produccioacuten para eliminar el residuo de aacutecido
y las partiacuteculas finas producidas por la desagregacioacuten de la roca Es en esta etapa que se
requieren agentes dispersantes
Ciertos meacutetodos de estimulacioacuten consisten en inyectar surfactantes para bien sea cambiar la
mojabilidad de la roca de mojable por el agua a mojable por el aceite bien sea desplazar
el crudo atrapado en la cercaniacutea del pozo Tales meacutetodos se usan para estimular pozos que
han dejado de producir por cierto tiempo o que han sufrido un dantildeo
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluido
131 Porosidad
Es el volumen de huecos de la roca y define la capacidad de eacutesta para almacenar fluidos Se
expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca
(porosidad total o bruta) [24]
Tipos de Porosidad
Absoluta La porosidad absoluta se considera como el volumen poroso total (esteacuten o
no interconectados)
Efectiva La porosidad efectiva se refiere al porcentaje de poros interconectados que
permiten la circulacioacuten de fluidos
No efectiva Representa la diferencia entre las porosidades anteriores es decir la
porosidad absoluta y la efectiva
132 Permeabilidad
18
La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo
atraviese sin alterar su estructura interna Se afirma que un material es permeable si deja
pasar a traveacutes de eacutel una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado e impermeable si la
cantidad de fluido es despreciable Se define con la ecuacioacuten de Darcy [14]
119876 =119870119860
120583
119889119875
119889119905 119910 119870 =
119876120583
119860 119889119897
119889119875 (1)
Doacutende
A Aacuterea de flujo (cm2)
Q Gasto (cm3 s-1)
dP Diferencia de presiones a la entrada y salida del permeaacutemetro (kPa)
dl Longitud del medio poroso (cm)
micro Viscosidad del fluido (cP)
K Velocidad de filtracioacuten (m s-1)
Si el fluido es homogeacuteneo y no produce ninguna accioacuten importante sobre la roca se habla
de permeabilidad absoluta pero si en la roca existen varios fluidos como es el caso de un
yacimiento petroliacutefero en el que se puede tener petroacuteleo agua y gas se producen
interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los
fluidos
La permeabilidad relativa corresponde a la relacioacuten entre permeabilidad absoluta y efectiva
Para un fluido dado variacutea en funcioacuten directa con la saturacioacuten de ese fluido en la roca y se
expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro
133 Tortuosidad
19
Una medida de la complejidad geomeacutetrica de un medio poroso La tortuosidad es una relacioacuten
que caracteriza los trayectos de la difusioacuten del fluido y la conduccioacuten eleacutectrica a traveacutes de los
medios porosos En mecaacutenica de fluidos de los medios porosos la tortuosidad es la relacioacuten
del largo de la corriente natural de un fluido (una liacutenea o trayecto de flujo) entre dos puntos
y la distancia en liacutenea recta entre esos puntos Por consiguiente la tortuosidad se relaciona
con la relacioacuten entre el coeficiente de difusioacuten de un fluido cuando no estaacute confinado por un
medio poroso y su coeficiente de difusioacuten efectivo cuando estaacute confinado en un medio poroso
[22] Este paraacutemetro es calculado con la ecuacioacuten 2
119879 =119871119864
119871 ( 2)
Doacutende
L es la longitud de la muestra de roca (cm)
LE es la longitud de la trayectoria de difusioacuten del fluido sobre la muestra (cm)
El flujo de fluidos a traveacutes de medios porosos estaacute fuertemente afectado por fenoacutemenos de
superficie los cuales representan fuerzas retentivas de fluidos en el medio poroso La accioacuten
de la estimulacioacuten matricial no reactiva concierne principalmente a la alteracioacuten de estas
fuerzas retentivas manifiestas en los fenoacutemenos de tensioacuten superficial mojabilidad y
capilaridad [20]
134 Tensioacuten Superficial e Interfacial
La materia en sus diferentes estados (soacutelido liacutequido y gaseoso) estaacute compuesta de moleacuteculas
las cuales presentan una atraccioacuten llamada fuerza de cohesioacuten Esta fuerza es una
combinacioacuten de fuerzas electrostaacuteticas y de Van der Waals [21] Naturalmente estas fuerzas
son de diferente magnitud dependiendo del estado de la materia Por ejemplo en el seno de
un liacutequido una moleacutecula es rodeada por moleacuteculas similares ejerciendo unas con otras
fuerzas iguales de atraccioacuten por lo que eacutestas se encuentran balanceadas tal como se muestra
en la figura 15
20
15 Representacioacuten de fuerzas intermoleculares en un sistema bifaacutesico (soacutelido-liacutequido)
En la interfase entre un liacutequido y un soacutelido o entre un liacutequido y un gas estas fuerzas son
desequilibradas causando que exista una resultante en la interfase con ello se crea una
energiacutea libre de superficie En la misma figura 15 se observa la fuerza resultante en la
interfase del sistema denotada con el teacutermino FR cuyo valor representa la tensioacuten que existe
entre las moleacuteculas de las fase liquida y gaseosa
Esta fuerza seraacute mayor entre mayores sean las fuerzas de atraccioacuten de las moleacuteculas del
liacutequido Si se deseara romper esta superficie se tendriacutea que realizar un trabajo por unidad de
aacuterea equivalente a vencer la energiacutea libre de superficie Este trabajo por unidad de aacuterea se
denomina tensioacuten superficial y su valor especiacutefico para cada liacutequido depende
principalmente de la temperatura y presioacuten a las cuales se encuentre
Para medir la tensioacuten superficial se utilizan varios meacutetodos de los cuales el maacutes utilizado es
el meacutetodo de Du Nouumly Este procedimiento consiste en colocar en el liacutequido un arillo de
platino y llevarlo hasta la interfase midiendo la fuerza necesaria con la que el anillo rompe
la superficie La tensioacuten superficial generalmente se da en dina cm-1 Para el agua a
21
condiciones estaacutendar la tensioacuten superficial es de 72 dina cm-1 para el benceno es de 29 dina
cm-1 [19]
En 1905 Young mostroacute que las propiedades mecaacutenicas de la energiacutea libre de superficie
podriacutean relacionarse con una membrana hipoteacutetica en la superficie Usando en concepto de
tensioacuten superficial Young fue capaz de derivar expliacutecitamente la condicioacuten de equilibrio
mecaacutenico de una superficie curva entre dos fases [21] La ecuacioacuten de Young se expresa en la
ecuacioacuten 3
119875primeprime minus 119875prime =2120590
119903 (3)
Doacutende
Pacute Presioacuten en la fase externa (kPa)
Pacuteacute Presioacuten en la fase interna (kPa)
σ Tensioacuten Superficial (Erg)
r Radio de curvatura (cm)
Si un liacutequido estaacute en contacto con otra sustancia (gas soacutelido u otros liacutequidos inmiscibles) hay
una energiacutea libre interfacial Esto significa que se tiene que realizar cierta cantidad de trabajo
con el fin de separar ambos medios Los dos principales paraacutemetros que afectan a la magnitud
de la tensioacuten superficial son la temperatura y la composicioacuten quiacutemica de las fases La
variacioacuten de la tensioacuten superficial liacutequido-vapor (γLG) usualmente sigue una relacioacuten lineal
seguacuten la expresioacuten [15]
120574119871119866 = 1205740 + (∆120575119871119866
∆119879) (119879 minus 119879119898) (4)
Doacutende
γLG Tensioacuten interfacial liquido-gas (dina cm-1)
γ0 Tensioacuten superficial del liacutequido (dina cm-1)
ΔδLG Diferencia de densidad entre fase liacutequida y fase gaseosa (kg m-3)
22
ΔT Diferencia de temperaturas
T Temperatura del sistema (degC)
Tm Temperatura media (degC)
En general la tensioacuten superficial para metales fundidos disminuye con el incremento de la
temperatura (dγLGdT) lt 0 ya que las fuerzas de cohesioacuten disminuyen al aumentar la
agitacioacuten teacutermica La influencia del medio exterior se debe a que las moleacuteculas del medio
ejercen acciones atractivas sobre las moleacuteculas situadas en la superficie del liacutequido
contrarrestando las acciones de las moleacuteculas del interior del liacutequido
La medida de la tensioacuten superficial en soacutelidos policristalinos es compleja comparada con la
medida de γLG y en consecuencia los datos experimentales son difiacutecilmente fiables Se han
desarrollado modelos teoacutericos para predecir γSG pero con un eacutexito limitado Por otro lado la
tensioacuten γSL no puede ser medida directamente soacutelo puede predecirse con la ayuda de modelos
teoacutericos [19] El uso de la ecuacioacuten 5 para determinar el trabajo de adherencia (conociendo
previamente γLG o midieacutendolo simultaacuteneamente con θ) es una de las praacutecticas maacutes habituales
para investigar la mojabilidad de soacutelidos por metales liacutequidos
119882119886 = 120574119871119866(1 + 119888119900119904120579)
Donde
Wa Mojabilidad
γLG= Tensioacuten interfacial (dina cm-1)
θ= Angulo de contacto (deg)
135 Mojabilidad
23
La mojabilidad es uno de los fenoacutemenos de superficie y representa la interaccioacuten soacutelidondash
liacutequido este paraacutemetro depende de las fuerzas intermoleculares de los materiales en contacto
la fuerza de adhesioacuten entre el liacutequido y el soacutelido provoca que el liacutequido se extienda por la
superficie mientras que la de cohesioacuten del liacutequido hacen que eacuteste se abulte y tienda a evitarla
Es claro que tambieacuten estaacute muy relacionada con la capilaridad porque algunas sustancias
disueltas en el agua pueden modificar su tensioacuten superficial y por lo tanto su mojabilidad [14]
El aacutengulo de contacto ϴ es el aacutengulo que forma el liacutequido respecto a la superficie de contacto
con el soacutelido y estaacute determinado por la resultante de las fuerzas adhesivas y cohesivas Como
la tendencia de una gota a expandirse en una superficie plana aumenta con la disminucioacuten
del aacutengulo de contacto este aacutengulo proporciona una medida inversa de la mojabilidad [25]
Un aacutengulo de contacto pequentildeo (lt 90deg) indica que la mojabilidad es muy alta y el fluido se
extenderaacute sobre la superficie aacutengulos de contacto grandes (gt 90deg) significan que la
mojabilidad es baja y el fluido disminuiraacute el contacto con la superficie formando una gota
compacta este efecto puede observarse en las figuras 6a 6b y 6c Cuantitativamente la
mojabilidad se define como el producto de la tensioacuten superficial por el aacutengulo de contacto
esto es
119882119886 = 120590119888119900119904120579 (5)
Figura 16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidad [25]
El fenoacutemeno de mojabilidad es de gran importancia para el flujo de aceite en un medio
poroso Se ha demostrado que si la roca se encuentra mojada por agua la permeabilidad al
a) b) c)
24
aceite es muy superior al caso en que la roca se encuentre mojada por aceite lo cual favorece
la recuperacioacuten del aceite contenido en el yacimiento [26]
136 Capilaridad
La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de adsorber a otra Sucede cuando las
fuerzas intermoleculares adhesivas entre el liacutequido y el soacutelido son mayores que las fuerzas
intermoleculares cohesivas del liacutequido Cuando un liacutequido sube por un tubo capilar es debido
a la cohesioacuten intermolecular entre sus moleacuteculas es menor que la adhesioacuten del liacutequido con el
material del tubo es decir es un liacutequido que moja El liacutequido sigue subiendo hasta que la
tensioacuten superficial es equilibrada por el peso del liacutequido que llena el tubo
Al sumergir un tubo de vidrio capilar en agua eacutesta se elevaraacute en el tubo como se muestra en
la figura 17 en este caso se define como presioacuten capilar la diferencia de presiones en la
interfase [5]
Figura 17 Efecto de la capilaridad [5]
La presioacuten capilar seraacute la fuerza requerida para soportar la columna de agua en el tubo
dividida entre el aacuterea del capilar se explica con la ecuacioacuten 6
119875119862 = 120588119892ℎ119888 (6)
Doacutende
25
Pc Presioacuten capilar (N m-2)
ρ Densidad (kg m-3)
g Aceleracioacuten de la gravedad (981 m s-2)
hc Altura de la columna (m)
137 Adsorcioacuten
La adsorcioacuten es un proceso de separacioacuten y concentracioacuten de uno o maacutes componentes de un
sistema sobre una superficie soacutelida o liacutequida Los distintos sistemas heterogeacuteneos en los que
puede tener lugar la adsorcioacuten son soacutelido-liacutequido soacutelido-gas y liacutequido-gas Como en otros
procesos de este tipo los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases
La adsorcioacuten es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra
sobre la superficie de otra fase (generalmente soacutelida) Por ello se considera como un
fenoacutemeno subsuperficial La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama
adsorbato y la fase impregnada se llama adsorbente [21] Lo anterior se muestra en la
figura 18
Figura 18 Proceso de adsorcioacuten
1371 Tipos de adsorcioacuten
Cabe distinguir tres tipos de adsorcioacuten seguacuten sea la atraccioacuten entre el soluto y el adsorbente
sea de tipo eleacutectrico de Van der Waals (o Fiacutesica) o de naturaleza quiacutemica [23]
26
Eleacutectrica Cae de lleno dentro del intercambio ioacutenico y a menudo se le llama
adsorcioacuten por intercambio que es un proceso mediante el cual los iones de una
sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atraccioacuten electrostaacutetica
en los lugares cargados de la superficie Para dos absorbatos ioacutenicos posibles a
igualdad de otros factores la carga del ioacuten es el factor determinante en la adsorcioacuten
de intercambio Para iones de igual carga el tamantildeo molecular (radio de solvatacioacuten)
determina el orden de preferencia para la adsorcioacuten (figura 19)
Figura 19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectrica
Fiacutesica La adsorcioacuten que tiene lugar debido a las fuerzas de Van der Waals se llama
generalmente adsorcioacuten fiacutesica En este caso la moleacutecula adsorbida no estaacute fija en un
lugar especiacutefico de la superficie sino maacutes bien estaacute libre de trasladarse dentro de la
interfase Esta adsorcioacuten en general predomina a temperaturas bajas El aumento de
la temperatura disminuye considerablemente la adsorcioacuten (figura 110)
No se produce adsorcioacuten a temperaturas superiores a la temperatura criacutetica del
adsorbato gaseoso si la presioacuten del gas tiene valores cercanos a la presioacuten de vapor
de equilibrio para el adsorbato liacutequido se produciraacute una adsorcioacuten maacutes extensa en
capas muacuteltiples
27
Figura 110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesica
Quiacutemica Si el adsorbato sufre una interaccioacuten quiacutemica con el adsorbente el
fenoacutemeno se llama adsorcioacuten quiacutemica adsorcioacuten activa o quimisorcioacuten Las energiacuteas
de adsorcioacuten son elevadas del orden de las de un enlace quiacutemico debido a que el
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente Esta adsorcioacuten suele estar favorecida a una temperatura elevada [17]
(figura 111)
Figura 111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemica
La mayor parte de los fenoacutemenos de adsorcioacuten son combinaciones de las tres formas de
adsorcioacuten y de hecho no es faacutecil distinguir entre adsorcioacuten fiacutesica y quiacutemica
28
14 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten es el proceso en donde un fluido que satura un medio capilar es desplazado
por otro fluido Eacutesta es espontaacutenea cuando el fluido desplazante penetra el medio capilar
uacutenicamente bajo la accioacuten de las fuerzas capilares Las muestras de roca que imbiben
uacutenicamente agua se dice que son mojadas por agua de igual manera las que lo hacen con el
aceite son mojadas por aceite [10]
La imbibicioacuten es importante en un yacimiento que produce por mecanismos de empuje de
agua porque puede favorecer u obstruir el movimiento del agua afectando el aacuterea del barrido
Una prueba de imbibicioacuten es una comparacioacuten del potencial de imbibicioacuten del petroacuteleo y del
agua en una roca tal como se muestra en la figura 112 La mojabilidad de la roca es
determinada por la fase que maacutes absorbe
Figura 112 Celda de imbibicioacuten espontanea [10]
141 Interaccioacuten roca-fluido
29
La mojabilidad es muy importante en los procesos de recuperacioacuten de aceite debido al fuerte
efecto que eacutesta ejerce en la distribucioacuten localizacioacuten y flujo de aceite y agua dentro del
yacimiento durante la produccioacuten
Generalmente se asume que los yacimientos de aceite fueron creados por la acumulacioacuten de
hidrocarburos en rocas que originalmente conteniacutean agua y por ello se deduce que las rocas
de todos los yacimientos fueron originalmente mojadas por agua [23]
Asimismo existen casos aislados en los cuales despueacutes de haberse hecho pruebas se
descubrioacute que algunos yacimientos eran originalmente mojados por aceite Principalmente
los asfaltenos pesados y las fracciones de resina del aceite crudo son capaces de alterar por
adsorcioacuten la mojabilidad de una caliza mojada originalmente por agua a una mojada por
aceite en su superficie Los componentes maacutes importantes en el aceite crudo responsables
del cambio de mojabilidad son aquellos que contienen grupos cargados como un aacutecido o una
base
Las rocas carbonatadas usualmente llevan cargan positivas en la superficie y tienen una
afinidad mayor por los componentes aacutecidos del aceite crudo En el caso de las areniscas cuya
carga de superficie es negativa se tiene una mayor atraccioacuten por los componentes baacutesicos
del aceite crudo [10] La figura 113 es una representacioacuten esquemaacutetica de coacutemo las partes
aacutecidas del aceite se adsorben sobre la superficie de la caliza generando un estado maacutes mojado
por aceite
Figura 113 Esquema de las partes aacutecidas del aceite crudo sobre una superficie de roca
carbonatada
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacutenea
30
La comprensioacuten de los mecanismos detraacutes de la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes
puede mejorar el desempentildeo y aplicacioacuten del producto en operaciones de campo
Diversos investigadores notaron que para cada tipo de roca la efectividad de la alteracioacuten de
la mojabilidad depende de la naturaleza ioacutenica del surfactante empleado En nuacutecleos de
calizas mojadas por aceite Austad [19] observoacute que surfactantes catioacutenicos funcionaron
mejor que surfactantes anioacutenicos en el cambio de mojabilidad hacia un estado maacutes mojado
por agua Pensaron que para los surfactantes catioacutenicos el mecanismo responsable de la
alteracioacuten de la mojabilidad en una roca carbonatada mojada por aceite era la formacioacuten de
ion-par entre las cabezas catioacutenicas de las moleacuteculas de surfactante y los componentes aacutecidos
del aceite crudo adsorbidos en la superficie de la roca carbonatada
La formacioacuten del ioacuten-par puede remover la capa de aceite crudo adsorbida sobre la superficie
de la roca logrando exponer la superficie de la roca carbonatada originalmente mojada por
agua En cambio las moleacuteculas de los surfactantes anioacutenicos forman una capa en la
superficie de la roca carbonatada a traveacutes de la interaccioacuten hidrofoacutebica de las colas del
surfactante en la superficie La capa de surfactantes adsorbidos con los grupos de cabezas
hidrofiacutelicas cubriendo la roca originalmente mojada por aceite pueden cambiar la
mojabilidad del medio poroso a uno maacutes mojado por agua En este caso las interacciones
hidrofoacutebicas son mucho maacutes deacutebiles que las interacciones ioacuten-par explicando por queacute los
surfactantes catioacutenicos funcionan mejor que los anioacutenicos en la alteracioacuten de mojabilidad en
rocas carbonatadas hacia un estado maacutes mojado por agua Esas pruebas e hipoacutetesis fueron el
comienzo de un estudio que otros investigadores culminaron en un estudio de la mecaacutenica de
la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes [19]
143 Cambio de mojabilidad por el ioacuten-par
31
La formacioacuten del ioacuten-par es influenciado principalmente por interacciones electrostaacuteticas
entre las cabezas hidrofiacutelicas de los surfactantes y estabilizada por interacciones de las
secciones hidrofoacutebicas de la moleacutecula de surfactante Como se muestra en la figura 114 la
formacioacuten de iones-par remueve los componentes del aceite crudo adsorbido sobre la
superficie de la roca dando lugar a la cara originalmente mojada por agua [23]
Figura 114 Modelo esquemaacutetico del cambio de mojabilidad con la aplicacioacuten de
surfactantes
Los iones-par formados durante el proceso no son solubles en agua y por ello se mueven
raacutepidamente dentro de la fase aguaaceite hacia la fase aceite dejando las moleacuteculas de
surfactante libres en la fase agua para asociarse con los componentes del aceite adsorbidos
en la superficie de la roca (figura 114) De esta manera el surfactante cambia
satisfactoriamente la mojabilidad de la superficie de la roca a un estado maacutes mojado por agua
15 Surfactantes
Tambieacuten llamados agentes tensoactivos son moleacuteculas que poseen una doble afinidad
quiacutemica debido a su estructura de tipo polar-apolar Un surfactante o agente superficialmente
activo es una especie quiacutemica que es activa en la interfase entre dos fases como un
detergente que es activo en la interfase entre las fases hidroacutefila e hidroacutefoba El detergente se
acumula en la interfase y modifica la tensioacuten superficial La tensioacuten superficial disminuye
cuando un soluto se acumula en la interfase siendo el soluto en este caso el agente
tensoactivo [21] Su representacioacuten claacutesica se indica en la Figura 115
32
115 Representacioacuten de una moleacutecula surfactante
La parte polar o hidrofiacutelica es un grupo funcional ioacutenico o no ioacutenico generalmente constituida
por heteroaacutetomos como oxiacutegeno azufre nitroacutegeno y foacutesforo que permiten un alto grado de
solubilidad en solventes polares particularmente en agua La parte apolar o lipofiacutelica
generalmente es una cadena hidrocarbonada de tipo alquil o alquilbenceno con presencia en
ciertos casos de aacutetomos de un haloacutegeno u oxiacutegeno la cual es soluble en solventes orgaacutenicos
no polares particularmente hidrocarburos aceites y grasas Debido a esta dualidad polar-
apolar una moleacutecula de surfactante tiene tendencia a migrar a una intercara o una superficie
con la finalidad de satisfacer sus dos tipos de afinidad Sin embargo no todas las sustancias
anfifiacutelicas poseen esta propiedad [14]
151 Clasificacioacuten de los surfactantes
Debido a que la accioacuten de los surfactantes depende principalmente de fuerzas electrostaacuteticas
eacutestos se clasifican de acuerdo a la naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua Los
surfactantes se dividen en anioacutenicos catioacutenicos no ioacutenicos y zwitterioacutenicos (anfoteacutericos)
La tabla 13 muestra su clasificacioacuten incluyendo su descripcioacuten esquemaacutetica las
caracteriacutesticas de carga del grupo soluble en agua los grupos quiacutemicos maacutes importantes y
sus usos principales
La naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua se usa para clasificar los surfactantes en
cuatro clases
33
Tabla 13 Clasificacioacuten de Surfactantes
Clasificacioacuten Descripcioacuten Carga del grupo
soluble en agua
Grupos Quiacutemicos Usos
Anioacutenicos M+ + Negativa Sulfonatos
Sulfatos
Fosfatos
Fosfonatos
No
emulsificantes
Retardadores
Limpiadores
Catioacutenicos X- - Positiva Grupos aminos No
emulsificantes
Inhibidores de
corrosioacuten
No ioacutenicos XxR Sin Carga Alcoholes
Alquilfenoles
Esteres
Eteres
Amidas
Etileno
No
emulsificantes
Espumantes
Inhibidores de
corrosioacuten
Zwitterioacutenicos M+ X- Posee ambas
cargas
Dodedil amino
aacutecido propionico
Inhibidores de
corrosioacuten
Los surfactantes anioacutenicos se disocian en un anioacuten anfiacutefilo y un catioacuten el cual es en general
un metal alcalino o un grupo alquiacutelico A este tipo pertenecen los detergentes sinteacuteticos como
los alquil benceno sulfonatos los jabones (sales de sodio de aacutecidos grasos) los agentes
espumantes como el lauril sulfato los humectantes del tipo sulfosuccinato los dispersantes
del tipo lignosulfonatos etc La produccioacuten de los surfactantes anioacutenicos representa
alrededor del 55 de los surfactantes producidos anualmente en el mundo FIRP 303
Los surfactantes no ioacutenicos estaacuten en el segundo rango por orden de importancia con un poco
menos del 40 del total En solucioacuten acuosa no se ionizan puesto que ellos poseen grupos
hidroacutefilos del tipo alcohol fenol eacutester eacuteter o amida Una alta proporcioacuten de estos
surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofiacutelicos gracias a la presencia de una cadena
polieacuteter del tipo polioacutexido de etileno El grupo hidroacutefobo es generalmente un radical alquilo
o alquil benceno y a veces una estructura de origen natural como un aacutecido graso sobre todo
cuando se requiere una baja toxicidad
34
Los surfactantes catioacutenicos se disocian en solucioacuten acuosa en un catioacuten orgaacutenico anfiacutefilo y
un anioacuten generalmente del tipo halogenuro La gran mayoriacutea de estos surfactantes son
compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario La fabricacioacuten
de estos surfactantes es mucho maacutes cara que la de los anteriores y es por esta razoacuten que no
se les utilizan salvo en caso de aplicacioacuten particular como cuando se hace uso de sus
propiedades bactericidas o de su facilidad de adsorcioacuten sobre sustratos bioloacutegicos o inertes
que poseen una carga negativa
Esta uacuteltima propiedad hace que sean excelentes agentes antiestaacuteticos hidrofobantes asiacute
como inhibidores de corrosioacuten [24] y puedan ser utilizados tanto en productos industriales
como para uso domeacutestico
La combinacioacuten dentro de una misma moleacutecula de dos caracteres anioacutenico y catioacutenico
producen un surfactante llamado anfoacutetero o zwitterioacutenico como por ejemplo los
aminoaacutecidos las betaiacutenas o los fosfoliacutepidos ciertos anfoacuteteros son insensibles al pH otros
son de tipo catioacutenico a pH aacutecido y de tipo anioacutenico a pH alto Los anfoacuteteros son en general
tan caros como los catioacutenicos y por esta razoacuten su utilizacioacuten se reduce a aplicaciones
particulares
152 Propiedades de los surfactantes
Los surfactantes poseen dos propiedades fundamentales que permiten explicar las
caracteriacutesticas de su utilizacioacuten actividad superficial o interfacial adsorcioacuten y asociacioacuten
micelar
1511 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacuten
Cuando un surfactante estaacute presente a baja concentracioacuten en un sistema tiene la propiedad
de adsorberse en la superficie (liacutequido-gas) o en la cara interfacial (liacutequido-liacutequido) del
sistema Este fenoacutemeno que es debido a sus caracteriacutesticas anfifiacutelicas provoca una
disminucioacuten notable de la energiacutea libre superficial o interfacial
35
La energiacutea libre de la moleacutecula en la cara interfacial es inferior a la de la moleacutecula
solubilizada en la fase acuosa por tanto la transferencia desde el seno de la fase hacia la cara
interfacial llamada adsorcioacuten se realiza de manera espontaacutenea
La disminucioacuten de la tensioacuten interfacial provocada por la adsorcioacuten del surfactante favorece
la deformacioacuten y la ruptura de la cara interfacial la formacioacuten de sistemas dispersos como
las emulsiones y las espumas la movilizacioacuten del petroacuteleo residual en pozos entre otros [26]
1512 Micelas y asociacioacuten micelar
En soluciones diluidas el surfactante se encuentra en el seno del liacutequido bajo la forma de
solucioacuten molecular A partir de cierta concentracioacuten llamada concentracioacuten micelar criacutetica
(CMC) la fase acuosa se satura y la adicioacuten de maacutes moleacuteculas de surfactante provoca la
formacioacuten de agregados de tipo coloidal llamadas micelas [21]
Estos agregados pueden reunir entre decenas y centenas de moleacuteculas y su dimensioacuten y
estructura dependen de la estructura y del ambiente fisicoquiacutemico del surfactante La
tendencia liofoacutebica de una parte de la moleacutecula surfactante es el principal promotor de la
formacioacuten de las micelas en las cuales el surfactante alcanza una posicioacuten favorable para
satisfacer su doble afinidad
Generalmente se presenta a una micela como una entidad estaacutetica sin embargo las micelas
son agregados moleculares en equilibrio dinaacutemico con las moleacuteculas de surfactante dispersas
en el disolvente [19] De hecho se puede citar que ocurren dos procesos baacutesicos i) intercambio
de las micelas con las moleacuteculas de surfactante en el disolvente y con otras micelas que
ocurre en microsegundos o milisegundos y ii) la renovacioacuten real de una micela completa por
este proceso (de milisegundos a segundos)
Cuando el medio continuo estaacute formado por una sustancia no polar (denominado
geneacutericamente aceite aunque su estructura quiacutemica no corresponda a este nombre) se
forman las llamadas micelas inversas Ahora las cabezas polares estaacuten orientadas hacia el
interior de la micela y estaacuten en contacto con agua o alguna otra sustancia polar mientras que
las colas hidrocarbonadas se dirigen hacia el exterior de la micela (en contacto con el
36
disolvente apolar) como se muestra en la figura 116 Estos sistemas son mucho maacutes
complejos que los formados por las micelas normales tienen valores propios para la CMC y
nuacutemero de agregacioacuten aunque su tamantildeo y forma es similar al de las micelas normales
Figura 116 Tipos de micela A) micela normal B) micela inversa
El tamantildeo de una micela esfeacuterica estaacute determinado por el equilibrio entre las fuerzas de
atraccioacuten entre las colas hidrocarbonadas entre siacute (realmente se debe a que las moleacuteculas de
agua tienden a expulsar a las moleacuteculas hidrofoacutebicas de su contacto) y las fuerzas de repulsioacuten
electrostaacutetica de las cabezas polares (ayudada por efectos esteacutericos y de hidratacioacuten)
Mediante estudios de difraccioacuten de neutrones a aacutengulo pequentildeo se ha determinado la
estructura de una micela esfeacuterica el nuacutecleo es hidrocarbonado los grupos polares junto con
algunos contraiones (iones de carga opuesta al de la cabeza polar del surfactante) constituyen
la capa ioacutenica de Stern con un espesor de 02 a 04 nm y una capa difusa de Gouy-Chapman
mostrado en la figura 117
37
Figura 117 Comportamiento estaacutetico micelar
A concentraciones de surfactante ligeramente mayores que la CMC las micelas son esfeacutericas
al aumentar la concentracioacuten ciertas propiedades de la disolucioacuten indican un cambio en la
estructura de los agregados micelares Esto se debe probablemente a interacciones entre las
micelas Incrementando la concentracioacuten las micelas adoptan formas ciliacutendricas o lamelares
o en algunos casos de discos A concentraciones superiores pueden ocurrir transiciones de
fase de solucioacuten micelar a cristales liacutequidos
Algunas de las caracteriacutesticas que hacen atractivas a las micelas para aplicaciones analiacuteticas
son la existencia de la capa ioacutenica de Stern (en micelas ioacutenicas) la orientacioacuten anisotroacutepica
(o grado de ordenamiento) del nuacutecleo de la micela el ordenamiento de la interfaz micelar
debido a la carga y a las interacciones con el disolvente y a la diferencia de polaridad entre
el disolvente y el interior micelar
Muchas propiedades fiacutesicas de las soluciones de surfactante (conductividad tensioacuten
superficial densidad etc) cambian de manera notable en la CMC Comuacutenmente la CMC se
obtiene por la interseccioacuten de dos curvas que representan una propiedad fiacutesica determinada
de la solucioacuten una curva representa la propiedad fiacutesica a concentraciones inferiores a la CMC
y la otra representa la propiedad fiacutesica a concentraciones superiores [10]
38
16 Emulsiones
Las emulsiones son sistemas dispersos constituidos por dos liacutequidos inmiscibles en los cuales
la fase en suspensioacuten (fase interna o dispersa) se encuentra en forma de pequentildeas gotas
contenida en la fase externa (fase continua o dispersante) como se muestra en la figura 118
La estructura de las emulsiones estaacute estabilizada por un agente surfactante llamado
emulsionante Por definicioacuten una emulsioacuten es un sistema termodinaacutemicamente inestable y
tarde o temprano debe separarse en sus dos fases [19]
Figura 118 Micrografiacutea de una emulsioacuten WO
La nocioacuten de estabilidad es por supuesto relativa pero se refiere a una casi ausencia de
cambio durante un periacuteodo de tiempo suficientemente largo para el propoacutesito de la aplicacioacuten
praacutectica lo cual puede variar de algunos minutos a algunos antildeos
Las cantidades relativas de fase dispersa y fase continua (referidas tambieacuten como fase interna
y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades Por debajo de 20 de fase
interna se habla de una emulsioacuten de bajo contenido de fase interna En tales emulsiones se
puede considerar que hay poca interaccioacuten de las gotas entre siacute
39
161 Tipos de emulsiones
En la mayoriacutea de los casos en los cuales se hace una emulsioacuten con dos liacutequidos
inmiscibles uno de los liacutequidos es una fase acuosa y el otro una fase aceite u orgaacutenica Se
usan las abreviaturas O para el aceite y W para el agua siguiendo la nomenclatura
anglosajona Las emulsiones se clasifican [26]
Aceite en agua (OW) Esta emulsioacuten contiene gotas de aceite dispersadas en agua
es la emulsioacuten normal para todas las aplicaciones con excepcioacuten de la produccioacuten de
petroacuteleo en la cual se denomina emulsioacuten inversa
Agua en aceite (WO) En esta emulsioacuten la fase dispersa es el agua mientras que la
continua es el aceite esta es la emulsioacuten normal en la industria petrolera y la inversa
para todas las demaacutes aplicaciones
Agua en aceite en agua (WOW) Cuando las gotas de aceite de una emulsioacuten OW
contienen en su interior gotitas de agua se dice que se tiene una emulsioacuten muacuteltiple
del tipo WOW Las emulsiones muacuteltiples se encuentran en forma espontaacutenea en
ciertas circunstancias o pueden prepararse al propoacutesito
Aceite en agua en aceite (OWO) Este tipo de emulsioacuten no se encuentra con
frecuencia y estaacute constituida por una fase continua de aceite con gotas dispersas de
agua en su interior las cuales a su vez contienen pequentildeiacutesimas gotas de la fase
aceitosa
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleo
Durante las operaciones de extraccioacuten del petroacuteleo la mezcla bifaacutesica de petroacuteleo y agua se
desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden de 1 piediacutea lo que es insuficiente
para que se forme una emulsioacuten Sin embargo al pasar por todo el aparataje de produccioacuten
durante el levantamiento y el transporte en superficie (bombas vaacutelvulas codos restricciones
etc) se produce la agitacioacuten suficiente para que el agua se disperse en el petroacuteleo en forma
de emulsioacuten WO estabilizada por las especies de actividad interfacial presentes en el crudo
(asfaacuteltenos y resinas) y por soacutelidos
40
Existen tres requisitos esenciales para formar una emulsioacuten
Dos liacutequidos inmiscibles como el agua y el aceite
Suficiente agitacioacuten para dispersar uno de los liacutequidos en pequentildeas gotas en el otro
Un agente emulsionante para estabilizar las gotas dispersas en la fase continua
En los campos petroleros las emulsiones se conocen como emulsiones directas (agua
en aceite WO) y emulsiones indirectas (aceite en agua OW) Otra terminologiacutea en la
industria petrolera es clasificar las emulsiones directas producidas como duras y suaves Por
definicioacuten una emulsioacuten dura es muy estable y difiacutecil de romper principalmente porque las
gotas dispersas son muy pequentildeas Por otro lado una emulsioacuten suave es inestable y faacutecil de
romper En otras palabras cuando un gran nuacutemero de gotas de agua de gran diaacutemetro estaacuten
presentes ellas a menudo se separan faacutecilmente por la fuerza gravitacional El agua que se
separa en menos de cinco minutos es llamada agua libre
La mejor forma de deshidratar es evitar que se produzca la emulsioacuten o por lo menos
reducir al maacuteximo las condiciones que favorezcan el emulsionado
En pozos fluyentes una agitacioacuten considerable es generalmente causada por el gas
disuelto saliendo de la solucioacuten (el gas se desorbe) conforme decrece la presioacuten Este gas
tambieacuten causa turbulencia cuando fluye junto con la mezcla bifaacutesica agua-aceite a traveacutes de
accesorios y restricciones en la tuberiacutea de produccioacuten pasa por supuesto lo mismo cuando
se utiliza el levantamiento con gas Esta turbulencia puede ser reducida pero no eliminada
instalando un estrangulador de fondo Este estrangulador reduce la estabilidad de la emulsioacuten
por las siguientes causas
Hay menos presioacuten diferencial
La temperatura de fondo de pozo es considerablemente maacutes alta que la temperatura
en la superficie
Hay flujo laminar para una gran distancia corriente abajo del estrangulador de fondo
y por lo tanto menos turbulencia
Actualmente el 90 de las teacutecnicas utilizadas para la extraccioacuten de petroacuteleo crudo
generan o agravan los problemas de emulsionado Los quiacutemicos usados en las fracturas de la
41
formacioacuten estimulaciones de pozos inhibicioacuten de corrosioacuten etc frecuentemente causan
severos problemas de emulsionaje por lo que existen meacutetodos para romperlas tales como el
calentamiento aditivos quiacutemicos tratamiento eleacutectrico y asentamiento En los casos de bajo
contenido de agua (lt 10) resulta ventajoso antildeadir agua en fondo de pozo antes que se
produzca la emulsioacuten porque asiacute la emulsioacuten formada seraacute menos estable (el tamantildeo de gotas
aumenta y se favorece la coalescencia [22]
163 Agentes emulsionantes
Los agentes emulsionantes son numerosos y pueden ser clasificados
Compuestos naturales surfactantes tales como asfaltenos y resinas conteniendo
aacutecidos orgaacutenicos y bases aacutecidos nafteacutenicos aacutecidos carboxiacutelicos compuestos de
azufre fenoles cresoles y otros surfactantes naturales de alto peso molecular
Soacutelidos finamente divididos tales como arena arcilla finos de formacioacuten esquistos
lodos de perforacioacuten fluidos para estimulacioacuten incrustaciones minerales productos
de la corrosioacuten (por ejemplo sulfuro de hierro oacutexidos) parafinas asfaltenos
precipitados Los fluidos para estimulacioacuten de pozos pueden contribuir a formar
emulsiones muy estables
Quiacutemicos de produccioacuten antildeadidos tales como inhibidores de corrosioacuten biocidas
limpiadores surfactantes y agentes humectantes
Estos agentes pueden adsorberse en la interfase de la gota de agua y formar una peliacutecula
riacutegida que resulta en una alta estabilidad de la emulsioacuten WO formada lo cual ocurre en
menos de tres diacuteas Es por eso que la emulsioacuten debe tratarse lo maacutes pronto posible con
diferentes agentes tales como quiacutemica deshidratante calor sedimentacioacuten por
centrifugacioacuten o electrocoalescencia [26]
42
164 Estabilidad de una emulsioacuten
La peliacutecula interfacial formada estabiliza la emulsioacuten debido a que
Aumenta la tensioacuten interfacial Por lo general para emulsiones de crudo la tensioacuten
interfacial se encuentra en el intervalo de 30 a 36 mN m-1 Asiacute mismo la presencia
de sales aumenta la tensioacuten interfacial
Forma una barrera viscosa que inhibe la coalescencia de las gotas
Si el surfactante o partiacutecula adsorbida en la interfase es polar su carga eleacutectrica
provoca que se repelan unas gotas de otras
Otro mecanismo de estabilizacioacuten ocurre cuando los emulsionantes son partiacuteculas soacutelidas
muy finas Para ser agentes emulsionantes las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes pequentildeas que
las gotas suspendidas y deben ser mojadas por el aceite y el agua Luego estas finas partiacuteculas
soacutelidas o coloides (usualmente con surfactantes adheridos a su superficie) se colectan en la
superficie de la gota y forman una barrera fiacutesica Algunos de estos soacutelidos son el sulfuro de
hierro y la arcilla [14]
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacuten
La estabilidad y rompimiento de una emulsioacuten depende de varios factores
Tensioacuten interfacial Una reduccioacuten de la tensioacuten interfacial no aumenta la estabilidad
de la emulsioacuten Se ha encontrado que los sistemas de tensioacuten ultrabaja producen
emulsiones inestables
Viscosidad de la fase externa Una viscosidad alta en la fase externa disminuye el
coeficiente de difusioacuten y la frecuencia de colisioacuten de las gotas por lo que se
incrementa la estabilidad de la emulsioacuten Una alta concentracioacuten de las gotas tambieacuten
incrementa la viscosidad aparente de la fase continua y estabiliza la emulsioacuten Este
efecto puede ser minimizado calentando la emulsioacuten
Tamantildeo de la gota Gotas muy pequentildeas menores de 10 microm generalmente producen
emulsiones maacutes estables Una amplia distribucioacuten de tamantildeos de partiacuteculas resulta en
general en una emulsioacuten menos estable
43
Relacioacuten de volumen de fases Incrementando el volumen de la fase dispersa se
incrementa el nuacutemero de gotas yo tamantildeo de gotas y el aacuterea interfacial La distancia
de separacioacuten se reduce y esto aumenta la probabilidad de colisioacuten de las gotas Todos
estos factores reducen la estabilidad de la emulsioacuten
Temperatura Usualmente la temperatura tiene un efecto muy fuerte en la estabilidad
de la emulsioacuten Incrementando la temperatura se reduce la adsorcioacuten de surfactantes
naturales y disminuye la viscosidad de la fase externa la rigidez de la peliacutecula
interfacial y la tensioacuten superficial Todos estos cambios reducen la estabilidad de la
emulsioacuten
pH La adicioacuten de aacutecidos o bases inorgaacutenicos cambia radicalmente la formacioacuten de
peliacuteculas de asfaltenos y resinas que estabilizan las emulsiones agua-aceite
Envejecimiento de la interfase A medida que la interfase envejece la adsorcioacuten de
los surfactantes se completa y debido a las interacciones laterales entre las moleacuteculas
aumenta la rigidez de la peliacutecula hasta un valor estable en unas 3 o 4 horas Esta
peliacutecula o piel alrededor de la gota llega a ser maacutes gruesa maacutes fuerte y maacutes dura
Ademaacutes la cantidad de agentes emulsionantes se incrementa por oxidacioacuten fotoacutelisis
evaporacioacuten o por la accioacuten de bacterias
Salinidad de la salmuera La salinidad de la salmuera es un factor importante en la
formacioacuten de emulsiones estables Agua fresca o salmuera con baja concentracioacuten de
sal favorecen la estabilidad de las emulsiones Por el contrario altas concentraciones
de sal tienden a reducirla
Tipo de aceite Los crudos de base parafiacutenica usualmente no forman emulsiones
estables mientras que los crudos nafteacutenicos y de base mixta forman emulsiones
estables Ceras resinas asfaltenos y otros soacutelidos pueden influenciar la estabilidad
de la emulsioacuten En otras palabras el tipo de crudo determina la cantidad y tipo de
emulsionantes naturales
Diferencia de densidad La fuerza neta de gravedad que actuacutea en una gota es
directamente proporcional a la diferencia en densidades entre la gota y la fase
continua Aumentando la diferencia de densidad por incremento de la temperatura se
logra aumentar la velocidad de sedimentacioacuten de las gotas y por ende se acelera la
coalescencia
44
Capiacutetulo II
Metodologiacutea
45
La metodologiacutea usada en este proyecto se ilustra en la figura 21 la cual abarca desde la
preparacioacuten de las rocas carbonatadas hasta las pruebas de dispersioacuten de luz dinaacutemica y
potencial zeta con las cuales se concluyoacute este trabajo
Figura 21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyecto
Preparacioacuten de rocas carbonatadas (Pulido)
Caracterizacioacuten de las rocas carbonatadas por Espectroscopiacutea FTIR UV-vis SEMEDX
Preparacioacuten de emulsioacuten WO (7030) aplicando 500 y 800 mg L-1
de S(I) y S(II)
Imbibicioacuten espontaacutenea de roca de yacimiento
Pruebas tensiometricas de crudo emulsionado sobre roca
(Metodo de gota seacutesil)
Extraccioacuten de asfaltenos
Impregnacioacuten y caracterizacioacuten de asfaltenos sobre roca carbonatada
DLS de roca impreganada de asfaltenos
Potencial Zeta de roca impregnada de asfaltenos
46
21 Reactivos utilizados en el proyecto
En la tabla 21 se enlistan los reactivos utilizados en el desarrollo del proyecto
Tabla 21 Reactivos empleados en el proyecto
Reactivo Pureza Marca CAS
Acetona 999 Sigma-Aldrich 67-64-1
Heptano 95 Sigma-Aldrich 142-82-5
Tolueno 999 Sigma-Aldrich 108-99-3
Ciclohexano 99 Sigma-Aldrich 110-82-7
Nitrato de sodio 99 Sigma-Aldrich 7631-99-4
Cloruro de Sodio 99 Sigma-Aldrich 7647-14-5
Carbonato de calcio 99 Sigma-Aldrich 471-34-1
Sulfato de Magnesio 995 Sigma-Aldrich 7487-88-9
Agua desionizada 995 Sigma-Aldrich 7732-18-5
En la tabla 22 se muestran la nomenclatura de los surfactantes empleados en la
experimentacioacuten los cuales son de naturaleza catioacutenica debido a la propiedad de absorberse
sobre sustratos cargados negativamente
Tabla 22 Surfactantes utilizados en la experimentacioacuten
22 Sistemas de estudio
Clave Nombre surfactante Estructura
S1
P-toluensulfonato de 1-
metil-3-hexilimidazolio
[1M3HIMPTSO3]
S2
Cloruro de 1-metil-3-etil-
p-toluensulfonilimidazolio
[1M3EPTSO3IMCl]
CH3
N
N+
CH3
CH3
S
O
O
O-
CH3S
O
O
O
CH3
N
N+
Cl-
47
221 Agua congeacutenita
Se obtuvo una muestra de agua congeacutenita del petroacuteleo Aguacate 72 la cual fue proporcionada
por el Instituto Mexicano del Petroacuteleo Dicha muestra fue caracterizada por Espectroscopiacutea
de infrarrojo de Fourier con la finalidad de conocer los grupos funcionales presentes en la
misma
221 Salmuera
Se preparoacute a partir de una mezcla de 3 sales caracteriacutesticas de cualquier salmuera natural en
la siguiente proporcioacuten 30 de carbonato de calcio (CaCO3) 50 de cloruro de sodio
(NaCl) y 20 de sulfato de magnesio (MgSO4) Tomando como referencia 100 mL se pesoacute
1 gramo de mezcla de sales y se diluyoacute en agua desionizada posteriormente se realizaron
diluciones hasta obtener una concentracioacuten de 100 mg L-1
222 Extraccioacuten de asfaltenos
Se pesaron 10 g de crudo y se disolvieron en 40 mL de heptano posteriormente se aplicoacute
agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas Tras este periodo se dejoacute en reposo el sistema durante
24 horas Finalmente la solucioacuten se filtroacute aplicando vaciacuteo y exceso de heptano para arrastrar
los restos de compuestos no asfalteacutenicos contenidos en el producto
223 Impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada
Se preparoacute una muestra con la siguiente proporcioacuten 15 g de asfaltenos (30) y 35 g de
roca carbonatada (70) los cuales fueron agregados a 50 mL de Ciclohexano contenidos en
un matraz como se muestra en la figura 22 Se realizoacute agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas
posteriormente se realizoacute una filtracioacuten a vaciacuteo El producto obtenido se secoacute en una estufa a
100degC con un tiempo de secado de 24 horas
48
Figura 22 Muestra de roca carbonatada y asfaltenos
23 Disentildeo de experimentos
Se prepararon emulsiones con una proporcioacuten de 7030 (WO donde W corresponde al agua
siendo en nuestro caso de estudio agua congeacutenita oacute salmuera y O corresponde al crudo)
utilizando crudo Aguacate del pozo 72 manejando 10 g totales de muestra los cuales fueron
depositados en recipientes de plaacutestico de 20 mL ademaacutes de ser sometidas a agitacioacuten
continua con una espaacutetula por 20 minutos con el fin de formar la emulsioacuten
El petroacuteleo utilizado en el proyecto tiene las siguientes caracteriacutesticas
Densidad 09696 g cm-3
1440 grados API
2166 Saturados 3057 Aromaacuteticos 2435 Resinas y 2341 Asfaltenos
El disentildeo experimental es presentado en la tabla 23 se trabajoacute con 2 diferentes surfactantes
(S2 y S3) y estos se agregaron a las diferentes emulsiones WO usando concentraciones de
500 mg L-1 y 800 mg L-1 realizaacutendose micrografiacuteas de las emulsiones antes y despueacutes de
agregar el surfactante posteriormente se realizoacute el anaacutelisis tensiomeacutetrico de cada emulsioacuten
finalizando con el estudio dispersivo de los asfaltenos por Dispersioacuten de Luz dinaacutemica (DLS)
y Potencial Zeta
49
Tabla 23 Disentildeo de experimentos
Experimento Q1 O1 SX C(mg L-1)
Roca Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Experimento Q1 O1 SX C(ppm)
Roca Impregnada Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
50
24 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
241 Espectroscopiacutea de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)
Las teacutecnicas espectroscoacutepicas se fundamentan en la interaccioacuten de la materia con la
radiacioacuten Esta interaccioacuten provoca procesos como la absorcioacuten o la difusioacuten (scattering)
Cuando una moleacutecula absorbe o emite un fotoacuten su estado energeacutetico cambia En general
este cambio se manifiesta como una variacioacuten en la energiacutea traslacional de la moleacutecula y
como una modificacioacuten en su estado electroacutenico vibracional o rotacional Como las energiacuteas
asociadas a cada uno de estos cambios son muy diferentes cada uno de estos procesos se
puede tratar de manera independiente Exceptuando los cambios traslacionales los estados
energeacuteticos de las moleacuteculas estaacuten cuantizados consecuentemente los procesos de absorcioacuten
y emisioacuten soacutelo pueden darse a determinadas frecuencias de los fotones Para cada moleacutecula
dada su espectro de adsorcioacutenemisioacuten constituye una huella de la misma Las absorciones
que se producen en la regioacuten espectral del infrarrojo involucran energiacuteas mucho maacutes
pequentildeas comparadas con las energiacuteas de absorcioacuten relacionadas con la estructura electroacutenica
de la moleacutecula (ultravioleta y visible)
Sin embargo no todas las vibraciones yo rotaciones producen una absorcioacuten de radiacioacuten
incidente Soacutelo los modos vibracionales y rotacionales de moleacuteculas con momento bipolar
diferente de cero o bien aquellos modos que induzcan un momento diferente de cero en la
moleacutecula son activos al infrarrojo Para que exista un espectro rotacional activo en el
infrarrojo se requiere que la moleacutecula sea polar mientras que para tener un espectro
vibracional activo en el infrarrojo basta que el movimiento vibracional de los aacutetomos de la
moleacutecula induzca un momento bipolar no nulo [28]
En un interferoacutemetro Michelson el haz de radiacioacuten que viene de la fuente se divide mediante
un espejo semipermeable (beamsplitter) en dos haces parciales que se reflejan en sendos
espejos uno fijo y otro moacutevil vuelven al beamsplitter y se recombinan en interferencia Un
desplazamiento del espejo moacutevil cambia el camino oacuteptico en ese brazo del interferoacutemetro
51
introduciendo una diferencia de fase entre los haces y por tanto un cambio en la amplitud de
la interferencia La intensidad de sentildeal que llega al detector tras atravesar la muestra
representada como funcioacuten de la diferencia en la trayectoria de ambos haces (retardo) es lo
que se llama interferograma Con una radiacioacuten monocromaacutetica se obtiene una sentildeal coseno
que en el caso de caminos oacutepticos ideacutenticos en ambos brazos proporciona una interferencia
constructiva sin diferencia de fase entre los haces y por tanto una intensidad maacutexima El
resultado es un interferograma (intensidad en funcioacuten del tiempo) la cual se convierte viacutea un
algoritmo matemaacutetico (transformada de Fourier) en un diagrama de Intensidad en funcioacuten de
la frecuencia (espectro)
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro FTIR de marca Perkin Elmer Spectrum One donde se
analizoacute la roca carbonatada de yacimiento Para la identificacioacuten de los grupos funcionales
se trabajoacute con un intervalo espectral de 4000 a 380 cm-1 utilizando 12 barridos
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)
El espectro Ultravioleta y Visible de las moleacuteculas estaacute asociado a transiciones electroacutenicas
entre los diferentes niveles energeacuteticos en ciertos grupos o aacutetomos de la moleacutecula En
contraste la absorcioacuten de energiacutea en la regioacuten Infrarroja estimulan la moleacutecula completa y
causa cambios vibracionales y rotacionales en esta lo cual caracteriza la entidad estructural
de dicha moleacutecula Los grupos de aacutetomos que dan origen a la absorcioacuten en el UV cercano o
UV de cuarzo se conocen como grupos cromoacuteforos La mayoriacutea de los grupos insaturados y
heteroatoacutemicos que tienen pares de electrones no compartidos son cromoacuteforos potenciales y
estos grupos son la base de la elucidacioacuten de grupos estructurales en las moleacuteculas activas en
el UV cercano
Cuando dos aacutetomos forman un enlace quiacutemico los orbitales atoacutemicos de cada uno de ellos
se combinan para formar dos orbitales moleculares uno de baja energiacutea que es el orbital
enlazante y otro de energiacutea mayor que es el orbital antienlazante Los enlaces covalentes que
se originan entre los orbitales de dos aacutetomos que se enlazan quiacutemicamente pueden ser de dos
tipos y se conocen como enlaces σ y enlaces π
52
Al efectuarse dicho enlace covalente se forman simultaacuteneamente orbitales antienlazantes σ
en el caso de un orbital molecular enlazante σ y π en el caso de un orbital molecular
enlazante p La absorcioacuten de energiacutea radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones
σ oacute π resulta en la excitacioacuten de eacutestos los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales
antienlazantes La absorcioacuten de radiacioacuten Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas
transiciones
Un espectro ultravioleta-visible es esencialmente un graacutefico de absorbancia de luz frente a
una longitud de onda en el rango del ultravioleta o la luz visible para una determinada
sustancia puede hacerse un graacutefico estaacutendar del coeficiente de extincioacuten (ε) frente a la
longitud de onda (λ) Las longitudes de onda de los picos de absorcioacuten pueden
correlacionarse con los tipos de enlace en una determinada moleacutecula y son valiosos para
determinar los grupos funcionales dentro de la moleacutecula La absorcioacuten UV-Vis no es sin
embargo una prueba especiacutefica para ninguacuten compuesto determinado La naturaleza del
disolvente el pH de la solucioacuten la temperatura la concentracioacuten de electrolitos y la
presencia de sustancias interferentes pueden influir en los espectros de absorcioacuten de los
compuestos asiacute como las variaciones de ancho de banda [29]
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro UV-vis de marca Cintral 303 GBC en donde se analizaron
los compuestos sintetizados Para la identificacioacuten de los grupos funcionales se trabajoacute con
una celda de 10 mm de espesor en un intervalo espectral de 800 a 200 nm Se preparoacute una
solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano a una concentracioacuten de 100 mg L-1 asiacute como
soluciones de roca impregnada de crudo en ciclohexano a diferentes concentraciones (100
50 30 20 10 5 3 y 1 mg L-1)
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
El Microscopio electroacutenico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscopy) es una
teacutecnica que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen
ampliada de la superficie de un objeto Es un instrumento que permite la observacioacuten y
caracterizacioacuten superficial de soacutelidos inorgaacutenicos y orgaacutenicos Tiene una gran profundidad
53
de campo la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra Eacutesta teacutecnica
brinda informacioacuten topograacutefica sobre la superficie de material analizado y el anaacutelisis EDX
proporciona informacioacuten sobre su composicioacuten quiacutemica [30]
Esta teacutecnica esencialmente consiste en hacer incidir en la muestra un haz de electrones Este
bombardeo de electrones provoca la aparicioacuten de diferentes sentildeales que captadas con
detectores adecuados nos proporcionan informacioacuten acerca de la naturaleza de la muestra
La sentildeal de electrones secundarios proporciona una imagen de la morfologiacutea superficial de
la muestra La sentildeal de los electrones retrodispersados muestra una imagen cualitativa de
zonas con distinto nuacutemero atoacutemico medio y la sentildeal de rayos X presenta los espectros e
imaacutegenes acerca de la composicioacuten de elementos quiacutemicos en la muestra
25 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten espontaacutenea de la fase mojante sobre la superficie de una roca consiste en la
absorcioacuten de la misma en su superficie tan pronto como existe contacto entre dicha fase y el
soacutelido sin requerirse de la accioacuten de un trabajo externo para realizarse lo cual tambieacuten se
conoce como la succioacuten capilar de esta fase en el medio poroso es decir es un proceso que
consiste en el ingreso de la fase mojante en los poros de la roca por efecto de las fuerzas
capilares [10]
En este proceso se utiliza una Celda de Amott el cual es un contenedor ciliacutendrico conceacutentrico
de vidrio en cuya parte central se colocan el material que seraacute saturado por la fase mojante
y en la capucha externa se introduce liacutequido refrigerante para mantener la temperatura
constante dentro de la celda
Para la experimentacioacuten se utilizaron 3 rocas carbonatadas que fueron introducidas en una
celda de Amott de 500 mL Posteriormente se llenoacute la parte interna de la celda con petroacuteleo
crudo y la capucha externa con refrigerante La celda se colocoacute en un bantildeo de aceite a 65degC
durante 7 diacuteas En la figura 23 se observa el montaje del equipo para el proceso de
imbibicioacuten
54
Figura 23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacuten
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
Este meacutetodo experimental es usado para determinar el aacutengulo de contacto existente en un
sistema bifaacutesico Consiste en la colocacioacuten de una gota sobre una superficie soacutelida
posteriormente el equipo realiza el caacutelculo de paraacutemetros propios de la gota como radio y
diaacutemetro los cuales son fundamentales sustituidos en las ecuaciones de tensioacuten superficial
[10]
Para la experimentacioacuten se emplearon 8 rocas carbonatadas de yacimiento las cuales fueron
previamente pulidas para generar una superficie lisa obseacutervese la figura 24 Posteriormente
se colocoacute la emulsioacuten preparada en la jeringa para estudio tensiomeacutetrico por accioacuten
gravitacional el fluido descendioacute provocando la formacioacuten de una gota la cual se fija en la
roca La caacutemara del tensioacutemetro detecta el aacutengulo y la forma de la gota asiacute como su
deformacioacuten con el paso del tiempo
55
Figura 24 Roca carbonatada previamente pulida
Asiacute mismo se realizoacute la medicioacuten del aacutengulo de contacto para las rocas imbibidas en crudo
(figura 25) soacutelo difiriendo en la fase mojante la cual se trataba en un primer experimento
de la salmuera o del agua congeacutenita y posteriormente se adicionaron los dos surfactantes a
500 y 800 mg L-1
Figura 25 Roca carbonatada imbibida de petroacuteleo
Se utilizoacute un tensioacutemetro de la marca Attension modelo Theta Lite 101 (figura 26) en donde
se analizaron los sistemas de estudio mencionados anteriormente empleando el meacutetodo de
gota seacutesil
Figura 26 Tensioacutemetro Attension Theta Lite 101
56
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemica
La dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS) a la que a veces se hace referencia como dispersioacuten de
luz cuasi elaacutestica (QELS) es una teacutecnica no invasiva y bien establecida para medir el tamantildeo
y distribucioacuten de tamantildeo de moleacuteculas partiacuteculas y agregados tiacutepicamente en la regioacuten
submicromeacutetrica y con la uacuteltima tecnologiacutea inferiores a 1 μm
Las aplicaciones tiacutepicas de la dispersioacuten de luz dinaacutemica son la caracterizacioacuten de partiacuteculas
emulsiones o moleacuteculas que se han dispersado o disuelto en un liacutequido El movimiento
Browniano de las partiacuteculas o moleacuteculas en suspensioacuten hace que la luz laacuteser se disperse en
diferentes intensidades [31] Con el anaacutelisis de estas fluctuaciones en la intensidad se obtiene
la velocidad del movimiento Browniano y por lo tanto del tamantildeo de partiacutecula mediante la
relacioacuten de Stokes-Einstein (figura 27)
Figura 27 Diagrama de funcionamiento de Dispersioacuten de luz dinaacutemica
A diferencia de la dispersioacuten de luz estaacutetica para determinar el tamantildeo de las partiacuteculas y
agregados la dispersioacuten de luz dinaacutemica no tiene en cuenta la dependencia del aacutengulo sino
la variacioacuten de la intensidad de dispersioacuten en el tiempo debido a la aglomeracioacuten de las
partiacuteculas con respecto al tiempo teniendo un efecto de sedimentacioacuten que provoca un
caacutelculo erroacuteneo de la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
Esta teacutecnica fisicoquiacutemica se utiliza para determinar el perfil de distribucioacuten de tamantildeos de
partiacuteculas pequentildeas en suspensioacuten mediante una fuente monocromaacutetica que pasa a traveacutes de
un polarizador y la muestra La luz dispersada pasa posteriormente a traveacutes de un segundo
57
polarizador donde es recogido por un fotomultiplicador y se obtiene una intensidad de
dispersioacuten determinada [32]
Para la experimentacioacuten se preparoacute la solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano con una
concentracioacuten de 100 mg L-1 se llevoacute a sonicacioacuten durante 15 minutos posteriormente se
colocaron 3 mL de la muestra en la celda y se realizoacute su anaacutelisis Asiacute mismo se estudiaron
las soluciones de roca impregnada en ciclohexano y la aplicacioacuten de los surfactantes sobre
las mismas a 500 y 800 mg L-1
Se utilizoacute un equipo de la marca Malvern modelo Zetasizer en donde se analizaron los
sistemas de estudio mencionados anteriormente
28 Potencial Zeta
El potencial zeta es una propiedad que mide el potencial electrocineacutetico en sistemas
coloidales en la quiacutemica coloidal se denota por lo general con la letra griega zeta Desde un
punto de vista fiacutesico el potencial zeta es el potencial eleacutectrico en la doble capa interfacial es
decir que es el punto donde se unen la capa difusa y la de Stern Tambieacuten el potencial zeta es
la diferencia de potencial entre el medio de dispersioacuten y la capa estacionaria unido a la
partiacutecula dispersada []
Las partiacuteculas coloidales dispersas en una solucioacuten estaacuten cargadas eleacutectricamente gracias a
sus caracteriacutesticas ioacutenicas y de bipolaridad El desarrollo de una red de carga eleacutectrica en la
superficie de la partiacutecula puede afectar la distribucioacuten de iones en una regioacuten interfacial
vecina y provocar un aumento de la concentracioacuten de iones contados (iones de carga
contraria a las partiacuteculas) cerca de la superficie tal como se muestra en la figura 27
58
Figura 27 Interacciones entre las partiacuteculas tras la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica [33]
Cada partiacutecula dispersa en una solucioacuten se rodea de iones cargados con carga opuesta que se
denomina capa fija Fuera de esta capa fija existen distintas composiciones de iones de
polaridad opuesta formando un aacuterea nebulosa De esta manera se crea una capa doble
eleacutectrica en la regioacuten de interfase partiacutecula- liacutequido
La medida del Potencial Z permite caracterizar y predecir el comportamiento de soacutelidos
macroscoacutepicos y de partiacuteculas en suspensiones liacutequidas en multitud de aplicaciones teacutecnicas
En suspensiones liacutequidas el Potencial Z es una medida de la atraccioacutenrepulsioacuten entre
partiacuteculas cargadas electrostaacuteticamente permitiendo estudiar la estabilidad de dispersiones
emulsiones suspensiones proteiacutenas poliacutemeros etc
En soacutelidos macroscoacutepicos es una propiedad importante de interfaces soacutelidoliacutequido cargadas
eleacutectricamente siendo un indicador de la carga superficial de un soacutelido en contacto con un
electrolito Esto permite estudiar las caracteriacutesticas y funcionalizacioacuten de superficies
Este anaacutelisis se realizoacute con un equipo de marca Malvern modelo ZetaSizer Se estudiaron
los sistemas Roca carbonatada roca impregnada de crudo asiacute como la aplicacioacuten de los
surfactantes a 500 y 800 mg L-1 utilizando como electrolito indiferente nitrato de sodio
01mM el cual permite la desestabilizacioacuten del coloide con la finalidad de que la corriente
eleacutectrica pase por todas las partiacuteculas y se obtenga una medicioacuten correcta del anaacutelisis Asiacute
mismo se varioacute el pH del sistema de 1 a 7 utilizando HCl 01 M y NaOH 01 M para
observar el efecto dispersivo de las partiacuteculas de roca
59
Capiacutetulo III
Resultados
31 Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenos
60
Se realizaron 3 extracciones de asfaltenos utilizando 10 mL de petroacuteleo en cada una se
obtuvieron entre 14182 g y 16875 g de asfaltenos lo cual representa un porcentaje de
recuperacioacuten en 1418 y 1675 El producto obtenido teniacutea una tonalidad oscura lo anterior
se observa en la figura 31
Figura 31 Asfaltenos obtenidos tras extraccioacuten
Asiacute mismo se realizoacute el procesos de impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada por
triplicado de los cuales se obtuvieron entre 169 g y 189 g de roca impregnada que
representa una recuperacioacuten entre 338 y 378 El producto teniacutea una tonalidad cafeacute oscura
lo anterior se observa en la figura 32
Figura 32 Roca impregnada de asfaltenos
32 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con transformada de Fourier
61
La elucidacioacuten de los espectros de FTIR se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura [35] indica que el carbonato de
calcio presenta sentildeales caracteriacutesticas de sus grupos funcionales tales como CO3 Ca-C y C-
O y Ca-CO3
321 Espectro FTIR de roca carbonatada
El espectro FTIR de la roca carbonatada se muestra en la figura 33 en el que se observa el
estiramiento del enlace Ca-C en 2513 cm-1 sentildeal caracteriacutestica del compuesto CaCO3 el
estiramiento de C-O en 1480 cm-1 y las vibraciones particulares del grupo CO3 en 714 y 877
cm-1 Estas sentildeales dan certeza de que el compuesto analizado es una roca de carbonato de
calcio
Figura 33 Espectro FTIR de roca carbonatada
62
322 Espectro de roca impregnada de asfaltenos
El espectro FTIR de la roca impregnada se muestra en la figura 34 en el que se observa el
estiramiento del enlace O-H en 3300 cm-1 las vibraciones simeacutetricas y asimeacutetricas de C-H
en 2988 y 2875 cm-1 la absorcioacuten energeacutetica del enlace C-H en 1625 cm-1 las flexiones de
los compuestos aromaacuteticos entre 1100 y 1500 cm-1 asiacute como la deformacioacuten noplanar del
anillo benceacutenico entre 700 y 900 cm-1 Estas sentildeales confirman la impregnacioacuten de asfaltenos
teniendo como principal diferencia frente a la roca carbonatada las flexiones y vibraciones
de los enlaces C-H y de los anillos aromaacuteticos presentes en la estructura asfalteacutenica teoacuterica
Figura 34 Espectro FTIR de roca impregnada de asfaltenos
63
33 Espectroscopia ultravioleta visible (UV-vis)
La elucidacioacuten de los espectros de UV-vis se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura indica la presencia de grupos
benceacutenicos y nafteacutenico en las estructuras quiacutemicas de los asfaltenos los cuales son
caracteriacutesticos de los mismos [29]
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada y roca impregnada
El espectro UV-vis de la roca carbonatada no presenta ninguna banda significativa esto se
debe principalmente a la ausencia de dobles y triples enlaces los cuales son sumamente
caracteriacutesticos en longitudes de 200 a 600 nm El espectro UV-vis de la roca impregnada
(figura 35) muestra 4 sentildeales las dos primeras retribuidas a los grupos benceacutenicos a 226 y
250 nm la tercera y cuarta a los grupos nafteacutenicos a 263 y 270 nm estructuras quiacutemicas
presentes en los asfaltenos
Se realizaron 6 experimentos iniciando con la roca carbonatada posteriormente la
evaluacioacuten de la roca impregnada de asfaltenos (RASF) variando la concentracioacuten de roca
(10 5 3 1 05 mg L-1)
Los espectros muestran desdoblamiento en las bandas debido al cambio electroacutenico en los
enlaces sigma y pi presentes en los ciclos aromaacuteticos Se observa el efecto de la concentracioacuten
de roca impregnada a 05 y 1 mg L-1 se tienen bandas maacutes definidas y caracteriacutesticas de los
asfaltenos a concentraciones mayores a lo anterior se enmascaran estas sentildeales debido a la
saturacioacuten de las partiacuteculas de roca impregnada en las muestra Lo anterior hace imposible
para el equipo la identificacioacuten precisa de los grupos funcionales caracteriacutesticos de la misma
64
Figura 35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnada
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
Esta teacutecnica se realizoacute con la finalidad de observar el tamantildeo y la forma de las partiacuteculas de
roca carbonatada asiacute como la composicioacuten elemental de la misma Se observa un
comportamiento de agregacioacuten entre las partiacuteculas por lo que se puede deducir un tamantildeo
entre 100 y 400 nm Con el anaacutelisis elemental del EDX se comproboacute la naturaleza de la roca
la cual estaacute formada de carbonato de calcio La literatura [36] indica las sentildeales caracteriacutesticas
de este compuesto el carbono con una sentildeal en 028 keV el oxiacutegeno en 053 keV y el calcio
con dos picos en 369 y 401 keV y de partiacuteculas nanomeacutetricas de forma esfeacutericas lo anterior
esto se puede observar en la figura 36
65
36 Anaacutelisis SEMEDS de roca carbonatada
35 Imbibicioacuten espontaacutenea
Se obtuvieron las rocas imbibidas tras un proceso de 7 diacuteas [37] y se pesaron para conocer la
cantidad de crudo absorbido dentro de su estructura porosa Asiacute mismo se fracturaron las
rocas para comprobar la presencia del hidrocarburo dentro de la roca lo cual se observa en
la figura 37 En la tabla 31 se muestra la masa inicial y final de la roca asiacute como el
porcentaje de masa absorbida de crudo teniendo porcentajes entre 4 y 5
66
Figura 37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudo
Tabla 31 Resultados de rocas imbibidas
Muestra Masa Inicial (g) Masa Final (g)
1 103315 108098 46295
2 92475 96736 46077
36 Anaacutelisis del aacutengulo de contacto del crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
La medicioacuten del aacutengulo de contacto de diferentes sistemas de estudio aporta informacioacuten
sobre la interaccioacuten entre las interfaces soacutelidas y liquidas el comportamiento de un fluido
sobre una superficie asiacute como la variacioacuten de la misma con la aplicacioacuten de un agente en
este caso un surfactante
361 Roca no imbibida
Se colocaron los disolventes empleados en la experimentacioacuten variado uacutenicamente los
surfactantes y la concentracioacuten de los mismos En la figura 38 se muestra el aacutengulo de
contacto de la salmuera sobre la roca se observa que con la aplicacioacuten de los surfactantes
este aacutengulo disminuye deduciendo un aumento en la afinidad entre la roca y el disolvente
[38] Lo anterior se debe principalmente al aumento de la concentracioacuten de iones provocando
un efecto de pantalla que reduce las repulsiones electrostaacuteticas entre las moleacuteculas anfifiacutelicas
67
facilitando la formacioacuten de micelas en el sistema y asiacute aumentando la mojabilidad de la
salmuera obseacutervese en tabla 32
Figura 38 Angulo de contacto de la salmuera
Tabla 32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio
El efecto de las sales presentes en el agua congeacutenita en la formacioacuten micelar (figura 39)
propicia un incremento en la mojabilidad con la aplicacioacuten del surfactante lo cual se muestra
en la tabla 33
Figura 39 Angulo de contacto del agua congeacutenita
Tabla 33 Aacutengulos de contacto del agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio
68
Del mismo modo se colocaron sobre la superficie de la roca los diferentes sistemas de estudio
(emulsiones) los cuales variaban en el tipo de surfactante la concentracioacuten y el tipo de
disolvente empleado El aacutengulo de contacto del petroacuteleo se muestra en la figura 310
Figura 310 Angulo de contacto del petroacuteleo
Con una concentracioacuten de 500 mg L-1 de surfactante (tabla 34) se observa una disminucioacuten
del aacutengulo de contacto de la emulsioacuten lo anterior se atribuye al efecto de las cabezas
catioacutenicas sobre los agregados asfalteacutenicos los cuales son dispersados provocando una
mayor interaccioacuten con la roca y aumentando la mojabilidad sobre la misma
Tabla 34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 mg L-1
69
Con una concentracioacuten de 800 mg L-1 de surfactante (tabla 35) se observa un efecto similar
al sistema de estudio anterior un decremento del aacutengulo de contacto atribuido al efecto
pantalla de las sales de los disolvente en la concentracioacuten micelar dispersando los agregados
asfalteacutenicos y de esta forma aumentando la mojabilidad del sistema sobre la roca
carbonatada
Tabla 35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 mg L-1
362 Roca imbibida por petroacuteleo
70
Se colocaron los sistemas de estudio (salmuera y agua congeacutenita) sobre la roca impregnada
de crudo se observoacute una disminucioacuten en el aacutengulo de contacto menor que el estudio sobre
la roca carbonatada Lo anterior se debe a la alta hidrofobicidad de la superficie de la roca
la cual estaba impregnada en su totalidad de hidrocarburo y que aun con la aplicacioacuten de los
surfactantes se repelioacute el efecto de las cabezas catioacutenicas teniendo como consecuencia el
decremento del aacutengulo de contacto Las tablas 36 y 37 muestran los aacutengulos de contacto
tras la aplicacioacuten del surfactante
Tabla 36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 mg L-1
Tabla 37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 800 mg L-1
71
En la Tabla 38 se presentan los resultados del caacutelculo de tensioacuten interfacial y mojabilidad
los cuales son paraacutemetros que describen el comportamiento de las fuerzas intermoleculares
en la interfase soacutelido-liacutequido
Tabla 38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio
Fase soacutelida
Fase liacutequida
Surfactante (Sx)
Concentracioacuten (mg L-1)
Aacutengulo de
contacto ϴ
(deg)
Tensioacuten interfacial γ (dina cm-1)
Mojabilidad W
Roca carb Salmuera 8149 576 661
Roca carb Salmuera S1 500 5539 518 812
Roca carb Salmuera S1 800 5173 537 869
Roca carb Salmuera S2 500 4549 441 827
Roca carb Salmuera S2 800 4242 557 856
Roca Imb Salmuera S1 500 6956 421 566
Roca Imb Salmuera S1 800 6957 451 606
Roca Imb Salmuera S2 500 6681 472 657
Roca Imb Salmuera S2 800 7408 549 699
Roca carb Agua Cong 7391 528 674
Roca carb Agua Cong S1 500 4785 431 72
Roca carb Agua Cong S1 800 4069 446 784
Roca carb Agua Cong S2 500 4809 439 732
Roca carb Agua Cong S2 800 3327 42 771
Roca Imb Agua Cong S1 500 7456 525 664
Roca Imb Agua Cong S1 800 6575 494 696
Roca Imb Agua Cong S2 500 765 472 581
Roca Imb Agua Cong S2 800 6788 483 664
Roca carb Petroacuteleo 11177 838 536
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 500 8313 582 651
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 800 936 605 567
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 500 9088 652 641
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 800 8645 629 667
Roca carb Emulsioacuten AC S1 500 10289 815 641
Roca carb Emulsioacuten AC S1 800 9562 698 629
Roca carb Emulsioacuten AC S2 500 9846 782 666
Roca carb Emulsioacuten AC S2 800 9056 675 668
En los diferentes anaacutelisis sobre roca carbonatada con la aplicacioacuten de surfactantes en
salmuera o agua congeacutenita se observa una disminucioacuten del aacutengulo de contacto lo que implica
una menor tensioacuten en la interfase soacutelido-liacutequido obteniendo mayor mojabilidad en cada uno
de los sistemas Lo anterior se basa principalmente en el efecto dispersivo de los surfactantes
72
sobre las agregaciones asfalteacutenicas siendo las cabezas catioacutenicas las responsables de evitar
la apilacioacuten de los asfaltenos y disgregaacutendolas por todo el sistema
Asiacute mismo se observa el efecto de la concentracioacuten de los surfactantes en los diferentes
sistemas de estudio obteniendo menor tensioacuten interfacial a una concentracioacuten de 500 mgL-1
debido a la saturacioacuten ideal del aditivo en la muestra
37 Dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS)
Con el anaacutelisis DLS se estudioacute la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
y la roca impregnada asiacute como el efecto de los surfactantes en el sistema de estudio En la
figura 311 se muestra la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
(unimodal 1496 nm) a su vez en la figura 312 se observa la distribucioacuten de la roca
impregnada (unimodal 4063 nm) Posteriormente con la aplicacioacuten de los surfactantes se
comproboacute la disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula con S1 (unimodal 219 nm) y S2 (
unimodal 282 nm) Lo anterior se atribuye al efecto de los surfactantes sobre la superficie
impregnada que al entrar en contacto con los agregados asfalteacutenicos se generoacute la dispersioacuten
de los mismos disminuyendo de esta forma el tamantildeo de la partiacutecula [32] Ambos surfactantes
facilitan la dispersioacuten de los asfaltenos que recubren la superficie de la partiacutecula provocando
la reduccioacuten en el tamantildeo de la misma obseacutervese figs 313 y 314
Figura 311 Anaacutelisis DLS de roca carbonatada
73
Figura 312 Anaacutelisis DLS de roca impregnada
Figura 313 Anaacutelisis DLS de roca impregnada aplicando S3
Figura 314 DLS de roca impregnada aplicando S4
74
La disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de las rocas impregnadas se asocia al efecto
dispersivo de los surfactantes mencionado en las pruebas tensiomeacutetricas donde las parte
catioacutenica del compuesto inhibe la aglomeracioacuten de las moleacuteculas asfalteacutenicas provocando
no solo el cambio de la mojabilidad del sistema de estudio si no tambieacuten la disgregacioacuten de
los asfaltenos encontrados en la superficie de la roca carbonatada por tanto un decrecimiento
en la distribucioacuten de tamantildeo partiacutecula en la roca impregnada
38 Potencial Zeta
Con el anaacutelisis de potencial zeta se observoacute las fuerzas de atraccioacuten yo repulsioacuten de cada
sistema de estudio La literatura indica que en todo sistema en suspensioacuten coloidal existe un
equilibrio entre las fuerzas de repulsioacuten y las fuerzas de atraccioacuten molecular (Van del Waals)
resultando la aglomeracioacuten o dispersioacuten del sistema Si el sistema tiene carga positiva el
sistema es atractivo por lo que existen las fuerzas de atraccioacuten entre las partiacuteculas son
mayores que las fuerzas de repulsioacuten Si el sistema es negativo el sistema es repulsivo y se
tiene un efecto contrario al anterior Mientras maacutes alejado del cero se encuentre la muestra
mayor estabilidad le seraacute conferida debido a la relacioacuten entre las fuerzas intermoleculares
eso significa que se provocaraacute menor agregacioacuten facilitando la dispersioacuten del soluto [33] En
la figura 315 se muestra el efecto del pH en la dispersioacuten de los asfaltenos con la aplicacioacuten
de los surfactantes la tendencia se vuelve maacutes negativa por lo tanto existe mayor estabilidad
en el coloide disminuyendo la agregacioacuten de los asfaltenos
Este efecto se observoacute en las pruebas de DLS en donde los surfactantes dispersaron las
moleacuteculas de asfaltenos disminuyendo de esta forma la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
lo anterior se asocia a la disgregacioacuten de los asfaltenos observado en potencial Zeta
obteniendo una fase dispersa en el sistema
75
Figura 315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando el pH
76
Conclusiones
Se comproboacute el efecto dispersivo de los surfactantes sulfatados sobre los agregados
asfalteacutenicos causado principalmente por las cargas electroacutenicas presentes en estos
compuestos que al entrar en contacto con los asfaltenos provocaron la disgregacioacuten de
los mismos Dicho efecto fue visible en la mayoriacutea de las teacutecnicas empleadas generando
cambios en las interacciones moleculares de los sistemas de estudio y en las fuerzas de
la interfase soacutelido-liacutequido
Las teacutecnicas de caracterizacioacuten FTIR UV-vis corroboraron la presencia de grupos
funcionales caracteriacutesticos de la roca carbonatada asiacute como de la roca impregnada de
asfaltenos La teacutecnica de SEMEDX corroboroacute la existencia de los elementos que
componen a la roca y brindoacute informacioacuten importante sobre el tamantildeo y la forma de los
las partiacuteculas de roca
Las pruebas de aacutengulo de contacto por el meacutetodo de gota seacutesil comprobaron el efecto
superficial de los surfactantes en los diferentes sistemas de estudio cambiando la
tensioacuten interfacial de cada uno y afectando una caracteriacutestica innata de la roca su
mojabilidad Los aacutengulos de contacto tras la aplicacioacuten de los surfactantes sufrieron una
disminucioacuten por la facilidad de los aditivos antes mencionados para dispersar las capas
de agregacioacuten de los asfaltenos provocando una mejor interaccioacuten con la fase soacutelida
Mediante el anaacutelisis de Dispersioacuten de luz Dinaacutemica (DLS) se consiguioacute fundamentar el
efecto dispersivo de los surfactantes observado en las pruebas tensiomeacutetricas siendo de
gran importancia los resultados obtenidos de distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula en
donde con la aplicacioacuten de los surfactantes se consiguioacute disminuir este paraacutemetro por
la la difusioacuten de los agregados asfalteacutenicos contenidos en la superficie de la roca siendo
afectados principalmente por las cargas electroacutenicas cabezas catioacutenicas
La teacutecnica de potencial Zeta corroboroacute lo anterior debido a la facilidad de las muestras
con surfactantes para alcanzar la estabilidad coloidal por lo que se demuestra un efecto
77
contrario a la agregacioacuten un efecto dispersivo de los asfaltenos provocado por las
cargas presentes en las cadenas de los aditivos
78
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2
1 Antecedentes
Actualmente con la disminucioacuten de crudos ligeros y la obtencioacuten de aceites pesados durante
la extraccioacuten de yacimientos se buscan meacutetodos alternativos que permitan la recuperacioacuten
mejorada en los pozos petroleros mediante la aplicacioacuten de aditivos quiacutemicos El estudio de
las fuerzas relacionadas entre el aceite y la roca permite describir de una forma real lo que
pasa dentro del sistema petroliacutefero con la aplicacioacuten de dichos compuestos
En 2009 Murillo y col [4] estudiaron el efecto del anioacuten PF6 en los agregados asfalteacutenicos
y encontraron un incremento en el momento dipolar debido al cambio de electronegatividad
provocado por el anioacuten Se establecioacute que el bromuro de 1-butil fue el liacutequido ioacutenico con
mejores propiedades estabilizadoras e inhibidoras de la agregacioacuten de asfaltenos
disminuyendo la aglomeracioacuten de asfaltenos hasta en un 70
En 2010 Ramiacuterez y col [5] investigaron experimentalmente el efecto que tienen los
surfactantes zwitterioacutenicos y catioacutenicos en el control de dantildeo al medio poroso debido a
depoacutesitos de asfaltenos y la descripcioacuten del cambio de mojabilidad en rocas carbonatadas
encontrando mejores condiciones de operacioacuten y concluyendo que el uso de salmuera con
alta concentracioacuten de sales provoca la precipitacioacuten de los surfactantes debido al efecto de
ioacuten comuacuten presente en los electrolitos que encapsula a las moleacuteculas surfactantes
hacieacutendolas maacutes pesadas y precipitaacutendolas por accioacuten de la gravedad
En 2010 Guzmaacuten y col [6] sintetizoacute y evaluoacute diferentes liacutequidos ioacutenicos como agentes
desemulsificantes del sistema de emulsioacuten de crudo mexicano ligero y pesado siendo el
bromuro de 1 metil-3-tetradecilimidazolio el que obtuvo mejores resultados frente a otros
compuestos con diferente tamantildeo de cadena hidrocarbonada Se estudioacute la aplicacioacuten de
calentamiento convencional y dieleacutectrico por microondas en los procesos de
desemulsificacioacuten siendo el segundo meacutetodo el que aceleroacute e incrementoacute la eficiencia de
desemulsificacioacuten
En 2011 Petcavich y col [7] desarrollaron un meacutetodo de extraccioacuten de hidrocarburos a partir
de rocas que contienen aceite En este trabajo se utilizoacute una mezcla de piedra arenisca de
3
aceite y un liacutequido ioacutenico a base de fosfonio el cual se sometioacute a la radiacioacuten de microondas
de 254 GHz y presentaron las condiciones de trabajo para la recuperacioacuten total del
hidrocarburo atrapado en la roca
En 2012 Dharaskar y col [8] investigaron sobre los liacutequidos ioacutenicos y su capacidad de
minimizar los efectos negativos de salud y medio ambientales En la industria de la refinacioacuten
se usa para la hidrodesulfurizacioacuten del crudo Estudiaron el efecto de cationes del tipo sulfato
contenidos en liacutequidos ioacutenicos sobre el petroacuteleo encontrando una disminucioacuten en la
concentracioacuten de grupos sulfurados y asfalteacutenicos
En 2014 Bin-Dahbag y col [9] realizaron un estudio sobre el proceso de inyeccioacuten de
liacutequidos ioacutenicos con base de amonio y fosfonio en la recuperacioacuten mejorada de petroacuteleo con
lo que redujo la tensioacuten interfacial de la fase acuosa del hidrocarburo Se realizaron pruebas
de deteccioacuten de nueve liacutequidos ioacutenicos con base de tetrasulfato de amonio los cuales fueron
diluidos en salmuera a distintas concentraciones y se probaron con un petroacuteleo crudo Saudiacute
Se registraron cambios en la tensioacuten interfacial por cambios de presioacuten y temperatura
indicando una mayor actividad de interaccioacuten superficial en el sistema rocapetroacuteleoliacutequido
ioacutenico
En 2014 Gonzaacutelez y col [10] estudiaron el cambio de la mojabilidad de rocas carbonatadas
en sistemas salmuerapetroacuteleo con la aplicacioacuten de surfactantes empleando el meacutetodo
tensiomeacutetrico de Gota cautiva Se obtuvieron resultados confiables y reproducibles que
concluyen un comportamiento afiacuten entre la salmuera el crudo y la roca
En 2015 Jiao y col [11] estudiaron el comportamiento de los liacutequidos ioacutenicos con base
imidazolio ( IBILs ) desarrollando nuevos agentes de extraccioacuten para separar indol una
sustancia industrial importante derivada del aceite de lavado que ocasiona graves problemas
medioambientales obteniendo eficiencias de extraccioacuten de maacutes de 90
En 2016 Banda y col [12] estudiaron el comportamiento de los asfaltenos presentes en
petroacuteleo crudo pesado usando como disolvente ciclohexano Primeramente se caracterizaron
los asfaltenos extraiacutedos por Espectroscopiacutea de ultravioleta-visible (UV-vis) posteriormente
se utilizoacute la teacutecnica de Dispersioacuten de Luz Dinaacutemica (DLS) para la distribucioacuten de tamantildeo de
partiacutecula de los agregados asfalteacutenicos Asiacute mismo se realizoacute un anaacutelisis de potencial Zeta
4
utilizando como disolvente nitrato de sodio 01 mmol para la comprobacioacuten del efecto
dispersivo de los asfaltenos frente a liacutequidos ioacutenicos sulfatados
11 Petroacuteleo
El petroacuteleo es una mezcla homogeacutenea de compuestos orgaacutenicos de estructura variada
principalmente hidrocarburos insolubles en agua En general es posible agrupar los
constituyentes del petroacuteleo en cuatro grupos orgaacutenicos bien definidos Saturados
Aromaacuteticos Resinas y Asfaltenos este conjunto es conocido como SARA Es un liacutequido
viscoso cuyo color variacutea entre amarillo y pardo obscuro hasta negro con reflejos verdes
Ademaacutes tiene un olor caracteriacutestico y flota en el agua Tambieacuten es conocido como petroacuteleo
crudo o simplemente crudo Se produce en el interior de la Tierra por transformacioacuten de la
materia orgaacutenica acumulada en sedimentos del pasado geoloacutegico y puede acumularse en
trampas geoloacutegicas naturales de donde se extrae mediante la perforacioacuten de pozos [13]
Las moleacuteculas de hidrocarburos que en forma colectiva constituyen el petroacuteleo estaacuten
formadas por distintas combinaciones de aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Seguacuten el nuacutemero
de aacutetomos de carbono de hidroacutegeno y de la distribucioacuten estructural de las mismas se tienen
los distintos hidrocarburos que abarcan desde el gas natural hasta los hidrocarburos soacutelidos
Comuacutenmente se denomina como petroacuteleo a aquella mezcla de hidrocarburos que a las
condiciones de temperatura y presioacuten ambientales estaacute en estado liacutequido En la naturaleza se
pueden encontrar afloraciones naturales de hidrocarburos muchos de ellos conocidos desde
la antiguumledad aunque la produccioacuten comercial se obtiene de acumulaciones que se localizan
en algunos lugares del subsuelo con profundidades variables desde pocos metros hasta
profundidades mayores a cinco mil metros [14]
Mientras mayor sea el contenido de carboacuten en relacioacuten al del hidroacutegeno mayor es la cantidad
de productos pesados que tiene el crudo [15] Esto depende de la edad del yacimiento y de
algunas caracteriacutesticas geoloacutegicas No obstante se ha comprobado que entre maacutes antiguos
son tienen maacutes hidrocarburos gaseosos y soacutelidos y menos liacutequidos entran en su
composicioacuten
5
Es un recurso natural no renovable y actualmente es la principal fuente de energiacutea en
los paiacuteses desarrollados El petroacuteleo liacutequido puede presentarse asociado a capas de gas
natural en yacimientos que han estado enterrados durante millones de antildeos cubiertos por los
estratos superiores de la corteza terrestre Los factores de presioacuten temperatura y procesos
quiacutemicos y fiacutesicos ayudados por la carencia de oxiacutegeno posibilitan la formacioacuten de petroacuteleo
liacutequido y de gas
La conversioacuten de materia orgaacutenica en petroacuteleo ocurre en varias etapas [15]
Degradacioacuten bioquiacutemica la accioacuten de las bacterias en un ambiente aerobio
oxidan la materia orgaacutenica
Policondensacioacuten e insolubilizacioacuten se produce un reordenamiento molecular
en dos etapas originaacutendose una sustancia insoluble en aacutelcalis con estructura
parecida al keroacutegeno
Cracking primario es la primera reaccioacuten de generacioacuten de hidrocarburos
regida por la ley de Arrhenius de donde se puede obtener petroacuteleo y gas
Cracking secundario se destruye la fraccioacuten inestable generando gas y
residuos carbonosos
111 Composicioacuten del petroacuteleo
El petroacuteleo crudo es la materia prima principal de la industria de Refinacioacuten del Petroacuteleo
estaacute constituido por una mezcla de diferentes tipos de hidrocarburos cuyas moleacuteculas se
componen de Carbono e Hidroacutegeno con un pequentildeo porcentaje de otros elementos
conformando hidrocarburos de estructuras maacutes o menos complejas como compuestos
heterociacuteclicos de nitroacutegeno oxiacutegeno y azufre compuestos organometaacutelicos ademaacutes contiene
sedimentos inorgaacutenicos y agua [16] La composicioacuten aproximada de los crudos puede verse
en la Tabla 11
6
Tabla11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo
Elemento Composicioacuten (peso)
Carbono 84-87
Hidroacutegeno 11-14
Azufre 0-5
Nitroacutegeno 0-02
Oxiacutegeno 0-05
112 Clasificacioacuten de petroacuteleo
Son miles los compuestos quiacutemicos que constituyen el petroacuteleo [16] y entre muchas otras
propiedades estos compuestos se diferenciacutean por su volatilidad (dependiendo de la
temperatura de ebullicioacuten) Al calentarse el petroacuteleo se evaporan preferentemente los
compuestos ligeros (de estructura quiacutemica sencilla y bajo peso molecular) de tal manera que
conforme aumenta la temperatura los componentes maacutes pesados van incorporaacutendose al
vapor
Las curvas de destilacioacuten TBP (del ingleacutes ldquotrue boiling pointrdquo temperatura de ebullicioacuten real)
distinguen a los diferentes tipos de petroacuteleo y definen los rendimientos que se pueden obtener
de los productos por separacioacuten directa [17] Por ejemplo mientras que en el crudo Istmo se
obtiene un rendimiento directo de 26 volumeacutetrico de gasolina en el Maya soacutelo se obtiene
157 [17]
La industria mundial de hidrocarburos liacutequidos clasifica el petroacuteleo de acuerdo con su
densidad API (paraacutemetro internacional del Instituto Americano del Petroacuteleo que diferenciacutea
las calidades del crudo) La Tabla 12 muestra estas clasificaciones
Tabla 12 Clasificacioacuten del petroacuteleo crudo [18]
Aceite crudo Densidad
( g cm3)
Densidad
grados API
Extrapesado gt10 100
Pesado 10 - 092 100 - 223
Mediano 092 - 087 223 - 311
7
Ligero 087 - 083 311 - 39
Superligero lt 083 gt 39
Para exportacioacuten en Meacutexico se preparan tres variedades de petroacuteleo crudo
a) Istmo Ligero con densidad de 336 grados API y 13 de azufre en peso
b) Maya Pesado con densidad de 22 grados API y 33 de azufre en peso
c) Olmeca Superligero con densidad de 393 grados API y 08 de azufre en peso
Atendiendo a la mayor proporcioacuten del tipo de hidrocarburos que conforman la mezcla los
crudos se clasifican seguacuten su base parafiacutenica nafteacutenica asfaacuteltica y mixta [15]
Base parafiacutenica Las parafinas livianas dan buenos aceites para usos domeacutesticos pues no
producen humo al quemarse tienden a resistir el calor Las parafinas maacutes espesas contienen
cristales blancos y blandos que cuando son aislados y refinados forman lo que se conoce
como cera parafinada Se encuentran generalmente en Pennsylvania West Virginia y centro
de Estados Unidos
Base nafteacutenica Generalmente contienen gran proporcioacuten de fracciones volaacutetiles es decir
componentes que se evaporan faacutecilmente Se encuentran generalmente en Rusia Peruacute
California y Golfo de Meacutexico En Cuba se encuentra en la zona de Motembo
Base asfaacuteltica Contienen ademaacutes de carbono e hidroacutegeno gran cantidad de azufre En la
destilacioacuten avanzada o maacutes completa rinden una cantidad relativamente alta de alquitraacuten y
asfalto Se pueden encontrar en Meacutexico Venezuela California y el Caribe
Base mixta Ninguacuten crudo es realmente netamente nafteacutenico asfaacuteltico o parafiacutenico en su
composicioacuten quiacutemica sino que contienen proporciones de los otros tipos caracterizaacutendose
por la predominancia del compuesto en mayoriacutea Sin embargo ciertos crudos de Kansas
Oklahoma y Texas tienen contenidos muy similares de nafta parafinas y asfaltos lo que
resulta imposible clasificarlos en una sola de estas clases
8
Asiacute mismo se puede clasificar al petroacuteleo crudo considerando dos grandes grupos de
hidrocarburos saturados y no saturados Cuando todas las valencias de los aacutetomos de carbono
se comparten con otros aacutetomos es saturado cuando hay falta de hidroacutegeno es no saturado y
se pueden compartir dos y hasta tres valencias entre un aacutetomo de carbono con otro aacutetomo [16]
Los saturados y no saturados se dividen a su vez en dos grupos importantes cada uno lo cual
se muestra en la figura 11
Figura 11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleo
Las parafinas son las maacutes ricas en hidroacutegeno son saturadas y por tanto relativamente estables
Las parafinas comunes son liacutequidos pero se pueden encontrar gaseosas o soacutelidas La foacutermula
general es CnH2n+2
Los naftenos (ciclanos o ciclo alcanos) son saturados lo que hace que sean resistentes a los
cambios incluyendo la oxidacioacuten Son relativamente insolubles en aacutecido sulfuacuterico
concentrado Los maacutes importantes son ciclopentano y ciclohexano La foacutermula general es
CnH2n
Los no saturados tienden a formar gomas lacas y fangos al unirse al oxiacutegeno y separarse del
carbono que es un enlace relativamente menos estable
Las olefinas son no saturados o insaturados y por lo que tienen deficiencia de hidroacutegeno
consecuentemente son muy reactivos y combinan faacutecilmente con el hidroacutegeno oxiacutegeno
cloro y azufre esto causa que no se deseen altos porcentajes de olefinas en los combustibles
9
sin embargo son apreciados en la manufactura de varios productos entre ellos el plaacutestico La
foacutermula general es CnH2n
Los aromaacuteticos son no saturados pero actuacutean como saturados Son deseables en la gasolina
pues tienen altas propiedades antidetonantes El nombre aromaacuteticos surge por su olor
caracteriacutestico Algunos se usan en la produccioacuten del TNT colorantes plaacutesticos insecticidas
etc Hoy en diacutea se ha limitado su concentracioacuten en los derivados por ser dantildeinos a la salud
son altamente canceriacutegenos La foacutermula general es CnH2n-6 [19]
113 Derivados del petroacuteleo
Un derivado del petroacuteleo es un producto procesado en una refineriacutea usando como materia
prima el petroacuteleo Seguacuten la composicioacuten del crudo y la demanda las refineriacuteas pueden
producir distintos productos derivados del petroacuteleo La mayor parte del crudo es usado como
materia prima para obtener energiacutea por ejemplo la gasolina Tambieacuten producen sustancias
quiacutemicas que se puede utilizar en procesos quiacutemicos para producir plaacutestico yo otros
materiales uacutetiles
Dentro de los productos que se generan a partir del petroacuteleo se tienen [17]
bull Gasolinas liacutequidas (fabricadas para automoacuteviles y aviacioacuten en sus diferentes grados
queroseno diversos combustibles de turbinas de avioacuten y el gasoacuteleo entre otros)
bull Lubricantes (aceites para maquinarias aceites de motor y grasas Estos compuestos llevan
ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ignicioacuten)
bull Parafinas Es la materia prima para la elaboracioacuten de velas y similares ceras para pisos
foacutesforos papel parafinado vaselinas faacutermacos etc
bull Cloruro de polivinilo (PVC) Existen dos tipos de cloruro de polivinilo tienen alta
resistencia a la abrasioacuten y a los productos quiacutemicos Se utiliza para hacer manteles cortinas
para bantildeo muebles alambres y cables eleacutectricos Tambieacuten se utiliza para la fabricacioacuten de
riego juntas techado y botellas
10
bull Plaacutesticos pinturas barnices disolventes fertilizantes e insecticidas detergentes cauchos
artificiales negro de humo polieacutester y muchos maacutes
bull Detergentes usados para limpieza
bull Azufre subproductos de la eliminacioacuten del azufre del petroacuteleo que pueden tener hasta un
2 de azufre como compuestos de azufre El azufre y aacutecido sulfuacuterico son materiales
importantes para la industria
bull Asfalto se utiliza como aglutinante para la grava que forma de asfalto concreto que se
utiliza para la pavimentacioacuten de carreteras etc
bull Petroquiacutemicos estos pueden ser hidrocarburos olefinas o sus precursores o diversos tipos
de quiacutemicos como aromaacuteticos y tienen una gran variedad de usos Por lo general son
utilizados como monoacutemeros como disolventes como precursores de una gran variedad de
sustancias quiacutemicas y productos quiacutemicos tales como los liacutequidos limpiadores de los
vehiacuteculos surfactante de la limpieza etc [19]
114 Importancia del petroacuteleo
El petroacuteleo tiene una gran trascendencia en la gran mayoriacutea de las actividades cotidianas Del
crudo se obtiene gasolina y diesel para autos y autobuses combustible para barcos y aviones
Se usa para generar electricidad obtener energiacutea caloriacutefica para faacutebricas hospitales y oficinas
y diversos lubricantes para maquinaria y vehiacuteculos La industria petroquiacutemica usa productos
derivados de eacutel para hacer plaacutesticos fibras sinteacuteticas detergentes medicinas conservadores
de alimentos hules y agroquiacutemicos El petroacuteleo ha transformado la vida de las personas y la
economiacutea de las naciones Su descubrimiento creoacute riqueza modernidad pueblos industriales
proacutesperos y nuevos empleos motivando el crecimiento de las industrias mencionadas [19]
12 Yacimiento
11
Un yacimiento de petroacuteleo puede definirse como un volumen poroso que contiene agua
petroacuteleo y a veces una fase gaseosa La proporcioacuten volumeacutetrica del petroacuteleo puede alcanzar
a veces el 40 El medio poroso del yacimiento o roca almaceacuten es de origen sedimentario
de tipo arenisca o caliza consolidado o no El diaacutemetro de poro variacutea ampliamente seguacuten la
roca pero es de tamantildeo microscoacutepico desde algunas fracciones de miliacutemetro a algunos
microacutemetros [20]
Cada medio poroso tiene sus caracteriacutesticas porosidad el porcentaje de volumen vaciacuteo
permeabilidad una medida de la resistencia al movimiento de los fluidos mojabilidad una
medida de la naturaleza superficial de la roca
Debido a su origen sedimentario el medio poroso del yacimiento es a menudo heterogeacuteneo
como consecuencia de las variaciones ocurridas durante el largo proceso de sedimentacioacuten
que formoacute la roca Estas heterogeneidades pueden existir a la escala de los poros o bien a la
escala macroscoacutepica en forma zonas muy o poco permeables y eventualmente de grietas
Las heterogeneidades complican las operaciones de produccioacuten porque tienden a producir
caminos preferenciales y segregaciones [21]
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientos
Geoloacutegicamente los yacimientos se clasifican en estratigraacuteficos estructurales y combinados
[22]
Estratigraacuteficos lentes de arena cambios de facies calizas o dolomitas porosas
cambios de permeabilidad
Estructurales Fracturas en calizas o rocas iacutegneas discordancias fallas en areniscas
sinclinales anticlinales domos salinos etc
Combinados Hace referencia a las posibles combinaciones que se presenten entre los
dos grupos anteriores
La clasificacioacuten anterior se puede observar en la figura 12
12
Figura 12 Clasificacioacuten de yacimientos [22]
122 Condiciones de explotacioacuten
La produccioacuten de petroacuteleo involucra dos aspectos El primero es la produccioacuten uacuteltima posible
en funcioacuten de las teacutecnicas empleadas y el segundo es el ritmo de produccioacuten de acuerdo con
el comportamiento de los pozos y de los diferentes meacutetodos de estimulacioacuten aplicables
(fracturacioacuten acidificacioacuten inyeccioacuten de vapor) Tradicionalmente se hace la distincioacuten entre
dos periacuteodos durante la explotacioacuten de un yacimiento la recuperacioacuten primaria y la
recuperacioacuten secundaria Desde el aumento del precio del petroacuteleo al principio de los antildeos
70 se considera ademaacutes una eventual recuperacioacuten terciaria yo una recuperacioacuten
(secundaria) mejorada [14]
123 Recuperacioacuten primaria
Durante este periacuteodo el petroacuteleo se drena naturalmente hacia los pozos bajo el efecto del
gradiente de presioacuten existente entre el fondo de los pozos y el seno del yacimiento
En muchos yacimientos profundos la presioacuten es mayor que la presioacuten hidrostaacutetica lo que
hace que el petroacuteleo llegue a la superficie con el solo aporte energeacutetico del yacimiento A
medida que se expanden los fluidos en el yacimiento la presioacuten tiende a bajar en forma maacutes
13
o menos raacutepida seguacuten los mecanismos involucrados En ciertos casos puede existir un
mecanismo de compensacioacuten natural que reduzca notablemente la velocidad de decaimiento
de la presioacuten como la compactacioacuten de sedimento (subsidencia) la migracioacuten de un acuiacutefero
activo o la lenta expansioacuten de una bolsa de gas
Cuando el pozo no es eruptivo o cuando la presioacuten se ha reducido se necesita un aporte
externo de energiacutea para disminuir la presioacuten en fondo de pozo O bien se bombea el crudo
desde el fondo del pozo o bien se utiliza el meacutetodo del levantamiento con gas este consiste
en inyectar gas en fondo de pozo de tal forma que el fluido producido sea una mezcla de gas
y petroacuteleo de densidad suficientemente baja para llegar a la superficie bajo el efecto de la
presioacuten del yacimiento [20]
El periacuteodo de recuperacioacuten primaria tiene una duracioacuten variable pero siempre se lleva a cabo
ya que permite recoger numerosas informaciones sobre el comportamiento del yacimiento
las cuales son de primera importancia para la planificacioacuten de la explotacioacuten ulterior
La recuperacioacuten primaria se termina cuando la presioacuten del yacimiento ha bajado demasiado
o cuando se estaacuten produciendo cantidades demasiado importantes de otros fluidos (gas
agua) El porcentaje de recuperacioacuten primaria del crudo originalmente en sitio es en promedio
del orden de 10-15 pero puede ser tan bajo como 5 en yacimientos sin gas disuelto o
alcanzar 20 y auacuten maacutes en yacimientos que poseen una baja permeabilidad y una bolsa de
gas o un acuiacutefero activo
Anteriormente se explotaba el yacimiento en recuperacioacuten primaria hasta que los gastos de
explotacioacuten se vuelvan prohibitivos en cuyo momento se pasaba a los meacutetodos de
recuperacioacuten secundaria Hoy en diacutea se inician las operaciones de recuperacioacuten secundaria
mucho antes de llegar a este punto y la seleccioacuten del meacutetodo de explotacioacuten en un yacimiento
o en una parte de un yacimiento obedece a criterios de optimizacioacuten [22]
14
124 Recuperacioacuten secundaria
Los meacutetodos de recuperacioacuten secundarios consisten en inyectar dentro del yacimiento un
fluido menos costoso que el petroacuteleo para mantener un gradiente de presioacuten Estos fluidos se
inyectan por ciertos pozos (inyectores) y desplazan o arrastran una parte del petroacuteleo hacia
los otros pozos (productores) [14]
Hasta el principio de los antildeos 70 el bajo precio del crudo haciacutea que los uacutenicos fluidos
susceptibles de inyectarse econoacutemicamente eran el agua y en ciertos casos el gas natural
El drenaje por agua permite elevar la recuperacioacuten del aceite originalmente en sitio hasta un
promedio de 25-30 con variaciones desde 15 hasta 40 seguacuten los casos
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejorada
Despueacutes de las recuperaciones primaria y secundaria el yacimiento contiene todaviacutea 60-
80 (promedio 72) del crudo originalmente en sitio Esto se debe a que la eficiencia de los
meacutetodos de recuperacioacuten primaria y secundaria estaacute limitada por dos factores [14]
A la escala de los poros el crudo alcanza una saturacioacuten residual suficientemente baja
para encontrarse en forma de gloacutebulos discontinuos atrapados por las fuerzas
capilares
A la escala del yacimiento existen ciertas zonas en las cuales el fluido inyectado
durante la recuperacioacuten secundaria no penetra por la baja permeabilidad de estas
zonas porque siguen caminos preferenciales o porque la geometriacutea de implantacioacuten
de los pozos no es favorable
Entre los meacutetodos cuyo propoacutesito es mejorar la eficiencia del desplazamiento mediante una
reduccioacuten de las fuerzas capilares se pueden citar la utilizacioacuten de solventes miscibles con
el crudo y la obtencioacuten de baja tensioacuten interfacial con soluciones de surfactantes o soluciones
alcalinas Para mejorar la eficiencia de barrido se puede reducir la viscosidad del crudo
mediante calentamiento aumentar la viscosidad del agua con poliacutemeros hidrosolubles o
taponar los caminos preferenciales por ejemplo con espumas [21]
15
Los meacutetodos actualmente propuestos para la recuperacioacuten mejorada involucran uno o varios
de estos aspectos En lo que se refiere a la utilizacioacuten de surfactantes se destacan los
siguientes
Drenaje miscible con microemulsiones
Drenaje inmiscible con soluciones de surfactantes y poliacutemeros (y a veces aacutelcali)
Inyeccioacuten de vapor con surfactante ndash espumas
126 Generalidades de pozos
La estimulacioacuten de pozos se utiliza para mejorar la productividad de pozos petroleros Esto
se logra inyectando fluidos al pozo y dependiendo del gasto y presioacuten de inyeccioacuten
alcanzada seraacute el tipo de estimulacioacuten realizada Para aumentar la produccioacuten de un pozo se
debe tratar la roca situada en la cercaniacutea para aumentar su permeabilidad esto se debe a que
la geometriacutea ciliacutendrica del pozo produce una mayor resistencia al flujo en la vecindad del
mismo Existen esencialmente dos meacutetodos de estimulacioacuten que pueden emplearse solos o
juntos la fracturacioacuten y la acidificacioacuten [23]
En ambos tipos de procesos se usan surfactantes como dispersantes de partiacuteculas finas (alquil
fenoles y alquil amonios etoxilados) y como inhibidores de corrosioacuten (alquilpiridinios)
En el proceso de fracturacioacuten se inyecta bajo alta presioacuten una mezcla de agua y de arena La
arena penetra en las fracturas producidas e impide que se vuelvan a cerrar cuando la presioacuten
retorna a lo normal
En la acidificacioacuten se inyecta una solucioacuten aacutecida (HCl HF) extremadamente corrosiva para
los metales pero capaz de disolver la roca almaceacuten (carbonato siacutelica) Se usan alquil
piridinios como inhibidores de corrosioacuten alquil fenoles etoxilados como humectantes y
alquil amonios etoxilados como dispersantes de partiacuteculas finas
A menudo en presencia de carbonatos se desea retardar la acidificacioacuten para que el fluido
aacutecido pueda penetrar a cierta distancia del pozo antes de reaccionar con la roca
Uno de los meacutetodos de retardacioacuten consiste en emulsionar la fase acuosa aacutecida en queroseno
en forma WO Para tales emulsiones se usan sulfonatos de petroacuteleo o sales de aacutecidos
16
carboxiacutelicos por la interaccioacuten que presentan los grupos ldquosulfatordquo con los hidrocarburos [22]
Siendo el queroseno la fase continua el contacto aacutecido-roca no se produce inmediatamente
y la emulsioacuten puede penetrar a varios metros del pozo antes de que se consuma todo el aacutecido
obseacutervese en la figura 13
Figura 13 Acidificacioacuten controlada mediante la inyeccioacuten de una emulsioacuten de aacutecido en
queroseno [23]
Otro meacutetodo de retardacioacuten consiste en inyectar nitroacutegeno con la solucioacuten aacutecida la cual
contiene agentes espumantes como alquil eacutester sulfatos surfactantes etoxilados y a veces
surfactantes fluorocarbonados La espuma formada juega dos papeles de una parte reduce el
contacto entre el aacutecido y la roca y por lo tanto reduce la velocidad de ataque Por otra parte
tienen tendencia en llenar las fracturas y taponarlas (efecto Jamin) lo que obliga al aacutecido a
penetrar en la zonas de baja permeabilidad (figura 14)
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumas
Sin embargo estos dos uacuteltimos meacutetodos deben emplearse con cierto cuidado para evitar el
taponamiento del pozo con emulsiones o espumas debido a la presioacuten con la que actuacutean en
17
el mismo sistema lo que puede luego tener un efecto desfavorable sobre la produccioacuten[22]
Despueacutes de la acidificacioacuten se pone el pozo en produccioacuten para eliminar el residuo de aacutecido
y las partiacuteculas finas producidas por la desagregacioacuten de la roca Es en esta etapa que se
requieren agentes dispersantes
Ciertos meacutetodos de estimulacioacuten consisten en inyectar surfactantes para bien sea cambiar la
mojabilidad de la roca de mojable por el agua a mojable por el aceite bien sea desplazar
el crudo atrapado en la cercaniacutea del pozo Tales meacutetodos se usan para estimular pozos que
han dejado de producir por cierto tiempo o que han sufrido un dantildeo
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluido
131 Porosidad
Es el volumen de huecos de la roca y define la capacidad de eacutesta para almacenar fluidos Se
expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca
(porosidad total o bruta) [24]
Tipos de Porosidad
Absoluta La porosidad absoluta se considera como el volumen poroso total (esteacuten o
no interconectados)
Efectiva La porosidad efectiva se refiere al porcentaje de poros interconectados que
permiten la circulacioacuten de fluidos
No efectiva Representa la diferencia entre las porosidades anteriores es decir la
porosidad absoluta y la efectiva
132 Permeabilidad
18
La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo
atraviese sin alterar su estructura interna Se afirma que un material es permeable si deja
pasar a traveacutes de eacutel una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado e impermeable si la
cantidad de fluido es despreciable Se define con la ecuacioacuten de Darcy [14]
119876 =119870119860
120583
119889119875
119889119905 119910 119870 =
119876120583
119860 119889119897
119889119875 (1)
Doacutende
A Aacuterea de flujo (cm2)
Q Gasto (cm3 s-1)
dP Diferencia de presiones a la entrada y salida del permeaacutemetro (kPa)
dl Longitud del medio poroso (cm)
micro Viscosidad del fluido (cP)
K Velocidad de filtracioacuten (m s-1)
Si el fluido es homogeacuteneo y no produce ninguna accioacuten importante sobre la roca se habla
de permeabilidad absoluta pero si en la roca existen varios fluidos como es el caso de un
yacimiento petroliacutefero en el que se puede tener petroacuteleo agua y gas se producen
interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los
fluidos
La permeabilidad relativa corresponde a la relacioacuten entre permeabilidad absoluta y efectiva
Para un fluido dado variacutea en funcioacuten directa con la saturacioacuten de ese fluido en la roca y se
expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro
133 Tortuosidad
19
Una medida de la complejidad geomeacutetrica de un medio poroso La tortuosidad es una relacioacuten
que caracteriza los trayectos de la difusioacuten del fluido y la conduccioacuten eleacutectrica a traveacutes de los
medios porosos En mecaacutenica de fluidos de los medios porosos la tortuosidad es la relacioacuten
del largo de la corriente natural de un fluido (una liacutenea o trayecto de flujo) entre dos puntos
y la distancia en liacutenea recta entre esos puntos Por consiguiente la tortuosidad se relaciona
con la relacioacuten entre el coeficiente de difusioacuten de un fluido cuando no estaacute confinado por un
medio poroso y su coeficiente de difusioacuten efectivo cuando estaacute confinado en un medio poroso
[22] Este paraacutemetro es calculado con la ecuacioacuten 2
119879 =119871119864
119871 ( 2)
Doacutende
L es la longitud de la muestra de roca (cm)
LE es la longitud de la trayectoria de difusioacuten del fluido sobre la muestra (cm)
El flujo de fluidos a traveacutes de medios porosos estaacute fuertemente afectado por fenoacutemenos de
superficie los cuales representan fuerzas retentivas de fluidos en el medio poroso La accioacuten
de la estimulacioacuten matricial no reactiva concierne principalmente a la alteracioacuten de estas
fuerzas retentivas manifiestas en los fenoacutemenos de tensioacuten superficial mojabilidad y
capilaridad [20]
134 Tensioacuten Superficial e Interfacial
La materia en sus diferentes estados (soacutelido liacutequido y gaseoso) estaacute compuesta de moleacuteculas
las cuales presentan una atraccioacuten llamada fuerza de cohesioacuten Esta fuerza es una
combinacioacuten de fuerzas electrostaacuteticas y de Van der Waals [21] Naturalmente estas fuerzas
son de diferente magnitud dependiendo del estado de la materia Por ejemplo en el seno de
un liacutequido una moleacutecula es rodeada por moleacuteculas similares ejerciendo unas con otras
fuerzas iguales de atraccioacuten por lo que eacutestas se encuentran balanceadas tal como se muestra
en la figura 15
20
15 Representacioacuten de fuerzas intermoleculares en un sistema bifaacutesico (soacutelido-liacutequido)
En la interfase entre un liacutequido y un soacutelido o entre un liacutequido y un gas estas fuerzas son
desequilibradas causando que exista una resultante en la interfase con ello se crea una
energiacutea libre de superficie En la misma figura 15 se observa la fuerza resultante en la
interfase del sistema denotada con el teacutermino FR cuyo valor representa la tensioacuten que existe
entre las moleacuteculas de las fase liquida y gaseosa
Esta fuerza seraacute mayor entre mayores sean las fuerzas de atraccioacuten de las moleacuteculas del
liacutequido Si se deseara romper esta superficie se tendriacutea que realizar un trabajo por unidad de
aacuterea equivalente a vencer la energiacutea libre de superficie Este trabajo por unidad de aacuterea se
denomina tensioacuten superficial y su valor especiacutefico para cada liacutequido depende
principalmente de la temperatura y presioacuten a las cuales se encuentre
Para medir la tensioacuten superficial se utilizan varios meacutetodos de los cuales el maacutes utilizado es
el meacutetodo de Du Nouumly Este procedimiento consiste en colocar en el liacutequido un arillo de
platino y llevarlo hasta la interfase midiendo la fuerza necesaria con la que el anillo rompe
la superficie La tensioacuten superficial generalmente se da en dina cm-1 Para el agua a
21
condiciones estaacutendar la tensioacuten superficial es de 72 dina cm-1 para el benceno es de 29 dina
cm-1 [19]
En 1905 Young mostroacute que las propiedades mecaacutenicas de la energiacutea libre de superficie
podriacutean relacionarse con una membrana hipoteacutetica en la superficie Usando en concepto de
tensioacuten superficial Young fue capaz de derivar expliacutecitamente la condicioacuten de equilibrio
mecaacutenico de una superficie curva entre dos fases [21] La ecuacioacuten de Young se expresa en la
ecuacioacuten 3
119875primeprime minus 119875prime =2120590
119903 (3)
Doacutende
Pacute Presioacuten en la fase externa (kPa)
Pacuteacute Presioacuten en la fase interna (kPa)
σ Tensioacuten Superficial (Erg)
r Radio de curvatura (cm)
Si un liacutequido estaacute en contacto con otra sustancia (gas soacutelido u otros liacutequidos inmiscibles) hay
una energiacutea libre interfacial Esto significa que se tiene que realizar cierta cantidad de trabajo
con el fin de separar ambos medios Los dos principales paraacutemetros que afectan a la magnitud
de la tensioacuten superficial son la temperatura y la composicioacuten quiacutemica de las fases La
variacioacuten de la tensioacuten superficial liacutequido-vapor (γLG) usualmente sigue una relacioacuten lineal
seguacuten la expresioacuten [15]
120574119871119866 = 1205740 + (∆120575119871119866
∆119879) (119879 minus 119879119898) (4)
Doacutende
γLG Tensioacuten interfacial liquido-gas (dina cm-1)
γ0 Tensioacuten superficial del liacutequido (dina cm-1)
ΔδLG Diferencia de densidad entre fase liacutequida y fase gaseosa (kg m-3)
22
ΔT Diferencia de temperaturas
T Temperatura del sistema (degC)
Tm Temperatura media (degC)
En general la tensioacuten superficial para metales fundidos disminuye con el incremento de la
temperatura (dγLGdT) lt 0 ya que las fuerzas de cohesioacuten disminuyen al aumentar la
agitacioacuten teacutermica La influencia del medio exterior se debe a que las moleacuteculas del medio
ejercen acciones atractivas sobre las moleacuteculas situadas en la superficie del liacutequido
contrarrestando las acciones de las moleacuteculas del interior del liacutequido
La medida de la tensioacuten superficial en soacutelidos policristalinos es compleja comparada con la
medida de γLG y en consecuencia los datos experimentales son difiacutecilmente fiables Se han
desarrollado modelos teoacutericos para predecir γSG pero con un eacutexito limitado Por otro lado la
tensioacuten γSL no puede ser medida directamente soacutelo puede predecirse con la ayuda de modelos
teoacutericos [19] El uso de la ecuacioacuten 5 para determinar el trabajo de adherencia (conociendo
previamente γLG o midieacutendolo simultaacuteneamente con θ) es una de las praacutecticas maacutes habituales
para investigar la mojabilidad de soacutelidos por metales liacutequidos
119882119886 = 120574119871119866(1 + 119888119900119904120579)
Donde
Wa Mojabilidad
γLG= Tensioacuten interfacial (dina cm-1)
θ= Angulo de contacto (deg)
135 Mojabilidad
23
La mojabilidad es uno de los fenoacutemenos de superficie y representa la interaccioacuten soacutelidondash
liacutequido este paraacutemetro depende de las fuerzas intermoleculares de los materiales en contacto
la fuerza de adhesioacuten entre el liacutequido y el soacutelido provoca que el liacutequido se extienda por la
superficie mientras que la de cohesioacuten del liacutequido hacen que eacuteste se abulte y tienda a evitarla
Es claro que tambieacuten estaacute muy relacionada con la capilaridad porque algunas sustancias
disueltas en el agua pueden modificar su tensioacuten superficial y por lo tanto su mojabilidad [14]
El aacutengulo de contacto ϴ es el aacutengulo que forma el liacutequido respecto a la superficie de contacto
con el soacutelido y estaacute determinado por la resultante de las fuerzas adhesivas y cohesivas Como
la tendencia de una gota a expandirse en una superficie plana aumenta con la disminucioacuten
del aacutengulo de contacto este aacutengulo proporciona una medida inversa de la mojabilidad [25]
Un aacutengulo de contacto pequentildeo (lt 90deg) indica que la mojabilidad es muy alta y el fluido se
extenderaacute sobre la superficie aacutengulos de contacto grandes (gt 90deg) significan que la
mojabilidad es baja y el fluido disminuiraacute el contacto con la superficie formando una gota
compacta este efecto puede observarse en las figuras 6a 6b y 6c Cuantitativamente la
mojabilidad se define como el producto de la tensioacuten superficial por el aacutengulo de contacto
esto es
119882119886 = 120590119888119900119904120579 (5)
Figura 16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidad [25]
El fenoacutemeno de mojabilidad es de gran importancia para el flujo de aceite en un medio
poroso Se ha demostrado que si la roca se encuentra mojada por agua la permeabilidad al
a) b) c)
24
aceite es muy superior al caso en que la roca se encuentre mojada por aceite lo cual favorece
la recuperacioacuten del aceite contenido en el yacimiento [26]
136 Capilaridad
La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de adsorber a otra Sucede cuando las
fuerzas intermoleculares adhesivas entre el liacutequido y el soacutelido son mayores que las fuerzas
intermoleculares cohesivas del liacutequido Cuando un liacutequido sube por un tubo capilar es debido
a la cohesioacuten intermolecular entre sus moleacuteculas es menor que la adhesioacuten del liacutequido con el
material del tubo es decir es un liacutequido que moja El liacutequido sigue subiendo hasta que la
tensioacuten superficial es equilibrada por el peso del liacutequido que llena el tubo
Al sumergir un tubo de vidrio capilar en agua eacutesta se elevaraacute en el tubo como se muestra en
la figura 17 en este caso se define como presioacuten capilar la diferencia de presiones en la
interfase [5]
Figura 17 Efecto de la capilaridad [5]
La presioacuten capilar seraacute la fuerza requerida para soportar la columna de agua en el tubo
dividida entre el aacuterea del capilar se explica con la ecuacioacuten 6
119875119862 = 120588119892ℎ119888 (6)
Doacutende
25
Pc Presioacuten capilar (N m-2)
ρ Densidad (kg m-3)
g Aceleracioacuten de la gravedad (981 m s-2)
hc Altura de la columna (m)
137 Adsorcioacuten
La adsorcioacuten es un proceso de separacioacuten y concentracioacuten de uno o maacutes componentes de un
sistema sobre una superficie soacutelida o liacutequida Los distintos sistemas heterogeacuteneos en los que
puede tener lugar la adsorcioacuten son soacutelido-liacutequido soacutelido-gas y liacutequido-gas Como en otros
procesos de este tipo los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases
La adsorcioacuten es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra
sobre la superficie de otra fase (generalmente soacutelida) Por ello se considera como un
fenoacutemeno subsuperficial La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama
adsorbato y la fase impregnada se llama adsorbente [21] Lo anterior se muestra en la
figura 18
Figura 18 Proceso de adsorcioacuten
1371 Tipos de adsorcioacuten
Cabe distinguir tres tipos de adsorcioacuten seguacuten sea la atraccioacuten entre el soluto y el adsorbente
sea de tipo eleacutectrico de Van der Waals (o Fiacutesica) o de naturaleza quiacutemica [23]
26
Eleacutectrica Cae de lleno dentro del intercambio ioacutenico y a menudo se le llama
adsorcioacuten por intercambio que es un proceso mediante el cual los iones de una
sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atraccioacuten electrostaacutetica
en los lugares cargados de la superficie Para dos absorbatos ioacutenicos posibles a
igualdad de otros factores la carga del ioacuten es el factor determinante en la adsorcioacuten
de intercambio Para iones de igual carga el tamantildeo molecular (radio de solvatacioacuten)
determina el orden de preferencia para la adsorcioacuten (figura 19)
Figura 19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectrica
Fiacutesica La adsorcioacuten que tiene lugar debido a las fuerzas de Van der Waals se llama
generalmente adsorcioacuten fiacutesica En este caso la moleacutecula adsorbida no estaacute fija en un
lugar especiacutefico de la superficie sino maacutes bien estaacute libre de trasladarse dentro de la
interfase Esta adsorcioacuten en general predomina a temperaturas bajas El aumento de
la temperatura disminuye considerablemente la adsorcioacuten (figura 110)
No se produce adsorcioacuten a temperaturas superiores a la temperatura criacutetica del
adsorbato gaseoso si la presioacuten del gas tiene valores cercanos a la presioacuten de vapor
de equilibrio para el adsorbato liacutequido se produciraacute una adsorcioacuten maacutes extensa en
capas muacuteltiples
27
Figura 110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesica
Quiacutemica Si el adsorbato sufre una interaccioacuten quiacutemica con el adsorbente el
fenoacutemeno se llama adsorcioacuten quiacutemica adsorcioacuten activa o quimisorcioacuten Las energiacuteas
de adsorcioacuten son elevadas del orden de las de un enlace quiacutemico debido a que el
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente Esta adsorcioacuten suele estar favorecida a una temperatura elevada [17]
(figura 111)
Figura 111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemica
La mayor parte de los fenoacutemenos de adsorcioacuten son combinaciones de las tres formas de
adsorcioacuten y de hecho no es faacutecil distinguir entre adsorcioacuten fiacutesica y quiacutemica
28
14 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten es el proceso en donde un fluido que satura un medio capilar es desplazado
por otro fluido Eacutesta es espontaacutenea cuando el fluido desplazante penetra el medio capilar
uacutenicamente bajo la accioacuten de las fuerzas capilares Las muestras de roca que imbiben
uacutenicamente agua se dice que son mojadas por agua de igual manera las que lo hacen con el
aceite son mojadas por aceite [10]
La imbibicioacuten es importante en un yacimiento que produce por mecanismos de empuje de
agua porque puede favorecer u obstruir el movimiento del agua afectando el aacuterea del barrido
Una prueba de imbibicioacuten es una comparacioacuten del potencial de imbibicioacuten del petroacuteleo y del
agua en una roca tal como se muestra en la figura 112 La mojabilidad de la roca es
determinada por la fase que maacutes absorbe
Figura 112 Celda de imbibicioacuten espontanea [10]
141 Interaccioacuten roca-fluido
29
La mojabilidad es muy importante en los procesos de recuperacioacuten de aceite debido al fuerte
efecto que eacutesta ejerce en la distribucioacuten localizacioacuten y flujo de aceite y agua dentro del
yacimiento durante la produccioacuten
Generalmente se asume que los yacimientos de aceite fueron creados por la acumulacioacuten de
hidrocarburos en rocas que originalmente conteniacutean agua y por ello se deduce que las rocas
de todos los yacimientos fueron originalmente mojadas por agua [23]
Asimismo existen casos aislados en los cuales despueacutes de haberse hecho pruebas se
descubrioacute que algunos yacimientos eran originalmente mojados por aceite Principalmente
los asfaltenos pesados y las fracciones de resina del aceite crudo son capaces de alterar por
adsorcioacuten la mojabilidad de una caliza mojada originalmente por agua a una mojada por
aceite en su superficie Los componentes maacutes importantes en el aceite crudo responsables
del cambio de mojabilidad son aquellos que contienen grupos cargados como un aacutecido o una
base
Las rocas carbonatadas usualmente llevan cargan positivas en la superficie y tienen una
afinidad mayor por los componentes aacutecidos del aceite crudo En el caso de las areniscas cuya
carga de superficie es negativa se tiene una mayor atraccioacuten por los componentes baacutesicos
del aceite crudo [10] La figura 113 es una representacioacuten esquemaacutetica de coacutemo las partes
aacutecidas del aceite se adsorben sobre la superficie de la caliza generando un estado maacutes mojado
por aceite
Figura 113 Esquema de las partes aacutecidas del aceite crudo sobre una superficie de roca
carbonatada
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacutenea
30
La comprensioacuten de los mecanismos detraacutes de la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes
puede mejorar el desempentildeo y aplicacioacuten del producto en operaciones de campo
Diversos investigadores notaron que para cada tipo de roca la efectividad de la alteracioacuten de
la mojabilidad depende de la naturaleza ioacutenica del surfactante empleado En nuacutecleos de
calizas mojadas por aceite Austad [19] observoacute que surfactantes catioacutenicos funcionaron
mejor que surfactantes anioacutenicos en el cambio de mojabilidad hacia un estado maacutes mojado
por agua Pensaron que para los surfactantes catioacutenicos el mecanismo responsable de la
alteracioacuten de la mojabilidad en una roca carbonatada mojada por aceite era la formacioacuten de
ion-par entre las cabezas catioacutenicas de las moleacuteculas de surfactante y los componentes aacutecidos
del aceite crudo adsorbidos en la superficie de la roca carbonatada
La formacioacuten del ioacuten-par puede remover la capa de aceite crudo adsorbida sobre la superficie
de la roca logrando exponer la superficie de la roca carbonatada originalmente mojada por
agua En cambio las moleacuteculas de los surfactantes anioacutenicos forman una capa en la
superficie de la roca carbonatada a traveacutes de la interaccioacuten hidrofoacutebica de las colas del
surfactante en la superficie La capa de surfactantes adsorbidos con los grupos de cabezas
hidrofiacutelicas cubriendo la roca originalmente mojada por aceite pueden cambiar la
mojabilidad del medio poroso a uno maacutes mojado por agua En este caso las interacciones
hidrofoacutebicas son mucho maacutes deacutebiles que las interacciones ioacuten-par explicando por queacute los
surfactantes catioacutenicos funcionan mejor que los anioacutenicos en la alteracioacuten de mojabilidad en
rocas carbonatadas hacia un estado maacutes mojado por agua Esas pruebas e hipoacutetesis fueron el
comienzo de un estudio que otros investigadores culminaron en un estudio de la mecaacutenica de
la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes [19]
143 Cambio de mojabilidad por el ioacuten-par
31
La formacioacuten del ioacuten-par es influenciado principalmente por interacciones electrostaacuteticas
entre las cabezas hidrofiacutelicas de los surfactantes y estabilizada por interacciones de las
secciones hidrofoacutebicas de la moleacutecula de surfactante Como se muestra en la figura 114 la
formacioacuten de iones-par remueve los componentes del aceite crudo adsorbido sobre la
superficie de la roca dando lugar a la cara originalmente mojada por agua [23]
Figura 114 Modelo esquemaacutetico del cambio de mojabilidad con la aplicacioacuten de
surfactantes
Los iones-par formados durante el proceso no son solubles en agua y por ello se mueven
raacutepidamente dentro de la fase aguaaceite hacia la fase aceite dejando las moleacuteculas de
surfactante libres en la fase agua para asociarse con los componentes del aceite adsorbidos
en la superficie de la roca (figura 114) De esta manera el surfactante cambia
satisfactoriamente la mojabilidad de la superficie de la roca a un estado maacutes mojado por agua
15 Surfactantes
Tambieacuten llamados agentes tensoactivos son moleacuteculas que poseen una doble afinidad
quiacutemica debido a su estructura de tipo polar-apolar Un surfactante o agente superficialmente
activo es una especie quiacutemica que es activa en la interfase entre dos fases como un
detergente que es activo en la interfase entre las fases hidroacutefila e hidroacutefoba El detergente se
acumula en la interfase y modifica la tensioacuten superficial La tensioacuten superficial disminuye
cuando un soluto se acumula en la interfase siendo el soluto en este caso el agente
tensoactivo [21] Su representacioacuten claacutesica se indica en la Figura 115
32
115 Representacioacuten de una moleacutecula surfactante
La parte polar o hidrofiacutelica es un grupo funcional ioacutenico o no ioacutenico generalmente constituida
por heteroaacutetomos como oxiacutegeno azufre nitroacutegeno y foacutesforo que permiten un alto grado de
solubilidad en solventes polares particularmente en agua La parte apolar o lipofiacutelica
generalmente es una cadena hidrocarbonada de tipo alquil o alquilbenceno con presencia en
ciertos casos de aacutetomos de un haloacutegeno u oxiacutegeno la cual es soluble en solventes orgaacutenicos
no polares particularmente hidrocarburos aceites y grasas Debido a esta dualidad polar-
apolar una moleacutecula de surfactante tiene tendencia a migrar a una intercara o una superficie
con la finalidad de satisfacer sus dos tipos de afinidad Sin embargo no todas las sustancias
anfifiacutelicas poseen esta propiedad [14]
151 Clasificacioacuten de los surfactantes
Debido a que la accioacuten de los surfactantes depende principalmente de fuerzas electrostaacuteticas
eacutestos se clasifican de acuerdo a la naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua Los
surfactantes se dividen en anioacutenicos catioacutenicos no ioacutenicos y zwitterioacutenicos (anfoteacutericos)
La tabla 13 muestra su clasificacioacuten incluyendo su descripcioacuten esquemaacutetica las
caracteriacutesticas de carga del grupo soluble en agua los grupos quiacutemicos maacutes importantes y
sus usos principales
La naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua se usa para clasificar los surfactantes en
cuatro clases
33
Tabla 13 Clasificacioacuten de Surfactantes
Clasificacioacuten Descripcioacuten Carga del grupo
soluble en agua
Grupos Quiacutemicos Usos
Anioacutenicos M+ + Negativa Sulfonatos
Sulfatos
Fosfatos
Fosfonatos
No
emulsificantes
Retardadores
Limpiadores
Catioacutenicos X- - Positiva Grupos aminos No
emulsificantes
Inhibidores de
corrosioacuten
No ioacutenicos XxR Sin Carga Alcoholes
Alquilfenoles
Esteres
Eteres
Amidas
Etileno
No
emulsificantes
Espumantes
Inhibidores de
corrosioacuten
Zwitterioacutenicos M+ X- Posee ambas
cargas
Dodedil amino
aacutecido propionico
Inhibidores de
corrosioacuten
Los surfactantes anioacutenicos se disocian en un anioacuten anfiacutefilo y un catioacuten el cual es en general
un metal alcalino o un grupo alquiacutelico A este tipo pertenecen los detergentes sinteacuteticos como
los alquil benceno sulfonatos los jabones (sales de sodio de aacutecidos grasos) los agentes
espumantes como el lauril sulfato los humectantes del tipo sulfosuccinato los dispersantes
del tipo lignosulfonatos etc La produccioacuten de los surfactantes anioacutenicos representa
alrededor del 55 de los surfactantes producidos anualmente en el mundo FIRP 303
Los surfactantes no ioacutenicos estaacuten en el segundo rango por orden de importancia con un poco
menos del 40 del total En solucioacuten acuosa no se ionizan puesto que ellos poseen grupos
hidroacutefilos del tipo alcohol fenol eacutester eacuteter o amida Una alta proporcioacuten de estos
surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofiacutelicos gracias a la presencia de una cadena
polieacuteter del tipo polioacutexido de etileno El grupo hidroacutefobo es generalmente un radical alquilo
o alquil benceno y a veces una estructura de origen natural como un aacutecido graso sobre todo
cuando se requiere una baja toxicidad
34
Los surfactantes catioacutenicos se disocian en solucioacuten acuosa en un catioacuten orgaacutenico anfiacutefilo y
un anioacuten generalmente del tipo halogenuro La gran mayoriacutea de estos surfactantes son
compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario La fabricacioacuten
de estos surfactantes es mucho maacutes cara que la de los anteriores y es por esta razoacuten que no
se les utilizan salvo en caso de aplicacioacuten particular como cuando se hace uso de sus
propiedades bactericidas o de su facilidad de adsorcioacuten sobre sustratos bioloacutegicos o inertes
que poseen una carga negativa
Esta uacuteltima propiedad hace que sean excelentes agentes antiestaacuteticos hidrofobantes asiacute
como inhibidores de corrosioacuten [24] y puedan ser utilizados tanto en productos industriales
como para uso domeacutestico
La combinacioacuten dentro de una misma moleacutecula de dos caracteres anioacutenico y catioacutenico
producen un surfactante llamado anfoacutetero o zwitterioacutenico como por ejemplo los
aminoaacutecidos las betaiacutenas o los fosfoliacutepidos ciertos anfoacuteteros son insensibles al pH otros
son de tipo catioacutenico a pH aacutecido y de tipo anioacutenico a pH alto Los anfoacuteteros son en general
tan caros como los catioacutenicos y por esta razoacuten su utilizacioacuten se reduce a aplicaciones
particulares
152 Propiedades de los surfactantes
Los surfactantes poseen dos propiedades fundamentales que permiten explicar las
caracteriacutesticas de su utilizacioacuten actividad superficial o interfacial adsorcioacuten y asociacioacuten
micelar
1511 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacuten
Cuando un surfactante estaacute presente a baja concentracioacuten en un sistema tiene la propiedad
de adsorberse en la superficie (liacutequido-gas) o en la cara interfacial (liacutequido-liacutequido) del
sistema Este fenoacutemeno que es debido a sus caracteriacutesticas anfifiacutelicas provoca una
disminucioacuten notable de la energiacutea libre superficial o interfacial
35
La energiacutea libre de la moleacutecula en la cara interfacial es inferior a la de la moleacutecula
solubilizada en la fase acuosa por tanto la transferencia desde el seno de la fase hacia la cara
interfacial llamada adsorcioacuten se realiza de manera espontaacutenea
La disminucioacuten de la tensioacuten interfacial provocada por la adsorcioacuten del surfactante favorece
la deformacioacuten y la ruptura de la cara interfacial la formacioacuten de sistemas dispersos como
las emulsiones y las espumas la movilizacioacuten del petroacuteleo residual en pozos entre otros [26]
1512 Micelas y asociacioacuten micelar
En soluciones diluidas el surfactante se encuentra en el seno del liacutequido bajo la forma de
solucioacuten molecular A partir de cierta concentracioacuten llamada concentracioacuten micelar criacutetica
(CMC) la fase acuosa se satura y la adicioacuten de maacutes moleacuteculas de surfactante provoca la
formacioacuten de agregados de tipo coloidal llamadas micelas [21]
Estos agregados pueden reunir entre decenas y centenas de moleacuteculas y su dimensioacuten y
estructura dependen de la estructura y del ambiente fisicoquiacutemico del surfactante La
tendencia liofoacutebica de una parte de la moleacutecula surfactante es el principal promotor de la
formacioacuten de las micelas en las cuales el surfactante alcanza una posicioacuten favorable para
satisfacer su doble afinidad
Generalmente se presenta a una micela como una entidad estaacutetica sin embargo las micelas
son agregados moleculares en equilibrio dinaacutemico con las moleacuteculas de surfactante dispersas
en el disolvente [19] De hecho se puede citar que ocurren dos procesos baacutesicos i) intercambio
de las micelas con las moleacuteculas de surfactante en el disolvente y con otras micelas que
ocurre en microsegundos o milisegundos y ii) la renovacioacuten real de una micela completa por
este proceso (de milisegundos a segundos)
Cuando el medio continuo estaacute formado por una sustancia no polar (denominado
geneacutericamente aceite aunque su estructura quiacutemica no corresponda a este nombre) se
forman las llamadas micelas inversas Ahora las cabezas polares estaacuten orientadas hacia el
interior de la micela y estaacuten en contacto con agua o alguna otra sustancia polar mientras que
las colas hidrocarbonadas se dirigen hacia el exterior de la micela (en contacto con el
36
disolvente apolar) como se muestra en la figura 116 Estos sistemas son mucho maacutes
complejos que los formados por las micelas normales tienen valores propios para la CMC y
nuacutemero de agregacioacuten aunque su tamantildeo y forma es similar al de las micelas normales
Figura 116 Tipos de micela A) micela normal B) micela inversa
El tamantildeo de una micela esfeacuterica estaacute determinado por el equilibrio entre las fuerzas de
atraccioacuten entre las colas hidrocarbonadas entre siacute (realmente se debe a que las moleacuteculas de
agua tienden a expulsar a las moleacuteculas hidrofoacutebicas de su contacto) y las fuerzas de repulsioacuten
electrostaacutetica de las cabezas polares (ayudada por efectos esteacutericos y de hidratacioacuten)
Mediante estudios de difraccioacuten de neutrones a aacutengulo pequentildeo se ha determinado la
estructura de una micela esfeacuterica el nuacutecleo es hidrocarbonado los grupos polares junto con
algunos contraiones (iones de carga opuesta al de la cabeza polar del surfactante) constituyen
la capa ioacutenica de Stern con un espesor de 02 a 04 nm y una capa difusa de Gouy-Chapman
mostrado en la figura 117
37
Figura 117 Comportamiento estaacutetico micelar
A concentraciones de surfactante ligeramente mayores que la CMC las micelas son esfeacutericas
al aumentar la concentracioacuten ciertas propiedades de la disolucioacuten indican un cambio en la
estructura de los agregados micelares Esto se debe probablemente a interacciones entre las
micelas Incrementando la concentracioacuten las micelas adoptan formas ciliacutendricas o lamelares
o en algunos casos de discos A concentraciones superiores pueden ocurrir transiciones de
fase de solucioacuten micelar a cristales liacutequidos
Algunas de las caracteriacutesticas que hacen atractivas a las micelas para aplicaciones analiacuteticas
son la existencia de la capa ioacutenica de Stern (en micelas ioacutenicas) la orientacioacuten anisotroacutepica
(o grado de ordenamiento) del nuacutecleo de la micela el ordenamiento de la interfaz micelar
debido a la carga y a las interacciones con el disolvente y a la diferencia de polaridad entre
el disolvente y el interior micelar
Muchas propiedades fiacutesicas de las soluciones de surfactante (conductividad tensioacuten
superficial densidad etc) cambian de manera notable en la CMC Comuacutenmente la CMC se
obtiene por la interseccioacuten de dos curvas que representan una propiedad fiacutesica determinada
de la solucioacuten una curva representa la propiedad fiacutesica a concentraciones inferiores a la CMC
y la otra representa la propiedad fiacutesica a concentraciones superiores [10]
38
16 Emulsiones
Las emulsiones son sistemas dispersos constituidos por dos liacutequidos inmiscibles en los cuales
la fase en suspensioacuten (fase interna o dispersa) se encuentra en forma de pequentildeas gotas
contenida en la fase externa (fase continua o dispersante) como se muestra en la figura 118
La estructura de las emulsiones estaacute estabilizada por un agente surfactante llamado
emulsionante Por definicioacuten una emulsioacuten es un sistema termodinaacutemicamente inestable y
tarde o temprano debe separarse en sus dos fases [19]
Figura 118 Micrografiacutea de una emulsioacuten WO
La nocioacuten de estabilidad es por supuesto relativa pero se refiere a una casi ausencia de
cambio durante un periacuteodo de tiempo suficientemente largo para el propoacutesito de la aplicacioacuten
praacutectica lo cual puede variar de algunos minutos a algunos antildeos
Las cantidades relativas de fase dispersa y fase continua (referidas tambieacuten como fase interna
y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades Por debajo de 20 de fase
interna se habla de una emulsioacuten de bajo contenido de fase interna En tales emulsiones se
puede considerar que hay poca interaccioacuten de las gotas entre siacute
39
161 Tipos de emulsiones
En la mayoriacutea de los casos en los cuales se hace una emulsioacuten con dos liacutequidos
inmiscibles uno de los liacutequidos es una fase acuosa y el otro una fase aceite u orgaacutenica Se
usan las abreviaturas O para el aceite y W para el agua siguiendo la nomenclatura
anglosajona Las emulsiones se clasifican [26]
Aceite en agua (OW) Esta emulsioacuten contiene gotas de aceite dispersadas en agua
es la emulsioacuten normal para todas las aplicaciones con excepcioacuten de la produccioacuten de
petroacuteleo en la cual se denomina emulsioacuten inversa
Agua en aceite (WO) En esta emulsioacuten la fase dispersa es el agua mientras que la
continua es el aceite esta es la emulsioacuten normal en la industria petrolera y la inversa
para todas las demaacutes aplicaciones
Agua en aceite en agua (WOW) Cuando las gotas de aceite de una emulsioacuten OW
contienen en su interior gotitas de agua se dice que se tiene una emulsioacuten muacuteltiple
del tipo WOW Las emulsiones muacuteltiples se encuentran en forma espontaacutenea en
ciertas circunstancias o pueden prepararse al propoacutesito
Aceite en agua en aceite (OWO) Este tipo de emulsioacuten no se encuentra con
frecuencia y estaacute constituida por una fase continua de aceite con gotas dispersas de
agua en su interior las cuales a su vez contienen pequentildeiacutesimas gotas de la fase
aceitosa
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleo
Durante las operaciones de extraccioacuten del petroacuteleo la mezcla bifaacutesica de petroacuteleo y agua se
desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden de 1 piediacutea lo que es insuficiente
para que se forme una emulsioacuten Sin embargo al pasar por todo el aparataje de produccioacuten
durante el levantamiento y el transporte en superficie (bombas vaacutelvulas codos restricciones
etc) se produce la agitacioacuten suficiente para que el agua se disperse en el petroacuteleo en forma
de emulsioacuten WO estabilizada por las especies de actividad interfacial presentes en el crudo
(asfaacuteltenos y resinas) y por soacutelidos
40
Existen tres requisitos esenciales para formar una emulsioacuten
Dos liacutequidos inmiscibles como el agua y el aceite
Suficiente agitacioacuten para dispersar uno de los liacutequidos en pequentildeas gotas en el otro
Un agente emulsionante para estabilizar las gotas dispersas en la fase continua
En los campos petroleros las emulsiones se conocen como emulsiones directas (agua
en aceite WO) y emulsiones indirectas (aceite en agua OW) Otra terminologiacutea en la
industria petrolera es clasificar las emulsiones directas producidas como duras y suaves Por
definicioacuten una emulsioacuten dura es muy estable y difiacutecil de romper principalmente porque las
gotas dispersas son muy pequentildeas Por otro lado una emulsioacuten suave es inestable y faacutecil de
romper En otras palabras cuando un gran nuacutemero de gotas de agua de gran diaacutemetro estaacuten
presentes ellas a menudo se separan faacutecilmente por la fuerza gravitacional El agua que se
separa en menos de cinco minutos es llamada agua libre
La mejor forma de deshidratar es evitar que se produzca la emulsioacuten o por lo menos
reducir al maacuteximo las condiciones que favorezcan el emulsionado
En pozos fluyentes una agitacioacuten considerable es generalmente causada por el gas
disuelto saliendo de la solucioacuten (el gas se desorbe) conforme decrece la presioacuten Este gas
tambieacuten causa turbulencia cuando fluye junto con la mezcla bifaacutesica agua-aceite a traveacutes de
accesorios y restricciones en la tuberiacutea de produccioacuten pasa por supuesto lo mismo cuando
se utiliza el levantamiento con gas Esta turbulencia puede ser reducida pero no eliminada
instalando un estrangulador de fondo Este estrangulador reduce la estabilidad de la emulsioacuten
por las siguientes causas
Hay menos presioacuten diferencial
La temperatura de fondo de pozo es considerablemente maacutes alta que la temperatura
en la superficie
Hay flujo laminar para una gran distancia corriente abajo del estrangulador de fondo
y por lo tanto menos turbulencia
Actualmente el 90 de las teacutecnicas utilizadas para la extraccioacuten de petroacuteleo crudo
generan o agravan los problemas de emulsionado Los quiacutemicos usados en las fracturas de la
41
formacioacuten estimulaciones de pozos inhibicioacuten de corrosioacuten etc frecuentemente causan
severos problemas de emulsionaje por lo que existen meacutetodos para romperlas tales como el
calentamiento aditivos quiacutemicos tratamiento eleacutectrico y asentamiento En los casos de bajo
contenido de agua (lt 10) resulta ventajoso antildeadir agua en fondo de pozo antes que se
produzca la emulsioacuten porque asiacute la emulsioacuten formada seraacute menos estable (el tamantildeo de gotas
aumenta y se favorece la coalescencia [22]
163 Agentes emulsionantes
Los agentes emulsionantes son numerosos y pueden ser clasificados
Compuestos naturales surfactantes tales como asfaltenos y resinas conteniendo
aacutecidos orgaacutenicos y bases aacutecidos nafteacutenicos aacutecidos carboxiacutelicos compuestos de
azufre fenoles cresoles y otros surfactantes naturales de alto peso molecular
Soacutelidos finamente divididos tales como arena arcilla finos de formacioacuten esquistos
lodos de perforacioacuten fluidos para estimulacioacuten incrustaciones minerales productos
de la corrosioacuten (por ejemplo sulfuro de hierro oacutexidos) parafinas asfaltenos
precipitados Los fluidos para estimulacioacuten de pozos pueden contribuir a formar
emulsiones muy estables
Quiacutemicos de produccioacuten antildeadidos tales como inhibidores de corrosioacuten biocidas
limpiadores surfactantes y agentes humectantes
Estos agentes pueden adsorberse en la interfase de la gota de agua y formar una peliacutecula
riacutegida que resulta en una alta estabilidad de la emulsioacuten WO formada lo cual ocurre en
menos de tres diacuteas Es por eso que la emulsioacuten debe tratarse lo maacutes pronto posible con
diferentes agentes tales como quiacutemica deshidratante calor sedimentacioacuten por
centrifugacioacuten o electrocoalescencia [26]
42
164 Estabilidad de una emulsioacuten
La peliacutecula interfacial formada estabiliza la emulsioacuten debido a que
Aumenta la tensioacuten interfacial Por lo general para emulsiones de crudo la tensioacuten
interfacial se encuentra en el intervalo de 30 a 36 mN m-1 Asiacute mismo la presencia
de sales aumenta la tensioacuten interfacial
Forma una barrera viscosa que inhibe la coalescencia de las gotas
Si el surfactante o partiacutecula adsorbida en la interfase es polar su carga eleacutectrica
provoca que se repelan unas gotas de otras
Otro mecanismo de estabilizacioacuten ocurre cuando los emulsionantes son partiacuteculas soacutelidas
muy finas Para ser agentes emulsionantes las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes pequentildeas que
las gotas suspendidas y deben ser mojadas por el aceite y el agua Luego estas finas partiacuteculas
soacutelidas o coloides (usualmente con surfactantes adheridos a su superficie) se colectan en la
superficie de la gota y forman una barrera fiacutesica Algunos de estos soacutelidos son el sulfuro de
hierro y la arcilla [14]
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacuten
La estabilidad y rompimiento de una emulsioacuten depende de varios factores
Tensioacuten interfacial Una reduccioacuten de la tensioacuten interfacial no aumenta la estabilidad
de la emulsioacuten Se ha encontrado que los sistemas de tensioacuten ultrabaja producen
emulsiones inestables
Viscosidad de la fase externa Una viscosidad alta en la fase externa disminuye el
coeficiente de difusioacuten y la frecuencia de colisioacuten de las gotas por lo que se
incrementa la estabilidad de la emulsioacuten Una alta concentracioacuten de las gotas tambieacuten
incrementa la viscosidad aparente de la fase continua y estabiliza la emulsioacuten Este
efecto puede ser minimizado calentando la emulsioacuten
Tamantildeo de la gota Gotas muy pequentildeas menores de 10 microm generalmente producen
emulsiones maacutes estables Una amplia distribucioacuten de tamantildeos de partiacuteculas resulta en
general en una emulsioacuten menos estable
43
Relacioacuten de volumen de fases Incrementando el volumen de la fase dispersa se
incrementa el nuacutemero de gotas yo tamantildeo de gotas y el aacuterea interfacial La distancia
de separacioacuten se reduce y esto aumenta la probabilidad de colisioacuten de las gotas Todos
estos factores reducen la estabilidad de la emulsioacuten
Temperatura Usualmente la temperatura tiene un efecto muy fuerte en la estabilidad
de la emulsioacuten Incrementando la temperatura se reduce la adsorcioacuten de surfactantes
naturales y disminuye la viscosidad de la fase externa la rigidez de la peliacutecula
interfacial y la tensioacuten superficial Todos estos cambios reducen la estabilidad de la
emulsioacuten
pH La adicioacuten de aacutecidos o bases inorgaacutenicos cambia radicalmente la formacioacuten de
peliacuteculas de asfaltenos y resinas que estabilizan las emulsiones agua-aceite
Envejecimiento de la interfase A medida que la interfase envejece la adsorcioacuten de
los surfactantes se completa y debido a las interacciones laterales entre las moleacuteculas
aumenta la rigidez de la peliacutecula hasta un valor estable en unas 3 o 4 horas Esta
peliacutecula o piel alrededor de la gota llega a ser maacutes gruesa maacutes fuerte y maacutes dura
Ademaacutes la cantidad de agentes emulsionantes se incrementa por oxidacioacuten fotoacutelisis
evaporacioacuten o por la accioacuten de bacterias
Salinidad de la salmuera La salinidad de la salmuera es un factor importante en la
formacioacuten de emulsiones estables Agua fresca o salmuera con baja concentracioacuten de
sal favorecen la estabilidad de las emulsiones Por el contrario altas concentraciones
de sal tienden a reducirla
Tipo de aceite Los crudos de base parafiacutenica usualmente no forman emulsiones
estables mientras que los crudos nafteacutenicos y de base mixta forman emulsiones
estables Ceras resinas asfaltenos y otros soacutelidos pueden influenciar la estabilidad
de la emulsioacuten En otras palabras el tipo de crudo determina la cantidad y tipo de
emulsionantes naturales
Diferencia de densidad La fuerza neta de gravedad que actuacutea en una gota es
directamente proporcional a la diferencia en densidades entre la gota y la fase
continua Aumentando la diferencia de densidad por incremento de la temperatura se
logra aumentar la velocidad de sedimentacioacuten de las gotas y por ende se acelera la
coalescencia
44
Capiacutetulo II
Metodologiacutea
45
La metodologiacutea usada en este proyecto se ilustra en la figura 21 la cual abarca desde la
preparacioacuten de las rocas carbonatadas hasta las pruebas de dispersioacuten de luz dinaacutemica y
potencial zeta con las cuales se concluyoacute este trabajo
Figura 21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyecto
Preparacioacuten de rocas carbonatadas (Pulido)
Caracterizacioacuten de las rocas carbonatadas por Espectroscopiacutea FTIR UV-vis SEMEDX
Preparacioacuten de emulsioacuten WO (7030) aplicando 500 y 800 mg L-1
de S(I) y S(II)
Imbibicioacuten espontaacutenea de roca de yacimiento
Pruebas tensiometricas de crudo emulsionado sobre roca
(Metodo de gota seacutesil)
Extraccioacuten de asfaltenos
Impregnacioacuten y caracterizacioacuten de asfaltenos sobre roca carbonatada
DLS de roca impreganada de asfaltenos
Potencial Zeta de roca impregnada de asfaltenos
46
21 Reactivos utilizados en el proyecto
En la tabla 21 se enlistan los reactivos utilizados en el desarrollo del proyecto
Tabla 21 Reactivos empleados en el proyecto
Reactivo Pureza Marca CAS
Acetona 999 Sigma-Aldrich 67-64-1
Heptano 95 Sigma-Aldrich 142-82-5
Tolueno 999 Sigma-Aldrich 108-99-3
Ciclohexano 99 Sigma-Aldrich 110-82-7
Nitrato de sodio 99 Sigma-Aldrich 7631-99-4
Cloruro de Sodio 99 Sigma-Aldrich 7647-14-5
Carbonato de calcio 99 Sigma-Aldrich 471-34-1
Sulfato de Magnesio 995 Sigma-Aldrich 7487-88-9
Agua desionizada 995 Sigma-Aldrich 7732-18-5
En la tabla 22 se muestran la nomenclatura de los surfactantes empleados en la
experimentacioacuten los cuales son de naturaleza catioacutenica debido a la propiedad de absorberse
sobre sustratos cargados negativamente
Tabla 22 Surfactantes utilizados en la experimentacioacuten
22 Sistemas de estudio
Clave Nombre surfactante Estructura
S1
P-toluensulfonato de 1-
metil-3-hexilimidazolio
[1M3HIMPTSO3]
S2
Cloruro de 1-metil-3-etil-
p-toluensulfonilimidazolio
[1M3EPTSO3IMCl]
CH3
N
N+
CH3
CH3
S
O
O
O-
CH3S
O
O
O
CH3
N
N+
Cl-
47
221 Agua congeacutenita
Se obtuvo una muestra de agua congeacutenita del petroacuteleo Aguacate 72 la cual fue proporcionada
por el Instituto Mexicano del Petroacuteleo Dicha muestra fue caracterizada por Espectroscopiacutea
de infrarrojo de Fourier con la finalidad de conocer los grupos funcionales presentes en la
misma
221 Salmuera
Se preparoacute a partir de una mezcla de 3 sales caracteriacutesticas de cualquier salmuera natural en
la siguiente proporcioacuten 30 de carbonato de calcio (CaCO3) 50 de cloruro de sodio
(NaCl) y 20 de sulfato de magnesio (MgSO4) Tomando como referencia 100 mL se pesoacute
1 gramo de mezcla de sales y se diluyoacute en agua desionizada posteriormente se realizaron
diluciones hasta obtener una concentracioacuten de 100 mg L-1
222 Extraccioacuten de asfaltenos
Se pesaron 10 g de crudo y se disolvieron en 40 mL de heptano posteriormente se aplicoacute
agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas Tras este periodo se dejoacute en reposo el sistema durante
24 horas Finalmente la solucioacuten se filtroacute aplicando vaciacuteo y exceso de heptano para arrastrar
los restos de compuestos no asfalteacutenicos contenidos en el producto
223 Impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada
Se preparoacute una muestra con la siguiente proporcioacuten 15 g de asfaltenos (30) y 35 g de
roca carbonatada (70) los cuales fueron agregados a 50 mL de Ciclohexano contenidos en
un matraz como se muestra en la figura 22 Se realizoacute agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas
posteriormente se realizoacute una filtracioacuten a vaciacuteo El producto obtenido se secoacute en una estufa a
100degC con un tiempo de secado de 24 horas
48
Figura 22 Muestra de roca carbonatada y asfaltenos
23 Disentildeo de experimentos
Se prepararon emulsiones con una proporcioacuten de 7030 (WO donde W corresponde al agua
siendo en nuestro caso de estudio agua congeacutenita oacute salmuera y O corresponde al crudo)
utilizando crudo Aguacate del pozo 72 manejando 10 g totales de muestra los cuales fueron
depositados en recipientes de plaacutestico de 20 mL ademaacutes de ser sometidas a agitacioacuten
continua con una espaacutetula por 20 minutos con el fin de formar la emulsioacuten
El petroacuteleo utilizado en el proyecto tiene las siguientes caracteriacutesticas
Densidad 09696 g cm-3
1440 grados API
2166 Saturados 3057 Aromaacuteticos 2435 Resinas y 2341 Asfaltenos
El disentildeo experimental es presentado en la tabla 23 se trabajoacute con 2 diferentes surfactantes
(S2 y S3) y estos se agregaron a las diferentes emulsiones WO usando concentraciones de
500 mg L-1 y 800 mg L-1 realizaacutendose micrografiacuteas de las emulsiones antes y despueacutes de
agregar el surfactante posteriormente se realizoacute el anaacutelisis tensiomeacutetrico de cada emulsioacuten
finalizando con el estudio dispersivo de los asfaltenos por Dispersioacuten de Luz dinaacutemica (DLS)
y Potencial Zeta
49
Tabla 23 Disentildeo de experimentos
Experimento Q1 O1 SX C(mg L-1)
Roca Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Experimento Q1 O1 SX C(ppm)
Roca Impregnada Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
50
24 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
241 Espectroscopiacutea de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)
Las teacutecnicas espectroscoacutepicas se fundamentan en la interaccioacuten de la materia con la
radiacioacuten Esta interaccioacuten provoca procesos como la absorcioacuten o la difusioacuten (scattering)
Cuando una moleacutecula absorbe o emite un fotoacuten su estado energeacutetico cambia En general
este cambio se manifiesta como una variacioacuten en la energiacutea traslacional de la moleacutecula y
como una modificacioacuten en su estado electroacutenico vibracional o rotacional Como las energiacuteas
asociadas a cada uno de estos cambios son muy diferentes cada uno de estos procesos se
puede tratar de manera independiente Exceptuando los cambios traslacionales los estados
energeacuteticos de las moleacuteculas estaacuten cuantizados consecuentemente los procesos de absorcioacuten
y emisioacuten soacutelo pueden darse a determinadas frecuencias de los fotones Para cada moleacutecula
dada su espectro de adsorcioacutenemisioacuten constituye una huella de la misma Las absorciones
que se producen en la regioacuten espectral del infrarrojo involucran energiacuteas mucho maacutes
pequentildeas comparadas con las energiacuteas de absorcioacuten relacionadas con la estructura electroacutenica
de la moleacutecula (ultravioleta y visible)
Sin embargo no todas las vibraciones yo rotaciones producen una absorcioacuten de radiacioacuten
incidente Soacutelo los modos vibracionales y rotacionales de moleacuteculas con momento bipolar
diferente de cero o bien aquellos modos que induzcan un momento diferente de cero en la
moleacutecula son activos al infrarrojo Para que exista un espectro rotacional activo en el
infrarrojo se requiere que la moleacutecula sea polar mientras que para tener un espectro
vibracional activo en el infrarrojo basta que el movimiento vibracional de los aacutetomos de la
moleacutecula induzca un momento bipolar no nulo [28]
En un interferoacutemetro Michelson el haz de radiacioacuten que viene de la fuente se divide mediante
un espejo semipermeable (beamsplitter) en dos haces parciales que se reflejan en sendos
espejos uno fijo y otro moacutevil vuelven al beamsplitter y se recombinan en interferencia Un
desplazamiento del espejo moacutevil cambia el camino oacuteptico en ese brazo del interferoacutemetro
51
introduciendo una diferencia de fase entre los haces y por tanto un cambio en la amplitud de
la interferencia La intensidad de sentildeal que llega al detector tras atravesar la muestra
representada como funcioacuten de la diferencia en la trayectoria de ambos haces (retardo) es lo
que se llama interferograma Con una radiacioacuten monocromaacutetica se obtiene una sentildeal coseno
que en el caso de caminos oacutepticos ideacutenticos en ambos brazos proporciona una interferencia
constructiva sin diferencia de fase entre los haces y por tanto una intensidad maacutexima El
resultado es un interferograma (intensidad en funcioacuten del tiempo) la cual se convierte viacutea un
algoritmo matemaacutetico (transformada de Fourier) en un diagrama de Intensidad en funcioacuten de
la frecuencia (espectro)
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro FTIR de marca Perkin Elmer Spectrum One donde se
analizoacute la roca carbonatada de yacimiento Para la identificacioacuten de los grupos funcionales
se trabajoacute con un intervalo espectral de 4000 a 380 cm-1 utilizando 12 barridos
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)
El espectro Ultravioleta y Visible de las moleacuteculas estaacute asociado a transiciones electroacutenicas
entre los diferentes niveles energeacuteticos en ciertos grupos o aacutetomos de la moleacutecula En
contraste la absorcioacuten de energiacutea en la regioacuten Infrarroja estimulan la moleacutecula completa y
causa cambios vibracionales y rotacionales en esta lo cual caracteriza la entidad estructural
de dicha moleacutecula Los grupos de aacutetomos que dan origen a la absorcioacuten en el UV cercano o
UV de cuarzo se conocen como grupos cromoacuteforos La mayoriacutea de los grupos insaturados y
heteroatoacutemicos que tienen pares de electrones no compartidos son cromoacuteforos potenciales y
estos grupos son la base de la elucidacioacuten de grupos estructurales en las moleacuteculas activas en
el UV cercano
Cuando dos aacutetomos forman un enlace quiacutemico los orbitales atoacutemicos de cada uno de ellos
se combinan para formar dos orbitales moleculares uno de baja energiacutea que es el orbital
enlazante y otro de energiacutea mayor que es el orbital antienlazante Los enlaces covalentes que
se originan entre los orbitales de dos aacutetomos que se enlazan quiacutemicamente pueden ser de dos
tipos y se conocen como enlaces σ y enlaces π
52
Al efectuarse dicho enlace covalente se forman simultaacuteneamente orbitales antienlazantes σ
en el caso de un orbital molecular enlazante σ y π en el caso de un orbital molecular
enlazante p La absorcioacuten de energiacutea radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones
σ oacute π resulta en la excitacioacuten de eacutestos los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales
antienlazantes La absorcioacuten de radiacioacuten Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas
transiciones
Un espectro ultravioleta-visible es esencialmente un graacutefico de absorbancia de luz frente a
una longitud de onda en el rango del ultravioleta o la luz visible para una determinada
sustancia puede hacerse un graacutefico estaacutendar del coeficiente de extincioacuten (ε) frente a la
longitud de onda (λ) Las longitudes de onda de los picos de absorcioacuten pueden
correlacionarse con los tipos de enlace en una determinada moleacutecula y son valiosos para
determinar los grupos funcionales dentro de la moleacutecula La absorcioacuten UV-Vis no es sin
embargo una prueba especiacutefica para ninguacuten compuesto determinado La naturaleza del
disolvente el pH de la solucioacuten la temperatura la concentracioacuten de electrolitos y la
presencia de sustancias interferentes pueden influir en los espectros de absorcioacuten de los
compuestos asiacute como las variaciones de ancho de banda [29]
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro UV-vis de marca Cintral 303 GBC en donde se analizaron
los compuestos sintetizados Para la identificacioacuten de los grupos funcionales se trabajoacute con
una celda de 10 mm de espesor en un intervalo espectral de 800 a 200 nm Se preparoacute una
solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano a una concentracioacuten de 100 mg L-1 asiacute como
soluciones de roca impregnada de crudo en ciclohexano a diferentes concentraciones (100
50 30 20 10 5 3 y 1 mg L-1)
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
El Microscopio electroacutenico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscopy) es una
teacutecnica que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen
ampliada de la superficie de un objeto Es un instrumento que permite la observacioacuten y
caracterizacioacuten superficial de soacutelidos inorgaacutenicos y orgaacutenicos Tiene una gran profundidad
53
de campo la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra Eacutesta teacutecnica
brinda informacioacuten topograacutefica sobre la superficie de material analizado y el anaacutelisis EDX
proporciona informacioacuten sobre su composicioacuten quiacutemica [30]
Esta teacutecnica esencialmente consiste en hacer incidir en la muestra un haz de electrones Este
bombardeo de electrones provoca la aparicioacuten de diferentes sentildeales que captadas con
detectores adecuados nos proporcionan informacioacuten acerca de la naturaleza de la muestra
La sentildeal de electrones secundarios proporciona una imagen de la morfologiacutea superficial de
la muestra La sentildeal de los electrones retrodispersados muestra una imagen cualitativa de
zonas con distinto nuacutemero atoacutemico medio y la sentildeal de rayos X presenta los espectros e
imaacutegenes acerca de la composicioacuten de elementos quiacutemicos en la muestra
25 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten espontaacutenea de la fase mojante sobre la superficie de una roca consiste en la
absorcioacuten de la misma en su superficie tan pronto como existe contacto entre dicha fase y el
soacutelido sin requerirse de la accioacuten de un trabajo externo para realizarse lo cual tambieacuten se
conoce como la succioacuten capilar de esta fase en el medio poroso es decir es un proceso que
consiste en el ingreso de la fase mojante en los poros de la roca por efecto de las fuerzas
capilares [10]
En este proceso se utiliza una Celda de Amott el cual es un contenedor ciliacutendrico conceacutentrico
de vidrio en cuya parte central se colocan el material que seraacute saturado por la fase mojante
y en la capucha externa se introduce liacutequido refrigerante para mantener la temperatura
constante dentro de la celda
Para la experimentacioacuten se utilizaron 3 rocas carbonatadas que fueron introducidas en una
celda de Amott de 500 mL Posteriormente se llenoacute la parte interna de la celda con petroacuteleo
crudo y la capucha externa con refrigerante La celda se colocoacute en un bantildeo de aceite a 65degC
durante 7 diacuteas En la figura 23 se observa el montaje del equipo para el proceso de
imbibicioacuten
54
Figura 23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacuten
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
Este meacutetodo experimental es usado para determinar el aacutengulo de contacto existente en un
sistema bifaacutesico Consiste en la colocacioacuten de una gota sobre una superficie soacutelida
posteriormente el equipo realiza el caacutelculo de paraacutemetros propios de la gota como radio y
diaacutemetro los cuales son fundamentales sustituidos en las ecuaciones de tensioacuten superficial
[10]
Para la experimentacioacuten se emplearon 8 rocas carbonatadas de yacimiento las cuales fueron
previamente pulidas para generar una superficie lisa obseacutervese la figura 24 Posteriormente
se colocoacute la emulsioacuten preparada en la jeringa para estudio tensiomeacutetrico por accioacuten
gravitacional el fluido descendioacute provocando la formacioacuten de una gota la cual se fija en la
roca La caacutemara del tensioacutemetro detecta el aacutengulo y la forma de la gota asiacute como su
deformacioacuten con el paso del tiempo
55
Figura 24 Roca carbonatada previamente pulida
Asiacute mismo se realizoacute la medicioacuten del aacutengulo de contacto para las rocas imbibidas en crudo
(figura 25) soacutelo difiriendo en la fase mojante la cual se trataba en un primer experimento
de la salmuera o del agua congeacutenita y posteriormente se adicionaron los dos surfactantes a
500 y 800 mg L-1
Figura 25 Roca carbonatada imbibida de petroacuteleo
Se utilizoacute un tensioacutemetro de la marca Attension modelo Theta Lite 101 (figura 26) en donde
se analizaron los sistemas de estudio mencionados anteriormente empleando el meacutetodo de
gota seacutesil
Figura 26 Tensioacutemetro Attension Theta Lite 101
56
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemica
La dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS) a la que a veces se hace referencia como dispersioacuten de
luz cuasi elaacutestica (QELS) es una teacutecnica no invasiva y bien establecida para medir el tamantildeo
y distribucioacuten de tamantildeo de moleacuteculas partiacuteculas y agregados tiacutepicamente en la regioacuten
submicromeacutetrica y con la uacuteltima tecnologiacutea inferiores a 1 μm
Las aplicaciones tiacutepicas de la dispersioacuten de luz dinaacutemica son la caracterizacioacuten de partiacuteculas
emulsiones o moleacuteculas que se han dispersado o disuelto en un liacutequido El movimiento
Browniano de las partiacuteculas o moleacuteculas en suspensioacuten hace que la luz laacuteser se disperse en
diferentes intensidades [31] Con el anaacutelisis de estas fluctuaciones en la intensidad se obtiene
la velocidad del movimiento Browniano y por lo tanto del tamantildeo de partiacutecula mediante la
relacioacuten de Stokes-Einstein (figura 27)
Figura 27 Diagrama de funcionamiento de Dispersioacuten de luz dinaacutemica
A diferencia de la dispersioacuten de luz estaacutetica para determinar el tamantildeo de las partiacuteculas y
agregados la dispersioacuten de luz dinaacutemica no tiene en cuenta la dependencia del aacutengulo sino
la variacioacuten de la intensidad de dispersioacuten en el tiempo debido a la aglomeracioacuten de las
partiacuteculas con respecto al tiempo teniendo un efecto de sedimentacioacuten que provoca un
caacutelculo erroacuteneo de la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
Esta teacutecnica fisicoquiacutemica se utiliza para determinar el perfil de distribucioacuten de tamantildeos de
partiacuteculas pequentildeas en suspensioacuten mediante una fuente monocromaacutetica que pasa a traveacutes de
un polarizador y la muestra La luz dispersada pasa posteriormente a traveacutes de un segundo
57
polarizador donde es recogido por un fotomultiplicador y se obtiene una intensidad de
dispersioacuten determinada [32]
Para la experimentacioacuten se preparoacute la solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano con una
concentracioacuten de 100 mg L-1 se llevoacute a sonicacioacuten durante 15 minutos posteriormente se
colocaron 3 mL de la muestra en la celda y se realizoacute su anaacutelisis Asiacute mismo se estudiaron
las soluciones de roca impregnada en ciclohexano y la aplicacioacuten de los surfactantes sobre
las mismas a 500 y 800 mg L-1
Se utilizoacute un equipo de la marca Malvern modelo Zetasizer en donde se analizaron los
sistemas de estudio mencionados anteriormente
28 Potencial Zeta
El potencial zeta es una propiedad que mide el potencial electrocineacutetico en sistemas
coloidales en la quiacutemica coloidal se denota por lo general con la letra griega zeta Desde un
punto de vista fiacutesico el potencial zeta es el potencial eleacutectrico en la doble capa interfacial es
decir que es el punto donde se unen la capa difusa y la de Stern Tambieacuten el potencial zeta es
la diferencia de potencial entre el medio de dispersioacuten y la capa estacionaria unido a la
partiacutecula dispersada []
Las partiacuteculas coloidales dispersas en una solucioacuten estaacuten cargadas eleacutectricamente gracias a
sus caracteriacutesticas ioacutenicas y de bipolaridad El desarrollo de una red de carga eleacutectrica en la
superficie de la partiacutecula puede afectar la distribucioacuten de iones en una regioacuten interfacial
vecina y provocar un aumento de la concentracioacuten de iones contados (iones de carga
contraria a las partiacuteculas) cerca de la superficie tal como se muestra en la figura 27
58
Figura 27 Interacciones entre las partiacuteculas tras la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica [33]
Cada partiacutecula dispersa en una solucioacuten se rodea de iones cargados con carga opuesta que se
denomina capa fija Fuera de esta capa fija existen distintas composiciones de iones de
polaridad opuesta formando un aacuterea nebulosa De esta manera se crea una capa doble
eleacutectrica en la regioacuten de interfase partiacutecula- liacutequido
La medida del Potencial Z permite caracterizar y predecir el comportamiento de soacutelidos
macroscoacutepicos y de partiacuteculas en suspensiones liacutequidas en multitud de aplicaciones teacutecnicas
En suspensiones liacutequidas el Potencial Z es una medida de la atraccioacutenrepulsioacuten entre
partiacuteculas cargadas electrostaacuteticamente permitiendo estudiar la estabilidad de dispersiones
emulsiones suspensiones proteiacutenas poliacutemeros etc
En soacutelidos macroscoacutepicos es una propiedad importante de interfaces soacutelidoliacutequido cargadas
eleacutectricamente siendo un indicador de la carga superficial de un soacutelido en contacto con un
electrolito Esto permite estudiar las caracteriacutesticas y funcionalizacioacuten de superficies
Este anaacutelisis se realizoacute con un equipo de marca Malvern modelo ZetaSizer Se estudiaron
los sistemas Roca carbonatada roca impregnada de crudo asiacute como la aplicacioacuten de los
surfactantes a 500 y 800 mg L-1 utilizando como electrolito indiferente nitrato de sodio
01mM el cual permite la desestabilizacioacuten del coloide con la finalidad de que la corriente
eleacutectrica pase por todas las partiacuteculas y se obtenga una medicioacuten correcta del anaacutelisis Asiacute
mismo se varioacute el pH del sistema de 1 a 7 utilizando HCl 01 M y NaOH 01 M para
observar el efecto dispersivo de las partiacuteculas de roca
59
Capiacutetulo III
Resultados
31 Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenos
60
Se realizaron 3 extracciones de asfaltenos utilizando 10 mL de petroacuteleo en cada una se
obtuvieron entre 14182 g y 16875 g de asfaltenos lo cual representa un porcentaje de
recuperacioacuten en 1418 y 1675 El producto obtenido teniacutea una tonalidad oscura lo anterior
se observa en la figura 31
Figura 31 Asfaltenos obtenidos tras extraccioacuten
Asiacute mismo se realizoacute el procesos de impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada por
triplicado de los cuales se obtuvieron entre 169 g y 189 g de roca impregnada que
representa una recuperacioacuten entre 338 y 378 El producto teniacutea una tonalidad cafeacute oscura
lo anterior se observa en la figura 32
Figura 32 Roca impregnada de asfaltenos
32 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con transformada de Fourier
61
La elucidacioacuten de los espectros de FTIR se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura [35] indica que el carbonato de
calcio presenta sentildeales caracteriacutesticas de sus grupos funcionales tales como CO3 Ca-C y C-
O y Ca-CO3
321 Espectro FTIR de roca carbonatada
El espectro FTIR de la roca carbonatada se muestra en la figura 33 en el que se observa el
estiramiento del enlace Ca-C en 2513 cm-1 sentildeal caracteriacutestica del compuesto CaCO3 el
estiramiento de C-O en 1480 cm-1 y las vibraciones particulares del grupo CO3 en 714 y 877
cm-1 Estas sentildeales dan certeza de que el compuesto analizado es una roca de carbonato de
calcio
Figura 33 Espectro FTIR de roca carbonatada
62
322 Espectro de roca impregnada de asfaltenos
El espectro FTIR de la roca impregnada se muestra en la figura 34 en el que se observa el
estiramiento del enlace O-H en 3300 cm-1 las vibraciones simeacutetricas y asimeacutetricas de C-H
en 2988 y 2875 cm-1 la absorcioacuten energeacutetica del enlace C-H en 1625 cm-1 las flexiones de
los compuestos aromaacuteticos entre 1100 y 1500 cm-1 asiacute como la deformacioacuten noplanar del
anillo benceacutenico entre 700 y 900 cm-1 Estas sentildeales confirman la impregnacioacuten de asfaltenos
teniendo como principal diferencia frente a la roca carbonatada las flexiones y vibraciones
de los enlaces C-H y de los anillos aromaacuteticos presentes en la estructura asfalteacutenica teoacuterica
Figura 34 Espectro FTIR de roca impregnada de asfaltenos
63
33 Espectroscopia ultravioleta visible (UV-vis)
La elucidacioacuten de los espectros de UV-vis se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura indica la presencia de grupos
benceacutenicos y nafteacutenico en las estructuras quiacutemicas de los asfaltenos los cuales son
caracteriacutesticos de los mismos [29]
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada y roca impregnada
El espectro UV-vis de la roca carbonatada no presenta ninguna banda significativa esto se
debe principalmente a la ausencia de dobles y triples enlaces los cuales son sumamente
caracteriacutesticos en longitudes de 200 a 600 nm El espectro UV-vis de la roca impregnada
(figura 35) muestra 4 sentildeales las dos primeras retribuidas a los grupos benceacutenicos a 226 y
250 nm la tercera y cuarta a los grupos nafteacutenicos a 263 y 270 nm estructuras quiacutemicas
presentes en los asfaltenos
Se realizaron 6 experimentos iniciando con la roca carbonatada posteriormente la
evaluacioacuten de la roca impregnada de asfaltenos (RASF) variando la concentracioacuten de roca
(10 5 3 1 05 mg L-1)
Los espectros muestran desdoblamiento en las bandas debido al cambio electroacutenico en los
enlaces sigma y pi presentes en los ciclos aromaacuteticos Se observa el efecto de la concentracioacuten
de roca impregnada a 05 y 1 mg L-1 se tienen bandas maacutes definidas y caracteriacutesticas de los
asfaltenos a concentraciones mayores a lo anterior se enmascaran estas sentildeales debido a la
saturacioacuten de las partiacuteculas de roca impregnada en las muestra Lo anterior hace imposible
para el equipo la identificacioacuten precisa de los grupos funcionales caracteriacutesticos de la misma
64
Figura 35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnada
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
Esta teacutecnica se realizoacute con la finalidad de observar el tamantildeo y la forma de las partiacuteculas de
roca carbonatada asiacute como la composicioacuten elemental de la misma Se observa un
comportamiento de agregacioacuten entre las partiacuteculas por lo que se puede deducir un tamantildeo
entre 100 y 400 nm Con el anaacutelisis elemental del EDX se comproboacute la naturaleza de la roca
la cual estaacute formada de carbonato de calcio La literatura [36] indica las sentildeales caracteriacutesticas
de este compuesto el carbono con una sentildeal en 028 keV el oxiacutegeno en 053 keV y el calcio
con dos picos en 369 y 401 keV y de partiacuteculas nanomeacutetricas de forma esfeacutericas lo anterior
esto se puede observar en la figura 36
65
36 Anaacutelisis SEMEDS de roca carbonatada
35 Imbibicioacuten espontaacutenea
Se obtuvieron las rocas imbibidas tras un proceso de 7 diacuteas [37] y se pesaron para conocer la
cantidad de crudo absorbido dentro de su estructura porosa Asiacute mismo se fracturaron las
rocas para comprobar la presencia del hidrocarburo dentro de la roca lo cual se observa en
la figura 37 En la tabla 31 se muestra la masa inicial y final de la roca asiacute como el
porcentaje de masa absorbida de crudo teniendo porcentajes entre 4 y 5
66
Figura 37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudo
Tabla 31 Resultados de rocas imbibidas
Muestra Masa Inicial (g) Masa Final (g)
1 103315 108098 46295
2 92475 96736 46077
36 Anaacutelisis del aacutengulo de contacto del crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
La medicioacuten del aacutengulo de contacto de diferentes sistemas de estudio aporta informacioacuten
sobre la interaccioacuten entre las interfaces soacutelidas y liquidas el comportamiento de un fluido
sobre una superficie asiacute como la variacioacuten de la misma con la aplicacioacuten de un agente en
este caso un surfactante
361 Roca no imbibida
Se colocaron los disolventes empleados en la experimentacioacuten variado uacutenicamente los
surfactantes y la concentracioacuten de los mismos En la figura 38 se muestra el aacutengulo de
contacto de la salmuera sobre la roca se observa que con la aplicacioacuten de los surfactantes
este aacutengulo disminuye deduciendo un aumento en la afinidad entre la roca y el disolvente
[38] Lo anterior se debe principalmente al aumento de la concentracioacuten de iones provocando
un efecto de pantalla que reduce las repulsiones electrostaacuteticas entre las moleacuteculas anfifiacutelicas
67
facilitando la formacioacuten de micelas en el sistema y asiacute aumentando la mojabilidad de la
salmuera obseacutervese en tabla 32
Figura 38 Angulo de contacto de la salmuera
Tabla 32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio
El efecto de las sales presentes en el agua congeacutenita en la formacioacuten micelar (figura 39)
propicia un incremento en la mojabilidad con la aplicacioacuten del surfactante lo cual se muestra
en la tabla 33
Figura 39 Angulo de contacto del agua congeacutenita
Tabla 33 Aacutengulos de contacto del agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio
68
Del mismo modo se colocaron sobre la superficie de la roca los diferentes sistemas de estudio
(emulsiones) los cuales variaban en el tipo de surfactante la concentracioacuten y el tipo de
disolvente empleado El aacutengulo de contacto del petroacuteleo se muestra en la figura 310
Figura 310 Angulo de contacto del petroacuteleo
Con una concentracioacuten de 500 mg L-1 de surfactante (tabla 34) se observa una disminucioacuten
del aacutengulo de contacto de la emulsioacuten lo anterior se atribuye al efecto de las cabezas
catioacutenicas sobre los agregados asfalteacutenicos los cuales son dispersados provocando una
mayor interaccioacuten con la roca y aumentando la mojabilidad sobre la misma
Tabla 34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 mg L-1
69
Con una concentracioacuten de 800 mg L-1 de surfactante (tabla 35) se observa un efecto similar
al sistema de estudio anterior un decremento del aacutengulo de contacto atribuido al efecto
pantalla de las sales de los disolvente en la concentracioacuten micelar dispersando los agregados
asfalteacutenicos y de esta forma aumentando la mojabilidad del sistema sobre la roca
carbonatada
Tabla 35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 mg L-1
362 Roca imbibida por petroacuteleo
70
Se colocaron los sistemas de estudio (salmuera y agua congeacutenita) sobre la roca impregnada
de crudo se observoacute una disminucioacuten en el aacutengulo de contacto menor que el estudio sobre
la roca carbonatada Lo anterior se debe a la alta hidrofobicidad de la superficie de la roca
la cual estaba impregnada en su totalidad de hidrocarburo y que aun con la aplicacioacuten de los
surfactantes se repelioacute el efecto de las cabezas catioacutenicas teniendo como consecuencia el
decremento del aacutengulo de contacto Las tablas 36 y 37 muestran los aacutengulos de contacto
tras la aplicacioacuten del surfactante
Tabla 36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 mg L-1
Tabla 37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 800 mg L-1
71
En la Tabla 38 se presentan los resultados del caacutelculo de tensioacuten interfacial y mojabilidad
los cuales son paraacutemetros que describen el comportamiento de las fuerzas intermoleculares
en la interfase soacutelido-liacutequido
Tabla 38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio
Fase soacutelida
Fase liacutequida
Surfactante (Sx)
Concentracioacuten (mg L-1)
Aacutengulo de
contacto ϴ
(deg)
Tensioacuten interfacial γ (dina cm-1)
Mojabilidad W
Roca carb Salmuera 8149 576 661
Roca carb Salmuera S1 500 5539 518 812
Roca carb Salmuera S1 800 5173 537 869
Roca carb Salmuera S2 500 4549 441 827
Roca carb Salmuera S2 800 4242 557 856
Roca Imb Salmuera S1 500 6956 421 566
Roca Imb Salmuera S1 800 6957 451 606
Roca Imb Salmuera S2 500 6681 472 657
Roca Imb Salmuera S2 800 7408 549 699
Roca carb Agua Cong 7391 528 674
Roca carb Agua Cong S1 500 4785 431 72
Roca carb Agua Cong S1 800 4069 446 784
Roca carb Agua Cong S2 500 4809 439 732
Roca carb Agua Cong S2 800 3327 42 771
Roca Imb Agua Cong S1 500 7456 525 664
Roca Imb Agua Cong S1 800 6575 494 696
Roca Imb Agua Cong S2 500 765 472 581
Roca Imb Agua Cong S2 800 6788 483 664
Roca carb Petroacuteleo 11177 838 536
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 500 8313 582 651
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 800 936 605 567
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 500 9088 652 641
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 800 8645 629 667
Roca carb Emulsioacuten AC S1 500 10289 815 641
Roca carb Emulsioacuten AC S1 800 9562 698 629
Roca carb Emulsioacuten AC S2 500 9846 782 666
Roca carb Emulsioacuten AC S2 800 9056 675 668
En los diferentes anaacutelisis sobre roca carbonatada con la aplicacioacuten de surfactantes en
salmuera o agua congeacutenita se observa una disminucioacuten del aacutengulo de contacto lo que implica
una menor tensioacuten en la interfase soacutelido-liacutequido obteniendo mayor mojabilidad en cada uno
de los sistemas Lo anterior se basa principalmente en el efecto dispersivo de los surfactantes
72
sobre las agregaciones asfalteacutenicas siendo las cabezas catioacutenicas las responsables de evitar
la apilacioacuten de los asfaltenos y disgregaacutendolas por todo el sistema
Asiacute mismo se observa el efecto de la concentracioacuten de los surfactantes en los diferentes
sistemas de estudio obteniendo menor tensioacuten interfacial a una concentracioacuten de 500 mgL-1
debido a la saturacioacuten ideal del aditivo en la muestra
37 Dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS)
Con el anaacutelisis DLS se estudioacute la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
y la roca impregnada asiacute como el efecto de los surfactantes en el sistema de estudio En la
figura 311 se muestra la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
(unimodal 1496 nm) a su vez en la figura 312 se observa la distribucioacuten de la roca
impregnada (unimodal 4063 nm) Posteriormente con la aplicacioacuten de los surfactantes se
comproboacute la disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula con S1 (unimodal 219 nm) y S2 (
unimodal 282 nm) Lo anterior se atribuye al efecto de los surfactantes sobre la superficie
impregnada que al entrar en contacto con los agregados asfalteacutenicos se generoacute la dispersioacuten
de los mismos disminuyendo de esta forma el tamantildeo de la partiacutecula [32] Ambos surfactantes
facilitan la dispersioacuten de los asfaltenos que recubren la superficie de la partiacutecula provocando
la reduccioacuten en el tamantildeo de la misma obseacutervese figs 313 y 314
Figura 311 Anaacutelisis DLS de roca carbonatada
73
Figura 312 Anaacutelisis DLS de roca impregnada
Figura 313 Anaacutelisis DLS de roca impregnada aplicando S3
Figura 314 DLS de roca impregnada aplicando S4
74
La disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de las rocas impregnadas se asocia al efecto
dispersivo de los surfactantes mencionado en las pruebas tensiomeacutetricas donde las parte
catioacutenica del compuesto inhibe la aglomeracioacuten de las moleacuteculas asfalteacutenicas provocando
no solo el cambio de la mojabilidad del sistema de estudio si no tambieacuten la disgregacioacuten de
los asfaltenos encontrados en la superficie de la roca carbonatada por tanto un decrecimiento
en la distribucioacuten de tamantildeo partiacutecula en la roca impregnada
38 Potencial Zeta
Con el anaacutelisis de potencial zeta se observoacute las fuerzas de atraccioacuten yo repulsioacuten de cada
sistema de estudio La literatura indica que en todo sistema en suspensioacuten coloidal existe un
equilibrio entre las fuerzas de repulsioacuten y las fuerzas de atraccioacuten molecular (Van del Waals)
resultando la aglomeracioacuten o dispersioacuten del sistema Si el sistema tiene carga positiva el
sistema es atractivo por lo que existen las fuerzas de atraccioacuten entre las partiacuteculas son
mayores que las fuerzas de repulsioacuten Si el sistema es negativo el sistema es repulsivo y se
tiene un efecto contrario al anterior Mientras maacutes alejado del cero se encuentre la muestra
mayor estabilidad le seraacute conferida debido a la relacioacuten entre las fuerzas intermoleculares
eso significa que se provocaraacute menor agregacioacuten facilitando la dispersioacuten del soluto [33] En
la figura 315 se muestra el efecto del pH en la dispersioacuten de los asfaltenos con la aplicacioacuten
de los surfactantes la tendencia se vuelve maacutes negativa por lo tanto existe mayor estabilidad
en el coloide disminuyendo la agregacioacuten de los asfaltenos
Este efecto se observoacute en las pruebas de DLS en donde los surfactantes dispersaron las
moleacuteculas de asfaltenos disminuyendo de esta forma la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
lo anterior se asocia a la disgregacioacuten de los asfaltenos observado en potencial Zeta
obteniendo una fase dispersa en el sistema
75
Figura 315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando el pH
76
Conclusiones
Se comproboacute el efecto dispersivo de los surfactantes sulfatados sobre los agregados
asfalteacutenicos causado principalmente por las cargas electroacutenicas presentes en estos
compuestos que al entrar en contacto con los asfaltenos provocaron la disgregacioacuten de
los mismos Dicho efecto fue visible en la mayoriacutea de las teacutecnicas empleadas generando
cambios en las interacciones moleculares de los sistemas de estudio y en las fuerzas de
la interfase soacutelido-liacutequido
Las teacutecnicas de caracterizacioacuten FTIR UV-vis corroboraron la presencia de grupos
funcionales caracteriacutesticos de la roca carbonatada asiacute como de la roca impregnada de
asfaltenos La teacutecnica de SEMEDX corroboroacute la existencia de los elementos que
componen a la roca y brindoacute informacioacuten importante sobre el tamantildeo y la forma de los
las partiacuteculas de roca
Las pruebas de aacutengulo de contacto por el meacutetodo de gota seacutesil comprobaron el efecto
superficial de los surfactantes en los diferentes sistemas de estudio cambiando la
tensioacuten interfacial de cada uno y afectando una caracteriacutestica innata de la roca su
mojabilidad Los aacutengulos de contacto tras la aplicacioacuten de los surfactantes sufrieron una
disminucioacuten por la facilidad de los aditivos antes mencionados para dispersar las capas
de agregacioacuten de los asfaltenos provocando una mejor interaccioacuten con la fase soacutelida
Mediante el anaacutelisis de Dispersioacuten de luz Dinaacutemica (DLS) se consiguioacute fundamentar el
efecto dispersivo de los surfactantes observado en las pruebas tensiomeacutetricas siendo de
gran importancia los resultados obtenidos de distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula en
donde con la aplicacioacuten de los surfactantes se consiguioacute disminuir este paraacutemetro por
la la difusioacuten de los agregados asfalteacutenicos contenidos en la superficie de la roca siendo
afectados principalmente por las cargas electroacutenicas cabezas catioacutenicas
La teacutecnica de potencial Zeta corroboroacute lo anterior debido a la facilidad de las muestras
con surfactantes para alcanzar la estabilidad coloidal por lo que se demuestra un efecto
77
contrario a la agregacioacuten un efecto dispersivo de los asfaltenos provocado por las
cargas presentes en las cadenas de los aditivos
78
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3
aceite y un liacutequido ioacutenico a base de fosfonio el cual se sometioacute a la radiacioacuten de microondas
de 254 GHz y presentaron las condiciones de trabajo para la recuperacioacuten total del
hidrocarburo atrapado en la roca
En 2012 Dharaskar y col [8] investigaron sobre los liacutequidos ioacutenicos y su capacidad de
minimizar los efectos negativos de salud y medio ambientales En la industria de la refinacioacuten
se usa para la hidrodesulfurizacioacuten del crudo Estudiaron el efecto de cationes del tipo sulfato
contenidos en liacutequidos ioacutenicos sobre el petroacuteleo encontrando una disminucioacuten en la
concentracioacuten de grupos sulfurados y asfalteacutenicos
En 2014 Bin-Dahbag y col [9] realizaron un estudio sobre el proceso de inyeccioacuten de
liacutequidos ioacutenicos con base de amonio y fosfonio en la recuperacioacuten mejorada de petroacuteleo con
lo que redujo la tensioacuten interfacial de la fase acuosa del hidrocarburo Se realizaron pruebas
de deteccioacuten de nueve liacutequidos ioacutenicos con base de tetrasulfato de amonio los cuales fueron
diluidos en salmuera a distintas concentraciones y se probaron con un petroacuteleo crudo Saudiacute
Se registraron cambios en la tensioacuten interfacial por cambios de presioacuten y temperatura
indicando una mayor actividad de interaccioacuten superficial en el sistema rocapetroacuteleoliacutequido
ioacutenico
En 2014 Gonzaacutelez y col [10] estudiaron el cambio de la mojabilidad de rocas carbonatadas
en sistemas salmuerapetroacuteleo con la aplicacioacuten de surfactantes empleando el meacutetodo
tensiomeacutetrico de Gota cautiva Se obtuvieron resultados confiables y reproducibles que
concluyen un comportamiento afiacuten entre la salmuera el crudo y la roca
En 2015 Jiao y col [11] estudiaron el comportamiento de los liacutequidos ioacutenicos con base
imidazolio ( IBILs ) desarrollando nuevos agentes de extraccioacuten para separar indol una
sustancia industrial importante derivada del aceite de lavado que ocasiona graves problemas
medioambientales obteniendo eficiencias de extraccioacuten de maacutes de 90
En 2016 Banda y col [12] estudiaron el comportamiento de los asfaltenos presentes en
petroacuteleo crudo pesado usando como disolvente ciclohexano Primeramente se caracterizaron
los asfaltenos extraiacutedos por Espectroscopiacutea de ultravioleta-visible (UV-vis) posteriormente
se utilizoacute la teacutecnica de Dispersioacuten de Luz Dinaacutemica (DLS) para la distribucioacuten de tamantildeo de
partiacutecula de los agregados asfalteacutenicos Asiacute mismo se realizoacute un anaacutelisis de potencial Zeta
4
utilizando como disolvente nitrato de sodio 01 mmol para la comprobacioacuten del efecto
dispersivo de los asfaltenos frente a liacutequidos ioacutenicos sulfatados
11 Petroacuteleo
El petroacuteleo es una mezcla homogeacutenea de compuestos orgaacutenicos de estructura variada
principalmente hidrocarburos insolubles en agua En general es posible agrupar los
constituyentes del petroacuteleo en cuatro grupos orgaacutenicos bien definidos Saturados
Aromaacuteticos Resinas y Asfaltenos este conjunto es conocido como SARA Es un liacutequido
viscoso cuyo color variacutea entre amarillo y pardo obscuro hasta negro con reflejos verdes
Ademaacutes tiene un olor caracteriacutestico y flota en el agua Tambieacuten es conocido como petroacuteleo
crudo o simplemente crudo Se produce en el interior de la Tierra por transformacioacuten de la
materia orgaacutenica acumulada en sedimentos del pasado geoloacutegico y puede acumularse en
trampas geoloacutegicas naturales de donde se extrae mediante la perforacioacuten de pozos [13]
Las moleacuteculas de hidrocarburos que en forma colectiva constituyen el petroacuteleo estaacuten
formadas por distintas combinaciones de aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Seguacuten el nuacutemero
de aacutetomos de carbono de hidroacutegeno y de la distribucioacuten estructural de las mismas se tienen
los distintos hidrocarburos que abarcan desde el gas natural hasta los hidrocarburos soacutelidos
Comuacutenmente se denomina como petroacuteleo a aquella mezcla de hidrocarburos que a las
condiciones de temperatura y presioacuten ambientales estaacute en estado liacutequido En la naturaleza se
pueden encontrar afloraciones naturales de hidrocarburos muchos de ellos conocidos desde
la antiguumledad aunque la produccioacuten comercial se obtiene de acumulaciones que se localizan
en algunos lugares del subsuelo con profundidades variables desde pocos metros hasta
profundidades mayores a cinco mil metros [14]
Mientras mayor sea el contenido de carboacuten en relacioacuten al del hidroacutegeno mayor es la cantidad
de productos pesados que tiene el crudo [15] Esto depende de la edad del yacimiento y de
algunas caracteriacutesticas geoloacutegicas No obstante se ha comprobado que entre maacutes antiguos
son tienen maacutes hidrocarburos gaseosos y soacutelidos y menos liacutequidos entran en su
composicioacuten
5
Es un recurso natural no renovable y actualmente es la principal fuente de energiacutea en
los paiacuteses desarrollados El petroacuteleo liacutequido puede presentarse asociado a capas de gas
natural en yacimientos que han estado enterrados durante millones de antildeos cubiertos por los
estratos superiores de la corteza terrestre Los factores de presioacuten temperatura y procesos
quiacutemicos y fiacutesicos ayudados por la carencia de oxiacutegeno posibilitan la formacioacuten de petroacuteleo
liacutequido y de gas
La conversioacuten de materia orgaacutenica en petroacuteleo ocurre en varias etapas [15]
Degradacioacuten bioquiacutemica la accioacuten de las bacterias en un ambiente aerobio
oxidan la materia orgaacutenica
Policondensacioacuten e insolubilizacioacuten se produce un reordenamiento molecular
en dos etapas originaacutendose una sustancia insoluble en aacutelcalis con estructura
parecida al keroacutegeno
Cracking primario es la primera reaccioacuten de generacioacuten de hidrocarburos
regida por la ley de Arrhenius de donde se puede obtener petroacuteleo y gas
Cracking secundario se destruye la fraccioacuten inestable generando gas y
residuos carbonosos
111 Composicioacuten del petroacuteleo
El petroacuteleo crudo es la materia prima principal de la industria de Refinacioacuten del Petroacuteleo
estaacute constituido por una mezcla de diferentes tipos de hidrocarburos cuyas moleacuteculas se
componen de Carbono e Hidroacutegeno con un pequentildeo porcentaje de otros elementos
conformando hidrocarburos de estructuras maacutes o menos complejas como compuestos
heterociacuteclicos de nitroacutegeno oxiacutegeno y azufre compuestos organometaacutelicos ademaacutes contiene
sedimentos inorgaacutenicos y agua [16] La composicioacuten aproximada de los crudos puede verse
en la Tabla 11
6
Tabla11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo
Elemento Composicioacuten (peso)
Carbono 84-87
Hidroacutegeno 11-14
Azufre 0-5
Nitroacutegeno 0-02
Oxiacutegeno 0-05
112 Clasificacioacuten de petroacuteleo
Son miles los compuestos quiacutemicos que constituyen el petroacuteleo [16] y entre muchas otras
propiedades estos compuestos se diferenciacutean por su volatilidad (dependiendo de la
temperatura de ebullicioacuten) Al calentarse el petroacuteleo se evaporan preferentemente los
compuestos ligeros (de estructura quiacutemica sencilla y bajo peso molecular) de tal manera que
conforme aumenta la temperatura los componentes maacutes pesados van incorporaacutendose al
vapor
Las curvas de destilacioacuten TBP (del ingleacutes ldquotrue boiling pointrdquo temperatura de ebullicioacuten real)
distinguen a los diferentes tipos de petroacuteleo y definen los rendimientos que se pueden obtener
de los productos por separacioacuten directa [17] Por ejemplo mientras que en el crudo Istmo se
obtiene un rendimiento directo de 26 volumeacutetrico de gasolina en el Maya soacutelo se obtiene
157 [17]
La industria mundial de hidrocarburos liacutequidos clasifica el petroacuteleo de acuerdo con su
densidad API (paraacutemetro internacional del Instituto Americano del Petroacuteleo que diferenciacutea
las calidades del crudo) La Tabla 12 muestra estas clasificaciones
Tabla 12 Clasificacioacuten del petroacuteleo crudo [18]
Aceite crudo Densidad
( g cm3)
Densidad
grados API
Extrapesado gt10 100
Pesado 10 - 092 100 - 223
Mediano 092 - 087 223 - 311
7
Ligero 087 - 083 311 - 39
Superligero lt 083 gt 39
Para exportacioacuten en Meacutexico se preparan tres variedades de petroacuteleo crudo
a) Istmo Ligero con densidad de 336 grados API y 13 de azufre en peso
b) Maya Pesado con densidad de 22 grados API y 33 de azufre en peso
c) Olmeca Superligero con densidad de 393 grados API y 08 de azufre en peso
Atendiendo a la mayor proporcioacuten del tipo de hidrocarburos que conforman la mezcla los
crudos se clasifican seguacuten su base parafiacutenica nafteacutenica asfaacuteltica y mixta [15]
Base parafiacutenica Las parafinas livianas dan buenos aceites para usos domeacutesticos pues no
producen humo al quemarse tienden a resistir el calor Las parafinas maacutes espesas contienen
cristales blancos y blandos que cuando son aislados y refinados forman lo que se conoce
como cera parafinada Se encuentran generalmente en Pennsylvania West Virginia y centro
de Estados Unidos
Base nafteacutenica Generalmente contienen gran proporcioacuten de fracciones volaacutetiles es decir
componentes que se evaporan faacutecilmente Se encuentran generalmente en Rusia Peruacute
California y Golfo de Meacutexico En Cuba se encuentra en la zona de Motembo
Base asfaacuteltica Contienen ademaacutes de carbono e hidroacutegeno gran cantidad de azufre En la
destilacioacuten avanzada o maacutes completa rinden una cantidad relativamente alta de alquitraacuten y
asfalto Se pueden encontrar en Meacutexico Venezuela California y el Caribe
Base mixta Ninguacuten crudo es realmente netamente nafteacutenico asfaacuteltico o parafiacutenico en su
composicioacuten quiacutemica sino que contienen proporciones de los otros tipos caracterizaacutendose
por la predominancia del compuesto en mayoriacutea Sin embargo ciertos crudos de Kansas
Oklahoma y Texas tienen contenidos muy similares de nafta parafinas y asfaltos lo que
resulta imposible clasificarlos en una sola de estas clases
8
Asiacute mismo se puede clasificar al petroacuteleo crudo considerando dos grandes grupos de
hidrocarburos saturados y no saturados Cuando todas las valencias de los aacutetomos de carbono
se comparten con otros aacutetomos es saturado cuando hay falta de hidroacutegeno es no saturado y
se pueden compartir dos y hasta tres valencias entre un aacutetomo de carbono con otro aacutetomo [16]
Los saturados y no saturados se dividen a su vez en dos grupos importantes cada uno lo cual
se muestra en la figura 11
Figura 11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleo
Las parafinas son las maacutes ricas en hidroacutegeno son saturadas y por tanto relativamente estables
Las parafinas comunes son liacutequidos pero se pueden encontrar gaseosas o soacutelidas La foacutermula
general es CnH2n+2
Los naftenos (ciclanos o ciclo alcanos) son saturados lo que hace que sean resistentes a los
cambios incluyendo la oxidacioacuten Son relativamente insolubles en aacutecido sulfuacuterico
concentrado Los maacutes importantes son ciclopentano y ciclohexano La foacutermula general es
CnH2n
Los no saturados tienden a formar gomas lacas y fangos al unirse al oxiacutegeno y separarse del
carbono que es un enlace relativamente menos estable
Las olefinas son no saturados o insaturados y por lo que tienen deficiencia de hidroacutegeno
consecuentemente son muy reactivos y combinan faacutecilmente con el hidroacutegeno oxiacutegeno
cloro y azufre esto causa que no se deseen altos porcentajes de olefinas en los combustibles
9
sin embargo son apreciados en la manufactura de varios productos entre ellos el plaacutestico La
foacutermula general es CnH2n
Los aromaacuteticos son no saturados pero actuacutean como saturados Son deseables en la gasolina
pues tienen altas propiedades antidetonantes El nombre aromaacuteticos surge por su olor
caracteriacutestico Algunos se usan en la produccioacuten del TNT colorantes plaacutesticos insecticidas
etc Hoy en diacutea se ha limitado su concentracioacuten en los derivados por ser dantildeinos a la salud
son altamente canceriacutegenos La foacutermula general es CnH2n-6 [19]
113 Derivados del petroacuteleo
Un derivado del petroacuteleo es un producto procesado en una refineriacutea usando como materia
prima el petroacuteleo Seguacuten la composicioacuten del crudo y la demanda las refineriacuteas pueden
producir distintos productos derivados del petroacuteleo La mayor parte del crudo es usado como
materia prima para obtener energiacutea por ejemplo la gasolina Tambieacuten producen sustancias
quiacutemicas que se puede utilizar en procesos quiacutemicos para producir plaacutestico yo otros
materiales uacutetiles
Dentro de los productos que se generan a partir del petroacuteleo se tienen [17]
bull Gasolinas liacutequidas (fabricadas para automoacuteviles y aviacioacuten en sus diferentes grados
queroseno diversos combustibles de turbinas de avioacuten y el gasoacuteleo entre otros)
bull Lubricantes (aceites para maquinarias aceites de motor y grasas Estos compuestos llevan
ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ignicioacuten)
bull Parafinas Es la materia prima para la elaboracioacuten de velas y similares ceras para pisos
foacutesforos papel parafinado vaselinas faacutermacos etc
bull Cloruro de polivinilo (PVC) Existen dos tipos de cloruro de polivinilo tienen alta
resistencia a la abrasioacuten y a los productos quiacutemicos Se utiliza para hacer manteles cortinas
para bantildeo muebles alambres y cables eleacutectricos Tambieacuten se utiliza para la fabricacioacuten de
riego juntas techado y botellas
10
bull Plaacutesticos pinturas barnices disolventes fertilizantes e insecticidas detergentes cauchos
artificiales negro de humo polieacutester y muchos maacutes
bull Detergentes usados para limpieza
bull Azufre subproductos de la eliminacioacuten del azufre del petroacuteleo que pueden tener hasta un
2 de azufre como compuestos de azufre El azufre y aacutecido sulfuacuterico son materiales
importantes para la industria
bull Asfalto se utiliza como aglutinante para la grava que forma de asfalto concreto que se
utiliza para la pavimentacioacuten de carreteras etc
bull Petroquiacutemicos estos pueden ser hidrocarburos olefinas o sus precursores o diversos tipos
de quiacutemicos como aromaacuteticos y tienen una gran variedad de usos Por lo general son
utilizados como monoacutemeros como disolventes como precursores de una gran variedad de
sustancias quiacutemicas y productos quiacutemicos tales como los liacutequidos limpiadores de los
vehiacuteculos surfactante de la limpieza etc [19]
114 Importancia del petroacuteleo
El petroacuteleo tiene una gran trascendencia en la gran mayoriacutea de las actividades cotidianas Del
crudo se obtiene gasolina y diesel para autos y autobuses combustible para barcos y aviones
Se usa para generar electricidad obtener energiacutea caloriacutefica para faacutebricas hospitales y oficinas
y diversos lubricantes para maquinaria y vehiacuteculos La industria petroquiacutemica usa productos
derivados de eacutel para hacer plaacutesticos fibras sinteacuteticas detergentes medicinas conservadores
de alimentos hules y agroquiacutemicos El petroacuteleo ha transformado la vida de las personas y la
economiacutea de las naciones Su descubrimiento creoacute riqueza modernidad pueblos industriales
proacutesperos y nuevos empleos motivando el crecimiento de las industrias mencionadas [19]
12 Yacimiento
11
Un yacimiento de petroacuteleo puede definirse como un volumen poroso que contiene agua
petroacuteleo y a veces una fase gaseosa La proporcioacuten volumeacutetrica del petroacuteleo puede alcanzar
a veces el 40 El medio poroso del yacimiento o roca almaceacuten es de origen sedimentario
de tipo arenisca o caliza consolidado o no El diaacutemetro de poro variacutea ampliamente seguacuten la
roca pero es de tamantildeo microscoacutepico desde algunas fracciones de miliacutemetro a algunos
microacutemetros [20]
Cada medio poroso tiene sus caracteriacutesticas porosidad el porcentaje de volumen vaciacuteo
permeabilidad una medida de la resistencia al movimiento de los fluidos mojabilidad una
medida de la naturaleza superficial de la roca
Debido a su origen sedimentario el medio poroso del yacimiento es a menudo heterogeacuteneo
como consecuencia de las variaciones ocurridas durante el largo proceso de sedimentacioacuten
que formoacute la roca Estas heterogeneidades pueden existir a la escala de los poros o bien a la
escala macroscoacutepica en forma zonas muy o poco permeables y eventualmente de grietas
Las heterogeneidades complican las operaciones de produccioacuten porque tienden a producir
caminos preferenciales y segregaciones [21]
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientos
Geoloacutegicamente los yacimientos se clasifican en estratigraacuteficos estructurales y combinados
[22]
Estratigraacuteficos lentes de arena cambios de facies calizas o dolomitas porosas
cambios de permeabilidad
Estructurales Fracturas en calizas o rocas iacutegneas discordancias fallas en areniscas
sinclinales anticlinales domos salinos etc
Combinados Hace referencia a las posibles combinaciones que se presenten entre los
dos grupos anteriores
La clasificacioacuten anterior se puede observar en la figura 12
12
Figura 12 Clasificacioacuten de yacimientos [22]
122 Condiciones de explotacioacuten
La produccioacuten de petroacuteleo involucra dos aspectos El primero es la produccioacuten uacuteltima posible
en funcioacuten de las teacutecnicas empleadas y el segundo es el ritmo de produccioacuten de acuerdo con
el comportamiento de los pozos y de los diferentes meacutetodos de estimulacioacuten aplicables
(fracturacioacuten acidificacioacuten inyeccioacuten de vapor) Tradicionalmente se hace la distincioacuten entre
dos periacuteodos durante la explotacioacuten de un yacimiento la recuperacioacuten primaria y la
recuperacioacuten secundaria Desde el aumento del precio del petroacuteleo al principio de los antildeos
70 se considera ademaacutes una eventual recuperacioacuten terciaria yo una recuperacioacuten
(secundaria) mejorada [14]
123 Recuperacioacuten primaria
Durante este periacuteodo el petroacuteleo se drena naturalmente hacia los pozos bajo el efecto del
gradiente de presioacuten existente entre el fondo de los pozos y el seno del yacimiento
En muchos yacimientos profundos la presioacuten es mayor que la presioacuten hidrostaacutetica lo que
hace que el petroacuteleo llegue a la superficie con el solo aporte energeacutetico del yacimiento A
medida que se expanden los fluidos en el yacimiento la presioacuten tiende a bajar en forma maacutes
13
o menos raacutepida seguacuten los mecanismos involucrados En ciertos casos puede existir un
mecanismo de compensacioacuten natural que reduzca notablemente la velocidad de decaimiento
de la presioacuten como la compactacioacuten de sedimento (subsidencia) la migracioacuten de un acuiacutefero
activo o la lenta expansioacuten de una bolsa de gas
Cuando el pozo no es eruptivo o cuando la presioacuten se ha reducido se necesita un aporte
externo de energiacutea para disminuir la presioacuten en fondo de pozo O bien se bombea el crudo
desde el fondo del pozo o bien se utiliza el meacutetodo del levantamiento con gas este consiste
en inyectar gas en fondo de pozo de tal forma que el fluido producido sea una mezcla de gas
y petroacuteleo de densidad suficientemente baja para llegar a la superficie bajo el efecto de la
presioacuten del yacimiento [20]
El periacuteodo de recuperacioacuten primaria tiene una duracioacuten variable pero siempre se lleva a cabo
ya que permite recoger numerosas informaciones sobre el comportamiento del yacimiento
las cuales son de primera importancia para la planificacioacuten de la explotacioacuten ulterior
La recuperacioacuten primaria se termina cuando la presioacuten del yacimiento ha bajado demasiado
o cuando se estaacuten produciendo cantidades demasiado importantes de otros fluidos (gas
agua) El porcentaje de recuperacioacuten primaria del crudo originalmente en sitio es en promedio
del orden de 10-15 pero puede ser tan bajo como 5 en yacimientos sin gas disuelto o
alcanzar 20 y auacuten maacutes en yacimientos que poseen una baja permeabilidad y una bolsa de
gas o un acuiacutefero activo
Anteriormente se explotaba el yacimiento en recuperacioacuten primaria hasta que los gastos de
explotacioacuten se vuelvan prohibitivos en cuyo momento se pasaba a los meacutetodos de
recuperacioacuten secundaria Hoy en diacutea se inician las operaciones de recuperacioacuten secundaria
mucho antes de llegar a este punto y la seleccioacuten del meacutetodo de explotacioacuten en un yacimiento
o en una parte de un yacimiento obedece a criterios de optimizacioacuten [22]
14
124 Recuperacioacuten secundaria
Los meacutetodos de recuperacioacuten secundarios consisten en inyectar dentro del yacimiento un
fluido menos costoso que el petroacuteleo para mantener un gradiente de presioacuten Estos fluidos se
inyectan por ciertos pozos (inyectores) y desplazan o arrastran una parte del petroacuteleo hacia
los otros pozos (productores) [14]
Hasta el principio de los antildeos 70 el bajo precio del crudo haciacutea que los uacutenicos fluidos
susceptibles de inyectarse econoacutemicamente eran el agua y en ciertos casos el gas natural
El drenaje por agua permite elevar la recuperacioacuten del aceite originalmente en sitio hasta un
promedio de 25-30 con variaciones desde 15 hasta 40 seguacuten los casos
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejorada
Despueacutes de las recuperaciones primaria y secundaria el yacimiento contiene todaviacutea 60-
80 (promedio 72) del crudo originalmente en sitio Esto se debe a que la eficiencia de los
meacutetodos de recuperacioacuten primaria y secundaria estaacute limitada por dos factores [14]
A la escala de los poros el crudo alcanza una saturacioacuten residual suficientemente baja
para encontrarse en forma de gloacutebulos discontinuos atrapados por las fuerzas
capilares
A la escala del yacimiento existen ciertas zonas en las cuales el fluido inyectado
durante la recuperacioacuten secundaria no penetra por la baja permeabilidad de estas
zonas porque siguen caminos preferenciales o porque la geometriacutea de implantacioacuten
de los pozos no es favorable
Entre los meacutetodos cuyo propoacutesito es mejorar la eficiencia del desplazamiento mediante una
reduccioacuten de las fuerzas capilares se pueden citar la utilizacioacuten de solventes miscibles con
el crudo y la obtencioacuten de baja tensioacuten interfacial con soluciones de surfactantes o soluciones
alcalinas Para mejorar la eficiencia de barrido se puede reducir la viscosidad del crudo
mediante calentamiento aumentar la viscosidad del agua con poliacutemeros hidrosolubles o
taponar los caminos preferenciales por ejemplo con espumas [21]
15
Los meacutetodos actualmente propuestos para la recuperacioacuten mejorada involucran uno o varios
de estos aspectos En lo que se refiere a la utilizacioacuten de surfactantes se destacan los
siguientes
Drenaje miscible con microemulsiones
Drenaje inmiscible con soluciones de surfactantes y poliacutemeros (y a veces aacutelcali)
Inyeccioacuten de vapor con surfactante ndash espumas
126 Generalidades de pozos
La estimulacioacuten de pozos se utiliza para mejorar la productividad de pozos petroleros Esto
se logra inyectando fluidos al pozo y dependiendo del gasto y presioacuten de inyeccioacuten
alcanzada seraacute el tipo de estimulacioacuten realizada Para aumentar la produccioacuten de un pozo se
debe tratar la roca situada en la cercaniacutea para aumentar su permeabilidad esto se debe a que
la geometriacutea ciliacutendrica del pozo produce una mayor resistencia al flujo en la vecindad del
mismo Existen esencialmente dos meacutetodos de estimulacioacuten que pueden emplearse solos o
juntos la fracturacioacuten y la acidificacioacuten [23]
En ambos tipos de procesos se usan surfactantes como dispersantes de partiacuteculas finas (alquil
fenoles y alquil amonios etoxilados) y como inhibidores de corrosioacuten (alquilpiridinios)
En el proceso de fracturacioacuten se inyecta bajo alta presioacuten una mezcla de agua y de arena La
arena penetra en las fracturas producidas e impide que se vuelvan a cerrar cuando la presioacuten
retorna a lo normal
En la acidificacioacuten se inyecta una solucioacuten aacutecida (HCl HF) extremadamente corrosiva para
los metales pero capaz de disolver la roca almaceacuten (carbonato siacutelica) Se usan alquil
piridinios como inhibidores de corrosioacuten alquil fenoles etoxilados como humectantes y
alquil amonios etoxilados como dispersantes de partiacuteculas finas
A menudo en presencia de carbonatos se desea retardar la acidificacioacuten para que el fluido
aacutecido pueda penetrar a cierta distancia del pozo antes de reaccionar con la roca
Uno de los meacutetodos de retardacioacuten consiste en emulsionar la fase acuosa aacutecida en queroseno
en forma WO Para tales emulsiones se usan sulfonatos de petroacuteleo o sales de aacutecidos
16
carboxiacutelicos por la interaccioacuten que presentan los grupos ldquosulfatordquo con los hidrocarburos [22]
Siendo el queroseno la fase continua el contacto aacutecido-roca no se produce inmediatamente
y la emulsioacuten puede penetrar a varios metros del pozo antes de que se consuma todo el aacutecido
obseacutervese en la figura 13
Figura 13 Acidificacioacuten controlada mediante la inyeccioacuten de una emulsioacuten de aacutecido en
queroseno [23]
Otro meacutetodo de retardacioacuten consiste en inyectar nitroacutegeno con la solucioacuten aacutecida la cual
contiene agentes espumantes como alquil eacutester sulfatos surfactantes etoxilados y a veces
surfactantes fluorocarbonados La espuma formada juega dos papeles de una parte reduce el
contacto entre el aacutecido y la roca y por lo tanto reduce la velocidad de ataque Por otra parte
tienen tendencia en llenar las fracturas y taponarlas (efecto Jamin) lo que obliga al aacutecido a
penetrar en la zonas de baja permeabilidad (figura 14)
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumas
Sin embargo estos dos uacuteltimos meacutetodos deben emplearse con cierto cuidado para evitar el
taponamiento del pozo con emulsiones o espumas debido a la presioacuten con la que actuacutean en
17
el mismo sistema lo que puede luego tener un efecto desfavorable sobre la produccioacuten[22]
Despueacutes de la acidificacioacuten se pone el pozo en produccioacuten para eliminar el residuo de aacutecido
y las partiacuteculas finas producidas por la desagregacioacuten de la roca Es en esta etapa que se
requieren agentes dispersantes
Ciertos meacutetodos de estimulacioacuten consisten en inyectar surfactantes para bien sea cambiar la
mojabilidad de la roca de mojable por el agua a mojable por el aceite bien sea desplazar
el crudo atrapado en la cercaniacutea del pozo Tales meacutetodos se usan para estimular pozos que
han dejado de producir por cierto tiempo o que han sufrido un dantildeo
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluido
131 Porosidad
Es el volumen de huecos de la roca y define la capacidad de eacutesta para almacenar fluidos Se
expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca
(porosidad total o bruta) [24]
Tipos de Porosidad
Absoluta La porosidad absoluta se considera como el volumen poroso total (esteacuten o
no interconectados)
Efectiva La porosidad efectiva se refiere al porcentaje de poros interconectados que
permiten la circulacioacuten de fluidos
No efectiva Representa la diferencia entre las porosidades anteriores es decir la
porosidad absoluta y la efectiva
132 Permeabilidad
18
La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo
atraviese sin alterar su estructura interna Se afirma que un material es permeable si deja
pasar a traveacutes de eacutel una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado e impermeable si la
cantidad de fluido es despreciable Se define con la ecuacioacuten de Darcy [14]
119876 =119870119860
120583
119889119875
119889119905 119910 119870 =
119876120583
119860 119889119897
119889119875 (1)
Doacutende
A Aacuterea de flujo (cm2)
Q Gasto (cm3 s-1)
dP Diferencia de presiones a la entrada y salida del permeaacutemetro (kPa)
dl Longitud del medio poroso (cm)
micro Viscosidad del fluido (cP)
K Velocidad de filtracioacuten (m s-1)
Si el fluido es homogeacuteneo y no produce ninguna accioacuten importante sobre la roca se habla
de permeabilidad absoluta pero si en la roca existen varios fluidos como es el caso de un
yacimiento petroliacutefero en el que se puede tener petroacuteleo agua y gas se producen
interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los
fluidos
La permeabilidad relativa corresponde a la relacioacuten entre permeabilidad absoluta y efectiva
Para un fluido dado variacutea en funcioacuten directa con la saturacioacuten de ese fluido en la roca y se
expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro
133 Tortuosidad
19
Una medida de la complejidad geomeacutetrica de un medio poroso La tortuosidad es una relacioacuten
que caracteriza los trayectos de la difusioacuten del fluido y la conduccioacuten eleacutectrica a traveacutes de los
medios porosos En mecaacutenica de fluidos de los medios porosos la tortuosidad es la relacioacuten
del largo de la corriente natural de un fluido (una liacutenea o trayecto de flujo) entre dos puntos
y la distancia en liacutenea recta entre esos puntos Por consiguiente la tortuosidad se relaciona
con la relacioacuten entre el coeficiente de difusioacuten de un fluido cuando no estaacute confinado por un
medio poroso y su coeficiente de difusioacuten efectivo cuando estaacute confinado en un medio poroso
[22] Este paraacutemetro es calculado con la ecuacioacuten 2
119879 =119871119864
119871 ( 2)
Doacutende
L es la longitud de la muestra de roca (cm)
LE es la longitud de la trayectoria de difusioacuten del fluido sobre la muestra (cm)
El flujo de fluidos a traveacutes de medios porosos estaacute fuertemente afectado por fenoacutemenos de
superficie los cuales representan fuerzas retentivas de fluidos en el medio poroso La accioacuten
de la estimulacioacuten matricial no reactiva concierne principalmente a la alteracioacuten de estas
fuerzas retentivas manifiestas en los fenoacutemenos de tensioacuten superficial mojabilidad y
capilaridad [20]
134 Tensioacuten Superficial e Interfacial
La materia en sus diferentes estados (soacutelido liacutequido y gaseoso) estaacute compuesta de moleacuteculas
las cuales presentan una atraccioacuten llamada fuerza de cohesioacuten Esta fuerza es una
combinacioacuten de fuerzas electrostaacuteticas y de Van der Waals [21] Naturalmente estas fuerzas
son de diferente magnitud dependiendo del estado de la materia Por ejemplo en el seno de
un liacutequido una moleacutecula es rodeada por moleacuteculas similares ejerciendo unas con otras
fuerzas iguales de atraccioacuten por lo que eacutestas se encuentran balanceadas tal como se muestra
en la figura 15
20
15 Representacioacuten de fuerzas intermoleculares en un sistema bifaacutesico (soacutelido-liacutequido)
En la interfase entre un liacutequido y un soacutelido o entre un liacutequido y un gas estas fuerzas son
desequilibradas causando que exista una resultante en la interfase con ello se crea una
energiacutea libre de superficie En la misma figura 15 se observa la fuerza resultante en la
interfase del sistema denotada con el teacutermino FR cuyo valor representa la tensioacuten que existe
entre las moleacuteculas de las fase liquida y gaseosa
Esta fuerza seraacute mayor entre mayores sean las fuerzas de atraccioacuten de las moleacuteculas del
liacutequido Si se deseara romper esta superficie se tendriacutea que realizar un trabajo por unidad de
aacuterea equivalente a vencer la energiacutea libre de superficie Este trabajo por unidad de aacuterea se
denomina tensioacuten superficial y su valor especiacutefico para cada liacutequido depende
principalmente de la temperatura y presioacuten a las cuales se encuentre
Para medir la tensioacuten superficial se utilizan varios meacutetodos de los cuales el maacutes utilizado es
el meacutetodo de Du Nouumly Este procedimiento consiste en colocar en el liacutequido un arillo de
platino y llevarlo hasta la interfase midiendo la fuerza necesaria con la que el anillo rompe
la superficie La tensioacuten superficial generalmente se da en dina cm-1 Para el agua a
21
condiciones estaacutendar la tensioacuten superficial es de 72 dina cm-1 para el benceno es de 29 dina
cm-1 [19]
En 1905 Young mostroacute que las propiedades mecaacutenicas de la energiacutea libre de superficie
podriacutean relacionarse con una membrana hipoteacutetica en la superficie Usando en concepto de
tensioacuten superficial Young fue capaz de derivar expliacutecitamente la condicioacuten de equilibrio
mecaacutenico de una superficie curva entre dos fases [21] La ecuacioacuten de Young se expresa en la
ecuacioacuten 3
119875primeprime minus 119875prime =2120590
119903 (3)
Doacutende
Pacute Presioacuten en la fase externa (kPa)
Pacuteacute Presioacuten en la fase interna (kPa)
σ Tensioacuten Superficial (Erg)
r Radio de curvatura (cm)
Si un liacutequido estaacute en contacto con otra sustancia (gas soacutelido u otros liacutequidos inmiscibles) hay
una energiacutea libre interfacial Esto significa que se tiene que realizar cierta cantidad de trabajo
con el fin de separar ambos medios Los dos principales paraacutemetros que afectan a la magnitud
de la tensioacuten superficial son la temperatura y la composicioacuten quiacutemica de las fases La
variacioacuten de la tensioacuten superficial liacutequido-vapor (γLG) usualmente sigue una relacioacuten lineal
seguacuten la expresioacuten [15]
120574119871119866 = 1205740 + (∆120575119871119866
∆119879) (119879 minus 119879119898) (4)
Doacutende
γLG Tensioacuten interfacial liquido-gas (dina cm-1)
γ0 Tensioacuten superficial del liacutequido (dina cm-1)
ΔδLG Diferencia de densidad entre fase liacutequida y fase gaseosa (kg m-3)
22
ΔT Diferencia de temperaturas
T Temperatura del sistema (degC)
Tm Temperatura media (degC)
En general la tensioacuten superficial para metales fundidos disminuye con el incremento de la
temperatura (dγLGdT) lt 0 ya que las fuerzas de cohesioacuten disminuyen al aumentar la
agitacioacuten teacutermica La influencia del medio exterior se debe a que las moleacuteculas del medio
ejercen acciones atractivas sobre las moleacuteculas situadas en la superficie del liacutequido
contrarrestando las acciones de las moleacuteculas del interior del liacutequido
La medida de la tensioacuten superficial en soacutelidos policristalinos es compleja comparada con la
medida de γLG y en consecuencia los datos experimentales son difiacutecilmente fiables Se han
desarrollado modelos teoacutericos para predecir γSG pero con un eacutexito limitado Por otro lado la
tensioacuten γSL no puede ser medida directamente soacutelo puede predecirse con la ayuda de modelos
teoacutericos [19] El uso de la ecuacioacuten 5 para determinar el trabajo de adherencia (conociendo
previamente γLG o midieacutendolo simultaacuteneamente con θ) es una de las praacutecticas maacutes habituales
para investigar la mojabilidad de soacutelidos por metales liacutequidos
119882119886 = 120574119871119866(1 + 119888119900119904120579)
Donde
Wa Mojabilidad
γLG= Tensioacuten interfacial (dina cm-1)
θ= Angulo de contacto (deg)
135 Mojabilidad
23
La mojabilidad es uno de los fenoacutemenos de superficie y representa la interaccioacuten soacutelidondash
liacutequido este paraacutemetro depende de las fuerzas intermoleculares de los materiales en contacto
la fuerza de adhesioacuten entre el liacutequido y el soacutelido provoca que el liacutequido se extienda por la
superficie mientras que la de cohesioacuten del liacutequido hacen que eacuteste se abulte y tienda a evitarla
Es claro que tambieacuten estaacute muy relacionada con la capilaridad porque algunas sustancias
disueltas en el agua pueden modificar su tensioacuten superficial y por lo tanto su mojabilidad [14]
El aacutengulo de contacto ϴ es el aacutengulo que forma el liacutequido respecto a la superficie de contacto
con el soacutelido y estaacute determinado por la resultante de las fuerzas adhesivas y cohesivas Como
la tendencia de una gota a expandirse en una superficie plana aumenta con la disminucioacuten
del aacutengulo de contacto este aacutengulo proporciona una medida inversa de la mojabilidad [25]
Un aacutengulo de contacto pequentildeo (lt 90deg) indica que la mojabilidad es muy alta y el fluido se
extenderaacute sobre la superficie aacutengulos de contacto grandes (gt 90deg) significan que la
mojabilidad es baja y el fluido disminuiraacute el contacto con la superficie formando una gota
compacta este efecto puede observarse en las figuras 6a 6b y 6c Cuantitativamente la
mojabilidad se define como el producto de la tensioacuten superficial por el aacutengulo de contacto
esto es
119882119886 = 120590119888119900119904120579 (5)
Figura 16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidad [25]
El fenoacutemeno de mojabilidad es de gran importancia para el flujo de aceite en un medio
poroso Se ha demostrado que si la roca se encuentra mojada por agua la permeabilidad al
a) b) c)
24
aceite es muy superior al caso en que la roca se encuentre mojada por aceite lo cual favorece
la recuperacioacuten del aceite contenido en el yacimiento [26]
136 Capilaridad
La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de adsorber a otra Sucede cuando las
fuerzas intermoleculares adhesivas entre el liacutequido y el soacutelido son mayores que las fuerzas
intermoleculares cohesivas del liacutequido Cuando un liacutequido sube por un tubo capilar es debido
a la cohesioacuten intermolecular entre sus moleacuteculas es menor que la adhesioacuten del liacutequido con el
material del tubo es decir es un liacutequido que moja El liacutequido sigue subiendo hasta que la
tensioacuten superficial es equilibrada por el peso del liacutequido que llena el tubo
Al sumergir un tubo de vidrio capilar en agua eacutesta se elevaraacute en el tubo como se muestra en
la figura 17 en este caso se define como presioacuten capilar la diferencia de presiones en la
interfase [5]
Figura 17 Efecto de la capilaridad [5]
La presioacuten capilar seraacute la fuerza requerida para soportar la columna de agua en el tubo
dividida entre el aacuterea del capilar se explica con la ecuacioacuten 6
119875119862 = 120588119892ℎ119888 (6)
Doacutende
25
Pc Presioacuten capilar (N m-2)
ρ Densidad (kg m-3)
g Aceleracioacuten de la gravedad (981 m s-2)
hc Altura de la columna (m)
137 Adsorcioacuten
La adsorcioacuten es un proceso de separacioacuten y concentracioacuten de uno o maacutes componentes de un
sistema sobre una superficie soacutelida o liacutequida Los distintos sistemas heterogeacuteneos en los que
puede tener lugar la adsorcioacuten son soacutelido-liacutequido soacutelido-gas y liacutequido-gas Como en otros
procesos de este tipo los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases
La adsorcioacuten es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra
sobre la superficie de otra fase (generalmente soacutelida) Por ello se considera como un
fenoacutemeno subsuperficial La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama
adsorbato y la fase impregnada se llama adsorbente [21] Lo anterior se muestra en la
figura 18
Figura 18 Proceso de adsorcioacuten
1371 Tipos de adsorcioacuten
Cabe distinguir tres tipos de adsorcioacuten seguacuten sea la atraccioacuten entre el soluto y el adsorbente
sea de tipo eleacutectrico de Van der Waals (o Fiacutesica) o de naturaleza quiacutemica [23]
26
Eleacutectrica Cae de lleno dentro del intercambio ioacutenico y a menudo se le llama
adsorcioacuten por intercambio que es un proceso mediante el cual los iones de una
sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atraccioacuten electrostaacutetica
en los lugares cargados de la superficie Para dos absorbatos ioacutenicos posibles a
igualdad de otros factores la carga del ioacuten es el factor determinante en la adsorcioacuten
de intercambio Para iones de igual carga el tamantildeo molecular (radio de solvatacioacuten)
determina el orden de preferencia para la adsorcioacuten (figura 19)
Figura 19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectrica
Fiacutesica La adsorcioacuten que tiene lugar debido a las fuerzas de Van der Waals se llama
generalmente adsorcioacuten fiacutesica En este caso la moleacutecula adsorbida no estaacute fija en un
lugar especiacutefico de la superficie sino maacutes bien estaacute libre de trasladarse dentro de la
interfase Esta adsorcioacuten en general predomina a temperaturas bajas El aumento de
la temperatura disminuye considerablemente la adsorcioacuten (figura 110)
No se produce adsorcioacuten a temperaturas superiores a la temperatura criacutetica del
adsorbato gaseoso si la presioacuten del gas tiene valores cercanos a la presioacuten de vapor
de equilibrio para el adsorbato liacutequido se produciraacute una adsorcioacuten maacutes extensa en
capas muacuteltiples
27
Figura 110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesica
Quiacutemica Si el adsorbato sufre una interaccioacuten quiacutemica con el adsorbente el
fenoacutemeno se llama adsorcioacuten quiacutemica adsorcioacuten activa o quimisorcioacuten Las energiacuteas
de adsorcioacuten son elevadas del orden de las de un enlace quiacutemico debido a que el
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente Esta adsorcioacuten suele estar favorecida a una temperatura elevada [17]
(figura 111)
Figura 111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemica
La mayor parte de los fenoacutemenos de adsorcioacuten son combinaciones de las tres formas de
adsorcioacuten y de hecho no es faacutecil distinguir entre adsorcioacuten fiacutesica y quiacutemica
28
14 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten es el proceso en donde un fluido que satura un medio capilar es desplazado
por otro fluido Eacutesta es espontaacutenea cuando el fluido desplazante penetra el medio capilar
uacutenicamente bajo la accioacuten de las fuerzas capilares Las muestras de roca que imbiben
uacutenicamente agua se dice que son mojadas por agua de igual manera las que lo hacen con el
aceite son mojadas por aceite [10]
La imbibicioacuten es importante en un yacimiento que produce por mecanismos de empuje de
agua porque puede favorecer u obstruir el movimiento del agua afectando el aacuterea del barrido
Una prueba de imbibicioacuten es una comparacioacuten del potencial de imbibicioacuten del petroacuteleo y del
agua en una roca tal como se muestra en la figura 112 La mojabilidad de la roca es
determinada por la fase que maacutes absorbe
Figura 112 Celda de imbibicioacuten espontanea [10]
141 Interaccioacuten roca-fluido
29
La mojabilidad es muy importante en los procesos de recuperacioacuten de aceite debido al fuerte
efecto que eacutesta ejerce en la distribucioacuten localizacioacuten y flujo de aceite y agua dentro del
yacimiento durante la produccioacuten
Generalmente se asume que los yacimientos de aceite fueron creados por la acumulacioacuten de
hidrocarburos en rocas que originalmente conteniacutean agua y por ello se deduce que las rocas
de todos los yacimientos fueron originalmente mojadas por agua [23]
Asimismo existen casos aislados en los cuales despueacutes de haberse hecho pruebas se
descubrioacute que algunos yacimientos eran originalmente mojados por aceite Principalmente
los asfaltenos pesados y las fracciones de resina del aceite crudo son capaces de alterar por
adsorcioacuten la mojabilidad de una caliza mojada originalmente por agua a una mojada por
aceite en su superficie Los componentes maacutes importantes en el aceite crudo responsables
del cambio de mojabilidad son aquellos que contienen grupos cargados como un aacutecido o una
base
Las rocas carbonatadas usualmente llevan cargan positivas en la superficie y tienen una
afinidad mayor por los componentes aacutecidos del aceite crudo En el caso de las areniscas cuya
carga de superficie es negativa se tiene una mayor atraccioacuten por los componentes baacutesicos
del aceite crudo [10] La figura 113 es una representacioacuten esquemaacutetica de coacutemo las partes
aacutecidas del aceite se adsorben sobre la superficie de la caliza generando un estado maacutes mojado
por aceite
Figura 113 Esquema de las partes aacutecidas del aceite crudo sobre una superficie de roca
carbonatada
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacutenea
30
La comprensioacuten de los mecanismos detraacutes de la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes
puede mejorar el desempentildeo y aplicacioacuten del producto en operaciones de campo
Diversos investigadores notaron que para cada tipo de roca la efectividad de la alteracioacuten de
la mojabilidad depende de la naturaleza ioacutenica del surfactante empleado En nuacutecleos de
calizas mojadas por aceite Austad [19] observoacute que surfactantes catioacutenicos funcionaron
mejor que surfactantes anioacutenicos en el cambio de mojabilidad hacia un estado maacutes mojado
por agua Pensaron que para los surfactantes catioacutenicos el mecanismo responsable de la
alteracioacuten de la mojabilidad en una roca carbonatada mojada por aceite era la formacioacuten de
ion-par entre las cabezas catioacutenicas de las moleacuteculas de surfactante y los componentes aacutecidos
del aceite crudo adsorbidos en la superficie de la roca carbonatada
La formacioacuten del ioacuten-par puede remover la capa de aceite crudo adsorbida sobre la superficie
de la roca logrando exponer la superficie de la roca carbonatada originalmente mojada por
agua En cambio las moleacuteculas de los surfactantes anioacutenicos forman una capa en la
superficie de la roca carbonatada a traveacutes de la interaccioacuten hidrofoacutebica de las colas del
surfactante en la superficie La capa de surfactantes adsorbidos con los grupos de cabezas
hidrofiacutelicas cubriendo la roca originalmente mojada por aceite pueden cambiar la
mojabilidad del medio poroso a uno maacutes mojado por agua En este caso las interacciones
hidrofoacutebicas son mucho maacutes deacutebiles que las interacciones ioacuten-par explicando por queacute los
surfactantes catioacutenicos funcionan mejor que los anioacutenicos en la alteracioacuten de mojabilidad en
rocas carbonatadas hacia un estado maacutes mojado por agua Esas pruebas e hipoacutetesis fueron el
comienzo de un estudio que otros investigadores culminaron en un estudio de la mecaacutenica de
la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes [19]
143 Cambio de mojabilidad por el ioacuten-par
31
La formacioacuten del ioacuten-par es influenciado principalmente por interacciones electrostaacuteticas
entre las cabezas hidrofiacutelicas de los surfactantes y estabilizada por interacciones de las
secciones hidrofoacutebicas de la moleacutecula de surfactante Como se muestra en la figura 114 la
formacioacuten de iones-par remueve los componentes del aceite crudo adsorbido sobre la
superficie de la roca dando lugar a la cara originalmente mojada por agua [23]
Figura 114 Modelo esquemaacutetico del cambio de mojabilidad con la aplicacioacuten de
surfactantes
Los iones-par formados durante el proceso no son solubles en agua y por ello se mueven
raacutepidamente dentro de la fase aguaaceite hacia la fase aceite dejando las moleacuteculas de
surfactante libres en la fase agua para asociarse con los componentes del aceite adsorbidos
en la superficie de la roca (figura 114) De esta manera el surfactante cambia
satisfactoriamente la mojabilidad de la superficie de la roca a un estado maacutes mojado por agua
15 Surfactantes
Tambieacuten llamados agentes tensoactivos son moleacuteculas que poseen una doble afinidad
quiacutemica debido a su estructura de tipo polar-apolar Un surfactante o agente superficialmente
activo es una especie quiacutemica que es activa en la interfase entre dos fases como un
detergente que es activo en la interfase entre las fases hidroacutefila e hidroacutefoba El detergente se
acumula en la interfase y modifica la tensioacuten superficial La tensioacuten superficial disminuye
cuando un soluto se acumula en la interfase siendo el soluto en este caso el agente
tensoactivo [21] Su representacioacuten claacutesica se indica en la Figura 115
32
115 Representacioacuten de una moleacutecula surfactante
La parte polar o hidrofiacutelica es un grupo funcional ioacutenico o no ioacutenico generalmente constituida
por heteroaacutetomos como oxiacutegeno azufre nitroacutegeno y foacutesforo que permiten un alto grado de
solubilidad en solventes polares particularmente en agua La parte apolar o lipofiacutelica
generalmente es una cadena hidrocarbonada de tipo alquil o alquilbenceno con presencia en
ciertos casos de aacutetomos de un haloacutegeno u oxiacutegeno la cual es soluble en solventes orgaacutenicos
no polares particularmente hidrocarburos aceites y grasas Debido a esta dualidad polar-
apolar una moleacutecula de surfactante tiene tendencia a migrar a una intercara o una superficie
con la finalidad de satisfacer sus dos tipos de afinidad Sin embargo no todas las sustancias
anfifiacutelicas poseen esta propiedad [14]
151 Clasificacioacuten de los surfactantes
Debido a que la accioacuten de los surfactantes depende principalmente de fuerzas electrostaacuteticas
eacutestos se clasifican de acuerdo a la naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua Los
surfactantes se dividen en anioacutenicos catioacutenicos no ioacutenicos y zwitterioacutenicos (anfoteacutericos)
La tabla 13 muestra su clasificacioacuten incluyendo su descripcioacuten esquemaacutetica las
caracteriacutesticas de carga del grupo soluble en agua los grupos quiacutemicos maacutes importantes y
sus usos principales
La naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua se usa para clasificar los surfactantes en
cuatro clases
33
Tabla 13 Clasificacioacuten de Surfactantes
Clasificacioacuten Descripcioacuten Carga del grupo
soluble en agua
Grupos Quiacutemicos Usos
Anioacutenicos M+ + Negativa Sulfonatos
Sulfatos
Fosfatos
Fosfonatos
No
emulsificantes
Retardadores
Limpiadores
Catioacutenicos X- - Positiva Grupos aminos No
emulsificantes
Inhibidores de
corrosioacuten
No ioacutenicos XxR Sin Carga Alcoholes
Alquilfenoles
Esteres
Eteres
Amidas
Etileno
No
emulsificantes
Espumantes
Inhibidores de
corrosioacuten
Zwitterioacutenicos M+ X- Posee ambas
cargas
Dodedil amino
aacutecido propionico
Inhibidores de
corrosioacuten
Los surfactantes anioacutenicos se disocian en un anioacuten anfiacutefilo y un catioacuten el cual es en general
un metal alcalino o un grupo alquiacutelico A este tipo pertenecen los detergentes sinteacuteticos como
los alquil benceno sulfonatos los jabones (sales de sodio de aacutecidos grasos) los agentes
espumantes como el lauril sulfato los humectantes del tipo sulfosuccinato los dispersantes
del tipo lignosulfonatos etc La produccioacuten de los surfactantes anioacutenicos representa
alrededor del 55 de los surfactantes producidos anualmente en el mundo FIRP 303
Los surfactantes no ioacutenicos estaacuten en el segundo rango por orden de importancia con un poco
menos del 40 del total En solucioacuten acuosa no se ionizan puesto que ellos poseen grupos
hidroacutefilos del tipo alcohol fenol eacutester eacuteter o amida Una alta proporcioacuten de estos
surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofiacutelicos gracias a la presencia de una cadena
polieacuteter del tipo polioacutexido de etileno El grupo hidroacutefobo es generalmente un radical alquilo
o alquil benceno y a veces una estructura de origen natural como un aacutecido graso sobre todo
cuando se requiere una baja toxicidad
34
Los surfactantes catioacutenicos se disocian en solucioacuten acuosa en un catioacuten orgaacutenico anfiacutefilo y
un anioacuten generalmente del tipo halogenuro La gran mayoriacutea de estos surfactantes son
compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario La fabricacioacuten
de estos surfactantes es mucho maacutes cara que la de los anteriores y es por esta razoacuten que no
se les utilizan salvo en caso de aplicacioacuten particular como cuando se hace uso de sus
propiedades bactericidas o de su facilidad de adsorcioacuten sobre sustratos bioloacutegicos o inertes
que poseen una carga negativa
Esta uacuteltima propiedad hace que sean excelentes agentes antiestaacuteticos hidrofobantes asiacute
como inhibidores de corrosioacuten [24] y puedan ser utilizados tanto en productos industriales
como para uso domeacutestico
La combinacioacuten dentro de una misma moleacutecula de dos caracteres anioacutenico y catioacutenico
producen un surfactante llamado anfoacutetero o zwitterioacutenico como por ejemplo los
aminoaacutecidos las betaiacutenas o los fosfoliacutepidos ciertos anfoacuteteros son insensibles al pH otros
son de tipo catioacutenico a pH aacutecido y de tipo anioacutenico a pH alto Los anfoacuteteros son en general
tan caros como los catioacutenicos y por esta razoacuten su utilizacioacuten se reduce a aplicaciones
particulares
152 Propiedades de los surfactantes
Los surfactantes poseen dos propiedades fundamentales que permiten explicar las
caracteriacutesticas de su utilizacioacuten actividad superficial o interfacial adsorcioacuten y asociacioacuten
micelar
1511 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacuten
Cuando un surfactante estaacute presente a baja concentracioacuten en un sistema tiene la propiedad
de adsorberse en la superficie (liacutequido-gas) o en la cara interfacial (liacutequido-liacutequido) del
sistema Este fenoacutemeno que es debido a sus caracteriacutesticas anfifiacutelicas provoca una
disminucioacuten notable de la energiacutea libre superficial o interfacial
35
La energiacutea libre de la moleacutecula en la cara interfacial es inferior a la de la moleacutecula
solubilizada en la fase acuosa por tanto la transferencia desde el seno de la fase hacia la cara
interfacial llamada adsorcioacuten se realiza de manera espontaacutenea
La disminucioacuten de la tensioacuten interfacial provocada por la adsorcioacuten del surfactante favorece
la deformacioacuten y la ruptura de la cara interfacial la formacioacuten de sistemas dispersos como
las emulsiones y las espumas la movilizacioacuten del petroacuteleo residual en pozos entre otros [26]
1512 Micelas y asociacioacuten micelar
En soluciones diluidas el surfactante se encuentra en el seno del liacutequido bajo la forma de
solucioacuten molecular A partir de cierta concentracioacuten llamada concentracioacuten micelar criacutetica
(CMC) la fase acuosa se satura y la adicioacuten de maacutes moleacuteculas de surfactante provoca la
formacioacuten de agregados de tipo coloidal llamadas micelas [21]
Estos agregados pueden reunir entre decenas y centenas de moleacuteculas y su dimensioacuten y
estructura dependen de la estructura y del ambiente fisicoquiacutemico del surfactante La
tendencia liofoacutebica de una parte de la moleacutecula surfactante es el principal promotor de la
formacioacuten de las micelas en las cuales el surfactante alcanza una posicioacuten favorable para
satisfacer su doble afinidad
Generalmente se presenta a una micela como una entidad estaacutetica sin embargo las micelas
son agregados moleculares en equilibrio dinaacutemico con las moleacuteculas de surfactante dispersas
en el disolvente [19] De hecho se puede citar que ocurren dos procesos baacutesicos i) intercambio
de las micelas con las moleacuteculas de surfactante en el disolvente y con otras micelas que
ocurre en microsegundos o milisegundos y ii) la renovacioacuten real de una micela completa por
este proceso (de milisegundos a segundos)
Cuando el medio continuo estaacute formado por una sustancia no polar (denominado
geneacutericamente aceite aunque su estructura quiacutemica no corresponda a este nombre) se
forman las llamadas micelas inversas Ahora las cabezas polares estaacuten orientadas hacia el
interior de la micela y estaacuten en contacto con agua o alguna otra sustancia polar mientras que
las colas hidrocarbonadas se dirigen hacia el exterior de la micela (en contacto con el
36
disolvente apolar) como se muestra en la figura 116 Estos sistemas son mucho maacutes
complejos que los formados por las micelas normales tienen valores propios para la CMC y
nuacutemero de agregacioacuten aunque su tamantildeo y forma es similar al de las micelas normales
Figura 116 Tipos de micela A) micela normal B) micela inversa
El tamantildeo de una micela esfeacuterica estaacute determinado por el equilibrio entre las fuerzas de
atraccioacuten entre las colas hidrocarbonadas entre siacute (realmente se debe a que las moleacuteculas de
agua tienden a expulsar a las moleacuteculas hidrofoacutebicas de su contacto) y las fuerzas de repulsioacuten
electrostaacutetica de las cabezas polares (ayudada por efectos esteacutericos y de hidratacioacuten)
Mediante estudios de difraccioacuten de neutrones a aacutengulo pequentildeo se ha determinado la
estructura de una micela esfeacuterica el nuacutecleo es hidrocarbonado los grupos polares junto con
algunos contraiones (iones de carga opuesta al de la cabeza polar del surfactante) constituyen
la capa ioacutenica de Stern con un espesor de 02 a 04 nm y una capa difusa de Gouy-Chapman
mostrado en la figura 117
37
Figura 117 Comportamiento estaacutetico micelar
A concentraciones de surfactante ligeramente mayores que la CMC las micelas son esfeacutericas
al aumentar la concentracioacuten ciertas propiedades de la disolucioacuten indican un cambio en la
estructura de los agregados micelares Esto se debe probablemente a interacciones entre las
micelas Incrementando la concentracioacuten las micelas adoptan formas ciliacutendricas o lamelares
o en algunos casos de discos A concentraciones superiores pueden ocurrir transiciones de
fase de solucioacuten micelar a cristales liacutequidos
Algunas de las caracteriacutesticas que hacen atractivas a las micelas para aplicaciones analiacuteticas
son la existencia de la capa ioacutenica de Stern (en micelas ioacutenicas) la orientacioacuten anisotroacutepica
(o grado de ordenamiento) del nuacutecleo de la micela el ordenamiento de la interfaz micelar
debido a la carga y a las interacciones con el disolvente y a la diferencia de polaridad entre
el disolvente y el interior micelar
Muchas propiedades fiacutesicas de las soluciones de surfactante (conductividad tensioacuten
superficial densidad etc) cambian de manera notable en la CMC Comuacutenmente la CMC se
obtiene por la interseccioacuten de dos curvas que representan una propiedad fiacutesica determinada
de la solucioacuten una curva representa la propiedad fiacutesica a concentraciones inferiores a la CMC
y la otra representa la propiedad fiacutesica a concentraciones superiores [10]
38
16 Emulsiones
Las emulsiones son sistemas dispersos constituidos por dos liacutequidos inmiscibles en los cuales
la fase en suspensioacuten (fase interna o dispersa) se encuentra en forma de pequentildeas gotas
contenida en la fase externa (fase continua o dispersante) como se muestra en la figura 118
La estructura de las emulsiones estaacute estabilizada por un agente surfactante llamado
emulsionante Por definicioacuten una emulsioacuten es un sistema termodinaacutemicamente inestable y
tarde o temprano debe separarse en sus dos fases [19]
Figura 118 Micrografiacutea de una emulsioacuten WO
La nocioacuten de estabilidad es por supuesto relativa pero se refiere a una casi ausencia de
cambio durante un periacuteodo de tiempo suficientemente largo para el propoacutesito de la aplicacioacuten
praacutectica lo cual puede variar de algunos minutos a algunos antildeos
Las cantidades relativas de fase dispersa y fase continua (referidas tambieacuten como fase interna
y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades Por debajo de 20 de fase
interna se habla de una emulsioacuten de bajo contenido de fase interna En tales emulsiones se
puede considerar que hay poca interaccioacuten de las gotas entre siacute
39
161 Tipos de emulsiones
En la mayoriacutea de los casos en los cuales se hace una emulsioacuten con dos liacutequidos
inmiscibles uno de los liacutequidos es una fase acuosa y el otro una fase aceite u orgaacutenica Se
usan las abreviaturas O para el aceite y W para el agua siguiendo la nomenclatura
anglosajona Las emulsiones se clasifican [26]
Aceite en agua (OW) Esta emulsioacuten contiene gotas de aceite dispersadas en agua
es la emulsioacuten normal para todas las aplicaciones con excepcioacuten de la produccioacuten de
petroacuteleo en la cual se denomina emulsioacuten inversa
Agua en aceite (WO) En esta emulsioacuten la fase dispersa es el agua mientras que la
continua es el aceite esta es la emulsioacuten normal en la industria petrolera y la inversa
para todas las demaacutes aplicaciones
Agua en aceite en agua (WOW) Cuando las gotas de aceite de una emulsioacuten OW
contienen en su interior gotitas de agua se dice que se tiene una emulsioacuten muacuteltiple
del tipo WOW Las emulsiones muacuteltiples se encuentran en forma espontaacutenea en
ciertas circunstancias o pueden prepararse al propoacutesito
Aceite en agua en aceite (OWO) Este tipo de emulsioacuten no se encuentra con
frecuencia y estaacute constituida por una fase continua de aceite con gotas dispersas de
agua en su interior las cuales a su vez contienen pequentildeiacutesimas gotas de la fase
aceitosa
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleo
Durante las operaciones de extraccioacuten del petroacuteleo la mezcla bifaacutesica de petroacuteleo y agua se
desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden de 1 piediacutea lo que es insuficiente
para que se forme una emulsioacuten Sin embargo al pasar por todo el aparataje de produccioacuten
durante el levantamiento y el transporte en superficie (bombas vaacutelvulas codos restricciones
etc) se produce la agitacioacuten suficiente para que el agua se disperse en el petroacuteleo en forma
de emulsioacuten WO estabilizada por las especies de actividad interfacial presentes en el crudo
(asfaacuteltenos y resinas) y por soacutelidos
40
Existen tres requisitos esenciales para formar una emulsioacuten
Dos liacutequidos inmiscibles como el agua y el aceite
Suficiente agitacioacuten para dispersar uno de los liacutequidos en pequentildeas gotas en el otro
Un agente emulsionante para estabilizar las gotas dispersas en la fase continua
En los campos petroleros las emulsiones se conocen como emulsiones directas (agua
en aceite WO) y emulsiones indirectas (aceite en agua OW) Otra terminologiacutea en la
industria petrolera es clasificar las emulsiones directas producidas como duras y suaves Por
definicioacuten una emulsioacuten dura es muy estable y difiacutecil de romper principalmente porque las
gotas dispersas son muy pequentildeas Por otro lado una emulsioacuten suave es inestable y faacutecil de
romper En otras palabras cuando un gran nuacutemero de gotas de agua de gran diaacutemetro estaacuten
presentes ellas a menudo se separan faacutecilmente por la fuerza gravitacional El agua que se
separa en menos de cinco minutos es llamada agua libre
La mejor forma de deshidratar es evitar que se produzca la emulsioacuten o por lo menos
reducir al maacuteximo las condiciones que favorezcan el emulsionado
En pozos fluyentes una agitacioacuten considerable es generalmente causada por el gas
disuelto saliendo de la solucioacuten (el gas se desorbe) conforme decrece la presioacuten Este gas
tambieacuten causa turbulencia cuando fluye junto con la mezcla bifaacutesica agua-aceite a traveacutes de
accesorios y restricciones en la tuberiacutea de produccioacuten pasa por supuesto lo mismo cuando
se utiliza el levantamiento con gas Esta turbulencia puede ser reducida pero no eliminada
instalando un estrangulador de fondo Este estrangulador reduce la estabilidad de la emulsioacuten
por las siguientes causas
Hay menos presioacuten diferencial
La temperatura de fondo de pozo es considerablemente maacutes alta que la temperatura
en la superficie
Hay flujo laminar para una gran distancia corriente abajo del estrangulador de fondo
y por lo tanto menos turbulencia
Actualmente el 90 de las teacutecnicas utilizadas para la extraccioacuten de petroacuteleo crudo
generan o agravan los problemas de emulsionado Los quiacutemicos usados en las fracturas de la
41
formacioacuten estimulaciones de pozos inhibicioacuten de corrosioacuten etc frecuentemente causan
severos problemas de emulsionaje por lo que existen meacutetodos para romperlas tales como el
calentamiento aditivos quiacutemicos tratamiento eleacutectrico y asentamiento En los casos de bajo
contenido de agua (lt 10) resulta ventajoso antildeadir agua en fondo de pozo antes que se
produzca la emulsioacuten porque asiacute la emulsioacuten formada seraacute menos estable (el tamantildeo de gotas
aumenta y se favorece la coalescencia [22]
163 Agentes emulsionantes
Los agentes emulsionantes son numerosos y pueden ser clasificados
Compuestos naturales surfactantes tales como asfaltenos y resinas conteniendo
aacutecidos orgaacutenicos y bases aacutecidos nafteacutenicos aacutecidos carboxiacutelicos compuestos de
azufre fenoles cresoles y otros surfactantes naturales de alto peso molecular
Soacutelidos finamente divididos tales como arena arcilla finos de formacioacuten esquistos
lodos de perforacioacuten fluidos para estimulacioacuten incrustaciones minerales productos
de la corrosioacuten (por ejemplo sulfuro de hierro oacutexidos) parafinas asfaltenos
precipitados Los fluidos para estimulacioacuten de pozos pueden contribuir a formar
emulsiones muy estables
Quiacutemicos de produccioacuten antildeadidos tales como inhibidores de corrosioacuten biocidas
limpiadores surfactantes y agentes humectantes
Estos agentes pueden adsorberse en la interfase de la gota de agua y formar una peliacutecula
riacutegida que resulta en una alta estabilidad de la emulsioacuten WO formada lo cual ocurre en
menos de tres diacuteas Es por eso que la emulsioacuten debe tratarse lo maacutes pronto posible con
diferentes agentes tales como quiacutemica deshidratante calor sedimentacioacuten por
centrifugacioacuten o electrocoalescencia [26]
42
164 Estabilidad de una emulsioacuten
La peliacutecula interfacial formada estabiliza la emulsioacuten debido a que
Aumenta la tensioacuten interfacial Por lo general para emulsiones de crudo la tensioacuten
interfacial se encuentra en el intervalo de 30 a 36 mN m-1 Asiacute mismo la presencia
de sales aumenta la tensioacuten interfacial
Forma una barrera viscosa que inhibe la coalescencia de las gotas
Si el surfactante o partiacutecula adsorbida en la interfase es polar su carga eleacutectrica
provoca que se repelan unas gotas de otras
Otro mecanismo de estabilizacioacuten ocurre cuando los emulsionantes son partiacuteculas soacutelidas
muy finas Para ser agentes emulsionantes las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes pequentildeas que
las gotas suspendidas y deben ser mojadas por el aceite y el agua Luego estas finas partiacuteculas
soacutelidas o coloides (usualmente con surfactantes adheridos a su superficie) se colectan en la
superficie de la gota y forman una barrera fiacutesica Algunos de estos soacutelidos son el sulfuro de
hierro y la arcilla [14]
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacuten
La estabilidad y rompimiento de una emulsioacuten depende de varios factores
Tensioacuten interfacial Una reduccioacuten de la tensioacuten interfacial no aumenta la estabilidad
de la emulsioacuten Se ha encontrado que los sistemas de tensioacuten ultrabaja producen
emulsiones inestables
Viscosidad de la fase externa Una viscosidad alta en la fase externa disminuye el
coeficiente de difusioacuten y la frecuencia de colisioacuten de las gotas por lo que se
incrementa la estabilidad de la emulsioacuten Una alta concentracioacuten de las gotas tambieacuten
incrementa la viscosidad aparente de la fase continua y estabiliza la emulsioacuten Este
efecto puede ser minimizado calentando la emulsioacuten
Tamantildeo de la gota Gotas muy pequentildeas menores de 10 microm generalmente producen
emulsiones maacutes estables Una amplia distribucioacuten de tamantildeos de partiacuteculas resulta en
general en una emulsioacuten menos estable
43
Relacioacuten de volumen de fases Incrementando el volumen de la fase dispersa se
incrementa el nuacutemero de gotas yo tamantildeo de gotas y el aacuterea interfacial La distancia
de separacioacuten se reduce y esto aumenta la probabilidad de colisioacuten de las gotas Todos
estos factores reducen la estabilidad de la emulsioacuten
Temperatura Usualmente la temperatura tiene un efecto muy fuerte en la estabilidad
de la emulsioacuten Incrementando la temperatura se reduce la adsorcioacuten de surfactantes
naturales y disminuye la viscosidad de la fase externa la rigidez de la peliacutecula
interfacial y la tensioacuten superficial Todos estos cambios reducen la estabilidad de la
emulsioacuten
pH La adicioacuten de aacutecidos o bases inorgaacutenicos cambia radicalmente la formacioacuten de
peliacuteculas de asfaltenos y resinas que estabilizan las emulsiones agua-aceite
Envejecimiento de la interfase A medida que la interfase envejece la adsorcioacuten de
los surfactantes se completa y debido a las interacciones laterales entre las moleacuteculas
aumenta la rigidez de la peliacutecula hasta un valor estable en unas 3 o 4 horas Esta
peliacutecula o piel alrededor de la gota llega a ser maacutes gruesa maacutes fuerte y maacutes dura
Ademaacutes la cantidad de agentes emulsionantes se incrementa por oxidacioacuten fotoacutelisis
evaporacioacuten o por la accioacuten de bacterias
Salinidad de la salmuera La salinidad de la salmuera es un factor importante en la
formacioacuten de emulsiones estables Agua fresca o salmuera con baja concentracioacuten de
sal favorecen la estabilidad de las emulsiones Por el contrario altas concentraciones
de sal tienden a reducirla
Tipo de aceite Los crudos de base parafiacutenica usualmente no forman emulsiones
estables mientras que los crudos nafteacutenicos y de base mixta forman emulsiones
estables Ceras resinas asfaltenos y otros soacutelidos pueden influenciar la estabilidad
de la emulsioacuten En otras palabras el tipo de crudo determina la cantidad y tipo de
emulsionantes naturales
Diferencia de densidad La fuerza neta de gravedad que actuacutea en una gota es
directamente proporcional a la diferencia en densidades entre la gota y la fase
continua Aumentando la diferencia de densidad por incremento de la temperatura se
logra aumentar la velocidad de sedimentacioacuten de las gotas y por ende se acelera la
coalescencia
44
Capiacutetulo II
Metodologiacutea
45
La metodologiacutea usada en este proyecto se ilustra en la figura 21 la cual abarca desde la
preparacioacuten de las rocas carbonatadas hasta las pruebas de dispersioacuten de luz dinaacutemica y
potencial zeta con las cuales se concluyoacute este trabajo
Figura 21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyecto
Preparacioacuten de rocas carbonatadas (Pulido)
Caracterizacioacuten de las rocas carbonatadas por Espectroscopiacutea FTIR UV-vis SEMEDX
Preparacioacuten de emulsioacuten WO (7030) aplicando 500 y 800 mg L-1
de S(I) y S(II)
Imbibicioacuten espontaacutenea de roca de yacimiento
Pruebas tensiometricas de crudo emulsionado sobre roca
(Metodo de gota seacutesil)
Extraccioacuten de asfaltenos
Impregnacioacuten y caracterizacioacuten de asfaltenos sobre roca carbonatada
DLS de roca impreganada de asfaltenos
Potencial Zeta de roca impregnada de asfaltenos
46
21 Reactivos utilizados en el proyecto
En la tabla 21 se enlistan los reactivos utilizados en el desarrollo del proyecto
Tabla 21 Reactivos empleados en el proyecto
Reactivo Pureza Marca CAS
Acetona 999 Sigma-Aldrich 67-64-1
Heptano 95 Sigma-Aldrich 142-82-5
Tolueno 999 Sigma-Aldrich 108-99-3
Ciclohexano 99 Sigma-Aldrich 110-82-7
Nitrato de sodio 99 Sigma-Aldrich 7631-99-4
Cloruro de Sodio 99 Sigma-Aldrich 7647-14-5
Carbonato de calcio 99 Sigma-Aldrich 471-34-1
Sulfato de Magnesio 995 Sigma-Aldrich 7487-88-9
Agua desionizada 995 Sigma-Aldrich 7732-18-5
En la tabla 22 se muestran la nomenclatura de los surfactantes empleados en la
experimentacioacuten los cuales son de naturaleza catioacutenica debido a la propiedad de absorberse
sobre sustratos cargados negativamente
Tabla 22 Surfactantes utilizados en la experimentacioacuten
22 Sistemas de estudio
Clave Nombre surfactante Estructura
S1
P-toluensulfonato de 1-
metil-3-hexilimidazolio
[1M3HIMPTSO3]
S2
Cloruro de 1-metil-3-etil-
p-toluensulfonilimidazolio
[1M3EPTSO3IMCl]
CH3
N
N+
CH3
CH3
S
O
O
O-
CH3S
O
O
O
CH3
N
N+
Cl-
47
221 Agua congeacutenita
Se obtuvo una muestra de agua congeacutenita del petroacuteleo Aguacate 72 la cual fue proporcionada
por el Instituto Mexicano del Petroacuteleo Dicha muestra fue caracterizada por Espectroscopiacutea
de infrarrojo de Fourier con la finalidad de conocer los grupos funcionales presentes en la
misma
221 Salmuera
Se preparoacute a partir de una mezcla de 3 sales caracteriacutesticas de cualquier salmuera natural en
la siguiente proporcioacuten 30 de carbonato de calcio (CaCO3) 50 de cloruro de sodio
(NaCl) y 20 de sulfato de magnesio (MgSO4) Tomando como referencia 100 mL se pesoacute
1 gramo de mezcla de sales y se diluyoacute en agua desionizada posteriormente se realizaron
diluciones hasta obtener una concentracioacuten de 100 mg L-1
222 Extraccioacuten de asfaltenos
Se pesaron 10 g de crudo y se disolvieron en 40 mL de heptano posteriormente se aplicoacute
agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas Tras este periodo se dejoacute en reposo el sistema durante
24 horas Finalmente la solucioacuten se filtroacute aplicando vaciacuteo y exceso de heptano para arrastrar
los restos de compuestos no asfalteacutenicos contenidos en el producto
223 Impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada
Se preparoacute una muestra con la siguiente proporcioacuten 15 g de asfaltenos (30) y 35 g de
roca carbonatada (70) los cuales fueron agregados a 50 mL de Ciclohexano contenidos en
un matraz como se muestra en la figura 22 Se realizoacute agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas
posteriormente se realizoacute una filtracioacuten a vaciacuteo El producto obtenido se secoacute en una estufa a
100degC con un tiempo de secado de 24 horas
48
Figura 22 Muestra de roca carbonatada y asfaltenos
23 Disentildeo de experimentos
Se prepararon emulsiones con una proporcioacuten de 7030 (WO donde W corresponde al agua
siendo en nuestro caso de estudio agua congeacutenita oacute salmuera y O corresponde al crudo)
utilizando crudo Aguacate del pozo 72 manejando 10 g totales de muestra los cuales fueron
depositados en recipientes de plaacutestico de 20 mL ademaacutes de ser sometidas a agitacioacuten
continua con una espaacutetula por 20 minutos con el fin de formar la emulsioacuten
El petroacuteleo utilizado en el proyecto tiene las siguientes caracteriacutesticas
Densidad 09696 g cm-3
1440 grados API
2166 Saturados 3057 Aromaacuteticos 2435 Resinas y 2341 Asfaltenos
El disentildeo experimental es presentado en la tabla 23 se trabajoacute con 2 diferentes surfactantes
(S2 y S3) y estos se agregaron a las diferentes emulsiones WO usando concentraciones de
500 mg L-1 y 800 mg L-1 realizaacutendose micrografiacuteas de las emulsiones antes y despueacutes de
agregar el surfactante posteriormente se realizoacute el anaacutelisis tensiomeacutetrico de cada emulsioacuten
finalizando con el estudio dispersivo de los asfaltenos por Dispersioacuten de Luz dinaacutemica (DLS)
y Potencial Zeta
49
Tabla 23 Disentildeo de experimentos
Experimento Q1 O1 SX C(mg L-1)
Roca Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Experimento Q1 O1 SX C(ppm)
Roca Impregnada Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
50
24 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
241 Espectroscopiacutea de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)
Las teacutecnicas espectroscoacutepicas se fundamentan en la interaccioacuten de la materia con la
radiacioacuten Esta interaccioacuten provoca procesos como la absorcioacuten o la difusioacuten (scattering)
Cuando una moleacutecula absorbe o emite un fotoacuten su estado energeacutetico cambia En general
este cambio se manifiesta como una variacioacuten en la energiacutea traslacional de la moleacutecula y
como una modificacioacuten en su estado electroacutenico vibracional o rotacional Como las energiacuteas
asociadas a cada uno de estos cambios son muy diferentes cada uno de estos procesos se
puede tratar de manera independiente Exceptuando los cambios traslacionales los estados
energeacuteticos de las moleacuteculas estaacuten cuantizados consecuentemente los procesos de absorcioacuten
y emisioacuten soacutelo pueden darse a determinadas frecuencias de los fotones Para cada moleacutecula
dada su espectro de adsorcioacutenemisioacuten constituye una huella de la misma Las absorciones
que se producen en la regioacuten espectral del infrarrojo involucran energiacuteas mucho maacutes
pequentildeas comparadas con las energiacuteas de absorcioacuten relacionadas con la estructura electroacutenica
de la moleacutecula (ultravioleta y visible)
Sin embargo no todas las vibraciones yo rotaciones producen una absorcioacuten de radiacioacuten
incidente Soacutelo los modos vibracionales y rotacionales de moleacuteculas con momento bipolar
diferente de cero o bien aquellos modos que induzcan un momento diferente de cero en la
moleacutecula son activos al infrarrojo Para que exista un espectro rotacional activo en el
infrarrojo se requiere que la moleacutecula sea polar mientras que para tener un espectro
vibracional activo en el infrarrojo basta que el movimiento vibracional de los aacutetomos de la
moleacutecula induzca un momento bipolar no nulo [28]
En un interferoacutemetro Michelson el haz de radiacioacuten que viene de la fuente se divide mediante
un espejo semipermeable (beamsplitter) en dos haces parciales que se reflejan en sendos
espejos uno fijo y otro moacutevil vuelven al beamsplitter y se recombinan en interferencia Un
desplazamiento del espejo moacutevil cambia el camino oacuteptico en ese brazo del interferoacutemetro
51
introduciendo una diferencia de fase entre los haces y por tanto un cambio en la amplitud de
la interferencia La intensidad de sentildeal que llega al detector tras atravesar la muestra
representada como funcioacuten de la diferencia en la trayectoria de ambos haces (retardo) es lo
que se llama interferograma Con una radiacioacuten monocromaacutetica se obtiene una sentildeal coseno
que en el caso de caminos oacutepticos ideacutenticos en ambos brazos proporciona una interferencia
constructiva sin diferencia de fase entre los haces y por tanto una intensidad maacutexima El
resultado es un interferograma (intensidad en funcioacuten del tiempo) la cual se convierte viacutea un
algoritmo matemaacutetico (transformada de Fourier) en un diagrama de Intensidad en funcioacuten de
la frecuencia (espectro)
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro FTIR de marca Perkin Elmer Spectrum One donde se
analizoacute la roca carbonatada de yacimiento Para la identificacioacuten de los grupos funcionales
se trabajoacute con un intervalo espectral de 4000 a 380 cm-1 utilizando 12 barridos
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)
El espectro Ultravioleta y Visible de las moleacuteculas estaacute asociado a transiciones electroacutenicas
entre los diferentes niveles energeacuteticos en ciertos grupos o aacutetomos de la moleacutecula En
contraste la absorcioacuten de energiacutea en la regioacuten Infrarroja estimulan la moleacutecula completa y
causa cambios vibracionales y rotacionales en esta lo cual caracteriza la entidad estructural
de dicha moleacutecula Los grupos de aacutetomos que dan origen a la absorcioacuten en el UV cercano o
UV de cuarzo se conocen como grupos cromoacuteforos La mayoriacutea de los grupos insaturados y
heteroatoacutemicos que tienen pares de electrones no compartidos son cromoacuteforos potenciales y
estos grupos son la base de la elucidacioacuten de grupos estructurales en las moleacuteculas activas en
el UV cercano
Cuando dos aacutetomos forman un enlace quiacutemico los orbitales atoacutemicos de cada uno de ellos
se combinan para formar dos orbitales moleculares uno de baja energiacutea que es el orbital
enlazante y otro de energiacutea mayor que es el orbital antienlazante Los enlaces covalentes que
se originan entre los orbitales de dos aacutetomos que se enlazan quiacutemicamente pueden ser de dos
tipos y se conocen como enlaces σ y enlaces π
52
Al efectuarse dicho enlace covalente se forman simultaacuteneamente orbitales antienlazantes σ
en el caso de un orbital molecular enlazante σ y π en el caso de un orbital molecular
enlazante p La absorcioacuten de energiacutea radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones
σ oacute π resulta en la excitacioacuten de eacutestos los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales
antienlazantes La absorcioacuten de radiacioacuten Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas
transiciones
Un espectro ultravioleta-visible es esencialmente un graacutefico de absorbancia de luz frente a
una longitud de onda en el rango del ultravioleta o la luz visible para una determinada
sustancia puede hacerse un graacutefico estaacutendar del coeficiente de extincioacuten (ε) frente a la
longitud de onda (λ) Las longitudes de onda de los picos de absorcioacuten pueden
correlacionarse con los tipos de enlace en una determinada moleacutecula y son valiosos para
determinar los grupos funcionales dentro de la moleacutecula La absorcioacuten UV-Vis no es sin
embargo una prueba especiacutefica para ninguacuten compuesto determinado La naturaleza del
disolvente el pH de la solucioacuten la temperatura la concentracioacuten de electrolitos y la
presencia de sustancias interferentes pueden influir en los espectros de absorcioacuten de los
compuestos asiacute como las variaciones de ancho de banda [29]
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro UV-vis de marca Cintral 303 GBC en donde se analizaron
los compuestos sintetizados Para la identificacioacuten de los grupos funcionales se trabajoacute con
una celda de 10 mm de espesor en un intervalo espectral de 800 a 200 nm Se preparoacute una
solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano a una concentracioacuten de 100 mg L-1 asiacute como
soluciones de roca impregnada de crudo en ciclohexano a diferentes concentraciones (100
50 30 20 10 5 3 y 1 mg L-1)
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
El Microscopio electroacutenico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscopy) es una
teacutecnica que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen
ampliada de la superficie de un objeto Es un instrumento que permite la observacioacuten y
caracterizacioacuten superficial de soacutelidos inorgaacutenicos y orgaacutenicos Tiene una gran profundidad
53
de campo la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra Eacutesta teacutecnica
brinda informacioacuten topograacutefica sobre la superficie de material analizado y el anaacutelisis EDX
proporciona informacioacuten sobre su composicioacuten quiacutemica [30]
Esta teacutecnica esencialmente consiste en hacer incidir en la muestra un haz de electrones Este
bombardeo de electrones provoca la aparicioacuten de diferentes sentildeales que captadas con
detectores adecuados nos proporcionan informacioacuten acerca de la naturaleza de la muestra
La sentildeal de electrones secundarios proporciona una imagen de la morfologiacutea superficial de
la muestra La sentildeal de los electrones retrodispersados muestra una imagen cualitativa de
zonas con distinto nuacutemero atoacutemico medio y la sentildeal de rayos X presenta los espectros e
imaacutegenes acerca de la composicioacuten de elementos quiacutemicos en la muestra
25 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten espontaacutenea de la fase mojante sobre la superficie de una roca consiste en la
absorcioacuten de la misma en su superficie tan pronto como existe contacto entre dicha fase y el
soacutelido sin requerirse de la accioacuten de un trabajo externo para realizarse lo cual tambieacuten se
conoce como la succioacuten capilar de esta fase en el medio poroso es decir es un proceso que
consiste en el ingreso de la fase mojante en los poros de la roca por efecto de las fuerzas
capilares [10]
En este proceso se utiliza una Celda de Amott el cual es un contenedor ciliacutendrico conceacutentrico
de vidrio en cuya parte central se colocan el material que seraacute saturado por la fase mojante
y en la capucha externa se introduce liacutequido refrigerante para mantener la temperatura
constante dentro de la celda
Para la experimentacioacuten se utilizaron 3 rocas carbonatadas que fueron introducidas en una
celda de Amott de 500 mL Posteriormente se llenoacute la parte interna de la celda con petroacuteleo
crudo y la capucha externa con refrigerante La celda se colocoacute en un bantildeo de aceite a 65degC
durante 7 diacuteas En la figura 23 se observa el montaje del equipo para el proceso de
imbibicioacuten
54
Figura 23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacuten
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
Este meacutetodo experimental es usado para determinar el aacutengulo de contacto existente en un
sistema bifaacutesico Consiste en la colocacioacuten de una gota sobre una superficie soacutelida
posteriormente el equipo realiza el caacutelculo de paraacutemetros propios de la gota como radio y
diaacutemetro los cuales son fundamentales sustituidos en las ecuaciones de tensioacuten superficial
[10]
Para la experimentacioacuten se emplearon 8 rocas carbonatadas de yacimiento las cuales fueron
previamente pulidas para generar una superficie lisa obseacutervese la figura 24 Posteriormente
se colocoacute la emulsioacuten preparada en la jeringa para estudio tensiomeacutetrico por accioacuten
gravitacional el fluido descendioacute provocando la formacioacuten de una gota la cual se fija en la
roca La caacutemara del tensioacutemetro detecta el aacutengulo y la forma de la gota asiacute como su
deformacioacuten con el paso del tiempo
55
Figura 24 Roca carbonatada previamente pulida
Asiacute mismo se realizoacute la medicioacuten del aacutengulo de contacto para las rocas imbibidas en crudo
(figura 25) soacutelo difiriendo en la fase mojante la cual se trataba en un primer experimento
de la salmuera o del agua congeacutenita y posteriormente se adicionaron los dos surfactantes a
500 y 800 mg L-1
Figura 25 Roca carbonatada imbibida de petroacuteleo
Se utilizoacute un tensioacutemetro de la marca Attension modelo Theta Lite 101 (figura 26) en donde
se analizaron los sistemas de estudio mencionados anteriormente empleando el meacutetodo de
gota seacutesil
Figura 26 Tensioacutemetro Attension Theta Lite 101
56
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemica
La dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS) a la que a veces se hace referencia como dispersioacuten de
luz cuasi elaacutestica (QELS) es una teacutecnica no invasiva y bien establecida para medir el tamantildeo
y distribucioacuten de tamantildeo de moleacuteculas partiacuteculas y agregados tiacutepicamente en la regioacuten
submicromeacutetrica y con la uacuteltima tecnologiacutea inferiores a 1 μm
Las aplicaciones tiacutepicas de la dispersioacuten de luz dinaacutemica son la caracterizacioacuten de partiacuteculas
emulsiones o moleacuteculas que se han dispersado o disuelto en un liacutequido El movimiento
Browniano de las partiacuteculas o moleacuteculas en suspensioacuten hace que la luz laacuteser se disperse en
diferentes intensidades [31] Con el anaacutelisis de estas fluctuaciones en la intensidad se obtiene
la velocidad del movimiento Browniano y por lo tanto del tamantildeo de partiacutecula mediante la
relacioacuten de Stokes-Einstein (figura 27)
Figura 27 Diagrama de funcionamiento de Dispersioacuten de luz dinaacutemica
A diferencia de la dispersioacuten de luz estaacutetica para determinar el tamantildeo de las partiacuteculas y
agregados la dispersioacuten de luz dinaacutemica no tiene en cuenta la dependencia del aacutengulo sino
la variacioacuten de la intensidad de dispersioacuten en el tiempo debido a la aglomeracioacuten de las
partiacuteculas con respecto al tiempo teniendo un efecto de sedimentacioacuten que provoca un
caacutelculo erroacuteneo de la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
Esta teacutecnica fisicoquiacutemica se utiliza para determinar el perfil de distribucioacuten de tamantildeos de
partiacuteculas pequentildeas en suspensioacuten mediante una fuente monocromaacutetica que pasa a traveacutes de
un polarizador y la muestra La luz dispersada pasa posteriormente a traveacutes de un segundo
57
polarizador donde es recogido por un fotomultiplicador y se obtiene una intensidad de
dispersioacuten determinada [32]
Para la experimentacioacuten se preparoacute la solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano con una
concentracioacuten de 100 mg L-1 se llevoacute a sonicacioacuten durante 15 minutos posteriormente se
colocaron 3 mL de la muestra en la celda y se realizoacute su anaacutelisis Asiacute mismo se estudiaron
las soluciones de roca impregnada en ciclohexano y la aplicacioacuten de los surfactantes sobre
las mismas a 500 y 800 mg L-1
Se utilizoacute un equipo de la marca Malvern modelo Zetasizer en donde se analizaron los
sistemas de estudio mencionados anteriormente
28 Potencial Zeta
El potencial zeta es una propiedad que mide el potencial electrocineacutetico en sistemas
coloidales en la quiacutemica coloidal se denota por lo general con la letra griega zeta Desde un
punto de vista fiacutesico el potencial zeta es el potencial eleacutectrico en la doble capa interfacial es
decir que es el punto donde se unen la capa difusa y la de Stern Tambieacuten el potencial zeta es
la diferencia de potencial entre el medio de dispersioacuten y la capa estacionaria unido a la
partiacutecula dispersada []
Las partiacuteculas coloidales dispersas en una solucioacuten estaacuten cargadas eleacutectricamente gracias a
sus caracteriacutesticas ioacutenicas y de bipolaridad El desarrollo de una red de carga eleacutectrica en la
superficie de la partiacutecula puede afectar la distribucioacuten de iones en una regioacuten interfacial
vecina y provocar un aumento de la concentracioacuten de iones contados (iones de carga
contraria a las partiacuteculas) cerca de la superficie tal como se muestra en la figura 27
58
Figura 27 Interacciones entre las partiacuteculas tras la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica [33]
Cada partiacutecula dispersa en una solucioacuten se rodea de iones cargados con carga opuesta que se
denomina capa fija Fuera de esta capa fija existen distintas composiciones de iones de
polaridad opuesta formando un aacuterea nebulosa De esta manera se crea una capa doble
eleacutectrica en la regioacuten de interfase partiacutecula- liacutequido
La medida del Potencial Z permite caracterizar y predecir el comportamiento de soacutelidos
macroscoacutepicos y de partiacuteculas en suspensiones liacutequidas en multitud de aplicaciones teacutecnicas
En suspensiones liacutequidas el Potencial Z es una medida de la atraccioacutenrepulsioacuten entre
partiacuteculas cargadas electrostaacuteticamente permitiendo estudiar la estabilidad de dispersiones
emulsiones suspensiones proteiacutenas poliacutemeros etc
En soacutelidos macroscoacutepicos es una propiedad importante de interfaces soacutelidoliacutequido cargadas
eleacutectricamente siendo un indicador de la carga superficial de un soacutelido en contacto con un
electrolito Esto permite estudiar las caracteriacutesticas y funcionalizacioacuten de superficies
Este anaacutelisis se realizoacute con un equipo de marca Malvern modelo ZetaSizer Se estudiaron
los sistemas Roca carbonatada roca impregnada de crudo asiacute como la aplicacioacuten de los
surfactantes a 500 y 800 mg L-1 utilizando como electrolito indiferente nitrato de sodio
01mM el cual permite la desestabilizacioacuten del coloide con la finalidad de que la corriente
eleacutectrica pase por todas las partiacuteculas y se obtenga una medicioacuten correcta del anaacutelisis Asiacute
mismo se varioacute el pH del sistema de 1 a 7 utilizando HCl 01 M y NaOH 01 M para
observar el efecto dispersivo de las partiacuteculas de roca
59
Capiacutetulo III
Resultados
31 Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenos
60
Se realizaron 3 extracciones de asfaltenos utilizando 10 mL de petroacuteleo en cada una se
obtuvieron entre 14182 g y 16875 g de asfaltenos lo cual representa un porcentaje de
recuperacioacuten en 1418 y 1675 El producto obtenido teniacutea una tonalidad oscura lo anterior
se observa en la figura 31
Figura 31 Asfaltenos obtenidos tras extraccioacuten
Asiacute mismo se realizoacute el procesos de impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada por
triplicado de los cuales se obtuvieron entre 169 g y 189 g de roca impregnada que
representa una recuperacioacuten entre 338 y 378 El producto teniacutea una tonalidad cafeacute oscura
lo anterior se observa en la figura 32
Figura 32 Roca impregnada de asfaltenos
32 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con transformada de Fourier
61
La elucidacioacuten de los espectros de FTIR se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura [35] indica que el carbonato de
calcio presenta sentildeales caracteriacutesticas de sus grupos funcionales tales como CO3 Ca-C y C-
O y Ca-CO3
321 Espectro FTIR de roca carbonatada
El espectro FTIR de la roca carbonatada se muestra en la figura 33 en el que se observa el
estiramiento del enlace Ca-C en 2513 cm-1 sentildeal caracteriacutestica del compuesto CaCO3 el
estiramiento de C-O en 1480 cm-1 y las vibraciones particulares del grupo CO3 en 714 y 877
cm-1 Estas sentildeales dan certeza de que el compuesto analizado es una roca de carbonato de
calcio
Figura 33 Espectro FTIR de roca carbonatada
62
322 Espectro de roca impregnada de asfaltenos
El espectro FTIR de la roca impregnada se muestra en la figura 34 en el que se observa el
estiramiento del enlace O-H en 3300 cm-1 las vibraciones simeacutetricas y asimeacutetricas de C-H
en 2988 y 2875 cm-1 la absorcioacuten energeacutetica del enlace C-H en 1625 cm-1 las flexiones de
los compuestos aromaacuteticos entre 1100 y 1500 cm-1 asiacute como la deformacioacuten noplanar del
anillo benceacutenico entre 700 y 900 cm-1 Estas sentildeales confirman la impregnacioacuten de asfaltenos
teniendo como principal diferencia frente a la roca carbonatada las flexiones y vibraciones
de los enlaces C-H y de los anillos aromaacuteticos presentes en la estructura asfalteacutenica teoacuterica
Figura 34 Espectro FTIR de roca impregnada de asfaltenos
63
33 Espectroscopia ultravioleta visible (UV-vis)
La elucidacioacuten de los espectros de UV-vis se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura indica la presencia de grupos
benceacutenicos y nafteacutenico en las estructuras quiacutemicas de los asfaltenos los cuales son
caracteriacutesticos de los mismos [29]
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada y roca impregnada
El espectro UV-vis de la roca carbonatada no presenta ninguna banda significativa esto se
debe principalmente a la ausencia de dobles y triples enlaces los cuales son sumamente
caracteriacutesticos en longitudes de 200 a 600 nm El espectro UV-vis de la roca impregnada
(figura 35) muestra 4 sentildeales las dos primeras retribuidas a los grupos benceacutenicos a 226 y
250 nm la tercera y cuarta a los grupos nafteacutenicos a 263 y 270 nm estructuras quiacutemicas
presentes en los asfaltenos
Se realizaron 6 experimentos iniciando con la roca carbonatada posteriormente la
evaluacioacuten de la roca impregnada de asfaltenos (RASF) variando la concentracioacuten de roca
(10 5 3 1 05 mg L-1)
Los espectros muestran desdoblamiento en las bandas debido al cambio electroacutenico en los
enlaces sigma y pi presentes en los ciclos aromaacuteticos Se observa el efecto de la concentracioacuten
de roca impregnada a 05 y 1 mg L-1 se tienen bandas maacutes definidas y caracteriacutesticas de los
asfaltenos a concentraciones mayores a lo anterior se enmascaran estas sentildeales debido a la
saturacioacuten de las partiacuteculas de roca impregnada en las muestra Lo anterior hace imposible
para el equipo la identificacioacuten precisa de los grupos funcionales caracteriacutesticos de la misma
64
Figura 35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnada
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
Esta teacutecnica se realizoacute con la finalidad de observar el tamantildeo y la forma de las partiacuteculas de
roca carbonatada asiacute como la composicioacuten elemental de la misma Se observa un
comportamiento de agregacioacuten entre las partiacuteculas por lo que se puede deducir un tamantildeo
entre 100 y 400 nm Con el anaacutelisis elemental del EDX se comproboacute la naturaleza de la roca
la cual estaacute formada de carbonato de calcio La literatura [36] indica las sentildeales caracteriacutesticas
de este compuesto el carbono con una sentildeal en 028 keV el oxiacutegeno en 053 keV y el calcio
con dos picos en 369 y 401 keV y de partiacuteculas nanomeacutetricas de forma esfeacutericas lo anterior
esto se puede observar en la figura 36
65
36 Anaacutelisis SEMEDS de roca carbonatada
35 Imbibicioacuten espontaacutenea
Se obtuvieron las rocas imbibidas tras un proceso de 7 diacuteas [37] y se pesaron para conocer la
cantidad de crudo absorbido dentro de su estructura porosa Asiacute mismo se fracturaron las
rocas para comprobar la presencia del hidrocarburo dentro de la roca lo cual se observa en
la figura 37 En la tabla 31 se muestra la masa inicial y final de la roca asiacute como el
porcentaje de masa absorbida de crudo teniendo porcentajes entre 4 y 5
66
Figura 37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudo
Tabla 31 Resultados de rocas imbibidas
Muestra Masa Inicial (g) Masa Final (g)
1 103315 108098 46295
2 92475 96736 46077
36 Anaacutelisis del aacutengulo de contacto del crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
La medicioacuten del aacutengulo de contacto de diferentes sistemas de estudio aporta informacioacuten
sobre la interaccioacuten entre las interfaces soacutelidas y liquidas el comportamiento de un fluido
sobre una superficie asiacute como la variacioacuten de la misma con la aplicacioacuten de un agente en
este caso un surfactante
361 Roca no imbibida
Se colocaron los disolventes empleados en la experimentacioacuten variado uacutenicamente los
surfactantes y la concentracioacuten de los mismos En la figura 38 se muestra el aacutengulo de
contacto de la salmuera sobre la roca se observa que con la aplicacioacuten de los surfactantes
este aacutengulo disminuye deduciendo un aumento en la afinidad entre la roca y el disolvente
[38] Lo anterior se debe principalmente al aumento de la concentracioacuten de iones provocando
un efecto de pantalla que reduce las repulsiones electrostaacuteticas entre las moleacuteculas anfifiacutelicas
67
facilitando la formacioacuten de micelas en el sistema y asiacute aumentando la mojabilidad de la
salmuera obseacutervese en tabla 32
Figura 38 Angulo de contacto de la salmuera
Tabla 32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio
El efecto de las sales presentes en el agua congeacutenita en la formacioacuten micelar (figura 39)
propicia un incremento en la mojabilidad con la aplicacioacuten del surfactante lo cual se muestra
en la tabla 33
Figura 39 Angulo de contacto del agua congeacutenita
Tabla 33 Aacutengulos de contacto del agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio
68
Del mismo modo se colocaron sobre la superficie de la roca los diferentes sistemas de estudio
(emulsiones) los cuales variaban en el tipo de surfactante la concentracioacuten y el tipo de
disolvente empleado El aacutengulo de contacto del petroacuteleo se muestra en la figura 310
Figura 310 Angulo de contacto del petroacuteleo
Con una concentracioacuten de 500 mg L-1 de surfactante (tabla 34) se observa una disminucioacuten
del aacutengulo de contacto de la emulsioacuten lo anterior se atribuye al efecto de las cabezas
catioacutenicas sobre los agregados asfalteacutenicos los cuales son dispersados provocando una
mayor interaccioacuten con la roca y aumentando la mojabilidad sobre la misma
Tabla 34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 mg L-1
69
Con una concentracioacuten de 800 mg L-1 de surfactante (tabla 35) se observa un efecto similar
al sistema de estudio anterior un decremento del aacutengulo de contacto atribuido al efecto
pantalla de las sales de los disolvente en la concentracioacuten micelar dispersando los agregados
asfalteacutenicos y de esta forma aumentando la mojabilidad del sistema sobre la roca
carbonatada
Tabla 35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 mg L-1
362 Roca imbibida por petroacuteleo
70
Se colocaron los sistemas de estudio (salmuera y agua congeacutenita) sobre la roca impregnada
de crudo se observoacute una disminucioacuten en el aacutengulo de contacto menor que el estudio sobre
la roca carbonatada Lo anterior se debe a la alta hidrofobicidad de la superficie de la roca
la cual estaba impregnada en su totalidad de hidrocarburo y que aun con la aplicacioacuten de los
surfactantes se repelioacute el efecto de las cabezas catioacutenicas teniendo como consecuencia el
decremento del aacutengulo de contacto Las tablas 36 y 37 muestran los aacutengulos de contacto
tras la aplicacioacuten del surfactante
Tabla 36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 mg L-1
Tabla 37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 800 mg L-1
71
En la Tabla 38 se presentan los resultados del caacutelculo de tensioacuten interfacial y mojabilidad
los cuales son paraacutemetros que describen el comportamiento de las fuerzas intermoleculares
en la interfase soacutelido-liacutequido
Tabla 38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio
Fase soacutelida
Fase liacutequida
Surfactante (Sx)
Concentracioacuten (mg L-1)
Aacutengulo de
contacto ϴ
(deg)
Tensioacuten interfacial γ (dina cm-1)
Mojabilidad W
Roca carb Salmuera 8149 576 661
Roca carb Salmuera S1 500 5539 518 812
Roca carb Salmuera S1 800 5173 537 869
Roca carb Salmuera S2 500 4549 441 827
Roca carb Salmuera S2 800 4242 557 856
Roca Imb Salmuera S1 500 6956 421 566
Roca Imb Salmuera S1 800 6957 451 606
Roca Imb Salmuera S2 500 6681 472 657
Roca Imb Salmuera S2 800 7408 549 699
Roca carb Agua Cong 7391 528 674
Roca carb Agua Cong S1 500 4785 431 72
Roca carb Agua Cong S1 800 4069 446 784
Roca carb Agua Cong S2 500 4809 439 732
Roca carb Agua Cong S2 800 3327 42 771
Roca Imb Agua Cong S1 500 7456 525 664
Roca Imb Agua Cong S1 800 6575 494 696
Roca Imb Agua Cong S2 500 765 472 581
Roca Imb Agua Cong S2 800 6788 483 664
Roca carb Petroacuteleo 11177 838 536
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 500 8313 582 651
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 800 936 605 567
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 500 9088 652 641
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 800 8645 629 667
Roca carb Emulsioacuten AC S1 500 10289 815 641
Roca carb Emulsioacuten AC S1 800 9562 698 629
Roca carb Emulsioacuten AC S2 500 9846 782 666
Roca carb Emulsioacuten AC S2 800 9056 675 668
En los diferentes anaacutelisis sobre roca carbonatada con la aplicacioacuten de surfactantes en
salmuera o agua congeacutenita se observa una disminucioacuten del aacutengulo de contacto lo que implica
una menor tensioacuten en la interfase soacutelido-liacutequido obteniendo mayor mojabilidad en cada uno
de los sistemas Lo anterior se basa principalmente en el efecto dispersivo de los surfactantes
72
sobre las agregaciones asfalteacutenicas siendo las cabezas catioacutenicas las responsables de evitar
la apilacioacuten de los asfaltenos y disgregaacutendolas por todo el sistema
Asiacute mismo se observa el efecto de la concentracioacuten de los surfactantes en los diferentes
sistemas de estudio obteniendo menor tensioacuten interfacial a una concentracioacuten de 500 mgL-1
debido a la saturacioacuten ideal del aditivo en la muestra
37 Dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS)
Con el anaacutelisis DLS se estudioacute la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
y la roca impregnada asiacute como el efecto de los surfactantes en el sistema de estudio En la
figura 311 se muestra la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
(unimodal 1496 nm) a su vez en la figura 312 se observa la distribucioacuten de la roca
impregnada (unimodal 4063 nm) Posteriormente con la aplicacioacuten de los surfactantes se
comproboacute la disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula con S1 (unimodal 219 nm) y S2 (
unimodal 282 nm) Lo anterior se atribuye al efecto de los surfactantes sobre la superficie
impregnada que al entrar en contacto con los agregados asfalteacutenicos se generoacute la dispersioacuten
de los mismos disminuyendo de esta forma el tamantildeo de la partiacutecula [32] Ambos surfactantes
facilitan la dispersioacuten de los asfaltenos que recubren la superficie de la partiacutecula provocando
la reduccioacuten en el tamantildeo de la misma obseacutervese figs 313 y 314
Figura 311 Anaacutelisis DLS de roca carbonatada
73
Figura 312 Anaacutelisis DLS de roca impregnada
Figura 313 Anaacutelisis DLS de roca impregnada aplicando S3
Figura 314 DLS de roca impregnada aplicando S4
74
La disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de las rocas impregnadas se asocia al efecto
dispersivo de los surfactantes mencionado en las pruebas tensiomeacutetricas donde las parte
catioacutenica del compuesto inhibe la aglomeracioacuten de las moleacuteculas asfalteacutenicas provocando
no solo el cambio de la mojabilidad del sistema de estudio si no tambieacuten la disgregacioacuten de
los asfaltenos encontrados en la superficie de la roca carbonatada por tanto un decrecimiento
en la distribucioacuten de tamantildeo partiacutecula en la roca impregnada
38 Potencial Zeta
Con el anaacutelisis de potencial zeta se observoacute las fuerzas de atraccioacuten yo repulsioacuten de cada
sistema de estudio La literatura indica que en todo sistema en suspensioacuten coloidal existe un
equilibrio entre las fuerzas de repulsioacuten y las fuerzas de atraccioacuten molecular (Van del Waals)
resultando la aglomeracioacuten o dispersioacuten del sistema Si el sistema tiene carga positiva el
sistema es atractivo por lo que existen las fuerzas de atraccioacuten entre las partiacuteculas son
mayores que las fuerzas de repulsioacuten Si el sistema es negativo el sistema es repulsivo y se
tiene un efecto contrario al anterior Mientras maacutes alejado del cero se encuentre la muestra
mayor estabilidad le seraacute conferida debido a la relacioacuten entre las fuerzas intermoleculares
eso significa que se provocaraacute menor agregacioacuten facilitando la dispersioacuten del soluto [33] En
la figura 315 se muestra el efecto del pH en la dispersioacuten de los asfaltenos con la aplicacioacuten
de los surfactantes la tendencia se vuelve maacutes negativa por lo tanto existe mayor estabilidad
en el coloide disminuyendo la agregacioacuten de los asfaltenos
Este efecto se observoacute en las pruebas de DLS en donde los surfactantes dispersaron las
moleacuteculas de asfaltenos disminuyendo de esta forma la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
lo anterior se asocia a la disgregacioacuten de los asfaltenos observado en potencial Zeta
obteniendo una fase dispersa en el sistema
75
Figura 315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando el pH
76
Conclusiones
Se comproboacute el efecto dispersivo de los surfactantes sulfatados sobre los agregados
asfalteacutenicos causado principalmente por las cargas electroacutenicas presentes en estos
compuestos que al entrar en contacto con los asfaltenos provocaron la disgregacioacuten de
los mismos Dicho efecto fue visible en la mayoriacutea de las teacutecnicas empleadas generando
cambios en las interacciones moleculares de los sistemas de estudio y en las fuerzas de
la interfase soacutelido-liacutequido
Las teacutecnicas de caracterizacioacuten FTIR UV-vis corroboraron la presencia de grupos
funcionales caracteriacutesticos de la roca carbonatada asiacute como de la roca impregnada de
asfaltenos La teacutecnica de SEMEDX corroboroacute la existencia de los elementos que
componen a la roca y brindoacute informacioacuten importante sobre el tamantildeo y la forma de los
las partiacuteculas de roca
Las pruebas de aacutengulo de contacto por el meacutetodo de gota seacutesil comprobaron el efecto
superficial de los surfactantes en los diferentes sistemas de estudio cambiando la
tensioacuten interfacial de cada uno y afectando una caracteriacutestica innata de la roca su
mojabilidad Los aacutengulos de contacto tras la aplicacioacuten de los surfactantes sufrieron una
disminucioacuten por la facilidad de los aditivos antes mencionados para dispersar las capas
de agregacioacuten de los asfaltenos provocando una mejor interaccioacuten con la fase soacutelida
Mediante el anaacutelisis de Dispersioacuten de luz Dinaacutemica (DLS) se consiguioacute fundamentar el
efecto dispersivo de los surfactantes observado en las pruebas tensiomeacutetricas siendo de
gran importancia los resultados obtenidos de distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula en
donde con la aplicacioacuten de los surfactantes se consiguioacute disminuir este paraacutemetro por
la la difusioacuten de los agregados asfalteacutenicos contenidos en la superficie de la roca siendo
afectados principalmente por las cargas electroacutenicas cabezas catioacutenicas
La teacutecnica de potencial Zeta corroboroacute lo anterior debido a la facilidad de las muestras
con surfactantes para alcanzar la estabilidad coloidal por lo que se demuestra un efecto
77
contrario a la agregacioacuten un efecto dispersivo de los asfaltenos provocado por las
cargas presentes en las cadenas de los aditivos
78
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dispersivo de los asfaltenos frente a liacutequidos ioacutenicos sulfatados
11 Petroacuteleo
El petroacuteleo es una mezcla homogeacutenea de compuestos orgaacutenicos de estructura variada
principalmente hidrocarburos insolubles en agua En general es posible agrupar los
constituyentes del petroacuteleo en cuatro grupos orgaacutenicos bien definidos Saturados
Aromaacuteticos Resinas y Asfaltenos este conjunto es conocido como SARA Es un liacutequido
viscoso cuyo color variacutea entre amarillo y pardo obscuro hasta negro con reflejos verdes
Ademaacutes tiene un olor caracteriacutestico y flota en el agua Tambieacuten es conocido como petroacuteleo
crudo o simplemente crudo Se produce en el interior de la Tierra por transformacioacuten de la
materia orgaacutenica acumulada en sedimentos del pasado geoloacutegico y puede acumularse en
trampas geoloacutegicas naturales de donde se extrae mediante la perforacioacuten de pozos [13]
Las moleacuteculas de hidrocarburos que en forma colectiva constituyen el petroacuteleo estaacuten
formadas por distintas combinaciones de aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Seguacuten el nuacutemero
de aacutetomos de carbono de hidroacutegeno y de la distribucioacuten estructural de las mismas se tienen
los distintos hidrocarburos que abarcan desde el gas natural hasta los hidrocarburos soacutelidos
Comuacutenmente se denomina como petroacuteleo a aquella mezcla de hidrocarburos que a las
condiciones de temperatura y presioacuten ambientales estaacute en estado liacutequido En la naturaleza se
pueden encontrar afloraciones naturales de hidrocarburos muchos de ellos conocidos desde
la antiguumledad aunque la produccioacuten comercial se obtiene de acumulaciones que se localizan
en algunos lugares del subsuelo con profundidades variables desde pocos metros hasta
profundidades mayores a cinco mil metros [14]
Mientras mayor sea el contenido de carboacuten en relacioacuten al del hidroacutegeno mayor es la cantidad
de productos pesados que tiene el crudo [15] Esto depende de la edad del yacimiento y de
algunas caracteriacutesticas geoloacutegicas No obstante se ha comprobado que entre maacutes antiguos
son tienen maacutes hidrocarburos gaseosos y soacutelidos y menos liacutequidos entran en su
composicioacuten
5
Es un recurso natural no renovable y actualmente es la principal fuente de energiacutea en
los paiacuteses desarrollados El petroacuteleo liacutequido puede presentarse asociado a capas de gas
natural en yacimientos que han estado enterrados durante millones de antildeos cubiertos por los
estratos superiores de la corteza terrestre Los factores de presioacuten temperatura y procesos
quiacutemicos y fiacutesicos ayudados por la carencia de oxiacutegeno posibilitan la formacioacuten de petroacuteleo
liacutequido y de gas
La conversioacuten de materia orgaacutenica en petroacuteleo ocurre en varias etapas [15]
Degradacioacuten bioquiacutemica la accioacuten de las bacterias en un ambiente aerobio
oxidan la materia orgaacutenica
Policondensacioacuten e insolubilizacioacuten se produce un reordenamiento molecular
en dos etapas originaacutendose una sustancia insoluble en aacutelcalis con estructura
parecida al keroacutegeno
Cracking primario es la primera reaccioacuten de generacioacuten de hidrocarburos
regida por la ley de Arrhenius de donde se puede obtener petroacuteleo y gas
Cracking secundario se destruye la fraccioacuten inestable generando gas y
residuos carbonosos
111 Composicioacuten del petroacuteleo
El petroacuteleo crudo es la materia prima principal de la industria de Refinacioacuten del Petroacuteleo
estaacute constituido por una mezcla de diferentes tipos de hidrocarburos cuyas moleacuteculas se
componen de Carbono e Hidroacutegeno con un pequentildeo porcentaje de otros elementos
conformando hidrocarburos de estructuras maacutes o menos complejas como compuestos
heterociacuteclicos de nitroacutegeno oxiacutegeno y azufre compuestos organometaacutelicos ademaacutes contiene
sedimentos inorgaacutenicos y agua [16] La composicioacuten aproximada de los crudos puede verse
en la Tabla 11
6
Tabla11 Composicioacuten elemental del petroacuteleo
Elemento Composicioacuten (peso)
Carbono 84-87
Hidroacutegeno 11-14
Azufre 0-5
Nitroacutegeno 0-02
Oxiacutegeno 0-05
112 Clasificacioacuten de petroacuteleo
Son miles los compuestos quiacutemicos que constituyen el petroacuteleo [16] y entre muchas otras
propiedades estos compuestos se diferenciacutean por su volatilidad (dependiendo de la
temperatura de ebullicioacuten) Al calentarse el petroacuteleo se evaporan preferentemente los
compuestos ligeros (de estructura quiacutemica sencilla y bajo peso molecular) de tal manera que
conforme aumenta la temperatura los componentes maacutes pesados van incorporaacutendose al
vapor
Las curvas de destilacioacuten TBP (del ingleacutes ldquotrue boiling pointrdquo temperatura de ebullicioacuten real)
distinguen a los diferentes tipos de petroacuteleo y definen los rendimientos que se pueden obtener
de los productos por separacioacuten directa [17] Por ejemplo mientras que en el crudo Istmo se
obtiene un rendimiento directo de 26 volumeacutetrico de gasolina en el Maya soacutelo se obtiene
157 [17]
La industria mundial de hidrocarburos liacutequidos clasifica el petroacuteleo de acuerdo con su
densidad API (paraacutemetro internacional del Instituto Americano del Petroacuteleo que diferenciacutea
las calidades del crudo) La Tabla 12 muestra estas clasificaciones
Tabla 12 Clasificacioacuten del petroacuteleo crudo [18]
Aceite crudo Densidad
( g cm3)
Densidad
grados API
Extrapesado gt10 100
Pesado 10 - 092 100 - 223
Mediano 092 - 087 223 - 311
7
Ligero 087 - 083 311 - 39
Superligero lt 083 gt 39
Para exportacioacuten en Meacutexico se preparan tres variedades de petroacuteleo crudo
a) Istmo Ligero con densidad de 336 grados API y 13 de azufre en peso
b) Maya Pesado con densidad de 22 grados API y 33 de azufre en peso
c) Olmeca Superligero con densidad de 393 grados API y 08 de azufre en peso
Atendiendo a la mayor proporcioacuten del tipo de hidrocarburos que conforman la mezcla los
crudos se clasifican seguacuten su base parafiacutenica nafteacutenica asfaacuteltica y mixta [15]
Base parafiacutenica Las parafinas livianas dan buenos aceites para usos domeacutesticos pues no
producen humo al quemarse tienden a resistir el calor Las parafinas maacutes espesas contienen
cristales blancos y blandos que cuando son aislados y refinados forman lo que se conoce
como cera parafinada Se encuentran generalmente en Pennsylvania West Virginia y centro
de Estados Unidos
Base nafteacutenica Generalmente contienen gran proporcioacuten de fracciones volaacutetiles es decir
componentes que se evaporan faacutecilmente Se encuentran generalmente en Rusia Peruacute
California y Golfo de Meacutexico En Cuba se encuentra en la zona de Motembo
Base asfaacuteltica Contienen ademaacutes de carbono e hidroacutegeno gran cantidad de azufre En la
destilacioacuten avanzada o maacutes completa rinden una cantidad relativamente alta de alquitraacuten y
asfalto Se pueden encontrar en Meacutexico Venezuela California y el Caribe
Base mixta Ninguacuten crudo es realmente netamente nafteacutenico asfaacuteltico o parafiacutenico en su
composicioacuten quiacutemica sino que contienen proporciones de los otros tipos caracterizaacutendose
por la predominancia del compuesto en mayoriacutea Sin embargo ciertos crudos de Kansas
Oklahoma y Texas tienen contenidos muy similares de nafta parafinas y asfaltos lo que
resulta imposible clasificarlos en una sola de estas clases
8
Asiacute mismo se puede clasificar al petroacuteleo crudo considerando dos grandes grupos de
hidrocarburos saturados y no saturados Cuando todas las valencias de los aacutetomos de carbono
se comparten con otros aacutetomos es saturado cuando hay falta de hidroacutegeno es no saturado y
se pueden compartir dos y hasta tres valencias entre un aacutetomo de carbono con otro aacutetomo [16]
Los saturados y no saturados se dividen a su vez en dos grupos importantes cada uno lo cual
se muestra en la figura 11
Figura 11 Clasificacioacuten de las fracciones de petroacuteleo
Las parafinas son las maacutes ricas en hidroacutegeno son saturadas y por tanto relativamente estables
Las parafinas comunes son liacutequidos pero se pueden encontrar gaseosas o soacutelidas La foacutermula
general es CnH2n+2
Los naftenos (ciclanos o ciclo alcanos) son saturados lo que hace que sean resistentes a los
cambios incluyendo la oxidacioacuten Son relativamente insolubles en aacutecido sulfuacuterico
concentrado Los maacutes importantes son ciclopentano y ciclohexano La foacutermula general es
CnH2n
Los no saturados tienden a formar gomas lacas y fangos al unirse al oxiacutegeno y separarse del
carbono que es un enlace relativamente menos estable
Las olefinas son no saturados o insaturados y por lo que tienen deficiencia de hidroacutegeno
consecuentemente son muy reactivos y combinan faacutecilmente con el hidroacutegeno oxiacutegeno
cloro y azufre esto causa que no se deseen altos porcentajes de olefinas en los combustibles
9
sin embargo son apreciados en la manufactura de varios productos entre ellos el plaacutestico La
foacutermula general es CnH2n
Los aromaacuteticos son no saturados pero actuacutean como saturados Son deseables en la gasolina
pues tienen altas propiedades antidetonantes El nombre aromaacuteticos surge por su olor
caracteriacutestico Algunos se usan en la produccioacuten del TNT colorantes plaacutesticos insecticidas
etc Hoy en diacutea se ha limitado su concentracioacuten en los derivados por ser dantildeinos a la salud
son altamente canceriacutegenos La foacutermula general es CnH2n-6 [19]
113 Derivados del petroacuteleo
Un derivado del petroacuteleo es un producto procesado en una refineriacutea usando como materia
prima el petroacuteleo Seguacuten la composicioacuten del crudo y la demanda las refineriacuteas pueden
producir distintos productos derivados del petroacuteleo La mayor parte del crudo es usado como
materia prima para obtener energiacutea por ejemplo la gasolina Tambieacuten producen sustancias
quiacutemicas que se puede utilizar en procesos quiacutemicos para producir plaacutestico yo otros
materiales uacutetiles
Dentro de los productos que se generan a partir del petroacuteleo se tienen [17]
bull Gasolinas liacutequidas (fabricadas para automoacuteviles y aviacioacuten en sus diferentes grados
queroseno diversos combustibles de turbinas de avioacuten y el gasoacuteleo entre otros)
bull Lubricantes (aceites para maquinarias aceites de motor y grasas Estos compuestos llevan
ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ignicioacuten)
bull Parafinas Es la materia prima para la elaboracioacuten de velas y similares ceras para pisos
foacutesforos papel parafinado vaselinas faacutermacos etc
bull Cloruro de polivinilo (PVC) Existen dos tipos de cloruro de polivinilo tienen alta
resistencia a la abrasioacuten y a los productos quiacutemicos Se utiliza para hacer manteles cortinas
para bantildeo muebles alambres y cables eleacutectricos Tambieacuten se utiliza para la fabricacioacuten de
riego juntas techado y botellas
10
bull Plaacutesticos pinturas barnices disolventes fertilizantes e insecticidas detergentes cauchos
artificiales negro de humo polieacutester y muchos maacutes
bull Detergentes usados para limpieza
bull Azufre subproductos de la eliminacioacuten del azufre del petroacuteleo que pueden tener hasta un
2 de azufre como compuestos de azufre El azufre y aacutecido sulfuacuterico son materiales
importantes para la industria
bull Asfalto se utiliza como aglutinante para la grava que forma de asfalto concreto que se
utiliza para la pavimentacioacuten de carreteras etc
bull Petroquiacutemicos estos pueden ser hidrocarburos olefinas o sus precursores o diversos tipos
de quiacutemicos como aromaacuteticos y tienen una gran variedad de usos Por lo general son
utilizados como monoacutemeros como disolventes como precursores de una gran variedad de
sustancias quiacutemicas y productos quiacutemicos tales como los liacutequidos limpiadores de los
vehiacuteculos surfactante de la limpieza etc [19]
114 Importancia del petroacuteleo
El petroacuteleo tiene una gran trascendencia en la gran mayoriacutea de las actividades cotidianas Del
crudo se obtiene gasolina y diesel para autos y autobuses combustible para barcos y aviones
Se usa para generar electricidad obtener energiacutea caloriacutefica para faacutebricas hospitales y oficinas
y diversos lubricantes para maquinaria y vehiacuteculos La industria petroquiacutemica usa productos
derivados de eacutel para hacer plaacutesticos fibras sinteacuteticas detergentes medicinas conservadores
de alimentos hules y agroquiacutemicos El petroacuteleo ha transformado la vida de las personas y la
economiacutea de las naciones Su descubrimiento creoacute riqueza modernidad pueblos industriales
proacutesperos y nuevos empleos motivando el crecimiento de las industrias mencionadas [19]
12 Yacimiento
11
Un yacimiento de petroacuteleo puede definirse como un volumen poroso que contiene agua
petroacuteleo y a veces una fase gaseosa La proporcioacuten volumeacutetrica del petroacuteleo puede alcanzar
a veces el 40 El medio poroso del yacimiento o roca almaceacuten es de origen sedimentario
de tipo arenisca o caliza consolidado o no El diaacutemetro de poro variacutea ampliamente seguacuten la
roca pero es de tamantildeo microscoacutepico desde algunas fracciones de miliacutemetro a algunos
microacutemetros [20]
Cada medio poroso tiene sus caracteriacutesticas porosidad el porcentaje de volumen vaciacuteo
permeabilidad una medida de la resistencia al movimiento de los fluidos mojabilidad una
medida de la naturaleza superficial de la roca
Debido a su origen sedimentario el medio poroso del yacimiento es a menudo heterogeacuteneo
como consecuencia de las variaciones ocurridas durante el largo proceso de sedimentacioacuten
que formoacute la roca Estas heterogeneidades pueden existir a la escala de los poros o bien a la
escala macroscoacutepica en forma zonas muy o poco permeables y eventualmente de grietas
Las heterogeneidades complican las operaciones de produccioacuten porque tienden a producir
caminos preferenciales y segregaciones [21]
121 Clasificacioacuten geoloacutegica de yacimientos
Geoloacutegicamente los yacimientos se clasifican en estratigraacuteficos estructurales y combinados
[22]
Estratigraacuteficos lentes de arena cambios de facies calizas o dolomitas porosas
cambios de permeabilidad
Estructurales Fracturas en calizas o rocas iacutegneas discordancias fallas en areniscas
sinclinales anticlinales domos salinos etc
Combinados Hace referencia a las posibles combinaciones que se presenten entre los
dos grupos anteriores
La clasificacioacuten anterior se puede observar en la figura 12
12
Figura 12 Clasificacioacuten de yacimientos [22]
122 Condiciones de explotacioacuten
La produccioacuten de petroacuteleo involucra dos aspectos El primero es la produccioacuten uacuteltima posible
en funcioacuten de las teacutecnicas empleadas y el segundo es el ritmo de produccioacuten de acuerdo con
el comportamiento de los pozos y de los diferentes meacutetodos de estimulacioacuten aplicables
(fracturacioacuten acidificacioacuten inyeccioacuten de vapor) Tradicionalmente se hace la distincioacuten entre
dos periacuteodos durante la explotacioacuten de un yacimiento la recuperacioacuten primaria y la
recuperacioacuten secundaria Desde el aumento del precio del petroacuteleo al principio de los antildeos
70 se considera ademaacutes una eventual recuperacioacuten terciaria yo una recuperacioacuten
(secundaria) mejorada [14]
123 Recuperacioacuten primaria
Durante este periacuteodo el petroacuteleo se drena naturalmente hacia los pozos bajo el efecto del
gradiente de presioacuten existente entre el fondo de los pozos y el seno del yacimiento
En muchos yacimientos profundos la presioacuten es mayor que la presioacuten hidrostaacutetica lo que
hace que el petroacuteleo llegue a la superficie con el solo aporte energeacutetico del yacimiento A
medida que se expanden los fluidos en el yacimiento la presioacuten tiende a bajar en forma maacutes
13
o menos raacutepida seguacuten los mecanismos involucrados En ciertos casos puede existir un
mecanismo de compensacioacuten natural que reduzca notablemente la velocidad de decaimiento
de la presioacuten como la compactacioacuten de sedimento (subsidencia) la migracioacuten de un acuiacutefero
activo o la lenta expansioacuten de una bolsa de gas
Cuando el pozo no es eruptivo o cuando la presioacuten se ha reducido se necesita un aporte
externo de energiacutea para disminuir la presioacuten en fondo de pozo O bien se bombea el crudo
desde el fondo del pozo o bien se utiliza el meacutetodo del levantamiento con gas este consiste
en inyectar gas en fondo de pozo de tal forma que el fluido producido sea una mezcla de gas
y petroacuteleo de densidad suficientemente baja para llegar a la superficie bajo el efecto de la
presioacuten del yacimiento [20]
El periacuteodo de recuperacioacuten primaria tiene una duracioacuten variable pero siempre se lleva a cabo
ya que permite recoger numerosas informaciones sobre el comportamiento del yacimiento
las cuales son de primera importancia para la planificacioacuten de la explotacioacuten ulterior
La recuperacioacuten primaria se termina cuando la presioacuten del yacimiento ha bajado demasiado
o cuando se estaacuten produciendo cantidades demasiado importantes de otros fluidos (gas
agua) El porcentaje de recuperacioacuten primaria del crudo originalmente en sitio es en promedio
del orden de 10-15 pero puede ser tan bajo como 5 en yacimientos sin gas disuelto o
alcanzar 20 y auacuten maacutes en yacimientos que poseen una baja permeabilidad y una bolsa de
gas o un acuiacutefero activo
Anteriormente se explotaba el yacimiento en recuperacioacuten primaria hasta que los gastos de
explotacioacuten se vuelvan prohibitivos en cuyo momento se pasaba a los meacutetodos de
recuperacioacuten secundaria Hoy en diacutea se inician las operaciones de recuperacioacuten secundaria
mucho antes de llegar a este punto y la seleccioacuten del meacutetodo de explotacioacuten en un yacimiento
o en una parte de un yacimiento obedece a criterios de optimizacioacuten [22]
14
124 Recuperacioacuten secundaria
Los meacutetodos de recuperacioacuten secundarios consisten en inyectar dentro del yacimiento un
fluido menos costoso que el petroacuteleo para mantener un gradiente de presioacuten Estos fluidos se
inyectan por ciertos pozos (inyectores) y desplazan o arrastran una parte del petroacuteleo hacia
los otros pozos (productores) [14]
Hasta el principio de los antildeos 70 el bajo precio del crudo haciacutea que los uacutenicos fluidos
susceptibles de inyectarse econoacutemicamente eran el agua y en ciertos casos el gas natural
El drenaje por agua permite elevar la recuperacioacuten del aceite originalmente en sitio hasta un
promedio de 25-30 con variaciones desde 15 hasta 40 seguacuten los casos
125 Recuperacioacuten terciaria yo mejorada
Despueacutes de las recuperaciones primaria y secundaria el yacimiento contiene todaviacutea 60-
80 (promedio 72) del crudo originalmente en sitio Esto se debe a que la eficiencia de los
meacutetodos de recuperacioacuten primaria y secundaria estaacute limitada por dos factores [14]
A la escala de los poros el crudo alcanza una saturacioacuten residual suficientemente baja
para encontrarse en forma de gloacutebulos discontinuos atrapados por las fuerzas
capilares
A la escala del yacimiento existen ciertas zonas en las cuales el fluido inyectado
durante la recuperacioacuten secundaria no penetra por la baja permeabilidad de estas
zonas porque siguen caminos preferenciales o porque la geometriacutea de implantacioacuten
de los pozos no es favorable
Entre los meacutetodos cuyo propoacutesito es mejorar la eficiencia del desplazamiento mediante una
reduccioacuten de las fuerzas capilares se pueden citar la utilizacioacuten de solventes miscibles con
el crudo y la obtencioacuten de baja tensioacuten interfacial con soluciones de surfactantes o soluciones
alcalinas Para mejorar la eficiencia de barrido se puede reducir la viscosidad del crudo
mediante calentamiento aumentar la viscosidad del agua con poliacutemeros hidrosolubles o
taponar los caminos preferenciales por ejemplo con espumas [21]
15
Los meacutetodos actualmente propuestos para la recuperacioacuten mejorada involucran uno o varios
de estos aspectos En lo que se refiere a la utilizacioacuten de surfactantes se destacan los
siguientes
Drenaje miscible con microemulsiones
Drenaje inmiscible con soluciones de surfactantes y poliacutemeros (y a veces aacutelcali)
Inyeccioacuten de vapor con surfactante ndash espumas
126 Generalidades de pozos
La estimulacioacuten de pozos se utiliza para mejorar la productividad de pozos petroleros Esto
se logra inyectando fluidos al pozo y dependiendo del gasto y presioacuten de inyeccioacuten
alcanzada seraacute el tipo de estimulacioacuten realizada Para aumentar la produccioacuten de un pozo se
debe tratar la roca situada en la cercaniacutea para aumentar su permeabilidad esto se debe a que
la geometriacutea ciliacutendrica del pozo produce una mayor resistencia al flujo en la vecindad del
mismo Existen esencialmente dos meacutetodos de estimulacioacuten que pueden emplearse solos o
juntos la fracturacioacuten y la acidificacioacuten [23]
En ambos tipos de procesos se usan surfactantes como dispersantes de partiacuteculas finas (alquil
fenoles y alquil amonios etoxilados) y como inhibidores de corrosioacuten (alquilpiridinios)
En el proceso de fracturacioacuten se inyecta bajo alta presioacuten una mezcla de agua y de arena La
arena penetra en las fracturas producidas e impide que se vuelvan a cerrar cuando la presioacuten
retorna a lo normal
En la acidificacioacuten se inyecta una solucioacuten aacutecida (HCl HF) extremadamente corrosiva para
los metales pero capaz de disolver la roca almaceacuten (carbonato siacutelica) Se usan alquil
piridinios como inhibidores de corrosioacuten alquil fenoles etoxilados como humectantes y
alquil amonios etoxilados como dispersantes de partiacuteculas finas
A menudo en presencia de carbonatos se desea retardar la acidificacioacuten para que el fluido
aacutecido pueda penetrar a cierta distancia del pozo antes de reaccionar con la roca
Uno de los meacutetodos de retardacioacuten consiste en emulsionar la fase acuosa aacutecida en queroseno
en forma WO Para tales emulsiones se usan sulfonatos de petroacuteleo o sales de aacutecidos
16
carboxiacutelicos por la interaccioacuten que presentan los grupos ldquosulfatordquo con los hidrocarburos [22]
Siendo el queroseno la fase continua el contacto aacutecido-roca no se produce inmediatamente
y la emulsioacuten puede penetrar a varios metros del pozo antes de que se consuma todo el aacutecido
obseacutervese en la figura 13
Figura 13 Acidificacioacuten controlada mediante la inyeccioacuten de una emulsioacuten de aacutecido en
queroseno [23]
Otro meacutetodo de retardacioacuten consiste en inyectar nitroacutegeno con la solucioacuten aacutecida la cual
contiene agentes espumantes como alquil eacutester sulfatos surfactantes etoxilados y a veces
surfactantes fluorocarbonados La espuma formada juega dos papeles de una parte reduce el
contacto entre el aacutecido y la roca y por lo tanto reduce la velocidad de ataque Por otra parte
tienen tendencia en llenar las fracturas y taponarlas (efecto Jamin) lo que obliga al aacutecido a
penetrar en la zonas de baja permeabilidad (figura 14)
14 Acidificacioacuten y taponamiento con inyeccioacuten de espumas
Sin embargo estos dos uacuteltimos meacutetodos deben emplearse con cierto cuidado para evitar el
taponamiento del pozo con emulsiones o espumas debido a la presioacuten con la que actuacutean en
17
el mismo sistema lo que puede luego tener un efecto desfavorable sobre la produccioacuten[22]
Despueacutes de la acidificacioacuten se pone el pozo en produccioacuten para eliminar el residuo de aacutecido
y las partiacuteculas finas producidas por la desagregacioacuten de la roca Es en esta etapa que se
requieren agentes dispersantes
Ciertos meacutetodos de estimulacioacuten consisten en inyectar surfactantes para bien sea cambiar la
mojabilidad de la roca de mojable por el agua a mojable por el aceite bien sea desplazar
el crudo atrapado en la cercaniacutea del pozo Tales meacutetodos se usan para estimular pozos que
han dejado de producir por cierto tiempo o que han sufrido un dantildeo
13 Propiedades fisicoquiacutemicas del sistema roca-fluido
131 Porosidad
Es el volumen de huecos de la roca y define la capacidad de eacutesta para almacenar fluidos Se
expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca
(porosidad total o bruta) [24]
Tipos de Porosidad
Absoluta La porosidad absoluta se considera como el volumen poroso total (esteacuten o
no interconectados)
Efectiva La porosidad efectiva se refiere al porcentaje de poros interconectados que
permiten la circulacioacuten de fluidos
No efectiva Representa la diferencia entre las porosidades anteriores es decir la
porosidad absoluta y la efectiva
132 Permeabilidad
18
La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo
atraviese sin alterar su estructura interna Se afirma que un material es permeable si deja
pasar a traveacutes de eacutel una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado e impermeable si la
cantidad de fluido es despreciable Se define con la ecuacioacuten de Darcy [14]
119876 =119870119860
120583
119889119875
119889119905 119910 119870 =
119876120583
119860 119889119897
119889119875 (1)
Doacutende
A Aacuterea de flujo (cm2)
Q Gasto (cm3 s-1)
dP Diferencia de presiones a la entrada y salida del permeaacutemetro (kPa)
dl Longitud del medio poroso (cm)
micro Viscosidad del fluido (cP)
K Velocidad de filtracioacuten (m s-1)
Si el fluido es homogeacuteneo y no produce ninguna accioacuten importante sobre la roca se habla
de permeabilidad absoluta pero si en la roca existen varios fluidos como es el caso de un
yacimiento petroliacutefero en el que se puede tener petroacuteleo agua y gas se producen
interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los
fluidos
La permeabilidad relativa corresponde a la relacioacuten entre permeabilidad absoluta y efectiva
Para un fluido dado variacutea en funcioacuten directa con la saturacioacuten de ese fluido en la roca y se
expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro
133 Tortuosidad
19
Una medida de la complejidad geomeacutetrica de un medio poroso La tortuosidad es una relacioacuten
que caracteriza los trayectos de la difusioacuten del fluido y la conduccioacuten eleacutectrica a traveacutes de los
medios porosos En mecaacutenica de fluidos de los medios porosos la tortuosidad es la relacioacuten
del largo de la corriente natural de un fluido (una liacutenea o trayecto de flujo) entre dos puntos
y la distancia en liacutenea recta entre esos puntos Por consiguiente la tortuosidad se relaciona
con la relacioacuten entre el coeficiente de difusioacuten de un fluido cuando no estaacute confinado por un
medio poroso y su coeficiente de difusioacuten efectivo cuando estaacute confinado en un medio poroso
[22] Este paraacutemetro es calculado con la ecuacioacuten 2
119879 =119871119864
119871 ( 2)
Doacutende
L es la longitud de la muestra de roca (cm)
LE es la longitud de la trayectoria de difusioacuten del fluido sobre la muestra (cm)
El flujo de fluidos a traveacutes de medios porosos estaacute fuertemente afectado por fenoacutemenos de
superficie los cuales representan fuerzas retentivas de fluidos en el medio poroso La accioacuten
de la estimulacioacuten matricial no reactiva concierne principalmente a la alteracioacuten de estas
fuerzas retentivas manifiestas en los fenoacutemenos de tensioacuten superficial mojabilidad y
capilaridad [20]
134 Tensioacuten Superficial e Interfacial
La materia en sus diferentes estados (soacutelido liacutequido y gaseoso) estaacute compuesta de moleacuteculas
las cuales presentan una atraccioacuten llamada fuerza de cohesioacuten Esta fuerza es una
combinacioacuten de fuerzas electrostaacuteticas y de Van der Waals [21] Naturalmente estas fuerzas
son de diferente magnitud dependiendo del estado de la materia Por ejemplo en el seno de
un liacutequido una moleacutecula es rodeada por moleacuteculas similares ejerciendo unas con otras
fuerzas iguales de atraccioacuten por lo que eacutestas se encuentran balanceadas tal como se muestra
en la figura 15
20
15 Representacioacuten de fuerzas intermoleculares en un sistema bifaacutesico (soacutelido-liacutequido)
En la interfase entre un liacutequido y un soacutelido o entre un liacutequido y un gas estas fuerzas son
desequilibradas causando que exista una resultante en la interfase con ello se crea una
energiacutea libre de superficie En la misma figura 15 se observa la fuerza resultante en la
interfase del sistema denotada con el teacutermino FR cuyo valor representa la tensioacuten que existe
entre las moleacuteculas de las fase liquida y gaseosa
Esta fuerza seraacute mayor entre mayores sean las fuerzas de atraccioacuten de las moleacuteculas del
liacutequido Si se deseara romper esta superficie se tendriacutea que realizar un trabajo por unidad de
aacuterea equivalente a vencer la energiacutea libre de superficie Este trabajo por unidad de aacuterea se
denomina tensioacuten superficial y su valor especiacutefico para cada liacutequido depende
principalmente de la temperatura y presioacuten a las cuales se encuentre
Para medir la tensioacuten superficial se utilizan varios meacutetodos de los cuales el maacutes utilizado es
el meacutetodo de Du Nouumly Este procedimiento consiste en colocar en el liacutequido un arillo de
platino y llevarlo hasta la interfase midiendo la fuerza necesaria con la que el anillo rompe
la superficie La tensioacuten superficial generalmente se da en dina cm-1 Para el agua a
21
condiciones estaacutendar la tensioacuten superficial es de 72 dina cm-1 para el benceno es de 29 dina
cm-1 [19]
En 1905 Young mostroacute que las propiedades mecaacutenicas de la energiacutea libre de superficie
podriacutean relacionarse con una membrana hipoteacutetica en la superficie Usando en concepto de
tensioacuten superficial Young fue capaz de derivar expliacutecitamente la condicioacuten de equilibrio
mecaacutenico de una superficie curva entre dos fases [21] La ecuacioacuten de Young se expresa en la
ecuacioacuten 3
119875primeprime minus 119875prime =2120590
119903 (3)
Doacutende
Pacute Presioacuten en la fase externa (kPa)
Pacuteacute Presioacuten en la fase interna (kPa)
σ Tensioacuten Superficial (Erg)
r Radio de curvatura (cm)
Si un liacutequido estaacute en contacto con otra sustancia (gas soacutelido u otros liacutequidos inmiscibles) hay
una energiacutea libre interfacial Esto significa que se tiene que realizar cierta cantidad de trabajo
con el fin de separar ambos medios Los dos principales paraacutemetros que afectan a la magnitud
de la tensioacuten superficial son la temperatura y la composicioacuten quiacutemica de las fases La
variacioacuten de la tensioacuten superficial liacutequido-vapor (γLG) usualmente sigue una relacioacuten lineal
seguacuten la expresioacuten [15]
120574119871119866 = 1205740 + (∆120575119871119866
∆119879) (119879 minus 119879119898) (4)
Doacutende
γLG Tensioacuten interfacial liquido-gas (dina cm-1)
γ0 Tensioacuten superficial del liacutequido (dina cm-1)
ΔδLG Diferencia de densidad entre fase liacutequida y fase gaseosa (kg m-3)
22
ΔT Diferencia de temperaturas
T Temperatura del sistema (degC)
Tm Temperatura media (degC)
En general la tensioacuten superficial para metales fundidos disminuye con el incremento de la
temperatura (dγLGdT) lt 0 ya que las fuerzas de cohesioacuten disminuyen al aumentar la
agitacioacuten teacutermica La influencia del medio exterior se debe a que las moleacuteculas del medio
ejercen acciones atractivas sobre las moleacuteculas situadas en la superficie del liacutequido
contrarrestando las acciones de las moleacuteculas del interior del liacutequido
La medida de la tensioacuten superficial en soacutelidos policristalinos es compleja comparada con la
medida de γLG y en consecuencia los datos experimentales son difiacutecilmente fiables Se han
desarrollado modelos teoacutericos para predecir γSG pero con un eacutexito limitado Por otro lado la
tensioacuten γSL no puede ser medida directamente soacutelo puede predecirse con la ayuda de modelos
teoacutericos [19] El uso de la ecuacioacuten 5 para determinar el trabajo de adherencia (conociendo
previamente γLG o midieacutendolo simultaacuteneamente con θ) es una de las praacutecticas maacutes habituales
para investigar la mojabilidad de soacutelidos por metales liacutequidos
119882119886 = 120574119871119866(1 + 119888119900119904120579)
Donde
Wa Mojabilidad
γLG= Tensioacuten interfacial (dina cm-1)
θ= Angulo de contacto (deg)
135 Mojabilidad
23
La mojabilidad es uno de los fenoacutemenos de superficie y representa la interaccioacuten soacutelidondash
liacutequido este paraacutemetro depende de las fuerzas intermoleculares de los materiales en contacto
la fuerza de adhesioacuten entre el liacutequido y el soacutelido provoca que el liacutequido se extienda por la
superficie mientras que la de cohesioacuten del liacutequido hacen que eacuteste se abulte y tienda a evitarla
Es claro que tambieacuten estaacute muy relacionada con la capilaridad porque algunas sustancias
disueltas en el agua pueden modificar su tensioacuten superficial y por lo tanto su mojabilidad [14]
El aacutengulo de contacto ϴ es el aacutengulo que forma el liacutequido respecto a la superficie de contacto
con el soacutelido y estaacute determinado por la resultante de las fuerzas adhesivas y cohesivas Como
la tendencia de una gota a expandirse en una superficie plana aumenta con la disminucioacuten
del aacutengulo de contacto este aacutengulo proporciona una medida inversa de la mojabilidad [25]
Un aacutengulo de contacto pequentildeo (lt 90deg) indica que la mojabilidad es muy alta y el fluido se
extenderaacute sobre la superficie aacutengulos de contacto grandes (gt 90deg) significan que la
mojabilidad es baja y el fluido disminuiraacute el contacto con la superficie formando una gota
compacta este efecto puede observarse en las figuras 6a 6b y 6c Cuantitativamente la
mojabilidad se define como el producto de la tensioacuten superficial por el aacutengulo de contacto
esto es
119882119886 = 120590119888119900119904120579 (5)
Figura 16 Aacutengulos de contacto en diferentes condiciones de mojabilidad [25]
El fenoacutemeno de mojabilidad es de gran importancia para el flujo de aceite en un medio
poroso Se ha demostrado que si la roca se encuentra mojada por agua la permeabilidad al
a) b) c)
24
aceite es muy superior al caso en que la roca se encuentre mojada por aceite lo cual favorece
la recuperacioacuten del aceite contenido en el yacimiento [26]
136 Capilaridad
La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de adsorber a otra Sucede cuando las
fuerzas intermoleculares adhesivas entre el liacutequido y el soacutelido son mayores que las fuerzas
intermoleculares cohesivas del liacutequido Cuando un liacutequido sube por un tubo capilar es debido
a la cohesioacuten intermolecular entre sus moleacuteculas es menor que la adhesioacuten del liacutequido con el
material del tubo es decir es un liacutequido que moja El liacutequido sigue subiendo hasta que la
tensioacuten superficial es equilibrada por el peso del liacutequido que llena el tubo
Al sumergir un tubo de vidrio capilar en agua eacutesta se elevaraacute en el tubo como se muestra en
la figura 17 en este caso se define como presioacuten capilar la diferencia de presiones en la
interfase [5]
Figura 17 Efecto de la capilaridad [5]
La presioacuten capilar seraacute la fuerza requerida para soportar la columna de agua en el tubo
dividida entre el aacuterea del capilar se explica con la ecuacioacuten 6
119875119862 = 120588119892ℎ119888 (6)
Doacutende
25
Pc Presioacuten capilar (N m-2)
ρ Densidad (kg m-3)
g Aceleracioacuten de la gravedad (981 m s-2)
hc Altura de la columna (m)
137 Adsorcioacuten
La adsorcioacuten es un proceso de separacioacuten y concentracioacuten de uno o maacutes componentes de un
sistema sobre una superficie soacutelida o liacutequida Los distintos sistemas heterogeacuteneos en los que
puede tener lugar la adsorcioacuten son soacutelido-liacutequido soacutelido-gas y liacutequido-gas Como en otros
procesos de este tipo los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases
La adsorcioacuten es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra
sobre la superficie de otra fase (generalmente soacutelida) Por ello se considera como un
fenoacutemeno subsuperficial La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama
adsorbato y la fase impregnada se llama adsorbente [21] Lo anterior se muestra en la
figura 18
Figura 18 Proceso de adsorcioacuten
1371 Tipos de adsorcioacuten
Cabe distinguir tres tipos de adsorcioacuten seguacuten sea la atraccioacuten entre el soluto y el adsorbente
sea de tipo eleacutectrico de Van der Waals (o Fiacutesica) o de naturaleza quiacutemica [23]
26
Eleacutectrica Cae de lleno dentro del intercambio ioacutenico y a menudo se le llama
adsorcioacuten por intercambio que es un proceso mediante el cual los iones de una
sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atraccioacuten electrostaacutetica
en los lugares cargados de la superficie Para dos absorbatos ioacutenicos posibles a
igualdad de otros factores la carga del ioacuten es el factor determinante en la adsorcioacuten
de intercambio Para iones de igual carga el tamantildeo molecular (radio de solvatacioacuten)
determina el orden de preferencia para la adsorcioacuten (figura 19)
Figura 19 Proceso de adsorcioacuten eleacutectrica
Fiacutesica La adsorcioacuten que tiene lugar debido a las fuerzas de Van der Waals se llama
generalmente adsorcioacuten fiacutesica En este caso la moleacutecula adsorbida no estaacute fija en un
lugar especiacutefico de la superficie sino maacutes bien estaacute libre de trasladarse dentro de la
interfase Esta adsorcioacuten en general predomina a temperaturas bajas El aumento de
la temperatura disminuye considerablemente la adsorcioacuten (figura 110)
No se produce adsorcioacuten a temperaturas superiores a la temperatura criacutetica del
adsorbato gaseoso si la presioacuten del gas tiene valores cercanos a la presioacuten de vapor
de equilibrio para el adsorbato liacutequido se produciraacute una adsorcioacuten maacutes extensa en
capas muacuteltiples
27
Figura 110 Proceso de adsorcioacuten fiacutesica
Quiacutemica Si el adsorbato sufre una interaccioacuten quiacutemica con el adsorbente el
fenoacutemeno se llama adsorcioacuten quiacutemica adsorcioacuten activa o quimisorcioacuten Las energiacuteas
de adsorcioacuten son elevadas del orden de las de un enlace quiacutemico debido a que el
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente Esta adsorcioacuten suele estar favorecida a una temperatura elevada [17]
(figura 111)
Figura 111 Proceso de adsorcioacuten quiacutemica
La mayor parte de los fenoacutemenos de adsorcioacuten son combinaciones de las tres formas de
adsorcioacuten y de hecho no es faacutecil distinguir entre adsorcioacuten fiacutesica y quiacutemica
28
14 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten es el proceso en donde un fluido que satura un medio capilar es desplazado
por otro fluido Eacutesta es espontaacutenea cuando el fluido desplazante penetra el medio capilar
uacutenicamente bajo la accioacuten de las fuerzas capilares Las muestras de roca que imbiben
uacutenicamente agua se dice que son mojadas por agua de igual manera las que lo hacen con el
aceite son mojadas por aceite [10]
La imbibicioacuten es importante en un yacimiento que produce por mecanismos de empuje de
agua porque puede favorecer u obstruir el movimiento del agua afectando el aacuterea del barrido
Una prueba de imbibicioacuten es una comparacioacuten del potencial de imbibicioacuten del petroacuteleo y del
agua en una roca tal como se muestra en la figura 112 La mojabilidad de la roca es
determinada por la fase que maacutes absorbe
Figura 112 Celda de imbibicioacuten espontanea [10]
141 Interaccioacuten roca-fluido
29
La mojabilidad es muy importante en los procesos de recuperacioacuten de aceite debido al fuerte
efecto que eacutesta ejerce en la distribucioacuten localizacioacuten y flujo de aceite y agua dentro del
yacimiento durante la produccioacuten
Generalmente se asume que los yacimientos de aceite fueron creados por la acumulacioacuten de
hidrocarburos en rocas que originalmente conteniacutean agua y por ello se deduce que las rocas
de todos los yacimientos fueron originalmente mojadas por agua [23]
Asimismo existen casos aislados en los cuales despueacutes de haberse hecho pruebas se
descubrioacute que algunos yacimientos eran originalmente mojados por aceite Principalmente
los asfaltenos pesados y las fracciones de resina del aceite crudo son capaces de alterar por
adsorcioacuten la mojabilidad de una caliza mojada originalmente por agua a una mojada por
aceite en su superficie Los componentes maacutes importantes en el aceite crudo responsables
del cambio de mojabilidad son aquellos que contienen grupos cargados como un aacutecido o una
base
Las rocas carbonatadas usualmente llevan cargan positivas en la superficie y tienen una
afinidad mayor por los componentes aacutecidos del aceite crudo En el caso de las areniscas cuya
carga de superficie es negativa se tiene una mayor atraccioacuten por los componentes baacutesicos
del aceite crudo [10] La figura 113 es una representacioacuten esquemaacutetica de coacutemo las partes
aacutecidas del aceite se adsorben sobre la superficie de la caliza generando un estado maacutes mojado
por aceite
Figura 113 Esquema de las partes aacutecidas del aceite crudo sobre una superficie de roca
carbonatada
142 Surfactantes en el proceso de imbibicioacuten espontaacutenea
30
La comprensioacuten de los mecanismos detraacutes de la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes
puede mejorar el desempentildeo y aplicacioacuten del producto en operaciones de campo
Diversos investigadores notaron que para cada tipo de roca la efectividad de la alteracioacuten de
la mojabilidad depende de la naturaleza ioacutenica del surfactante empleado En nuacutecleos de
calizas mojadas por aceite Austad [19] observoacute que surfactantes catioacutenicos funcionaron
mejor que surfactantes anioacutenicos en el cambio de mojabilidad hacia un estado maacutes mojado
por agua Pensaron que para los surfactantes catioacutenicos el mecanismo responsable de la
alteracioacuten de la mojabilidad en una roca carbonatada mojada por aceite era la formacioacuten de
ion-par entre las cabezas catioacutenicas de las moleacuteculas de surfactante y los componentes aacutecidos
del aceite crudo adsorbidos en la superficie de la roca carbonatada
La formacioacuten del ioacuten-par puede remover la capa de aceite crudo adsorbida sobre la superficie
de la roca logrando exponer la superficie de la roca carbonatada originalmente mojada por
agua En cambio las moleacuteculas de los surfactantes anioacutenicos forman una capa en la
superficie de la roca carbonatada a traveacutes de la interaccioacuten hidrofoacutebica de las colas del
surfactante en la superficie La capa de surfactantes adsorbidos con los grupos de cabezas
hidrofiacutelicas cubriendo la roca originalmente mojada por aceite pueden cambiar la
mojabilidad del medio poroso a uno maacutes mojado por agua En este caso las interacciones
hidrofoacutebicas son mucho maacutes deacutebiles que las interacciones ioacuten-par explicando por queacute los
surfactantes catioacutenicos funcionan mejor que los anioacutenicos en la alteracioacuten de mojabilidad en
rocas carbonatadas hacia un estado maacutes mojado por agua Esas pruebas e hipoacutetesis fueron el
comienzo de un estudio que otros investigadores culminaron en un estudio de la mecaacutenica de
la alteracioacuten de la mojabilidad con surfactantes [19]
143 Cambio de mojabilidad por el ioacuten-par
31
La formacioacuten del ioacuten-par es influenciado principalmente por interacciones electrostaacuteticas
entre las cabezas hidrofiacutelicas de los surfactantes y estabilizada por interacciones de las
secciones hidrofoacutebicas de la moleacutecula de surfactante Como se muestra en la figura 114 la
formacioacuten de iones-par remueve los componentes del aceite crudo adsorbido sobre la
superficie de la roca dando lugar a la cara originalmente mojada por agua [23]
Figura 114 Modelo esquemaacutetico del cambio de mojabilidad con la aplicacioacuten de
surfactantes
Los iones-par formados durante el proceso no son solubles en agua y por ello se mueven
raacutepidamente dentro de la fase aguaaceite hacia la fase aceite dejando las moleacuteculas de
surfactante libres en la fase agua para asociarse con los componentes del aceite adsorbidos
en la superficie de la roca (figura 114) De esta manera el surfactante cambia
satisfactoriamente la mojabilidad de la superficie de la roca a un estado maacutes mojado por agua
15 Surfactantes
Tambieacuten llamados agentes tensoactivos son moleacuteculas que poseen una doble afinidad
quiacutemica debido a su estructura de tipo polar-apolar Un surfactante o agente superficialmente
activo es una especie quiacutemica que es activa en la interfase entre dos fases como un
detergente que es activo en la interfase entre las fases hidroacutefila e hidroacutefoba El detergente se
acumula en la interfase y modifica la tensioacuten superficial La tensioacuten superficial disminuye
cuando un soluto se acumula en la interfase siendo el soluto en este caso el agente
tensoactivo [21] Su representacioacuten claacutesica se indica en la Figura 115
32
115 Representacioacuten de una moleacutecula surfactante
La parte polar o hidrofiacutelica es un grupo funcional ioacutenico o no ioacutenico generalmente constituida
por heteroaacutetomos como oxiacutegeno azufre nitroacutegeno y foacutesforo que permiten un alto grado de
solubilidad en solventes polares particularmente en agua La parte apolar o lipofiacutelica
generalmente es una cadena hidrocarbonada de tipo alquil o alquilbenceno con presencia en
ciertos casos de aacutetomos de un haloacutegeno u oxiacutegeno la cual es soluble en solventes orgaacutenicos
no polares particularmente hidrocarburos aceites y grasas Debido a esta dualidad polar-
apolar una moleacutecula de surfactante tiene tendencia a migrar a una intercara o una superficie
con la finalidad de satisfacer sus dos tipos de afinidad Sin embargo no todas las sustancias
anfifiacutelicas poseen esta propiedad [14]
151 Clasificacioacuten de los surfactantes
Debido a que la accioacuten de los surfactantes depende principalmente de fuerzas electrostaacuteticas
eacutestos se clasifican de acuerdo a la naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua Los
surfactantes se dividen en anioacutenicos catioacutenicos no ioacutenicos y zwitterioacutenicos (anfoteacutericos)
La tabla 13 muestra su clasificacioacuten incluyendo su descripcioacuten esquemaacutetica las
caracteriacutesticas de carga del grupo soluble en agua los grupos quiacutemicos maacutes importantes y
sus usos principales
La naturaleza ioacutenica del grupo soluble en agua se usa para clasificar los surfactantes en
cuatro clases
33
Tabla 13 Clasificacioacuten de Surfactantes
Clasificacioacuten Descripcioacuten Carga del grupo
soluble en agua
Grupos Quiacutemicos Usos
Anioacutenicos M+ + Negativa Sulfonatos
Sulfatos
Fosfatos
Fosfonatos
No
emulsificantes
Retardadores
Limpiadores
Catioacutenicos X- - Positiva Grupos aminos No
emulsificantes
Inhibidores de
corrosioacuten
No ioacutenicos XxR Sin Carga Alcoholes
Alquilfenoles
Esteres
Eteres
Amidas
Etileno
No
emulsificantes
Espumantes
Inhibidores de
corrosioacuten
Zwitterioacutenicos M+ X- Posee ambas
cargas
Dodedil amino
aacutecido propionico
Inhibidores de
corrosioacuten
Los surfactantes anioacutenicos se disocian en un anioacuten anfiacutefilo y un catioacuten el cual es en general
un metal alcalino o un grupo alquiacutelico A este tipo pertenecen los detergentes sinteacuteticos como
los alquil benceno sulfonatos los jabones (sales de sodio de aacutecidos grasos) los agentes
espumantes como el lauril sulfato los humectantes del tipo sulfosuccinato los dispersantes
del tipo lignosulfonatos etc La produccioacuten de los surfactantes anioacutenicos representa
alrededor del 55 de los surfactantes producidos anualmente en el mundo FIRP 303
Los surfactantes no ioacutenicos estaacuten en el segundo rango por orden de importancia con un poco
menos del 40 del total En solucioacuten acuosa no se ionizan puesto que ellos poseen grupos
hidroacutefilos del tipo alcohol fenol eacutester eacuteter o amida Una alta proporcioacuten de estos
surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofiacutelicos gracias a la presencia de una cadena
polieacuteter del tipo polioacutexido de etileno El grupo hidroacutefobo es generalmente un radical alquilo
o alquil benceno y a veces una estructura de origen natural como un aacutecido graso sobre todo
cuando se requiere una baja toxicidad
34
Los surfactantes catioacutenicos se disocian en solucioacuten acuosa en un catioacuten orgaacutenico anfiacutefilo y
un anioacuten generalmente del tipo halogenuro La gran mayoriacutea de estos surfactantes son
compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario La fabricacioacuten
de estos surfactantes es mucho maacutes cara que la de los anteriores y es por esta razoacuten que no
se les utilizan salvo en caso de aplicacioacuten particular como cuando se hace uso de sus
propiedades bactericidas o de su facilidad de adsorcioacuten sobre sustratos bioloacutegicos o inertes
que poseen una carga negativa
Esta uacuteltima propiedad hace que sean excelentes agentes antiestaacuteticos hidrofobantes asiacute
como inhibidores de corrosioacuten [24] y puedan ser utilizados tanto en productos industriales
como para uso domeacutestico
La combinacioacuten dentro de una misma moleacutecula de dos caracteres anioacutenico y catioacutenico
producen un surfactante llamado anfoacutetero o zwitterioacutenico como por ejemplo los
aminoaacutecidos las betaiacutenas o los fosfoliacutepidos ciertos anfoacuteteros son insensibles al pH otros
son de tipo catioacutenico a pH aacutecido y de tipo anioacutenico a pH alto Los anfoacuteteros son en general
tan caros como los catioacutenicos y por esta razoacuten su utilizacioacuten se reduce a aplicaciones
particulares
152 Propiedades de los surfactantes
Los surfactantes poseen dos propiedades fundamentales que permiten explicar las
caracteriacutesticas de su utilizacioacuten actividad superficial o interfacial adsorcioacuten y asociacioacuten
micelar
1511 Actividad superficial o interfacial y adsorcioacuten
Cuando un surfactante estaacute presente a baja concentracioacuten en un sistema tiene la propiedad
de adsorberse en la superficie (liacutequido-gas) o en la cara interfacial (liacutequido-liacutequido) del
sistema Este fenoacutemeno que es debido a sus caracteriacutesticas anfifiacutelicas provoca una
disminucioacuten notable de la energiacutea libre superficial o interfacial
35
La energiacutea libre de la moleacutecula en la cara interfacial es inferior a la de la moleacutecula
solubilizada en la fase acuosa por tanto la transferencia desde el seno de la fase hacia la cara
interfacial llamada adsorcioacuten se realiza de manera espontaacutenea
La disminucioacuten de la tensioacuten interfacial provocada por la adsorcioacuten del surfactante favorece
la deformacioacuten y la ruptura de la cara interfacial la formacioacuten de sistemas dispersos como
las emulsiones y las espumas la movilizacioacuten del petroacuteleo residual en pozos entre otros [26]
1512 Micelas y asociacioacuten micelar
En soluciones diluidas el surfactante se encuentra en el seno del liacutequido bajo la forma de
solucioacuten molecular A partir de cierta concentracioacuten llamada concentracioacuten micelar criacutetica
(CMC) la fase acuosa se satura y la adicioacuten de maacutes moleacuteculas de surfactante provoca la
formacioacuten de agregados de tipo coloidal llamadas micelas [21]
Estos agregados pueden reunir entre decenas y centenas de moleacuteculas y su dimensioacuten y
estructura dependen de la estructura y del ambiente fisicoquiacutemico del surfactante La
tendencia liofoacutebica de una parte de la moleacutecula surfactante es el principal promotor de la
formacioacuten de las micelas en las cuales el surfactante alcanza una posicioacuten favorable para
satisfacer su doble afinidad
Generalmente se presenta a una micela como una entidad estaacutetica sin embargo las micelas
son agregados moleculares en equilibrio dinaacutemico con las moleacuteculas de surfactante dispersas
en el disolvente [19] De hecho se puede citar que ocurren dos procesos baacutesicos i) intercambio
de las micelas con las moleacuteculas de surfactante en el disolvente y con otras micelas que
ocurre en microsegundos o milisegundos y ii) la renovacioacuten real de una micela completa por
este proceso (de milisegundos a segundos)
Cuando el medio continuo estaacute formado por una sustancia no polar (denominado
geneacutericamente aceite aunque su estructura quiacutemica no corresponda a este nombre) se
forman las llamadas micelas inversas Ahora las cabezas polares estaacuten orientadas hacia el
interior de la micela y estaacuten en contacto con agua o alguna otra sustancia polar mientras que
las colas hidrocarbonadas se dirigen hacia el exterior de la micela (en contacto con el
36
disolvente apolar) como se muestra en la figura 116 Estos sistemas son mucho maacutes
complejos que los formados por las micelas normales tienen valores propios para la CMC y
nuacutemero de agregacioacuten aunque su tamantildeo y forma es similar al de las micelas normales
Figura 116 Tipos de micela A) micela normal B) micela inversa
El tamantildeo de una micela esfeacuterica estaacute determinado por el equilibrio entre las fuerzas de
atraccioacuten entre las colas hidrocarbonadas entre siacute (realmente se debe a que las moleacuteculas de
agua tienden a expulsar a las moleacuteculas hidrofoacutebicas de su contacto) y las fuerzas de repulsioacuten
electrostaacutetica de las cabezas polares (ayudada por efectos esteacutericos y de hidratacioacuten)
Mediante estudios de difraccioacuten de neutrones a aacutengulo pequentildeo se ha determinado la
estructura de una micela esfeacuterica el nuacutecleo es hidrocarbonado los grupos polares junto con
algunos contraiones (iones de carga opuesta al de la cabeza polar del surfactante) constituyen
la capa ioacutenica de Stern con un espesor de 02 a 04 nm y una capa difusa de Gouy-Chapman
mostrado en la figura 117
37
Figura 117 Comportamiento estaacutetico micelar
A concentraciones de surfactante ligeramente mayores que la CMC las micelas son esfeacutericas
al aumentar la concentracioacuten ciertas propiedades de la disolucioacuten indican un cambio en la
estructura de los agregados micelares Esto se debe probablemente a interacciones entre las
micelas Incrementando la concentracioacuten las micelas adoptan formas ciliacutendricas o lamelares
o en algunos casos de discos A concentraciones superiores pueden ocurrir transiciones de
fase de solucioacuten micelar a cristales liacutequidos
Algunas de las caracteriacutesticas que hacen atractivas a las micelas para aplicaciones analiacuteticas
son la existencia de la capa ioacutenica de Stern (en micelas ioacutenicas) la orientacioacuten anisotroacutepica
(o grado de ordenamiento) del nuacutecleo de la micela el ordenamiento de la interfaz micelar
debido a la carga y a las interacciones con el disolvente y a la diferencia de polaridad entre
el disolvente y el interior micelar
Muchas propiedades fiacutesicas de las soluciones de surfactante (conductividad tensioacuten
superficial densidad etc) cambian de manera notable en la CMC Comuacutenmente la CMC se
obtiene por la interseccioacuten de dos curvas que representan una propiedad fiacutesica determinada
de la solucioacuten una curva representa la propiedad fiacutesica a concentraciones inferiores a la CMC
y la otra representa la propiedad fiacutesica a concentraciones superiores [10]
38
16 Emulsiones
Las emulsiones son sistemas dispersos constituidos por dos liacutequidos inmiscibles en los cuales
la fase en suspensioacuten (fase interna o dispersa) se encuentra en forma de pequentildeas gotas
contenida en la fase externa (fase continua o dispersante) como se muestra en la figura 118
La estructura de las emulsiones estaacute estabilizada por un agente surfactante llamado
emulsionante Por definicioacuten una emulsioacuten es un sistema termodinaacutemicamente inestable y
tarde o temprano debe separarse en sus dos fases [19]
Figura 118 Micrografiacutea de una emulsioacuten WO
La nocioacuten de estabilidad es por supuesto relativa pero se refiere a una casi ausencia de
cambio durante un periacuteodo de tiempo suficientemente largo para el propoacutesito de la aplicacioacuten
praacutectica lo cual puede variar de algunos minutos a algunos antildeos
Las cantidades relativas de fase dispersa y fase continua (referidas tambieacuten como fase interna
y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades Por debajo de 20 de fase
interna se habla de una emulsioacuten de bajo contenido de fase interna En tales emulsiones se
puede considerar que hay poca interaccioacuten de las gotas entre siacute
39
161 Tipos de emulsiones
En la mayoriacutea de los casos en los cuales se hace una emulsioacuten con dos liacutequidos
inmiscibles uno de los liacutequidos es una fase acuosa y el otro una fase aceite u orgaacutenica Se
usan las abreviaturas O para el aceite y W para el agua siguiendo la nomenclatura
anglosajona Las emulsiones se clasifican [26]
Aceite en agua (OW) Esta emulsioacuten contiene gotas de aceite dispersadas en agua
es la emulsioacuten normal para todas las aplicaciones con excepcioacuten de la produccioacuten de
petroacuteleo en la cual se denomina emulsioacuten inversa
Agua en aceite (WO) En esta emulsioacuten la fase dispersa es el agua mientras que la
continua es el aceite esta es la emulsioacuten normal en la industria petrolera y la inversa
para todas las demaacutes aplicaciones
Agua en aceite en agua (WOW) Cuando las gotas de aceite de una emulsioacuten OW
contienen en su interior gotitas de agua se dice que se tiene una emulsioacuten muacuteltiple
del tipo WOW Las emulsiones muacuteltiples se encuentran en forma espontaacutenea en
ciertas circunstancias o pueden prepararse al propoacutesito
Aceite en agua en aceite (OWO) Este tipo de emulsioacuten no se encuentra con
frecuencia y estaacute constituida por una fase continua de aceite con gotas dispersas de
agua en su interior las cuales a su vez contienen pequentildeiacutesimas gotas de la fase
aceitosa
162 Formacioacuten de emulsiones de agua en petroacuteleo
Durante las operaciones de extraccioacuten del petroacuteleo la mezcla bifaacutesica de petroacuteleo y agua se
desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden de 1 piediacutea lo que es insuficiente
para que se forme una emulsioacuten Sin embargo al pasar por todo el aparataje de produccioacuten
durante el levantamiento y el transporte en superficie (bombas vaacutelvulas codos restricciones
etc) se produce la agitacioacuten suficiente para que el agua se disperse en el petroacuteleo en forma
de emulsioacuten WO estabilizada por las especies de actividad interfacial presentes en el crudo
(asfaacuteltenos y resinas) y por soacutelidos
40
Existen tres requisitos esenciales para formar una emulsioacuten
Dos liacutequidos inmiscibles como el agua y el aceite
Suficiente agitacioacuten para dispersar uno de los liacutequidos en pequentildeas gotas en el otro
Un agente emulsionante para estabilizar las gotas dispersas en la fase continua
En los campos petroleros las emulsiones se conocen como emulsiones directas (agua
en aceite WO) y emulsiones indirectas (aceite en agua OW) Otra terminologiacutea en la
industria petrolera es clasificar las emulsiones directas producidas como duras y suaves Por
definicioacuten una emulsioacuten dura es muy estable y difiacutecil de romper principalmente porque las
gotas dispersas son muy pequentildeas Por otro lado una emulsioacuten suave es inestable y faacutecil de
romper En otras palabras cuando un gran nuacutemero de gotas de agua de gran diaacutemetro estaacuten
presentes ellas a menudo se separan faacutecilmente por la fuerza gravitacional El agua que se
separa en menos de cinco minutos es llamada agua libre
La mejor forma de deshidratar es evitar que se produzca la emulsioacuten o por lo menos
reducir al maacuteximo las condiciones que favorezcan el emulsionado
En pozos fluyentes una agitacioacuten considerable es generalmente causada por el gas
disuelto saliendo de la solucioacuten (el gas se desorbe) conforme decrece la presioacuten Este gas
tambieacuten causa turbulencia cuando fluye junto con la mezcla bifaacutesica agua-aceite a traveacutes de
accesorios y restricciones en la tuberiacutea de produccioacuten pasa por supuesto lo mismo cuando
se utiliza el levantamiento con gas Esta turbulencia puede ser reducida pero no eliminada
instalando un estrangulador de fondo Este estrangulador reduce la estabilidad de la emulsioacuten
por las siguientes causas
Hay menos presioacuten diferencial
La temperatura de fondo de pozo es considerablemente maacutes alta que la temperatura
en la superficie
Hay flujo laminar para una gran distancia corriente abajo del estrangulador de fondo
y por lo tanto menos turbulencia
Actualmente el 90 de las teacutecnicas utilizadas para la extraccioacuten de petroacuteleo crudo
generan o agravan los problemas de emulsionado Los quiacutemicos usados en las fracturas de la
41
formacioacuten estimulaciones de pozos inhibicioacuten de corrosioacuten etc frecuentemente causan
severos problemas de emulsionaje por lo que existen meacutetodos para romperlas tales como el
calentamiento aditivos quiacutemicos tratamiento eleacutectrico y asentamiento En los casos de bajo
contenido de agua (lt 10) resulta ventajoso antildeadir agua en fondo de pozo antes que se
produzca la emulsioacuten porque asiacute la emulsioacuten formada seraacute menos estable (el tamantildeo de gotas
aumenta y se favorece la coalescencia [22]
163 Agentes emulsionantes
Los agentes emulsionantes son numerosos y pueden ser clasificados
Compuestos naturales surfactantes tales como asfaltenos y resinas conteniendo
aacutecidos orgaacutenicos y bases aacutecidos nafteacutenicos aacutecidos carboxiacutelicos compuestos de
azufre fenoles cresoles y otros surfactantes naturales de alto peso molecular
Soacutelidos finamente divididos tales como arena arcilla finos de formacioacuten esquistos
lodos de perforacioacuten fluidos para estimulacioacuten incrustaciones minerales productos
de la corrosioacuten (por ejemplo sulfuro de hierro oacutexidos) parafinas asfaltenos
precipitados Los fluidos para estimulacioacuten de pozos pueden contribuir a formar
emulsiones muy estables
Quiacutemicos de produccioacuten antildeadidos tales como inhibidores de corrosioacuten biocidas
limpiadores surfactantes y agentes humectantes
Estos agentes pueden adsorberse en la interfase de la gota de agua y formar una peliacutecula
riacutegida que resulta en una alta estabilidad de la emulsioacuten WO formada lo cual ocurre en
menos de tres diacuteas Es por eso que la emulsioacuten debe tratarse lo maacutes pronto posible con
diferentes agentes tales como quiacutemica deshidratante calor sedimentacioacuten por
centrifugacioacuten o electrocoalescencia [26]
42
164 Estabilidad de una emulsioacuten
La peliacutecula interfacial formada estabiliza la emulsioacuten debido a que
Aumenta la tensioacuten interfacial Por lo general para emulsiones de crudo la tensioacuten
interfacial se encuentra en el intervalo de 30 a 36 mN m-1 Asiacute mismo la presencia
de sales aumenta la tensioacuten interfacial
Forma una barrera viscosa que inhibe la coalescencia de las gotas
Si el surfactante o partiacutecula adsorbida en la interfase es polar su carga eleacutectrica
provoca que se repelan unas gotas de otras
Otro mecanismo de estabilizacioacuten ocurre cuando los emulsionantes son partiacuteculas soacutelidas
muy finas Para ser agentes emulsionantes las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes pequentildeas que
las gotas suspendidas y deben ser mojadas por el aceite y el agua Luego estas finas partiacuteculas
soacutelidas o coloides (usualmente con surfactantes adheridos a su superficie) se colectan en la
superficie de la gota y forman una barrera fiacutesica Algunos de estos soacutelidos son el sulfuro de
hierro y la arcilla [14]
165 Propiedades que intervienen en la estabilidad de una emulsioacuten
La estabilidad y rompimiento de una emulsioacuten depende de varios factores
Tensioacuten interfacial Una reduccioacuten de la tensioacuten interfacial no aumenta la estabilidad
de la emulsioacuten Se ha encontrado que los sistemas de tensioacuten ultrabaja producen
emulsiones inestables
Viscosidad de la fase externa Una viscosidad alta en la fase externa disminuye el
coeficiente de difusioacuten y la frecuencia de colisioacuten de las gotas por lo que se
incrementa la estabilidad de la emulsioacuten Una alta concentracioacuten de las gotas tambieacuten
incrementa la viscosidad aparente de la fase continua y estabiliza la emulsioacuten Este
efecto puede ser minimizado calentando la emulsioacuten
Tamantildeo de la gota Gotas muy pequentildeas menores de 10 microm generalmente producen
emulsiones maacutes estables Una amplia distribucioacuten de tamantildeos de partiacuteculas resulta en
general en una emulsioacuten menos estable
43
Relacioacuten de volumen de fases Incrementando el volumen de la fase dispersa se
incrementa el nuacutemero de gotas yo tamantildeo de gotas y el aacuterea interfacial La distancia
de separacioacuten se reduce y esto aumenta la probabilidad de colisioacuten de las gotas Todos
estos factores reducen la estabilidad de la emulsioacuten
Temperatura Usualmente la temperatura tiene un efecto muy fuerte en la estabilidad
de la emulsioacuten Incrementando la temperatura se reduce la adsorcioacuten de surfactantes
naturales y disminuye la viscosidad de la fase externa la rigidez de la peliacutecula
interfacial y la tensioacuten superficial Todos estos cambios reducen la estabilidad de la
emulsioacuten
pH La adicioacuten de aacutecidos o bases inorgaacutenicos cambia radicalmente la formacioacuten de
peliacuteculas de asfaltenos y resinas que estabilizan las emulsiones agua-aceite
Envejecimiento de la interfase A medida que la interfase envejece la adsorcioacuten de
los surfactantes se completa y debido a las interacciones laterales entre las moleacuteculas
aumenta la rigidez de la peliacutecula hasta un valor estable en unas 3 o 4 horas Esta
peliacutecula o piel alrededor de la gota llega a ser maacutes gruesa maacutes fuerte y maacutes dura
Ademaacutes la cantidad de agentes emulsionantes se incrementa por oxidacioacuten fotoacutelisis
evaporacioacuten o por la accioacuten de bacterias
Salinidad de la salmuera La salinidad de la salmuera es un factor importante en la
formacioacuten de emulsiones estables Agua fresca o salmuera con baja concentracioacuten de
sal favorecen la estabilidad de las emulsiones Por el contrario altas concentraciones
de sal tienden a reducirla
Tipo de aceite Los crudos de base parafiacutenica usualmente no forman emulsiones
estables mientras que los crudos nafteacutenicos y de base mixta forman emulsiones
estables Ceras resinas asfaltenos y otros soacutelidos pueden influenciar la estabilidad
de la emulsioacuten En otras palabras el tipo de crudo determina la cantidad y tipo de
emulsionantes naturales
Diferencia de densidad La fuerza neta de gravedad que actuacutea en una gota es
directamente proporcional a la diferencia en densidades entre la gota y la fase
continua Aumentando la diferencia de densidad por incremento de la temperatura se
logra aumentar la velocidad de sedimentacioacuten de las gotas y por ende se acelera la
coalescencia
44
Capiacutetulo II
Metodologiacutea
45
La metodologiacutea usada en este proyecto se ilustra en la figura 21 la cual abarca desde la
preparacioacuten de las rocas carbonatadas hasta las pruebas de dispersioacuten de luz dinaacutemica y
potencial zeta con las cuales se concluyoacute este trabajo
Figura 21 Diagrama de la metodologiacutea seguida en el desarrollo del proyecto
Preparacioacuten de rocas carbonatadas (Pulido)
Caracterizacioacuten de las rocas carbonatadas por Espectroscopiacutea FTIR UV-vis SEMEDX
Preparacioacuten de emulsioacuten WO (7030) aplicando 500 y 800 mg L-1
de S(I) y S(II)
Imbibicioacuten espontaacutenea de roca de yacimiento
Pruebas tensiometricas de crudo emulsionado sobre roca
(Metodo de gota seacutesil)
Extraccioacuten de asfaltenos
Impregnacioacuten y caracterizacioacuten de asfaltenos sobre roca carbonatada
DLS de roca impreganada de asfaltenos
Potencial Zeta de roca impregnada de asfaltenos
46
21 Reactivos utilizados en el proyecto
En la tabla 21 se enlistan los reactivos utilizados en el desarrollo del proyecto
Tabla 21 Reactivos empleados en el proyecto
Reactivo Pureza Marca CAS
Acetona 999 Sigma-Aldrich 67-64-1
Heptano 95 Sigma-Aldrich 142-82-5
Tolueno 999 Sigma-Aldrich 108-99-3
Ciclohexano 99 Sigma-Aldrich 110-82-7
Nitrato de sodio 99 Sigma-Aldrich 7631-99-4
Cloruro de Sodio 99 Sigma-Aldrich 7647-14-5
Carbonato de calcio 99 Sigma-Aldrich 471-34-1
Sulfato de Magnesio 995 Sigma-Aldrich 7487-88-9
Agua desionizada 995 Sigma-Aldrich 7732-18-5
En la tabla 22 se muestran la nomenclatura de los surfactantes empleados en la
experimentacioacuten los cuales son de naturaleza catioacutenica debido a la propiedad de absorberse
sobre sustratos cargados negativamente
Tabla 22 Surfactantes utilizados en la experimentacioacuten
22 Sistemas de estudio
Clave Nombre surfactante Estructura
S1
P-toluensulfonato de 1-
metil-3-hexilimidazolio
[1M3HIMPTSO3]
S2
Cloruro de 1-metil-3-etil-
p-toluensulfonilimidazolio
[1M3EPTSO3IMCl]
CH3
N
N+
CH3
CH3
S
O
O
O-
CH3S
O
O
O
CH3
N
N+
Cl-
47
221 Agua congeacutenita
Se obtuvo una muestra de agua congeacutenita del petroacuteleo Aguacate 72 la cual fue proporcionada
por el Instituto Mexicano del Petroacuteleo Dicha muestra fue caracterizada por Espectroscopiacutea
de infrarrojo de Fourier con la finalidad de conocer los grupos funcionales presentes en la
misma
221 Salmuera
Se preparoacute a partir de una mezcla de 3 sales caracteriacutesticas de cualquier salmuera natural en
la siguiente proporcioacuten 30 de carbonato de calcio (CaCO3) 50 de cloruro de sodio
(NaCl) y 20 de sulfato de magnesio (MgSO4) Tomando como referencia 100 mL se pesoacute
1 gramo de mezcla de sales y se diluyoacute en agua desionizada posteriormente se realizaron
diluciones hasta obtener una concentracioacuten de 100 mg L-1
222 Extraccioacuten de asfaltenos
Se pesaron 10 g de crudo y se disolvieron en 40 mL de heptano posteriormente se aplicoacute
agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas Tras este periodo se dejoacute en reposo el sistema durante
24 horas Finalmente la solucioacuten se filtroacute aplicando vaciacuteo y exceso de heptano para arrastrar
los restos de compuestos no asfalteacutenicos contenidos en el producto
223 Impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada
Se preparoacute una muestra con la siguiente proporcioacuten 15 g de asfaltenos (30) y 35 g de
roca carbonatada (70) los cuales fueron agregados a 50 mL de Ciclohexano contenidos en
un matraz como se muestra en la figura 22 Se realizoacute agitacioacuten mecaacutenica durante 24 horas
posteriormente se realizoacute una filtracioacuten a vaciacuteo El producto obtenido se secoacute en una estufa a
100degC con un tiempo de secado de 24 horas
48
Figura 22 Muestra de roca carbonatada y asfaltenos
23 Disentildeo de experimentos
Se prepararon emulsiones con una proporcioacuten de 7030 (WO donde W corresponde al agua
siendo en nuestro caso de estudio agua congeacutenita oacute salmuera y O corresponde al crudo)
utilizando crudo Aguacate del pozo 72 manejando 10 g totales de muestra los cuales fueron
depositados en recipientes de plaacutestico de 20 mL ademaacutes de ser sometidas a agitacioacuten
continua con una espaacutetula por 20 minutos con el fin de formar la emulsioacuten
El petroacuteleo utilizado en el proyecto tiene las siguientes caracteriacutesticas
Densidad 09696 g cm-3
1440 grados API
2166 Saturados 3057 Aromaacuteticos 2435 Resinas y 2341 Asfaltenos
El disentildeo experimental es presentado en la tabla 23 se trabajoacute con 2 diferentes surfactantes
(S2 y S3) y estos se agregaron a las diferentes emulsiones WO usando concentraciones de
500 mg L-1 y 800 mg L-1 realizaacutendose micrografiacuteas de las emulsiones antes y despueacutes de
agregar el surfactante posteriormente se realizoacute el anaacutelisis tensiomeacutetrico de cada emulsioacuten
finalizando con el estudio dispersivo de los asfaltenos por Dispersioacuten de Luz dinaacutemica (DLS)
y Potencial Zeta
49
Tabla 23 Disentildeo de experimentos
Experimento Q1 O1 SX C(mg L-1)
Roca Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Experimento Q1 O1 SX C(ppm)
Roca Impregnada Agua Congeacutenita Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
Salmuera Artificial Crudo S1 500
800
S2 500
800
Crudo
(7030)
S1 500
800
S2 500
800
50
24 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
241 Espectroscopiacutea de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)
Las teacutecnicas espectroscoacutepicas se fundamentan en la interaccioacuten de la materia con la
radiacioacuten Esta interaccioacuten provoca procesos como la absorcioacuten o la difusioacuten (scattering)
Cuando una moleacutecula absorbe o emite un fotoacuten su estado energeacutetico cambia En general
este cambio se manifiesta como una variacioacuten en la energiacutea traslacional de la moleacutecula y
como una modificacioacuten en su estado electroacutenico vibracional o rotacional Como las energiacuteas
asociadas a cada uno de estos cambios son muy diferentes cada uno de estos procesos se
puede tratar de manera independiente Exceptuando los cambios traslacionales los estados
energeacuteticos de las moleacuteculas estaacuten cuantizados consecuentemente los procesos de absorcioacuten
y emisioacuten soacutelo pueden darse a determinadas frecuencias de los fotones Para cada moleacutecula
dada su espectro de adsorcioacutenemisioacuten constituye una huella de la misma Las absorciones
que se producen en la regioacuten espectral del infrarrojo involucran energiacuteas mucho maacutes
pequentildeas comparadas con las energiacuteas de absorcioacuten relacionadas con la estructura electroacutenica
de la moleacutecula (ultravioleta y visible)
Sin embargo no todas las vibraciones yo rotaciones producen una absorcioacuten de radiacioacuten
incidente Soacutelo los modos vibracionales y rotacionales de moleacuteculas con momento bipolar
diferente de cero o bien aquellos modos que induzcan un momento diferente de cero en la
moleacutecula son activos al infrarrojo Para que exista un espectro rotacional activo en el
infrarrojo se requiere que la moleacutecula sea polar mientras que para tener un espectro
vibracional activo en el infrarrojo basta que el movimiento vibracional de los aacutetomos de la
moleacutecula induzca un momento bipolar no nulo [28]
En un interferoacutemetro Michelson el haz de radiacioacuten que viene de la fuente se divide mediante
un espejo semipermeable (beamsplitter) en dos haces parciales que se reflejan en sendos
espejos uno fijo y otro moacutevil vuelven al beamsplitter y se recombinan en interferencia Un
desplazamiento del espejo moacutevil cambia el camino oacuteptico en ese brazo del interferoacutemetro
51
introduciendo una diferencia de fase entre los haces y por tanto un cambio en la amplitud de
la interferencia La intensidad de sentildeal que llega al detector tras atravesar la muestra
representada como funcioacuten de la diferencia en la trayectoria de ambos haces (retardo) es lo
que se llama interferograma Con una radiacioacuten monocromaacutetica se obtiene una sentildeal coseno
que en el caso de caminos oacutepticos ideacutenticos en ambos brazos proporciona una interferencia
constructiva sin diferencia de fase entre los haces y por tanto una intensidad maacutexima El
resultado es un interferograma (intensidad en funcioacuten del tiempo) la cual se convierte viacutea un
algoritmo matemaacutetico (transformada de Fourier) en un diagrama de Intensidad en funcioacuten de
la frecuencia (espectro)
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro FTIR de marca Perkin Elmer Spectrum One donde se
analizoacute la roca carbonatada de yacimiento Para la identificacioacuten de los grupos funcionales
se trabajoacute con un intervalo espectral de 4000 a 380 cm-1 utilizando 12 barridos
242 Espectroscopiacutea ultravioleta visible (UV-vis)
El espectro Ultravioleta y Visible de las moleacuteculas estaacute asociado a transiciones electroacutenicas
entre los diferentes niveles energeacuteticos en ciertos grupos o aacutetomos de la moleacutecula En
contraste la absorcioacuten de energiacutea en la regioacuten Infrarroja estimulan la moleacutecula completa y
causa cambios vibracionales y rotacionales en esta lo cual caracteriza la entidad estructural
de dicha moleacutecula Los grupos de aacutetomos que dan origen a la absorcioacuten en el UV cercano o
UV de cuarzo se conocen como grupos cromoacuteforos La mayoriacutea de los grupos insaturados y
heteroatoacutemicos que tienen pares de electrones no compartidos son cromoacuteforos potenciales y
estos grupos son la base de la elucidacioacuten de grupos estructurales en las moleacuteculas activas en
el UV cercano
Cuando dos aacutetomos forman un enlace quiacutemico los orbitales atoacutemicos de cada uno de ellos
se combinan para formar dos orbitales moleculares uno de baja energiacutea que es el orbital
enlazante y otro de energiacutea mayor que es el orbital antienlazante Los enlaces covalentes que
se originan entre los orbitales de dos aacutetomos que se enlazan quiacutemicamente pueden ser de dos
tipos y se conocen como enlaces σ y enlaces π
52
Al efectuarse dicho enlace covalente se forman simultaacuteneamente orbitales antienlazantes σ
en el caso de un orbital molecular enlazante σ y π en el caso de un orbital molecular
enlazante p La absorcioacuten de energiacutea radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones
σ oacute π resulta en la excitacioacuten de eacutestos los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales
antienlazantes La absorcioacuten de radiacioacuten Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas
transiciones
Un espectro ultravioleta-visible es esencialmente un graacutefico de absorbancia de luz frente a
una longitud de onda en el rango del ultravioleta o la luz visible para una determinada
sustancia puede hacerse un graacutefico estaacutendar del coeficiente de extincioacuten (ε) frente a la
longitud de onda (λ) Las longitudes de onda de los picos de absorcioacuten pueden
correlacionarse con los tipos de enlace en una determinada moleacutecula y son valiosos para
determinar los grupos funcionales dentro de la moleacutecula La absorcioacuten UV-Vis no es sin
embargo una prueba especiacutefica para ninguacuten compuesto determinado La naturaleza del
disolvente el pH de la solucioacuten la temperatura la concentracioacuten de electrolitos y la
presencia de sustancias interferentes pueden influir en los espectros de absorcioacuten de los
compuestos asiacute como las variaciones de ancho de banda [29]
Se utilizoacute el Espectrofotoacutemetro UV-vis de marca Cintral 303 GBC en donde se analizaron
los compuestos sintetizados Para la identificacioacuten de los grupos funcionales se trabajoacute con
una celda de 10 mm de espesor en un intervalo espectral de 800 a 200 nm Se preparoacute una
solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano a una concentracioacuten de 100 mg L-1 asiacute como
soluciones de roca impregnada de crudo en ciclohexano a diferentes concentraciones (100
50 30 20 10 5 3 y 1 mg L-1)
243 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
El Microscopio electroacutenico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscopy) es una
teacutecnica que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen
ampliada de la superficie de un objeto Es un instrumento que permite la observacioacuten y
caracterizacioacuten superficial de soacutelidos inorgaacutenicos y orgaacutenicos Tiene una gran profundidad
53
de campo la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra Eacutesta teacutecnica
brinda informacioacuten topograacutefica sobre la superficie de material analizado y el anaacutelisis EDX
proporciona informacioacuten sobre su composicioacuten quiacutemica [30]
Esta teacutecnica esencialmente consiste en hacer incidir en la muestra un haz de electrones Este
bombardeo de electrones provoca la aparicioacuten de diferentes sentildeales que captadas con
detectores adecuados nos proporcionan informacioacuten acerca de la naturaleza de la muestra
La sentildeal de electrones secundarios proporciona una imagen de la morfologiacutea superficial de
la muestra La sentildeal de los electrones retrodispersados muestra una imagen cualitativa de
zonas con distinto nuacutemero atoacutemico medio y la sentildeal de rayos X presenta los espectros e
imaacutegenes acerca de la composicioacuten de elementos quiacutemicos en la muestra
25 Imbibicioacuten espontaacutenea
La imbibicioacuten espontaacutenea de la fase mojante sobre la superficie de una roca consiste en la
absorcioacuten de la misma en su superficie tan pronto como existe contacto entre dicha fase y el
soacutelido sin requerirse de la accioacuten de un trabajo externo para realizarse lo cual tambieacuten se
conoce como la succioacuten capilar de esta fase en el medio poroso es decir es un proceso que
consiste en el ingreso de la fase mojante en los poros de la roca por efecto de las fuerzas
capilares [10]
En este proceso se utiliza una Celda de Amott el cual es un contenedor ciliacutendrico conceacutentrico
de vidrio en cuya parte central se colocan el material que seraacute saturado por la fase mojante
y en la capucha externa se introduce liacutequido refrigerante para mantener la temperatura
constante dentro de la celda
Para la experimentacioacuten se utilizaron 3 rocas carbonatadas que fueron introducidas en una
celda de Amott de 500 mL Posteriormente se llenoacute la parte interna de la celda con petroacuteleo
crudo y la capucha externa con refrigerante La celda se colocoacute en un bantildeo de aceite a 65degC
durante 7 diacuteas En la figura 23 se observa el montaje del equipo para el proceso de
imbibicioacuten
54
Figura 23 Celda de Amott empleada en el proceso de imbibicioacuten
26 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
Este meacutetodo experimental es usado para determinar el aacutengulo de contacto existente en un
sistema bifaacutesico Consiste en la colocacioacuten de una gota sobre una superficie soacutelida
posteriormente el equipo realiza el caacutelculo de paraacutemetros propios de la gota como radio y
diaacutemetro los cuales son fundamentales sustituidos en las ecuaciones de tensioacuten superficial
[10]
Para la experimentacioacuten se emplearon 8 rocas carbonatadas de yacimiento las cuales fueron
previamente pulidas para generar una superficie lisa obseacutervese la figura 24 Posteriormente
se colocoacute la emulsioacuten preparada en la jeringa para estudio tensiomeacutetrico por accioacuten
gravitacional el fluido descendioacute provocando la formacioacuten de una gota la cual se fija en la
roca La caacutemara del tensioacutemetro detecta el aacutengulo y la forma de la gota asiacute como su
deformacioacuten con el paso del tiempo
55
Figura 24 Roca carbonatada previamente pulida
Asiacute mismo se realizoacute la medicioacuten del aacutengulo de contacto para las rocas imbibidas en crudo
(figura 25) soacutelo difiriendo en la fase mojante la cual se trataba en un primer experimento
de la salmuera o del agua congeacutenita y posteriormente se adicionaron los dos surfactantes a
500 y 800 mg L-1
Figura 25 Roca carbonatada imbibida de petroacuteleo
Se utilizoacute un tensioacutemetro de la marca Attension modelo Theta Lite 101 (figura 26) en donde
se analizaron los sistemas de estudio mencionados anteriormente empleando el meacutetodo de
gota seacutesil
Figura 26 Tensioacutemetro Attension Theta Lite 101
56
27 Dispersioacuten de luz dinaacutemica
La dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS) a la que a veces se hace referencia como dispersioacuten de
luz cuasi elaacutestica (QELS) es una teacutecnica no invasiva y bien establecida para medir el tamantildeo
y distribucioacuten de tamantildeo de moleacuteculas partiacuteculas y agregados tiacutepicamente en la regioacuten
submicromeacutetrica y con la uacuteltima tecnologiacutea inferiores a 1 μm
Las aplicaciones tiacutepicas de la dispersioacuten de luz dinaacutemica son la caracterizacioacuten de partiacuteculas
emulsiones o moleacuteculas que se han dispersado o disuelto en un liacutequido El movimiento
Browniano de las partiacuteculas o moleacuteculas en suspensioacuten hace que la luz laacuteser se disperse en
diferentes intensidades [31] Con el anaacutelisis de estas fluctuaciones en la intensidad se obtiene
la velocidad del movimiento Browniano y por lo tanto del tamantildeo de partiacutecula mediante la
relacioacuten de Stokes-Einstein (figura 27)
Figura 27 Diagrama de funcionamiento de Dispersioacuten de luz dinaacutemica
A diferencia de la dispersioacuten de luz estaacutetica para determinar el tamantildeo de las partiacuteculas y
agregados la dispersioacuten de luz dinaacutemica no tiene en cuenta la dependencia del aacutengulo sino
la variacioacuten de la intensidad de dispersioacuten en el tiempo debido a la aglomeracioacuten de las
partiacuteculas con respecto al tiempo teniendo un efecto de sedimentacioacuten que provoca un
caacutelculo erroacuteneo de la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
Esta teacutecnica fisicoquiacutemica se utiliza para determinar el perfil de distribucioacuten de tamantildeos de
partiacuteculas pequentildeas en suspensioacuten mediante una fuente monocromaacutetica que pasa a traveacutes de
un polarizador y la muestra La luz dispersada pasa posteriormente a traveacutes de un segundo
57
polarizador donde es recogido por un fotomultiplicador y se obtiene una intensidad de
dispersioacuten determinada [32]
Para la experimentacioacuten se preparoacute la solucioacuten de roca carbonatada en ciclohexano con una
concentracioacuten de 100 mg L-1 se llevoacute a sonicacioacuten durante 15 minutos posteriormente se
colocaron 3 mL de la muestra en la celda y se realizoacute su anaacutelisis Asiacute mismo se estudiaron
las soluciones de roca impregnada en ciclohexano y la aplicacioacuten de los surfactantes sobre
las mismas a 500 y 800 mg L-1
Se utilizoacute un equipo de la marca Malvern modelo Zetasizer en donde se analizaron los
sistemas de estudio mencionados anteriormente
28 Potencial Zeta
El potencial zeta es una propiedad que mide el potencial electrocineacutetico en sistemas
coloidales en la quiacutemica coloidal se denota por lo general con la letra griega zeta Desde un
punto de vista fiacutesico el potencial zeta es el potencial eleacutectrico en la doble capa interfacial es
decir que es el punto donde se unen la capa difusa y la de Stern Tambieacuten el potencial zeta es
la diferencia de potencial entre el medio de dispersioacuten y la capa estacionaria unido a la
partiacutecula dispersada []
Las partiacuteculas coloidales dispersas en una solucioacuten estaacuten cargadas eleacutectricamente gracias a
sus caracteriacutesticas ioacutenicas y de bipolaridad El desarrollo de una red de carga eleacutectrica en la
superficie de la partiacutecula puede afectar la distribucioacuten de iones en una regioacuten interfacial
vecina y provocar un aumento de la concentracioacuten de iones contados (iones de carga
contraria a las partiacuteculas) cerca de la superficie tal como se muestra en la figura 27
58
Figura 27 Interacciones entre las partiacuteculas tras la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica [33]
Cada partiacutecula dispersa en una solucioacuten se rodea de iones cargados con carga opuesta que se
denomina capa fija Fuera de esta capa fija existen distintas composiciones de iones de
polaridad opuesta formando un aacuterea nebulosa De esta manera se crea una capa doble
eleacutectrica en la regioacuten de interfase partiacutecula- liacutequido
La medida del Potencial Z permite caracterizar y predecir el comportamiento de soacutelidos
macroscoacutepicos y de partiacuteculas en suspensiones liacutequidas en multitud de aplicaciones teacutecnicas
En suspensiones liacutequidas el Potencial Z es una medida de la atraccioacutenrepulsioacuten entre
partiacuteculas cargadas electrostaacuteticamente permitiendo estudiar la estabilidad de dispersiones
emulsiones suspensiones proteiacutenas poliacutemeros etc
En soacutelidos macroscoacutepicos es una propiedad importante de interfaces soacutelidoliacutequido cargadas
eleacutectricamente siendo un indicador de la carga superficial de un soacutelido en contacto con un
electrolito Esto permite estudiar las caracteriacutesticas y funcionalizacioacuten de superficies
Este anaacutelisis se realizoacute con un equipo de marca Malvern modelo ZetaSizer Se estudiaron
los sistemas Roca carbonatada roca impregnada de crudo asiacute como la aplicacioacuten de los
surfactantes a 500 y 800 mg L-1 utilizando como electrolito indiferente nitrato de sodio
01mM el cual permite la desestabilizacioacuten del coloide con la finalidad de que la corriente
eleacutectrica pase por todas las partiacuteculas y se obtenga una medicioacuten correcta del anaacutelisis Asiacute
mismo se varioacute el pH del sistema de 1 a 7 utilizando HCl 01 M y NaOH 01 M para
observar el efecto dispersivo de las partiacuteculas de roca
59
Capiacutetulo III
Resultados
31 Extraccioacuten e impregnacioacuten de asfaltenos
60
Se realizaron 3 extracciones de asfaltenos utilizando 10 mL de petroacuteleo en cada una se
obtuvieron entre 14182 g y 16875 g de asfaltenos lo cual representa un porcentaje de
recuperacioacuten en 1418 y 1675 El producto obtenido teniacutea una tonalidad oscura lo anterior
se observa en la figura 31
Figura 31 Asfaltenos obtenidos tras extraccioacuten
Asiacute mismo se realizoacute el procesos de impregnacioacuten de asfaltenos en roca carbonatada por
triplicado de los cuales se obtuvieron entre 169 g y 189 g de roca impregnada que
representa una recuperacioacuten entre 338 y 378 El producto teniacutea una tonalidad cafeacute oscura
lo anterior se observa en la figura 32
Figura 32 Roca impregnada de asfaltenos
32 Espectroscopiacutea de Infrarrojo con transformada de Fourier
61
La elucidacioacuten de los espectros de FTIR se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura [35] indica que el carbonato de
calcio presenta sentildeales caracteriacutesticas de sus grupos funcionales tales como CO3 Ca-C y C-
O y Ca-CO3
321 Espectro FTIR de roca carbonatada
El espectro FTIR de la roca carbonatada se muestra en la figura 33 en el que se observa el
estiramiento del enlace Ca-C en 2513 cm-1 sentildeal caracteriacutestica del compuesto CaCO3 el
estiramiento de C-O en 1480 cm-1 y las vibraciones particulares del grupo CO3 en 714 y 877
cm-1 Estas sentildeales dan certeza de que el compuesto analizado es una roca de carbonato de
calcio
Figura 33 Espectro FTIR de roca carbonatada
62
322 Espectro de roca impregnada de asfaltenos
El espectro FTIR de la roca impregnada se muestra en la figura 34 en el que se observa el
estiramiento del enlace O-H en 3300 cm-1 las vibraciones simeacutetricas y asimeacutetricas de C-H
en 2988 y 2875 cm-1 la absorcioacuten energeacutetica del enlace C-H en 1625 cm-1 las flexiones de
los compuestos aromaacuteticos entre 1100 y 1500 cm-1 asiacute como la deformacioacuten noplanar del
anillo benceacutenico entre 700 y 900 cm-1 Estas sentildeales confirman la impregnacioacuten de asfaltenos
teniendo como principal diferencia frente a la roca carbonatada las flexiones y vibraciones
de los enlaces C-H y de los anillos aromaacuteticos presentes en la estructura asfalteacutenica teoacuterica
Figura 34 Espectro FTIR de roca impregnada de asfaltenos
63
33 Espectroscopia ultravioleta visible (UV-vis)
La elucidacioacuten de los espectros de UV-vis se logroacute con el uso del libro Tablas para la
elucidacioacuten estructural de compuestos orgaacutenicos por meacutetodos espectroscoacutepicos de Pretsch
E Clerc T Seibl J y Simon [34] Asiacute mismo la literatura indica la presencia de grupos
benceacutenicos y nafteacutenico en las estructuras quiacutemicas de los asfaltenos los cuales son
caracteriacutesticos de los mismos [29]
331 Espectro UV-vis de roca carbonatada y roca impregnada
El espectro UV-vis de la roca carbonatada no presenta ninguna banda significativa esto se
debe principalmente a la ausencia de dobles y triples enlaces los cuales son sumamente
caracteriacutesticos en longitudes de 200 a 600 nm El espectro UV-vis de la roca impregnada
(figura 35) muestra 4 sentildeales las dos primeras retribuidas a los grupos benceacutenicos a 226 y
250 nm la tercera y cuarta a los grupos nafteacutenicos a 263 y 270 nm estructuras quiacutemicas
presentes en los asfaltenos
Se realizaron 6 experimentos iniciando con la roca carbonatada posteriormente la
evaluacioacuten de la roca impregnada de asfaltenos (RASF) variando la concentracioacuten de roca
(10 5 3 1 05 mg L-1)
Los espectros muestran desdoblamiento en las bandas debido al cambio electroacutenico en los
enlaces sigma y pi presentes en los ciclos aromaacuteticos Se observa el efecto de la concentracioacuten
de roca impregnada a 05 y 1 mg L-1 se tienen bandas maacutes definidas y caracteriacutesticas de los
asfaltenos a concentraciones mayores a lo anterior se enmascaran estas sentildeales debido a la
saturacioacuten de las partiacuteculas de roca impregnada en las muestra Lo anterior hace imposible
para el equipo la identificacioacuten precisa de los grupos funcionales caracteriacutesticos de la misma
64
Figura 35 Espectro UV-vis de roca carbonatada e impregnada
34 Microscopia Electroacutenica de Barrido con Espectroscopiacutea de Dispersioacuten por Rayos X
(SEMEDX)
Esta teacutecnica se realizoacute con la finalidad de observar el tamantildeo y la forma de las partiacuteculas de
roca carbonatada asiacute como la composicioacuten elemental de la misma Se observa un
comportamiento de agregacioacuten entre las partiacuteculas por lo que se puede deducir un tamantildeo
entre 100 y 400 nm Con el anaacutelisis elemental del EDX se comproboacute la naturaleza de la roca
la cual estaacute formada de carbonato de calcio La literatura [36] indica las sentildeales caracteriacutesticas
de este compuesto el carbono con una sentildeal en 028 keV el oxiacutegeno en 053 keV y el calcio
con dos picos en 369 y 401 keV y de partiacuteculas nanomeacutetricas de forma esfeacutericas lo anterior
esto se puede observar en la figura 36
65
36 Anaacutelisis SEMEDS de roca carbonatada
35 Imbibicioacuten espontaacutenea
Se obtuvieron las rocas imbibidas tras un proceso de 7 diacuteas [37] y se pesaron para conocer la
cantidad de crudo absorbido dentro de su estructura porosa Asiacute mismo se fracturaron las
rocas para comprobar la presencia del hidrocarburo dentro de la roca lo cual se observa en
la figura 37 En la tabla 31 se muestra la masa inicial y final de la roca asiacute como el
porcentaje de masa absorbida de crudo teniendo porcentajes entre 4 y 5
66
Figura 37 Micrografiacutea de las rocas imbibidas con crudo
Tabla 31 Resultados de rocas imbibidas
Muestra Masa Inicial (g) Masa Final (g)
1 103315 108098 46295
2 92475 96736 46077
36 Anaacutelisis del aacutengulo de contacto del crudo emulsionado sobre roca (Meacutetodo de gota seacutesil)
La medicioacuten del aacutengulo de contacto de diferentes sistemas de estudio aporta informacioacuten
sobre la interaccioacuten entre las interfaces soacutelidas y liquidas el comportamiento de un fluido
sobre una superficie asiacute como la variacioacuten de la misma con la aplicacioacuten de un agente en
este caso un surfactante
361 Roca no imbibida
Se colocaron los disolventes empleados en la experimentacioacuten variado uacutenicamente los
surfactantes y la concentracioacuten de los mismos En la figura 38 se muestra el aacutengulo de
contacto de la salmuera sobre la roca se observa que con la aplicacioacuten de los surfactantes
este aacutengulo disminuye deduciendo un aumento en la afinidad entre la roca y el disolvente
[38] Lo anterior se debe principalmente al aumento de la concentracioacuten de iones provocando
un efecto de pantalla que reduce las repulsiones electrostaacuteticas entre las moleacuteculas anfifiacutelicas
67
facilitando la formacioacuten de micelas en el sistema y asiacute aumentando la mojabilidad de la
salmuera obseacutervese en tabla 32
Figura 38 Angulo de contacto de la salmuera
Tabla 32 Aacutengulos de contacto de salmuera a diferentes condiciones de estudio
El efecto de las sales presentes en el agua congeacutenita en la formacioacuten micelar (figura 39)
propicia un incremento en la mojabilidad con la aplicacioacuten del surfactante lo cual se muestra
en la tabla 33
Figura 39 Angulo de contacto del agua congeacutenita
Tabla 33 Aacutengulos de contacto del agua congeacutenita a diferentes condiciones de estudio
68
Del mismo modo se colocaron sobre la superficie de la roca los diferentes sistemas de estudio
(emulsiones) los cuales variaban en el tipo de surfactante la concentracioacuten y el tipo de
disolvente empleado El aacutengulo de contacto del petroacuteleo se muestra en la figura 310
Figura 310 Angulo de contacto del petroacuteleo
Con una concentracioacuten de 500 mg L-1 de surfactante (tabla 34) se observa una disminucioacuten
del aacutengulo de contacto de la emulsioacuten lo anterior se atribuye al efecto de las cabezas
catioacutenicas sobre los agregados asfalteacutenicos los cuales son dispersados provocando una
mayor interaccioacuten con la roca y aumentando la mojabilidad sobre la misma
Tabla 34 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 500 mg L-1
69
Con una concentracioacuten de 800 mg L-1 de surfactante (tabla 35) se observa un efecto similar
al sistema de estudio anterior un decremento del aacutengulo de contacto atribuido al efecto
pantalla de las sales de los disolvente en la concentracioacuten micelar dispersando los agregados
asfalteacutenicos y de esta forma aumentando la mojabilidad del sistema sobre la roca
carbonatada
Tabla 35 Aacutengulos de contacto de emulsioacuten aplicando surfactantes a 800 mg L-1
362 Roca imbibida por petroacuteleo
70
Se colocaron los sistemas de estudio (salmuera y agua congeacutenita) sobre la roca impregnada
de crudo se observoacute una disminucioacuten en el aacutengulo de contacto menor que el estudio sobre
la roca carbonatada Lo anterior se debe a la alta hidrofobicidad de la superficie de la roca
la cual estaba impregnada en su totalidad de hidrocarburo y que aun con la aplicacioacuten de los
surfactantes se repelioacute el efecto de las cabezas catioacutenicas teniendo como consecuencia el
decremento del aacutengulo de contacto Las tablas 36 y 37 muestran los aacutengulos de contacto
tras la aplicacioacuten del surfactante
Tabla 36 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 500 mg L-1
Tabla 37 Aacutengulos de contacto de disolventes aplicando surfactantes a 800 mg L-1
71
En la Tabla 38 se presentan los resultados del caacutelculo de tensioacuten interfacial y mojabilidad
los cuales son paraacutemetros que describen el comportamiento de las fuerzas intermoleculares
en la interfase soacutelido-liacutequido
Tabla 38 Anaacutelisis tensiomeacutetrico de sistemas de estudio
Fase soacutelida
Fase liacutequida
Surfactante (Sx)
Concentracioacuten (mg L-1)
Aacutengulo de
contacto ϴ
(deg)
Tensioacuten interfacial γ (dina cm-1)
Mojabilidad W
Roca carb Salmuera 8149 576 661
Roca carb Salmuera S1 500 5539 518 812
Roca carb Salmuera S1 800 5173 537 869
Roca carb Salmuera S2 500 4549 441 827
Roca carb Salmuera S2 800 4242 557 856
Roca Imb Salmuera S1 500 6956 421 566
Roca Imb Salmuera S1 800 6957 451 606
Roca Imb Salmuera S2 500 6681 472 657
Roca Imb Salmuera S2 800 7408 549 699
Roca carb Agua Cong 7391 528 674
Roca carb Agua Cong S1 500 4785 431 72
Roca carb Agua Cong S1 800 4069 446 784
Roca carb Agua Cong S2 500 4809 439 732
Roca carb Agua Cong S2 800 3327 42 771
Roca Imb Agua Cong S1 500 7456 525 664
Roca Imb Agua Cong S1 800 6575 494 696
Roca Imb Agua Cong S2 500 765 472 581
Roca Imb Agua Cong S2 800 6788 483 664
Roca carb Petroacuteleo 11177 838 536
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 500 8313 582 651
Roca carb Emulsioacuten Sal S1 800 936 605 567
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 500 9088 652 641
Roca carb Emulsioacuten Sal S2 800 8645 629 667
Roca carb Emulsioacuten AC S1 500 10289 815 641
Roca carb Emulsioacuten AC S1 800 9562 698 629
Roca carb Emulsioacuten AC S2 500 9846 782 666
Roca carb Emulsioacuten AC S2 800 9056 675 668
En los diferentes anaacutelisis sobre roca carbonatada con la aplicacioacuten de surfactantes en
salmuera o agua congeacutenita se observa una disminucioacuten del aacutengulo de contacto lo que implica
una menor tensioacuten en la interfase soacutelido-liacutequido obteniendo mayor mojabilidad en cada uno
de los sistemas Lo anterior se basa principalmente en el efecto dispersivo de los surfactantes
72
sobre las agregaciones asfalteacutenicas siendo las cabezas catioacutenicas las responsables de evitar
la apilacioacuten de los asfaltenos y disgregaacutendolas por todo el sistema
Asiacute mismo se observa el efecto de la concentracioacuten de los surfactantes en los diferentes
sistemas de estudio obteniendo menor tensioacuten interfacial a una concentracioacuten de 500 mgL-1
debido a la saturacioacuten ideal del aditivo en la muestra
37 Dispersioacuten de luz dinaacutemica (DLS)
Con el anaacutelisis DLS se estudioacute la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
y la roca impregnada asiacute como el efecto de los surfactantes en el sistema de estudio En la
figura 311 se muestra la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de la roca carbonatada
(unimodal 1496 nm) a su vez en la figura 312 se observa la distribucioacuten de la roca
impregnada (unimodal 4063 nm) Posteriormente con la aplicacioacuten de los surfactantes se
comproboacute la disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula con S1 (unimodal 219 nm) y S2 (
unimodal 282 nm) Lo anterior se atribuye al efecto de los surfactantes sobre la superficie
impregnada que al entrar en contacto con los agregados asfalteacutenicos se generoacute la dispersioacuten
de los mismos disminuyendo de esta forma el tamantildeo de la partiacutecula [32] Ambos surfactantes
facilitan la dispersioacuten de los asfaltenos que recubren la superficie de la partiacutecula provocando
la reduccioacuten en el tamantildeo de la misma obseacutervese figs 313 y 314
Figura 311 Anaacutelisis DLS de roca carbonatada
73
Figura 312 Anaacutelisis DLS de roca impregnada
Figura 313 Anaacutelisis DLS de roca impregnada aplicando S3
Figura 314 DLS de roca impregnada aplicando S4
74
La disminucioacuten del tamantildeo de partiacutecula de las rocas impregnadas se asocia al efecto
dispersivo de los surfactantes mencionado en las pruebas tensiomeacutetricas donde las parte
catioacutenica del compuesto inhibe la aglomeracioacuten de las moleacuteculas asfalteacutenicas provocando
no solo el cambio de la mojabilidad del sistema de estudio si no tambieacuten la disgregacioacuten de
los asfaltenos encontrados en la superficie de la roca carbonatada por tanto un decrecimiento
en la distribucioacuten de tamantildeo partiacutecula en la roca impregnada
38 Potencial Zeta
Con el anaacutelisis de potencial zeta se observoacute las fuerzas de atraccioacuten yo repulsioacuten de cada
sistema de estudio La literatura indica que en todo sistema en suspensioacuten coloidal existe un
equilibrio entre las fuerzas de repulsioacuten y las fuerzas de atraccioacuten molecular (Van del Waals)
resultando la aglomeracioacuten o dispersioacuten del sistema Si el sistema tiene carga positiva el
sistema es atractivo por lo que existen las fuerzas de atraccioacuten entre las partiacuteculas son
mayores que las fuerzas de repulsioacuten Si el sistema es negativo el sistema es repulsivo y se
tiene un efecto contrario al anterior Mientras maacutes alejado del cero se encuentre la muestra
mayor estabilidad le seraacute conferida debido a la relacioacuten entre las fuerzas intermoleculares
eso significa que se provocaraacute menor agregacioacuten facilitando la dispersioacuten del soluto [33] En
la figura 315 se muestra el efecto del pH en la dispersioacuten de los asfaltenos con la aplicacioacuten
de los surfactantes la tendencia se vuelve maacutes negativa por lo tanto existe mayor estabilidad
en el coloide disminuyendo la agregacioacuten de los asfaltenos
Este efecto se observoacute en las pruebas de DLS en donde los surfactantes dispersaron las
moleacuteculas de asfaltenos disminuyendo de esta forma la distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula
lo anterior se asocia a la disgregacioacuten de los asfaltenos observado en potencial Zeta
obteniendo una fase dispersa en el sistema
75
Figura 315 Anaacutelisis de potencial Zeta variando el pH
76
Conclusiones
Se comproboacute el efecto dispersivo de los surfactantes sulfatados sobre los agregados
asfalteacutenicos causado principalmente por las cargas electroacutenicas presentes en estos
compuestos que al entrar en contacto con los asfaltenos provocaron la disgregacioacuten de
los mismos Dicho efecto fue visible en la mayoriacutea de las teacutecnicas empleadas generando
cambios en las interacciones moleculares de los sistemas de estudio y en las fuerzas de
la interfase soacutelido-liacutequido
Las teacutecnicas de caracterizacioacuten FTIR UV-vis corroboraron la presencia de grupos
funcionales caracteriacutesticos de la roca carbonatada asiacute como de la roca impregnada de
asfaltenos La teacutecnica de SEMEDX corroboroacute la existencia de los elementos que
componen a la roca y brindoacute informacioacuten importante sobre el tamantildeo y la forma de los
las partiacuteculas de roca
Las pruebas de aacutengulo de contacto por el meacutetodo de gota seacutesil comprobaron el efecto
superficial de los surfactantes en los diferentes sistemas de estudio cambiando la
tensioacuten interfacial de cada uno y afectando una caracteriacutestica innata de la roca su
mojabilidad Los aacutengulos de contacto tras la aplicacioacuten de los surfactantes sufrieron una
disminucioacuten por la facilidad de los aditivos antes mencionados para dispersar las capas
de agregacioacuten de los asfaltenos provocando una mejor interaccioacuten con la fase soacutelida
Mediante el anaacutelisis de Dispersioacuten de luz Dinaacutemica (DLS) se consiguioacute fundamentar el
efecto dispersivo de los surfactantes observado en las pruebas tensiomeacutetricas siendo de
gran importancia los resultados obtenidos de distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula en
donde con la aplicacioacuten de los surfactantes se consiguioacute disminuir este paraacutemetro por
la la difusioacuten de los agregados asfalteacutenicos contenidos en la superficie de la roca siendo
afectados principalmente por las cargas electroacutenicas cabezas catioacutenicas
La teacutecnica de potencial Zeta corroboroacute lo anterior debido a la facilidad de las muestras
con surfactantes para alcanzar la estabilidad coloidal por lo que se demuestra un efecto
77
contrario a la agregacioacuten un efecto dispersivo de los asfaltenos provocado por las
cargas presentes en las cadenas de los aditivos
78
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