modificación de la mojabilidad y recuperación mejorada de aceite en cretas

Alteración de la mojabilidad y recuperación mejorada de aceite por imbibición espontanea de agua de mar en cretas: Impacto de los iones determinantes de potencial: Ca+2, Mg+2, y SO4

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Peimao Zhang, Medad T. Tweheyo, Tor Austad

Juárez Simota, OmarBetanzos Ortíz, CarlosAlmazán Hernández, Guillermo

17 de Noviembre del 2013

Instituto Tecnológico Superior de Coatzacoalcos

CONTENIDO

1. Introducción2. Experimentos

• Medio poroso• Aceites• Salmueras• Mediciones de Potencial Zeta• Inyección de núcleos• Manejo de núcleos• Análisis químicos• Imbibición espontánea

3. Resultados • Interacción entre el ion de Magnesio y la superficie de la roca• Ion de Magnesio como agente modificador de la mojabilidad• Mecanismos sugeridos para modificar la mojabilidad

4. Conclusión


INGENIERÍA PETROLERA ITESCO

INTRODUCCIÓN



Imbibición Espontánea

“El proceso de absorción de una fase mojante en una roca porosa. Laimbibición es importante en un yacimiento que produce por mecanismos deempuje de agua porque puede favorecer u obstruir el movimiento del agua,afectando el barrido areal. La imbibición espontánea se refiere al procesode absorción sin existencia de presión que haga penetrar la fase en la rocapor empuje. Es posible que la misma roca absorba tanto agua comopetróleo, siendo absorbida el agua con una baja saturación de agua en sitio,y desplazando el exceso de petróleo de la superficie de los granos de roca, ysiendo absorbido el petróleo con una baja saturación de petróleo en sitio, ydesplazando el exceso de agua. Una prueba de imbibición es unacomparación del potencial de imbibición del petróleo y del agua en una roca.La mojabilidad de la roca es determinada por la fase que más absorbe.” [1]

INTRODUCCIÓN



Iones Determinantes de Potencial

“Aquellas especies en virtud de la distribución electrónica entre un sólido yun líquido determinan la diferencia de potencial de Galvani de dichas fases.”[2]

“Iones que dejan la superficie de un sólido sumergido en un líquido acuosoantes de alcanzar su punto de equilibrio/saturación.”

Diferencia de potencial de Galvani

“Define la diferencia de potencial entre dos fases. Es mayor en tanto loselectrones de una partícula para salir de ella.”

INTRODUCCIÓN



Factor Zeta

Describe la intensidad del campo eléctrico estático de la doble capa entre ellímite del grano y el fluido.Indica el potencial necesario para poder penetrar la capa iónica que seencuentra alrededor de una partícula.


2.- EXPERIMENTOS

2.1.- MEDIO POROSO

El medio poroso utilizado fue un afloramiento de cretas de Stevns Klint (SK) cerca decopenhague, Dinamarca, de la edad del Maastrchtiano.

Características:Altamente porosoBaja permeabilidadEl material de estos núcleos esta compuesta por un 96% de finos coccoliticos.


En esta prueba se utilizaron dos crudos diferentes llamados A y B.Muestras:

A) Características originalesB) El crudo A fue tratado con gel de sílice

Procedimiento:

Los dos crudos fueron filtrados antes de ser utilizados para eliminar partículas mas grandesy mejorar el flujo a través de los núcleos de cretas de baja permeabilidad

2.2.- CRUDOS


Se utilizaron varias muestras de salmueras, dos de ellas modificadas del campo Ekofisk.Llamadas:

• EF-0 (Empobrecida con iones de calcio y magnesio)• EF-1 (con iones de calcio y magnesio)• EF (Salmuera sintética de formación)• ZP (Fue utilizada como salmuera inicial para la inyectabilidad)• CF-M

2.3.- SALMUERAS

Procedimiento:

Esta suspensión acuosa fue preparada mezclando salmuera ZP con un 4% en peso de Cretapulverizada. La suspensión se agitó por al menos 48 h antes de ser usada a esta mezcla se leagregaron soluciones representativas, teniendo esta solución se volvió agitar por dosminutos para alcanzar un nuevo equilibrio

2.4.- MEDICIONES DEL POTENCIAL ZETA


Los núcleos fueron saturados con salmuera ZP. La porosidad fue calculada por diferenciasde peso, volumen de la muestra y densidad del fluido.La inyección del núcleo fue realizada en una celda la cual fue colocada en un gabinete decalentamiento. La tasa de flujo fue controlada mediante una bomba, Los efluentes fueronrecolectados utilizando un colector de fracciones para análisis químicos subsecuentes.Durante las pruebas de inyección, se aplicó una contrapresión para prevenir la ebulliciónde los fluidos a altas temperaturas. Esta contrapresión también se aplicó en pruebas a bajastemperaturas para tener condiciones similares.

2.5.- INYECCION DE NUCLEOS


Con la finalidad de obtener condiciones de mojabilidad homogénea, los núcleos se manejaron de acuerdo con procedimientos de Stadnes y Austad. Los experimentos de imbibición espontánea fueron realizados usando núcleos con una saturación inicial de agua, usando EF-0, o EF-1. Los núcleos secos fueron evacuados y saturados con salmuera al vacío, después los núcleos fueron reposados en la salmuera por 2h.Los núcleos se colocaron en sujetadores e inyectados de aceite en cada dirección con una presión de confinamiento por fuera de su funda, para obtener la saturación inicial de agua Swi. Los núcleos fueron colocados en un contenedor cerrado a 90°C por al menos 4 semanas utilizando el mismo crudo

2.6.- MANEJO DE NUCLEOS PARA LAS PRUEBAS DE IMBIBICION

2.7.- ANALISIS QUIMICOS

La concentración de iones de calcio, magnesio y sulfato fueron determinadas a partir de las muestras de efluentes recolectadas en las pruebas de inyección.

Algunos análisis químicos fueron analizados por cierta compañía usando un plasma de inducción.


Estudios de imbibición espontánea a largo plazo fueron realizados a diferentestemperaturas: 40, 70, 100 y 130°C.

Para los casos donde las pruebas de imbibición tenía que ser continuadas a temperaturasaltas antes de que la meseta de producción fuera alcanzada a 70°C, los núcleos fuerontransferidos con cuidado a una celda de imbibición de acero para continua con las pruebasde 100 y 130°C. Una contrapresión de 10Bar fue entonces aplicada para evitar la ebulliciónde los fluidos.

2.8.- IMBIBICION ESPONTANEA


En la primera parte la interacción entre el ion de Magnesio y la superficie de la roca serádiscutida en términos de la química de superficies. El ion de Magnesio puede actuar comoun ion determinante de potencial y además desplazar el ion de Calcio de la superficie de laroca Creta biogénica, debido a una reacción de sustitución.

En la siguiente sección, resultados experimentales para la imbibición espontánea del aguaen Cretas moderadamente mojadas por agua se discutirá con el objetivo de entender elimpacto del ion de Magnesio en el proceso de imbibición. Aislando el impacto químico delion de Magnesio en la modificación de la mojabilidad, será posible combinar los efectosobservados previamente de los iones de Calcio y Sulfato, para mejorar el entendimiento depor qué el agua de mar es un fluido de imbibición efectivo para yacimientos de Cretas conbaja mojabilidad por agua.

3.- RESULTADOS Y DISCUSIONES


figura 1. Medidas de potencial zeta de la suspensión acuosa tiza aumentando paulatinamente la concentración de Mg2 + en la suspensión a granel. % Polvo de tiza molida Inicialmente 4WT se mezclaron con salmuera ZP. Las pruebas se realizaron a 25 ◦ C y el pH se mantuvo constante como 8,4.


Mediciones del Potencial Zeta en la suspensión de Creta (0.573 M de solución de NaCl conun 4% en peso de pulverizado de Creta) claramente mostró que el ion de Magnesio comoun ion de determinante de potencial. La carga positiva en la superficie de la rocaincrementó a medida que la concentración de iones de Magnesio aumentó, mientras el PHse mantuvo constante a 8.4.

Las mediciones fueron realizadas a temperatura ambiente, la reacción de sustitución entrelos iones de Calcio y Magnesio en la superficie de la roca fue muy lenta. Dado que el ion deCalcio en la Creta, se espera que el Calcio sea un ion determinante de potencial más fuertehacia la superficie de la roca en comparación con el ion de Magnesio.

3.1.- INTERACCIÓN ENTRE EL ION DE MAGNESIO Y LA SUPERFICIE DE LA ROCA


figura 2. Adsorción competitiva de Ca2 + y Mg2 + hacia la superficie tiza durante CF-M inyectada en un núcleo tiza a temperatura ambiente. Inicialmente, el núcleo sesatura con salmuera ZP y se utilizó una velocidad de flujo de 0.2ml/min


En las pruebas donde iones de Magnesio fue añadido, la recuperación de aceite estuvofuertemente relacionada con la concentración de iones Sulfato. La recuperación de aceiteincrementó a cerca de: 20, 30 y 42%, a medida que la concentración de iones sulfatoincrementó de 0, 1 y 4 veces, respectivamente, la concentración presente en el agua demar.

Cuando la temperatura aumentó a 130°C, la recuperación de aceite de las pruebas con 1 y 4veces la concentración de iones Sulfato en comparación con la del agua de mar así como deiones de Magnesio, incrementó en 50 y 60% respectivamente. La eficiencia de los iones deMagnesio junto con los iones Sulfato como modificadores de la mojabilidad, incrementódrásticamente a medida que la temperatura en las pruebas aumentaba.

Hasta ahora, las pruebas de imbibición espontánea mostraron que los iones de Calcio yMagnesio actuaron como modificadores de la mojabilidad en presencia de iones Sulfato.Pareciera que la temperatura fuese de gran importancia, y la eficiencia relativa de estosiones como modificadores de la mojabilidad depende de la temperatura.

• 3.2.- ION DE MAGNESIO COMO AGENTE MODIFICADOR DE LA MOJABILIDAD


Para obtener un beneficio en la recuperación mejorada de aceite con base en el agua enyacimientos carbonatados naturalmente fracturados con una mojabilidad por agua baja, lainducción de una alteración de la mojabilidad debe llevarse a cabo en la etapa productiva,el proceso debe ser relativamente rápido. Las propiedades de la interface aceite-agua sondictadas más o menos por las propiedades del aceite. Así, las modificaciones de lamojabilidad deben ser realizadas en la interface agua-roca, para Cretas biogénicas reactivasesto puede realizarse por los IDP. En ese sentido, el agua de mar pareciera ser un súperfluido para yacimientos con altas temperaturas.

• 3.3.- MECANISMOS SUGERIDOS PARA MODIFICAR LA MOJABILIDAD


Hechos experimentales obtenidos pueden describirse como:

• La adsorción de iones Sulfato sobre la superficie de la roca (Creta) aumenta a medida que la temperatura también lo hace.

• La co-adsorción de iones de Calcio sobre la superficie de la roca aumenta a medida que la adsorción de iones Sulfato lo hace también.

• Los iones de Magnesio se adsorben con menor fuerza que los iones de Calcio sobre la superficie de la roca a temperaturas bajas.

• A altas temperaturas, los iones de Magnesio sustituyen los iones de Calcio en la superficie de la roca, y el grado de sustitución aumenta a medida que la temperatura también lo hace.

• Los iones de Magnesio y Sulfato forman una solución acuosa de pares iónicos, la asociación aumenta a medida que la temperatura también lo hace. Así, la adsorción de iones Sulfato sobre la superficie de la roca también aumentará la concentración de iones de Magnesio cerca de la superficie.

• La imbibición espontánea de agua en una roca débilmente mojada por agua, incrementa a medida que la concentración de IDP en el fluido de imbibición aumenta.

• Los iones de Calcio o Magnesio, no incrementarán el proceso de imbibición espontánea por agua, sin la presencia de iones Sulfato en el fluido de imbibición. Los iones Sulfato no son activos son la presencia de iones de Calcio o Magnesio.

• El ion de Calcio, es capaz de modificar las condiciones de mojabilidad, en altas y bajas temperaturas, pero el ion de Magnesio solamente es activo en altas temperaturas.


Basado en estos hechos experimentales, el mecanismo químico para la modificación de lamojabilidad es sugerida, y se ilustra en la Figura.• A y B.- A bajas y altas temperaturas, los iones de Calcio pueden reaccionar con los

grupos carboxílicos y liberarlos de la superficie.

• A.- A altas temperaturas, los iones de Magnesio pueden desplazar a los iones de Calcio ycomplejos carboxílicos. Además, la unión entre un ion de Calcio y un carbixilato es por logeneral más fuerte que la unión entre un ion de Magnesio y un carboxilato.

• B.- El hecho de que la modificación de la mojabilidad utilizando iones de Magnesio ySulfato es solo activa a altas temperaturas, apoya fuertemente el mecanismo sugerido.Es difícil de creer que el pequeño y fuertemente solvatado ion de Magnesio, es capaz desustituir los iones de Calcio en iones de Calcio asociados a complejos carboxílicos por unmecanismo similar al sugerido.

Los mecanismos sugeridos, están basados en el acceso de la inyección de agua cerca de launión entre el grupo carboxílico y la superficie de la roca.

CONCLUSIONES



1

Se verificó experimentalmente que los iones de Magnesio son también fuertes IDPhacia la superficie de la roca, el cual tiene el potencial de incrementar la densidad dela carga positiva en la roca.

2

En altas temperaturas, los iones de Magnesio presentes en el agua de mar, puedensustituir los iones de Calcio de la superficie de la roca, y el grado de sustituciónincrementa a medida que la temperatura también lo hace.

CONCLUSIONES



3

El agua de mar puede mejorar la imbibición espontánea en una roca mojadamoderadamente por agua, para mejorar la recuperación de aceite de los yacimientosde Cretas naturalmente fracturadas. Los parámetros clave en el agua de mar, son losIDP.

4

Para mejorar la recuperación de aceite, los sulfatos deben actuar de maneraconjunta, ya sea con iones de Calcio o Magnesio. En ambos casos, la eficienciaincrementa a medida que la temperatura aumenta.

CONCLUSIONES



5

Se propone un mecanismo químico, el cual discute la interacción entre los IDP paradesplazar materiales orgánicos carboxílicos de la superficie de la roca.

REFERENCIAS



• http://www.mindat.org/glossary/potential-determining_ion• http://www.glossary.oilfield.slb.com/es/Terms/i/imbibition.aspx?p=1• http://cbi.izt.uam.mx/foroacademico/2007/res/oral01.pdf• http://www.kirbyresearch.com/index.cfm/wrap/textbook/microfluidicsnanofluidicsse61.html• http://old.iupac.org/goldbook/P04776.pdf• http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/2009-2-Potencialzeta-AlexCervantes_7040.pdf

modificación de la mojabilidad y recuperación mejorada de aceite en cretas

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