UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERIA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUIMICA

RECUPERACIN MEJORADA DE PETRLEO (EOR) MEDIANTE INYECCIN DE NITRGENO EN EL NOROESTE PERUANO TESIS PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO DE PETRLEO ELABORADO POR: LUIS ALBERTO FLORES YENQUEPROMOCIN 2009-1

LIMA PERU 2009

RECUPERACIN MEJORADA DE PETRLEO (EOR) MEDIANTE INYECCIN DE NITRGENO EN EL NOROESTE PERUANO INDICESUMARIO ...3 .......5 7

1.- INTRODUCCIN 2.- OBJETIVO

3.- JUSTIFICACIN DEL PROYECTO 7 4.- FUNDAMENTO TERICO PARA LA INYECCIN DE NITRGENO .8 4.1 Mtodos de Recuperacin Mejorada de Petrleo (EOR) .8 4.2 Consideraciones para definir Mtodos EOR 4.2.1 Propiedades Fsicas del Petrleo y Gas 4.2.2 Tipo y Geologa del Reservorio ........8 ...........9

....9 .9

4.2.3 Propiedades Petrofsicas de la Roca Reservorio 4.2.4 Disponibilidad del fluido para la inyeccin 4.3 Tipos de Desplazamiento 4.3.1 Desplazamiento Miscible 4.3.2 Desplazamiento Inmiscible 4.3.3 Fluidos Miscibles

..10

..10 ..11 ..11

..11

4.3.3.1 Factores que afectan la eficiencia del Desplazamiento. 4.3.3.2 Tensin Interfacial (TI) ..12 4.3.3.3 Nmero Capilar (Nc) ..12

4.3.3.4 Ratio de Movilidad (M) .13 4.3.4 Procesos de Desplazamiento Miscible ..15

4.3.4.1 Proceso Miscible de primer contacto ..15 4.3.4.2 Proceso Miscible de mltiples contactos ......15

4.4 Inyeccin de gas Inerte ..15 4.4.1 Inyeccin de Dixido de Carbono (CO2) 4.4.2 Inyeccin de Nitrgeno (N2) ..15

..17

4.4.3. Procesos de Desplazamiento Inmiscible con Nitrgeno ...18 4.4.3.1 Mantenimiento de Presin 4.4.3.2 Inyeccin Cclica ..18

..18

4.4.3.3 Produccin de Gas desde la Capa de Gas ..18 4.4.3.4 Mejoramiento Gravitacional ..19

4.4.3.5 Empuje de Gas ..19 4.4.4 Proceso de Desplazamiento Miscible con Nitrgeno ..20

4.4.4.1Comportamiento de la fase Nitrgeno-petrleo del Reservorio ..20

4.4.4.2 Efectos del Nitrgeno en las propiedades fsicas de los fluidos del Reservorio ..22

4.4.4.3 Factores que afectan la Miscibilidad Oil-Nitrgeno en el Reservorio ..22 ..24 ..25 ..26 ...26

4.5 Produccin de Nitrgeno para Inyeccin 4.6 Tipos de Reservorio para su aplicacin 5.- PLANTA PRODUCTORA DE NITRGENO

5.1 Planta de Separacin Criognica de Separacin de Gases

5.1.1 Descripcin de una Planta Criognica de Separacin de Gases del Aire .28 ...28

5.1.2 Etapas del proceso de separacin de gases del aire

5.2 Planta de Separacin del Aire por Presin (PSA) ..30 6.- APLICACIONES DE INYECCIN DE NITRGENO EXITOSAS. ...32 6.1 Inyeccin de Nitrgeno en Campo Cantarell Mxico. 32 6.2 Proyecto de Recuperacin por Inyeccin de Nitrgeno Campo Jay ..32 7.- COSTOS DEL PROYECTO ..38 7.1 Estudios de Ingeniera .38 8.- FACTORES DE RIESGOS E INCERTIDUMBRE DE UN PROYECTO DE INYECCIN DE NITRGENO ..43 ..43

8.1 Factores de Riesgos Externos

8.2 Factores de Riesgos Internos ..44 9.- CONCLUSIONES 10.- ANEXOS .49

.50 .62

11.- BIBLIOGRAFAS

Sumario En la industria del petrleo siempre ha sido de vital importancia la maximizacin de la recuperacin del petrleo y gas que se encuentra en el reservorio. Los factores de recuperacin dependen no solo de las condiciones del fluido y calidad del reservorio, sino tambin de la tecnologa con la que se cuenta, para poder extraer el mayor porcentaje de los hidrocarburos. Es por ello que se han desarrollados numerosos mtodos o tcnicas de recuperacin mejorada (EOR) las cuales han sido apoyadas por los cambios tecnolgicos ocurridos a lo largo de los ltimos 80 aos. La tcnica de inyeccin de gas data de los aos 20 e inicialmente se empez a experimentar inyectando aire y gas natural. Conforme se dieron los resultados se empleo el gas natural y se descarto el aire por contener oxigeno, que al inyectarlo al reservorio era fuente de corrosin y explosiones. Otros gases fueron utilizados tiempos despus, como el dixido de carbono y el nitrgeno, los cuales por sus caractersticas de trabajar como un gas inerte (no reacciona qumicamente) se convirtieron en los ideales par este tipo de aplicacin. Debido al incremento de los precios, el gas natural se esta dejando de utilizar como fuente par inyeccin al reservorio. El presente trabajo pretende mostrar la factibilidad tcnica-econmica de utilizar el gas nitrgeno como fuente para la inyeccin en un campo petrolero de Talara- Per. Los captulos 1, 2 y 3 se describen la introduccin, objetivos, justificacin del proyecto. En el capitulo 4 se describen los fundamentos tericos para la inyeccin de nitrgeno, donde se explican las consideraciones que se deben tener en cuenta para este estudio. Se explican detalladamente los tipos de desplazamiento miscible e inmiscible del nitrgeno en el reservorio. En el captulo 5 se hace una descripcin de los tipos de plantas utilizados para la produccin de nitrgeno.

En el captulo 6 se describen dos experiencias exitosas de inyeccin de nitrgeno, una de ellas en el campo Cantarell de Mxico donde se ha desarrollado el proyecto mas importante del mundo en esta tcnica. En el captulo 7 se determinan los costos del proyecto para la inyeccin en un reservorio pequeo e ideal ubicado en la cuenca talara. Se hace una descripcin de los costos de inversin inicial y de los costos operativos y de mantenimiento involucrados. En el captulo 8 se describen los factores de riesgo que deben tenerse en cuenta y algunas recomendaciones para minimizarlos. En el captulo 9 se ofrecen las conclusiones generales.

1. INTRODUCCIN

La inyeccin del gas nitrgeno al reservorio se hace con el objetivo principal de recuperar los hidrocarburos que aun se encuentran atrapados en el subsuelo y constituye una tcnica que ha tomado mucha importancia en los ltimos 30 aos. La determinacin del tipo de gas a inyectar se define por las consideraciones del costo del gas, disponibilidad en el campo, condiciones del reservorio y requerimientos de medios ambientales. Inicialmente se utilizo el gas natural como fluido de inyeccin para incrementar o mantener la presin del reservorio. Es en los ltimos 15 aos donde se empez a utilizar masivamente el nitrgeno conjuntamente con el dixido de carbono (CO2) para la recuperacin mejorada del petrleo (EOR) en otros pases. En los ltimos 2 aos, hemos visto el incremento sustancial de los precios internacionales del petrleo en aproximadamente US $ 78.00 por barril en promedio, por lo cual se puede realizar dicho proyecto de EOR. Numerosos yacimientos petrolferos ubicados en la cuenca de Talara y que se encuentran en una avanzada etapa de deplecin, renen las caractersticas idneas para proponer un proyecto de recuperacin mejorada. Sobre estos campos se puede decir que se tiene una buena cantidad de informacin que a lo largo de sus aos de produccin se han obtenido. Esto ayudara a determinar los perfiles de produccin esperados a lo largo de la vida de este proyecto. Asimismo, han aparecido nuevas tecnologas para producir el gas nitrgeno en forma econmica. El uso de los generadores de nitrgeno ha reducido sustancialmente los costos de inversin inicial y los costos operativos de un proyecto. En el Per aun no se ha desarrollado proyectos para recuperacin de petrleo utilizando gas nitrgeno. Solo se tiene informacin y excelentes experiencias respecto a la inyeccin del gas como fuente de empuje para la recuperacin en la cuenca Talara. Se ha llegado a recuperar en algunos casos hasta el 75% del petrleo original insitu.

El presente proyecto de tesis pretende demostrar que actualmente se tienen las mejores condiciones para desarrollar un proyecto piloto de inyeccin de gas nitrgeno. Este proyecto servir como un ejemplo de los beneficios que se podran obtener para el incremento de la produccin de petrleo si se llevaran a cabo numerosos proyectos de este tipo.

2. OBJETIVOS

El objetivo de este trabajo es mostrar la viabilidad tcnico-econmica para implementar un proyecto de recuperacin mejorada EOR por medio de la inyeccin de nitrgeno en un reservorio de la cuenca Talara. Los objetivos especficos desde el punto de vista del reservorio son: a) Restaurar y/o mejorar la presin inicial del reservorio con la finalidad de recuperar la produccin de petrleo. b) Mejorar el proceso de desplazamiento inmiscible en las zonas de petrleo y gas. c) Mejorar el drenaje por gravitacin.

3. JUSTIFICACIN DEL PROYECTO

La justificacin del proyecto se basa en que en nuestro pas, especficamente en la cuenca de Talara se encuentran yacimientos de petrleo con un alto grado de depletacin, muchos de los cuales llegan a los 100 aos de produccin. Estos yacimientos vienen produciendo utilizando mtodos de levantamiento artificial a bajas ratas de produccin. Las condiciones geolgicas, de entrampamiento, conocimientos de las propiedades del reservorio, calidad del petrleo, data histrica de produccin y precios actuales del petrleo nos permite deducir que estamos en las mejores condiciones para poner en ejecucin el primer proyecto de inyeccin de nitrgeno para la recuperacin mejorada de petrleo en nuestro pas. Con la finalidad de seguir explotando estos yacimientos en forma econmica, en un futuro no muy lejano ser necesario utilizar mtodos de Recuperacin Mejorada de Petrleo (EOR), entre los cuales se encuentra la inyeccin de nitrgeno. El alcance de este trabajo se centra en proponer un estudio sobre la viabilidad de implementar un proyecto piloto de recuperacin mejorada de petrleo por inyeccin de nitrgeno en la cuenca de Talara, minimizando los riesgos e incertidumbres que se pudiera tener.

4. FUNDAMENTO TERICO PARA LA INYECCIN DE NITRGENO

La

tcnica de

de

recuperacin EOR

mejorada

petrleo

(Enhanced oil Recovery) han sido utilizadas por dcadas industria finalidad del de petrleo en la con la la

incrementar

productividad de los reservorios petrolferos. La tcnica se basa en la inyeccin a presin de un fluido y mezcla de fluidos (fase liquida y/o gas) al reservorio con la finalidad de recuperar o mejorar la presin inicial del reservorio creando en forma artificial las condiciones de surgencia del petrleo que aun se encuentra atrapado.

4.1 Mtodos de recuperacin Mejorada de Petrleo (EOR) Los mtodos mas conocidos son: Inyeccin de agua Inyeccin de vapor Inyeccin de gas natural Inyeccin de gas inerte (CO2 O N2) Combustin in situ Inyeccin de polmeros Inyeccin de mezcla de agua y gases

4.2 Consideraciones para definir mtodo EOR a utilizar La decisin de utilizar uno o varios de los mtodos depender del conocimiento y la informacin geolgica, petrofsica y del comportamiento de la produccin que se tenga del yacimiento candidato. La utilizacin de estudios de simulacin basados en este conocimiento se torna esencial.

La informacin histrica obtenida del yacimiento se puede clasificar de acuerdo con lo siguiente: Propiedades fsicas del petrleo y gas Tipo y geologa del reservorio Las propiedades de la roca reservorio Disponibilidad del fluido para inyeccin Factor recuperacin esperada

4.2.1 Propiedades fsicas del petrleo y gas La calidad del petrleo y/o gas del reservorio es importante considerar: API Viscosidad GOR FVF del petrleo y gas

4.2.2 Tipo y Geologa del Reservorio Existen reservorios que por su morfologa son candidatos para aplicar la recuperacin mejorada de petrleo EOR. o Reservorios anticlinales o Reservorios de segregacin gravitacional o Reservorios con capa de gas Se debe considerar tambin la conductividad del reservorio a fin de definir la ubicacin de los pozos inyectores y productores. Asimismo es importante considerar el buzamiento de los estratos, orognesis, tipo de roca reservorio.

4.2.3 Propiedades Petrofsicas de la Roca Reservorio Las propiedades que se deben tener en cuenta son: o Saturacin de agua, petrleo y gas o Saturacin irreducible o Permeabilidad (horizontal, vertical) o Porosidad o Temperatura

o Movilidad o Mojabilidad o Presin (inicial, fluencia)

4.2.4 Disponibilidad del fluido para inyeccin La disponibilidad del fluido de inyeccin es un factor importante que se debe considerar en un proyecto de recuperacin petrleo (EOR). Los fluidos mas utilizados para inyeccin son el agua y el gas natural. La utilizacin de estos dos fluidos depender de la disponibilidad en volumen y calidad que se tenga en el lugar en donde este ubicado el yacimiento. El agua debe de ser tratada, libre de bacterias y oxigeno, y presentar problemas de precipitaciones de sales o carbonatos y cloruros. La utilizacin del gas natural ser de acuerdo al remanente que exista en el lugar. Se debe considerar que el gas es un subproducto que tiene un valor comercial. mejorada del

4.3 Tipos de desplazamiento 4.3.1 Desplazamiento Miscible Se define la miscibilidad por el grado de solubilidad de un fluido en otro. En los sistemas gas-liquido la miscibilidad depender de la similaridad qumica entre los fluidos, la presin y temperatura de los sistemas. La similaridad qumica implica que los hidrocarburos sern ms solubles en hidrocarburos que en soluciones acuosas. En un sistema gas-liquido a temperatura constante, la solubilidad del gas en el lquido se incrementa con el incremento de la presin. A presin constante, la solubilidad del gas decrece a medida que se incrementa la temperatura. En el caso de los sistemas liquido-liquido, los fluidos pueden ser: o miscibles o inmiscibles

4.3.2 Desplazamiento Inmiscibles Los fluidos inmiscibles fluyen en dos fases distintas con una frontera de interfase entre las dos fases. La interfase representa la existencia de una tensin superficial entre los fluidos. Cuando el agua desplaza al petrleo en un medio poroso, el comportamiento del flujo se caracteriza por ser un desplazamiento inmiscible. Los factores que afectan el desplazamiento inmiscible son: a) Permeabilidad relativa b) Saturacin de fluido c) Estructura geomtrica de los poros d) Mojabilidad e) Tensin superficial En un proceso de recuperacin de petrleo por desplazamiento, el fluido inyectado desplaza solo una porcin del petrleo en contacto. Una mayor saturacin residual permanece en el medio poroso posterior a un desplazamiento inmiscible son relativamente bajas.

4.3.3 Fluidos Miscibles Los fluidos miscibles se caracterizan por permanecer en una sola fase a mezclarse dos o ms fluidos en cualquier proporcin. La ausencia de una pelcula interfase nos indica la ausencia de una tensin superficial. En un medio poroso, cuando el petrleo es desplazado con un fluido miscible, el comportamiento del flujo es independiente de la permeabilidad relativa y la mojabilidad del medio poroso.

4.3.3.1 Factores que afectan la eficiencia del desplazamiento miscible La eficiencia del desplazamiento miscible depende de muchos factores tales como la tensin interfacial, capilaridad, relacin de movilidad, inestabilidad de la viscosidad, eficiencia de barrido y eficiencia de desplazamiento.

4.3.3.2 Tensin Interfacial (TI) La tensin interfacial o superficial es una medida de las fuerzas de atraccin entre las molculas que interactan en la frontera de dos fases. Las fuerzas de atraccin de Van Der Waals es uniforme a lo largo del fluido, a excepcin de la superficie o interfase. Este desbalance de las fuerzas de atraccin tiende a mover las molculas hacia la superficie o interfase, lo que resulta en la formaron de una superficie similar a una membrana con una curvatura. La fuerza de atraccin entre las molculas es directamente proporcional al producto de las masas en inversamente

proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos. La tensin interfacial depende de la temperatura. TI tiende a incrementarse conforme se incrementa la temperatura. Asimismo, la TI puede controlarse por medio de los aditivos que incrementan o reducen su valor. Por ejemplo, los surfactantes son efectivos para reducir o eliminar la TI. Si aadimos qumicos alcalinos al agua, reducimos la TI entre agua- petrleo.

4.3.3.3 Numero Capilar (Nc) En un desplazamiento inmiscible de petrleo de un medio poroso, el petrleo residual resultante despus del desplazamiento se determina por el nmero capilar, que esta definido como:

Nc = /Donde: v = Velocidad Darcy, m/s

= Viscosidad del fluido desplazante, cp. = TI entre fluido desplazante y desplazado, N/m

Nc es una cantidad adimensional, es un ratio que expresa la relacin de la viscosidad () y las fuerzas capilares () que actan en un medio poroso. Se ha correlacionado el nmero capilar como funcin de la tensin interfacial entre el agua como fluido desplazante y el petrleo como fluido desplazado. La fraccin del petrleo residual que queda despus del desplazamiento se ha ploteado como funcin del numero capilar. Existe un valor crtico debajo del cual la saturacin residual del petrleo se alcanza cuando el nmero capilar es 10-5 o mayor. Esto significa que se necesitara un incremento de 4 o 5 veces del nmero capilar para movilizar y recuperar el petrleo residual por inundacin de agua.

4 . 3 . 3 . 4

R a t i o

4.3.2.4 Ratio de Movilidad (M). La movilidad de un fluido se define como el ratio de la permeabilidad efectiva del fluido y su viscosidad.

= keff / keff = Permeabilidad efectiva

= ViscosidadEl ratio de movilidad (M) viene a hacer la relacin que existe entre la movilidad del fluido desplazante y el fluido desplazado:

M = ing / ed M = krw o / krowPara valores de M>1, el fluido desplazante fluye mas rpidamente que el fluido desplazado. Para valores M