SIMULACIN DE PROCESOS ESPECIALES

SIMULACIN DE PROCESOS ESPECIALES

Se ha tratado la simulacin de petrleo negro, que modela el flujo inmiscible bajo condiciones tales que las propiedades de los fluidos pueden ser tratados ya sea como funcin solo de la presin o como funcin de la presin y relacin gas/petrleo en solucin. Los simuladores de petrleo negro pueden manejar ms del 75% de las aplicaciones de simuladores adecuadamente. Son inadecuados, sin embargo, para estudios que deben considerar mezclas de fluidos que tienen propiedades significativamente diferentes, desplazamiento de petrleo por fluidos miscibles o condicionalmente miscibles, desplazamientos que involucran qumica que puede afectar las propiedades de los fluidos, flujo no isotrmico, o reacciones de combustin.

La Tabla 9.1 representa una impresin del modelo de estado del arte para estos procesos. En general, estos procesos especiales tienden a ser menos entendidos que aquellos modelados con simuladores de petrleo negro. Ellos proponen las dificultades del modelo, de los cuales no todos se han resuelto satisfactoriamente, y la industria ha tenido menos experiencia intentando modelarlos.

Tabla 9,1 Simulacin de procesos especiales - Estado del arteProcesoCaractersticas de estabilidadProblemas de exactitud numricaComplejidad del modeloCosto relativo de cmputoAlcance de experiencia industrialComposicional sin CO2Generalmente estableDispersin numricaPlenamente complejoModeradoPlenamente amplioComposicional con CO2Problemas ocasionalesDispersin numricaComplejoCaroModeradoMiscibleEstableDispersin numricaSimpleBaratoModeradoQumicoProblemas ocasionalesDispersin numrica, definicin de banco, efecto de orientacin de la grillaComplejoModeradoLimitado, pero crecienteVaporFuerte tendencia a inestabilidadEfecto de orientacin de la grillaComplejoCaroAmplioCombustinMuy fuerte tendencia a inestabilidadEfecto de orientacin de la grilla, definicin de bancoMuy ComplejoMuy caroMuy pocoEn general, cada proceso se trata como sigue: Se describen el proceso y sus caractersticas fsicas, y se presentan las bases que gobiernan las ecuaciones y dificultades asociadas con su solucin. Se discuten los problemas que pueden surgir en aplicaciones, como las consideraciones especiales de enmallado, el nmero de componentes requeridos en los simuladores composicionales y el tiempo de computacin inusual requerido.Finalmente, se describen mtodos simplificados aplicables a ciertos casos y en la ltima seccin del captulo, se discuten requisitos de datos de entrada especficos para cada proceso.

9.1 Simulacin ComposicionalEn reservorios que contienen petrleo liviano como gas condensado o petrleo voltil - el equilibrio vapor /lquido depende tanto de la composicin como de la presin. La simulacin composicional es til cuando los efectos composicionales son importantes. En la prctica, sin embargo, problemas de exactitud surgen en modelos composicionales de desplazamiento miscible. stos son particularmente severos si la miscibilidad se logra a travs de mltiples contactos.Segn Wattenbarger, modelar el vaciamiento de reservorios de petrleo voltil o gas-condensado requiere que se incluyan todos los componentes hasta el hexano, con la fraccin del heptano-plus que se juntan. Si el vaciamiento es por el ciclaje de gas, el modelo debe incluir una degradacin de la composicin de la fraccin del heptano-plus, porque una parte importante del proceso es la vaporizacin de componentes pesados. Si esta degradacin detallada no se usa, el modelo eventualmente computar que todo el petrleo se ha vaporizado, lo que es fsicamente poco realista.

La Fig. 9.1 ilustra el problema. La figura muestra el porcentaje computado de petrleo inmvil vaporizado como funcin de gas ciclado acumulativo. Se realizaron ambos cmputos: con la fraccin de heptano-plus acumulado y con l subdividido. Los cmputos estn bastante bien de acuerdo cuando slo una cantidad pequea de ciclaje de gas ha ocurrido, pero ellos empiezan a desviarse posteriormente en el cmputo. La mejor manera de determinar cuntos componentes se requieren es a travs de la simulacin de experimentos de laboratorio que imitan la conducta esperada en el reservorio.

Fig. 9.1 Efecto de subdividir la fraccin C7+ de vaporizacin calculada de petrleo voltilLa asignacin de produccin tambin es difcil en la simulacin composicional. Es deseable definir la produccin en trminos de barriles de tanque almacenado y pies cbicos estndar, pero, internamente, el simulador computa libras-mol de componentes individuales del hidrocarburo. Como resultado, modelos de los medios de separacin de superficie deben ser incluidos en el simulador. Pero los separadores operarn a temperaturas diferentes y a presiones mucho ms bajas que aqullas del reservorio. Se usan varios mtodos aproximados en la simulacin composicional: el mtodo ms crudo es el clculo del punto de burbuja variable. Se usa en modelos de petrleo negro dnde se crean puntos de burbuja variables cuando la presin cae debajo del punto de burbuja y luego aumenta ms tarde. El prximo paso en exactitud involucra modelos que incluyen el componente de petrleo voltil, as como el gas de solucin. Finalmente hay el enfoque de Cook y otros pensado para modelar inyeccin de gas en reservorios de petrleo voltil o de condensado. 9.2 Desplazamiento MiscibleLa discusin de simulacin de desplazamiento miscible que sigue es bastante breve. Un tratamiento considerablemente ms amplio se da por Stalkup en su monografa Desplazamiento Miscible.Por causa de la discusin, los desplazamientos miscibles pueden ser considerados de dos tipos: miscible de primero-contacto o miscible de mltiple-contacto. Stalkup discute stos en detalle. (Realmente, Stalkup describe tres tipos de desplazamiento miscible de mltiple-contacto: empuje de gas condensado, empuje de gas vaporizando, y desplazamiento miscible por CO2. Las mayores dificultades de modelaje para los tres procesos son similares. Ciertos fenmenos ocurren en el proceso miscible de CO2, sin embargo, eso no ocurre en los otros procesos del mltiple-contacto.)

El modelaje de desplazamiento miscible de mltiple-contacto es difcil. Hay clculos de equilibrio de vapor/liquido dificultosos en la regin cerca del punto crtico donde se logra la miscibilidad. En adicin hay serios problemas de exactitud como resultado de la dispersin numrica y otros errores de discretization. La dificultad de clculo se ilustra por la Fig. 9.2. tomada de Coats. La figura muestra saturaciones de gas generadas durante un clculo de empuje de gas condensado 1D. Los resultados no han convergido, a pesar del hecho de que se usan hasta 80 bloques malla entre los pozos. Resultados resumidos en la figura sugieren que se necesiten aproximadamente 200 bloques malla entre los pozos para conseguir resultados exactos en este problema. Por tanto, parece que clculos de desplazamiento miscible de mltiple-contacto rigurosos slo pueden hacerse en una dimensin, y an con dificultad.

9.3 Flujo qumico y polmeroEn el proceso de flujo qumico, un banco de fluido que contiene un multicomponente, agente de superficie-activa - o agente surfactante lento - se inyecta en la formacin. El agente lento puede contener surfactante, cosurfactante, petrleo, agua, y otros qumicos. La funcin del surfactante es reducir la tensin interfacial (IFT) petrleo/agua, pero tambin puede causar transferencia masiva de interfase de petrleo y agua del reservorio. Tanto el traslado masivo de interfase como la reduccin de IFT aumenta la recuperacin de petrleo.El proceso de inundacin qumica usa una sucesin de bancos, incluyendo un preflujo, surfactante, empuje de agua viscosa y finalmente, el empuje de agua ordinario. El propsito de un preflujo, si se usa, es para pre-condicionar la formacin. En algunos conceptos, una funcin del preflujo es proporcionar iones sacrificatorios que los adsorbe en la roca reservorio, reduciendo posteriormente la adsorcin del surfactante. Se usan simuladores de flujo qumico para modelar el rendimiento tanto en el campo como en laboratorio. Flujo de muestras son principalmente simulados para verificar un modelo y calibrarlo para uso en prediccin del rendimiento del campo.Todd y sus socios, usaron simulacin para realizar un estudio interesante cuyo objetivo era decidir entre dos procesos de flujo qumico - un proceso de petrleo soluble y un proceso de alto-contenido-de-agua. Ellos modelaron primero los rendimientos de ambos procesos en un juego de muestras de laboratorio. Dividieron sus datos en dos categoras - datos comnes que aplicaron a ambos procesos y datos dependientes-del-proceso nico para uno u otro proceso. Los datos comnes incluyeron la permeabilidad relativa de la roca base y presin capilar, la correlacin de permeabilidad relativa con el nmero de capilar, el volumen de polmero inaccesible, el comportamiento de adsorcin del polmero, y las longitudes de mezclando a usarse en los clculos de dispersin. El trabajo de Bondor y otros es interesante porque describe la simulacin de inundacin de polmero con modificacin simple de un simulador de petrleo negro. El polmero se representa como una cuarta fase que siempre es miscible con el agua; los efectos de factor de resistencia se caracterizan variando la viscosidad de la fase acuosa. Se incluyen la adsorcin y el efecto del polmero adsorbido en la movilidad de agua. Ellos usan un simulador en que a regiones del reservorio pueden asignarse propiedades individuales de fluidos. Los lmites entre estas regiones son definidos por cadenas de puntos movibles que tienen velocidades proporcionales pero no necesariamente iguales a la velocidad local de la fase acuosa.

9.4 Estimulacin de Vapor y Empuje de VaporLa estimulacin de vapor e inundacin de vapor (o empuje de vapor) son los procesos de EOR ms exitosos. Los dos dependen principalmente de la transferencia de energa trmica al petrleo para reducir su viscosidad y por eso aumentar la recuperacin. En su concepto ms simple, la estimulacin de vapor es un proceso donde el vapor se usa para calentar la seccin de un reservorio adyacente al pozo, asegurando incremento en caudal de produccin a travs de las viscosidades de petrleo reducidas y la reduccin de la resistencia correspondiente para fluir en esta rea crtica. Otros factores, como la expansin trmica y cambios en la humectabilidad, puede jugar roles proporcionando recuperacin de petrleo aumentada. El procedimiento usual para aplicar procesos de inyeccin de vapor a un reservorio es primero estimular con vapor y luego empezar inundando despus de que la respuesta de la estimulacin ha declinado al punto que la inundacin es comercialmente ms atractiva que la estimulacin. El xito econmico de una operacin de inundacin de vapor depende tanto de la eficiencia con que el petrleo es recuperado como de la eficiencia con que el vapor se usa. La recuperacin de petrleo depende de la eficiencia del desplazamiento (el grado al que el petrleo es desplazado de los poros conectados de la roca) y la eficacia del barrido volumtrico (la fraccin del volumen total del reservorio realmente conectado)

9.4.1 Eficiencia de Desplazamiento. El desplazamiento de petrleo durante la inundacin de vapor se logra a travs de varios mecanismos diferentes. El petrleo es contactado en secuencia por el agua fra, agua caliente, y vapor. La destilacin de vapor del petrleo y el empuje del solvente proporcionado por los destilados ligeros termina cuando se condensan delante del frente de vapor contribuye a la recuperacin del petrleo. A estos mecanismos deben agregarse los efectos de dilatacin trmica y cambios en las caractersticas de la permeabilidad relativa de la roca con la temperatura.Los efectos primarios que deben modelarse en un simulador son el aumento de temperatura y la reduccin resultante en la viscosidad del petrleo

La simulacin de inundacin de vapor es actualmente cara. Por consiguiente, la mayora de los modelos son bastante pequeos, raramente excediendo varios cientos de bloques malla. Los requisitos de cmputo resultan en parte de la complejidad de los problemas a resolverse y en parte de dificultades de estabilidad que limitan el tamao del timestep. Adems, las ecuaciones de la matriz pueden ser difciles de resolver con mtodos iterativos. La solucin directa puede volverse poco prctica con modelos grandes, sin embargo, porque estas formulaciones deben resolver varias ecuaciones simultneas por punto de malla. En consecuencia, modelos de inundacin de vapor normalmente simulan el rendimiento de slo un modelo simple. Aunque esto es principalmente debido al gasto de cmputo, tambin est justificado por la naturaleza del proceso. Debido a la pobre movilidad del fluido, los efectos de inyeccin de vapor tienden a ser localizados. Al modelar ejemplos simples, algunas veces ocurre un aumento de presin excesivo con la inyeccin de vapor. Chu y Trimble introdujeron el concepto de roca "esponjosa" para superar este problema. Ellos asumieron que haba una pequea, saturacin gaseosa no condensable en el reservorio antes del inicio de la inyeccin de vapor, y ellos modificaron la compresibilidad de la roca para incluir los efectos de las compresibilidades tanto de la piedra como del gas. Ellos entonces variaron la saturacin de gas supuesta como un parmetro de ajuste histrico. La compresibilidad final de la roca esponjosa que ellos obtuvieron estaba dentro del rango razonable para compresibilidades de roca de arenas sin consolidar.

9.5 Combustin in-SituLa combustin in-situ involucra la inyeccin de aire (u oxgeno) en el reservorio, normalmente en combinacin con agua. Se forma un frente de combustin donde el aire inyectado quema una porcin pequea del petrleo del reservorio. El flujo de gas caliente y vapor resultante de la combustin y vaporizacin de agua desplazan el petrleo hacia adelante del frente de combustin. La vaporizacin de los finales ligeros y cracking trmico tambin ocurre. Delante del frente de combustinUn simulador de combustin adecuado debe describir las reacciones que ocurren. Crookston y otros, incluyen cuatro reacciones en su modelo:

(1) oxidacin del componente liviano de hidrocarburos; (2) oxidacin del componente pesado de hidrocarburos; (3) cracking del componente pesado de hidrocarburos para formar el componente liviano de hidrocarburos, coke, y gas inerte; y (4) oxidacin del coke formado por cracking.

Las relaciones de estas reacciones son descritas por expresiones de relacin de tipo Arrhenius que son fuertemente dependientes de la temperatura. Esto introduce la posibilidad de problemas de estabilidad severos en simulaciones de las reacciones. Para ilustrar la reaccin de oxidacin para hidrocarburos ligeros, consideremos la oxidacin del metano, que se expresa como2O2 + CH4 CO2 + 2H2O

9.6 Requerimientos de Datos EspecialesLa simulacin de los procesos descrita en este captulo exige que el usuario especifique ms datos de los que normalmente se requieren para la simulacin de procesos de vaciamiento convencionales. Esta seccin resume estos requisitos de datos adicionales. Mayormente, pueden discutirse slo de una manera general debido a la variabilidad de los enfoques de modelos y, en algunos casos, en sus mismos procesos.9.6.1 Simulacin Composicional.Los datos adicionales requeridos son informacin de equilibrio de fase, densidades de fase, y viscosidades de fase. Tambin se necesita las composiciones de las reservas de hidrocarburos y de cualquier hidrocarburo inyectado. Finalmente, se necesita condiciones del separador a travs de los cuales se producen los hidrocarburos.

9.6.3 Inundacin Qumica y de PolmerosLa inundacin qumica es sumamente compleja. Involucra muchos procesos, la mayora de los cuales deben describirse en detalle si el proceso ser modelado con precisin. Los datos requeridos son extensos y muchos de los parmetros que deben especificarse son difciles de medir.La influencia de polmeros en el rendimiento del sistema debe determinarse en experimentos de laboratorio. Los efectos relacionados a polmeros que son importantes en inundacin qumica incluyen adsorcin de polmero y el efecto del polmero adsorbido en el factor de resistencia, el efecto de PV inaccesible, y el efecto de concentracin del polmero, salinidad, proporcin de corte, y degradacin de temperatura en la viscosidad de la fase cuea. Deben introducirse al simulador datos que describen estos fenmenos.9.6.4 Empuje de Vapor y Estimulacin de VaporDeben describirse las propiedades trmicas de la formacin productiva y de las rocas inferiores y superiores. Las que incluyen la temperatura inicial, conductividad termal vertical y horizontal, y capacidad de calor de la roca y fluidos. Generalmente, la capacidad de calor de las capas de roca inferiores y superiores incluyen la contribucin de cualquier fluido que contienen. La conductividad termal en todos los casos incluyen la conduccin a travs de cualquier fluido presente.Debe especificarse el contenido de energa del vapor inyectado, la temperatura y presin de inyeccin. Todo para condiciones de fondo del pozo, de modo que los valores de superficie deben corregirse por prdidas de energa en la lnea de inyeccin y entubado.9.6.5 Combustin in-situPara la combustin in situ tambin deben especificarse todas propiedades termales especificadas para la inundacin de vapor. Adems, se requieren los datos para describir las reacciones de combustin y especificar las propiedades de reactantes y productos. Si se usa un modelo controlado por reactante, se necesitan los calores de la reaccin para describir las reacciones. Si se usa un modelo controlado cinticamente, se necesitan constantes de relacin y energas de activacin. Si se usa una temperatura de activacin, sta debe especificarse. Los mismos tipos de datos deben proporcionarse para el oxgeno, coke, y los gases inertes como el nitrgeno y productos de reaccin gaseosos como para los componentes de una inundacin de vapor.