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03/09/2012

1

MTODOS DE RECOBRO TRMICOS

1Profesor: Freddy H. Escobar, Ph.D.

UNIDAD 8

Mtodos de Recobro Trmicos

2

Inyeccin de fluidos calientes Inyeccin de agua

caliente Estimulacin cclica de

vapor (i.e., Enjuague con valor, empuje-hale o huff n puff)

Inyeccin de vapor

Inyeccin de aire Combustin in-situ

Combustin seca adelante

Combustin hmeda adelante

Combustin reversa Inyeccin de aire a

alta presin (HPAI)

Calentamiento elctrico y

respuesta del pozo (resistencia o

absorcin)

Calentamiento electromagntico

del pozo

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Necesidad de Recobro Trmico: Eficiencia Pobre del desplazamiento de agua

Considere dos yacimientos que seanenteramente similares a excepcin de laviscosidad del petrleo crudo. Eldesplazamiento lineal de aceite por unvolumen especificado de agua dar lugar auna saturacin del aceite en la zona barridaagua que es ms grande para la que est quetiene la viscosidad ms alta.

3


4

1

Distancia de la entrada

Satu

raci

n d

e ag

ua

Swi

1-Sor

Posicin del frente de desplazamiento o alto

Posicin del frente de desplazamiento o ideal baja

A C E I T E

A G U A

A C E I T E

A G U A

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La disminucin de la eficiencia de barrido volumtrica es elresultado de dos diversos mecanismos:1. Efecto de M

5


Efecto de M en el volumeninyectado desplazable (Vd)para un 5n

2. Inestabilidades viscosas a escalareducida, digitacin viscosa (tambinconocida como inestabilidad de Saffman-Taylor)

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9-18 cm medio porosoconteniendo 0.15 PV de agua o/w=200

permeabilidad 200 md, velocidad 0.115 cm/s


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Necesidad de Recobro Trmico: Que podemos hacer para mejorar el recobro

9 Reduzca la viscosidaddel petrleo crudo.9 Termalmente aumentando

su temperatura.9 Qumicamente por la

descomposicin termal(e.g., reduccin deviscosidad por creckeo,termofraccionamiento, opirolisis).

9 Los procesos termalespueden hacer sto yms!!

7

Inyeccin de un fluido caliente

8

Implica la inyeccin de lquidos precalentados en

un yacimiento relativamente fro

Los fluidos van desde los comunes como agua y aire, a otros tales como gas natural, dixido de

carbono, humo, e incluso solventes

La seleccin del fluido de inyeccin es

gobernada por la naturaleza del

yacimiento

El gas caliente se puede considerar para la inyeccin en la cresta de un yacimiento con un pequeo casquete de gas a baja presin, cerciorndose de

mantener estabilidad gravitacional, no excediendo la

tasa crtica de inyeccin

El agua caliente se puede considerar para inyeccin

cerca de las zonas barridas por una intrusin

natural de agua

Inyeccin fluidos calientes resulta en una reduccin

de viscosidad del crudo en las fuerzas capilares, y

una extensin termal del aceite

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Empuje con Agua Caliente

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Casi tan viejo como la inundacin convencional del agua

El agua filtrada y tratada se calienta e inyecta con el propsito primario de reducir la viscosidad del aceite y, de tal modo, mejora la eficiencia de desplazamiento del frente del agua. La expansin termal del aceite tambin contribuye al mejoramiento de la eficiencia mejorada de desplazamiento

Muchos elementos del diseo y operacin son comunes con WF convencional

Empuje con Vapor

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Causa vaporizacin y tratamiento con vapor a presin y carbn

activo de los componentes ligeros en el petrleo crudo, es decir,

destilacin con vapor

Promueve la formacin de un banco de poca viscosidad de

aceite cerca del frente de condensacin

Da saturaciones residuales de crudo inusualmente bajas

Mejora la M efectiva del proceso de desplazamiento

Adems de poseer los mecanismos de desplazamiento

y los fenmenos termales presentes en WF caliente, el empuje con vapor tambin:

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Combustin In-situ Seca

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El aire se inyecta en un yacimiento; el petrleo crudo en elyacimiento se enciende; parte de ese cruda se oxida(combustin) en la formacin para generar calor


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El frente de la combustin se mueve en la misma direccina medida que se inyecta aire en el caso de la combustindirecta seca "in-situ

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El frente de combustin se mueve en la direccin opuestaal frente de aire inyectado en el caso de la combustin "in-situ" reversa. En este caso la combustin se lograencendiendo el crudo cerca al pozo productor

Combustin Hmeda

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Usa inyeccin de agua durante el proceso decombustin para recuperar el calor de la zona quemada yde los estratos adyacentes

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Combustin Hmeda

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Tambin conocido como COFCAW (combinacin de combustin directa y WF)

Combustin Hmeda

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El cociente agua inyectada - aire se usa para controlar larata de avance del frente de combustin, del tamao dela zona del vapor, y de la distribucin de T

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Combustin Hmeda

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Fwa es el cociente del agua inyectada - aire

Combustin Hmeda Parcialmente Apagada

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Potencial de Recobro Trmico

Un ejemplo de cmo la recuperacin termal puedeaumentar significativamente la recuperacin del aceitesera la produccin en California que data de los 60

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Aumento de la produccin total en California debido a los procesos derecuperacin termales


La mayor parte del aceite producido en California es deproduccin termal de aceite pesado en el rango 10-20API

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La tasa de produccin incremental creciconstantemente

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La tasa de produccin incremental en 1979 ascendi al20% de la produccin total pre-termal de California

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Propiedades del Vapor para Recobro Trmico

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Propiedades del VaporEl diseo de proyectos de inundacin del vapor requiere claramentela comprensin de las caractersticas del vapor, que serndiscutidas abajoCuando una libra de agua con una temperatura inicial Ti (F) secalienta a presin constante, lograr una temperatura mxima TS,llamada temperatura de saturacin, antes de que se convierta envapor. Durante el calentamiento, la cantidad de calor absorbida porel agua hw es:

Donde Cpw es el calor especifico del agua (Btu/lbm-F) en el rangode temperatura de Ti a TS.

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Propiedades del Vapor

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Con el continuo suministro de calor, la temperatura del agua no cambia hasta que toda la agua se convierta en el vapor

La cantidad de calor Lv requerido para cambiar el agua de un lquido a vapor a temperatura y presin de TS y pS al vapor en la misma temperatura y presin se llama la entalpia de la vaporizacin, o calor latente del vapor

El vapor a TS y pS se llama vapor saturado. Su contenido de calor hSes la entalpia del vapor y se da por:


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Proporcionando calor adicional al vapor a una temperatura

TSUP mayor a TS, mientras se mantiene la presin en pS

convierte el vapor de saturado en vapor sobrecalentado. El

contenido de calor hSUP(entalpia) del vapor sobrecalentado es:

hSUP = hs +CpS (TSUP-TS)

donde CpS es el calor especfico del vapor en

el rango de temperatura entre TS a

TSUP

Si la cantidad de calor aplicada al agua a la

temperatura de saturacin TS es fsLv (fs en fraccin) slo la fraccin fs del agua ser

convertida en vapor. El vapor en este caso sera una

mezcla de agua saturada y de vapor saturado

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Propiedades del VaporEste vapor se llama hmedo de calidad fs. Su contenidode calor hS, o la entalpia de la mezcla, se da por:

El volumen de una libra de vapor hmedo de calidad fs es:

donde VW y VS son los volmenes de lquido saturado(agua) y saturado vapor, respectivamente.

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Propiedades del VaporLa figura es un diagrama depresin-entalpa para elvapor saturado que muestralneas de calidad del vapor.Tome, por ejemplo, el vaporcon una calidad del 20% a400 psia. Su temperatura es450 oF, su entalpa es cercade 580 BTU/lbm. La figuratambin muestra que, a lamisma P y T, la entalpa delagua saturada (fs =0) escerca de 425 BTU/lbm, y laentalpia del vapor saturado(fs =1) es 1200 BTU/lbm.Esto significa que el conte-nido en energa del vapor escerca de 2.8 veces que delagua a la misma P y T

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x x

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x x


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Tratamiento del agua para inyeccin de vapor

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(1)

El vapor inyectado es producido por una caldera que serefiere generalmente como generador de vapor enoperaciones de campo

(2)

El agua se convierte en una mezcla del aproximadamente 80 % de vapor y 20 % de agua, designada normalmente como 80% de calidad del vapor

(3)

El agua de alimentacin del generador de vapor se debe tratar paraprevenir: (a) corrosin y formacin de escama en los tubos de lacaldera, Y (b) prevenga la corrosin y la formacin de escamas oprecipitados de la en la fase del agua

Calentamiento del yacimiento

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Motivacin

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Sea consciente que no todo el calor inyectado o generado en el yacimiento permanece all

Parte del calor en el yacimiento se pierde, a travs de los fluidos

producidos y a las formaciones adyacentes

Es, por lo tanto, deseable calentar el yacimiento eficientemente

Se presentan algunos mtodos simplificados para estimar el calor remanente en el yacimiento y las prdidas de calor a travs de los

lquidos producidos

El fin general de la recuperacin termal es elevar la

temperatura del aceite en el yacimiento para poder reducir la viscosidad ms fcilmente

Eficiencia de calor en el yacimiento

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La fraccin de calor inyectada en (o generada adentro) una formacin que permanezca en la formacin se llama la

eficiencia de calor del yacimiento, Eh

La eficiencia es a menudo independiente del proceso de recuperacin termal usado, sea el vapor, agua caliente,

combustin, y otras condiciones de

funcionamiento, aunque sea absolutamente sensible a la

vida del proyecto

Esta insensibilidad hace la eficiencia de calor una

herramienta excelente de monitoreo para encontrar las

condiciones bajo las cuales una porcin significativa de calor permanece en el yacimiento

La distribucin de la temperatura, por una parte, es

muy dependiente en el proceso termal y en las

condiciones de operacin. Por lo tanto el anlisis que implica

perfiles de temperatura requiere a menudo los simuladores termales

numricos

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Capacidad de calor volumtrica efectiva de la roca del depsito

La cantidad de calor requerido (energa) Q para aumentar latemperatura de un volumen bruto de roca VR de un valor inicial TR aotro valor superior TS a presin constante es:

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donde MR (Btu/ft3-F) es la capacidad de calor volumtrica isobricaefectiva de la roca saturada con fluido. Es la cantidad de calor requeridapara levantar una unidad de volumen bruto en un grado detemperatura y es igual al producto de la densidad efectiva por lacapacidad de calor especfico isobrica de la formacin bruta:

Capacidad de calor volumtrica efectiva de la roca del depsito

Para una formacin porosa con aceite no voltil, agua, yuna fase de gas que contiene una fraccin f de gases nocondensables en la fase de vapor y una fraccin (1-f) devapor, el contenido de calor se puede escribir como:

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Capacidad de calor volumtrica efectiva de la roca del yacimiento

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Donde Cpi (Btu/lbm-F) se refiere a la capacidad de calorespecfico de la fase i a presin constante. Por ejemplo,la capacidad de calor para el agua a T es:

considerando que la capacidad de calor para el vapor:

EjemploEncuentre la energa trmica requerida para aumentar latemperatura del aceite y de una arenisca saturada con agua conlas caractersticas siguientes TR=80oF a TS=470 oF a 500 psig

40

PropiedadestrmicasCpr=0.21Btu/lbmFCpo=0.5Btu/lbmFCpw=0.962Btu/lbmFr=167.0lbm/ft3:o=50.0 lbm/ft3w=50.6lbm/ft3

Arenisca=0.25So=0.2Sw=0.8

La mayor parte de la energa termal se utiliza para calentar la roca y el agua!!!

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EjemploEntonces la energa requerida por unidad de volumen bruto es:

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Ahora considere otro caso donde la misma areniscainvolucra adems una fase del vapor saturado tal que:

Propiedades termalesCpr=0.21Btu/lbmFCpo=0.5Btu/lbmFCpw=0.962Btu/lbmFr=167.0lbm/ft3:o=50.0 lbm/ft3w=50.6lbm/ft3Latentheatofsteamattheboilingpointofwateris751.4Btu/lbm

Arenisca=0.25So=0.2Sw=0.4Sg=0.4

EjemploLa energa requerida Q para calentar 1 ft3 de rocadel yacimiento de un valor inicial Tr a un valorsuperior TS. Para el vapor, tenemos:

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Ahora, los clculos se repiten como antes perocon un trmino adicional que considera lapresencia de fase del vapor en roca:

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Ejemplo

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Observe que el calor requerido ahora es(14547-12798)*100/14547= 12 % menos con elvapor presente en la roca entonces que en suausencia

Relacin corriente abajo a corriente arriba de las capacidades de calorvolumtricas de la formacin bruta para los varios tipos de mtodostermales de recobro, alfa

Distancia radial del inyector

Tem

pera

tura

Corriente arriba Corriente abajo

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Condiciones usadas en la figura


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Tasa constante de inyeccin de calor y

crecimiento del volumen calentado de la formacin

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Modelo de Marx & LangenheimDesarrollado para calentar el yacimiento en presencia deprdidas de calor a los alrededores. Fundamentalmente esun balance energtico sobre la regin calentada.

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TRTS

Vapor

Areacalentadaacumulada, Ah

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Modelo de Marx & Langenheim

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TRTS

Vapor

Areacalentadaacumulada, Ah


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donde ms (lbm/hr)es la tasa de inyeccin de vapor y =/Mob (ft2/hr)la difusivadad termal de sobrecarga

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Es conveniente expresar el tiempo en forma adimensional y escribir lasolucin en trminos de rea calentada cumulativa, Ah, y la tasa decrecimiento del rea calentada:

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Hay tablas y cdigos disponibles dando los valores de G y de G1 paralos valores diversos de tD


Usando el modelo podemos predecir valores de la eficacia termal del yacimiento Eh muy fcilmente:

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La energa perdidaa los alrededoresa cualquier mo-mento, t:

Vapor, TS condensado, Tr

Calor perdido

Calor perdido


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Funciones auxiliares de Marx & Langenheim

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Funciones auxiliaresde Marx &

Langenheim

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Function ERF(X)If X < 0! ThenERF = -GAMMP(0.5, X ^ 2)

ElseERF = GAMMP(0.5, X ^ 2)

End IfEnd Function

Function GAMMP(A, X)If X < 0! Or A = EPS Then Print "A too large, ITMAX too small": Exit SubIf -X + A * Log(X) - GLN < -100 Then

GAMMCF = 0!Else

GAMMCF = Exp(-X + A * Log(X) - GLN) * GEnd IfEnd Sub

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Funciones auxiliares de Marx & LangenheimStatic Function RAN1(IDUM&)Dim R(97)M1& = 259200IA1& = 7141IC1& = 54773RM1 = 0.0000038580247M2& = 134456IA2& = 8121IC2& = 28411RM2 = 0.0000074373773M3& = 243000IA3& = 4561IC3& = 51349If IDUM& < 0 Or IFF = 0 ThenIFF = 1IX1& = (IC1& - IDUM&) Mod M1&IX1& = (IA1& * IX1& + IC1&) Mod M1&IX2& = IX1& Mod M2&IX1& = (IA1& * IX1& + IC1&) Mod M1&IX3& = IX1& Mod M3&

For J = 1 To 97IX1& = (IA1& * IX1& + IC1&) Mod

M1&IX2& = (IA2& * IX2& + IC2&) Mod

M2&R(J) = (CSng(IX1&) + CSng(IX2&) *

RM2) * RM1Next JIDUM& = 1

End IfIX1& = (IA1& * IX1& + IC1&) Mod M1&IX2& = (IA2& * IX2& + IC2&) Mod M2&IX3& = (IA3& * IX3& + IC3&) Mod M3&J = 1 + Int((97 * IX3&) / M3&)If J > 97 Or J < 1 Then Print "Abnormal exit": Exit FunctionRAN1 = R(J)R(J) = (CSng(IX1&) + CSng(IX2&) * RM2) * RM1End Function

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Funciones auxiliares de Marx & LangenheimSub GSER(GAMSER, A, X, GLN)ITMAX = 100EPS = 0.0000003GLN = GAMMLN(A)If X = Abs(Sum) * EPS Then

Print "A too large, ITMAX too small"Exit Sub

End IfGAMSER = Sum * Exp(-X + A * Log(X) - GLN)End Sub

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Funciones auxiliares de Marx & LangenheimData 76.18009173, -86.50532033, 24.01409822Data -1.231739516, 0.00120858003, -0.00000536382, 2.50662827465Data 0.5, 1#, 5.5

Function GAMMLN(XX)Dim COF#(6)RESTOREFor J = 1 To 6

READ COF#(J)Next JREAD STP#READ HALF#, ONE#, FPF#X# = XX - ONE#TMP# = X# + FPF#TMP# = (X# + HALF#) * Log(TMP#) - TMP#SER# = ONE#For J = 1 To 6

X# = X# + ONE#SER# = SER# + COF#(J) / X#

Next JGAMMLN = TMP# + Log(STP# * SER#)Erase COF#End Function

Function GAMMQ(A, X)If X < 0! Or A

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Ejemplo

Se inyecta vapor a 208 BWPD en una areniscalimpia que contiene crudo de 10 oAPI (62.4lbm/ft3) tiene un espesor de 25 pies, porosidad0.30, y T 103 oF. Los valores de la presin deinyeccin y calidad del vapor son 1010 psia y 73%, respectivamente. Las saturaciones residualesdel aceite y del agua en la zona son 0.2 y 0.4.Asuma que MR = 37.6 Btu/cu-ft-F y que lasformaciones adyacentes son lutitas conMob=31.6 Btu/cu-ft-F and ob=0.74 ft2/D

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Ejemplo

Estime la tasa de crecimiento de la zonacalentada despus de 7 meses de la inyeccincontinua. Se dan adems:

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Ejemplo

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Ejemplo

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73

Ejemplo

Modelo de RubinshteinSe consideran las variaciones verticales de T dentro delyacimiento usando una inyeccin radial de agua calientedonde la velocidad de flujo es uniforme dentro de laextensin vertical del yacimiento

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Modelo de Rubinshtein

Modelo de RubinshteinDistribucin de Calor en el Yacimiento

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Desarrollo de la regin de agua caliente

Una zona del vapor se puede mantener a travs de la regincalentada prevista por el modelo de Marx & Langenheim mientrashaya suficiente calor latente para mantener la zona de vapor a unatemperatura constanteMientras se expande el rea calentada, se alcanza un tiempo crticocuando el rea calentada se separa en una zona de vapor y unazona de agua calienteEste tiempo crtico tcD se aproxima por el modelo de Mandl & Volekde un balance energtico en el frente de condensacin:

A tD > tcD una zona de la agua caliente precede la zona del vapor77


78

La figura muestra comparaciones de los volmenes barridos (de vapor y calor) determinados de

modelo experimental y terico por el

modelo de M & L.

El volumen tratado con vapor es el volumen barrido por el vapor y el volumen calentado es definido por un radio calentado, que es el punto ms lejano en el cual se observa una subida de temperatura de 5 oF fue observada; as, la diferencia en los volmenes es igual al volumen de la zona de la agua caliente (condensada)

(1)

(2)

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Calentado (exper.)

Teorico (Tratado conVapor o calentado)

Tratado conVapor

Tasa variable de inyeccin de calor y crecimiento del volumen calentado de la

formacin

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Tasa variable de inyeccin del calorHasta ahora se tiene lo siguiente con base en el modelo deM & L:

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El calor remanente en el reservorio es:

Tasa variable de inyeccin del calor

82

Para tasa variable de entrada de calor se puede usar la misma formulacinbasada en la asuncin que la tasa variable de entrada de calor se puederepresentar por una serie de cambios de N-pasos que ocurren en unasecuencia de tiempos discretos de N: t1, t2, t3tN, con t1=0

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Tasa variable de inyeccin del calorDurante el n-simo intervalo de tiempo, la tasade inyeccin se representa por:

Donde Qj es el cambio en la tasa de inyeccinde calor que toma lugar a tj. La funcin unitariaU(t-tj) es igual a 1 cuando t > tj y cero cuando t< tj. La la inyeccin de calor acumulada acualquier tiempo durante el n-simo intervalo es

.

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Tasa variable de inyeccin del calorEl calor remanente en el yacimiento al tiempo tdurante el n-simo intervalo es:

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Prdidas de calor a travs de los fluidos

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86

El modelo de Lauwerier en sistemas de flujo lineales y elmodelo de Malofeev en sistemas de flujo radial, ambospredicen el retiro del calor en condiciones de fondo.

z

z

z=h/2

z=-h/2

z=0; x=0

La distribucin de la temperatura de Lauwerier en elyacimiento y las formaciones adyacentes se da por:

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Aqu Mf es la capacidad de calor volumtrica del fluidocaliente inyectado y u es el flujo volumtrico. TambinuMf/Mr = vT representa la velocidad para trasferencia decalor por conveccin

Malofeev demostr que la expresin de la temperaturade Lauwerier era tambin vlida para el flujo radialcuando se define el xD como:

Aqu, r es la distancia radial desdeel pozo inyector e i es la tasa deinyeccin

88

Prdidas de calor a travs de los fluidosObserve que el calor remanente en el

yacimiento y los clculos de la eficiencia de calor no estn cambiados y se pueden

hallar usando el modelo de M & L.

El perfil de temperatura en el yacimiento se puede utilizar para evaluar el cambio de temperatura con el tiempo a una distancia

fija del punto de inyeccin

Para el flujo lineal paralelo, la subida de temperatura con el tiempo en una distancia fija x

de el punto de inyeccin se puede considerar como la temperatura del fluido producido cuando el valor

del x=L representa la distancia al productor

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89

La figura muestra el incremento en Tadimensional en funcin para varios valores deflujo adimensional obtenido por evaluacin de1/xD a partir de:


90

Prdidas de calor a travs de los fluidosIncremento de T del fluido producido en funcin del tiempo

adimensional

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Empuje con Agua Caliente

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Introduccin

92

Implica el flujo de dos fases solamente: agua y

aceite

Bsicamente es un proceso de desplazamiento en el

cual el aceite es desplazado inmiscible por

el agua caliente y fra

Muchos elementos en comn con WF convencional

El empuje con agua caliente podra

desarrollarse durante procesos de empuje con

vapor y combustin

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Introduccin

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La presencia de la fase de gas afecta al

funcionamiento

Agente Espumante

El gas disuelto en crudo tiende a salir de la solucin

cuando aumenta la temperatura

Esto da lugar a una expansin inicial aparente

de la fase de aceite cuando se forman las burbujas de gas, pero solamente hasta que las burbujas de gas se unen en una fase de gas

continua

Efecto del gas residual atrapado

Requiere fluido de llene y tiempo de llenado; El aceite desplazado tiende a llenar el

espacio llenado con gas residual atrapado

M del desplazamiento por agua caliente

94

El borde delantero de la agua caliente inyectada pierde

calor tan rpidamente alcanza la temperatura inicial

del yacimiento; as, en el borde delantero, la movilidad del aceite es la del aceite sin

calentar

Por otra parte, la viscosidad del agua

caliente inyectada es ms baja que la de un WF

convencional

Por lo tanto la movilidad del aceite delante del

frente de desplazamiento y del agua cerca del pozo

de inyeccin es ms desfavorable

Esto puede dar lugar a una ruptura de agua en

WF caliente

Adicionalmente, M de los fluidos en la regin calentada es ms favorable en WF caliente.

Adems, hay reduccin en la saturacin residual del aceite a temperaturas altas. Esto da lugar a una mejor eficiencia de desplazamiento de la

zona calentada

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Reduccin en el Sor con el aumento de T

95

La expansin termal del crudo a temperaturas altas contribuye a la reduccin en aceite

residual

La saturacin residual aparente se reduce tpicamente por una

cantidad igual a Soro(T-TR)

Una subida de T a 300 oF reducira la

saturacin residual entre 10-30 % del aceite de la

Sor obtenida ala temperatura inicial del

yacimiento

En algunos casos, la reduccin est ms all

del efecto de la expansin termal

solamente

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97


Lo ms comn es considerar que la reduccin en aceite

residual con el aumento de la T sobre aquellos explicables por la extensin termal es

debido a los cambios en las fuerzas superficiales

Cambios en las presiones capilares y curvas de

permeabilidad relativas en la direccin de incremento en la mojabilidad del agua con el aumento de la temperatura

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50

99


Contribuciones relativas de mecanismos en la eficiencia de desplazamiento de agua

100

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51

Predicciones del funcionamiento de WF calientes

101

Se usan 3 Aproximaciones:1. Simulador numrico trmico2. Aproximacin de van Heiningen & Schwartz :Hace uso del efecto de la viscosidad del aceite enlas recuperaciones isotrmicas segn lo reflejadoen figura siguiente. La idea es cambiar de lugar(desplazar) de una curva del cociente deviscosidad a otro de un valor ms bajo de unaforma que corresponde a los cambios en latemperatura media del yacimiento, que aumentaa tiempo


102

Direccin de incremento de temperatura

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103

3. Aproximacin de Willman et al. basado en las Ecs. deBuckley-Leverett

Consiste en discretizar el yacimiento en n zonas,

cada una con temperatura constante y uniforme Tj,, diferente de

zona a zona

La localizacin y el tamao de estas zonas varan consistentemente

con el tiempo con consideraciones del balance energtico

Dentro de cada zona de T constante, se aplican las

ecuaciones isotrmicas de desplazamiento de BL y la tasa de crecimiento del

frente de la saturacin es constante

Pero las tasas de decrecimiento del rea

abarcada por los frentes de la saturacin cambian mientras que se entra a

cada nueva zona de temperatura

Aproximacin de Willman et al

104

La tasa ndice de crecimiento del frente de la saturacin enTj se da por:

Aqu dA/dt es la tasa de crecimiento del rea abarcadapor el frente de saturacin que tiene una saturacin deagua S, acre/D. Para un WF convencional estaecuacin reduce a:

03/09/2012

53


105

Para fluidos de densidad constante y considerandoinsignificante los efectos de la gravedad y los efectoscapilares, el flujo fraccional de agua es,

Para empujes de agua caliente, el clculo del reabarrida por los frentes de saturacin requiere lainformacin de fw/Sw sobre un rango de saturacinen cada temperaturaTj

106

Generalmente, estas pendientes se determinangrficamente. Un atajo est disponible sin embargo;cuando el cociente de las curvas de permeabilidadrelativa se considera independiente de la temperatura,donde los valores de fw(Sw) y puede generarse deaquellos a temperatura inicial del yacimiento usando:


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54

03/09/2012 09:38 a.m.

METODOS DE RECOBRO -FREDDY H. ESCOBAR, Ph.D.


Punto Tangente

Ejemplo de datos de permeabilidadrelativa y flujo fraccional

108

03/09/2012

55

Diseo de empujes con agua caliente

109

.

Utilice los pozos existentes cuando estn disponibles o despus

de que se han acondicionado y recompletado

Podra requerirse pozos adicionales para reducir

el espaciamiento o mejorar la recuperacin

Considere el efecto de profundidad e

inyectividad media en el yacimiento en la vida

y la economa del proyecto

Evale diversos tipos y localizaciones de las

facilidades superficiales que se utilizarn

Considere la disponibilidad y el tratamiento del agua y los requisitos ambientales en el

uso del combustible, los tipos de combustibles y la disposicin del efluente

Puede haber una necesidad de refrescar

el efluente caliente. Considere el efecto de la

temperatura sobre el equipo de fondo y

superficie

Ejemplos de aplicaciones de campo

110

El WF caliente no ha sido un proceso de recobro popular.Solo se han descrito algunos pilotos y operaciones detamao comercial. Algunos casos de campo son:

Project Location Loco OklahomaKern River CaliforniaSchoonebek The NetherlandsN.E. Butterly OklahomaEmlichheim Germany

Arlansk Russia

Reference Martin et al. J. Pet. Tech. 1968Bursel et al. Prod. Monthly 1966Dietz, D.N., 7th World Pet Cong. 1967Holke and Huebner SPE 3671Heymer, D. Z. Deutsche Geolog 1967

Victorov and Teterev, Neft i Gaz 1970

Los valores de o eran de 600, 2000, y 4.060 cp en loscampos el loco, Norteast Butterly, y Kern River,respectivamente

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56

Proyecto de agua caliente en Schoonebeek

111

Capacidad de la inyeccin de 95.000 bbl/D Baja temperatura de yacimiento, baja viscosidad de

crudo 175 cp Despus de cerca de diez aos de operacin, en 1966 el

aceite recuperado atribuible al empuje con agua calienteera casi a 1.25 MMB con una recuperacin adicionalsubstancial esperada de cualquier inyeccin de agua frapara recuperar calor y para continuar con el empuje deagua caliente.

El funcionamiento de la impulsin de la agua caliente sedemuestra en figura

112

Comportamiento del yacimiento en el proyecto de inyeccin de agua caliente en el campo

Proyecto de agua caliente en Schoonebeek

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57

Empuje con Vapor

113

Introduccin

114

La presencia del vapor (o de fase de gas) causa la

destilacin de componentes livianos en el crudo

arrastrando componentes del hidrocarburo en la fase

de gas

Donde el vapor se condensa, los hidrocarburos

condensables tambin condensan, as se reduce la viscosidad del petrleo en el

frente de condensacin

Por otra parte, el vapor de condensacin hace ms eficiente el proceso de

desplazamiento y mejora la eficiencia de barrido

En consecuencia, el efecto neto es que la recuperacin de empujes con vapor es

perceptiblemente ms alta que de empujes con agua

caliente

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58

Mecanismos de Desplazamiento

115

Todos los fenmenos hallados en el

desplazamiento con agua caliente tambin se

encuentran en el desplazamiento de

vapor

Esto es no slo porque el frente condensado

acta como un frente de agua caliente sino

tambin porque la fase de agua caliente est presente junto con el

vapor en todos los casos de inters prctico

Aunque los mismos fenmenos estn

presentes, las magnitudes pueden ser diferentes como resultado de la fase

de vapor.

Un fenmeno adicional importante que afecta el

desplazamiento en empujes de vapor es la destilacin de vapor de

las fracciones relativamente ligeras en

el petrleo

Destilacin de Vapor

116

La destilacin de vapor es similar a la destilacin usadaen el laboratorio para separar y para purificar los gases

Calor

vaporizacinof componentes livianos

crudo

Bao de agua fra

Condensacinde componentes livianos

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59

Destilacin de Vapor

117

En el yacimiento la destilacin de vapor hace que la fasede vapor se descomponga no slo en vapor sinotambin en vapores condensables del hidrocarburo

Reservorio calentado

Crudo caliente

Vapor

Vaporizacin decomponentes livianos

Yacimiento frio

Crudo diluido

Condensacin deComponentes livianosy vapor

Flujo bruto de componentes livianos

Direccin de incremento de temperature`

Destilacin de Vapor

118

Algunos vapores del hidrocarburo condensarn junto con el vapor, mezclndose con el petrleo crudo original


Crudo caliente

Vapor


Yacimiento frio

Crudo diluido




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60

Destilacin de Vapor

119

La dilucin hace que parte del aceite atrapado se mejore y desplace por el agua condensada (WF)


Crudo caliente

Vapor


Yacimiento frio

Crudo diluido




Estabilidad de los frentes de vapor

120

La estabilidad del frente es importante

para una mejor eficiencia de

barrido

El desplazamiento de vapor se

observa como un proceso estable

Cuando se forman los pequeos dedos del vapor debido a las perturbaciones

locales, pierden calor relativamente a altas tasas,

dando por resultado la condensacin y la desaparicin

del dedo del vapor

Por lo tanto, la difusin termal y los efectos de cambio de fase desempean un papel estabilizador

sobre la inestabilidad hidrodinmica

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61

Estabilidad de los frentes de vapor

121

Evolucin en el tiempo de perturbaciones pequeas en frentes planos de vapor

tiempo=0 tiempo=t2 tiempo=t3tiempo=t1

Transferencia decalor

+condensacin

Inyeccin de vaporUn proceso de drenaje gravitacional

122

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62

Sobrepaso de vaporObserve que el empuje con vapor y el desplazamiento asociado decrudo es mucho ms compleja que los modelos simples de flujo delcalor.

Saturacin de Crudo

Valores bajos de Sor en la zona barrida por el

vapor

El Sor de WF donde el vapor condensa por accin gravitacional

y desplaza el aceite caliente

El aceite aqu es demasiado viscoso para ser desplazado por el condensado del vapor

Indicacin leve del paso del agua por debajo en la base del yacimiento

Periodos de tiempo en Empuje de Vapor

Tiempo antes de la ruptura del vapor en el productor: SPE Paper 13348 A Gravity Override Model of a

Steamdrive, C. H. Neuman, Chevron, SPE January 1985

Tiempo antes de la ruptura del vapor en el productor: SPE Paper 11219 Simplified Heat Calculations for

Steamfloods, J.V. Vogel, SPE 11219, July 1984

124

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63

Antes de rupturaDependencia de tasa y tiempoDeseo de llegar a ruptura de vapor lo

mas rpido Funcin del espaciamiento y tasa de

inyeccin

125

Ecuaciones de Neuman

126

Manteniendo la presinconstante, es necesario de-terminar la cantidad de calorrequerido para incrementarel calor del reservorio y lasprdidas de calor en el topey la base

Vapor Vapor

Prdidas de calor

Vapor+

condensado

aceite

Prdidas de calor

agua

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64

Ecuaciones de Neuman

127

La realizacin de un balance energtico y fijar la inyeccinigual a la tasa de prdida clasifican por cada incremento detiempo referida como (los incrementos de tiempo):

la zona de vapor se determina entonces por la siguienteecuacin (tambin llamada raz de tau).

Esta ecuacin se usa tpicamente para resolver ya seaespaciamiento o tasa de inyeccin

Despus de ruptura

128

Se necesita solamente considerar prdidas de calor por los alrededores de la formacin

Se basa acuerdo en flujo de calor linear en un plano infinito

Sobrepaso, concepto descendente del escudo de

vapor

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65

Modelo de Vogel

129

Calor = Perdidas conductivas + Calor requerido para + Calor producidoRequerido de calor el crecimiento de

la zona de vapor

Modelo de Vogel

130

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66

Modelo de Vogel

131

Calor requerido

132

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67

Vizualizacin de sobre paso del Vapor

Los resultados 3D de la simulacin deinyeccin de vapor se demuestran para unpatrn de 5 puntos con caractersticasuniformes de yacimiento y kv= kh.

El aceite es viscoso a la temperatura delyacimiento (4000 cp). Debido a sto, las tasasde vapor son bajas y los patrones deben serpequeos (2.5 A). El sobre paso por efectogravitatorio domina.


Se exagera la escala vertical. La relacin real de escala horizontal a

vertical es 4.6:1

Los diagramas muestran una seccin

transversal del yacimiento conectando inyector y productor

Los cambios de saturacin de aceite y temperatura y

del aceite se muestran para periodos de tiempo

precediendo la ruptura de vapor.

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68


Pattern Size (Acres) 2.5

Pay Thickness (ft) 71

K steam (darcys) 2

Oil Density (lb/ft 3) 60.9

Steam Viscosity (cp) 0.013

Steam Density (lb/ft 3) 0.059

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69

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Oil Saturation

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90

Prdidas de calor de lneas

superficiales y sub-superficiales

180

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91

Motivacin

181

Motivacin

Reto: Interaccin compleja entre las

prdidas de calor y las prdidasfriccionales

Varios mecanismos de trans-ferencia de calor pueden ocurrirsimultneamenteConduccin (difusin termal)ConveccinRadiacin

182

Generadordevapor

Sobrecarga

Sobrecarga

Yacimiento deCrudo pesado

SuperficieEntradaDeagua

Aislante

Vapor

Flujo de vapor durante proyectos empuje de vapor

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92

Prdidas de calor en las lneas superficiales9 Una pequea fraccin del calor total se gener o inyect9 La ecuacin bsica usada para calcular prdidas de calor

por longitud de unidad de tubera es:

183

Donde Rh es la resistencia termal especfica por longitudde unidad de tubera dada en Btu/ftdoF. Se representageneralmente como 1/(2rU), donde U es el coeficientetotal de transferencia de calor y r es el radio de lasuperficie a travs de la cual la prdida de calor sedetermina. La Tb es la temperatura bruta del lquido en latuberia, y TA la temperatura ambiente de la atmsfera,ambas en oF.

Prdidas de calor en las lneas superficiales9 Una pequea fraccin del calor total se gener o inyect9 La ecuacin bsica usada para calcular prdidas de calor

por longitud de unidad de tubera es:

184

Esta ecuacin representa prdidas de calor de estadoestacionario. Las tasas de prdidas de calor duranteperodos transitorios pueden ser grandes, aunquegeneralmente se desprecien en clculos de prdidas decalor de lneas termales puesto que la fase transitoria sona menudo de corta duracin

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93

Prdidas de calor en las lneas superficiales

Para una tubera cubierta con aislamiento, laresistencia termal especfica de prdida de calorse da como sigue:

185

donde hf es el coeficiente de la pelcula dentro dela tubera, hPi es el coeficiente de transferenciatrmica a travs de cualquier depsito de escamao suciedad en la pared interior de la tubera



186

hPO es el coeficiente de transferencia de calor atravs del contacto entre la tubera y elaislamiento, y finalmente

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94



187

hfC es el coeficiente de transferencia trmicadebido a la conveccin forzada (corrientes deaire). stos se expresan en Btu/ft2doF


188

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95


189

La representacin de la resistencia total de la transferencia trmica como la suma de resistencias en serie sigue directamente de la asuncin que el estado estacionario prevalece

Esto significa que la tasa a la cual el calor se est transfiriendo a travs de cada resistencia es igual en cualquier momento; tambin, la cada de temperatura es la suma de las cadas de temperatura a travs de cada resistencia

La cada fraccional de temperatura es por consiguiente igual a la fraccin de la resistencia termal total. Por ejemplo, cuando se conoce la cada total de temperatura, la temperatura en la superficie interior del de la tubera Ti se puede encontrar de:


190

La siguiente expresin se utiliza a menudo parael coeficiente de transferencia de calor porconveccin forzada:

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96


191

Aqu, la velocidad del viento est en mi/hr. Derivando laexpresin resultante para Rh con respecto a rins e igualandoa cero da el radio externo de aislamiento en ft para loscuales la resistencia termal es mnima:

Observe que esta ecuacin da el espesor ptimo delaislamiento, aunque falla cuando la velocidad del viento vaa cero

En la existencia del grueso ptimo del aislamiento

192

Usando la intuicin, pensaramos que la

adicin de ms aislamiento reducira aun ms la tasa de

prdidas de calor. No es el caso, sin embargo y en su lugar existe un

valor ptimo del espesor de aislamiento

La razn del espesor ptimo es que la tasa de prdidas de calor a

la atmsfera aumenta a medida que el radio de la superficie expuesta aumenta. La tasa de prdidas de calor a

travs del aislamiento, por una parte,

disminuye con el incremento del espesor.

Estos dosfactoresinteractuan

Entonces el aislamiento de las tuberas de la

superficie enterrndolas bajo tierra parece

razonable aunque hay que tener presente que las

prdidas de calor al iniciar son perceptible-mente

ms grandes para tuberas enterradas que para las tuberas suspen-didas y no recomendado cundo la inyeccin est

de duracin relativamente corta, como CSS

(Estimulacin cclica)

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97

Clculos de las prdidas de calor de las lneas superficiales

Se desea inyectar vapor a 550 oF debe ser inyectado contubera de 4 N-80 a una tasa de 229 stb/d. Halle la prdida decalor de estado estacionario por ao por 100 pies de tuberacuando la tubera se asla con 3 de silicato de calcio. Latemperatura anual promedia es 60 oF y los vientospredominantes tienen una velocidad media de 20 mph normal ala lnea superficial. Se dan los siguientes datos:

ri=0.1478 ft, ro=0.1667 ft, rins=0.4167 ftP=600 Btu/ft-d-F, ins=0.96 Btu/ft-d-Fhf=48000 Btu/ft2-d-F, hfc=154 Btu/ft2-d-F, hPi=infinity,hPO=48000 Btu/ft2-d-F,

193

Clculos de las prdidas de calor de las lneas superficiales

194

Las prdidas de calor por pie y por da son:

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98

Prdidas de calor en el pozo

Las prdidas de calor en los pozos nunca alcanzanun estado estacionario; logran un estado cuasi-estacionario, sin embargo, en el cual la tasa deprdida de calor es una funcin monotnicadecreciente del tiempo.

Esta dependencia en tiempo es una medida decmo rpidamente la tierra puede conducir el calordesde el pozo. Se aplica la misma ecuacin:

Prdidas de calor en el pozo Salvo que ahora la temperatura ambiente TA es la

temperatura geotrmica y, luego, es funcin de laprofundidad

Y en este caso la resistencia termal especfica esdependiente del tiempo, reflejando la resistenciatermal eficaz variable de la tierra

Los elementos de la resistencia trmica se combinanpara obtener el coeficiente total de prdidas de calor:

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99

Los elementos tpicosque ofrecen resis-tencia a las prdidasde calor en el pozo sedemuestran abajo.Note que la tuberade produccin estaislada

Prdidas de calor en el pozo

Prdidas de calor en el pozoLos trminos en la primera fila fueron discutidospreviamente, los trminos en la fila del envoestn, en orden de aparicin: las resistencias ala radiacin y a la conveccin en el anular, alrevestidor, al cemento, a la zona alterada en laformacin y a la resistencia variable inalteradade la formacin.

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100

f(tD) es adimensional y es funcin del tiempo adimensionaltD. La temperatura en la cara del pozo no es constante conel tiempo; por tanto, la condicin de frontera usada paraobtener f(tD) es:

Cuando tD

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101

Determinacin de hrc,anEl coeficiente de transferencia trmico por radiacin yconveccin en el anular se da por:

Determinacin de hrc,an

Valores tpicos del coeficiente de conveccin yradiacin-natural de trasferencia de calor:

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102

Clculos de prdidas de calor en un pozo inyector

Se usa un procedimiento iterativo donde se da un valorinicial de Rh, e.g., igual a dos veces el valor deaislamiento

Para el valor de Rh se calcula f(tD) Siguientes, las temperaturas de la superficie interna y

externa del anular, Tci, Tins, se calculan usando:

203

Calcule el hrc,an. Utilice la temperatura media enel anular, (Tins+Tci)/2, para estimar laspropiedades del aire para los clculosCalcule Rh usando su ecuacinRepita los clculos hasta que la diferencia en Rh

de las aproximaciones sucesivas sea pequea

204

Clculos de prdidas de calor en un pozo inyector

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103

Perfil de Temperatura en el Pozo

Aqu TE es la temperatura superficial media de la tierra,gG el gradiente geotrmico de modo que la temperaturano perturbada de la tierra est dada por TE=TE(0) +gGD

C es la capacidad de calor del fluido que fluye; wi la tasatotal de inyeccin en lbm/d; d es una constante quetoma el valor de cero para los lquidos y de 1 paragases; g/gcJ es igual a 1/778 Btu/ft-lbm; Tinj latemperatura constante de la inyeccin en el superficie

205

Perfil de Temperatura en el Pozo

206

comparacin delos perfiles detemperaturamedidos ycalculados

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104

Calidad del vapor en funcin de la profundidad

207

La calidad es la fraccin total del vapor en un sistema vapor/agua

Es importante saber la calidad del vapor entregado a la formacin

Cuando la resistencia termal especfico total, Rh, y la temperatura del vapor no varan perceptiblemente con profundidad, la calidad del vapor en cualquier profundidad fs(D) se puede relacionar con la de superficie, fs(0) por:

Un clculo rpido de la calidad del vapor

208

La calidad del vapor en fondo puede estimarse a grosomodo considerando que la temperatura del vapor no varacon profundidad y se especifica la tasa de inyeccin devapor. Suponga que la tasa de inyeccin de vapor son losqs en STB/day de agua fra equivalente (CWE). Entonces,la prdida de calor total del pozo es equivalente a:

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105

Un clculo rpido de la calidad del vapor

209

Si el calor de la vaporizacin latente a la temperatura delvapor inyectado Ts (oF) es Hv (Btu/lbm), entonces elcambio en la calidad del vapor a lo largo del pozo es,

Si se da la calidad del vapor en la cabeza del pozo,entonces la calidad del vapor en la cara de la arena es:

Estimulacin Cclica de Vapor, CSS

210

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106

Estimulacin Cclica de Vapor

211

Descubierto accidentalmente en el campo Mene Grande, Venezuela, en 1959. Un pozo que no haba producido crudo previamente, empez a fluir a tasas de 100-200 STB/day

En el CSS, el vapor se inyecta en un productor por un perodo de 2-5 semanas. El pozo debe cerrarse y permitir remojo antes de volver la produccin

El CSS es un precursor para empuje con vapor en la mayora de los yacimientos. Pruebas de interferencia entre pozos indica que las regiones calentadas pueden traslaparse; por lo tanto el la inyeccin de vapor poda comenzar

Observe que no se puede aplicar el CSS a los pozos depletados. Debe haber suficiente energa del yacimiento para mantener la presin de ste tpicamente sobre 500 psi

Estimulacin Cclica de Vapor El requisito esencial para un CSS acertado es una

fuente de energa natural del yacimiento quepuede estar disponible bajo la forma de:

Expansin de fluido por empuje de gas ensolucin o por reduccin en la presin deyacimientoo Empuje natural de aguao Drenaje gravitacionalo Compactacin

212

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107

Estimulacin Cclica de Vapor

213

Tiempo

Caudal,STB/dia

O(1)

O(100)

1er cicleo 2o ciclo 3er ciclo

EjercicioConsidere un patrn con un rea de 10 acre en unyacimiento de crudo pesado que produce por deplecin.k=3 darcy, h=100ft, o=1,000cp, la presin promediadel yacimiento es 500 psi, Pwf=100 psi, Bo=1.1 bbl/STBAsuma geometra circular, El radio externo del rea dedrenaje se estima de: re= (10*43560/)0.5=372.4 ftPor simplicidad asuma flujo estacionario e incompresible:

Case 1: Produccin fra

214

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108

EjercicioA medida que se agota el depsito, su presin cae y latasa de produccin declinaPor ejemplo, cuando la presin promedia del yacimiento es 50 psi y Pwf =10 psiCaso 2: Produccin fra

215

Ahora considere que estamos calentando una pequearegin alrededor del pozo inyectando el vaporPor simplicidad asuma que qocBoc=qohBoh , tal que elflujo volumtrico a condiciones del yacimiento sea igualen la regin fra que en la calienteCuando la presin promedia del yacimiento es 50 psi yPwf =10 psi

216

re

rh

Fro

Calentado

Ejercicio

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109

Caso 3: recobro termalTome rh=50 ft y oh=2.0 cp

217

La rata de flujo se incrementa en un factor de38.3/11.7=3.27 debido al calor!

Ejercicio

EjercicioCaso 4: Recobro trmicoSi estimulacin con vapor fuera aplicado antes de que laenerga del yacimiento fuera agotada, la tasa deproduccin inicial despus de del remojo habra sido:

218

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110

Ejercicio

219

Este ejercicio simple ilustra que la respuesta al CSS es determinada en gran medida por la

energa natural del yacimiento

Note que no se tuvo en cuenta:

Cambios en permeabilidad debido al estmulo con

vapor. Se reconoce en gran parte que la inyeccin de

vapor remueve el dao del pozo

No se remueve calor de la zona calentada debido a la

produccin

La dinmica de la inyeccin y retiro de fluidos se simplifica

usando flujo en estado estable en geometra

radial

Tasa de declinacin con temperatura debido a las

prdidas de calor externas

Ejercicio

220

Vapor, TSCondensado, TR

Calor perdido

Calor perdido

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111

Modelo de Boberg & Lantz

221

Modelo de Boberg & Lantz El modelo comienza usando el modelo Marx & Langenheim

para calcular el radio de la zona calor Se sume que el yacimiento est calentado instantneamente a

una temperatura de Ts:

222

solucin en trminos detemperaturas promedias:

Pozo

t=ti ;T=Ts t=ti ;T=To

Caliente Fro z

r

rh

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112

Modelo de Boberg & LantzB & L busca por la solucion en la region 0 < r < rh y 0< z< h usando temperatura y tiempo adimensionalespromedios:

223

Modelo de B & LLas expresiones para la temperatura promediaadimensional en las direcciones r- y z- son:

224

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113

La temperatura promedia dentro de la zonacalentada se da por:

Modelo de B & L

Donde la temperatura del vapor inyectado semide a condiciones de fondo; fVD y fHD son lascantidades adimensionales dependientes deltiempo que responden por las prdidas deconduccin en y normal al plano delyacimiento.

Modelo de B & L

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114

Modelo de B & LLa solucin analtica para determinar la temperaturapromedia de la zona calentada tiene dos debilidades:1) No hay distribucin inicial de la temperatura en las lutitassobre o debajo de la regin calentada; as los clculostienen que ser ajustados segn prdidas de calor de lalutita durante la inyeccin de vapor. Esto se hacecalculando el incremento el espesor en z:

227

Modelo de B & L2) El modelo de temperaturapromedia no considera la remocindel calor con los fluidos producidos.El ajuste se hace usando la siguienteformulacin modificada:

228

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115

Modelo de B & LLa relacin entre la funcin fpD y la energa removida pormedio de los fluidos producidos es:

229

Donde la tasa de remocin de calor del yacimiento, Qp,dhdel calor, se debe medir o estimar a condiciones defondo. El contenido de calor del yacimiento en elextremo de la inyeccin de vapor, Qmax, se determinausando las ecuaciones de Marx-Langenheim:

Comportamientos Tipicos: 1er Ciclo de Operaciones CSS en

California

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116

Comportamientos Tipicos: CSS en Costa Bolviar (Venezuela)

Combustin In-situ

232

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117

Inyeccin de aire y Combustin in-situ

233

EL calor se genera dentro del reservorio mediante la continua inyeccin de air (o aire enriquecido con O2) y por ignicin espontanea en el fondo del pozo

por calentamiento

El O2 inyectado quema parcialmente crudo generando calor y produciendo CO2, CO y vapor

La tcnica genera en sitio una zona de combustin que se propaga dentro del yacimiento, auto sostenindose y creando un banco de crudo

mejorado corriente abajo

El recobro se basa principalmente en la reduccin de la viscosidad del crudo, expansin, destilacin y

extraccin de solventes, entre otros

Combustin DirectaEl calor se usa para adelgazar el aceite y permitir que este fluya mejor hacialos productores. En una C.I. se incendia la formacin y por la inyeccincontinua de aire el frente avanza hacia el yacimientoSe incrementa la movilidad del crudo por reduccin de su viscosidad causadapor el calor y la solucion de los gases de combustion

234

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118

Estado actual de la inyeccin de aire

235

Ventajas de la Combustin In-situ

236

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119

Desventajas de la Combustin In-situ

237

Formas de Combustin In-situ

238

Frente

Directa

Zona noquemada

Zonaquemadaaire

frente

Reversa

Zona noquemada

Zonaquemada aire

Frente

Hmeda

Zona noquemada

Zonaquemada

aireagua

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Combustin In-situEl gas inyectado que contiene O2 (e.g. aire) reacciona con elcrudo para crear un frente de alta temperatura que sepropaga a travs del reservorio

239

HTO: Frente de oxidacion de alta temperaturaLTO: Frente de oxidacion de baja temperatura

Tem

pera

tura

Distancia

HTO

LTO

Zona quemada

Zona de Combustin

Zona de Vaporizacin

Zonas de vapor

Banco de agua caliente Banco

de crudo Zona inicial

TS

Tf

240

Factores primarios que influencian la

Combustin

El combustible que se consume por el frente de combustin es un residuo producido por un proceso

complejo de craqueo, coqueo, LTO y destilacin de vapor

que ocurre delante del frente de combustin

Del 5-7 % del crudo original se gasta como

combustible

Los procesos de combustin in-sito son

posibles si la combinacin crudo roca produce

suficiente combustible para sostener el frente de

combustin. En el proceso de combustin varios

factores son importantes:

Disponibilidad de combustible

Uso de O2

Requerimientos de aire

Flujo mnimo de aire

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121

Combustible

241

Durante el proceso de combustin seca se consume todo el combustible, donde no es necesario la combustin de todo el combustible y se requiere la reduccin en la cantidad de aire inyectado, la combustin hmeda o parcialmente apagada puede ser una ventaja puesto que la adicin de suficiente agua puede reducir la

temperatura al punto que el combustible no se consumir totalmente

El combustible que se consume en la

combustin no es el crudo del yacimiento

Principalmente el residuo rico en carbn

resulta del termofraccionamiento,

de la vaporizacin/destilacin y de la oxidacin a baja temperatura (LTO) del

aceite residual cerca del frente de combustin

La cantidad de combustible por

unidad de volumen bruto del yacimiento

es un parmetro extremadamente importante en operaciones de

combustin

CombustibleLa correlacin entre el combustible quemado y el O2 consumido esgeneralmente excelenteTambin hay una correlacin entre la cantidad del combustible consumida y la cantidad del petrleo crudo en el yacimiento

242

Efecto de la saturacin inicial del aceite sobre el combustible quemado

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122

Combustible

243

Correlacin del combustible quemado con la gravedad del crudo

Combustible

244combustible quemado y requerimientos de aire contra gravedad del aceite

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123

CombustibleNelson y McNiel propusieron una correccin a la cantidadde combustible quemada en el laboratorio cuando laporosidad del material en el funcionamiento del tubo,tube, es diferente de la porosidad del yacimientoconsiderado, R.

245

Donde, mR. es la masa del combustible quemado porunidad de volumen bruto de yacimiento

Combustible

246

La saturacin equivalente del aceiteconsumida se puede expresar en trminosde combustible consumido, tambin dadoen masa por unidad de volumen bruto:

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124

Reacciones O2/combustible A temperaturas mayores de 650 F (350 C), las reacciones

de oxidacin de alta temperatura (HTO) entre el O2 y elcombustible dan lugar a la formacin de CO, CO2 y H2O

A temperaturas menores a esas, oxidacin parcial (LTO)ocurre. Los productos consisten generalmente encompuestos orgnicos oxigenados

La estequiometra del proceso HTO se da por:

Aqu, se desprecian los contenidos de S, N2, y O2 delcombustible

247

Oxidacin de Crudo en Arena

248

Tpicamente dos sistemas de picos de concentracin se desarrollan durante los experimentos del tubo de

la reaccin

El primer pico aproximadamente a 485 F corresponde a LTO. El segundo pico a

aproximadamente 750 F corresponde a HTO

Observe que cerca de los picos la generacin del xido del carbono gaseoso aumenta

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125

Oxidacin de Crudo en Arena

249

Disponibilidad de Crudo

La cantidad del combustible se determina en ellaboratorioLa disponibilidad es la cantidad de combustible

dejada por los fenmenos precedentes delantedel frente de avance de la combustin. Tieneunidades de lbm de combustible por ft3 de laroca.

250

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126


251

En la formulacin R ytube son la porosidad de laformacin y la porosidad medidas durante elfuncionamiento del tubo de combustin; FHC es larelacin atmica de H/C en el combustible; ypifraccin molar de i en los gases de combustinproducidos; np los moles totales del gas producido; yVf (t2-t1) es la distancia viajada por el frente decombustin que se propaga estable en el tubo


252


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127


253


Utilizacin de O2

Es una cantidad fraccional que refiere a la cantidad deoxgeno reaccionada con el combustible durante elproceso de combustin in-situ

254

yp,O2 yyp,N2 son las fracciones molares de O2 y N2 en elgas producido

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128

Requerimiento de Aire

255

Se define como el volumen estndar de aire requeridopara quemar una unidad de volumen del yacimiento(scf/ft3)

Se estima de la de la estequiometria de la combustinusando la relacin aparente H/C (i.e., FHC) delcombustible y de la relacin CO2 /CO producida, mEl requisito del aire se puede tambin determinarexperimentalmente durante la propagacin de estadoestacionario del frente de combustin midiendo la tasade aire inyectada (por unidad de superficie transversal) yla velocidad de propagacin del frente:

Requerimiento de Aire

256

Se define como el volumen estndar de aire requerido paraquemar una unidad de volumen del yacimiento (scf/ft3)

Se estima de la de la estequiometria de la combustinusando la relacin aparente H/C (i.e., FHC) del combustible yde la relacin CO2 /CO producida, mEl requisito del aire se puede tambin determinarexperimentalmente durante la propagacin de estadoestacionario del frente de combustin midiendo la tasa de aireinyectada (por unidad de superficie transversal) y la velocidadde propagacin del frente:

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129

Mnimo Flujo de Aire

257

La tasa de avance frontal mnima parasostener la propagacin del frente decombustin se expresa normalmente entrminos de flujo mnimo de aire, que es latasa volumtrica de aire requerido porunidad de superficie transversal del frente:

Ignicin Espontnea

258

Antes de que se comience un proyecto de la combustin en el campo, el aire se inyecta para determinar o aumentar la inyectividad

La ignicin no debe ocurrir tpicamente en esta etapa porque hay tiempo asociado con la ignicin

Tadema y Weijdema Tadema y Weijdemapropusieron una aproximacin que nospermite predecir el tiempo de la ignicin, quees muy sensible a E/RTi

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130

Ignicin Espontnea

259

El tiempo previsto de la ignicin est tpicamente en el

orden de das

La distancia radial de la ignicin es

dependiente de la tasa de inyeccin

de aire y la temperatura inicial

del yacimiento

La distancia aumenta a tasas

ms altas y temperaturas ms bajas, tpicamente

1-3 metros del pozo inyector

Ignicin Espontnea

260

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131

Ignicin Espontnea

261

Modelo de Propagacin del frente de Combustin

262

Este modelo analtico permite predecir la extincin delfrente bajo condiciones de yacimiento en presencia deprdidas de calor, Akkutlu & Yortsos (SPEJ, Dec. 2005).

Su modelo consta de dos ecuaciones algebraicasacopladas para frente de temperatura HTO de estadoestable, Tf , y la velocidad de propagacin del frente HTO,Vf :

Note que la velocidad adimensional de propagacin delfrente, Vf,D es, por definicin, igual a 1/aR

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132

METODO DE DISTANCIA CORTA PARA

DESPLAZAMIENTO DE CRUDO

Steam-Assisted Gravity Drainage, SAGD Es una forma avanzada de estmulo con vapor en la cual un

par de pozos horizontales se perforan en el yacimiento, uno 4a 6 m sobre el otro

Se inyecta vapor a baja presin en la parte alta del pozo paracalentar el aceite y reducir su viscosidad, haciendo el aceitecalentado drene en la parte baja del pozo, cuando el pozo espumped out.

264

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133

Caracteristicas de SAGD

265

Tcnica probadaIntroduce vapor sin bordeamiento (By-

pass)

El drenaje y desplazamiento de

aceite es sistemtico y se pueden obtener

altas recuperaciones

La relacin aceite/vapor es mayor que la hallada para la

inundacin convencional de vapor

El aceite calentado permanece caliente en su camino al pozo productor. Por lo tanto, el proceso se puede utilizar incluso en yacimientos de crudo

bituminoso sin el precalentamiento extenso

Concepto de SAGD

266

El crecimiento hacia arriba de la cmara de vapor es dominado por

dedos de vapor con aceite que fluye entre

ellos

El crecimiento de la cmara de vapor hacia arriba procede de una manera algo irregular,

pero rpida, hasta que es limitado por el lmite

superior del yacimiento

En cambio, la extensin hacia los lados bajo la

sobrecarga es muy estable debido al efecto

estabilizador de la gravedad

El movimiento de la interface de la cmara hacia los lados y abajo tiende a limitarse por la

tasa

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134

Modelo Analtico para SAGD

267

Tasa de drenaje de crudo (m3/dia):

Donde L (m) es la longitud del pozo horizontal y H(m) es la altura dela cmara. La integral adimensional del nmero de vapor:

Es la difusividad trmica (m2/ dia), =o-steam (kg/m3), T (oC) esla temperatura y la viscosidad del crudo (kg/m-dia)

Modelo Analtico para SAGD Observe que la ecuacin tiende a sobrestimar la tasa de

drenaje porque asume un perfil de temperatura de estadoestacionario delante de la interfase:

En la prctica, esto es una asuncin razonable en la partecentral del interfase y no en los extremos

Las modificaciones aparecen como un valor diferente bajo raz cuadrada:

268

Teora original(mostrada)

2.0

TANDRAIN 1.5

LINDRAIN 1.3

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135

269

Parmetro mostrado en la viscosidad cinemtica del crudo (cs) a 100 C

Prediccin de la tasa de drenaje de crudoPredicciones para 3 aceites pesados canadienses en funcin de Tvapor en volumen por unidad longitud del pozo horizontal por da

Medidas del perfil de temperatura de SAGD con pares Mltiples de Pozos

270

Perfil de temperatura uniforme

regin fra

Regin caliente

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136

Desventajas del SAGDLa generacin de vapor es la mayor partes del costo de

produccin petrolfera usando SAGD. La produccin

convencional de gas natural ha alcanzado el pico y ahora est disminuyendo en la mayora de

los pases

Se consideran otras fuentes de generacin de calor, notable gasificacin de las fracciones

pesadas del bitumen producido para producir syngas, usando los depsitos de carbn prximos (y

masivos) del carbn, o an construir reactores nucleares para

producir el calor

Se requiere una fuente de agua fresca y salobre y grandes

instalaciones para reciclar las cantidades el agua necesarias para generar el vapor para el proceso SAGD. El agua se ha mencionado a menudo en los

medios populares como constreimiento en el desarrollo

Por la dependencia en drenaje por gravedad, el SAGD tambin

requiere yacimientos comparativamente espesos y

homogneos, luego no es conveniente para todas las reas

de la produccin del crudo pesado

Se estn desarrollando aun diversos procesos. Los procesos derivados se estn desarrollando incluyendo SAGP (steam And Gas

Push) y ES-SAGD (ExpandingSolvent Steam Assisted Gravity

Drainage) en los cuales el gas no condensable/condensable se

mezcle con el vapor

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137

Qu es VAPEX?

Cmara de vapor Butler & Mokrys (1991)

Cmo funciona VAPEX?

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138

Qu ventajas tiene VAPEX?

Bajo consumo de energa

Baja polucin ambiental,

No degrada el petrleo in-situ Bajo costo

Al contrario de los mtodos de recobro trmico, no hay problema con la perdida de solvente en el yacimiento ya que gran parte del solvente puede ser reciclado y

recuperado.

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139

Qu afecta el proceso VAPEX?

Temperatura Presin Viscosidad del petrleo

Sistema de inyeccin de

solventeCapa de gas

Concepto de SAGD La figura representa el proceso en una

etapa bastante temprana El vapor se est inyectando continuamente

del pozo, tpicamente un pozo horizontal Una zona saturada vapor con temperatura

inyectada del vapor se forma El vapor fluye al permetro del

compartimiento del vapor y condensa El calor del vapor es transferido por la

conduccin termal en los alrededores El agua condensa del vapor y el crudo

calentado fluye por gravedad al inyectorMientras que el aceite drena, la cmara devapor avanza en el yacimiento hacia arribay hacia los lados

278

EL vapor fluye a la interfase y se condensa

Inyector de vapor

productor

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Comparacin de los Mecanismos de SDODConsidere una porcin de la cmara involucrando unacondensacin brusca de vapor (o disolucin de solvente) cuyainterfase se propaga en velocidad estable U en el reservorio:

279

VAPEXposicindeLainterfase devapor

C=1 enelSolventedela

camara

velocidadNormal,U

Difusinmolecular+dispersintransversal

C=0inoriginalreservoir

x

y

dQ

SAGD posicindeLainterfase devaporT=Ts in

Cmaradevapor

velocidadNormal,U

ConduccinDecalor

T=TR enyacimientooriginal

dQ

x

y

VAPEX

Comparacin de los Mecanismos de SDOD

SAGD Tasa de drenaje de crudo (m3/dia):

La integral adimensional delnmero de vapor:

Es la difusividad trmica (m2/dia), =o-steam (kg/m3), T (oC)es la temperatura y laviscosidad del crudo (kg/m-dia)

280

VAPEX Tasa de drenaje de crudo (m3/dia):

La integral adimensional delnmero de vapor:

D es la difusividad molecular(m2/ day), =o-solvent,(kg/m3), C concentracion delsolvente (frac.) y oil viscosity(kg/m-day)

03/09/2012

141

Puede el VAPEX impactar recobro no trmico de crudo pesado?

El proceso de VAPEX utiliza una mezcla de C3 y C4 (solvente

vaporizado) y un gas no condensable, e.g., gas natural o

metano, como lquido de inyeccin

En su forma ms simple, requiere la inyeccin continua del solvente a un yacimiento de aceite usando

un inyector horizontal y el mantenimiento de una cmara de

solvente que constantemente evoluciona

Despus de un perodo de transicin inicial de inyeccin, cuando la cmara crece principalmente verticalmente, se espera que el compartimiento solvente crezca lateralmente - en paralelo - y por

encima un cierre por el productor horizontal de modo que, una vez

movilizado adentro o cerca a la pared de la cmara, el aceite podra ser

drenado fcilmente por la gravedad y ser producido

Idealmente, la inyeccin de solvente, el crecimiento de la cmara y el drenaje de aceite deben proceder a tasa estable para tener una recuperacin

estable y acertada

Puede el VAPEX impactar recobro no trmico de crudo pesado?

La pared de la cmara es una frontera mvil no linear, es decir, una capa delgada en lugar de una interfase, separando los hidrocarburos inyectados

y el aceite en sitio

La interfase solvente es fundamentalmente similar a la zona de mezcla dominada por transferencia de masa de los otros mtodos de desplaza-

miento miscible. Localmente, sin embargo, las interacciones de los solventes del vapor con el aceite pesado son complejas y

ms importantes durante el proceso de VAPEX

Se cree que un mecanismo continuo de la renovacin del

aceite ayudado por la gravedad y la capilaridad podra rendir tasas mucho ms altos de transferencia total difusiva dentro de la interfase del

solvente. Adems, la eficacia - y la complejidad de la interfasees realzada por el efecto de de-

asfaltado del solvente que potencialmente lleva al mejoramiento de aceite

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142

Papel de la Precipitacin de Asfalteno durante VAPEX

oil bank

La tasa de drenaje de aceite bajo VAPEX es

controlada por la viscosidad del solvente - aceite diluido

y puede ser afectada substancialmente por

desafaltado. El desasfaltado"in-situ" puede ser

ventajoso porque reduce la viscosidad del aceite y lleva a la produccin de aceite

aumentado.

Sin embargo, el asfalteno

precipitado puede tambin tapar los

poros de la formacin y causar dao severo a la

permeabilidad

Los experimentos demuestran que

ocurre mejoramiento del crudo aunque la

tasa de produccin no

mejore

Papel de la Precipitacin de Asfalteno durante VAPEX

Extraccin de bitumen en Peace Riverusando C3 en una celda Hele-Shaw

Banco de crudo

Zona barrida

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143

Debera Usar SAGD o VAPEX?VAPEX es el equivalente a no-termal en vez de un descendiente - de SAGD. Esta diseado especficamente para evitar requerimientos de calor y problemas relacionados al manejo de calor en el futuro

Es, sin embargo, un proceso delicado y tiene sus propios problemas operacionales nicos. La movilizacin del aceite es controlada por transferencia de masa, a saber el drenaje de aceite hacia el productor horizontal ocurre a tiempos comparables a las tasas de difusin de solvente y disolucin en aceite; por lo tanto, se reconoce extensamente como proceso de recuperacin muy lento

Adems, el crecimiento del solvente en la cmara de vapor es mas difcil de predecir y controlar comparado al vapor de la cmara.

Adems, la cmara de solvente est a menudo bajo influencia perjudicial de las barreras de flujo deposicionales, tales como calizas.

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