Evaluación de Mecanismos de Miscibilidad

En un artículo anterior, se describía como ocurren los fenómenos de miscibilidad en un diagrama pseudoternarios. Los diagramas pseudoternarios fueron los primeros en usarse para describir el desplazamiento del petróleo por medio de los mecanismos de miscibilidad: vaporización y condensación/vaporización.

Desde ese momento, todos los desplazamientos de petróleo han sido categorizados como inmiscibles, miscibles por múltiples contactos o miscible al primer contacto, con una subdivisión de los desplazamientos por múltiples contactos en el mecanismo de vaporización y el mecanismo  condensación/vaporización.

Tan pronto como estos mecanismos de miscibilidad fueron propuestos, Benham et al. propuso un método para predecir la mínima condición de miscibilidad con la construcción de diagramas pseudoternarios y estimando la colocación de líneas críticas. Este método ha estado en uso, aunque ha sido actualizado en años recientes a través del uso de Ecuaciones de Estado, generando nuevos diagramas pseudoternarios.

El problema cuando se usan los diagramas pseudoternarios para explicar y predecir los mecanismos de miscibilidad por múltiples contactos es que son rigurosamente aplicados solo en verdaderos sistemas ternarios. Por lo general, se ha supuesto en el pasado que los diagramas pseudoternarios, aunque quizá no sea exacta, se usaron al menos para capturar el comportamiento de los mecanismos de miscibilidad presentes en forma básica, de los desplazamientos que ocurren en el yacimiento.

Para un sistema de hidrocarburos de tres componentes, cuando la inyección de gas enriquecido desplaza petróleo con una cantidad de componentes intermedios, el proceso es llamado como mecanismo de condensación/vaporización. En este proceso, la cual será descrito más adelante, el petróleo cercano en el punto de inyección es enriquecido por contactos repetitivos con el gas de inyección.

Los componentes intermedios en el gas condensan dentro del petróleo, moviendo esta composición hacia el punto crítico de la envolvente de fases. Eventualmente, si el gas es suficientemente enriquecido, por ejemplo, si su composición se encuentra en el lado de la fase en la línea crítica de la envolvente, el petróleo comienza a enriquecerse con los componentes intermedios la cual permite hacerse miscible con el gas.

Desde el momento en que la zona miscible se mueve con la velocidad del gas de inyección, el petróleo es completamente desplazado. Este proceso puede ser fácilmente visualizado con la ayuda de un diagrama ternario. El diagrama ternario observado en la Figura 1 fue generado por la simulación de un proceso multicontacto metano-butano-decano en condiciones mínimas de miscibilidad con la EDE de Peng Robinson.

Fig. 1. Diagrama ternario para el mecanismo de Condensación/Vaporización

Las envolventes de fases para sistemas multicomponentes como los existentes en el yacimiento pueden ser generados por una simple mezcla de fluidos con componentes ligeros e intermedios en varias proporciones, realizando una medición del equilibrio de las composiciones.

Cuando estas se proyectan sobre un diagrama pseudoternario, resultan en un aspecto muy similar a las envolventes de fases en diagramas ternarios, la cual asumen que el desplazamiento del sistema multicomponentes del petróleo por gas enriquecido, serán por el mismo mecanismo de condensación/vaporización que aplican en los sistemas ternarios.

Esta asunción, sin embargo, no se toma en cuenta el cambio de distribución de los componentes, y por lo tanto los cambios en la envolvente de fases proyectada. Stalkup, observó que estos comportamientos pudieran ser muy complicados de explicar con los clásicos diagramas pseudoternarios y mecanismos de condensación/vaporización.

Una manera de entender el mecanismo de condensación/vaporización es considerar un sistema petróleo/gas, compuesto esencialmente por cuatro grupo de componentes. El primer grupo consiste en los componentes “pobres”, como el metano, nitrógeno y dióxido de carbono, la cual generalmente tiene unas constantes de equilibrio (K) mayores a 1.

El segundo grupo consiste en los componentes “ligeros” del grupo intermedio, como el etano, propano y butano, la cual enriquecen los componentes presentes en el gas de inyección. El tercer grupo contiene los componentes “medios” del grupo intermedio que se presentan en el petróleo, pero que no se encuentran significativamente presentes en el gas de inyección. Estos son componentes que pueden ser vaporizados del petróleo. Los componentes más ligeros de este grupo típicamente se encuentran en un rango desde el butano hasta el decano, dependiendo de la composición de gas de inyección.

Los componentes más “pesados” del grupo intermedio, que pueden no estar definidos de forma precisa, pero podrían comprender todos los componentes del C11 hasta el C30. El cuarto grupo consiste en los componentes restantes más pesados, por ejemplo todos aquellos presentes en el petróleo la cual son extremadamente difíciles de vaporizar.

Cuando un gas entra en contacto con el petróleo, los componentes “ligeros” del grupo intermedio condensan del gas hacia dentro del petróleo, haciendo el petróleo mucho más ligero. El gas en equilibrio es mucho más móvil que el petróleo, y éste se mueve rápidamente hacia delante y es reemplazado por gas “fresco” de inyección, por lo cual más componentes “ligeros” del grupo intermedio condensan, haciendo el petróleo aún más ligero.

Si esto se mantiene ocurriendo en el petróleo, lo hace lo suficientemente ligero para ser miscible con el gas de inyección, lo que podría considerarse la presencia del mecanismo de condensación/vaporización en el proceso. Sin embargo, este proceso es poco probable que ocurra a nivel real de yacimiento. Como los componentes “ligeros” del grupo intermedio están condensándose desde el gas de inyección hacia el petróleo, los componentes “medios” del grupo intermedio, están siendo despojados del petróleo hacia el gas.

Puesto que el gas de inyección no contiene ninguno de estos componentes “medios” del grupo de intermedio, no pueden ser repuestos en el petróleo. Después de unos pocos contactos entre el petróleo y el gas de inyección, el petróleo empieza esencialmente a saturarse con los “ligeros” del grupo intermedio, pero continua perdiendo componentes “medios” del grupo de intermedio la cuales son despojados y llevados adelante por la fase móvil del gas. Los “ligeros” del grupo intermedio del gas de inyección no pueden ser sustituidos por los componentes “medios” del grupo intermedio que ha perdido el petróleo.

Entonces, después de los primeros contactos hacen un petróleo ligero, por neta condensación de los intermedios. Una vez que esto empieza a ocurrir, el petróleo no tiene oportunidad de volver a tener miscibilidad con el gas de inyección. Por último, todos los componentes “medios” del grupo intermedio son removidos, quedando un petróleo residual generalmente muy pesado, conteniendo solamente componentes “pesados” y fracciones no volátiles.

Si el mecanismo es parado allí, una considerable cantidad de petróleo remanente queda sin recobrar. Considerando que el petróleo in situ que se encuentra alejado del punto de inyección, el primer gas que se puede observar no será el gas de inyección, sino un gas en equilibrio. Este gas relativamente seco será esencialmente un gas de inyección que perdió los componentes “ligeros” del grupo de intermedios y recoge una cantidad muy pequeña de componentes “medios” del grupo de los intermedios.

Allí puede ocurrir una pequeña transferencia de masa entre este gas y el petróleo. El gas que sigue, sin embargo, será enriquecido. Eventualmente, el gas que llega será el gas que ha pasado encima del petróleo que estaba saturado con los componentes “ligeros” del grupo de intermedios. Por lo tanto, este gas tendrá la misma cantidad de componentes “ligeros” del grupo de intermedios como el gas de inyección. Este tendrá también una pequeña cantidad de componentes “medios” del grupo de intermedios que son despojados cuando el gas pasa por encima del petróleo.

Así, este gas será realmente un gas más rico que el gas de inyección original. El petróleo que ve este gas recibirá un poco más de intermedios condensados con respecto al petróleo que se encuentra un poco más atrás del frente de inyección.

El proceso continua avanzando más allá del punto de inyección. Mientras más avanza, más rico es el gas que viene atrás, ya que tendrá más contacto con un petróleo cada vez residual, permitiendo recoger una mayor cantidad de componentes “medios” del grupo de los intermedios. En este punto, empieza accionarse el mecanismo por vaporización, en que un gas seco de inyección que paso por encima de un petróleo rico en componentes “medios” del grupo de intermedios, vaporizando estos componentes, volviéndose un gas más rico mientras transcurre el proceso, haciéndose lo suficientemente rico como para volver ser miscible con el petróleo original.

Sin embargo la marcada diferencia entre ambos mecanismos de miscibilidad, es que en la condensación/vaporización el gas no se hace lo suficientemente rico para lograr miscibilidad con el petróleo original in situ. En el mecanismo de condensación/vaporización, el petróleo no tiene que ser ricos en intermedios, y tampoco debe ser un petróleo subsaturado para darse el proceso. Sin embargo, estas dos condiciones son necesarias para desarrollar el mecanismo de vaporización.

Una manera simplificada de describir los mecanismos de miscibilidad en modelos unidimensionales de simulación se encuentra descrito en el trabajo desarrollado por Hearn y Whitson. Cuando se observa una forma de “reloj de agua” en los gráficos de densidad versus distancia indican un mecanismo combinado de condensación/vaporización, con el frente de miscible localizado en la sección donde la diferencia de densidades es mínima.

Adicionalmente, dos fases son encontradas en ambos lados del frente de inyección. La extensión de la región de dos fases adelante del frente de inyección puede variar desde muy corto (para sistemas altamente subsaturados) hasta muy largos para sistemas ligeramente subsaturados (o inicialmente en sistema con dos fases). En la Figura 2, se puede observar el mecanismo de condensación/vaporización descrito en la literatura.

Fig. 2. Gráfico de Mecanismo de Condensación/Vaporización de acuerdo a la descripción de Hearn y Whitson

Un proceso dominado por el mecanismo de vaporización muestra solo en el lado izquierdo del frente la forma de “reloj de agua” en el gráfico de densidad versus distancia. Adicionalmente, una saturación de gas libre no debe existir adelante del frente en un proceso de vaporización, por lo que sólo se pueden observar dos fases detrás del frente de inyección.

De acuerdo a estas premisas, el mecanismo de vaporización no puede desarrollar miscibilidad es un sistema saturado (sistema gas petróleo original), al menos que la presión de yacimiento incremente lo suficiente para lograr redisolver todo el gas libre inicial. En la Figura 3, se puede observar el mecanismo de vaporización descrito en la literatura.

Fig. 3. Gráfico de Mecanismo de Vaporización de acuerdo a la descripción de Hearn y Whitson