propiedades de fluidos en reservorios, Apuntes de Dinámica de Fluídos

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TEMA 4

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS DEL RESERVORIO

FACULTAD: CIENCIAS Y TECNOLOGIA CARRERA: INGENIERIA EN GAS Y PETROLEO MATERIA: RESERVORIOS I ( 5 to. Semestre) Preparado por: Ing. Oscar Salazar C. Santa Cruz, mayo- 2022

4. 1 INTRODUCCION

La exploración exitosa en busca de hidrocarburos, culmina con la perforación de pozos descubridores de reservorios de petróleo y/o gas. Un reservorio es una acumulación de hidrocarburos en un medio poroso permeable constituido por rocas sedimentarias. En el momento del descubrimiento, esta acumulación de fluidos presenta valores de presión y temperatura de equilibrio en todo su volumen poral. Un yacimiento o campo petrolífero puede estar constituido por uno o varios reservorios petrolíferos y/o gasíferos, situados a diferentes profundidades con distintas presiones y temperaturas, como el ejemplo de la figura. Los hidrocarburos que se encuentran en los reservorios naturales son mezclas de compuestos orgánicos con una gran diversidad de composiciones químicas. Los fluidos encontrados en los distintos reservorios pueden tener propiedades físicas y químicas muy diferentes. Sin embargo, la mayor parte de los compuestos químicos de los hidrocarburos están formados por carbono e hidrógeno. Constituyen mezclas complejas de la serie parafínica, naftenica y aromática, con relativamente pequeñas cantidades de oxigeno, nitrógeno, azufre y otras impurezas. 4.1 Introducción

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Cuando se trata de evaluar un yacimiento en términos del rendimiento de hidrocarburos esperado es necesario determinar las propiedades físicas del petróleo crudo, del gas natural y del agua en condiciones estáticas y dinámicas tanto en el reservorio como en superficie. Contribuyen al estudio del reservorio, la caracterización geológica, los perfiles a pozo abierto y entubado, los ensayos de laboratorio realizados sobre testigos de roca y sobre los fluidos del reservorio y las mediciones de presión y temperatura realizadas durante los ensayos de pozos, entre otros. A medida que el reservorio comienza a ser explotado, se mide la producción de petróleo, gas, agua y la presión en función del tiempo. Esto se conoce como historia de producción, la cual va aportando nueva información para la descripción del reservorio. De tal modo, las previsiones de producción y los procesos de recuperación pueden ser actualizados y modificados para aumentar la eficiencia técnico-económica. Por eso el diseño en ingeniería de reservorios es dinámico, cambia al avanzar la explotación.

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(cont. Introducción)

Para comprender y predecir el comportamiento volumétrico de los yacimientos de petróleo y gas en función de la presión, se debe adquirir conocimiento de las propiedades físicas de los fluidos del yacimiento. Estas propiedades de los fluidos generalmente se determinan mediante experimentos de laboratorio realizados en muestras de fluidos reales del yacimiento. En ausencia de propiedades medidas experimentalmente, es necesario que el ingeniero petrolero determine las propiedades a partir de correlaciones derivadas empíricamente. En la primera parte del presente tema se presentará varias de las correlaciones de propiedades físicas para los siguientes fluidos de yacimiento:

• Gases naturales
• Sistemas de petróleo
• Sistemas de agua de formación. En la parte final del capitulo se explicará lo relativo a la determinación de propiedades PVT de los fluídos que se efectúan en laboratorios.

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(cont. Introducción)

Presión del reservorio La presión del reservorio es la energía disponible mas importante para la explotación del mismo. Se denomina presión del reservorio, presión de los fluidos o presión de la formación a la presión de los fluidos confinados en los poros de la roca-reservorio. A menos que se especifique lo contrario, se entiende por presión del reservorio a la presión original o virgen. Entonces debe ser medida en el primer pozo perforado, antes de comenzar a producir. Se determina midiendo en el pozo, a nivel de la capa productiva, la fuerza por unidad de área ejercida por los fluidos. Todos los fluidos del sistema está en contacto entre si y transmiten las presiones libremente. A medida que el reservorio es explotado la presión del mismo ira decreciendo y esta presión es conocida como presión actual del reservorio.

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Temperatura del reservorio La temperatura del reservorio es otra fuente de energía para la producción. En una primera aproximación puede estimarse la temperatura del reservorio conociendo el gradiente geotérmico y cuando se tienen los pozos en los respectivos reservorios, se determina con registros de temperatura. A medida que los fluidos se producen, retiran calor del reservorio por convección (la convección suele ser la forma dominante de transferencia de calor en líquidos y gases). Ahora bien, las rocas suprayacenyes y subyacentes, por encima y por debajo del reservorio, se pueden suponer como fuentes de calor de infinita extensión; por lo tanto, son capaces de entregar calor por conducción (depende del tipo, cantidad de material y diferencia de temperatura entre dos zonas de ese material), suficiente para compensar el perdido por convección y mantener la temperatura del reservorio aproximadamente constante.

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Un gas natural se define como un fluido homogéneo de baja viscosidad y densidad que no tiene un volumen definido, pero se expande completamente para llenar el recipiente que lo contiene. Generalmente es una mezcla de hidrocarburos gaseosos y no hidrocarburos, esta formado por los componentes mas volátiles de la serie parafínica de hidrocarburos (𝐶𝑛𝐻 2 𝑛+ 2 ), desde el metano (C𝐻 4 o 𝐶 1 ) hasta el heptano y componentes mas pesados (𝐶 7 𝐶𝐻 16

𝑜 𝐶 7

). En cuanto a los no hidrocarburos, tambien conocidos como impurezas, incluyen el dióxido de carbono ( 𝐶𝑂 2 ), 𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑙𝑓𝑢𝑟𝑜 𝑑𝑒 ℎ𝑖𝑑𝑟ó𝑔𝑒𝑛𝑜 𝐻 2 𝑆 , 𝑒𝑙 𝑛𝑖𝑡𝑟ó𝑔𝑒𝑛𝑜 (𝑁 2 ), 𝑒𝑙 ℎ𝑒𝑙𝑖𝑜 (𝐻𝑒), el vapor de agua y otros.

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En vista de que el gas natural existe en todos los yacimientos de hidrocarburos, es muy importante conocer sus propiedades físicas y químicas, las cuales están relacionadas con las variables mas importantes de los yacimientos: la presión, el volumen y la temperatura. Estas propiedades se verán a continuación: 4.3.1 Componentes del gas natural y sus ecuaciones

(cont. componentes del gas natural y sus ecuaciones Las siguientes tablas muestra algunas propiedades de los componentes del gas natural

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(cont. componentes del gas natural y sus ecuaciones) La ecuación de estado de los gases ideales expresa la relación entre la presión P, el volumen V y la temperatura T para una cantidad de moles n, de gas. Esta relación para gases perfectos se denomina ley de los gases ideales y se expresa matemáticamente por: P𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 Donde: P es la presión en psia; V el volumen en 𝑝𝑖𝑒𝑠 3 , T la temperatura absoluta en ºR, n el numero de moles de gas en lb-mol; R la constante universal de los gases, la cual para estas unidades tiene el valor de 10 , 73 psia- pie 3 /lb-mol-R.

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4.3.2 Peso Molecular Aparente Ejemplo: determinar el peso molecular aparente a partir de la siguiente composición e información Una de las principales propiedades del gas, que frecuentemente interesa a los ingenieros, es el peso molecular aparente de una mezcla de gases. Si 𝑦𝑖 representa la fracción molar del componente i en una mezcla de gases, el peso molecular aparente se define matemáticamente por la siguiente ecuación: 𝑀𝑎 = ෍ 𝑖= 1

donde 𝑀𝑎 es el peso molecular aparente de la mezcla de gases 𝑦𝑖 , la fracción molar del componente i en la mezcla de gas; y 𝑀𝑖 el peso molecular del componente i en la mezcla.

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4.3.3 Densidad del gas Considerando que 𝑛 = 𝑚 𝑀 , y combinando ecuaciones, se tendrá que la densidad del gas: ρ𝑔 =

ρ𝑔, densidad en lb/pie 3 , 𝑀𝑎 es el peso molecular aparente del gas. Ejemplo: Para el gas de la composición anterior, calcular su desidad a las siguientes condiciones de reservorio: Presión del reservorio=3000 Psia y Temperatura = 180 ºF. Solución: Con el peso molecular aparente 𝑀𝑎, obtenido anteriormente a partir de la composición del gas: Se calcula la densidad del gas: ρ𝑔 = 𝑃𝑀𝑎 𝑅𝑇

3000 (𝑃𝑠𝑖𝑎)∗ 19 , 15 ( 𝑙𝑏 𝑙𝑏−𝑚𝑜𝑙 ) 10 , 73 ( 𝑝𝑠𝑖𝑎−𝑝 𝑙𝑏−𝑚𝑜𝑙−°𝑅

57450 𝑃𝑠𝑖𝑎−𝑙𝑏 𝑙𝑏−𝑚𝑜𝑙 6867 , 2 𝑃𝑠𝑖𝑎−𝑝 𝑙𝑏−𝑚𝑜𝑙 ρ𝑔 = 8 , 37 𝑙𝑏/𝑝

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4.3.4 Gravedad especifica Es la relación entre la densidad del gas y la del aire a las mismas condiciones de presión y temperatura, comúnmente a condiciones normales. 𝑔 = ρ𝑔 ρ𝑎𝑖𝑟𝑒 También se puede expresar como la relación entre el peso molecular aparente de la mezcla de gas con el peso molecular del aire: 𝑔 = 𝑀𝑎 𝑀𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑀𝑎 28 , 96 Donde: 𝑔 es la gravedad especifica del gas; ρ𝑎𝑖𝑟𝑒 la densidad del aire, 𝑀𝑎𝑖𝑟𝑒, 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 ( 28 , 96 ); 𝑀𝑎 el peso molecular aparente del gas. Ejemplo. A partir del Ma obtenido en el anterior ejemplo, determinar la gravedad especifica de dicho gas. Solucion: Obtenido el Peso molecular en el ejemplo anterior. Ma= 19 , 15 ; se tendrá: 𝑔 = 𝑀𝑎 𝑀𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑀𝑎 28 , 96

19 , 15 28 , 96