sólidos suspendidos en el agua inyectada reservorio

7/16/2019 Sólidos suspendidos en el agua inyectada Reservorio

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Estudios y Servicios Petroleros S.R.L.

NOTA TECNICA Nº 13

Hoja 1 de 9

SÓLIDOS SUSPENDIDOS EN EL AGUA INYECTADA

PARTE 1: INORGÁNICOS, SU RELACIÓN CON EL RESERVORIO

Existen dos mecanismos de daño potencial asociados con los procesos de inyección de

agua.

a) El daño mecánicamente inducido por inyección de sólidos inorgánicos.

b) El daño “petrofísico” por inyección de petróleo suspendido.

En esta primera parte revisaremos el tema de monitoreo, especificación y control de lossólidos inorgánicos. Reservamos la segunda parte para el petróleo suspendido, por cuanto en

su tratamiento existen fenómenos “petrofísicos“ extras, tales como los de mojabilidad,

permeabilidad relativa y coalescencia. (Nota Técnica N° 35)

El contenido de sólidos suspendidos (TSS en ingles SES en español) del agua de

inyección constituye un parámetro dentro del conjunto de especificaciones para la misma (ver

nuestra nota técnica Nº 5).

Como veremos a lo largo de esta nota un estándar de SES debería utilizarse solo como

guía general y sus valores como orientativos más que como un criterio definitivo de calidadpara un proyecto en particular.

Usualmente, las especificaciones se refieren a la medición de los SES mediantemembranas filtrantes, esta técnica data de los años ’50 y esta aun vigente actualmente por su

simplicidad y uniformidad a fines comparativos. En otras industrias y en tratamientos de agua

de mar se emplea la turbidez por su simplicidad especialmente para controlar calidad de agua

de salida de planta. El análisis de partículas, que veremos mas adelante, se emplea como

herramienta de control de calidad de agua inyectada en la actualidad.

En esta nota tratamos la cuestión del contenido de los SES que denominaremos sólidosinorgánicos suspendidos (SIS); y su relación con el daño mecánicamente inducidos mediante

los datos petrofísicos del reservorio para lograr más ajustadas especificaciones.

TEORIA DE LA FILTRACIÓN



Estudios y Servicios Petroleros S.R.L.NOTA TECNICA Nº 13Hoja 2 de 9

La filtración es una operación por la cual se separan los sólidos finamente divididos de

los fluidos en cuyo seno están suspendidos, utilizando una superficie (o un volumen)permeable a los fluidos.

En una visión simple, podría considerarse que el material filtrante actúa como un tamizreteniendo entre sus mallas a las partículas transportadas. Sin embargo, esto no es así, es

posible obtener filtrados limpios empleando medios filtrantes cuya “luz de mallas “ sea mayor

que el diámetro de las partículas a filtrar.

Así como en un tamiz los polvos muy finos se adhieren a las mallas por energía

superficial restringiendo la capacidad de tamizado, en el medio filtrante los poros se bloqueancon los SIS pudiendo resultar la filtración controlada: por los sólidos acumulados en la cara

filtrante (superficie) o en la profundidad del lecho además de por el material filtrante.

Un medio filtrante debe retener los SIS sin que la deposición de estos en el mismo cierreen paso del líquido, para ello, los SIS deben formar puentes sobre los poros del material

filtrante.

El primer filtro puesto en servicio (1937) para tratar aguas de inyección fue de presión y

contuvo un lecho graduado de antracita como medio filtrante.

FLUJO DE PARTÍCULAS EN LECHOS FILTRANTES

El estudio de los mecanismos de flujos de suspensiones en medios porosos muestra quees posible definir dos tipos de filtración profunda:

a) Filtración profunda mecánica para partículas mayores a 30 micrones (retención enconstricciones por fuerzas de fricción).

b) Filtración profunda fisicoquímica (retención en sitios superficiales por fuerzas de Van derWaals) para partículas entre 3 y 30 micrones.

Los materiales que predominan en los SIS son los “liberados“ por la formaciónproductiva y en menor proporción incrustaciones incipientes y productos de corrosión.

Los sólidos de formación más fáciles de ser transportados tienen un tamaño menor a 4micrones (arcillas) y entre 4 y 63 micrones (limos), aún cuando a los separadores primarios o

F.W.K.O. llegan arenas (partículas mayores a 63 micrones) que decantan y difícilmente son

transportadas por el agua.

Aunque podría suponerse que existe una gran similitud entre la filtración por lecho

filtrante y roca reservorio, ello no alcanza para estudiar el comportamiento de la rocareservorio frente al agua conteniendo SIS con la teoría de la filtración.




Los primeros filtros utilizados para tratar agua de inyección fueron los empleados para

agua potable, sin embargo debe tenerse en cuenta que en la potabilización de aguas existe unaoperación que no es frecuente en inyección de agua: la floculación. Cuando los sólidos se

floculan, el filtrado es menos exigido y solo “pule” la calidad del agua entregada.

Así como limos y arcillas interactúan con los floculantes a nivel electroquímico lo hacencon el medio poroso en el mismo nivel.

Cuando fluyen en un medio poroso, las partículas son puestas en contacto con posiblessitios de retención (gargantas porales), retenidas (obstrucción de caminos porales) o

transportadas mas allá de la cara filtrante (el wellbore).

El problema a ser resuelto, consiste en relacionar la velocidad de taponamiento y el

número de partículas retenidas por unidad de volumen del medio poroso mediante el

conocimiento de:

- El fluido de transporte (caudal, viscosidad, densidad).

- El medio filtrante poroso (porosidad, diámetro de poro, permeabilidad).

- La concentración, el tamaño y la forma del material particulado.

EL MEDIO POROSO

Un reservorio es la suma de la roca “reservorio” y el fluido contenido en sus espacios

vacíos. Veamos las tres propiedades petrofísicas más importantes:

Porosidad: Define la capacidad de almacenaje de la roca reservorio. El concepto deporosidad fue presentado por Carll en 1877. Demostró que una arena podía retener de 7 a 20

% del volumen de la roca en líquido o gas. Sus conclusiones descartaron la idea que se tenía

en aquel entonces sobre la existencia de lagos y corrientes subterráneas de petróleo. Laporosidad se expresa en % y es la razón entre el volumen de espacios vacíos (poros) y el

volumen total de la roca.

El espacio poral esta dividido en:

- Espacio poral efectivo. - Espacio poral aislado.

La porosidad efectiva es la fracción cuyos espacios vacíos están interconectados y es la

única que tiene conductividad para los fluidos (permeabilidad).




Permeabilidad: Darcy (1852) trabajando con lechos de arena filtrante de agua,

demostró que la cantidad de agua que fluye en un tiempo dado, depende del espesor delcuerpo de arena, de la diferencia de presión entre entrada y salida del lecho y de una constante

del lecho que denomino permeabilidad.

La unidad de permeabilidad es el Darcy aunque en reservorios se usa el miliDarcy (0,001

Darcy). Dado que los poros, en la mayoría de los casos son de tamaño capilar, su

comportamiento esta gobernado por las leyes de acción capilar.

Los poros son capilares en distribución tortuosa (no lineal). También los filtros de lechos

sólidos presentan distribución tortuosa aunque no capilares.

Presión capilar: Un fluido puede mojar el espacio poral en diferentes proporciones. Enreservorios de agua – petróleo el agua moja la roca; en reservorios de petróleo – gas el

petróleo moja la roca. La mojabilidad no solo depende de la roca sino también del tipo delíquido (y su composición).

Los poros interconectados o no, pueden ser inundados por un liquido o presión; cuandomas pequeño el poro, mayor presión se requiere.

La expresión de la presión necesaria es:

Pc = 2 . αααα . cos θθθθ rt = 2 . αααα . cos θθθθ rt Pc

Donde:

rt = radio del capilar (poral). θθθθ = ángulo de contacto.

αααα = tensión superficial del liquido. Pc = presión capilar

Obsérvese que cuanto más pequeña sea rt, mayor será la presión necesaria parainvadirlo.

El método más sencillo para determinar la distribución de radios porales es el de

inyección de mercurio.

Drake y Ritter (1945) desarrollaron el método para catalizadores y Purcell (1949) lo

empleo en rocas reservorio. La muestra se coloca en una celda, se evacua (para vaciar de aire

los poros) y se fuerza mercurio dentro de los mismos.




Usando mercurio, θθθθ = 140 º y αααα = 480 dyn / cm, según la ecuación se logran invadir

poros hasta 107 ángstrom cuando se llega a una presión de inyección de 10.000 psi. El límitealcanzado es el de los llamados macroporos.

El ensayo de presión capilar genera un histograma de % porcentaje de volumen poral vs.radio de poro equivalente.

Veremos su aplicación sobre el final de esta nota.

“ MILLIPORE“ VS. ROCA RESERVORIO

El control de los SIS se hace usualmente con filtros de membrana o malla, estos retienenpartículas sobre una superficie y en cierto sentido obran como tamices. La estructura de un

filtro de malla tiene un tamaño de poro precisamente controlado en su fabricación, esto poneun límite a las partículas más grandes que pasan a su través, por ejemplo, una membrana de 5

micrones retiene todos los SIS de tamaño mayor a 5 (como un tamiz).

Las membranas son filtros de superficie, su falta de capacidad para filtrar en profundidad

limita su capacidad como elemento filtrante, es por ello que se colmata (tapa) con rapidez.

Millipore (U.S.A.) es una marca comercial y no identifica más que a la marca. Gelman(U.S.A.) y Sartorius (Alemania) son otras marcas. Los filtros de membranas se fabrican de

ésteres de celulosa y de otros superpolimeros (nylon, teflón, etc.).

Por su estructura y calidad se diferencian de otros materiales filtrantes (tejidos, fibras,

sinterizados). El filtro tiene una estructura de aspecto esponjoso con poros interconectados

sobre1cm2

de superficie filtrante hay 107

a 1011

poros conectados.

Los filtros de membrana se comportan como un tamiz de mallas espesas y multicapas,

tienen una porosidad de 80 % aproximadamente.

En la filtración con membrana se entrampan los contaminantes mayores que el tamaño

poral del tope en la superficie de la membrana, los menores al tamaño de poro, pueden pasar a

través de la membrana o bien ser capturados dentro de la misma por fuerza de Van der Waals.

Algunos materiales basan su eficiencia en la filtración profunda (entrampamiento en la

matriz), tales son los de fibra de vidrio. Es posible entonces, encontrar dos tipos de membrana:




DE FILTRACI N PROFUNDA DE FILTRACIÓN SUPERFICIAL

VENTAJAS : Remueve variados tamaños

De partículas.

Posibilidad de tamaño de

Poro absoluto.

DESVENTAJAS :Tienen tamaño nominal

no absoluto de poro.Operan a menor caudal

que los de F.P.

El catálogo Gelman (1998) ofrece 26 tipos de membranas con combinación demateriales, tipo de filtración y tamaño poral.

Doscher y Weber (1957) fueron los primeros en utilizar membranas para determinarcalidad de agua de inyección. Veamos las principales diferencias entre las membranas y la

roca reservorio.

MEMBRANAS ROCA RESERVORIO

- Disponibles entre 0,005 y 5 micrones detamaño poral.

- Superficie plana (150 micrones de espesor).

- Porosidad 80 % – 90 %.

- Permeabilidad 14 mD (0,45 micrones y 47 mm

diámetro). (En dos dimensiones).

- Tamaño de poros variables con regionesde predominancia (modas).

- Superficie y volumen tortuosos.

- Porosidad 5 % - 25 %.

- Permeabilidad desde 0,1 mD (hasta 1000

mD). (En tres dimensiones).

Como puede verse, es una simplificación asumir que membranas y rocas pueden ser

equivalentes. El uso de membranas es útil para:

- Medir variaciones de calidad de agua.

- Controlar apartamientos de especificaciones.

- Con reservas seleccionar filtros.




Para especificar calidad de agua, el ensayo de membranas debe, por lo menos, asociarse

con parámetros petrofísicos de roca.

SIS: CANTIDAD Y CALIDAD

Aunque las formaciones producen sólidos de tamaños que van de arenas (63 a 2000

micrones) hasta arcilla (menor a 2 micrones), los materiales de formación capaces de sertransportados grandes distancias por el agua son predominantemente limos (2 a 63 micrones) y

arcillas (menor a 2 micrones).

Esto se debe a dos razones:

1) Existen muchas unidades de interferencia entre el pozo productor y el sistema inyector que

facilitan la separación de los sólidos gruesos.

2) El agua tiene menor capacidad de transporte que el petróleo (menor viscosidad) para los

sólidos.

Los SIS no son solamente material de formación usualmente están acompañados porproductos de corrosión e incrustaciones con tamaño variable pero difícilmente exceden el de

una arena mediana (80 micrones).

Las diferencias de densidad entre sólidos: también atenta contra la facilidad de transporte deesos materiales por parte del agua

arena = 2, 65 calcita = 2, 72

siderita = 3, 8 barita = 4, 5

magnetita = 5, 18

En la especificación de calidad de agua de inyección sea a pozo inyector para

recuperación secundaria o a sumidero (a disposición final), interesa no solo la cantidad de SISexpresada en mg / lt. sino también la forma con la que los sólidos están distribuidos en el total.

No nos referimos a la morfología de los sólidos sino a la abundancia de cada tamaño de

partículas en la muestra.

En 1953 W. Coulter introdujo en la industria el primer modelo de analizador de

partículas basado en el principio de cambio de impedancia eléctrica por interferencia departículas. El analizador Coulter comenzó a utilizarse en la industria en la década del ’70

(para el control del agua mar en yacimientos de mar del norte) y en el país en los ’80. Existen

también otros equipos de análisis de tamaño de partículas (de interferencia óptica, de pesada yde interferencia por rayos x).




Cada equipo difiere en la información que presenta, por ejemplo, el Coulter informa

cantidad de partículas para cada tamaño entre 3 y 60 micrones(usualmente), micrón a micrón.

El análisis de tamaño de partículas se emplea actualmente:

- Para controlar la calidad del agua de inyección.

- Para verificar cumplimiento de especificaciones.

- Para evaluar y seleccionar filtros.

- Para diseñar instalaciones de tratamiento de agua de purga (remoción de sólidos y

petróleo).

- Para especificar calidad de aguas de inyección.

PARTICULAS Y ROCAS: Como especificar aguas de inyección.

El medio poroso en el cual se ha de inyectar el agua y en particular su distribución deradio poral se vinculan con los SIS entre sí.

La vinculación es particularmente usada en la etapa de especificación de calidad de aguaa inyectar y veremos como se opera.

Con la invasión de un fluido con SIS a la formación, la roca actúa como un filtro

reteniendo las partículas en su espacio poroso (gargantas) o bien acumulándose externamentecuando las partículas no pueden penetrar. Si los SIS presentan una amplia distribución de

tamaño ambos mecanismos pueden suceder simultáneamente. Según el tamaño de las

partículas pueden suceder dos tipos de daños:

a) Reversible: Se acumulan en la cara las partículas con diámetro mayores que el

diámetro de garganta poral. Un back – flow (contra flujo) si el pozo lo permite

remueve los SIS.

b) Irreversible: Partículas menores o aproximadamente iguales al diámetro de

gargantas porales obstruyen poros o gargantas reduciendo la permeabilidad de laformación. La presión del reservorio puede no ser suficiente para restaurar la

permeabilidad.

La estimulación es la alternativa para restaurar el daño irreversible.

Con la finalidad de comparar el tamaño de partículas en el agua se plotea en un mismográfico con la distribución de tamaño porcentual de gargantas porales.




Se seleccionan las áreas posibles de daño (reversible o irreversible) en que sea más

conveniente operar según el pozo. También se puede especificar el filtro o el grado defiltración necesario.

Por muchos años, la “regla del arte 1/3” se ha usado para relacionar el tamaño departículas que pueden invadir “seguramente” una formación sin generar daño permanente.

Esta regla implica que si el diámetro promedio de la partícula que invade es menor que1/3 del diámetro promedio poral pueden ser mantenidos caudales de inyección razonables.

En muchas aplicaciones prácticas otras regla del arte (Barkman, Davidson, Abrams)asocian SIS y tamaño de poros:

1) Partículas mayores que 1/3 del diámetro poral forman una torta externa.

2) Partículas menores que 1/3 pero mayores que 1/7 del diámetro poral quedan

entrampadas en el medio y forman tortas internas.

3) Partículas menores que 1/7 del diámetro poral no causan daño de formación

porque son transportadas a través de la formación.

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