INTRODUCCIÓN
Las espumas son acumulaciones de burbuja de gas separadas unas de otras por películas gruesas de líquidos, con la propiedad de tener una viscosidad mayor que la del gas o líquido que la componen. La inyecc inyecció ión n de espu espuma ma cons consist iste e en inyect inyectar ar aire, aire, agua agua y un agen agente te químico que la estabiliza, y se realiza a una razón de movilidad menor que la inyección de gas o líquido solos. La calidad de la espuma se define como la razón entre el volumen de gas contenido y el volumen total de la espuma. Es altamente eficiente ya que las espumas se ubican primero en los poros más grandes, donde tienden a obstruir el flujo, los poros pequeños son invadidos luego, mientras que las secciones más permeables se van llenando de espuma y la eficiencia del barrido vertical se mejora. La inyección de gas puede ser usada como mtodo de recobro mejorado en yacimie yacimientos ntos de crudo crudo volátile volátiles s ya que puede puede arrastr arrastrar ar los compone componentes ntes más livianos contenidos en l. !in embargo, "ay un problema problema ya que en las formaciones formaciones contenedoras contenedoras de "idrocarburo e#isten "eterogeneidades por presencia de fracturas o por zonas de alta condición de saturación de fluido móvil y ofrecen una mayor movilidad a travs de estas, entonces por tendencia natural los fluidos prefieren las trayectorias que ofrezc ofrezcan an menor menor resist resisten encia cia al flujo flujo de ellos ellos a trav travs s del del medio medio poros poroso, o, este este fenómeno es denominado como canalización. $omo solución a este problema se "a implementado el uso de espumas, algunos estudios estudios "an buscado entender entender el comportamiento comportamiento del flujo de la espuma y su aplicación en los procesos de flujo de gas. La espuma es eficiente para desviar el flujo de gas de una muestra de roca de alta permeabilidad, permeabilidad, en la cual se "a formado espuma in situ, esta muestra está conectada el flujo paralelo con una muestra de baja permeabilidad, entonces la espuma actua como un fluido divergente divergente permitiendo que el gas se canalice "acia otras zonas donde no penetraba por efecto del flujo preferencial.
INYECCIÓN DE ESPUMAS %na espuma es una mezcla entre un gas y un líquido o sólido en donde la fase dispersa es el gas, separando las burbujas de gas por una pequeña película de líquido o sólido denominada lamela. La porción gaseosa de la espuma es regularmente $&', (', gas natural, aire o vapor. La porción líquida es agua con surfactantes, los cuales debido a sus características espumantes ayudan a la formación de espuma y su estabilidad. En el caso de un sólido, e#isten espumas de poliuretano empleadas en la industria de la construcción, en este tema se entenderá espuma como la formada por una mezcla de un gas y un líquido, en la que la parte funicular o continua es el líquido. !e "a evaluado evaluado como un agente de recuperación mejorada desde )*+. Es un fluido complejo no-netoniano con propiedades y características muy variables. variables. La /igura )01 esquematiza una espuma señalando el borde de 2lateau 3o bord borde e de mese meseta tas4 s4 entr entre e las las burb burbuj ujas as de gas, gas, que que es la zona zona dond donde e se encuentra la mayor cantidad de líquido, se observa la lamela y los surfactantes asociados a la superficie del líquido por dentro de la burbuja.
En el esquema en vista superior de una espuma que muestra el borde de plateau y surfactantes estabilizando la lamela. Los requerimientos para generación de una espuma son5 •
6gitación o burbujeo burbujeo de la fase gaseosa en el líquido Energía Energía mecánica: mecánica: 6gitación para favorecer su formación.
•
Agente espumante: !e trata de surfactantes que se ubican en la superficie de contacto dentro de la lamela para dar estabilidad a la espuma.
•
e!"c e!"ci#a i#a# # #e $"rmac $"rmaci%n i%n:: La velocidad de formación debe ser tal, que supe supere re el colap colapso so de las las burbu burbujas jas pree# pree#ist isten entes tes para para que que su volum volumen en aumente y cumplir los requerimientos.
INYECCIÓN DE ESPUMAS %na espuma es una mezcla entre un gas y un líquido o sólido en donde la fase dispersa es el gas, separando las burbujas de gas por una pequeña película de líquido o sólido denominada lamela. La porción gaseosa de la espuma es regularmente $&', (', gas natural, aire o vapor. La porción líquida es agua con surfactantes, los cuales debido a sus características espumantes ayudan a la formación de espuma y su estabilidad. En el caso de un sólido, e#isten espumas de poliuretano empleadas en la industria de la construcción, en este tema se entenderá espuma como la formada por una mezcla de un gas y un líquido, en la que la parte funicular o continua es el líquido. !e "a evaluado evaluado como un agente de recuperación mejorada desde )*+. Es un fluido complejo no-netoniano con propiedades y características muy variables. variables. La /igura )01 esquematiza una espuma señalando el borde de 2lateau 3o bord borde e de mese meseta tas4 s4 entr entre e las las burb burbuj ujas as de gas, gas, que que es la zona zona dond donde e se encuentra la mayor cantidad de líquido, se observa la lamela y los surfactantes asociados a la superficie del líquido por dentro de la burbuja.
En el esquema en vista superior de una espuma que muestra el borde de plateau y surfactantes estabilizando la lamela. Los requerimientos para generación de una espuma son5 •
6gitación o burbujeo burbujeo de la fase gaseosa en el líquido Energía Energía mecánica: mecánica: 6gitación para favorecer su formación.
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Agente espumante: !e trata de surfactantes que se ubican en la superficie de contacto dentro de la lamela para dar estabilidad a la espuma.
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e!"c e!"ci#a i#a# # #e $"rmac $"rmaci%n i%n:: La velocidad de formación debe ser tal, que supe supere re el colap colapso so de las las burbu burbujas jas pree# pree#ist isten entes tes para para que que su volum volumen en aumente y cumplir los requerimientos.
La inyec inyecció ción n simul simultán tánea ea de los los punto puntos s menci menciona onado dos s gene genera ra espu espuma ma in situ, situ, aunque tambin se puede generar de las siguientes maneras5 •
Pre$"rma#a: La espuma se genera en superficie y despus se inyecta.
•
C"&in'ecci%n: El líquido y el gas se mezclan en superficie, pero la espuma se genera en la formación, es decir, con un efecto de generación retardado.
•
Espuma Espuma (ac)ea#a (ac)ea#a *SA+,: *SA+,: La espuma es generada al inyectar bac"es de surfa surfacta ctante nte y gas, gas, se emplea emplea para para zona zonas s más alejada alejadas s del del punt punto o de inyección.
!e puede generar espuma de dos formas5
7nyección de agua con surfactantes del tipo espumante. 7nyección de gas con surfactantes del tipo espumante.
La presencia de aceite in"ibe la formación de espuma, y es entonces no efectiva para para movi movili liza zarr acei aceite te resi residu dual al.. En los los bord bordes es de 2lat 2latea eau u se pued pueden en tene tener r pequeñas cantidades de aceite, esto afecta a la estabilidad de la espuma, ya que al tener una densidad mayor el borde de 2lateau, se asentará el fluido a travs de estos y ocurrirá una succión capilar en las lamelas, lo cual mermará la estabilidad de la espuma y se volverá frágil, acortando su periodo de vida. 8ambin la concentración de surfactantes en la lamela tiene una gran influencia en la estabilidad de la espuma. 6l encontrarse el agente espumante estabilizador en menor proporción a la ideal para para evitar la coalescencia de la espuma, "abrá lamelas más grandes y frágiles. La figura muestra la presencia de los surfactantes estabilizando la superficie de las lamelas que contactan al gas, e#tendiendo así su tiempo de vida.
!urfa !urfacta ctant ntes es estab estabili ilizan zando do la lamel lamela, a, 3izqu 3izquier ierda da44 catió catiónic nicos, os, 3derec 3derec"a "a44 no-ió no-iónic nicos. os. 9odificada de 3!alager, )**'4
9ecanismos de recuperación
$ontrol de movilidad de gas debido a la viscosidad en la espuma.
!egregación gravitacional.- Evita o disminuye el :gravity override; del gas.
$analización.-
$onificación.-
$ontrol de =>6.- Es resultado de controlar la movilidad del gas.
=educción de la ?rg , Evitar que el gas se deslice a travs del aceite.
2ropiedades interfaciales.- 6l usar surfactante, puede modificar el ángulo de contacto.
Las espumas se definen como una aglomeración de burbujas de gas separadas por una pequeña película de líquido llamada lamela. $on base en lo anterior, se constituyen por dos elementos@ líquido 3agua y surfactante4 y gas, en donde el surfactante ayuda a la formación y estabilidad de la espuma en el medio poroso. La formación de la espuma entrampa al gas y modifica su comportamiento reológico a travs de la viscosidad aparente. $uando la espuma se inyecta en forma de bac"es, su comportamiento es de taponamiento, lo cual no permite que el fluido inyectado detrás de sta fluya rápido, provocando así una disminución en la relación de movilidad entre el fluido desplazante y el desplazado. En lo que concierne a las espumas, stas se pueden inyectar o formarse en sitio. Están formadas por gas y una solución de surfactante 3agua-surfactante4. !e clasifican como un 2roceso Auímico@ ya que el surfactante proporciona estabilidad a la espuma y despus de la destrucción de sta queda libre, ocasionando una modificación más directa al sistema roca- fluido como la mojabilidad o la disminución de la tensión interfacial entre los fluidos 3agua- aceite4 proporcionando mayor movilidad al aceite. 6unque la mayoría de las investigaciones contemplan a la espuma como un mtodo químico por la acción del surfactante, tambin pueden considerarse como un proceso de mejoramiento de la eficiencia de barrido o control de la movilidad durante la inyección de vapor, bió#ido de carbono, gas inerte 3nitrógeno4, aunque tambin puede incluirse en la lista al gas "idrocarburo.
CARACTER-STICAS DE .A ESPUMA La clula unitaria de la espuma es una burbuja, esta puede estar en la superficie o en el seno del líquido, la ubicación y la forma de burbuja permite clasificar la espuma como esfrica o polidrica. En la espuma esfrica, las burbujas están en el interior del líquido, donde las presiones e#ternas o internas son las mismas, por lo que el sistema está en equilibrio. Las espumas polidricas pueden ser considerado como el resultado del resbalamiento del líquido a travs de la espuma esfrica, estas espumas están formadas por clulas de gas separadas una de las otras por finas laminas liquidas.
TE/TURA Es el tamaño promedio de las burbujas que constituyen la espuma, la te#tura determina como fluirá la espuma en medio permeable5 si sta es muc"o menor que el diámetro poral, la espuma fluye como burbujas dispersas en los canales de los poros@ si la te#tura es mayor que el diámetro del poro, fluye como una progresión de láminas que separan burbujas individuales de gas.
RAN+O DE. TAMA0O DE .AS 1UR1U2AS 2uede ser considerado como un parámetro para calificar la estabilidad de las espumas. !i el rango de distribución del tamaño de las burbujas es muy amplio, es muy probable que la espuma sea inestable.
ESTA1I.IDAD O PERSISTENCIA DE .AS ESPUMAS
8ambin llamada durabilidad, la estabilidad de las espumas puede ser entendida al ver una película de líquido separando burbujas de gas.
AP.ICACIONES DE .A ESPUMA EN .A INDUSTRIA PETRO.ERA El uso de la espuma en la 7ndustria 2etrolera, "a sido un elemento esencial para nuevas innovaciones, desde ser un agente para apagar incendios, "asta ser un fluido de recuperación de "idrocarburos usado en procesos de E&= en el control de movilidad del gas inyectado. !u uso se "a "ec"o indispensable en la perforación por sus propiedades reológicas o en estimulaciones matriciales usado para desviar el ácido a zonas de menor permeabilidad y como fluido fracturante por su capacidad de transportar al agente apuntalante. La espuma, semejante a los procesos de E&=, se utiliza en remediaciones de acuíferos para incrementar el barrido del agente contaminante.
ESPUMAS EN PROCESOS DE EOR El uso de las espumas para incrementar la recuperación de "idrocarburo incluye el control de movilidad del gas, así como taponar o controlar la producción de gas en pozos productores. Es más comBn que la espuma se utilice para controlar la movilidad en zonas con flujo de gas.
$ontrol de la producción de gas mediante espumas 3Cari, '+4.
La figura anterior muestra la forma en que la espuma bloquea el casquete de gas, controlando así la =elación >as-6ceite 3=>64. $uando se inicia la producción de aceite en un yacimiento se puede originar o en su defecto estar presente un casquete de gas, que al trascurrir el tiempo el contacto gas-aceite descenderá "acia la zona de los disparos y el gas se conificará, de esta forma el
pozo empieza a producir mayor cantidad de gas, por lo tanto, su =>6 incrementa drásticamente. %na de las formas para reducir el flujo de gas es colocar espuma alrededor del pozo productor, muc"os de estos mtodos "an sido utilizados en el 9ar del (orte con resultados satisfactorios. La espuma tambin puede usarse para aumentar la eficiencia de barrido en un yacimiento. Debido a que el gas tiene baja densidad, ste tiende a ascender a la cima del yacimiento, por lo que no tiene contacto con zonas ricas en aceite. La disminución de la movilidad del gas mediante la formación de espuma, puede disminuir problemas como la pobre eficiencia de barrido, canalización del gas y segregación gravitacional como se muestra a continuación.
$ontrol de 9ovilidad del >as5 a4 pobre eficiencia de barrido, b4 canalización del gas y c4 segregación gravitacional 3Cari, '+4.
En la actualidad muc"as de las aplicaciones de espumas se "an llevado a cabo en el área del 9ar del (orte y los proyectos "an sido económica y tcnicamente e#itosos. E#isten aBn muc"os problemas con las aplicaciones como la predicción de su comportamiento. %no de los problemas en proyectos de E&= es la estabilidad de la espuma en presencia del aceite, así como el desplazamiento de la espuma, que es otro de los factores críticos en las pruebas de campo.
ASPECTOS 13SICOS DE .AS ESPUMAS DE4INICIÓN DE ESPUMA De$inici%n #e Espuma *en (u!t",5
).
>as disperso en líquido 3espumas, emulsión de gas4
'.
Líquido disperso en gas 3niebla, líquido en aerosol4
F.
>as disperso en sólido 3espumas sólida4
!c"ramm 3)**04 describe a una espuma como una aglomeración de burbujas y la considera como una dispersión coloidal en la que el gas está disperso en una fase continua de surfactante-líquido. $uando una espuma está contenida en un recipiente cuyas dimensiones son muc"o más grandes que una burbuja se dice que la espuma está :en bulto;. Esta definición se utiliza para diferenciar cuando una espuma está en un medio poroso o en un medio libre, ya que su comportamiento y características reológicas cambian cuando está en un medio u otro.
De$inici%n #e Espuma *en Me#i" P"r"s",5
/alls y colaboradores 3)**+4 consideran que la espuma es una dispersión de gas en líquido, de manera tal, que ste Bltimo se encuentra interconectado y el flujo de gas estará bloqueado por :lamelas; 3trmino que caracteriza a la película delgada de líquido que separa a burbujas de gas4.
CA.IDAD El comportamiento físico de la espuma depende de su composición, es decir, de la fracción volumtrica de gas y líquido en la espuma, dic"a característica es conocida como :calidad;. La calidad de la espuma puede ser obtenida mediante la siguiente ecuación5
Donde5 Gg5 volumen de gas GL5 volumen de líquido la má#ima calidad a la cual una espuma puede ser formada es .*+. calidad : es el volumen de gas e#presado en fracción o porcentaje del volumen total de la espuma, las espumas con una calidad igual o mayor a *H , se les considera espumas secas;. Dependiendo de su calidad, una espuma se puede clasificar en :seca; o :"Bmeda;. La espuma seca tiene una calidad mayor a .1@ sta consiste de pequeñas capas que pueden ser idealizadas como una superficie delgada, llamada comBnmente :lamela; 3en ingls se refieren a lamella en forma singular y como lamellae para plural4 que "ace a la fase gaseosa discontinua. 6lgunos autores "an definido que dic"a película de líquido tiene un espesor de )-) nm. Las burbujas están formadas por caras 3lamelas4 en forma de polígonos y cuando una de ellas se une con otra, se forma una línea continua en el cruce de los dos planos la cual recibe el nombre de :
$aracterísticas de una burbuja de gas en una espuma 3Ieaire y Jutzler, )***4.
2ara espumas "Bmedas 3calidad menor a .14 la geometría de la burbuja de gas suele cambiar, por ejemplo, cuando la fracción de líquido aumenta, la forma pasa de un poliedro a una esfera, tal como se muestra en la siguiente figura en donde la fracción de líquido en d4 es mayor que en a4. 7ncremento de la fracción de líquido de a4 a d4 3Ieaire y Jutzler, )***4.
ESPESOR CR-TICO 2ara una lamela en equilibrio con el resto, la presión capilar gobierna el espesor de la lamela a travs de la curva de :presión de ruptura 3disjoining pressure4; 3K4, la cual se define como el efecto combinado de las fuerzas atractivas y repulsivas dentro de la lamela. 2ara altas presiones capilares la lamela adelgaza y alcanza un :espesor crítico; 3"cr4, donde las fuerzas repulsivas rompen la estabilidad, las lamelas colapsan produciendo la unión entre dos burbujas. !e "an encontrado varios elementos que provocan que la lamela colapse "asta un espesor menor que el crítico, tales como5 surfactante, salinidad, el tipo de gas, entre otros. 6 continuación, se muestra un esquema que permite conocer el espesor crítico.
La presión de ruptura fue propuesta por Derjaguin y colaboradores 3)*F+4 y como se puede observar en la /ig.'.F es función del espesor de una lamela 3"4. Galores positivos de K refleja una fuerza repulsiva de la lamela y un valor de K negativo indica una atracción de fuerzas.
PRESIÓN CAPI.AR 2ara las espumas, la presión capilar 32c4 es la diferencia entre la presión de la fase gaseosa y la presión de la fase líquida. Iei an 3'+4 considera la ecuación de oung- Laplace y la función de la presión de ruptura para definir a la presión capilar como5 2c
M 'y$m N 93ℎ4
3'.'4
Donde5 2c5 presión capilar $m5 curvatura de la lamela O5 tensión superficial K5 función de la presión de ruptura "5 espesor de la lamela
La 2c influye en la te#tura de la espuma, por un lado, la creación de lamelas en el medio porosos mediante el mecanismo snap-off 3ver el subtema 77.0.).)4 requiere de bajos valores de 2c, mientras que altos valores de 2c las lamelas llegan a colapsarse. La magnitud de 2c a la cual puede llegar a ocurrir sta Bltima dependerá del tipo de surfactante y concentración, tipo de roca, entre otras variables.
TENSIÓN SUPER4ICIA. La tensión superficial al igual que la presión capilar es de vital importancia en la estabilidad de una espuma, se define como la fuerza ejercida en el límite de contacto entre dos fluidos inmiscibles 3gas-líquido4. La tensión interfacial es causada por la diferencia entre las fuerzas moleculares entre ambos fluidos, provocando así un desequilibrio entre las fuerzas en la interfase, en algunas ocasiones se denota por el símbolo O 3u otras tantas por P4. En la tabla se dan algunos valores de tensión superficial. E#iste una diferencia en la presión del gas en ambos lados de una lamela, que es inversamente proporcional a la curvatura principal de dic"a lamela. 2or ejemplo, cuando se tiene una lamela esfrica con una energía minimizada se llega a que la diferencia de presión e#istente sea definida como5
Donde@ O5 8ensión superficial =5 =adio de la lamela esfrica
REO.O+-A Las espumas :en bulto; se pueden tratar como un medio "omogneo y como un fluido no netoniano 3no e#"iben una relación directa entre la velocidad y el esfuerzo de corte4, en donde la velocidad del gas es semejante a la velocidad del líquido. ¤ algunas complicaciones en la reología de la espuma@ ya que al cambiar la presión cambia su calidad, por lo cual para "acer un modelo reológico completo de la espuma, se deben conocer las siguientes características@ ✓
8amaño de la burbuja.
✓
Distribución del tamaño de la burbuja.
✓
Distribución espacial del tamaño de la burbuja.
9odelo reológico de la espuma.
2ero por desgracia nunca se conocen stos datos, así que debemos "acer pruebas de laboratorio para determinar su comportamiento reológico antes que entre al medio poroso. !e "a encontrado que la espuma tiene esfuerzo de cedencia 32unto de cedencia4, aunque su efecto puede ser opacado por la separación de una película de líquido (etoniano a lo largo de la superficie sólida de un reómetro. El esfuerzo de cedencia surge del incremento del área superficial necesaria para que una burbuja empuje a otra en dirección del flujo. 6lgunos modelos reológicos "an sido desarrollados para caracterizar los diferentes efectos observados en la espuma.
6 3=elación >as-6ceite4, es decir, controlando la conificación del casquete de gas en pozos productores. 8urta y !ing"al 3)**14 consideran que los factores más importantes que se toman en consideración para la aplicación de espumas en proyectos de E&= son5 a4 forma en la que la espuma se desplaza 3inyección de espuma preformada, espuma de co-inyección y espuma !6> o espuma de surfactante alterando gas4. b4 presión del yacimiento.
c4 la permeabilidad del medio poroso.
La primera aplicación publicada de espumas en proyectos de E&=, data de )*1*, pero no fue "asta )**0 cuando tuvo su auge en la aplicación de proyectos avanzados. 8urta y !ing"al 3)**14 revisaron más de 0 publicaciones en proyectos de E&= y tratamientos de pozos productores para desarrollar criterios de escrutinio que nos permitan diseñar y aplicar las espumas de una forma eficiente. la inyección de espumas resuelve los siguientes problemas5 a4 2roblemas de segregación gravitacional al inyectar gas. b4 Rona ladrona en la parte alta de la formación. c4 $analización del gas en fracturas. La segregación gravitacional se presenta cuando se inyecta gas en un yacimiento de espesor considerable y muy permeable, donde los procesos gravitacionales dominan sobre los viscosos o capilares. Esto ocasiona un frente de barrido no vertical, porque por diferencia de densidades, el gas tiende a propagarse en la zona alta de la formación mientras viaja del pozo inyector al productor. Los Bltimos dos problemas son ocasionados por canalización del gas debido a su alta movilidad 3digitación4 y a la presencia de fracturas 3alta permeabilidad4 o fallas en la cementación de la tubería.
2roblemas resueltos con la inyección de espumas. a4 !egregación gravitacional, b4 zona ladrona y c4 canalización en fracturas.
C.ASES DE ESPUMAS 8urta y !ing"al 3)**14 definen tres clases de espumas usadas en los proyectos de E&= de acuerdo a los problemas a resolver5 Espumas de control de movilidad del gas 39$/, por sus siglas en ingls4 Espumas de bloqueo o desvío, &= 3>as &il =atio4 Las espumas se pueden colocar cerca del pozo productor como las espumas >&= o cerca del inyector como las espumas 9$/ y
8ipos de espumas en procesos de E&=. 2rocesos Taponamiento
&bjetivos 8aponar barridas o
capas
✓
invadidas
por gas cerca del pozo inyector.
(ecesida es Espumas taponen
que
selectivamente capas. ✓
Espumas con baja movilidad en la formación.
✓
Espumas estables por un periodo largo de tiempo.
Control Movilidad
de
=educir la movilidad
✓
$ostos bajos de químicos.
del gas a travs de las
✓
regiones barridas por ste.
✓
2ropagación espuma.
✓
rápida selectivo
de con
El proceso más simple es el taponar una zona improductiva cerca o lejos del pozo productor o inyector con volBmenes relativamente bajos de espumas. El proceso de control de movilidad del gas se ocupa con mayor frecuencia, pues es un proceso que es dirigida para toda la formación o gran parte de ella, por lo que se enfatiza en su rápida propagación y en los costos del químico 3surfactante4. Las espumas son usadas en otras operaciones en la 7ndustria 2etrolera@ en la perforación y limpieza del pozo, en el fracturamiento "idráulico de formaciones poco permeables, así como en acidificación matricial.
MODOS DE INYECCIÓN En las aplicaciones de campo, a diferencia de los estudios de laboratorio, e#isten más formas en las que la espuma es desplazada. La manera en que la espuma es inyectada está fuertemente ligada a su formación, por lo que se utilizarán como sinónimos. La interpretación de los cambios de presión o movilidad de la espuma, en diferentes secciones del medio poroso es crítica para entender el mecanismo de formación. E#isten tres tipos de espumas de acuerdo al sitio en el que se genera5
Espuma 2reformada Espuma de co-inyección Espumas !6> 3!urfactant-6ternating->as4
La selección de la forma en que la espuma será generada, está en función del problema a resolver, la lejanía del objetivo, tipo del gas utilizado y de la infraestructura disponible, entre otros. 2or ejemplo, la infraestructura superficial mínima que se requiere en un proyecto de inyección de espumas es mostrada en la siguiente figura.
Equipo
superficial para la inyección de espumas 3basado de Iong y colaboradores, )**4.
La configuración superficial se compone principalmente por tres fuentes@ agua, surfactante y gas, y por dos ramales@ flujo de líquido 3mezcla de agua y surfactante4 y un flujo de gas 3$&', (', vapor o gas "idrocarburo4. El agua utilizada podría ser preferentemente salmuera, ya que ayuda a la formación de la espuma debido a sus iones libres que permiten interactuar con el surfactante. La selección del surfactante es presentado posteriormente en este capítulo y la fuente de gas puede ser ocupada de la infraestructura ya disponible en el lugar donde se efectuará la inyección de espuma, por ejemplo, ramales de (' para <( 3
ESPUMAS PRE4ORMADAS Este tipo de espuma es generada fuera del medio poroso, es decir, antes que entre en contacto con la formación. Esta espuma puede ser formada en alguna de las siguientes configuraciones5
• •
En superficie usando un generador, antes de entrar al pozo. $uando el flujo baja a travs de la tubería de producción o en dado caso por el espacio anular.
•
En la zona de los disparos, justo antes de entrar a la formación. 8ambin se le conoce como 2>/ 3perforations generated foam4.
6l utilizar la forma 2>/ es necesario dos tuberías que lleven los flujos al fondo o en su caso, utilizar el espacio anular para trasportar alguno de ellos.
7nyección de espuma formada en superficie mediante un generador artificial.
La figura anterior muestra una de las configuraciones en la formación de espumas preformadas, en donde el generador artificial se encuentra en superficie y las dos configuraciones restantes se diferencian en la posición de dic"o generador. 6l encontrarse el generador en superficie podemos tener control directo de los gastos, la presión y de las propiedades reológicas de la espuma formada. Las espumas preformadas desarrollan un alto /=9 3/actor de =educción de 9ovilidad4 tan pronto como entre en contacto con el medio poroso, es decir, se utilizan para objetivos cercanos al pozo inyector. !u alto /=9 ocasiona de igual forma que el gradiente de presión crezca considerablemente al momento de la inyección, por lo que la presión de inyección requerida es alta. En pruebas de laboratorio, se "a encontrado un incremento considerable de la presión cerca del punto de inyección y en las partes más alejadas no se presenta dic"o efecto. 7rani y !olomon 3)*1+4 atribuyen el incremento de presión a una formación e#cesiva de lamelas en la zona cercana al punto de inyección de espuma. 6demás, las espumas pregeneradas pueden ser inyectadas para apoyar a espumas de co-inyección si se duda de la formación de espuma en el medio poroso o en espumas !6> si se cree que los bac"es de gas y de líquido entran a regiones diferentes.
ESPUMAS DE CO&INYECCIÓN
7nyección de espuma mediante el proceso de co-inyección.
Es formada in situ 3en sitio4, cerca del inyector, mediante la inyección simultánea de líquido 3solución de surfactante4 y gas. Durante este proceso el surfactante puede ser inyectado de forma independiente o junto con el agua. Los flujos de líquido y gas pueden ser llevados al fondo del pozo en tuberías diferentes. 6unque este tipo de espumas bloquea el medio poroso completamente igual que las espumas preformadas, su /=9 no es tan alto en la región de entrada al medio poroso@ ya que la generación a gran escala de la espuma se presenta a una distancia alejada de la cara de la formación.
ESPUMAS SA+ Este tipo de espuma es generada mediante la inyección alternada de la solución surfactante y gas. La formación de espuma mediante el mtodo !6> se presenta en el yacimiento durante el drene de la solución surfactante mediante gas, por lo que en algunas ocasiones tambin es llamada :Espuma de Drene;. La /ig.0.+ muestra un esquema básico de la inyección alternada de la solución de surfactante y del gas para formar espuma en sitio.
Las espumas !6> no sólo se forman desde la región de entrada al yacimiento, sino en cualquier zona en donde la solución surfactante "aya invadido debido al contacto con el flujo del gas. Debido a la alta movilidad del gas se asegura el contacto con todas las zonas que la solución invadió.
Espuma formada en medio poroso mediante el proceso !6>.
Este tipo de espumas se utilizan para proyectos donde se pretenda desplazar la espuma a una distancia grande dentro del medio poroso. 2or otra parte su /=9 de las espumas !6> es baja. 2ara proyectos de inyección de $&' el proceso !6> puede ser utilizado para minimizar la corrosión en todo el sistema de inyección. %na de las primeras investigaciones de espumas !6> fue "ec"a por =aza 3)*4 y posteriormente $"au 3)**)4 comparó la formación de espumas mediante los procesos de co- inyección y !6>, concluyendo que para proyectos de inyección de espumas a largo alcance, el proceso !6> era más eficiente que el de co-inyección, aunque en ambos la espuma es formada en sitio. 8ambin se "a encontrado preferencia del proceso !6> en comparación con las espumas preformadas para proyectos de largo alcance.
El comportamiento da la caída de presión para las espumas !6>, como lo muestra 8ortopidis y !"allcross 3)**04 para un proceso de co-inyección, en las primeras secciones tiene una caída de presión menor que las secciones corriente abajo, por lo que esto "ace favorable a la inyección de los flujos de solución de surfactante y de gas.
AP.ICACIONES DE ESPUMAS EN CAMPO DEPENDIENDO DE .A PRESIÓN En las aplicaciones de espumas, se "an utilizado cuatro gases@ vapor y nitrógeno 3('4 que "an sido ocupados en aplicaciones de espumas de vapor y el bió#ido de carbono 3$&'4, así como el gas "idrocarburo en procesos miscibles. !e "an encontrado en la literatura proyectos con la aplicación de nitrógeno en alta presión. !ánc"ez y !c"ec"ter 3)*1*4 determinaron mediante pruebas de laboratorio que los proyectos a alta presión ocasionan un mayor nBmero de sitios en los cuales se forma espuma mediante snap-off, por lo que disminuye la permeabilidad relativa al gas con el incremento de la presión absoluta.
AP.ICACIONES A 1A2A PRESIÓN La aplicación de espuma a bajas presiones se conoce tambin como empuje de vapor, las cuales son espumas formadas por (' y vapor. El nitrógeno, al igual que el surfactante es usado para que la espuma tenga una mayor estabilidad y efectividad en el barrido del "idrocarburo.
Los yacimientos en los cuales se aplicó la espuma, la mayoría fueron someros con porosidades y permeabilidades relativamente buenas. La viscosidad del aceite variaba de ), a 0, TcpU en los proyectos de los campos de =ío Cern y 9iday !unset en $alifornia, E.%.6, en donde se ocupó una presión baja de . a F.Q T92aU 3)).Q a Q.Q TpsiU4 para la inyección del surfactante. De acuerdo a las investigaciones de 8urta y !ing"al 3)**14, en estos dos campos se "an desarrollado el mayor nBmero de proyectos 3)0 de )* proyectos investigados4 a baja presión para la solución de problemas de segregación gravitacional con una concentración de surfactante en la solución líquida de .) a .QH. La calidad del vapor, a condiciones de superficie, antes y durante la inyección de la espuma se contempló en un rango del 0 al 1H. Estos valores reflejan una espuma con un moderado /=9@ ya que son proyectos de inyección a baja presión y no debemos de generar una espuma fuerte. 2or lo tanto, las bajas calidades pueden ayudar a lo anterior. &tros proyectos desarrollados con espuma seca 3sobre el *H4 no obtuvieron los resultados esperados debido a la formación de espuma fuerte@ porque su movilidad dentro del medio poroso es baja y la respuesta tardará en llegar al pozo productor, siendo esto una limitación. En los proyectos de espuma seca la relación del incremento de aceiteS ?g de surfactante fue baja 3.0-.Q TmFS?gU4 en comparación con los proyectos a baja calidad.
En los mejores proyectos evaluados mediante la relación del incremento de aceiteS?g de surfactante, se inyectó el surfactante y el vapor mediante el mtodo de inyección de on-V- off, mediante ciclos pequeños. Los ciclos del mtodo on-Voff fueron de '0 "rs. para el proyecto !out"
En un análisis profundo de los resultados obtenidos en los procesos de empuje con espuma de vapor, se muestra que el factor más importante para su #ito fue el modo de inyección de la espuma.
En la mayoría de los proyectos se "a presentado un incremento en la eficiencia de barrido, como lo confirma el incremento del nBmero de pozos productores que responden positivamente a la inyección de la espuma 3incremento de la temperatura de fondo o mediante el incremento de aceite producido4. El incremento del aceite producido en proyectos e#itosos fue apro#imadamente de 0, TmFU a ', TmFU 3'Q,)Q*.' TbblU a )'Q,*+.' TbblU4. El incremento en el gasto de aceite fue apro#imadamente de ).Q a Q veces el gasto promedio antes de la inyección de la espuma, mientras el corte de agua disminuyó casi un 'H. La producción total de aceite debida a la espuma fue del + al )'H del aceite original, demostrando así su efectividad.
AP.ICACIONES A A.TA PRESIÓN 2ara las aplicaciones de espuma a alta presión, se "an utilizado con mayor frecuencia el bió#ido de carbono y el gas "idrocarburo, pero el gas nitrógeno no se descarta. $uando se inyecta espuma a alta presión se debe cuidar no alcanzar la presión de fractura para no dañar la formación y que el proyecto sea un fracaso. De los doce proyectos estudiados por 8urta y !ing"al 3)**14, seis fueron localizados en el estado de 8e#as, E.%.6., con permeabilidades bajas que van desde los ' a ' TmDU en donde la espuma fue utilizada para solucionar problemas de segregación gravitacional y de zonas ladronas de mayor permeabilidad. Los proyectos tenían e#tensiones desde 1 T"aU 3)*. TacU4 "asta +0 T"aU 3)Q1.) TacU4 en donde la inyección inicial de $&' fue mediante un proceso I6> 3ateralternating-gas4 que se encontraba en una etapa madura al iniciar la inyección de
espuma. La inyección de $&' tuvo un tiempo de operación de + a )' años y su recuperación de aceite original fluctuó del 0 al QH. En los proyectos pilotos de inyección de espumas, la concentración de surfactante en la solución líquida estuvo en un rango del .' al .QH, semejante a las aplicaciones a baja presión. En lo que respecta al factor de reducción de movilidad, a mayor presión se necesita menor concentración de surfactante para obtener el mismo /actor de =educción de 9ovilidad. 2or lo tanto, la presión es un factor positivo para reducir los requerimientos de surfactante.
La calidad de la espuma ocupada en los proyectos a alta presión fue semejante a los de baja presión, con calidades que variaban del .' al .1, siendo este Bltimo el valor más utilizado. 2ara aplicaciones a alta presión, al igual que los de baja, el modo de inyección es de primordial importancia en el #ito de los proyectos. !e utilizaron con mayor frecuencia los modos de5 co-inyección y !6> 3ciclos muy cortos, de ' a )Q días4, pero la inyección de surfactante mediante el mtodo on-V-off como en los proyectos de vapor tuvo un resultado positivo.
En el estado de %ta", E.%.6, se desarrollaron tres pruebas piloto en el proyecto 9cElmo $ree? que cuenta con un yacimiento altamente estratificado con permeabilidades que variaban desde los .) TmDU "asta ) TDU por lo que su contraste en las permeabilidades entre las capas era alta. !e propuso inyectar la espuma mediante los modos de co-inyección y !6> para solucionar el problema de zonas ladronas del flujo de gas. !e encontró que la inyección de espuma mediante co-inyección ocasionaba una e#cesiva reducción de la movilidad, problema que se solucionó con una inyección !6>. Despus de un volumen considerable de $&' inyectado, la inyectividad era semejante al provocado por una inyección de espuma preformada. El mismo problema de inyectividad se presentó en el proyecto East 9allet en el estado de 8e#as. !u permeabilidad promedio fue de Q TmDU, por lo que la inyección mediante co-inyección decrecía e#cesivamente, así que optaron por inyectar espuma mediante un proceso !6> con ciclos tan cortos como pudiera ser posible operacionalmente.
El segundo proyecto más e#itoso en la inyección de espuma "asta )**1 fue el EG>!6% 3East Gacuum >rayburg-!an 6ndres %nit4, en donde todo el estudio se fundamentó en proyectos de laboratorio. Debido a que la distancia entre el pozo inyector y el pozo productor era corta, la irrupción del gas fue rápida. La prdida de inyectividad se predijo cuando la presión de inyección se incrementó al 'QH, al taponar zonas ladronas. El pozo observador disminuyó dos veces la =>6 y aumentó el gasto de aceite en el mismo tanto. !e e#"ibió un aumento en la
eficiencia areal de barrido en tres pozos de la misma área, al incrementar de ) a ' veces la producción de aceite.
El proyecto de inyección de espuma de $&' que "a tenido mayor #ito, es el proyecto (ort" Iard Estes que cuenta con una e#tensión de apro#imadamente 1 T"aU 3)*. TacU4 constituida por arenas muy "eterogneas, por lo que la irrupción del gas fue a un mes iniciada la inyección. El modo de inyección fue mediante el proceso !6> con un ciclo de dos días 3un día se inyectó $&' y el otro día solución surfactante4. La calidad de la espuma se pretendió inyectar en un rango de .Q al .1. La presión de inyección fue monitoreada de forma permanente para no e#ceder la presión de fractura. El pozo productor disminuyó la =>6 nueve veces, mientras que la producción de aceite incrementó quince veces y de la misma forma presentó una disminución en el corte de agua. El requerimiento de $&' 3$&' inyectadoSproducción incremental de aceite4 disminuyó por un factor de tres.
En lo que concierne al uso de gas "idrocarburo 3>J4 en los proyectos de inyección a alta presión 3empuje miscible4, uno de los proyectos importantes es el de 2embina &stracod, la espuma fue generada mediante co-inyección usando dos tuberías de inyección, una para la solución surfactante y otra para el gas@ ya que "abía problemas de formación de "idratos. Durante la co-inyección, se incrementó considerablemente la presión de inyección y cada vez que se interrumpía la inyección, la generación de espuma era visible por el incremento de presión y sta incrementaba como si el modo de inyección de espuma fuera pregenerada, en algunos días despus. El gasto de aceite incrementó de 'Q TmFU a FF TmFU 3)Q.F a '.+ TbblU4, por un período de tres meses con una cantidad baja de surfactante 31 T?gU4. &tro de los proyectos de inyección de >J en forma de espuma fue el de Caybob !out" 8riassic en $anadá en donde se utilizó una alta concentración de surfactante 3' al QH4 en la formación de espuma 3por el modo !6>4, debido que el proyecto se desarrolló en una e#tensión de )'1 T"aU 3F)+.) TacU4. Los ciclos de inyección fueron de dos semanas 3trece días inyectando gas y un día inyectando solución surfactante4.
AP.ICACIONES DE ESPUMAS EN PO6OS PRODUCTORES
CSS *ESTIMU.ACIÓN C-C.ICA DE APOR,
La estimulación cíclica de vapor 3$!!, por sus siglas en ingls4 es utilizada para transmitir calor al yacimiento 3de aceite pesado y ultra pesado de alta viscosidad4 y disminuir la viscosidad del "idrocarburo, lo que ocasiona que la movilidad del aceite residual incremente. &tro de los objetivos es remover parafinas y asfaltenos presentes en la cara de la formación. La estimulación es "ec"a mediante el proceso Juff V 2uff que se constituye por tres etapas5
2rimera Etapa. El vapor se inyecta al yacimiento con un alto gasto, con la finalidad de disminuir las prdidas de calor dentro del pozo.
!egunda Etapa. 8ambin denominado etapa de filtración o adsorción. El pozo es cerrado para ma#imizar la transferencia de calor al yacimiento, el tiempo de cierre es de F a 0 días.
8ercera Etapa. Es el periodo de producción del pozo con un lapso de tiempo muc"o más prolongado que los anteriores.
Jasta )**Q se "abían reportado Q, operaciones de estimulación cíclica de vapor, no se "an reportado de forma clara los resultados obtenidos al emplear espuma como forma de eficientar la estimulación. El espesor de las formaciones en donde se ocupó espuma en $!! se encuentran sobre los 0 TmU. En el campo 9iday !unset se "icieron ') $!! con espuma en el cual fue inyectado pequeños bac"es de la solución acuosa de surfactante, se notó mayor eficacia en los perfiles de inyección. En Genezuela se analizaron )+ casos, se encontró que dos mecanismos pudieron ser responsables de un incremento en la producción de aceite con la ayuda de espuma en procesos de $!!5
Desvío del vapor 3calor4 "acia zonas no invadidas. $ambio de las curvas de permeabilidad relativa debido a la inyección del surfactante.
La concentración de surfactante usado en estos Bltimos proyectos fue del .Q al )H. El incremento de la producción de aceite sobre la inyección clásica de vapor fue del '0H. 2ara valorar la eficiencia de la espuma en este tipo de proyectos se "ace mediante el factor de dispersión de vapor, es decir, eficiencia de barrido. Los aditivos de $!! con espuma son5 surfactante y nitrógeno que ayuda a formar y estabilizar la espuma. 6l usar el modo de inyección de on V off incrementa la eficiencia en que el vapor se dispersa en el medio poroso.
PRO1.EMAS DE CONI4ICACIÓN DE. +AS La solución de los problemas de conificación del gas con la ayuda de espumas, se "an "ec"o a condiciones de alta presión 3',0+Q a QQ) TpsiU4. La concentración de surfactante se encuentra entre el .Q al 'H.
En proyectos elaborados en el 9ar del (orte o en el campo !norre, entre otros, la espuma preformada tuvo mejor comportamiento que las espumas !6>. Esto pudo ser ocasionado por la segregación de los fluidos de la espuma 3gassolución de surfactante4 en el medio poroso. El modo de inyección !6> fue e#itoso en formaciones de alta permeabilidad, en donde los ciclos de !6> fueron rápidos y la concentración de surfactante en los gastos de inyección fue alta.
El tratamiento con espuma en problemas de conificación de gas, es un procedimiento independiente, mientras que las aplicaciones en $!! involucran una modificación de un procedimiento de estimulación ya establecido por lo que tiene mayor dificultad en evaluar la efectividad. En ambas aplicaciones la efectividad se puede evaluar mediante un incremento en la producción de aceite por el tratamiento. La evaluación de la =>6 en los problemas de conificación de gas, tambin es esencial.
SE.ECCIÓN DE. SUR4ACTANTE Despus de aceptada la inyección de espuma para corregir alguno de los problemas antes mencionados, la fase de selección del surfactante es primordial@ ya que de sta dependerá el #ito del proyecto, por lo que se "an establecido varias metodologías. =ossen 3)**04 propone tres pasos en la selección de un surfactante en específico5 i.
$omo primer paso, se puede "acer una prueba química de mojabilidad para determinar la precipitación de la salmuera, la solubilidad del surfactante en aceite del yacimiento y determinar la estabilidad termal de la espuma a temperatura y presión del yacimiento. Este primer criterio puede ayudar a eliminar varios surfactantes candidatos.
ii.
2ara los candidatos sobrantes, el segundo paso es probar el agente espumante 3surfactante4 en prototipos del medio poroso. Dependiendo del tiempo y del material disponible, el medio puede ser5 nBcleo de material no consolidado o consolidado como la arena
iii.
%na vez obtenida la formulación adecuada, el Bltimo paso es medir los niveles de adsorción y la "abilidad de formar espuma en el medio poroso.
Donald y colaboradores 3)**4 propusieron dos pruebas de laboratorio para seleccionar el surfactante que mediaría la canalización de nitrógeno inyectado al yacimiento 2ainter en Iyoming, E.%.6., los siguientes dos criterios fueron aplicados a una gran variedad de surfactantes disponibles en el mercado5
)4 La primera prueba consiste en agitar la solución de surfactante con aceite del yacimiento en un cilindro graduado. La altura de la espuma fue medido en función del tiempo. Esta prueba de agitación indicó la estabilidad de la espuma y la compatibilidad del surfactante con los fluidos del yacimiento. '4 La siguiente prueba fue verificar la disminución de movilidad del nitrógeno. !e ocuparon dos nBcleos en serie, uno que sirvió para generar la espuma, y el otro para verificar como actuaba la solución de surfactante en contacto con el nitrógeno, es decir, medir la caída de presión 3generación de espuma4.
4ORMA DE IMP.ANTACIÓN 2ara implantar la inyección de espuma en campo, varias consideraciones deben de "acerse antes de llevar a cabo el proyecto. 2or ejemplo, =ossen 3)**04 propone dos pasos para el diseño del proyecto de espumas.
Pas" 7. !e propone caracterizar el campo y los problemas de eficiencia de barrido. La formulación de varias preguntas puede ayudar al diseño, tales como5 ✓
WJay suficiente aceite remanente en el campo para que el proyecto sea económicamente redituableX
✓
WAu es lo que causa la pobre eficiencia de barrido 3zona ladrona, segregación gravitacional o digitación4X
✓
WLa presión de inyección es una limitanteX
✓
WAu cantidad de surfactante se pierde por la adsorción en la rocaX ✓ WAu tipo de mojabilidad tiene el yacimientoX
Pas" 85 !i en el paso anterior se encontró una atractiva recuperación de aceite y el proceso parece efectivo, el siguiente paso es determinar el objetivo del proceso. %na consideración importante es determinar si queremos tener un retorno económico inmediato o si queremos recopilar información para futuras aplicaciones. !e proponen dos posibles objetivos5 ✓
7ncrementar el aceite recuperado, mayor eficiencia de barrido del aceite.
✓
=educir los costos de operaciones y los problemas de irrupción del gas.
6ntes de seleccionar una formulación específica de surfactante, se puede "acer una evaluación económica preliminar del proyecto. 9ediante un estudio de simulación del yacimiento podría "acerse una estimación de la propagación de la espuma. 2or su parte 8urta y !ing"al 3)**14 proponen revisar tres puntos importantes para el #ito de las aplicaciones de espumas, que son5 a4 7dentificar el tipo de problema a resolver, así como el pozo que nos permitirá solucionar el problema. b4 Gerificar si la espuma debe ser aplicada a pozos productores o a inyectores. c4 La espuma aplicada como un agente de control de movilidad debe de ser para pozos inyectores@ un factor crítico en su selección es la inyectividad, por lo que si se desea la propagación a grandes distancias el /=9 debe ser moderada.
Despus de una e#tensa investigación de proyectos en los cuales la espuma fue aplicada, 8urta y !ing"al 3)**14 desarrollaron un esquema que muestra el procedimiento a seguir para determinar el modo de inyección de la espuma basada en cuatro parámetros5 definición del problema, distancia deseada de la
propagación de espuma, presión del yacimiento y permeabilidad, como se muestra en la /ig. 0.1.
El esquema de selección considera a dos clases de espuma@ control de movilidad y bloqueo ySo desvío, como lo considera =ossen 3)**04. 8odos los diseños de las aplicaciones de espuma en campo deben basarse en pruebas de laboratorio utilizando condiciones representativas del medio poroso en que se aplicará, incluyendo el modo de desplazamiento. La siguiente figura muestra criterios de escrutinio en el diseño para la aplicación de espuma, pero sólo es para determinar el modo de inyección, así que debe de acompañarse de pruebas de laboratorio para determinar parámetros como la calidad de la espuma, los gastos, tipo de surfactante, tiempos, entre otros. !i las condiciones del yacimiento en el que se aplicará la espuma no coinciden con los del criterio de escrutinio, pueden "acerse pruebas de laboratorio y definir si bajo esas circunstancias la inyección de espuma puede ser factible. Esto es debido a que los criterios se basan en la coincidencia de parámetros de la mayoría de aplicaciones e#itosas de espumas en campo y no de la totalidad de los proyectos, debido a las diferencias entre ellos.
Diagrama de criterios de escrutinio para la aplicación de espuma en proyectos de E&= 38urta y !ing"al )**14.
CONC.USION
En las aplicaciones de campo, se debe tomar en consideración los efectos destructivos de la espuma como el tipo de mojabilidad y la saturación de aceite@ ya que la presencia de este Bltimo en grandes cantidades ocasiona que las lamelas de la espuma se degraden "asta colapsar.
%na forma sencilla de determinar el comportamiento del flujo de espumas en un medio poroso "omogneo, es mediante el uso de la teoría de flujo fraccional, aun con muc"as suposiciones representa de forma consistente su comportamiento.
