recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

20
1 CMP-224 Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de baja salinidad Ana Cosultchi-Marcu, Manuel Coronado-Gallardo, Miguel Pérez-Luna, Andrés E. Moctezuma-Berthier, Instituto Mexicano del Petróleo, Ciudad de México ([email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]) Resumen La técnica de inyección de agua de baja salinidad es un proceso que permite incrementar el factor de recuperación cuando la salinidad del agua inyectada se reduce por abajo de 10,000 ppm. Pruebas en laboratorio de desplazamiento forzado demuestran que se puede recuperar hasta 29 % más de aceite en tapones de areniscas Berea y de un pozo de la región sur-este. El análisis de los efluentes evidencia la ocurrencia de varios de los mecanismos considerados como favorecedores del efecto de baja salinidad como: intercambio iónico, incremento del pH, disminución de la tensión interfacial salmuera-aceite y liberación de finos. Introducción G.G. Bernard (1967) fue pionero en hacer análisis de inyección de agua de baja salinidad en núcleos de areniscas con contenido de arcilla.El estudio formal del método de recuperación mediante inyección de agua de baja salinidad inicia sin embargo hasta 30 años después con Tang y Morrow (1997). El proceso involucra emplear agua con salinidades entre1000 ppm y 8000 ppm de sólidos disueltos, aunque se han efectuado experimentos con salinidades más altas en las modalidades de recuperación secundaria y terciaria. Esta última consiste en la inyección secuencial de salmueras de menor salinidad. Mediante pruebas de laboratorio (Tang y Morrow, 1999; Zhang y Morrow, 2006; Lager et al, 2006; Ligthelm, 2009; Cissokho et al, 2009, 2010; Morrow et al.,2011; RezaeiDoust et al., 2010, 2011; Buckley y Morrow, 2011; Nasralla et al., 2011; Hadia et al., 2012; Romero et al., 2012) y pruebas piloto (Webb, 2004; McGuire et al, 2005; Robertson, 2007) se evaluaron una serie de mecanismos que, de acuerdo a los autores, se le conoce como el efecto de baja salinidad. Algunos de estos mecanismos propuestos son:

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Page 1: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

1

CMP-224

Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de baja

salinidad

Ana Cosultchi-Marcu, Manuel Coronado-Gallardo, Miguel Pérez-Luna, Andrés E.

Moctezuma-Berthier, Instituto Mexicano del Petróleo, Ciudad de México

([email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected])

Resumen

La técnica de inyección de agua de baja salinidad es un proceso que permite

incrementar el factor de recuperación cuando la salinidad del agua inyectada se

reduce por abajo de 10,000 ppm. Pruebas en laboratorio de desplazamiento forzado

demuestran que se puede recuperar hasta 29 % más de aceite en tapones de

areniscas Berea y de un pozo de la región sur-este. El análisis de los efluentes

evidencia la ocurrencia de varios de los mecanismos considerados como

favorecedores del efecto de baja salinidad como: intercambio iónico, incremento del

pH, disminución de la tensión interfacial salmuera-aceite y liberación de finos.

Introducción

G.G. Bernard (1967) fue pionero en hacer análisis de inyección de agua de baja

salinidad en núcleos de areniscas con contenido de arcilla.El estudio formal del

método de recuperación mediante inyección de agua de baja salinidad inicia sin

embargo hasta 30 años después con Tang y Morrow (1997). El proceso involucra

emplear agua con salinidades entre1000 ppm y 8000 ppm de sólidos disueltos,

aunque se han efectuado experimentos con salinidades más altas en las

modalidades de recuperación secundaria y terciaria. Esta última consiste en la

inyección secuencial de salmueras de menor salinidad.

Mediante pruebas de laboratorio (Tang y Morrow, 1999; Zhang y Morrow, 2006;

Lager et al, 2006; Ligthelm, 2009; Cissokho et al, 2009, 2010; Morrow et al.,2011;

RezaeiDoust et al., 2010, 2011; Buckley y Morrow, 2011; Nasralla et al., 2011; Hadia

et al., 2012; Romero et al., 2012) y pruebas piloto (Webb, 2004; McGuire et al, 2005;

Robertson, 2007) se evaluaron una serie de mecanismos que, de acuerdo a los

autores, se le conoce como el efecto de baja salinidad. Algunos de estos

mecanismos propuestos son:

Page 2: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

2

Incremento del pH del efluente y disminución de la tensión interfacial

(McGuire, 2005).

Desprendimiento y migración de finos (Valdya & Fogler, 1992; Mohan,

1993; Tang & Morrow, 1999).

Mecanismo químico (Austad, 2010)

Intercambio iónico multicomponente (Kia, 1987; Lager, 2007).

Expansión de la doble capa (Nasralla, 2012).

El cambio en la mojabilidad de la roca.

Supresión del efecto snap-off o coalescencia de las emulsiones (Alvarado,

2014).

Efecto salt-in o incremento de la solubilidad de compuestos orgánicos en el

agua de baja salinidad.

El objetivo del presente trabajo es analizar el incremento del índice de recuperación

a nivel laboratorio y discutir los mecanismos involucrados.

Así mismo, en este trabajo se pretende desarrollar un modelo matemático y

numérico de flujo y transporte para simular el proceso de recuperación adicional de

aceite por inyección de agua de baja salinidad a escala de laboratorio. El modelo

incorpora el efecto de los finos al tratamiento tradicional de cambio de

permeabilidad relativa y presión capilar provocada por la baja salinidad y reproduce

resultados experimentales en núcleos.

Materiales empleados en la prueba

Los materiales empleados en las pruebas de laboratorio para evaluación de

mecanismos de recuperación de aceite por inyección de agua de baja salinidad

fueron los siguientes:

1) Dos tipos de arenisca-arcillosa: Berea (Cleveland Quarries) y arenisca de un

núcleo del pozo Ch 5 del que se cortaron varios tapones. La composición de las

dos areniscas analizadas por difracción de rayos X y microscopía electrónica de

barrido se muestran en la Tabla 1.

2) Varios minerales: arena Ottawa, bentonita, montmorillonita de Voclay, caolinita

y carbonato de calcio.

3) Aceites colectados de cuatro pozos de un activo de PEMEX. Sus composiciones

SARA y propiedades físicas se indican en la Tabla 2.

Page 3: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

3

Tabla 1. Composiciones de las muestras de roca y mineral empleadas

Tabla 2. Composición y propiedades de los aceites analizados

IEC es el índice de estabilidad coloidal de un aceite y se calcula como:

IEC = (Saturados+Asfaltenos) / (Polares+Aromáticos)

El grado de estabilidad de un aceite se evalua de la siguiente forma:

Si IEC es mayor a 1.1 el crudo es inestable.

Si IEC es menor a 0.7, el crudo es estable.

Valores intermedios, entre 0.7 y 1.1, indican metaestabilidad.

El IEA es el índice de estabilidad de asfaltenos de Leontaritis (1988) y se calcula

como:

IEA= Polares / Asfaltenos

El nivel de estabilidad se especifica de la siguiente forma:

IEA > 3 indica estabilidad

IEA entre 3 y 2, indica estado metaestable

IEA < 2 indica inestabilidad de los asfaltenos.

a) Arenisca Berea

Mineral Fórmula % peso

Cuarzo SiO2 93.13%

Alumina Al2O3 3.86%

Oxido de hierro Fe2O3 0.11%

Oxido ferroso FeO 0.54%

Oxido de magnesio MgO 0.25%

Oxido de calcio CaO 0.10%

b) Arenisca Ch-5

Mineral Fórmula % peso

Plagioclasa intermedia (CaNa)SiAl4O8 57

Cuarzo SiO2 28

Feldespato Potásico (K,Na)AlSi3O8 7

Filosilicatos a≈10Å (mica-illita) 5

Yeso: Ca(SO4)2 2H2O 3

Trazas de: (clorita y caolinita)

Muestra API

Acidez

TAN, mg

KOH/g

Azufre, %

peso

Nitrógeno,

g/Kg

Asfaltenos,

% peso

Parafinas

, % peso

Polares, %

peso

Aromáticos,

% peso

Viscosidad

cinemática a

60C, cp

Viscosidad

cinemática a

90C, cp

IEC, Indice de

estabilidad

coloidal

IEA, Indice

de estabilidad

de asfaltenos

OG 30.70 0.81 0.80 0.62 1.30 58.05 15.96 24.70 5.38 3.19 1.46 12.28

Rb 19.24 0.71 3.44 1.53 9.00 28.55 24.49 37.96 27.85 13.75 0.60 2.72

SR 28.71 0.25 1.82 1.44 10.12 38.50 24.20 27.18 15.71 10.82 0.95 2.39

La 31.63 0.51 2.81 0.87 0.97 35.45 25.88 37.69 8.25 6.03 0.57 26.68

Page 4: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

4

4) Varias salmueras formuladas a partir de las sales: NaCl, CaCl2 y MgCl2. La

salmuera más concentrada se denominó agua sintética de formación AFS y su

composición se encuentra en la Tabla 3. Otras salmueras se obtuvieron a partir

de la dilución de la salmuera AFS a 1/25, 1/50 y 1/100 veces. También se

formularon salmueras de un sólo catión con las mismas sales a las siguientes

concentraciones: 0.05, 0.025 y 0.001M. La composición de las 13 salmueras se

indica en la Tabla 3.

Tabla 3. Concentraciones de las salmueras: a) formuladas con un sólo ion y, b) salmuera de formación sintética (AFS) y sus diluciones

a)

b)

Descripción de la prueba de desplazamiento

El objetivo de esta prueba fue observar la cantidad de aceite producido por cada

una de las salmueras seleccionadas como fluido de inyección para el

desplazamiento. El sistema utilizado se muestra en la Figura 1.

El objetivo de esta prueba fue observar la cantidad de aceite producido con cada

una de las salmueras seleccionadas para el desplazamiento.

Conc, ppmFuerza

ionica Conc., ppm Fuerza ionica

Conc.,

ppm

Fuerza

ionica

NaCl 2920.00 0.045 1460.00 0.025 584.00 0.010

MgCl2 4760.00 0.150 2380.00 0.075 952.00 0.030

CaCl2 5550.00 0.150 2775.00 0.075 1110.00 0.030

Conc sal 0.01 M

Sal

Conc sal 0.05 M Conc sal 0.025 M

AFS AFS 1/25 AFS 1/50 AFS 1/100

NaCl 141950 5678 2839 1419.5

MgCl2 11800 472 236 118

CaCl2 62470 2498.8 1249.4 624.7

Conc. total, ppm 216220 8648.8 4324.4 2162.2

Fuerza Iónica 4.4900 0.1796 0.0898 0.0449

Concentración, ppmSal

Page 5: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

5

Fig. 1. Esquema del sistema utilizado para pruebas de desplazamiento.

La selección del aceite para estas pruebas se hizo tomando de base la variación de

la tensión interfacial dados su grado API y el tipo de salmuera empleada (ver Fig.

2). La tensión interfacial entre el aceite y la salmuera de diferentes concentraciones

y tipos de cationes se evaluó mediante el método de la gota pendiente. Esta prueba

consiste en suspender la gota de aceite desde un tubo capilar de dimensiones

conocidas inmersa dentro de la salmuera.

Fig. 2. Variación de la tensión interfacial de cuatro aceites en presencia de las salmueras

evaluadas.

Previo al inicio del procedimiento de inyección de salmueras se saturaron los

tapones con salmuera AFS y el aceite para obtener las saturaciones de agua (Swr)

y de aceite (So) iniciales de cada tapón. Los datos se encuentran en la Tabla 4.

5

10

15

20

25

30

Og RB SR La

TIF

, d

in/c

m

TIF max TIF min TIF prom

API=30.7API=19.24

API=31.63

API=28.71

Page 6: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

6

Tabla 4. Propiedades de los tapones al inicio de la prueba

El procedimiento de la prueba de desplazamiento forzado consistió en cuatro

etapas:

E1: Inyección de salmuera sintética de formación (AFS)

E2: Inyección de salmuera sintética de formación diluida (1/100 AFS)

E3: Inyección de la salmuera con un sólo ion CaCl2 0.01 M.

E4: Inyección de la salmuera con un sólo ion CaCl2 0.01 M después de

un añejamiento de la muestra por 15 hrs.

El cambio de la salmuera se hizo cuando la recuperación de aceite de la etapa

anterior fue nula. Al final de la tercera etapa de inyección se dejó añejar el núcleo

por un periodo de 15 hrs con la finalidad de estabilizar el sistema crudo-salmuera-

roca y verificar si esta acción tendría alguna consecuencia en la producción de

aceite. Al terminar las 15 hrs de añejamiento se continuó con la inyección de la

salmuera CaCl2.

Los resultados de las cuatro etapas de las pruebas describen en la Tabla 5.

Tabla 5. Recuperación y saturación remanente de aceite por etapas

Porosidad Porosidad He PermeabilidadPermeabilidad

He

Agua

residualAceite

% % (mD) (mD) % %

Berea 18.39 18.900 65.47 212 22.97 77.03

Cuichapa 21.87 25.5 34.91 170 35.88 64.12

Muestra

a) Núcleo de Berea

Etapa de

inyeccion

Volumen

recuperado

por etapa, ml

Recuperación

de aceite

referente al vol.

total, %

Recuperación

de aceite

Acumulado,

%

Sor, %

E 1 3.19 39.37 39.37 46.70

E 2 1.65 20.33 59.70 31.05

E 3 0.46 5.65 65.34 26.70

E 4 0.25 3.09 68.43 24.32

b) Núcleo de Ch 5

Etapa de

inyeccion

Volumen

recuperado

por etapa (ml)

Recuperación

de aceite

referente al vol.

total, %

Recuperación

de aceite

Acumulado,

%

Sor, (%)

E 1 3.17 70.02 70.02 19.22

E 2 0.48 10.62 80.64 12.41

E 3 0.55 12.16 92.80 4.61

E 4 0.00 0.00 92.80 4.61

Page 7: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

7

Resultados de las pruebas de desplazamiento

Los resultados de recuperación de aceite en función del volumen poroso inyectado

se muestran en la Figura 3. En ella se observan los incrementos escalonados de

recuperación de aceite correspondientes a las reducciones de salinidad de cada

etapa.

Fig. 3. Gráfica del proceso de desplazamiento indicando la evolución de la Recuperación

de aceite de los dos núcleos de arenisca Berea y Ch 5.

En la Tabla 6 se indica el volumen recuperado en cada etapa y la saturación

remanente.

A la salida de la celda se colectaron secuencialmente los fluidos en probetas, se

midió el pH con un potenciómetro y los resultados de muestran en la Figura 4. Las

muestras se conservaron para su posterior análisis a fin de evaluar la interacción de

los fluidos con la roca durante el proceso de desplazamiento forzado.

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00

Recupera

ció

n d

e a

ceite a

cum

ula

do,

%

Volumen poroso inyectado

Berea AFS Ch 5 AFS Berea AFS 1/100 Ch 5 AFS 1/100

Berea CaCl2 Ch 5 CaCl2 Berea CaCl2

Ch 5k=34.91 mD

=21.87 %

Bereak=65.47 mD

=18.39 %

E1 E2

E4

E3

E3

E4

E2

Page 8: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

8

Tabla 6. Resultados de los procesos de desplazamiento en: a) núcleo Berea, b)

núcleo Ch 5.

Fig. 4. Variación del pH de los efluentes de las areniscas Berea y Ch 5.

Se determinó la concentración de los siguientes cationes: Na, K, Mg, Ca, Al, Si, Fe

tanto en la salmuera inyectada como en los efluentes colectados en cada etapa,

antes y después de producir aceite. La concentración de cationes se determinó con

a) Núcleo de Berea

Etapa de

inyeccion

Volumen

recuperado

por etapa, ml

Recuperación

de aceite

referente al vol.

total, %

Recuperación

de aceite

Acumulado,

%

Sor, %

E 1 3.19 39.37 39.37 46.70

E 2 1.65 20.33 59.70 31.05

E 3 0.46 5.65 65.34 26.70

E 4 0.25 3.09 68.43 24.32

b) Núcleo de Ch 5

Etapa de

inyeccion

Volumen

recuperado

por etapa (ml)

Recuperación

de aceite

referente al vol.

total, %

Recuperación

de aceite

Acumulado,

%

Sor, (%)

E 1 3.17 70.02 70.02 19.22

E 2 0.48 10.62 80.64 12.41

E 3 0.55 12.16 92.80 4.61

E 4 0.00 0.00 92.80 4.61

6.00

6.20

6.40

6.60

6.80

7.00

7.20

7.40

7.60

7.80

8.00

0 5 10 15 20

pH

Volumen poroso

Ch 5 AFS

Berea AFS

Ch 5 AFS 1/100

Berea AFS 1/100

Ch 5 CaCl2

Berea CaCl2

Page 9: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

9

un espectrofotómetro de absorción atómica y los resultados se encuentran en la

Tabla 7.

Tabla 7. Resultados del análisis por absorción atómica de las salmueras

inyectadas y los efluentes de cada etapa de la prueba de desplazamiento (en

ppm) en tapón de arenisca Berea.

Muestra pH Na K Mg Ca SiSuma de

cationes

AF 100% 6.01 48,776.63 0.00 1,300.76 10,830.07 0.00 60,907.46

AF 1/100 6.17 512.77 0.00 16.27 187.38 0.00 716.42

CaCl2 0.01M 6.23 0.00 0.00 0.00 540.56 0.00 540.56

Etapa 1-6a 6.53 46,184.15 66.56 1,568.34 15,862.66 548.50 64,230.21

Etapa 2-1b 6.67 28,141.15 50.03 971.17 10,266.49 512.88 39,941.72

Etapa 2-7b 7.58 614.09 22.08 28.84 125.26 823.70 1,613.97

Etapa 3-1c 7.68 547.81 52.13 22.50 103.64 582.95 1,309.03

Etapa 3-6c 7.5 28.87 17.51 38.65 351.31 533.86 970.20

Etapa 4-2c 7.66 21.29 20.48 34.66 227.63 555.36 859.42

Etapa 1 (7-9) 6.84 52,058.40 146.95 1,182.17 17,582.63 2.11 70,972.26

Etapa 1 (11-18) 6.59 54,493.35 76.74 1,144.87 12,938.38 2.42 68,655.76

Etapa 2 (1-6) 7.17 24,541.80 44.31 455.48 6,238.44 2.89 31,282.92

Etapa 2 (7-10) 7.60 2,414.66 26.04 63.07 1,166.37 3.09 3,673.23

Etapa 2 (13-15) 7.73 889.26 12.10 32.66 640.36 3.27 1,577.65

Etapa 3 (1-2) 7.68 802.00 12.08 33.02 1,626.26 3.02 2,476.38

Etapa 3 (3-7) 7.50 290.47 10.77 28.71 582.24 3.72 915.91

Etapa 3 (8-10) 7.66 85.30 3.69 25.35 588.93 3.60 706.87

Producción de aceite

Cambio a salmuera de CaCl2

Producción de aceite

Producción de aceite

Cambio a salmuera de baja salinidad (AFS 1/100)

Producción de aceite

Producción de aceite

Prueba de desplazamiento Cuichapa

Inyección salmuera de alta salinidad (AFS)

Prueba de desplazamiento Berea

Inyección salmuera de alta salinidad (AFS)

Producción de aceite

Cambio a salmuera de baja salinidad (AFS 1/100)

Producción de aceite

Cambio a salmuera de CaCl2

Page 10: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

10

Discusión de resultados

Las pruebas de desplazamiento en ambos tapones (Berea y Ch 5) confirman la

efectividad de la recuperación con agua de baja salinidad ya que al disminuir la

salinidad se logra recuperar de 29 y 23 % más de aceite (20 y 10% OOIP en la

etapa de baja salinidad y de 8 y 12 % OOIP con CaCl2).

El cambio en la salinidad del agua inyectada tiene varios efectos. Uno de ellos es el

incremento en el pH del agua efluente como se muestra en la Fig. 4. El pH es la

concentración de iones de Hidrógeno en una solución, y mide la acidez o alcalinidad

de una solución acuosa en una escala desde 0 hasta 14, siendo 7 neutro. Valores

arriba de 7 significa que la solución es alcalina y contienen más iones hidroxilo (OH-

) mientras que debajo de 7 es ácida y contiene más protones (H+).

El incremento del pH del efluente está documentado en la literatura y se atribuye a

la disolución de la calcita o albita (Kia, 1987; McGuire, 2005; RezaeiDoust, 2011;

Hadia, 2012), un concepto relacionado con el agua dura. Otros autores lo atribuyen

al intercambio iónico durante el cual los iones de sodio localizados en el espacio

interlaminar de las arcillas tipo montmorillonita son reemplazados con protones del

agua (Mohan, 1993; Boussour, 2009; Austad 2010). Cabe señalar que este

intercambio catiónico es instantáneo para la caolinita y más lento en la

montmorillonita. Nuestros experimentos demuestran que el pH del efluente

depende del contenido y tipo de mineral y es mayor en presencia de arcilla tipo

montmorillonita como se observa en la Figura 5.

Page 11: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

11

Fig. 5. Variación del pH del efluente en función del substrato para concentraciones de

salmuera inyectada menores a 4000 ppm. Aquí se usa la notación: Ot = arena Ottawa,

M1= bentonita, M2 = montmorillonita Voclay, K = caolinita, VJ = arena Villa Juanita, Mex. y

Ch-5 = arenisca del pozo Ch 5.

La mayoría de las arenas y areniscas contienen trazas de arcillas que, aun así,

logran incrementar el pH del efluente como se muestra en la Figura 6.

Fig. 6. Variación del pH del efluente en función del tipo de arenisca.

6.00

6.50

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

9.50

10.00

pH

Mean Min Max

6.00

6.50

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

pH salmuerainicio

VJ sand Ch 5 Ottawa Berea

pH

NaCl 1300 ppm MgCl2 2000 ppm CaCl2 3000 ppm

Page 12: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

12

El máximo pH de los efluentes de la arenisca Berea rebasa el 8.5 mientras el

promedio del pH de los efluentes de las muestras de la arena Ottawa y la arenisca

Ch 5 presentan sólo un ligero incremento en su pH. En cambio, el efluente de la

arena VJ (Villa Juanita) no muestra incremento del pH lo que indica que tiene un

muy bajo contenido de arcilla. Al examinar el pH de los efluentes de los tapones de

la prueba de desplazamiento, se observa que llega como máximo a 7.78. Esto

significa que el aceite interactúa con la salmuera disminuyendo el pH esperado

como se muestra en la Tabla 8 en donde se observa el efecto de la interacción del

agua alcalinizada con NaCl y NaOH con los aceites.

Tabla 8. Reducción del pH de la salmuera inyectada al contacto con los aceites

evaluados

La pregunta es si la tensión interfacial cambia al contacto con una salmuera alcalina.

Los resultados de las mediciones que se muestran en la Fig. 7 indican que sí.

Fig. 7. Variación de la tensión interfacial del aceite SR al contacto con salmueras alcalinas.

Aceite

pH

salmuera

=9.02

pH

salmuera

=9.50

pH

salmuera

=10.75

OG 0.81 6.92 7.33 9.95

Rb 0.71 6.95 7.22 9.74

SR 0.25 7.32 7.25 9.76

La 0.51 6.74 7.17 9.16

Acidez TAN,

mg KOH/g

pH efluente

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

Temp. 30C Temp. 60C Temp. 90C

Te

nsió

n in

terf

acia

l, d

in/c

m

SR (AFS, pH=6.00) SR (pH=9.00) SR (pH=9.55) SR (pH=10.58)

Page 13: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

13

El consumo de los iones hidroxilo por las especies ácidas se refleja en la reducción

del pH del efluente y en la baja en la tensión interfacial medida a 90oC con las

salmueras alcalinas, en comparación con la tensión interfacial medida con la

salmuera inicial.

El mecanismo de intercambio catiónico consiste en la adsorción o desorción de

cationes al contactar el agua inyectada la roca, en específico la arcillas que aloja

cationes sea dentro de su espacio interlaminar (como en el caso de la

montmorillonita e illita) o en los bordes (como la caolinita). Este mecanismo se

demuestra mediante el balance de los cationes presentes en el agua efluente.

Un exceso de cationes en el agua efluente comparado con los presentes en el agua

inyectada o la aparición de otros cationes es una prueba de que ocurre un

intercambio catiónico entre el agua y la roca pero también puede indicar que ocurre

el mecanismo de desprendimiento y migración de finos.

Si se analiza los resultados de absorción atómica de los efluentes de las pruebas

de desplazamiento forzado se observa lo siguiente.

Al inyectarse agua de alta salinidad el núcleo de Berea retiene sodio y libera calcio,

silicio y magnesio. La relación atómica Na/Ca de la salmuera AFS inyectada que es

4.5 pasa a 2.91 en el efluente. Al cambiar la salmuera a una de baja salinidad (AFS

1/100), el calcio se retiene mientras el sodio, el silicio y el magnesio se liberan. La

relación Na/Ca pasa después de la producción de aceite de 2.74 a 4.90. El cambio

a salmuera de CaCl2 mantiene la relación Na/Ca alta (5.3) lo que prueba que hay

una continua mayor liberación de sodio mientras que el calcio es retenido por la

muestra Berea. El silicio se libera en cada etapa aunque su concentración se

incrementa en la etapa 2 después de la producción de aceite. La liberación del silicio

no está acompañada de iones Al como para afirmar que ocurre la floculación de las

arcillas o la disolución de minerales aluminosilicatos. La presencia de este catión se

podría atribuir al desprendimiento de partículas de sílice amorfa ya que la velocidad

de disolución de la sílice amorfa es mayor que la de la sílice cristalina y aumenta

casi 21 veces en de soluciones de NaCl de baja concentración (0.05M y pH neutro)

(Ichenhower, 2000).

El arrastre de finos es un proceso mecánico y no depende de la concentración ni

del tipo de cationes presentes en el agua. Este parece ser el caso de la presencia

de Si en todos los efluentes de Berea, independientemente de la salinidad de la

Page 14: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

14

salmuera y se observa como turbidez en el agua. El tamaño de los coloides se

encuentra en el rango de 1 a 1000 nanómetros.

Al inyectarse agua de alta salinidad el núcleo de Ch 5 se libera sodio y calcio y un

poco de potasio pero se retiene magnesio. La relación Na/Ca se reduce de 4.50 a

2.96 después de la producción de aceite. Al final de la etapa, el valor de la relación

se recupera a 4.21. Al cambiar a baja salinidad la relación Na/Ca se mantiene alta,

3.93 pero disminuye después de la producción de aceite a valores menores (2.07 y

1.39) que el que corresponde a la salmuera inyectada (2.74) pero continua la

liberación de sodio y calcio de la muestra Ch 5. El cambio a salmuera de CaCl2

disminuye la relación Na/Ca a 0.5 lo que prueba la liberación de iguales cantidades

de sodio y calcio (incluido el que se inyectó). El catión que se retiene es el magnesio.

Estos datos comprueban la presencia del intercambio iónico entre las salmueras y

los minerales de las areniscas evaluadas. Lo sobresaliente para la muestra Berea

es la liberación de silicio (mayor cuando hay producción de aceite y la salmuera es

de baja salinidad) que se le atribuye a la movilización de finos como sílice amorfa.

Además, la retención del calcio podría relacionarse con la estabilización de las

arcillas tipo esmectita por los iones divalentes.

La muestra Ch 5 libera mayores cantidades de iones de sodio y calcio que se

podrían relacionar con la disolución del yeso y con el intercambio de cationes

asociados con las arcillas. El yeso (CaSO4 2H2O) presenta su máxima disolución

en salmueras con concentraciones de NaCl de 1.5M o en salmueras con menos de

0.1 M de CaCl2 (Zhang et al. 2013).

Todos los autores destacan el incremento en el pH en la salmuera efluente y la

atribuyen a varias causas: a) la disolución de la calcita (McGuire, 2005); b) el

intercambio iónico entre el agua y las arcillas (Austad, 2010); c) la disolución de la

albita, un mineral del grupo plagioclasa (RezaeiDoust, 2011; Hadia, 2012).

En nuestro estudio atribuimos el incremento del pH al intercambio iónico de la

salmuera de baja concentración con la roca y en específico con las arcillas. En

consecuencia, sólo puede haber una fuente para los cationes de Na encontrados

en exceso en ambos efluentes al inyectar salmuera de baja salinidad y esta es el

hinchamiento de las arcillas y la liberación del ion sodio del espacio interlaminar.

Además, se muestra que la reducción del pH original ocurre debido a la disolución

de especies orgánicas ácidas en el agua (efecto salt-in) o porque estas reaccionan

con el exceso de OH- con la consiguiente formación de naftenatos solubles de sodio

(tensoactivos). Esto se confirma por la disminución de la tensión interfacial en

presencia de salmueras alcalinas y coincide con varios autores (McGuire, 2005;

Zang y Morrow, 2006).

Page 15: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

15

En la Figura 8 se demuestra la dependencia de la tensión interfacial de las

propiedades del aceite ya que, como señala Buckley et al (2007), la tensión

interfacial depende del pH, del contenido en asfaltenos, ácidos y bases del aceite

así como de su viscosidad.

Fig. 8. Variación de la tensión interfacial mínima medida a 90oC en función del

índice de estabilidad coloidal.

El desprendimiento y migración de finos es, como menciona Lager (2006), el

resultado de una sucesión de eventos físico-químicos como sigue: a) intercambio

iónico entre las arcillas y el agua de baja salinidad; b) incremento del pH que afecta

la carga eléctrica de las partículas coloidales; c) desprendimiento de finos debido a

las cargas negativas que generan repulsiones entre partículas coloidales; y d)

arrastre de los finos junto con gotas de aceite en emulsión por el flujo de agua.

Boussour (2009) y Austad (2010) señalan que la montmorillonita por su capacidad

de intercambio catiónico es la que más contribuye en el desprendimiento y

migración de finos. Para Hadia (2012) los finos también son importantes, en especial

las arcillas e indica que se requiere encontrar la concentración crítica de sal en el

agua de inyección para no generar un daño a la formación.

Conclusiones

Las pruebas de desplazamiento en ambos tapones (Berea y Ch 5) confirman la

efectividad de la recuperación con agua de baja salinidad: se logra recuperar de 29

y 23 % más de aceite (20 y 10% OOIP en la etapa de baja salinidad y de 8 y 12 %

OOIP con CaCl2).

Al inyectar la salmuera diluida (AFS 1/100) hay evidencias de que ocurre lo

siguiente:

y = 6.2868x + 9.5559R² = 0.6714

9

11

13

15

17

19

21

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00

TIF

min

, d

in/c

m

IEC, Indice de estabilidad de coloides

Page 16: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

16

Intercambio catiónico Na-Ca en ambos tapones durante las pruebas de

desplazamiento.

Intercambio iónico con las arcillas que provoca un incremento en el pH del

efluente.

Disolución del sulfato de calcio que genera un exceso de iones Ca 2+ en el

efluente de Ch 5.

Desprendimiento de finos (sílica amorfa) por producir turbidez del efluente y

alto contenido del catión Si en Berea.

Disminución de la tensión interfacial producido por el incremento del pH.

La eficiencia de la técnica de recuperación mediante inyección de agua de baja

salinidad depende de:

• La relación Ca/Na en la salmuera inyectada. Ésta debe ser mayor a la crítica

(0.10) para no genera daño a la formación.

• El tipo de arcillas (lo cual depende de la profundidad del yacimiento).

• Las propiedades del aceite (polares, TAN) y su solubilidad en la salmuera.

Modelado del flujo y transporte

Se desarrolló un modelo matemático a escala de laboratorio del proceso de

desplazamiento por salmuera que cambia de alta a baja salinidad considerando los

núcleos y las características de los experimentos anteriormente descritos. El modelo

contempla: (a) flujo bifásico agua-aceite, cambio de las permeabilidades relativas y

de la presión capilar como función de la saturación de agua y de la salinidad, (b)

transporte químico de iones ligados a procesos de intercambio catiónico y

disolución/precipitación de carbonatos dentro del núcleo y (c) desprendimiento de

finos debidos a la reducción de salinidad, la migración de estos, el posible

taponamiento del medio poroso por finos y la reducción de permeabilidad provocada

por ello. El modelo numérico se aplicó al caso del experimento de desplazamiento

en el tapón de arenisca Berea anteriormente descrito en sus Etapas I y II,

considerando las especies químicas en una salinidad integral, y se obtuvo un buen

ajuste de las curvas de recuperación de aceite como función del volumen de fluido

inyectado (Coronado at al, 2016; Díaz et al, 2016).

Referencias

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Page 17: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

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8. Díaz-Viera A. M., Coronado M. , 2016, Mechanistic modeling of low salinity

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Page 19: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

19

Ana Cosultchi Marcu

La Dra. Ana Cosultchi Marcu es investigadora del Instituto Mexicano del Petróleo

desde 1979, tiene estudios de doctorado en ciencias por el Instituto Politécnico

Nacional, maestría y licenciatura en ingeniería química en la Universidad Politécnica

de Bucarest, Romania. Su área de especialidad es química del petróleo, fenómenos

de superficie y estadística. La Dra. Cosultchi ha trabajado en el área petrolera en

proyectos de investigación en asfaltenos, estabilidad de arcillas y en el desarrollo

de sistemas expertos para diagnóstico y control de agua, patrones de

reconocimiento de acuíferos en campo, así como en la investigación básica de los

mecanismos de la inyección de agua de baja salinidad. Es autora de múltiples

registros de propiedad intelectual y artículos en revistas internacionales, y miembro

del Sistema Nacional de Investigadores.

Manuel Coronado Gallardo

El Dr. Manuel Coronado Gallardo es investigador del Instituto Mexicano del Petróleo

desde 2001, tiene estudios de doctorado en ciencias por la Universidad Técnica de

Múnich en Alemania, maestría y licenciatura en física en la Universidad Nacional

Autónoma de México. Su área de especialidad es fenómenos de flujo y transporte

en medio porosos y particularmente en caracterización dinámica de yacimientos por

prueba de trazadores. El Dr. Coronado ha trabajado en el área petrolera en

proyectos de desarrollo y aplicación industrial de pruebas de trazadores en campos

petroleros y de recuperación mejorada por inyección de agua de baja salinidad,

elaborado modelos matemáticos y numéricos de los procesos. El Dr. Coronado es

autor de múltiples registros de propiedad intelectual y artículos en revistas

internacionales, y es miembro de la Academia Mexicana de Ciencias y del Sistema

Nacional de Investigadores.

Miguel Pérez Luna

El Dr. Miguel Pérez Luna es investigador del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP)

desde 1968. Hizo estudios de Químico en la Universidad de Puebla (BUAP),

Maestría en La universidad de México (UNAM) y Doctorado en el Instituto

Politécnico Nacional (IPN).

El Dr. Pérez Luna, ha participado en proyectos de investigación en el IMP enfocados

principalmente en la síntesis, caracterización y aplicación de catalizadores los

cuales se han solicitados por Petróleos Mexicanos (PEMEX).

Page 20: Recuperación adicional de aceite por inyección de agua de

20

Ha publicado y participado en artículos y patentes relacionados con sus

investigaciones que se han concedido en varios países.

En su desarrollo profesional también es profesor de Química Orgánica en IPN.

Actualmente es miembro del sistema Nacional de Investigadores nivel 1.

Andrés E. Moctezuma Berthier

Andrés E. Moctezuma Berthier es gerente de ingeniería de recuperación adicional

en el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP). Tiene estudios de doctorado en el

Instituto Francés del Petróleo y el Instituto de Física de la Tierra en Universidad

París VI, Francia, maestría en Ingeniería Petrolera (Ingeniería de Yacimientos),

División de Estudios de Posgrado, de la Universidad Nacional Autónoma de México

(UNAM), y licenciatura en Ingeniería Petrolera, Facultad de Ingeniería, UNAM.

El Dr. Andrés E. Moctezuma Berthier ingresó al IMP en 1985, donde ha participado

en el área de Procesos de Recuperación Mejorada de Hidrocarburos y Simulación

Numérica, ha sido líder de proyectos de investigación y facturables. En sus

actividades profesionales, ha participado en la implementación de la tecnología de

Tomografía de Rayos X para caracterización de medios porosos altamente

heterogéneos, así mismo ha sido responsable de la transferencia tecnológica para

realizar estudios de inyección de N2, realizado por el Instituto Francés del Petróleo,

y asociado con el proyecto de Inyección de N2 al campo Cantarell.

El Dr. Moctezuma Berthier es miembro del Sistema Nacional de Investigadores,

nivel 1.