6.1: Introducción
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Hasta el momento, hemos visto que gran parte de la importancia que le damos a la comprensión del comportamiento de fase proviene de la capacidad que nos da para predecir cómo se comportará un sistema dado en diferentes condiciones. Necesitamos diagramas de fases para ver cuál es el estado del sistema al que nos enfrentamos; es decir, cuál es su estado original. De hecho, si nos fijamos en la producción de petróleo, a menudo hablamos de un proceso termodinámico que se está llevando a cabo, implicando una trayectoria de proceso similar a la que hemos visto en cualquier curso básico de termodinámica.
Sólo para dar una ilustración, considere Figura\(\PageIndex{1}\).
La producción, como se definió anteriormente, implica llevar el reservorio desde una condición inicial (P A, T f) hasta el estado final de agotamiento (P B, T f), (P D, T f), (P E, T f) o incluso (P F, T f) . Una vez fijados los puntos finales de nuestro camino termodinámico, la pregunta más importante es determinar el camino que conduce a tal punto final. Este camino dicta si se tiene o no la máxima recuperación posible del sistema.
Cuando hablamos de ciclo de gas, generalmente nos estamos refiriendo a la práctica de inyectar gas de nuevo al embalse. Esto se hace con el fin de optimizar el camino termodinámico que hemos elegido tomar. En un sistema de condensado típico, generalmente se produce un gas húmedo a partir del sistema con un alto rendimiento de líquido en la superficie. En la superficie, se pasa este gas a través de una serie de separadores; durante este proceso el líquido va a caer. El líquido que caiga será rico en los componentes más pesados. De ahí que el gas que salga del separador estará seco (es decir, muy ligero). Si vuelve a inyectar este gas magro en el depósito, habrá un proceso de lixiviación. Todo lo que estás tratando de hacer desde el punto de vista del diagrama de fases es mover el límite de fase y el punto de rocío hacia la izquierda (zonas de temperaturas más bajas). Déjame explicarte esto con más detalle.
Digamos que tenemos la envolvente de fase para el fluido reservorio que se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\), con la trayectoria de producción dada. Si tuviéramos que seguir el camino de (A, T f) a (E, T f), entraríamos en la región bifásica y terminaríamos teniendo líquido en el reservorio. No obstante, no quieres líquido en el reservorio porque su baja movilidad dicta que ¡no se recuperaría! A continuación, desea mover ese diagrama de fases hacia la izquierda inyectando un gas más ligero. Cuando inyecta un gas más ligero, la envolvente de fase se desplaza hacia la izquierda; su ruta de producción estará libre de pérdida de líquido en condiciones de depósito. Al inyectar el gas, estamos haciendo que la composición general del fluido del yacimiento sea más ligera. El efecto de la composición sobre el comportamiento de fase se discutió en el módulo anterior (ver Figura 5.2.2 en el Módulo 5). Este ejemplo demuestra la importancia de los diagramas de fase como herramientas que nos ayudan a producir un reservorio de manera óptima.
Entonces, reconocemos que necesitábamos datos de comportamiento de fase para este sistema en particular. La pregunta ahora es ¿cómo obtenemos los datos? Podemos recopilar datos de al menos dos maneras: a partir de mediciones de laboratorio y de mediciones de campo. Los experimentos de laboratorio son caros y no podemos esperar generar datos para cada condición previsible que podamos encontrar. Solo para darte una idea, generar un sobre monofásico puede costar al menos $120,000. Esto no es algo que quieras estar haciendo todo el tiempo. Por otro lado, si fueras al campo, perderías recursos valiosos o tendrías que detener operaciones para hacer tus observaciones. De forma rutinaria, no desea utilizar el campo o un laboratorio como sus principales fuentes de datos de comportamiento de fase. Estas opciones significan una gran cantidad de ingresos perdidos y una gran cantidad de gastos. ¿Existe una tercera opción? Sí, en efecto. Podemos confiar en la predicción, mediante la cual producimos un modelo que puede hacer este trabajo por nosotros. De hecho, estaremos tratando, y desarrollando, esta opción en este curso.
La base para tal modelo es lo que se llama una Ecuación de Estado (EOS). De ahí que la parte central de este curso sea EOS, ya que son la base de lo que hacemos en el comportamiento de fase.
Hay varios otros ejemplos que ilustran muy vívidamente por qué necesitamos estudiar ecuaciones de estado. Por ejemplo, pensemos en el concepto de equilibrio.
En la producción petrolera, generalmente hacemos la suposición de que, en cada etapa, el sistema está en equilibrio. Cuando piensas en el equilibrio, generalmente piensas en un sistema que es estático, es decir, que no se mueve. Cuando un sistema se mueve, no puede, en realidad, estar en equilibrio. Sin embargo, el mejor enfoque que tenemos hasta ahora es describirlo usando termodinámica de equilibrio. Si bien solemos asumir el equilibrio, reconocemos que no es una suposición perfecta, sino que es razonable.
Esto quiere decir que en el curso de producir el reservorio, proceso que siempre implica movimiento, estoy asumiendo que en todas partes el gas y el líquido están en equilibrio. Con esta suposición, somos libres de usar la termodinámica de equilibrio, por lo que podemos emplear EOS para describir el estado del sistema.
Considerar el reservorio en la Figura 6.1.1, en una condición completamente gaseosa en (A, T f), y teniendo una composición fluida conocida z ri (i=1,... n). A medida que producimos este reservorio a través de una tubería, tomamos el fluido de las condiciones del yacimiento a través de una batería de separadores. En términos generales, nos ocupamos de una serie de separadores, pero por el bien de esta discusión, asumiremos que solo tenemos un único separador.
A este separador no le importa la presión y temperatura del reservorio. Sólo se preocupa por su propia condición de presión y temperatura: P s, T s. Se supone que la composición del fluido en la entrada del separador es la misma que la del fluido del depósito, aunque esto es estrictamente cierto solo para condiciones monofásicas.
El fluido sale del separador en dos corrientes: una corriente de vapor y una corriente de líquido. Como ingeniero petrolero, queremos saber cuánto gas, cuánto líquido y la calidad (composiciones) de ambas corrientes. Es decir, necesitamos información cuantitativa y cualitativa. Como estudiaremos en el Módulo 12, podemos realizar un balance de materiales alrededor de cada separador para calcular la cantidad de vapor y líquido que se va a recuperar. Necesitaremos las propiedades de ambas corrientes (como densidad y peso molecular) para expresar caudales en unidades de campo adecuadas.
¿Cómo generamos todo esto? Necesitamos una herramienta; ¡esa herramienta es una Ecuación de Estado! ¿Por qué necesitamos una Ecuación de Estado? Necesitamos EOS para definir el estado del sistema y determinar las propiedades del sistema en ese estado. Por eso se le llama una ecuación de estado. Como habrás notado, algo crítico en esta serie de conferencias es la capacidad de establecer vínculos dentro de todo el material que estamos estudiando. No vamos a ver cada tema simplemente como un compartimento aislado , sino que debemos pensar en términos de cómo cada pieza de información encaja en el panorama general que estamos desarrollando.