Sólidos suspendidos en el agua inyectada
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 los sólidos 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.
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.
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 calidad para un proyecto en particular.
Usualmente, las especificaciones se refieren a la medición de los SES mediante membranas 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 sólidos inorgánicos 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
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 tamiz reteniendo 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 bloquean con 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 cierre en 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 que es posible definir dos tipos de filtración profunda:
a) Filtración profunda mecánica para partículas mayores a 30 micrones (retención en constricciones por fuerzas de fricción).
b) Filtración profunda fisicoquímica (retención en sitios superficiales por fuerzas de
Van der Waals) para partículas entre 3 y 30 micrones.
Los materiales que predominan en los SIS son los “liberados“ por la formación productiva y en menor proporción incrustaciones incipientes y productos de corrosión.
Los sólidos de formación más fáciles de ser transportados tienen un tamaño menor a 4 micrones (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 roca reservorio 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 una operación 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 hacen con el medio poroso en el mismo nivel.
Cuando fluyen en un medio poroso, las partículas son puestas en contacto con posibles sitios 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.
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 ser transportados 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 por productos de corrosión e incrustaciones con tamaño variable pero difícilmente exceden el de una arena mediana.
Las diferencias de densidad entre sólidos también atenta contra la facilidad de transporte de esos 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 SIS expresada 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 de partículas. 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 y de 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 de radio poral se vinculan con los SIS entre sí.
La vinculación es particularmente usada en la etapa de especificación de calidad de agua a 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 externamente cuando 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 la formación. 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 mismo gráfico 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 de filtración necesario.
Por muchos años, la “regla del arte 1/3” se ha usado para relacionar el tamaño de partículas 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 que 1/3 del diámetro promedio poral pueden ser mantenidos caudales de inyección razonables.
En muchas aplicaciones prácticas otras reglas 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.
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 los sólidos 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.
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.
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 calidad para un proyecto en particular.
Usualmente, las especificaciones se refieren a la medición de los SES mediante membranas 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 sólidos inorgánicos 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
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 tamiz reteniendo 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 bloquean con 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 cierre en 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 que es posible definir dos tipos de filtración profunda:
a) Filtración profunda mecánica para partículas mayores a 30 micrones (retención en constricciones por fuerzas de fricción).
b) Filtración profunda fisicoquímica (retención en sitios superficiales por fuerzas de
Van der Waals) para partículas entre 3 y 30 micrones.
Los materiales que predominan en los SIS son los “liberados“ por la formación productiva y en menor proporción incrustaciones incipientes y productos de corrosión.
Los sólidos de formación más fáciles de ser transportados tienen un tamaño menor a 4 micrones (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 roca reservorio 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 una operación 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 hacen con el medio poroso en el mismo nivel.
Cuando fluyen en un medio poroso, las partículas son puestas en contacto con posibles sitios 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.
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 ser transportados 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 por productos de corrosión e incrustaciones con tamaño variable pero difícilmente exceden el de una arena mediana.
Las diferencias de densidad entre sólidos también atenta contra la facilidad de transporte de esos 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 SIS expresada 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 de partículas. 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 y de 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 de radio poral se vinculan con los SIS entre sí.
La vinculación es particularmente usada en la etapa de especificación de calidad de agua a 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 externamente cuando 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 la formación. 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 mismo gráfico 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 de filtración necesario.
Por muchos años, la “regla del arte 1/3” se ha usado para relacionar el tamaño de partículas 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 que 1/3 del diámetro promedio poral pueden ser mantenidos caudales de inyección razonables.
En muchas aplicaciones prácticas otras reglas 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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