Enge En genh nhar aria ia de Re Rese serv rvat atór ório ioss I Prof. Felipe Cutrim
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EMENTA 1. Propriedades dos fluidos; 2. Propriedade das rochas; 3. Permeabilidade; 4. Equação de Darcy e Poiseuille; 5. Fluxo linear e fluxo radical; 6. Capilaridade, pressão capilar e molhabilidade; 7. Escoamento de líquidos em meios porosos: equação da difusividade hidráulica; 8. Soluções clássicas da equação da difusividade hidráulica; 9. Superposição de efeitos e dano à formação; 10. Índice de produtividade; 2
EMENTA 1. Propriedades dos fluidos; 2. Propriedade das rochas; 3. Permeabilidade; 4. Equação de Darcy e Poiseuille; 5. Fluxo linear e fluxo radical; 6. Capilaridade, pressão capilar e molhabilidade; 7. Escoamento de líquidos em meios porosos: equação da difusividade hidráulica; 8. Soluções clássicas da equação da difusividade hidráulica; 9. Superposição de efeitos e dano à formação; 10. Índice de produtividade; 2
EMENTA 11. Escoamento de gases em meios poros: equação da difusividade hidráulica para gases ideais e reais; 12. Soluções clássicas e aproximadas; 13. Fluxo turbulento e efeito de película; 14. Mecanismo de produção de reservatório; 15. Influxo de água; 16. Balanço de matérias em reservatórios de óleo e de gás; 17. Fator de recuperação. Linearização da eq. de balanço; 18. Reservatórios de óleo com gás em solução; s olução; 19. Reservatórios de óleo com capa de gás; 20. Reservatórios de óleo com mecanismo de influxo de água. 3
BIBLIOGRAFIA BÁSICA
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ROSA, A.J.M.; CARVALHO, R.S.; XAVIER, J.A.D. Engenharia de Reservatórios de Petróleo. Editora Interciê Interciência ncia,, 2006. 2006. DAKE, L. P. Engenharia de Reservatórios: Fundamentos. Campus, 2014. AHMED, T.H. Reservoir Reservoir Engineerin Engineering g Handbook Handbook.. Gulf Publishing Publishing Company, Company, 2006. 2006.
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BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR • DONNE NNEZ, P. Essentials of Reservoir Engineering. Editio Editions ns Technip echnip,, 2007. 2007. • TOWLER, B. F. Fundamental Fundamental Principles of Reservoir Engineering. SPE, 2002. • CRAFT, CRAFT, B. C.; HAWKINS, HAWKINS, M.; TERRY T ERRY,, R. E. Applied Petroleum Reservoir Engineering. 2ª ed. Prentice Hall, 1991. • ROSA, A. J.; CARVALHO, R. S. Previsão de Comportamento de Reservatórios de Petróleo. Interciência, Interciência, 2002. 5
AVALIAÇÕES • PROVAS: 04/10 e 29/11 • Exercícios de fixação • Discussão de artigos científicos
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Sumário •
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Introdução Propriedades dos Fluidos
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Introdução • Petróleo: PETRA = ROCHA OLEUM = ÓLEO Misturas naturais de hidrocarbonetos que podem ser encontradas nas rochas-reservatório nos estados sólido, líquido ou gasoso. • Reservatório: acumulação de hidrocarbonetos em rocha permo-porosa. • Campo: vários reservatórios em diferentes horizontes estratigráficos, com diversos níveis de pressão. • Acumulação: rocha geradora formação e migração do petróleo mecanismo de trapeamento. 8
Geração do Petróleo • Durante alguns intervalos de tempo da longa história da Terra, uma enorme massa de organismos vegetais e animais foram, pouco a pouco, depositando-se no fundo dos mares e lagos.
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Geração do Petróleo • Pela ação do calor e da pressãoprovocada pelo seguido empilhamento de camadas, esses depósitos orgânicos transformaram-se, mediante reações termoquímicas, em óleo e gás.
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Geração do Petróleo • Essas substâncias são formadas pela combinação de moléculas de carbono e hidrogênio, em níveis variáveis. Por isso, o petróleo é definido como uma mistura complexa de hidrocarbonetos, que resultam em diversas formas de óleo bruto, cujas propriedades dependem da natureza e proporção desses componentes. • Pode conter também outros compostos formados por átomos de enxofre, oxigênio e/ou nitrogênio. Exemplo: N 2, CO2 e H2S.
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Trapeamento do Petróleo
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Industria do Petróleo Abastecimento
E&P Exploração:
Geofísica Geologia
Reservatórios: Geofísica Geologia Eng. Reservatórios
Produção:
Transporte Refino Comercialização
Perfuração Completação Produção
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Engenharia de Reservatório • Missão: obter a máxima recuperação possível de um reservatório baseado informações e conhecimento.
econômica em fatos,
• Atividades: planejar o desenvolvimento de um campo de petróleo, prever o seu desempenho durante toda a sua vida produtiva, analisar o seu comportamento e propor correções para otimizar o seu desempenho.
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Imagem do Reservatório • Ambiente de trabalho: Sistema heterogêneo, complexo, não visível, cujo entendimento é limitado pela escassez de dados e informações.
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Engenharia de Reservatório INSUMOS: • Sísmica: Estrutura, Falhas, Macro Heterogeneidades. • Geologia: Ambiente Deposicional, Litologia, Fraturas, Mapas.
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Engenharia de Reservatório INSUMOS: • Perfis: Porosidade, Saturações, Contatos, Espessuras.
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Engenharia de Reservatório INSUMOS: • Testemunhos: Permeabilidade, Saturações Residuais, Porosidade, Permeabilidades Relativas, Pressão Capilar, Tamanho de Grãos, Distribuição de Poros, etc.
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Engenharia de Reservatório
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Engenharia de Reservatório Principais Produtos: • Estimativas de Volumes. • Plano de Explotação. • Previsão de Produção. • Estimativa de Reservas. • Acompanhamento do Desempenho. • Correção de Desvios. • Implantação de Melhorias. 20
Processo de descoberta Prospectos
Recurso Descoberto
Pioneiro Prospecto Exploratório
Avaliação Descoberta Delimitação AnáliseEconômica-Alternativa"A" (8poços)(Vol. Recup.=12Mmbbl---VPL=72,5MMUS$) 2,5
80 70
2
60 Óleo
50
VPLanual
$ S 40 U M M (
1,5 ) l b b M
da /
RECURSO
o 30 d a l u m 20 u c A L 10 P V
M ( o ã z a 1 V
0,5
0
Implantação do Plano de RESERVA Plano Desenvolvimento Declaração da Economicidade -10
0
1
-20
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8
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10
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Ano
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Recuperação de Petróleo • VOLUME ORIGINAL - é o volume de petróleo, inicialmente contido numa acumulação, descoberta ou não, expresso nas condições básicas (VOIP ou N). • FATOR DE RECUPERAÇÃO – é a fração do VOIP que pode ser recuperado de forma econômica de um reservatório (FR). • VOLUME RECUPERÁVEL - é o volume de petróleo, expresso nas condições básicas, que poderá ser obtido como resultado da produção de um reservatório, desde as condições iniciais até o seu abandono (Vrec= VOIP x FR). • PRODUÇÃO ACUMULADA – é a parcela do volume recuperável já produzida (NP). • RESERVAS – é a quantitade de petróleo possível de ser recuperada economicamenete ainda existente no reservatório (Vrec-Np).
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Recuperação de Petróleo
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Lembretes importantes 1) O Petróleo é armazenado no interior de rochas porosas denominadas de Reservatórios. 2) Ele ocorre na natureza na fase líquida (óleo com gás em solução) e/ou gasosa. 3) Ele escoa pelos poros da rocha reservatório em direção aos poços produtores. 4) A velocidade do escoamento (produção) é função da permeabilidade da rocha e da viscosidade do fluido. 5) O volume da acumulação é função da porosidade da rocha, saturação de fluidos, área e espessura do reservatório. 6) Só uma fração do volume de óleo é recuperado (Reservas). O Fator de Recuperação varia em torno de 15 a 50 %. 24
Sistemas de unidades
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Propriedades do Fluidos Estudo da variação das propriedades intensivas dos fluidos (componentes puros ou misturas) em função de mudanças de pressão, volume, temperatura e composição. Por exemplo: Densidade Compressibilidade Tensão superficial Viscosidade Capacidade calorífica •
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Conceitos e Definições A ênfase será nas variações de propriedades e fases de hidrocarbonetos e fluidos utilizados na recuperação avançada de óleo. As principais aplicações da Análise PVT são: Auxiliar na formulação de estratégias para produção eficiente de óleo e gás. Auxiliar os processos de recuperação avançada de óleo via injeção de gás e processos térmicos Ajudar no projeto e operação de instalações de processamento. •
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Conceitos e Definições Sistema: Parte da matéria com contornos finitos (físicos ou virtuais), pode ser considerado isolado do ambiente. Sistema Fechado: Não troca massa com o ambiente mas pode trocar energia (calor). Sistema Aberto: Troca massa e energia com o ambiente. Sistema Isolado (adiabático): Não troca massa nem energia com o ambiente. Sistema Homogêneo: Propriedades intensivas mudam constante e uniformemente. 28
Conceitos e Definições Exemplos: Reservatórios de gás: óleo acima da pressão de saturação. Densidade aumenta gradualmente com aumento da pressão e vice-versa. •
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Sistema Heterogêneo: Formado por dois ou mais fases, as propriedades intensivas mudam abruptamente na superfície de contato. Exemplos: • Sistemas de óleo e capa de gás • Densidademuda abruptamente na interface (contato óleo-gás) 29
Conceitos e Definições Fase: qualquer parte homogênea e fisicamente distinta de um sistema. Homogênea significa que é possível se mover de um ponto a outro de uma região sem observar uma mudança descontinua em uma propriedade. Propriedades: Características de um sistema (fase) que podem ser avaliadas quantitativamente. Exemplos: Densidade da fase Compressibilidade Tensão superficial Viscosidade Condutividade térmica •
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Conceitos e Definições Propriedades extensivas: Dependem da massa do sistema. Exemplos: conteúdo calórico (cal), saturação. Propriedades intensivas: Não dependem da massa do sistema. Exemplos: calor específico, densidade, viscosidade, composição, pressão, temperatura. Componentes: espécies moleculares - definidas ou hipotéticas. Fluidos de reservatório contem muitos componentes, as vezes combinados para formar componentes hipotéticos ou pseudo-componentes. Definidos: C1, C2, H2O Hipotético: C7+ •
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Conceitos e Definições Estado: Condição de um sistema, em um instante de tempo, determinada quando todas as propriedades intensivas estão fixadas. Estado de Equilíbrio: Quando todas as propriedades intensivas não mudam com o tempo. Não existem forças motrizes. Isto é: Equilíbrio mecânico: P constante Equilíbrio térmico: T constante Equilíbrio químico: Potencial químico de cada espécie constante. •
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Conceitos e Definições Estado de não Equilíbrio: Propriedades intensivas mudam com o tempo. Pode ser modelado como uma sequência de estados de equilíbrio. Diagrama de Fases: Chamado de envelope de fase. O ponto de orvalho e o ponto de bolha convergem no ponto crítico. Processo: Qualquer mudança de um sistema é chamada de processo termodinâmico. Pode acontecer sem restrições ou sob certas condições (T constante, P constante, V constante).
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Conceitos e Definições
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Conceitos e Definições Ponto crítico: Indica a condição de pressão e temperatura criticas onde não é mais possível distinguir a transição de uma fase gasosa em uma fase líquida de uma substância pura. •
As propriedades intensivas das fases líquido e gás de uma substância são iguais. •
Ponto onde as curvas de pressão de bolha, pressão de orvalho e todas as linhas de qualidade se encontram. •
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Conceitos e Definições Linhas de qualidade: linhas iso-volumétricas, ou isomolares que unem os pontos de pressão e temperatura com valores idênticos para as frações volumétricas ou molares da fase líquida. Cricondenterma: linha reta tangente à curva dos pontos de orvalho Cricondenbárica: linha reta tangente à curva dos pontos de bolha
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Conceitos e Definições
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Propriedades de Óleo e Gás
Fluidos de reservatório são formados principalmente por hidrocarbonetos, CO2, N2, compostos sulfurados e água. Geralmente, considera-se que água e óleo são inmiscíveis em condições de reservatórios. No entanto, isto não acontece em altas temperaturas (injeção de vapor para recuperação de óleos pesados).
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Propriedades de Óleo e Gás
O comportamento termodinâmico de fluidos em condições de superfície e de reservatório é determinado pela composição química, pressão e temperatura. O estudo do comportamento termodinâmico e das propriedades é indispensável para o desenvolvimento e gerenciamento de um
reservatório,
afeta
a
produção,
exploração
e
processamento.
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Propriedades de Óleo e Gás Hidrocarbonetos Alifáticos
Aromáticos
Alcanos
Alcenos
Alcinos
Cíclicos
Parafinas
Olefinas
Acetilenos
Naftenos
C n H 2 n 2
C n H 2 n
C n H 2 n 2
C n H 2 n
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Propriedades de Óleo e Gás O valor comercial de petróleo líquido pode ser estimado rapidamente através da medição de algumas seguintes propriedades físicas: • Massa específica • Teor de gasolina e querosene • Teor de enxofre e asfalto • Ponto de fluidez ( pour point ) menor temperatura na qual um fluido escoa • Ponto de névoa (cloud point ) temperatura na qual a parafina começa a solidificar
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Propriedades de Óleo e Gás A classificação química de petróleo está relacionada com a estrutura química das moléculas presentes: • PNA e combinações - Parafínico - Naftênico - Naftênico - Aromático - Aromático - Alifático • Resinas e asfaltenos
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Propriedades de Óleo e Gás O óleo cru sempre está associado ao gás em qualquer condição do sistema de produção. O comportamento em função de T e P é afetado pelo tipo e quantidade de gás em solução. Um decréscimo de pressão produz liberação de gás da solução para formar um sistema bifásico. As quantidades relativas
de
óleo
e
gás
produzidas
afetam
o
comportamento volumétrico do óleo no reservatório como no tanque de armazenamento. 43
Propriedades de Óleo e Gás
Localização
Pressão (psia) Reservatório 500 – 10000 Separador 100 - 600 Tanque 14,7 Cond. Pad. 14,7
Temperatura (F) 100 – 300 75 – 150 Ambiente 60
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Tipo de Fluidos de Reservatórios Black-oil : •
A maior parte dos óleos, apresentam baixa RGO e Psat.
As linhas de qualidade são bastante espaçadas próximo às condições de reservatório. •
As condições de separador estão localizadas em linhas de qualidade de alto valor. •
Em decorrência dos fatores acima, ocorre um pequeno encolhimento quando produzido. •
O fluido resultante vai se tornando mais pesado a medida em que o gás vai saindo de solução. •
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Diagrama de fases de Black Oil
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Tipo de Fluidos de Reservatórios Óleo Volátil (Alta contração) São óleos que contém elevados teores de hidrocarbonetos intermediários (C2-C6) e reduzidos teores de pesados. •
Apresentam baixa viscosidade, são claros e muito leves, com elevado teor de gás dissolvido e grande encolhimento. A pressão de bolha também é elevada. •
O diagrama de fases é bem diferente do black oil , já que a temperatura crítica é menor e próxima da temperatura de reservatório. Por isso também é conhecido como óleo quase-crítico. •
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Tipo de Fluidos de Reservatórios Óleo Volátil: As linhas de qualidade são pouco espaçadas próximo à linha de ponto de bolha. •
Uma pequena redução de pressão, abaixo da pressão de bolha, implica na saída de muito gás de solução. •
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Diagrama de fases de óleo volátil
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Tipo de Fluidos de Reservatórios Gás Condensado: Também conhecido por gás retrógrado, é totalmente gás em condições de reservatório. A medida que se reduz a pressão abaixo da pressão de orvalho, forma-se um líquido que é depositado ainda no reservatório. •
Normalmente, este líquido não irá escoar e, portanto, não será produzido. No entanto, acarreta problemas para a produção já que o aparecimento de uma saturação de líquido em reservatório diminui a permeabilidade relativa ao gás. •
•
O ponto crítico é deslocado para a esquerda do envelope
A temperatura de reservatório se situa entre a temperatura crítica e a cricondentérmica. •
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Diagrama de fases de gás condensado
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Tipo de Fluidos de Reservatórios Gás Úmido: Constituído praticamente componentes leves. •
por
metano
e
alguns
As condições de reservatório situam o gás a direita do envelope de fases, e este assim se mantém até o ponto de abandono. •
A condição do separador, no entanto, encontra-se dentro do envelope. Não há formação de líquido em condições de reservatório, porém ocorre deposição em condições do separador. •
•
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Diagrama de fases de gás úmido
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Tipo de Fluidos de Reservatórios Gás Seco: Constituído praticamente por componentes não-hidrocarbonetos. •
metano
e
alguns
O diagrama de fases se situa, na maioria das vezes, abaixo da temperatura ambiente, não ocorrendo deposição de líquido. •
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Modelagem simplificada, usando equação do gás real.
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Diagrama de fases de gás seco
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