Propiedades de los fluidos del Petróleo
Objetivo Este módulo tratará los conceptos claves para la clasificación de los diferentes tipos de hidrocarburos.
Objetivo Este módulo tratará los conceptos claves para la clasificación de los diferentes tipos de hidrocarburos.
Introducción Los hidrocarburos juegan un papel fundamental en la vida diaria de todas las personas. Nos proveen de energía para mover automóviles, generar energía eléctrica, crear productos químicos, plásticos, perfumes, aceites, grasas, etc. El petróleo y en sí los hidrocarburos no tienen las misma características. Hay diferentes tipos de crudo y sus propiedades físicas son diferentes. Esto implica diferentes equipos para extraerlo y facilidades de producción específicas. Esto hace que los tipos de crudo se diferencian por su valor económico. Este módulo tratará los diferentes tipos de crudo, sus propiedades y comparaciones entre ellos.
Contenido Hidrocarburos ¿Qué son los hidrocarburos? Hidrocarburos en estado gaseoso, líquido y sólido
Propiedades de los Hidrocarburos Condiciones en el yacimiento Diagramas de Fase GORi Rs Bo Gravedad API Coeficiente de viscosidad
Tipos de crudo Black Oil Volatil Oil Retrograde Gas Wet Gas Dry Gas
Hidrocarburos
¿Qué son los Hidrocarburos? Los hidrocarburos (HC) son unos compuestos orgánicos que se encuentran en la naturaleza y están constituidos de Hidrógeno y carbono. Estos pueden ser livianos o pesados (según la cantidad de átomos de carbón que contengan) y se pueden encontrar en estado gaseoso, líquido o sólido.
Tipos de Hidrocarburos: Nombre
Formula
Nomenclatura Petrolera
Metano
CH4
C1
Etano
C2H6
C2
Propano
C3H8
C3
Butano
C4H10
C4
Pentano
C5H12
C5
Hexano
C6H14
C6
¿Qué son los Hidrocarburos? Como se mencionó anteriormente, los hidrocarburos pueden ser: Livianos Son hidrocarburos compuestos principalmente de Metano (C1). Se les conoce como gases pobres porque no contienen hidrocarburos pesados y por lo tanto no tienen un buen valor económico. Intermedios Se componen principalmente de los hidrocarburos entre Etano (C2) y Hexano (C6). Dentro de este rango están la gasolina, el gas Propano y el gas butano. Pesados Se les llama así a los hidrocarburos compuestos a partir del Heptano (C7) y tienen un gran valor económico comparado con los HC livianos. Por facilidad en la caracterización se definió el HEPTANO PLUS (C7+) para
HC en estado gaseoso METANO Es el hidrocarburo gaseoso más liviano y abundante y el principal componente del gas natural. El Metano es un gas incoloro e inodoro GAS NATURAL Es una mezcla natural de gases hidrocarburos la cual es altamente compresible y expansible. El metano es su principal constituyente con más del 85% y cantidades pequeñas de C2 hasta el C5. Además, contiene impurezas como Dióxido de carbono, Nitrógeno y Sulfuro de Hidrógeno. Este es el tipo de gas que se extrae de los yacimientos de Chuchupa y Ballenas en la Guajira.
HC en estado líquido Los hidrocarburos en estado líquidos son los que comúnmente se conocen como petróleo o alguno de sus derivados. PETROLEO Es una mezcla compleja de hidrocarburos encontrados en la naturaleza. El petróleo puede encontrarse como sólido, liquido o gas, pero esta palabra generalmente es usada para aceite crudo líquido. Las propiedades como el color, la gravedad API, olor, viscosidad e impurezas varían dependiendo del yacimiento.
HC en estado sólido BITUMEN Es una materia orgánica inflamable formada de Kerógeno durante el proceso de formación del petróleo. El Bitumen incluye Hidrocarburos como Asfaltenos y Cera Mineral. Por lo general es sólido y de color negro o marrón.
Asfalto
Propiedades de los hidrocarburos
Condiciones en el yacimiento En un yacimiento de petróleo se encuentra gas, crudo y agua. Debido a que el yacimiento se encuentra a miles de pies de profundidad del suelo, la cantidad de tierra y rocas que hay encima de éste ejerce grandes presiones (miles de libras por pulgada cuadrada o psi) sobre el gas y crudo contenidos en el. El volumen del crudo y el gas varían con la presión. Los tipos de crudo se diferencian principalmente por las siguientes propiedades que se explicarán a continuación: • • • •
Bo GORi Gravedad API Color
Presión
Antes de ver las propiedades, veremos los diagramas de fase de los
Diagramas de Fase Los diagramas de fase determinan el comportamiento del fluido respecto a la presión y temperatura en el yacimiento. Cada tipo de crudo tiene su propio diagrama de fase. Zona de líquido
n ói s e r P
Zona de Gas
8 0 0
7 Presión de Burbuja % de líquido
Presión de Rocío
5 0
4 0 2 0 1 0
Dependiendo de la presión y la El Diagrama de fase tiene dos temperatura, un hidrocarburo zonas, una donde el puede estar como gas y/o hidrocarburo es líquido y otra como líquido en el donde es gas. yacimiento. Cuando esque A medida Cuando la llega presión a extraído este eldesciende fluido punto,del se el al Suponga que el hidrocarburo yacimiento yel estádel siendo Nuevamente porcentaje o acerca gas ser disuelto extraído a la dentro superficie, el gas crudo más del Ahora suponga que lo que hay gas es líquido y contiene llevado a a la superficie del fracción de líquido que queda gas comienza yacimiento, se va separando llega separarse. a este y punto cada Esta en el yacimiento es sólo gas. disuelto a la gas, presión del pozo, presión comienza a al presión dedepende rocío vezsepararse presión llamado eslamenos se del elconoce crudo que como va yacimiento. bajar yel temperatura de la presión. quedando. presión donde delaburbuja. gas comienza se a mantiene casi(formar constante. condensarse líquido).
Diagramas de Fase Presión de Burbuja: Es la presión donde aparece la primera burbuja de gas en el petróleo que esta líquido en el yacimiento. A esta presión se dice que el líquido está saturado. Presión de Rocío: A diferencia de la presión de burbuja, la presión de rocío es la presión donde aparece la primera gota de líquido a una temperatura dada. El petróleo está como gas en el yacimiento y en este punto comienza a condensarse.
Presión de Brubuja
n ó i s e r P
Presión de rocío
Presión crítica
Temperatura
Presión crítica: Es el punto donde convergen la fase líquida y la fase gaseosa. En este punto no se puede diferenciar el líquido del gas.
GORi La relación Gas - Aceite inicial (Gas Oil Ratio) indica que tanto gas hay por cada barril de crudo, todo en condiciones estándar (60ºF, 14,7psi).
El volumen del gas se mide en pies cúbicos estándar (SCF). El crudo se mide en barriles en tanque de almacenamiento (STB).
Vol. gas a condicione s estándar SCF GORi= = Vol. petróleoa condicione s estándar STB
Esta relación es clave para determinar el tipo de crudo en un yacimiento.
Rs Es la cantidad de gas en solución que tiene el crudo (disuelto dentro de él). Petróleo Sobresaturado Por encima de la presión de burbuja. No puede disolver más petróleo. Petróleo Saturado A la presión de burbuja. En equilibrio. Petróleo Subsaturado Por debajo de la presión de burbuja.
Rs =
Vol. gas disueltoa condicione s estándar SCF = Vol. petróleoa condicione s estándar STB Petróleo Saturado Rs
Liberación de gas
Petróleo Sobresaturado
No liberación de gas
Petróleo Subsaturado Pb
Presión
Bo El factor volumétrico de formación del aceite (Bo) compara los volúmenes de crudo y gas disuelto en el yacimiento contra el volumen de ese crudo en superficie (a condiciones estándar). res Bl: Es el volumen del crudo y del gas disuelto dentro del crudo, en el yacimiento. Debido a las altas presiones, el volumen del gas es reducido dramáticamente en comparación a su volumen arriba en la superficie. STB: Stock Tank Barrel o barril en tanque de almacenamiento. Es el volumen que ocupa el sólo crudo (sin gas) a condiciones estándar (60ºF y 14.7psi de presión absoluta). Con esto, se tiene para el Bo:
Bo =
Vol. petróleo+ gas disueltoen yacimiento res Bl = Vol petróleoa condicione s estándar STB
Bo El Bo (factor volumétrico del aceite) también es afectado por la liberación de gas, cuando la presión del crudo cae por debajo de la presión de burbuja.
Bo
Liberación del gas en solución Expansión del líquido
Pb
Presión
La expansión del crudo por disminución en la presión es compensada por la temperatura, si esta llegase también a reducirse.
Gravedad o Grado API (ºAPI) Es una escala adoptada por la American Petroleum Institute (API) para determinar la gravedad específica o densidad de un hidrocarburo. Entre más grados API se obtiene un hidrocarburo de más baja densidad.
GravedadAPI =
141.5 .5 − 131 GravedadEspecífica @60º F
El grado API influye directamente en el costo del hidrocarburo, entre más alto sea el grado más elevado será su precio. El agua tiene 10 ºAPI, el crudo de Caño Limón es 29 ºAPI, mientras que una gasolina puede tener hasta 60 ºAPI por citar algunos ejemplos. Los crudos, según su gravedad se clasifican en: •Super Pesados (Menos de 10 ºAPI) •Pesados (10 - 22 ºAPI) •Medianos (22 32 ºAPI)
Coeficiente de Viscosidad (
)
La viscosidad en los fluidos influye en la facilidad de estos para fluir. Cuando se tiene un valor alto de viscosidad, el fluido tiene mucha resistencia al flujo. Para los hidrocarburos, la viscosidad varía por la presión y la temperatura. En el caso de la presión, cuando el crudo baja de la presión de burbuja y comienza la liberación de gas, la viscosidad aumenta notablemente, tal como se muestra en la siguiente gráfica. aumenta con la disminución Presión
disminuye con Presión
Presión
Tipos de crudo
Tipos de crudo Existen cinco diferentes tipos de crudo, que se diferencian por propiedades como GORi, Bo y gravedad API. Black Oil (Aceite Negro) Volatil Oil (Aceite Volátil) Retrograde Gas (Gas Retrógrado) Wet Gas (Gas Húmedo) Dry Gas (Gas Seco)
Además de las propiedades mencionadas, es determinante la cantidad de hidrocarburos pesados que contenga el crudo (%C7+ o % de Heptano Plus), llamada también fracción pesada. En el Black Oil es mayor del 20%, mientras que en el gas seco es menor al 0.7%.
Tipos de crudo Las diferencias en las propiedades, se listan a continuación.
Propiedad
Aceite Negro (Black Oil)
Aceite Volátil
Gas Retrógrado
Gas Húmedo
Gas Seco
GOR
Menor 2000
2000 - 3000
3500 - 50000
50000
……..
°API
Menor 40
40 - 55
Mayor 55
Mayor 55
……
Negro
Marrón
Verde
Verde
Naranja
Blanco
Blanco
…….
Marrón
Verde
Marrón
Boi
Menor 2.0
Mayor 2.0
……
….
…..
C7+
Mayor 20%
20 - 12.5%
12.5 - 4%
4 - 0.7%
Menor 0.7%
Campo
Caño limón
Cusiana
Floreña
Cupiagua
Guajira
Color
Black Oil Es el crudo existente en Caño Limón y es el que tiene mayor fracción de hidrocarburos pesados (C7+). El gas que se desprende del Black Oil es gas seco, debido a las moléculas livianas que se liberan. Este gas no se condensa. El
Black Oil tiene
GORi º API Boi HC Pesados Colores
un gran valor económico.
BLAC K OIL M enos de 1.750 SCF /S BT Menor a 40
Menor de 2 resBL/SBT Mas del 20% Muy Oscuros Negro Marrón
GORi º API Boi HC Pesados Pres. Burbu Colores
BLACK OIL - C año Limó 12 - 20 SCF/SBT 29,5
1,075 resBL/SBT Mas del 30% 42 - 70 psi Negro Marrón (ocasionalmente)
Diagrama de Fase del Black Oil 2000
i] s p [ n ió s e r P
1
1000
2
Trayectoria de Presión
8 0
7 0
300
3
Punto Crítico
% de líquido 5 0 3 0
Separador
1 0
Temperatura [ºF]
El gas seco, liberado por el crudo tiene una alta concentración de hidrocarburos livianos.
Ejemplo de un diagrama de fase de un Black Oil . Observe que el hidrocarburo se conserva líquido durante todo el proceso, a pesar que libera gas.
Analisis del Gas, Pozo RD-0 Nitrógeno 51,72% CO2 9,34%
H2S Metano Etano Propano Butano (l,n) Pentano (l,n) Hexano
0,00% 7,14% 0,51% 7,30% 13,07% 8,10% 1 84%
Procesamiento del Black Oil Cuando el petróleo liquido llega a superficie requiere de un tratamiento para retirarle las impurezas tales como:
• Agua • Dióxido de carbono (CO2) • Nitrógeno • Sulfuro de Hidrógeno
Por este motivo se deben instalar las facilidades de superficie, que se componen de tanques, bombas, celdas de flotación, enfriadores, etc. En caño Limón, el gas que se libera del crudo se quema en la tea debido a que no es
Black Oil de Caño Limón Propiedades 13,9 cSt Viscos idad (104 ºF) 3,5 cSt Viscos idad (212 ºF) 19.215 BTU/lb Po der C alorífico Bruto 18.129 BTU/lb Pode r Ca lorífico Neto 105,8 ºF Punto de E bullición ºAPI 29,4 Grave dad Específica 0,879 0,8 psi Presión de Vapor (60 ºF) 35 ºF Punto de fluidez 45 ºF Punto de inflamación Grave dad Espec. Conde nsado 0,725 ºAP I Die se l e n C año Limón (60 ºF) 31,8 Gra v. Es pe c. Agua de P ro ducció n 0,998
Análisis uímico Carbón 5,70 %masa Ceniza 0,01 %masa Nitrógeno 0,24 %masa Azufre 0,52 mg/kg Calcio 3,00 mg/kg Cobre 0,20 mg/kg Hierro 6,00 mg/kg Magnesio 0,80 mg/kg Niquel 37,20 mg/kg Sodio 8,20 mg/kg Vanadio 13,30 mg/kg Sal 2,80 gr/m3
BLACK OIL - Caño Limón
GORi
12 - 20 SCF/SBT
º API
29,4
Boi
Datos obtenidos en el laboratorio.
HC Pesados Pres. Burbuja Colores
1,075 resBL/SBT Mas del 30% 42 - 70 psi Negro
Facilidad de Tratamiento Black Oil Separador de Gas
Celda de Flotación, donde el crudo restante es retirado del agua.
Tanque de techo cónico FWKO, donde se separa inicialmente el crudo del agua.
Volatil Oil El aceite volátil es un tipo de hidrocarburo líquido con más componentes intermedios y livianos que un Black Oil . En Colombia el campo de Cusiana tiene este tipo de crudo en su yacimiento.
GORi º API Boi HC Pesados Colores
VOLATIL OI 2.000 - 3.200 SCF/SBT
Mayor de 40 Mayor de 2 resBL/SBT Ent re 12,5% y 20% Marrón Naranja Verde
El gas que sale del petróleo o aceite Volátil se llama Gas Retrógrado. El °API en el ST aumenta durante la vida del yacimiento. Una pequeña reducción de presión por debajo de la presión de burbuja causa
Diagrama de Fase del Volatil Oil 1 Punto Crítico
2 n ió s e r P
% de líquido
8 0 7 0 4 0
3 3 0
1 0
Al igual que el Black Oil , el petróleo volátil se encuentra también como líquido dentro del yacimiento, a diferencia que el volátil está mas cerca de la zona de gas en el diagrama.
Separador Temperatura
El almacenamiento del aceite volátil es similar al del Black Oil , se diferencian en que se debe tener cuidado para que el gas no se libere fácilmente, dadas las condiciones del Aceite Volátil.
Almacenamiento del Volatil Oil
Tanque de almacenamiento.
Retrograde Gas Es un Hidrocarburo gaseoso por encima de la presión critica, y a medida que la presión disminuye condensa líquido en el yacimiento, pero dicho líquido se evapora nuevamente. En español se conoce como gas retrógrado o gas condensado.
RETROGRADE GA
GORi º API Boi HC Pesados Colores
Más de 3.200 SCF/SBT Mas de 57 --Ent re 4% y 12,5% Marrón Naranja Verde y Blanco
El gas en superficie es muy rico en hidrocarburos intermedios. Se procesa para sacar desde Etano hasta Hexano (C2 a C6).
Diagrama de Fase del Retrograde Gas 1 2
n ió s e r P
Punto Crítico % de líquido 8 0
4 0
2 0
3 1 0
El gas retrógrado, al estar más allá de la presión crítica se encuentra como gas en el yacimiento. A medida que la presión comienza a descender y alcanza la presión de rocío, aparece crudo condensado.
5
Separador Temperatura
Para obtener la mayor cantidad de líquido, el gas retrógrado es contenido en unos recipientes cerrados (separadores) que trabajan a una presión y temperatura óptima. En Colombia, un yacimiento con este tipo de crudo se encuentra por ejemplo en
Almacenamiento del Retrograde Gas
Separadores
Wet Gas Es un Hidrocarburo que existe como Gas durante toda la vida en el yacimiento, pero condensa líquido en los separadores de superficie. Por eso se conoce como gas húmedo (Wet Gas).
GORi º API Boi HC Pesados Color del c ondensad
WET GAS Más de 50.000 SCF/SBT
Mas de 57 --De 0,7% a 4,0% Blanc o
Las propiedades del gas en el yacimiento no son las mismas que en superficie. El condensado es rico en hidrocarburos intermedios y se les conoce como productos de planta (GPM).
Diagrama de Fase del Wet Gas 4500
1
i] s p [ n ió s e r P
Punto Crítico
% de líquido
2500
5 0
110
1 0
Separador
5
2
La única forma de obtener condensado de un gas húmedo es mediante el uso de separadores a una presión y temperatura determinadas.
1
Temperatura
El tratamiento del gas Húmedo es muy similar al gas retrógrado pues el objetivo principal es el obtener la mayor cantidad del liquido.
Almacenamiento del Wet Gas Tanque cónico
Tanques esféricos
Dry Gas El gas seco o dry gas contiene principalmente Metano y algunos hidrocarburos intermedios. Se llama gas seco porque no tiene suficientes hidrocarburos pesados para condensar.
GORi º API Boi HC Pesados Color
DRY GAS ---
----Menos de 0,7% ---
La composición del gas en yacimiento es la misma que superficie y básicamente se compone de Metano. A este tipo de gas también se le conoce como gas pobre o gas natural
Diagrama de Fase del Dry Gas 4500
1
i] s p [ n ió s e r P
Punto Crítico
% de líquido
2800
5 0
1 0
5
2
Del gas seco no se puede extraer condensado, su única utilidad es como gas natural.
1
110 Temperatura
Su almacenamiento similar que el gas húmedo, en tanques cilíndricos y esféricos.
Almacenamiento del Dry Gas Tanque esférico
Comparación La forma de los diagramas de fase para los cinco diferentes tipos de crudo se muestra en la gráfica. Hacia la derecha aumenta la cantidad de hidrocarburos pesados, mientras que hacia la izquierda lo hacen los hidrocarburos livianos.
Gas Húmedo Gas Seco
n ió s e r P
Gas Retrógrado Aceite Volátil Black Oil