Transcript Experiencias en la implementación de proyectos de combustión in-situ Workshop sobre EOR

Experiencias en la implementación
de proyectos de combustión in-situ
Workshop sobre EOR
B. Aires, Noviembre 8 y 9 del 2007
Jorge L. Mustoni
Pan American Energy
Experiencias en la implementación de proyectos
de combustión in-situ
Contenido:
 Introducción.
 Ventajas del proceso de ISC.
 Aspectos negativos.
 Aplicaciones.
 Aspectos prácticos del diseño.
 Evaluación económica
 Conclusiones
2
Saturation
Inyección de aire para combustión in-situ
Air
Water
Oil
Combustion Zone
Burned Zone
Temperature
Combustion Gas
Steam
Evaporation Zone
Condensation Zone
Water
Bank
Oil
Bank
Unswept
Zone
Steam Plateau
Formation Temperature
El proceso de combustión
incluye los mecanismos de:
•Intercambio de masa,
•Intercambio de energía,
•Reacciones químicas, y
•Otros procesos físicos como:
arrastre del flue gas (CO2 y N2)
generado, presurización,
hinchamiento.
Requisitos para establecer el proceso de manera apropiada:
El petróleo debe ser suficientemente reactivo (ARC),
El depósito de combustible y el flujo de aire deben estar en una determinada relación que
asegure la estabilidad dinámica (Combustion Tube).
Como cualquier proceso de inyec. de gas, debe controlarse la eficiencia de barrido (conformance).
Los reservorios de escaso espesor (<10 m) y buzamiento, se pueden barrer eficientemente cuando
la distribución de permeabilidad es relativamente uniforme.
Reservorios con mayor espesor se debería inyectar en el tope utilizando una combinación de pozos
horizontales y verticales (SPE 59334Recent Laboratory Results of THAI and Its Comparison with Other IOR Processes; próximo
piloto a iniciarse en Alberta).
3
Ventajas de la ISC
 El aire esta siempre disponible y puede inyectarse aun en zonas donde es imposible
hacerlo con agua o gas.
 Se puede usar como método de desplazamiento mediante la propagación de la zona de
reacción o, en cambio, para generar flue gas (CO2 y N2) y favorecer el drenaje
gravitacional.
 La mayor eficiencia del proceso se obtiene con petróleos en los que se logra establecer el
régimen de reacciones “bond scission”; esto ocurre tanto en petróleos livianos, medianos
y tambien, con algunos requisitos, en crudos pesados.
 ISC es aplicable para un alto rango de petróleos y gran variabilidad de reservorios:
 10-20 °API a 500 m hasta > 30 °API a 3000 m,
 Aunque su uso se indica para capas de escaso espesor (3-13 m), se aplicó exitosamente en
capas de hasta 46 m (nuevo desarrollo THAI),
 La presión del reservorio al comienzo del proceso, no afecta la eficiencia del mismo,
 La perm. de la roca, tiene un mínimo efecto sobre el proceso (rango aplicado: 5 mD a 10 D)
 Tiene una elevada eficiencia de desplazamiento (a escala poral), cuando la cinética de la
reacción de oxidación está en el modo correcto de operación (bond scission).
4
Ventajas de la ISC (Cont.)
 Además de la alta eficiciencia de recuperación, es más rapido que otros métodos,
especialmente comparado con respecto a recuperación secundaria.
 Mayor eficiencia que al gas natural para el mantenimiento de presión, dada su
característica de menor compresibilidad y solubilidad.
 Después del abandono el reservorio queda ocupado por un gas sin valor comercial.
 Con respecto a las emisiones de CO2, y aún cuando pueda suponerse lo contrario, si se
calcula en términos del volumen de CO2 generado por unidad de petróleo recuperado, es
inferior a otros métodos de recuperación mejorada. Por otro lado, el “flue gas” generado
puede ser reutilizado via secuestro/captura del CO2.
5
Aspectos negativos del proceso
Por qué la inyección de aire no ha sido utilizada en forma
extensiva?
 Alto costo de inversión en la planta compresora y elevado gasto de
mantenimiento.
 Falta de confianza en el proceso por la información del amplio rango de
resultados en la aplicación, entre los éxitos y fracasos.
 Frecuentemente, su aplicación se decidió como último recurso; esto es,
cuando ningún otro método era viable (resevorios altamente complejos en
estratigrafía, petrofísica y otras condiciones desfavorables).
 Diseño inapropiado de la capacidad de inyección para el tipo de reservorio a
ser tratado; Nelson y McNeil aportaron importantes conceptos sobre el flujo de
aire necesario para mantener la estabilidad del frente de combustión.
6
Aspectos negativos del proceso
 La mayoría de los fracasos provienen por su aplicación
en el reservorio inapropiado y/o por falta de control del
proceso:
 Ha existido el error conceptual de que el proceso de ISC es un método
térmico de recuperación asistida, y que el principal, o casi exclusivo,
mecanismo es la reducción de la viscosidad por incremento de la
temperatura, en resevorios con petróleo viscoso.
 Calidad pobre de la reacción de combustión: no se logra la auto ignición o
hay discontinuidad, o poca extensión, entre las reacciones LTO y HTO.
 Efecto negativo por segregación gravitacional y/o gas “overriding”.
 Canalización debido a la gran heterogeneidad del reservorio.
 Desfavorable relación de movilidad entre el gas y el petróleo movilizado
hacia la zona fría.
7
Algunas aplicaciones exitosas
Project name
Start-up date
OOIP, MMSTB
MPHU
BRRU
WBRRU Battrum
Ene., 1986 Sep., 1978 Nov., 1994 Ene., 1988 Nov., 1965
40
37
Est. Primary, MMSTB
6 (15%)
2.2 (6%)
Increm.by air inj., MMSTB
5.7
(14.2%)
5.8
(15.6%)
29.2
21.6
Ultimate Recovery, %
WH
Dev. Cost, $/boe
3.3
Opex, $/boe
5.4
24
29
2.9
(12.1%)
1.9
(6.5%)
2.5
(8.6%)
15.1
2.6
200
30 (15%)
39 (19 %)
34
2.2
8
Algunas aplicaciones exitosas
Waterflooding and air injection performance comparison (SPE 99454)
Nombre del Area
Modelo de explotación despues de
de la depleción primaria
Formación: Red River; con trampa
stratigráfica
WBRRU
WBBRRU
Combusti
ón in-situ
Waterfloo
ding
Dolomita incluída en
limestone y anhydrite
Superficie del yac., Ac.
5000
3400
Profundidad, m
2560
2545
Porosidad y permeabilidad
promedio
18 % y 10 md
Saturación inicial de agua, %
51
40
Temperatura promedio de res., °F
215
210
Presión inicial de reservorio, psi
3600
3579
29
21
OOIP, MMSTB
Similares propiedades del fluído
32 °API, pres de pb= 300
psig, GOR=173 SCF/STB,
FVF= 1.174 RB/STB, visc.=
2.4 cp
9
Algunas aplicaciones exitosas
Waterflooding and air injection performance comparison (SPE 99454)
ISC
Comienzo de la inyección
Caudal pico de petróleo, bopd
WF
01/01/88
Conclusiones:
El proyecto de ISC fue más exitoso que el de secundaria, esto en
•términos
de incremento de recuperación, velocidad de respuesta y
498
402
Ene.,90
Ene., 95
Prods/Inyecs
10/5
7/7
Caudal actual de inyec., Mscfd/bwpd
1150
1140
Inyec. Acum., bcf, MMsb
22.3
5.3
Vol. Poral inyectado
0.8
0.3
En el caso del proyecto WF, la prod. Increm. acum. al 31 de Dic. de
•2005
es 1.0 mmbo, con una inyec. de aire acum. de 5.3 mmbw. Esto
3700
1800
resulta en un prom de inyec. de 5 bw por bbl de petróleo recuperado.
Pet. Incremental Acum., MMstb
1.8
1.0
Recuperación, % POIS
12.8
8.8
Fecha
Petróleo Acum., Mstb
producción.
La producción incremental acum. al 31de Dic. 2005 es 1.8 mmbo, con
•una
inyección de aire acum. de 22.3 Bcf. Esto resulta en un promedio
de inyec de 12 Mscf por bbl de petróleo recuperado.
la rec final estim es similar para ambos procesos, la velocidad
•esAunque
mayor para el proyecto de ISC. Sin embargo, la selección final de
cual de los dos conviene aplicar, depende de la eval. económica.
10
Algunas aplicaciones exitosas
Medicine Pole Hill Unit (N. Dakota)
1000
30
900
25
800
700
500
15
400
10
Increm. by air inj. = 6 MMSTB (14%)
300
200
5
100
bopd
Ene-08
Ene-06
Ene-04
Ene-02
Ene-00
Ene-98
Ene-96
Ene-94
Ene-92
Ene-90
Ene-88
Ene-86
Ene-84
Ene-82
Ene-80
Ene-78
Ene-76
Ene-74
0
Ene-72
0
Ene-70
BOPD
600
MMCFPD AIR
20
MMcfpd
11
Algunas aplicaciones exitosas
Mobil Oil Canada
Battrum Air Injection Project (18 °API)
30000
Increm. by air inj. = 39 MMSTB (19%)
8000
24000
6000
18000
4000
12000
2000
6000
Mcfpd air
bopd
10000
0
0
Ene- Ene- Ene- Ene- Ene- Ene- Ene- Ene- Ene- Ene- Ene- Ene- Ene54
58
62
66
70
74
78
82
86
90
94
98
02
bopd
MMscfpd
12
Algunas aplicaciones exitosas
PAE's Air Injection Pilot, C. Grande Field
CAÑADON GRANDE FIELD - CG II W BLOCK - ZONE: P-5a
Average Daily Oil Production for 7 Producers
Air inj started 11/98, one injec down since 6/99
OIL COMP by SIMULATED DISTILLED
18
1000
100%
16
PCG-003
PCG-016
PCG-063
PCG-138
PCG-264
PCG-710
PCG-801
PCG-810
90%
100
?
80%
Weight/weight (%)
m3pd, Mm3gpd
14
12
10
8
6
4
cierre definitivo
inyección (Abr 00)
10
70%
D-95 D-96 D-97 D-98 D-99 D-00 D-01 D-02 D-03 D-04 D-05
2
0
C3
Petróleo
Agua
Gas (comb + HC)
Porc. de agua
La respuesta de petróleo no fue evidente
n-C5
n-C7
n-C9
n-C11
n-C13
n-C15
n-C17
n-C19
n-C21
n-C23
n-C25
n-C27
n-C29
Component hydrocarbon ( Cn)
Sin embargo, el petróleo obtenido tenía
una composición modificada por la
reacción de combustión.
13
Aspectos prácticos a considerar en el
diseño del piloto
1/8
• Debe pertenecer a una porción representativa del yacimiento
al que potencialmente se escalará,
• La compartimentalización mejora la interpretabilidad de los
resultados,
• Tipo de proceso (desplazamiento horizontal vs drenaje
gravitacional),
• Geometría de malla vs desplazamiento lineal,
• Espaciamiento; se deben evaluar aspectos como: tiempo de
respuesta, tiempo de residencia, pérdida de calor, relación
entre las fuerzas de flotación y las viscosas.
14
Aspectos prácticos a considerar en el
diseño del piloto
2/8
• Disponibilidad de pozos y otras instalaciones de superficie,
• Diseño de pozo inyector:
– Pozos existentes (conversión) vs perforación (diseño apropiado
considerando los efectos de la temperatura).
– Instalación de inyección de fondo: control de la distribución
(BP, PKR, limited entry, tap selec, mandriles) prevenir pérdidas
de tubing (conexiones especiales, revestimiento, espacio anular
lleno y permanentemente monitoreado.
– Cabeza de pozo: con sistema de inyección dual, medidores de
caudal y temperatura, scrubber, filtro y válvulas de control.
15
Aspectos prácticos a considerar en el
diseño del piloto
3/8
• Para la primera etapa del proyecto se debe disponer de
un sistema de purga (agua o N2) para cargar al pozo
inyector automáticamente cuando el compresor se para.
• Instalación de fondo en pozos productores debe
considerar los siguientes aspectos:
– Alta relación gas-líquido: anclas para gas u otros dispositivos
separadores,
– Corrosión y erosión: materiales apropiados, inyección de
inhibidores, revestimientos protectores,
– Alta viscosidad: uso de bombas PCP, varillas de bombeo del
tipo hollow, inyección de deselmusionante,
16
Aspectos prácticos a considerar en el
diseño del piloto
4/8
– Alta temperatura (etapa final): uso de refrigerante para
prevenir la pérdida de eficiencia en bombas por el bloqueo con
vapor de agua.
• Instalaciones de producción en superficie:
– Equipos de tratamiento convencionales aunque con mayor
eficiencia en el manejo de emulsiones (tiempo de residencia,
temperatura, agitación, etc.)
– El tratamiento final del gas producido depende de la
composición y de las regulaciones internas y externas, pero
debe ser previamente recolectado medido y analizado.
– El sistema de producción debe ser tratado diferencialmente del
resto del yacimiento.
17
Aspectos prácticos a considerar en el
diseño del piloto
5/8
• Instalaciones de producción en superficie:
– Gas producido por el proceso:
• Positivo:
Con incremento del contenido de líquidos (2-3 galones de
NGL por Mscfd)
• Negativo:
Se produce un gradual aumento del N2 que disminuye el poder
calorífico y aún mezclado puede exceder las impurezas
admitidas.
Las opciones para la disposición final pueden ser: incineración,
reinyección, utilización en turbinas, condensación, etc.)
18
Aspectos prácticos a considerar en el
diseño del piloto
6/8
Compresión de aire: diferencias con el gas HC
• El ciclo de compresión de aire, comparado con el del gas,
requiere mayor potencia (HP) y desarrolla mayor
temperatura.
• Cada etapa de compresión puede ser considerada como
una compresión adiabática y el gas debe ser enfriado (320
a 120 °F) antes de entrar a la siguiente.
• El aire comprimido es un potente oxidante y debe
mantenerse separado de cualquier material orgánico que
pueda ser oxidado violentamente.
• El compresor de aire admite mayor tolerancia “leakage”.
19
Aspectos prácticos a considerar en el
diseño del piloto
7/8
Tipos de compresores:
• Desplazamiento positivo (reciprocante): tienen mayor eficiencia
mecánica, son flexibles, limitados a 5 MMscfd.
• Dinámico (centrífugo): menor mantenimiento y potencia
requerida, menor contaminación del aire con el lubricante,
caudales de 2 a 150 MMscfd.
• Tornillo rotativo: es otro tipo de desplazamiento positivo, maneja
caudales relativamente altos (2-30 MMscfd) pero desarrolla
presiones de solo 200 psi. Se utiliza como etapa previa a los
reciprocantes.
20
Aspectos prácticos a considerar en el
diseño del piloto
8/8
Otras consideraciones prácticas:
• Se debe utilizar lubricante sintético (alto flash point) en
compresores y grasa del mismo tipo en conexiones de cañería y
todo elemento que esté expuesto a la corriente de aire.
• Utilizar trampas para lubricante y agua, también válvulas de
retención.
• Es necesario desgrasar la cañería antes del comienzo de la
inyección.
• El gas producido debe ser controlado en su contenido de O2
(máximo admitido = 5 %).
21
Economía de los proyectos de ISC
20-year Onshore Air Compression
$/Mscf
(CAPEX+OPEX) per Mscf vs Project Size
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
100
200
300
400
500
MMscf/D
2,000 psi
6000 psi
4000 psi
Tamaño del
proyecto
1M
5-10 M
> 10 M
Costo de
capital, $/BO
5.5 – 7
4.5 – 6
??
5–7
5-6
??
Costo
operativo,
$/BO
Existe
potencial
para la
economía de
escala
22
Conclusiones
• ISC es una técnica que ha sido extensamente
probada y se han identificado las causas de los
fracasos.
• Existen proyectos relativamente pequeños que han
demostrado ser económicos.
• La economía puede mejorar por razones de escala.
• El conocimiento del mecanismo del proceso y la
experiencia operativa ha reducido el riesgo de
aplicación.
• Para GSJ subsiste la limitación de procesar varias
capas en paralelo.
23
Conclusiones
• Actualmente existe metodología disponible
para evaluar reservorios candidatos para
procesar con ISC.
• Hay nuevos desarrollos que permiten aun ser
más optimistas en la eficiencia del proceso
(THAI).
24
Back up material
25
THAI (Toe-To-Heel Air Injection)
26