INTRODUCCIN La situacin actual de la industria petrolera presenta enormes dificultades marcadas por la ausencia de grandes descubrimientos de yacimientos de petrleo y la inestabilidad de los precios del barril. No obstante, el desarrollo y la investigacin en nuevas tcnicas y herramientas que se orienten hacia el gran objetivo de aumentar reservas no se han detenido, y han arrojado importantes resultados que dan cierta tranquilidad al mercado. Es as como las compaas han retomado prcticas que en el pasado estuvieron marcadas por fuertes inestabilidades.En particular, los campos de crudo pesado y extra pesado, que en algn momento del pasado fueron estigmatizados por sus bajos factores de recobro, bajas tasas de produccin, altas inversiones en tratamiento, transporte y refinacin, surgen ahora como potentes fuentes energticas debido al tamao de los yacimientos (ej. Athabasca Oil Sands, la faja del Orinoco) y al avance tecnolgico de los ltimos aos, que ha hecho econmicamente viable cientos de proyectos que involucran directamente la explotacin de crudo de alta viscosidad.La explotacin de este tipo de yacimientos requiere la implementacin de mtodos de Recobro trmico, entre los cuales figura la inyeccin cclica de vapor, la inyeccin continua de vapor y sus variantes (VAPEX, SAGD) y la Combustin In Situ.La Combustin In Situ es considerado el mtodo ms eficiente trmicamente, sin embargo, fuertes crticas sobre la complejidad inherente del manejo de este tipo de proceso lo ha relevado por lo cual no se ha aplicado masivamente, prefiriendo la inyeccin de vapor cuando CIS podra ser factible. No obstante, esta tcnica puede ser aplicada en yacimientos ms profundos, delgados y puede operarse a espaciamientos mayores comparados con la inyeccin de vapor.

DESCRIPCIN DEL PROCESO (tesis palma)La combustin in situ es un proceso que puede ser categorizado como de desplazamiento trmico con gran potencial de aplicacin en los yacimientos de crudos pesados y extra pesados. A diferencia de los procesos trmicos, la energa requerida para proporcionar calor al yacimiento es mucho menos que inclusive la inyeccin de vapor. En trminos de costos ubicar la misma cantidad de energa para un yacimiento con las mismas condiciones con inyeccin de vapor, cuesta de tres a cuatro veces ms que con combustin in situ.

Generalmente el proceso de combustin se inicia bajando un calentador o quemador en el pozo inyector, posteriormente se inyecta aire hacia el fondo del pozo y se pone en marcha el calentador hasta lograr el encendido. Luego, los alrededores del fondo del pozo son calentados, se saca el calentador y se contina la inyeccin de aire para mantener el avance del frente de combustin. Cuando la temperatura del yacimiento es lo suficientemente alta, se puede dar la combustin de forma espontnea.

El proceso de combustin in situ (figura 3), incluye los mecanismos de intercambio de calor, intercambio de masa, reacciones qumicas y procesos fsicos. Los intereses iniciales, estn relacionados con el hecho, que el calor es generado a nivel de yacimiento, por lo tanto las prdidas de calor en la formacin, fondo de pozo y superficie son irrelevantes.

El hecho, que el calor es generado cerca de donde se desplaza el aceite, hace el proceso particularmente bueno para yacimientos con poco espesor. En esencia, el calor es generado en el yacimiento, y el combustible para el proceso es la fraccin residual del aceite, que va quedando atrs, debido a la vaporizacin de los componentes livianos por la cercana a los frentes con elevada temperatura. Este proceso es uno de los pocos procesos en el cual se remueve el 100% de los hidrocarburos contactados, es decir, cuando la alta temperatura del frente de combustin ha barrido, no hay saturacin de aceite residual. Sin embargo, esto no implica una perfecta recuperacin de los fluidos mviles.

Un proceso de combustin es iniciado mediante ignicin en la formacin. Si esto falla o la ignicin no se sostiene por un periodo largo de tiempo, el proyecto puede no llegar a ser exitoso. Por lo tanto la ignicin es uno de los aspectos crticos del proceso de combustin. La ignicin es generalmente iniciada adicionando grandes cantidades de calor, y elevando as la temperatura del yacimiento alrededor del pozo inyector hasta un valor ms alto que la temperatura de ignicin del crudo.

Una vez esta temperatura es conseguida, en presencia de un oxidante, usualmente aire, se obtiene la ignicin. Un fuerte aumento en la temperatura de la arena en una inyeccin de aire constante y de tasas de entrada de calor, indica la ignicin. Los valores tpicos de los rangos de temperatura van desde 250 F - 500.

Durante el desarrollo de un proceso de combustin, en el yacimiento se pueden observar diferentes zonas (figura 4), citadas a continuacin:

Zona de combustin. Es la zona de generacin de energa en la que el oxgeno reacciona con el hidrocarburo para producir xidos de carbono, compuestos oxigenados y agua. En esta zona delgada se alcanzan las temperaturas ms altas en el proceso, que oscilan entre 600 y 1200 F. Estos niveles de temperatura y la velocidad del frente de combustin para un flujo de aire dado, son determinados en gran parte por la cantidad de combustible consumido por unidad de volumen de roca de yacimiento.Zona de coque: es la zona donde se ubica el hidrocarburo que servir de combustible para la reaccin. Para el desarrollo de la reaccin una pequea fraccin del componente menos deseado del hidrocarburo se quema.

Zona de condensacin: en esta seccin del yacimiento definida por temperaturas casi constantes en el rango de 350 a 600 F, se presenta la condensacin del gas de hidrocarburo liberado en las zonas precedentes para reincorporarse o disolverse en el crudo a causa de los bajos gradientes de presin establecidos. La temperatura de esta zona depende de la presin parcial del agua en la fase gaseosa.

Banco de aceite: en la zona de banco de aceite est contenida la mayor parte del aceite desplazado, incluyendo la mayor parte de los componentes livianos resultantes del craqueo trmico. Es en s la zona de fluido mvil en el yacimiento.

MECANISMOS DE DESPLAZAMIENTO (tesis palma)

Varios son los mecanismos que producen desplazamiento de fluido en un proceso de combustin in situ. En la figura se muestran algunos de stos. El proceso que tal vez parezca el ms notorio es la reduccin de viscosidad por la liberacin de calor producto de la reaccin, conduciendo esto a un upgrading (mejoramiento) del crudo in situ. Sin embargo, como producto de la reaccin tambin est el fraccionamiento de extensas cadenas de hidrocarburos, resultando en fluidos ms mviles. La generacin de gases de combustin produce desplazamiento tanto por hinchamiento como por arrastre de gases de chimenea (productos de combustin). En el yacimiento ocurre tambin condensacin, mecanismo que contribuye a una recuperacin adicional del hidrocarburo e inclusive se puede llegar a tener desintegracin cataltica. Todo esto contribuye a que el proceso de combustin in situ tenga una mayor eficiencia de desplazamiento cuando ocurre de forma correcta. Cabe aclarar que no siempre todos los mecanismos estn presentes en el proceso, sin embargo en la medida que se desarrolle cada uno de ellos, mayor ser el aporte en cuanto al porcentaje de hidrocarburo recuperado.

REACCIONES QUMICAS (tesis combustin generalidades)

Reacciones de oxidacin a baja temperatura (LTO). Durante el desarrollo del proceso, los hidrocarburos inicialmente presentes en el yacimiento sufren dos tipos de reacciones exotrmicas al contacto con el oxgeno dependiendo de las temperaturas de la zona. Las reacciones que ocurren por debajo de 400F son definidas como LTO (oxidacin a baja temperatura) y las que ocurren por encima de esta temperatura son llamadas HTO (oxidacin a alta temperatura). A diferencia de las HTO las cuales producen principalmente CO2, CO y H2O, las llamadas LTO son reacciones heterogneas que producen agua e hidrocarburos parcialmente oxigenados tales como cidos carboxlicos, aldehdos, cetonas, alcoholes e hidroperxidos. Por este motivo estas reacciones tambin se conocen como reacciones de adicin de oxgeno. Las LTO ocurren incluso a bajas temperaturas de yacimiento y son causadas por la disolucin del oxgeno en el crudo.

Entre los factores que estimulan el desarrollo de estas reacciones estn la baja tasa de aire que contacta el crudo producto de las heterogeneidades del yacimiento y la canalizacin del oxgeno. Estas reacciones son indeseables porque aumentan la viscosidad y la densidad lo cual a su vez afecta el recobro.

Hidrocarburos + O2 Compuestos oxigenados + Energa

Reacciones de pirolisis (ITO). Cuando la temperatura del yacimiento se eleva, el aceite sufre un cambio qumico llamado pirolisis. Las reacciones de pirolisis (ITO) son sumamente importantes porque generalmente se les atribuye la depositacin del combustible (coque) para la subsecuente combustin. Estas reacciones son principalmente homogneas (gas-gas) y endotrmicas e involucran tres reacciones: deshidrogenacin, craqueo y condensacin.

En la deshidrogenacin los tomos de hidrgeno son removidos desde las molculas de hidrocarburos mientras los tomos de carbono quedan intactos.

En las reacciones de craqueo, los enlaces carbono-carbono de los hidrocarburos ms pesados son rotos resultando en molculas ms pequeas.

En el caso de las reacciones de condensacin, se da un aumento en el nmero de tomos de carbono en las molculas incentivando la formacin de hidrocarburos pesados ricos en carbono.

La naturaleza de estas reacciones depende directamente de la composicin del crudo en sitio:

Las parafinas no sufren condensacin. En un rango de 700 a 1250F ellas sufren deshidrogenacin y/o craqueo trmico dependiendo del tamao de las molculas.

En general del metano al butano sufren deshidrogenacin y las molculas ms grandes sufren craqueo. Las molculas deshidrogenadas se recombinan a molculas ms pesadas que eventualmente conllevarn a la formacin de coque. De esta manera molculas de cadenas rectas a menudo producen coque y considerables cantidades de hidrocarburos voltiles despus de un prolongado calentamiento. El coque se define como la fraccin de crudo insoluble al tolueno y que generalmente contiene 80-90 % en Carbono y 3-9% en Hidrgeno.

Los compuestos aromticos sufren preferencialmente condensacin en vez de reacciones de craqueo en rangos de 1200 a 3000F. En las reacciones de condensacin los dbiles enlaces C-H de las molculas cclicas son rotos y reemplazados por un enlace C-C ms estable y forma una molcula poli aromtica menos hidrogenada. Cuando estas fracciones son expuestas por largos periodos a intensas temperaturas puede formar macromolculas como el grafito.

EnergaHidrocarburo (lquido) HC (lquido y/o slido) + HC (gas)

Oxidacin a altas temperaturas (HTO). La reaccin entre el oxgeno en el aire inyectado y el coque a temperaturas por encima de 650F es a menudo referida como oxidacin a alta temperatura (HTO) o reaccin de combustin. El Dixido de carbono, monxido de carbono y agua son los principales productos de estas reacciones. Las HTO son reacciones heterogneas (gas-slido y gas-lquido) y son caracterizadas por el consumo de todo el oxgeno en fase gaseosa. El calor generado por estas reacciones provee la energa trmica necesaria para sostener y propagar el frente de combustin y generalmente son las reacciones que se desean en proyectos de Combustin In Situ.

Hidrocarburo + O2 xidos de Carbono + Agua + Energa

Comportamiento de las reacciones en crudos pesados y livianos Para crudo pesado, las reacciones LTO (reacciones de adicin) son dominantes a temperaturas por debajo de 572F y las reacciones HTO (reacciones de particin) se convierten en el mecanismo dominante a temperaturas superiores a los 662F. Entre estos dos rangos est una regin denominada Regin de gradiente negativo de presin donde la velocidad de la reaccin disminuye con incrementos en la temperatura. Para crudos livianos, las reacciones HTO (reacciones de particin) son preferencialmente dominantes en un amplio espectro de temperaturas, y slo las reacciones LTO dominan en puntos de temperatura por debajo de 302F.

Reacciones a baja temperatura son muy ineficientes para movilizar el crudo en sitio debido a que producen asfltenos y eventualmente coque y oxidan hidrocarburos que generalmente contienen grupos cidos que promueven la estabilidad de las emulsiones formadas. De otro lado, las reacciones HTO son extremadamente efectivas para movilizar crudo y son el estado deseado de operacin para la inyeccin de aire especialmente en crudos pesados. En ese sentido, el factor clave para el xito de un proyecto CIS es iniciar y mantener las reacciones de oxidacin en los rangos de temperatura donde las HTO predominan. Una vez la zona de combustin a alta temperatura es creada, una fuente suficiente de oxgeno es requerida para mantener las reacciones de oxidacin en los rangos deseados de temperatura donde las HTO sean dominantes.

La figura representa las zonas en las cuales se desarrollan las reacciones tpicas de oxidacin del proceso CIS para crudos livianos y pesados. Aunque las reacciones ocurren de manera simultnea slo una ser dominante en el proceso.

CLASIFICACIN DE LOS PROCESOS DE COMBUSTIN IN SITU

La combustin in situ como muchos otros procesos tiene diferentes formas de aplicacin. Dentro de las comercialmente exitosas estn las combustiones frontales hmeda y seca. As mismo, a nivel de estudio de laboratorio se ha desarrollado un proceso de combustin en reversa, que mantiene el mismo principio de la combustin convencional. Este proceso adems tiene variantes como lo son los procesos COFCAW (Combination of combustion and waterflooding), THAI (toe to heel air injection), Top down in situ combustion y COSH (Combustion override Split with horizontal Wells) por mencionar algunas. (tesis palma)

Combustin frontal (tesis generalidades)Existen dos tipos, combustin hmeda y combustin seca.

Combustin seca. Este es el modo de Combustin In Situ ms usado. Es llamada combustin seca debido a que la inyeccin es solo de aire o gas con contenido de oxigeno; es frontal debido a que el proceso de ignicin se realiza cerca al pozo inyector y el movimiento del frente se mantiene en la misma direccin del fluido de inyeccin hasta el pozo productor.

Durante el proceso de recuperacin de petrleo, inicialmente es inyectado aire o cualquier gas con contenido de oxigeno que al contacto con el hidrocarburo desencadena reacciones de oxidacin que liberan energa y propician las condiciones para generar un frente de combustin por medio de calentadores elctricos, quemadores a gas, a cualquier otro dispositivo que de inicio un frente de combustin incandescente. Algunas veces se logra la combustin espontnea cuando el yacimiento presenta temperaturas superiores a 180F6 y los fluidos presentes son suficientemente reactivos.

Una vez la ignicin se ha logrado, el frente de combustin empieza su lento desplazamiento (0.125 a 1.0 pies/d)7 y desarrolla zonas en el yacimiento caracterizadas por determinados procesos fsicos y qumicos como transferencia de calor y de materia. La figura 1 ilustra dichas zonas e indica el perfil de temperatura. Debe entenderse que posiblemente en aplicaciones reales del proceso CIS no se pueda distinguir claramente las zonas a las cuales se har mencin o que se presente traslape entre zonas debido principalmente a las heterogeneidades de la formacin. La idealizacin se realiza solo con fines explicativos.

La zona aledaa al pozo inyector (zona 1) corresponde a la parte ya quemada del yacimiento y por la cual circula el aire para sostener el frente de combustin. Esta seccin ha quedado con baja cantidad de compuestos de carbono (2%) y al contacto con el aire se establece algo de transferencia de energa elevando su temperatura a medida que se acerca al frente.

A continuacin se encuentra la (zona 2), en la cual toman lugar las reacciones de combustin. El oxigeno presente en el gas inyectado es utilizado para quemar el combustible depositado ocasionando la produccin principalmente de vapor de agua y de gases de chimenea tales como dixido de carbono y monxido de carbono. A causa de dichas reacciones se alcanzan las mayores temperaturas del proceso. La temperatura de esta zona depende de las propiedades de los fluidos reactivos, pero generalmente esta en el rango de 600 a 1200 F.

La zona de combustin es estrecha; solo unas cuantas pulgadas de yacimiento ardiendo, sometidas en la mayora de los casos a reacciones parciales de combustin, son suficientes para quemar el combustible depositado en los granos de la roca conocido como coque.

Inmediatamente despus de la zona de combustin se encuentra la zona formacin del coque (zona 3), en la cual debido a las altas temperaturas alcanzadas por la combustin se vaporizan los compuestos ms livianos del crudo y a su vez, lo compuestos ms pesados sufren craqueo trmico. La fraccin vaporizada va siendo desplazada por los gases de combustin para posteriormente reintegrarse con el crudo aguas abajo. Los residuos de las reacciones de craqueo trmicos son compuestos gaseosos y slidos orgnicos. Este residuo depositado sobre los granos de la roca es conocido como coque, la parte del crudo de menos valor comercial, el cual presenta relaciones de Hidrgeno-Carbono de 0.6 a 1.69 y es el principal combustible del proceso CIS.

A continuacin se presenta la zona de condensacin (zona 4). En esta seccin de yacimiento definida por temperaturas casi constantes en el rango de 350 a 600F10 a causa de los bajos gradientes de presin establecidos, se presenta la condensacin del gas de hidrocarburo liberado en las zonas precedentes para reincorporarse o disolverse en el crudo. La temperatura de esta zona depende de la presin parcial del vapor de agua y muchas veces se refiere a esta como plateau de vapor. En esta porcin de yacimiento se encuentra presente petrleo, vapor, gases de hidrocarburo, gases de combustin y agua.

Una vez la temperatura ha descendido por debajo del punto de condensacin del vapor, se forma un banco de agua caliente (zona 5) con mayor saturacin de agua que la saturacin inicial. Adems delante de esta zona se forma tambin un banco de crudo (zona 6) que igualmente posee mayor saturacin de aceite debido a todos los hidrocarburos desplazados de las zonas anteriores. Ms all del banco de crudo se encuentra la seccin del yacimiento no alterado o con leve aumento en saturacin de gases de combustin.

Combustin Hmeda. Una inspeccin del proceso de Combustin seca puede revelar una de sus principales desventajas, el poco aprovechamiento del calor en la zona quemada, ya que el aire no transporta efectivamente el calor hacia el crudo.

Los valores de capacidad calorfica y calor latente de vaporizacin del vapor de agua son mucho ms altos que los del aire, por lo tanto se aprovechan sus propiedades para la transferencia de energa desde la roca hacia el vapor con el fin de ayudar al desplazamiento del petrleo en sitio. De esta manera el proceso de combustin hmeda se basa en la inyeccin alternada o simultnea de agua con el aire para mejorar la eficiencia trmica.

En esta modalidad de Combustin In Situ la velocidad del frente de combustin y el comportamiento de desplazamiento est asociada principalmente con la relacin entre el agua inyectada y el aire inyectado. La figura representa el proceso de Combustin Hmeda. El agua inyectada toma calor de la zona quemada, se vaporiza, pasa a travs del frente de combustin, intercambia energa con el petrleo y se condensa en la seccin ms fra del yacimiento.

En la zona aledaa al pozo inyector se encuentra la porcin del yacimiento que ya ha sido barrida por el frente de combustin (zona 1). Adems, se desarrolla un flujo bifsico porque toda el agua inyectada no alcanza a vaporizarse debido a la disminucin de temperatura a medida que trascurre la inyeccin.

A continuacin la temperatura aumenta rpidamente marcando el inicio de la zona 2 con el frente de vaporizacin, por lo cual toda el agua est como vapor. De esta manera la roca est saturada con vapor, aire y una baja cantidad de residuos orgnicos.

Seguidamente se encuentra la zona de combustin (zona 3). Aqu, el oxigeno del gas inyectado es usado para quemar el combustible depositado (coque) en la zona posterior.

La zona 4 hace referencia a la parte del yacimiento en donde el coque es formado. Las altas temperaturas alcanzadas por el frente de combustin generan la liberacin de los compuestos ms livianos del crudo transportados hacia el pozo productor por los gases de combustin; las fracciones ms pesadas quedan expuestas a su vez a reacciones de craqueo trmico formando el coque.

Debido a la inyeccin alternada de aire y agua es notable la formacin de una gran zona de compuestos gaseosos (zona 5) conformados principalmente por vapor. Esta zona tiene un gran impacto en la recuperacin y transporte de energa desde la zona quemada y hacia la zona de crudo frio, ocasionando beneficios similares a los de un proceso de inyeccin de vapor como lo es la reduccin de viscosidad.

La zona 6 es caracterizada por la gran cada de presin asociada a la existencia de un banco de agua, cuyo tamao depende de la tasa de inyeccin de agua, y un banco de petrleo (zona 7). La extensin de yacimiento siguiente no ha sido alterada notablemente por el frente de combustin.

La ventaja de este modo de combustin es que se aprovecha la energa en la zona quemada para mejorar el desplazamiento del petrleo por aumento de temperatura de la seccin fra y se acelera la formacin del banco de agua para que contribuya con el desplazamiento del hidrocarburo.

Algunos estudios de laboratorio han encontrado que la Combustin In Situ asistida por inyeccin de agua disminuye la cantidad de petrleo quemado, aumentando por consiguiente la velocidad del frente y cantidad de petrleo desplazado por este, y mejor an, disminuye la cantidad de oxigeno requerido para el proceso. Sin embrago, debe considerarse la disponibilidad de facilidades de superficie para el tratamiento del agua de inyeccin.

1.2.2 Combustin en reversa. La Combustin en reversa es una modificacin del proceso de Combustin In Situ en el cual el frente de combustin se desplaza en direccin contraria a la inyeccin del agente oxidante. Surge como alternativa para remediar los problemas por bloqueo de lquidos que eventualmente se desarrollan cuando la combustin seca se lleva a cabo en yacimientos de crudo de alta viscosidad pues el fluido se desplaza de zona estimulada a una zona fra.Haciendo una analoga con la quema de un cigarrillo, cuando la persona inhala o exhala aire, el frente de combustin avanzar hacia la boca. En caso de inhalar el frente de combustin mantendr la misma direccin del aire, Combustin Frontal; en caso de exhalar el frente de combustin se dirigir en contraflujo al aire, Combustin en reversa.

La figura ilustra el comportamiento del proceso de Combustin en reversa. Inicialmente se crea el frente de inyeccin cerca al pozo productor que se desplaza hacia el pozo inyector, de esta manera el aire debe moverse por la seccin no alterada para contactar la zona de combustin. Esto implica que la zona caliente queda delimitada por el pozo productor y el frente de avance incandescente por lo que todos los fluidos producidos estarn obligados a atravesar la zona quemada (zona caliente) favoreciendo la movilidad por reduccin de viscosidad generalmente por un factor de mil o ms.

Aunque los fenmenos que toman lugar en un proceso de combustin en reversa no son muy bien conocidos y actualmente su nivel de desarrollo permanece a escala de laboratorio, para que tenga lugar la combustin debe existir en simultneo oxgeno, combustible y altas temperaturas. La figura indica que el oxigeno hace presencia desde el pozo de inyeccin hasta la zona de combustin y el combustible esta en todo el yacimiento. El factor determinante para que se d inicio al proceso es la alta temperatura, y debido a que el frente eleva la temperatura en direccin al pozo inyector, el frente se desplazar en esa misma direccin. El frente no se mover hacia el pozo productor porque todo el oxigeno es consumido por ste, y se mover tan rpido como el calor liberado por el proceso aumente la temperatura.

La porcin de petrleo utilizado por la reacciones de combustin en este proceso es diferente. A diferencia de la combustin frontal en la cual el combustible es material compuesto por la fraccin ms pesada del crudo, en este caso, el combustible est compuesto por fracciones intermedias debido a que todo el petrleo mvil debe pasar por la zona de combustin, consumiendo ms hidrocarburo in situ que el proceso en su modalidad seca.

Sin embargo, dicho movimiento por la zona caliente trae un importante mejoramiento en la calidad del crudo (upgrading) muchas veces mejor que el alcanzado en la combustin frontal.

Pese al mejoramiento de la calidad del crudo, la Combustin en reversa no es eficiente debido a que fracciones con moderado valor comercial son quemadas; requiere casi el doble de aire de la combustin frontal; fracciones sin gran valor comercial permanecen una vez pase la combustin y existe una fuerte tendencia de ignicin espontnea cerca al pozo inyector.