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Este documento discute sobre a importância de determinar a miscibilidade de gás de injeção em fluidos de reservatório e a pressão mínima de miscibilidade (pmm) para o sucesso técnico e econômico de projetos de injeção de gás. O texto aborda as técnicas experimentais e não experimentais para determinar a pmm, as influências termodinâmicas e operacionais, e as diferentes abordagens para recuperação melhorada de petróleo por injeção de gás miscível ou imiscível.
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Tipologia: Provas
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Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia de Petróleo da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de Petróleo. Orientadores: Prof. Rogério Fernandes de Lacerda, D.Sc. Profa. Silvia Maria Zanini Sebrão, D.Sc. NITERÓI, RJ 2018
Trabalho de Conclusão de curso apresentado ao curso de graduação em Engenharia de Petróleo da escola de Engenharia da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de Petróleo. Aprovado em 04 de dezembro de 2018 NITERÓI, RJ 2018
A Deus acima de tudo que me deu a oportunidade e capacitação de cursar uma universidade que sempre sonhei, além de toda resiliência que me forneceu durante a realização do curso. Aos meus orientadores do trabalho. Professor Rogério, o meu mais sincero muito obrigado por todo o empenho, dedicação e paciência e por nunca poupar esforços em me ajudar a desenvolver esse trabalho. Professora Sílvia, por toda ajuda, paciência e por poder compartilhar comigo todo esse conhecimento. Novamente, o meu mais sincero muito obrigado. Sem vocês e todo esse conhecimento, a realização desse trabalho não seria possível. Aos meus pais, Rosemary e Luiz que me forneceram total apoio financeiro e psicológico durante esses 5 anos longe da família, pelos conselhos, toda compreensão, pelo amor e carinho sempre cedidos. A todos meus familiares que contribuíram de forma direta para essa minha conquista. Aos meus avós, Maria Aparecida, Alcidino e Maria da Glória, por todas as orações, fé e confiança prestada em mim. A minha irmã, Camila, pelos conselhos e motivação em momentos de fraqueza. A minha namorada, Tatiana, por estar comigo em período integral na resolução desse trabalho, por estar sempre me motivando, tendo a paciência e me mostrando uma luz quando as coisas não pareciam mais ter sentido. A todos os meus professores da Universidade Federal Fluminense, por todo o conhecimento, ensinamentos e conselhos durante a realização do curso com o objetivo de formação acadêmica e profissional. Em especial aos meus professores Alfredo Carrasco, João Crisósthomo e novamente ao meu professor e orientador Rogério Fernandes. A todos os meus amigos que mesmo longe tiveram uma grande importância nessa conquista, auxiliando com apoio psicológico e conselhos. A todas as amizades sinceras que fiz no Rio de Janeiro que auxiliaram e muito na minha jornada com apoio, força e conversas. Um estudante que mora longe da família aprende muito a valorizar esses momentos e sou eternamente grato a vocês. Aos meus colegas de curso Bruno Apolinário e Anna Beatriz por terem contribuído de maneira efetiva e direta também na resolução desse trabalho com conhecimento sobre o tema.
Estudos e testes sobre miscibilidade e interação entre fluidos são de extrema importância e de grande interesse na indústria do petróleo. Nos últimos anos, se fez necessário técnicas de exploração e produção de petróleo que consiga explorar o máximo possível de maneira que tenha o menor custo. Com isso, métodos de recuperação avançada de petróleo através da injeção de CO 2 estão sendo utilizadas com objetivo de aumentar a quantidade de petróleo recuperada de um determinado reservatório e de otimização do processo. Na literatura existem diversos métodos que têm como objetivo o estudo das interações entre os fluidos com o objetivo de atingir a miscibilidade e ter um conhecimento melhor sobre a pressão mínima de miscibilidade (PMM) para uma melhor recuperação de petróleo. Há abordagens experimentais, correlações numéricas, métodos analíticos e computacionais. Foram realizados e estudados o comportamento dos fluidos (variação das suas características) em faixas de temperaturas fixas e pressões e composições dos fluidos (de injeção e óleo) e analisados a variação da massa específica de forma experimental, através de equações de estados de Peng-Robinson e através de cálculos baseados na regra de mistura. Estudos e interpretações sobre diagramas ternários também foram feitos com o objetivo de analisar o comportamento da miscibilidade com as diferentes pressões. Foi observado que quanto maior a pressão, menor será a região de duas fases em um diagrama ternário. Testes de inchamento também foram utilizados para ter uma maior compreensão da interação entre os fluidos e a variação de volume destes. Palavras-chave: Recuperação avançada de petróleo, miscibilidade, pressão mínima de miscibilidade, injeção de gás carbônico, injeção miscível e imiscível.
Studies and tests about miscibility and interaction between fluids are of extreme importance and of great interest in the oil industry. In the last few years, oil exploration and production techniques to extract the maximum amount of oil as possible with fewer costs have become necessary. Therefore, advanced oil recovery methods through the injection of CO 2 are being used, aiming to increase the amount of oil recovered from a given reservoir and process optimization. In the literature, there are several methods that aim to study the interactions between fluids in order to achieve miscibility and to have a better knowledge about the minimum miscibility pressure (MMP) for a better oil recovery. There are: experimental approaches and numerical correlations, apart from analytical and computational methods. The behavior of the fluids (variation of their characteristics) in fixed temperature ranges and pressures, and the compositions of the fluids (injection and oil) were studied and analyzed. The specific mass variation was analyzed experimentally, using equations of Peng- Robinson and through calculations based on the mixing rule. Studies and interpretations on ternary diagrams were also done with the objective of analyzing the behavior of the miscibility with the different pressures. It was observed that the higher the pressure, the smaller the region would be in the two phases of the ternary diagram. Swelling tests were also used to gain a better understanding of the interaction between fluids and the volume variation of these fluids. Keywords: Enhanced oil recovery, miscibility, minimum miscibility pressure, injection of carbon dioxide, miscible injection gas and immiscible gas injection.
Quadro 1 - Abordagens experimentais publicadas na literatura para caracterizar e determinar a interação entre o gás de injeção e o fluido de reservatório em termos da PMM. ................................................... 6 Quadro 2 - Abordagens não experimentais publicadas na literatura para caracterizar e determinar a interação entre o gás de injeção e o fluido de reservatório em termos da PMM. .................................... 7 Quadro 3 – Critérios técnicos de projetos de injeção. ............................................................................. 8 Quadro 4 – Dados experimentais obtidos durante testes de inchamento .............................................. 30 Quadro 5 – Dados experimentais obtidos durante testes de inchamento do sistema fluido de reservatório– gás de injeção do Quadro 6 ................................................................................................................... 31 Quadro 6 – Composições do Fluido de Reservatório e do Gás de Injeção utilizados para obter os dados do Quadro 5 ........................................................................................................................................... 31 Quadro 7 – Composições das misturas C 7 – CO 2 .................................................................................. 50 Quadro 8 - Dados experimentais, equação de estado e regra de mistura para 50°C ............................. 52 Quadro 9 - Dados experimentais, equação de estado e regra de mistura para 75°C ............................. 53 Quadro 10 - Dados experimentais, equação de estado e regra de mistura para 100°C ......................... 54 Quadro 11 Resultados do teste de inchamento feito no winprop em comparação com experimental .. 62 Quadro 12 Composição do fluido de reservatório e do gás de injeção ................................................. 65
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1. INTRODUÇÃO Há uma demanda cada vez maior de energia no mundo, decorrente, principalmente de um grande desenvolvimento industrial e crescimento populacional. Com isso, o melhor aproveitamento de recursos disponíveis se torna essencial na tentativa de suprir toda essa necessidade energética. Técnicas de recuperação melhorada de petróleo (IOR – Improved Oil Recovery), como a injeção de gás miscível ou imiscível visam aumentar o fator de recuperação de determinado reservatório ou campo. Nas últimas décadas foram realizados inúmeros estudos sobre os malefícios da emissão de gases na atmosfera que contribuem para a intensificação do efeito estufa. Políticas foram adotadas com o objetivo de diminuir a emissão de gases poluentes. Com isso, a injeção de CO 2 se torna um grande aliado de políticas de diminuição da emissão de gases poluentes na atmosfera, visto que o CO 2 que é produzido junto com o óleo pode ser utilizado como gás de injeção em reservatório de petróleos com o objetivo de aumentar a recuperação de petróleo. Os gases produzidos nos campos de pré-sal têm uma elevada concentração de gás carbônico, tornando a injeção de CO 2 um processo preferencial de recuperação. Para um projeto de injeção de gás ter sucesso técnico e econômico, é imprescindível determinar a Pressão Mínima de Miscibilidade ( PMM ) em função da composição do gás de injeção, além de determinar as composições e propriedades físico-químicas do fluido de reservatório e do gás com gás de injeção. Este trabalho aborda conceitos e técnicas experimentais envolvidas na determinação da pressão mínima de miscibilidade. Dados experimentais compilados da literatura foram utilizados para avaliar a equação de estado de Peng-Robinson e outras metodologias de cálculo de propriedades relevantes no projeto e na avaliação de processos de injeção de gás em reservatórios.
3 2 REVISÃO BIBILIOGRÁFICA A revisão bibliográfica identificou metodologias de cálculo e testes de laboratório utilizados na determinação de dados relevantes nos projetos de recuperação melhorada de petróleo por injeção de gás. Esta etapa resultou em um conjunto de documentos que apresenta os fundamentos, metodologias de cálculo e o estado da arte das metodologias experimentais utilizadas para avaliar injeção de gás em reservatórios de petróleo. Foram identificados livros, dissertações de mestrado e teses de doutorado que consideramos de grande relevância para o desenvolvimento do projeto por apresentarem grande contribuição a fundamentação dos conceitos desse trabalho. Existem basicamente duas técnicas de recuperação melhorada de petróleo por injeção de gás: recuperação melhorada de petróleo por injeção de gás miscível e recuperação melhorada de petróleo por injeção de gás imiscível. A recuperação de óleo miscível é aplicada a pressões superiores a pressão mínima de miscibilidade que pode ser estimada a partir de testes experimentais, equações de estado ou correlações empíricas. Para alcançar uma maior recuperação de óleo, a pressão de fatura do reservatório deve ser superior à pressão mínima de miscibilidade. O deslocamento miscível pode ser obtido de duas formas: métodos miscíveis de primeiro contato e métodos miscíveis de múltiplos contatos (PERERA et al,2016). Para o melhor entendimento dos métodos de recuperação de hidrocarbonetos utilizando a técnica de injeção de gás, é necessário o conhecimento sobre determinados tópicos. Nesta seção serão apresentados conceitos pertinentes ao assunto. 2.1 CARACTERIZAÇÃO E DETERMINAÇÃO DA MISCIBILIDADE ENTRE GÁS DE INJEÇÃO E O FLUIDO DE RESERVATÓRIO O método de recuperação melhorada por injeção de gás miscível em reservatórios de petróleo resulta normalmente em aumento considerável do fator de recuperação. A miscibilidade entre o gás de injeção e o fluido de reservatório pode ser caracterizada e determinada pela pressão mínima de miscibilidade. Definir as condições ótimas do deslocamento miscível do fluido de reservatório (fluido deslocado) pelo gás de injeção (fluido
4 deslocante) é fundamental para alcançar uma elevada recuperação. Os gases de injeção normalmente utilizados são: metano, gás natural, nitrogênio. Ao usar um solvente miscível como agente de deslocamento, o óleo em um reservatório pode ser deslocado da rocha com um alto grau de eficiência (Clarck et al., 1958). Além disso, se o solvente miscível é CO2, a pressão mínima de miscibilidade necessária para obter um deslocamento miscível é usualmente menor do que a pressão necessária para deslocamento miscível com gás natural, metano ou hidrogênio (Stalkup, 1978). A obtenção de deslocamento miscível entre o fluido que se desloca (fluido de injeção) e o fluido deslocado (óleo de reservatório) tem o objetivo principal de alcançar a redução máxima na saturação do óleo residual. O grau de redução na saturação do óleo residual (óleo deixado no espaço poroso depois de ter entrado em contato com o gás injetado) é a diferença chave entre os processos de deslocamento miscível e imiscível. Nos deslocamentos miscíveis, a saturação residual de óleo é reduzida significativamente, o que leva a altas recuperações de óleo e economia de projeto favorável, enquanto uma grande saturação de óleo residual pode permanecer em deslocamentos imiscíveis, o que não resultará em economia. (Meyer 2007). 2.2 ABORDAGENS NA CARACTERIZAÇÃO E DETERMINAÇÃO DA MISCIBILIDADE DO GÁS DE INJEÇÃO NO FLUIDO DE RESERVATÓRIO Diferentes abordagens experimentais e não experimentais são relatadas na literatura para caracterizar e determinar a miscibilidade do óleo de reservatório com injeção de gás considerando a pressão mínima de miscibilidade. No entanto, o que determinará a seleção de uma determinada abordagem será a natureza do projeto de injeção de gás. Por exemplo, se um grande número de reservatórios necessita da determinação da miscibilidade do óleo com injeção de CO2, correlações empíricas são mais adequadas por fornecerem informações de forma rápida e de menor custo. Quando dados PVT (Pressão-Volume-Temperatura) de qualidade estão disponíveis com a possibilidade de desenvolver um modelo de equação de estado bem ajustado, o operador pode optar por uma abordagem computacional (numérica) ou analítica com a finalidade de determinar as estimativas iniciais da pressão mínima de miscibilidade do reservatório. Portanto, o fenômeno da miscibilidade do óleo do reservatório com o gás de
6 Quadro 1 - Abordagens experimentais publicadas na literatura para caracterizar e determinar a interação entre o gás de injeção e o fluido de reservatório em termos da PMM. MÉTODOS EXPERIMENTAIS Nome do método Fonte na literatura Slim-Tube (tubo fino) Yellig and Metcalfe (1980) Célula visual de alta pressão Hagen and Kossak (1986) Rápido aumento de pressão Czarnota et al. (2017a) Densidade do vapor do gás injetado versus pressão Harmon and Grigg (1988) Experimentos de múltiplos contatos Thomas et al. (1994) Método de bolhas ascendentes Christiansen and Haines (1987) Método da tensão interfacial (VIT) Rao (1997) Técnica da injeção de bolha única Srivastava and Huang (1998) Equilíbrio vapor-líquido – Teste da tensão interfacial Kechut et al. (1999) Teste do tubo fino micro Kechut et al. (1999) Microfluídico rápido baseado em fluorescência Nguyen et al. (2015) Método Slim-Tube (tubo fino) rápido Adel et al. (2016) Método de VIT baseado em elevação capilar Hawthorne et al. (2016) Método de resposta sônica Czarnota et al. (2017) Rápido aumento de pressão Czarnota et al. (2017a) Fonte: Saini. (2018).
7 Quadro 2 - Abordagens não experimentais publicadas na literatura para caracterizar e determinar a interação entre o gás de injeção e o fluido de reservatório em termos da PMM. MÉTODOS NÃO EXPERIMENTAIS Nome do método Fonte na literatura EMPÍRICO Correlações empíricas Cronquist ((1977) in Mungan (1981)), Lee (1979), Yellig and Metcalfe (1980), Johnson and Pollin (1981), Orr and Jensen (1984), Alston et al. (1985), Glaso (1985), Emera and Sarma (2005), Yuan et al. (2005), Shokir (2007), Ghomian et al. (2008), Li et al. (2012),Ju et al. (2012), Chen et al. (2013), Alomair and Iqbal (2014), Alomair and Garrouch (2016), Zhang et al. (2015), Valluri et al. (2017), Mansour et al. (2017) ANALÍTICO Abordagem key-line e o método das características (MOC) Nouar and Flock (1988), Johns et al. (1993), Johns and Orr (1996), Wang and Orr (1997),Jessen et al. (1998), Yuan and Johns (2005), Ahmadi et al. (2011), Yuan et al. (2008) Modelos Mecânicos de Parachor Ayirala and Rao (2004), Ayirala and Rao (2006), Ashrafizadeh and Ghasrodashti (2011) COMPUTACIONAL OU ABORDAGEM NUMÉRICA Método da mistura em células Jaubert et al. (1998, 1998a), Zhao et al. (2006,2006a), Ahmadi and Johns (2011), Mogensen et al. (2009) 1D Simulação 1D de Slim Tube Mogensen et al. (2009), Bui et al. (2010), Ju et al. (2012)Linear gradient theory (LGT) model Nobakht et al. (2008) Modelo de rede neural Alomair and Garrouch (2016) Modelo de máquina de vetor de suporte de mínimos quadrados (LSSVM) Shokrollahi et al. (2013) Modelo Parachor Teklu et al. (2014) Modelo PC-SAFT EOS Wang et al. (2016) Desaparecimento da interface Zhang et al. (2017) Simulação dinâmica molecular Yang et al. (2016) Fonte: Saini. (2018)
