Estudo Laboratorial da Combustão in situ

TÉCNICO LISBOA 1 Estudo Laboratorial da Combustão in situ Estágio curricular 2013/14_Luis Carlos Oliveira Pires

2 Apresentação MÉTODOS DE RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO PROCESSO DE COMBUSTÃO IN SITU MATERIAIS E EQUIPAMENTOS APRESENTAÇÃO DE PRINCIPAIS CONCLUSÕES MÉTODOS DE RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO

Métodos de recuperação MÉTODOS DE RECUPERAÇÃO Primária Fluxo livre do óleo no reservatório pela dif. de pressão Secundária Aumento da pressão do reservatório Terciária Alterações das propriedades do reservatório Aquífero natural ativo Capa de gás Gás dissolvido Injeção de água Injeção de gás Misciveis Químicos/Biológicos Térmicos Utilizam a energia natural do reservatório Involvem a introdução de uma fonte de energia exterior ao reservatório para aumentar o o fator de recuperação de óleo MÉTODOS DE RECUPERAÇÃO Métodos de recuperação Recuperação terciária COMBUSTÃO IN SITU DISCUSSÃO DE 3

RECUPERAÇÃO TERCIÁRIA Métodos de recuperação terciária MÉTODOS DE RECUPERAÇÃO Miscíveis Biológicos/Químicos Térmicos Métodos de recuperação CO 2 MisciveI Injeção de polímeros Injeção de vapor de água Recuperação terciária Gás humido Os gases podem expandir e empurrar outros elementos através do reservatório, e ao se misturarem e dissolverem dentro do petróleo, diminuem a viscosidade. A saturação do novo fluido é maior e este escoa mais facilmente. Injeção de microorganismos Polímeros Correção da mobilidade; Microorganismos Misturas especiais de micróbios são usados para tratar e quebrar a cadeia de HC de petróleo, tornando o petróleo fácil de recuperar Combustão in-situ Injeção de vapor Redução da viscosidade por fornecimento de calor ao reservatório. Combustão in situ Redução da viscosidade gases de combustão e fração leve do óleo vaporizada vão à frente deslocando o óleo COMBUSTÃO IN SITU DISCUSSÃO DE 4

5 Combustão in situ EM QUE CONSISTE Injeção de ar sintético (aproximadamente 79% de N 2 e 21% de O 2 ) no reservatório, que em contacto com o óleo existente sofre oxidação libertando energia calorífica. Esta reação fornece energia inicial necessária para que outra parcela de combustível queime, promovendo uma reação em cadeia, que se denomina frente de combustão. MÉTODOS DE RECUPERAÇÃO COMBUSTÃO IN SITU Combustão in situ Tubo de combustão DISCUSSÃO DE

6 Combustão in situ VANTAGENS DA COMBUSTÃO IN SITU Elevados fatores de recuperação; Utiliza energia gerada no próprio reservatório; A energia calorífica transportada pelos fluidos injetados tem maior eficiência na utilização do calor e maior eficácia nos mecanismos de acionamento. CASOS DE SUCESSO CAMPO DE SUPLACU DE BARCAU - ROMÊNIA É o maior projeto de CIS atualmente, com 295 MM bbl in situ explotados desde 1964 por 600 poços e um fator de recuperação de 56%. CAMPOS DE SANTHAL E DE BALOL ÍNDIA MÉTODOS DE RECUPERAÇÃO COMBUSTÃO IN SITU Combustão in situ Tubo de combustão DISCUSSÃO DE Campos de óleos pesados que métodos convencionais apresentavam fatores de recuperação de 6-15%. Com a aplicação da combustão passou a 39-45%.

7 Combustão in situ DIFICULDADES DE APLICAÇÃO Falta de controlo de um varrimento regular da frente de combustão ao longo do reservatório; Formação de canais preferênciais (heterogeneidade da rocha e da taxa de mobilidade gás/óleo desfavorável); Problemas de segregação gravitacional (diferença de densidade entre o gás e o óleo); Controlo das reações químicas (de corrosão e formação de emulsões) que ocorrem dos poços injetores e produtores. MÉTODOS DE RECUPERAÇÃO COMBUSTÃO IN SITU Combustão in situ Tubo de combustão DISCUSSÃO DE

8 Tubo de combustão ENSAIOS LABORATORIAIS Simulam fisicamente um pequeno volume do reservatório submetido a condições semelhantes às do reservatório; São preenchidos a partir de testemunhos nativos do reservatório ou amostras representativas da matriz e do óleo. PRINCIPAIS VANTAGENS Baixos custos e riscos inerentes; Parametrização de propriedades do reservatório e dos fluidos e condições operacionais; Inferir qual o comportamento do sistema pela alteração de uma das propriedades. MÉTODOS DE RECUPERAÇÃO COMBUSTÃO IN SITU Combustão in situ Tubo de combustão DISCUSSÃO DE \

9 Materiais e Procedimentos DISCUSSÃO DE 1. Cilindro de Nitrogénio 2. Cilindro de Ar sintético 3. Controlador de Fluxo mássico 4. Tubo de combustão/jaqueta de vácuo 5. Transdutor de pressão 6. Separador Gás-Fluido 7. Separados Água-Óleo 8. Balança 9. Condensador 10. Banho termostático 11. Purgador 12. Dissecador 13. Filtro de particulas 14. Gásómetro [5] Sistema de injeção de ar Tubo de combustão e jaqueta de vácuo Sistema de produção Sistema de análise de gases

10 Sistema de injeção de ar Fluxímetro digital Transdutor de pressão Válvula de corte DISCUSSÃO DE Manómetro Fluxímetro Sistema de injeção de ar Tubo de combustão e jaqueta de vácuo Sistema de produção Sistema de análise de gases

11 Tubo de combustão e jaqueta de vácuo Tubo-guia Jaqueta de vácuo DISCUSSÃO DE Tubo de combustão Sondas termométricas Sistema de injeção de ar Tubo de combustão e jaqueta de vácuo Sistema de produção Sistema de análise de gases

12 Sistema de produção de fluidos Separador fluidos-gás Válvula de contrapressão Condensador Purgador Transdutor de pressão Separador água-óleo DISCUSSÃO DE Balança Sistema de injeção de ar Tubo de combustão e jaqueta de vácuo Sistema de produção Sistema de análise de gases

13 Sistema de análise de gases Sistema de recolha de amostras Gasómetro Filtro de particulas DISCUSSÃO DE Filtro de permanganato de potássio Analisador de gases Sistema de injeção de ar Tubo de combustão e jaqueta de vácuo Sistema de produção Sistema de análise de gases

Sistema de aquisição e controlo de dados Painel Controle Painel Diagramas DISCUSSÃO DE Controlo de ignição; Controlo de movimento da sonda móvel; Controlo de aquecimento. Registo da temperatura em cada termopar; Registo da pressão de injeção e de produção; Registo do peso na balança; Registo da temperatura do banho. 14

15 Mistura porosa Areia Argila Óleo Água DISCUSSÃO DE Mistura porosa Saturações iniciais: 50 % de óleo 25% de água 25% de gás.

16 Ensaios em Tubo CIS Taxa de injeção 2,5 L/min 3,0 L/min 3,5 L/min 3,3 L/min Pressão de injeção 17 Bar Pressão de produção 10 bar Pressão no manómetro 31 bar 31 bar 31 bar 20 bar Percentagem de N 2 no ar injetado 80 % Percentagem de O 2 no ar injetado 20 %

17 Ensaio em Tubo CIS Objetivos: O ensaio ETCIS-3 pretendeu estudar a contribuição da diminuição da taxa de injeção de ar sintético no processo de combustão, utilizando uma taxa de injeção de ar sintético de 2,5 L/min. Pre-aquecimento Pressão de injeção 17 Bar Pressão de produção 10 bar Pressão no manómetro 31 bar Taxa de injeção 2,5 L/min Percentagem de N 2 no ar injetado 80 % Percentagem de O 2 no ar injetado 20 % Duração do ensaio de tubo de Combustão ETCIS-3 Ignição Injeção de ar Produção de óleo Produção de água 0 100 200 300 400 500 600 700 Tempo [min]

400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 18 Ensaio em Tubo CIS SM1 SM2 SM3 SM4 SM5 SM6 SM7 SM8 SM9 SM10 Posição ocupada pela sonda fixa e as várias posições ocupadas pela sonda móvel ao longo do ensaio 5 0.15 0.25 0.35 0.45 0.55 0.65 0.75 0.85 0.95 SM1 SM2 3.57 6.11 8.65 11.19 13.73 16.27 18.81 21.35 23.89 26.43 SM9 SM3 SM4 SM5 SM6 SM7 SM8 SM10 13.57 16.11 18.65 21.19 23.73 26.27 28.81 31.35 33.89 36.43 23.57 26.11 28.65 31.19 33.73 36.27 38.81 41.35 43.89 46.43 33.57 36.11 38.65 41.19 43.73 46.27 48.81 51.35 53.89 56.43 43.57 46.11 48.65 51.19 53.73 56.27 58.81 61.35 63.89 66.43 53.57 56.11 58.65 61.19 63.73 66.27 68.81 71.35 73.89 76.43 63.57 66.11 68.65 71.19 73.73 76.27 78.81 81.35 83.89 86.43 73.57 76.11 78.65 81.19 83.73 86.27 88.81 91.35 93.89 96.43

Temperatura [ºC] 19 Ensaio em Tubo CIS 600 550 500 450 400 350 300 250 200 Histórico do perfil de tempetura da sonda fixa ao longo do ensaio Período Estável 150 100 50 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Tempo [min] SF1 SF2 SF3 SF4 SF5 SF6 SF7 SF8 SF9 SF10

Temperatura [ºC] 20 Ensaio em Tubo CIS 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 Histórico do perfil de tempetura da sonda fixa ao longo do tubo Frente de combustão Patamar de vapor 100 50 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Comprimento do tubo de combustão [m] 12.5 41.5 82.5 133 176 202.5 232.5 261.5 300.5 339

Temperatura [ºC] Ensaio em Tubo CIS 600 Perfil de temperatura ajustada ao longo do tubo - ETCIS-3 500 400 300 200 100 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Comprimento do tubo de combustão [m] 12.50 41.50 82.50 133.00 176.00 202.50 232.50 261.50 300.50 339.00 Temp. ref. Temp. Platô de vapor Temp. Média 21

Comprimento do tubo de combustão [m] Temperatura [ºC] Frente de combustão Temperatura da frente de combustão 600 500 400 300 200 100 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Tempo [min] ETCIS-2 ETCIS-3 ETCIS-4 1 Posição da frente de combustão 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Tempo [min] ETCIS-2 ETCIS-3 ETCIS-4 22

Frente de combustão Frente de condensação Frente de combustão ETCIS-3 ETCIS-2 ETCIS-6 Taxa de injeção 2,5 L/Min 3 L/Min 3.3 L/Min Equação da regressão linear y = 0.0054x + 0.2946 y = 0.0053x + 0.1341 y = 0.0055x + 0.276 Erro quadrado 95,5% 99,5% 98,9% V fremte condensação [m/dia] Equação da regressão linear 7.8 7.6 7.5 y = 0.0029x - 0.0178 y = 0.0034x - 0.0791 y = 0.0038x - 0.0244 Erro quadrado 98,9% 99,98% 99,9% V frente combustão [m/dia] 4.17 4.9 5.47 Taxa de crescimento do patamar de vapor [m/s] 3.63 2.7 2.03 23

Grau API Grau API 24 Qualidade do óleo produzido 24 Grau API 20 Grau API 22 20 18 18 16 14 12 0 2 4 6 8 10 12 Proveta 16 14 12 0 2 4 6 8 10 Proveta Observa-se um aumento consideravel da qualidade do óleo produzido ao longo do ensaio. Melhoria de 8 ºAPI no ensaio ETCIS-2 e de 4 ºAPI no ensaio ETCIS-3.

Concentração [%] Concentração [%] Produção de gases 100 Concentração de gases obtida a partir do analisador de gases 100 Concentração de gases obtida a partir do cromatógrafo 80 60 80 60 40 40 20 0 N2 CO CO2 O2 20 0 N2 CO CO2 O2 Componentes ETCIS-2 ETCIS-3 ETCIS-4 Componentes ETCIS-2 ETCIS-3 ETCIS-4 Comparação: Observando-se que a concentração de gases produzidos conclui-se que a concentração foi semelhante em todos os ensaios efetuados, quer pelo analisador de gases, quer pelo cromatógrafo. 25

27 Conclusões e recomendações futuras Velocidade de combustão: a diminuição da taxa de injeção promoce a diminuição da velocidade da frente de combustão, enquanto que o seu aumento conduz ao consequente aumento da velocidade de combustão; Perfis de temperatura: ao longo dos ensaios apresentaram uma configuração bastante constante, em particular no período estável, o que indica que o processo foi estável e constante. Produção de fluidos: a quantidade produzida foi semelhante, mas é necessário aferir o teor de água nas amostras. Concentração de gases: no período estável o processo apresenta a produção de gases em concentrações constantes.

28 Conclusões e recomendações futuras Qualidade do óleo produzido: Aumenta ao longo do processo. Melhoria de 8 ºAPI no ensaio ETCIS-2 e de 4 ºAPI no ensaio ETCIS-3. Quantidade de óleo residual: praticamente despresável, tendo sido inferior a 1 % em ambos os ensaios. Parâmetros da combustão: Razão Ar-Combustível, Consumo de combustível, Ar requerido: observou-se que a razão Ar-Combustível era semelhante em ambos os ensaios pois no ensaio ETCIS-3 apesar de requerer maior necessidade de fornecer ar, também houve um consumo de combustível maior. Razão H/C: não é muito diferente em ambos os ensaios, indicando que a formação de combustível provem da fração pesada do óleo.

29 Trabalho de modelação Ajuste do modelo numérico Ajuste do perfil de temperatura ao longo do tubo de combustão; Ajuste da velocidade da frente de combustão e do consumo de combustível Ajuste da queda de pressão e da taxa de produção de fluidos Ajuste do pico de temperatura Ajuste da composição dos gases produzidos

30 FIM OBRIGADO PELA ATENÇÃO

31 Bibliografia [1] SARATHI, P. S., In-Situ Combustion Handbook Principles and Practices, BDM Petroleum Technologies, Oklahoma, 1999 [2] http://www.ucalgary.ca/ench/aeg/research/reskin.html [3] http://www.insitucombustion.ca/newprocesses.htm [4] Cruz, R. O. M., Combustão In-Situ: considerações sobre projeto e simulações numéricas em escala de laboratório e de campo, Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas 2010 [5] GONÇALVES, L. I. B., Experimental Study of the Wet Combustion on Heavy Oil Recovery, Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, 2010