Download Sección B2 Solubilidad de gases en salmueras de formiato

C ABOT
SP E C I A LT Y
F L U I D S
MAN UAL
TÉCN ICO
DE
F O RM IATOS
C OMPATIBILIDAD E S E IN T E R ACCION E S
Sección B2
Solubilidad de gases
en salmueras de formiato
B2.1Introducción............................................................................................2
B2.2 Solubilidad del metano, CH4...................................................................2
B2.3 Solubilidad del dióxido de carbono, CO2................................................8
Referencias........................................................................................................... 10.
El Manual técnico de formiatos se actualiza de manera continua.
Para verificar si existe una versión más reciente de esta sección, visite el sitio
www.salmuerasdeformiato.com/manual
AVISO Y DESCARGO DE RESPONSABILIDAD. Los datos y las conclusiones que figuran en este documento se basan en trabajos que se
consideran confiables; sin embargo, CABOT no puede garantizar y no garantiza que otros obtengan resultados y/o conclusiones similares.
Esta información se proporciona para su conveniencia y a fines meramente informativos. No se otorga garantía alguna, ya sea expresa o
tácita, en lo relativo a esta información, o cualquier producto al que se refiera. CABOT NO SE HACE RESPONSABLE DE GARANTÍA ALGUNA,
EXPRESA O TÁCITA, YA SEA DE COMERCIALIZACIÓN O IDONEIDAD PARA UN PROPÓSITO PARTICULAR EN CUANTO A (i) LA INFORMACIÓN,
(ii) CUALQUIER PRODUCTO O (iii) VIOLACIÓN DE PROPIEDAD INTELECTUAL. Por el presente documento, CABOT no se hace responsable ni
acepta responsabilidad alguna, en ningún caso, en caso de daños de cualquier tipo en relación con el uso o la fiabilidad de esta información o
de cualquier producto con el que se encuentre relacionada.
© 2007 Cabot Corporation, M. A. – EE. UU. Todos los derechos reservados. CABOT es una marca comercial registrada de Cabot Corporation.
V ER S IÓ N
1
–
07 / 07
SECCIÓN B2
PÁGINA 1
C ABO T
S PE C I A LT Y
F L U I D S
B2.1 Introducción
La baja solubilidad de los gases de reservorio en
el fluido de construcción de pozos es importante
para cumplir con el objetivo del control del pozo.
Los cambios en el volumen y la densidad como
consecuencia del influjo de un gas pueden acarrear
graves consecuencias. La solubilidad de los gases
de reservorios típicos en las salmueras de formiato
ha demostrado ser muy baja y significativamente
menor que en el agua.
La Ley de Henry establece que la solubilidad de
los gases en un líquido es proporcional a la presión
parcial del gas en contacto con el líquido.
B2.2 Solubilidad del metano, CH4
En base a la literatura, se sabe que la solubilidad
del gas metano es mucho menor en fluidos de base
acuosa que en fluidos de base oleosa y menor aún
en salmueras que en agua.
La solubilidad del metano ha sido ensayada en
una salmuera de formiato de cesio y potasio de
2.09 g.e./17.43 ppg (con tampón, mezcla estándar)
en el Westport Technology Center International [1].
MA NUA L
T ÉC NI C O
DE
FORMI AT OS
La solubilidad del gas metano resultó similar e
incluso ligeramente inferior a la que se produce en
una salmuera de cloruro de sodio. La solubilidad
del metano en agua, NaCl (20%), y en salmuera
de formiato de cesio de 2.09 de g.e./17.43 ppg
(2,088.57 kg/m³) se muestra en la figura 1.
El efecto de la presión y la temperatura sobre la
solubilidad del metano en salmueras de formiato se
muestra en las figuras 2 y 3. Como puede verse, la
solubilidad aumenta con el aumento de la presión y
de la temperatura. El aumento con la temperatura
es muy inusual. En la mayoría de los disolventes,
se conoce que la solubilidad del metano disminuye
con la temperatura.
El efecto del metano solubilizado en la densidad
del fluido es importante para el control del pozo. La
densidad disminuye a medida que la solubilidad del
gas metano aumenta. Esto es importante para el
seguimiento de los cambios en la hidrostática del
fluido durante la perforación. La figura 4 muestra
cómo el metano disuelto influye en la densidad de
la salmuera. Como se puede observar, el efecto del
metano disuelto sobre la densidad del fluido es
menor al 1% para la mayor parte del rango de
presión y temperatura.
Los ensayos se llevaron a cabo con un
comportamiento de la fase visual de las celdas
en un valor nominal de 103 MPa/15,000 psia
a 177°C/350°F. Se utilizó agua como fluido de
presurización, separado por un pistón. Esto
permitió que la celda se invirtiera completamente,
lo que provocó una mezcla considerable entre las
fases gaseosa y líquida. Esto es necesario para
alcanzar el equilibrio en estos sistemas de baja
solubilidad. El sistema tiene un pequeño volumen
de muestra, lo que hace que el procedimiento sea
más engorroso y demore más tiempo en sistemas
de baja solubilidad. El procedimiento experimental
requirió la carga de la celda con 50 ml de salmuera
de formiato y una carga adicional de 10 ml de gas
metano a alta presión. Luego, la celda fue sometida
a temperatura y el contenido fue presurizado
mediante la inyección de agua. El contenido de
la celda se mezcló vigorosamente mediante la
inversión de la celda. Este procedimiento se repitió
hasta que la presión se mantuvo constante, lo que
indicó que se había alcanzado la solubilidad de
equilibrio. A presión constante, se drenó el exceso
de gas del sistema y se recogió ​​un volumen
conocido de la fase líquida en un picnómetro
metálico. La aplicación de una vaporización rápida
de una sola etapa a la muestra de líquido en una
bola de cristal de volumen pequeño utilizando los
procedimientos de rutina dio como resultado la
relación de gas-petróleo (GOR) informada.
PÁGINA 2
SECCIÓN B2
V E R SIÓN
1
–
0 7 / 0 7
SECCIÓN B: COMPATIBILIDADES E INTERACCIONES
CABO T
S P ECIALTY
FLUIDS
METRICO
Solubilidad del metano en agua, 20% NaCl, y CsKFo de 2.09 g.e., 150°C
Solubilidad del metano [g/L]
1 0 0 .0
Agua 150°C
N a C l 2 0% wt 150°C
2 . 0 9 s.g. C s K F o 1 4 9 ° C
1 0 .0
1 .0
0 .1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
Presión [Pat]
CAMPO
Solubilidad del metano en agua, 20% NaCl, y CsKFo de 17.43 ppg, 302ºF
Solubilidad del metano [g/L]
1 0 0 .0
Agua 3 02 °F
N a C l 2 0% wt 3 0 2 °F
1 7 . 4 3 p p g C s K F o 3 0 0 °F
1 0 .0
1 .0
0 .1
2 ,0 0 0
4 ,0 0 0
6 ,0 0 0
8 ,0 0 0
1 0 ,0 0 0
1 2 ,0 0 0
1 4 ,0 0 0
1 6 ,0 0 0
1 8 ,0 0 0
2 0 ,0 0 0
Presión [psia]
Figura 1 Solubilidad del metano en agua, NaCl (20%), y una salmuera de formiato de cesio y potasio con tampón (2.09 g.e./17.43 ppg).
V ER S IÓ N
1
–
07 / 07
SECCIÓN B2
PÁGINA 3
C ABO T
S PE C I A LT Y
F L U I D S
MA NUA L
T ÉC NI C O
DE
FORMI AT OS
METRICO
Solubilidad del metano en formiato de cesio y potasio de 2.09 g.e.
2 .0
Solubilidad del metano [g/L]
3 8 °C
1 .8
9 3 °C
1 .6
1 4 9 °C
1 7 7 °C
1 .4
1 .2
1 .0
0 .8
0 .6
0 .4
0 .2
0 .0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Presión [MPa]
CAMPO
Solubilidad del metano en agua, 20% NaCl, y CsKFo de 17.43 ppg, 302ºF
2 .0
Solubilidad del metano [g/L]
1 0 0 °F
1 .8
2 0 0 °F
1 .6
3 0 0 °F
3 5 0 °F
1 .4
1 .2
1 .0
0 .8
0 .6
0 .4
0 .2
0 .0
2 ,0 0 0
4 ,0 0 0
6 ,0 0 0
8 ,0 0 0
1 0 ,0 0 0
1 2 ,0 0 0
1 4 ,0 0 0
1 6 ,0 0 0
Presión [psia]
Figura 2 Efecto de la presión sobre la solubilidad del metano en una salmuera de formiato de cesio y potasio con tampón de
2.09 g.e./17.43 ppg.
PÁGINA 4
SECCIÓN B2
V E R SIÓN
1
–
0 7 / 0 7
SECCIÓN B: COMPATIBILIDADES E INTERACCIONES
CABO T
S P ECIALTY
FLUIDS
METRICO
Solubilidad del metano en formiato de cesio y potasio de 2.09 g.e.
2 .0
13.8 Pa
1 .8
34.5 Pa
Solubilidad del metano [g/L]
1 .6
69.0 Pa
1 1 0 .3 P a
1 .4
1 .2
1 .0
0 .8
0 .6
0 .4
0 .2
0 .0
30
40
50
60
70
80
90
1 00
1 10
12 0
130
140
150
160
170
180
340
360
380
Temperatura [°C]
CAMPO
Solubilidad del metano en formiato de cesio y potasio de 17.43 ppg
Solubilidad del metano [g/L]
2 .0
1 .8
2 ,0 0 0 ps i
1 .6
5 ,0 0 0 ps i
1 0 ,0 0 0 ps i
1 .4
1 6 ,0 0 0 ps i
1 .2
1 .0
0 .8
0 .6
0 .4
0 .2
0 .0
80
100
120
140
160
180
200
2 20
2 40
26 0
280
300
320
Temperatura [˚F]
Figura 3 Efecto de la temperatura sobre la solubilidad del metano en una salmuera de formiato de cesio y potasio con tampón de
2.09 g.e./17.43 ppg.
V ER S IÓ N
1
–
07 / 07
SECCIÓN B2
PÁGINA 5
C ABO T
S PE C I A LT Y
F L U I D S
MA NUA L
T ÉC NI C O
DE
FORMI AT OS
METRICO
Densidad de una salmuera de formiato de cesio y potasio de 2.09 g.e.
con y sin metano disuelto, pH = 9.98
2 .1 2
1 3 .8 MPa s/metano
1 3 .8 MPa c/metano
3 4 .5 MPa s/metano
3 4 .5 MPa c/metano
6 8 .9 MPa s/metano
6 8 .9 MPa c/metano
1 1 0 . 3 MPa s/metano
1 1 0 . 3 MPa c/metano
2 .T
10
E
RI
2 .0 8
Densidad [g/ml]
2 .0 6
2 .0 4
2 .0 2
2 .0 0
1 .9 8
1 .9 6
1 .9 4
1 .9 2
30
40
50
60
70
80
90
10 0
110
120
1 30
14 0
150
160
1 70
18 0
190
Temperatura [˚C]
CAMPO
Densidad de una salmuera de formiato de cesio y potasio de 17.43 ppg
con y sin metano disuelto, pH = 9.98
2 .1 2
2 ,0 0 0 ps i a s/metano
2 ,0 0 0 ps i a c/metano
5 ,0 0 0 ps i a s/metano
5 ,0 0 0 ps i a c/metano
1 0 ,0 0 0 ps i a s/metano
1 0 ,0 0 0 ps i a c/metano
1 6 ,0 0 0 ps i a s/metano
1 6 ,0 0 0 ps i a c/metano
2 .1 0
2 .0 8
Densidad [g/ml]
2 .0 6
2 .0 4
2 .0 2
2 .0 0
1 .9 8
1 .9 6
1 .9 4
1 .9 2
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
32 0
34 0
360
Temperatura [˚F]
Figura 4 Efecto de la presión y del metano solubilizado sobre la densidad de una salmuera de formiato de cesio y potasio con tampón
de 2.09 g.e./17.43 ppg.
PÁGINA 6
SECCIÓN B2
V E R SIÓN
1
–
0 7 / 0 7
SECCIÓN B: COMPATIBILIDADES E INTERACCIONES
CABO T
S P ECIALTY
FLUIDS
METRICO
Densidad de formiato de cesio y potasio de 2.09 g.e. con y sin metano disuelto, pH = 9.98
C
1 0 0 °F
1 0 0 °F
2 0 0 °F
2 0 0 °F
3 0 0 °F
3 0 0 °F
3 5 0 °F
3 5 0 °F
2 .1 4
2 .1 2
2 .1 0
Densidad [g/ml]
2 .0 8
s/metano
c/metano
s/metano
c/metano
s/metano
c/metano
s/metano
c/metano
2 .0 6
2 .0 4
2 .0 2
2 .0 0
1 .9 8
1 .9 6
1 .9 4
1 .9 2
0
20
40
60
80
100
1 20
Presión [MPa]
CAMPO
Densidad de formiato de cesio y potasio de 17.43 ppg con y sin metano disuelto, pH = 9.98
1 0 0 °F
1 0 0 °F
2 0 0 °F
2 0 0 °F
3 0 0 °F
3 0 0 °F
3 5 0 °F
3 5 0 °FF
2 .1 4
2 .1 2
2 .1 0
Densidad [g/ml]
2 .0 8
s/metano
c/metano
s/metano
c/metano
s/metano
c/metano
s/metano
c/metano
2 .0 6
2 .0 4
2 .0 2
2 .0 0
1 .9 8
1 .9 6
1 .9 4
1 .9 2
2 ,0 0 0
4 ,0 0 0
6 ,0 0 0
8 ,0 0 0
1 0 ,0 0 0
1 2 ,0 0 0
1 4 ,0 0 0
1 6 ,0 0 0
Presión [psia]
Figura 5 Efecto de la temperatura y del metano solubilizado sobre la densidad de una salmuera de formiato de cesio y potasio con
tampón de 2.09 g.e./17.43 ppg.
V ER S IÓ N
1
–
07 / 07
SECCIÓN B2
PÁGINA 7
C ABO T
S PE C I A LT Y
F L U I D S
B2.3 Solubilidad del
dióxido de carbono, CO2
La solubilidad del dióxido de carbono en las
salmueras de formiato es también una función de la
temperatura, de la presión y de la salinidad. Se sabe
que la solubilidad del CO2 en agua dulce aumenta
con el aumento de la presión y con la disminución
de la temperatura.
Cuando el dióxido de carbono se disuelve en un
líquido de base acuosa, se produce la siguiente
reacción:
1
1
1
1
2
2
2
2
3
1
3
3
3
4
4
2
4
4
5
5
5
5
3
4
5
CO2 (g)←
→ CO2 (aq)
(1)
CO (g)←
→ CO (aq)
CO22(g)←
→ CO22(aq)
El CO
acuoso reaccionará luego con el agua para
2
CO2 (g)←
→ CO2 (aq)
formar
ácido carbónico
(H2CO3):
CO2 (aq) + H2O ←
→ H2CO3 (aq)
CO (aq) + H O ←
→ H CO (aq)
(2)
CO22(aq) + H22O ←
→ H22CO33(aq)
CO2 (aq) + H2O ←
→ H2CO3 (aq)
El ácido carbónico se disociará en el agua para
formar iones de carbonato
y bicarbonato
de
−
+
H 2CO
H2O(aq
←
→
3 (aq
CO
)con
→+CO
) H3O (aq) + HCO3 (aq)
2 (g )←
2 pH:
acuerdo
el
−
H CO (aq) + H O ←
→ H O + (aq) + HCO− (aq)
H 22CO33(aq) + H22O ←
→ H33O + (aq) + HCO33 (aq)
−
H 2CO3− ((aq)) + H2O ←
→ H O + (aq) + HCO
2−
3 )(aq) (3)
HCO aq + H O ←
→ H O3+ (aq) + CO (aq
3
2
3
3
HCO
H2←
O←
→ H3O+3 ((aq
aq + CO2− (aq)
)aq+))H++2HO
CO
3− (
2 (aq
(aq
HCO
O→
←
→HH2CO
O (aq))+ CO 3 (aq)
−
3
HCO
−
2−
+
2
3
3
2−
+
(aq) + H O ←
(aq)
2 −→ H O (aq) + −CO
(4)
2
3
3
H 2CO33 ( aq) + CO
3 ( aq) → 2HCO3 ( aq)
2 − de formiato,−la solubilidad del CO
En
una
salmuera
2
H CO3 ( aq) + CO32− ( aq) → 2HCO3− ( aq)
H 22CO
( aq) la
→presencia
2HCO3 ( aq) del tampón de
3 ( aq) + CO3 por
es
complicada
−
2−
H 2CO3 ( aq) + CO3 ( aq) → 2HCO
3 ( aq)
− y cuando
carbonatos
yO
bicarbonatos.
H 2CO3 (aq) + H
←
→ H3O + (aq)Siempre
+ HCO3 (aq
)
2
2haya carbonato (CO3 ) presente en la salmuera, el
ácido carbónico que se forme reaccionará con el
−
+
carbonato
bicarbonato
de
(aq) + CO32− (aq
) acuerdo con
HCO3 (aq) +yHformará
→ H3O
2O ←
la siguiente ecuación:
2−
−
H 2CO3 ( aq) + CO3 ( aq) → 2HCO3 ( aq)
MA NUA L
La solubilidad del dióxido de carbono (CO2) en
una salmuera concentrada de formiato de cesio
ha sido medida por Westport Technology Center
International [2]. El ensayo se llevó a cabo a dos
temperaturas (148.9°C/200°F y 176.7°C/350°F) en el
rango de presión de 0.83 a 38 MPa/120 a 5415 psia.
DE
FORMI AT OS
Se utilizó para el ensayo una salmuera de formiato
de cesio de 2.156 g.e./21.3 ppg con un pH de 7.98
(sin diluir). Se utilizaron las siguientes condiciones
experimentales:
Tabla 1 Condiciones experimentales utilizadas para el ensayo
de solubilidad de CO2 en salmuera de formiato de cesio.
Solución
CsFo
c/HCO3-
Temperatura
[°C]
[°F]
148.9
300
176.7
350
Rango de presión
[MPa]
[psia]
1.94 – 22.2
281 – 3,224
11.96 – 37.36 1,734 – 5,415
Los ensayos se llevaron a cabo de acuerdo con el
siguiente procedimiento experimental: Se cargó
un peso conocido de salmuera de formiato de
cesio en un cilindro de alta presión y temperatura.
Se agregó luego una cantidad conocida [moles]
de dióxido de carbono al cilindro. La mezcla
de formiato de cesio y CO2 se equilibró en la
temperatura objetivo y con alta presión. Luego, se
realizó una expansión con composición constante
(CCE) de la solución equilibrada de formiato de
cesio y CO2. En el ensayo de CCE, se midió el
punto de burbujeo de la mezcla equilibrada. A
la temperatura experimental y en el punto de
burbujeo de la mezcla, se definió la solubilidad del
CO2 en salmuera de formiato de cesio.
La tabla 2 y la figura 6 muestran la solubilidad de
CO2 medida en la salmuera de formiato de cesio
concentrada en función de la temperatura y de la
presión.
Tabla 2 Solubilidad de CO2 en una salmuera de formiato de
cesio concentrada.
(5)
En primer lugar, cuando toda la concentración de
carbonato se consuma, entonces el gas de dióxido
de carbono comenzará a disolverse de acuerdo
con las ecuaciones 3 y 4 anteriores.
T ÉC NI C O
Solución
Temperatura
[°C]
Formiato de
cesio
con HCO32.156 g/ml
148.9
176.7
Solubilidad de
CO2 x 105
Presión
[°F]
[MPa] [psia] [moles/g]
1.937
281
3.0034
300 9.908 1,437
10.1727
22.23 3,224
20.3851
11.96 1,734
2.9900
350 19.53 2,832
6.5918
37.34 5,415
14.1938
Con el objetivo de no confundir la absorción de
CO2 deltampón de carbonatos con solubilidad, se
ensayaron las salmueras sólo con la porción de
bicarbonato del tampón agregado. El bicarbonato
tampona la salmuera a un pH de 6.35 pero no
interfiere con las reacciones de disolución de CO2
(Ecuaciones 3 y 4).
PÁGINA 8
SECCIÓN B2
V E R SIÓN
1
–
0 7 / 0 7
SECCIÓN B: COMPATIBILIDADES E INTERACCIONES
CABO T
S P ECIALTY
FLUIDS
METRICO
Solubilidad de CO2 en una salmuera de formiato de cesio
0 .0 0 02 2
0 .0 0 02 0
148.9°C (c/bicarbonato)
176.7°C (c/bicarbonato)
0 .0 0 01 8
Solubilidad [moles/g]
0 .0 0 01 6
0 .0 0 01 4
0 .0 0 01 2
0 .0 0 01 0
0 .0 0 00 8
0 .0 0 00 6
0 .0 0 00 4
0 .0 0 00 2
0 .0 0 00 0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Presión [MPa]
CAMPO
LD
Solubilidad de CO2 en una salmuera de formiato de cesio
0 .0 0 02 2
0 .0 0 02 0
300°F (c/bicarbonato)
350°F (c/bicarbonato)
0 .0 0 01 8
Solubilidad [moles/g]
0 .0 0 01 6
0 .0 0 01 4
0 .0 0 01 2
0 .0 0 01 0
0 .0 0 00 8
0 .0 0 00 6
0 .0 0 00 4
0 .0 0 00 2
0 .0 0 00 0
0
500
1, 0 00
1, 5 00
2, 0 00
2 , 50 0
3 , 00 0
3 , 50 0
4 , 00 0
4 , 50 0
5 , 00 0
5 , 50 0
Presión [psia]
Figura 6 Solubilidad de CO2 en salmueras de formiato de cesio concentradas.
V ER S IÓ N
1
–
07 / 07
SECCIÓN B2
PÁGINA 9
C ABO T
S PE C I A LT Y
F L U I D S
MA NUA L
T ÉC NI C O
DE
FORMI AT OS
Referencias
[1] “Methane Solubility in Cesium Potassium
Formate Solution”, informe # R-04-166,
Westport Technology Center International,
abril de 2004.
[2] Informe de solubilidad de CO2 en formiato de
cesio para Cabot, Westport Technology Center
International, informe R-03-141.
PÁGINA 10
SECCIÓN B2
V E R SIÓN
1
–
0 7 / 0 7