ES2280583T3 - Proceso electroquimico para efectuar la recuperacion mejorada de petroleo por proceso redox. - Google Patents

Proceso electroquimico para efectuar la recuperacion mejorada de petroleo por proceso redox. Download PDF

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Abstract

Procedimiento para estimular la recuperación de petróleo de una formación subterránea (11) que comprende una primera zona y una segunda zona, comprendiendo las etapas de: a. disponer una primera perforación (14) en la primera zona y una segunda perforación (13) en la segunda zona; b. colocar un primer electrodo (15) en la primera perforación (14) en la primera zona; c. colocar un segundo electrodo (16) cerca de la segunda perforación (13) en la segunda zona; y d. establecer una diferencia de tensión periódica entre el primer y el segundo electrodo (15, 16), caracterizado por el hecho de que la diferencia de tensión periódica se establece aplicando una señal polarizada de CC y superponiendo una componente CA en dicha señal entre dicho primer y segundo electrodo (15, 16), siendo efectiva dicha diferencia de tensión para inducir reacciones de oxidación y reducción en el petróleo y de este modo estimular la descomposición de compuestos en el petróleo.

Description

Proceso electroquímico para efectuar la recuperación mejorada de petroleo por proceso redox.
Campo de la invención
La presente invención se refiere en general a la producción de petróleo, y más concretamente a un procedimiento perfeccionado para recuperar petróleo de depósitos de petróleo subterráneos con la ayuda de corriente eléctrica.
Antecedentes de la invención
Cuando se recupera petróleo crudo inicialmente de una formación de tierra que contiene petróleo, se hace que el petróleo vaya de la formación a un pozo de producción bajo la influencia de presión de gas y otras presiones presentes en la formación. La energía almacenada en el depósito se disipa mientras que la producción de petróleo progresa y eventualmente se vuelve insuficiente para hace que el petróleo vaya al pozo de producción. Es bien conocido en la industria del petróleo que una fracción relativamente pequeña del petróleo de los depósitos de petróleo subterráneos se recupera durante esta etapa de producción principal. Algunos depósitos, tales como los que contienen petróleo bruto altamente viscoso, conservan un 90 por ciento o más del petróleo originalmente en el lugar después de que se termine la producción principal. La recuperación del petróleo está limitada con frecuencia por fuerzas capilares que impiden el flujo de petróleo viscoso a través de espacios intersticiales en la formación que contiene petróleo.
Se han propuesto numerosos procedimientos para recuperar el petróleo adicional que queda en las formaciones que contienen petróleo tras la producción principal. Estas técnicas de recuperación secundaria implican generalmente un consumo de energía para completar las fuerzas expulsivas y/o para reducir las fuerzas de retención que actúan en el petróleo residual. Un resumen de las técnicas secundarias de recuperación se puede encontrar en la patente americana nº 3.782.465.
Una técnica secundaria de recuperación para favorecer la recuperación de petróleo implica el uso de corriente eléctrica a través de un cuerpo del petróleo para aumentar la movilidad del petróleo y facilitar el transporte a un pozo de recuperación. Típicamente, se insertan uno o más pares de electrodos dentro de la formación subterránea en posiciones separadas. Entre los electrodos se establece una caída de tensión para crear un campo eléctrico a través de la formación de petróleo. En algunos procesos, se aplica corriente eléctrica para elevar la temperatura de la formación de petróleo y de este modo reducir la viscosidad del petróleo para facilitar la eliminación. Otros procedimientos utilizan corriente eléctrica para desplazar el petróleo hacia un pozo de recuperación por electroósmosis. En la electroósmosis, los electrólitos disueltos y las partículas cargadas suspendidas en el petróleo migran hacia un cátodo, llevándose las moléculas de petróleo con ellos. Estos procedimientos utilizan típicamente una fuente potencial de CC para generar un campo eléctrico a través de la formación que contiene petróleo.
Los procedimientos de recuperación de petróleo que utilizan electrodos se encuentran a menudo con problemas que afectan a la cantidad y a la calidad del petróleo recuperado. Los sistemas que utilizan un voltaje directo de CC funcionan típicamente a tensiones y corrientes bajas. Además, los sistemas que utilizan corriente CC consumen cantidades relativamente grandes de electricidad con unos correspondientes costes energéticos elevados.
Descripción resumida de la invención
De acuerdo con lo anterior, la presente invención dispone un procedimiento perfeccionado para favorecer la recuperación del petróleo de una formación subterránea que contiene petróleo con el uso de corriente eléctrica tal como se describe en las reivindicaciones. La corriente eléctrica se introduce a través de una pluralidad de perforaciones instaladas en la formación. En sistemas que utilizan solamente dos perforaciones, se dispone una primera perforación y una segunda perforación cerca de la formación subterránea. Las perforaciones se encuentran situadas en posiciones separadas en la formación o cerca de la misma. En la primera perforación se coloca un primer electrodo y en la segunda perforación se coloca un segundo electrodo. Se conecta entonces una fuente de tensión al primer y al segundo electrodo. La segunda perforación puede penetrar el cuerpo del petróleo en la formación subterránea o quedar situada más allá del cuerpo del petróleo, siempre que una parte o todo el cuerpo del petróleo quede situado entre la segunda perforación y el primer electrodo. La primera y la segunda perforación pueden penetrar el cuerpo del petróleo a recuperar, o pueden penetrar la formación en un punto más allá, pero cerca del cuerpo del
petróleo.
El primer y el segundo electrodo quedan instalados en una formación eléctricamente conductora, tal como una formación que tenga un contenido de humedad suficiente para conducir electricidad. Se establece una diferencia de tensión periódica aplicando una señal polarizada de CC y superponiendo una componente CA en dicha señal entre dicho primer y segundo electrodo, bajo condiciones apropiadas para crear un campo eléctrico a través de la formación de petróleo. La corriente se regula para estimular reacciones de oxidación y reducción en el petróleo. A medida que se producen las reacciones redox, los compuestos de cadena larga tales como hidrocarburos pesados del petróleo se reducen a compuestos de cadena pequeña. La descomposición de compuestos de cadena larga disminuye la viscosidad de los compuestos del petróleo y aumenta movilidad del petróleo a través de la formación de manera que el petróleo puede eliminarse en el pozo de recuperación. Las reacciones electroquímicas en la formación también mejoran la calidad y el valor del petróleo que se recupera en última instancia. El sistema puede utilizarse con una multiplicidad de cátodos y ánodos dispuestos en orientaciones y configuraciones verticales, horizontales o angulares.
Descripción de los dibujos
La anterior descripción resumida así como la siguiente descripción se comprenderán mejor si se consideran junto con las figuras que se acompañan, en las cuales:
La figura 1 es un diagrama esquemático de un procedimiento electroquímico perfeccionado para estimular la recuperación de petróleo de una formación subterránea que contiene petróleo;
La figura 2 es un diagrama esquemático en vista en sección parcial de un aparato con el cual puede ponerse en práctica el presente procedimiento; y
La figura 3 es una vista en alzado de un conjunto de electrodos adaptado para su uso en la puesta en práctica de la presente invención.
Descripción detallada de la realización preferida
Haciendo referencia a las figuras en general, y a la figura 1 en particular, el número de referencia 11 representa una formación subterránea que contiene petróleo crudo. La formación subterránea 11 es una formación eléctricamente conductora, que preferiblemente tiene un contenido de humedad por encima de un 5 ciento en peso. Tal como se muestra en la figura 1, la formación 11 comprende un medio poroso y substancialmente homogéneo, tal como piedra arenisca o piedra caliza. Típicamente, tales formaciones que contienen petróleo se encuentran bajo los estratos superiores de la tierra, denominados en general cubierta, a una profundidad del orden de 300 m (1000 pies) o más, bajo la superficie. La comunicación desde la superficie 12 hasta la formación 11 se establece a través de unas perforaciones separadas 13 y 14. El orificio 13 actúa de pozo de producción de petróleo, mientras que el orificio adyacente 14 es un orificio de acceso especial diseñado para la transmisión de electricidad a la formación 11.
La presente invención puede ponerse en práctica utilizando una serie de cátodos y ánodos colocados en orientaciones y configuraciones verticales, horizontales o angulares. En la figura 1 se muestra el sistema que tiene dos electrodos instalados verticalmente en la tierra y separados substancialmente horizontales. A través del orificio de acceso 14 se hace descender un primer electrodo 15 hacia una ubicación cerca de la formación 11. Preferiblemente, el primer electrodo 15 se hace descender a través del orificio de acceso 14 a una altura intermedia en la formación 11, tal como muestra la figura 1. Por medio de un cable aislado en el orificio de acceso 14, el terminal relativamente positivo o ánodo de una fuente de alimentación eléctrica de CC 2 se conecta al primer electrodo 15. El terminal relativamente negativo en la fuente o el cátodo se conecta a un segundo electrodo 16 en el pozo de producción 13, o muy próximo al pozo de producción. Entre los electrodos, la resistencia eléctrica del agua connata 4 en la formación subterránea 11 es suficientemente baja para que la corriente pueda fluir a través de la formación entre el primer y el segundo electrodo 15, 16. Aunque la resistividad del petróleo es substancialmente mayor que la de la cubierta, la corriente pasa preferiblemente directamente a través de la formación 11 ya que esta trayectoria es mucho más corta que cualquier trayectoria a través de la cubierta hacia "tierra".
Para crear el campo eléctrico, se produce una diferencia de potencial periódica entre los electrodos 15, 16, una señal de polarización de CC y superponiendo una CA variable mediante la aplicación de una componente producida bajo potencia CA modulada.
La tensión puede producirse utilizando cualquier tecnología conocida en la técnica eléctrica. Por ejemplo, la tensión de una fuente de corriente alterna puede convertirse a continua utilizando un rectificador de diodos. El componente de la ondulación puede producirse utilizando un circuito RC. Una vez que se establece la tensión, el agua cautiva y el agua capilar presente en la formación subterránea llevan la corriente eléctrica. Los electrólitos de origen natural en el agua subterránea conducen los electrones a través de la formación.
El potencial eléctrico requerido para llevar a cabo reacciones electroquímicas varía para distintos componentes químicos en el petróleo. Consecuentemente, la intensidad o magnitud deseada del componente de la ondulación depende de la composición del petróleo y del tipo de reacciones que se deseen. La magnitud del componente de la ondulación debe alcanzar un potencial capaz de oxidar y reducir enlaces en los componentes del petróleo. Además, el componente de la ondulación debe tener una gama de frecuencias por encima de 2 hercios y por debajo de la frecuencia en la cual ya no se induce polarización en la formación. La forma de onda de la ondulación puede ser sinusoidal o trapezoidal y simétrica o bien acortada. La frecuencia del componente de CA es preferiblemente entre 50 y 2.000 hercios. Sin embargo, se entiende en la técnica que pulsando la tensión y adaptando la forma de la onda puede permitir la utilización de frecuencias mayores de 2.000 hercios.
En la figura 2 se muestra un sistema apropiado para poner en práctica la invención. En este sistema, la perforación 13 actúa de pozo de producción de petróleo que penetra en una zona 17 de la formación subterránea que contiene petróleo 11. El pozo 13 incluye un revestimiento metálico alargado 18 que se extiende desde la superficie 12 a la cubierta de roca 23 inmediatamente por encima de la zona 17. El revestimiento 18 queda sellado en la cubierta 19 por hormigón 20 tal como se muestra, y su extremo inferior queda unido convenientemente a un recubrimiento metálico perforado 24 que continua hacia abajo hacia la formación 11. En el interior del revestimiento 18 se disponen unas tuberías 21 donde se extienden desde la altura del revestimiento 22 a una bomba 25 situada en el depósito de líquido 26 que se acumula dentro del recubrimiento 24. El pozo de producción 13 se completa preferiblemente de acuerdo con la práctica convencional de construcción de pozos. La bomba 25 se selecciona para funcionar a una altura de bombeo suficiente para extraer petróleo de la formación adyacente 11 hacia arriba a través del recubrimiento metálico 24.
Un orificio de acceso 14 que contiene el primer electrodo 15 incluye un revestimiento metálico alargado 28 con un extremo inferior terminado preferiblemente por un patín 29 dispuesto aproximadamente a la misma altura que la cubierta de roca 23. El revestimiento 28 queda sellado en la cubierta 19 por hormigón 30. Cerca del fondo del orificio 14, un recubrimiento tubular 31 de un material aislante eléctrico se extiende desde el recubrimiento 28 una distancia apreciable hacia la formación 11. El recubrimiento aislante 31 queda unido telescópicamente al recubrimiento 28 por un medio de entrecruzamiento o conector apropiado 32. Aunque en la figura 2 se muestra fuera de escala, el recubrimiento 31 tiene preferiblemente una longitud considerable y un diámetro interior relativamente pequeño.
Por debajo del recubrimiento 31, una cavidad 34 formada en la formación que contiene petróleo 11 contiene el primer electrodo 15. El primer electrodo 15 queda sostenido por un cable 35 que está aislado de tierra. El primer electrodo 15 es relativamente corto comparado con la profundidad vertical de la formación subterránea 11 y puede colocarse en cualquier lugar cerca de la formación. Haciendo referencia a la figura 2, el primer electrodo 15 queda colocado a una altura aproximadamente intermedia dentro de la formación que contiene petróleo 11. El primer electrodo puede quedar expuesto a líquidos salinos u oleaginosos en la formación circundante de la tierra, así como a una elevada presión hidrostática. Bajo estas condiciones, el primer electrodo 15 puede estar sometido a corrosión electrolítica. Por lo tanto, el conjunto de electrodos comprende preferiblemente una configuración alargada montada dentro de un receptáculo tubular concéntrico permeable separado radialmente del cuerpo del electrodo. El receptáculo coopera con el cuerpo del primer electrodo para protegerlo evitando que petróleo u otros materiales adversos entren en la cavidad.
Haciendo referencia ahora a la figura 3, se muestra un conjunto preferido para el primer electrodo 15. El conjunto comprende un cuerpo de electrodo tubular hueco 15 conectado eléctricamente a través de su extremo superior a un cable conductor 35 y dispuesto concéntricamente y radialmente separado en el interior de un receptáculo tubular permeable 16a de material aislante. El primer electrodo 15 está cubierto preferiblemente exteriormente con un material, tal como dióxido de plomo, que resiste con eficacia la oxidación electrolítica. El conjunto incluye preferiblemente medios para colocar las superficies internas del primer electrodo 15 bajo una presión substancialmente igual a la presión externa a la cual queda expuesto el primer electrodo, para así impedir la deformación y el consiguiente deterioro del primer electrodo. El receptáculo 16a está cerrado por la parte inferior para disponer un recinto para arena u otro material extraño que entre de la formación circundante.
Haciendo de nuevo referencia a la figura 2, el primer electrodo 15 queda unido al extremo inferior del cable aislado 35, cuyo otro extremo emerge de un casquillo o prensaestopas 36 en la tapa 37 del revestimiento 28 y queda conectado al terminal relativamente positivo de una fuente de energía eléctrica 38. El otro terminal de la fuente de energía eléctrica 38 queda conectado a través de un cable 42 a un conductor expuesto que actúa de segundo electrodo 16 en el pozo de producción 13. El segundo electrodo 16 puede ser un componente separado instalado cerca del pozo de producción 13 o puede formar parte del propio pozo de producción. En la realización que se muestra en la figura 2, el recubrimiento perforado 24 actúa de segundo electrodo 16, y el revestimiento del pozo 18 proporciona una trayectoria conductora entre el recubrimiento y el cable 42.
Hasta ahora, se ha supuesto que los electrodos 15, 16 se encuentran situados en una formación con un contenido de humedad adecuado y electrólitos de origen natural para proporcionar una trayectoria electro-conductora a través de la formación. En las formaciones que no tienen agua subterránea capilar y cautiva apropiada para ser eléctricamente conductora, puede inyectarse un líquido electro-conductor a la formación a través de una o ambas perforaciones para mantener una trayectoria electro-conductora entre los electrodos 15, 16. Haciendo referencia a la figura 2, una tubería 40 en la perforación 14 suministra una solución de electrólito desde la superficie de tierra hacia la formación subterránea 11. Preferiblemente, se utiliza una bomba 43 para transportar la solución desde una fuente de suministro 44 y a través de una válvula de control 45 hacia la perforación 14. La perforación 14 va equipada preferiblemente con dispositivos de control de flujo y nivel convencionales para controlar el volumen de solución de electrólito que se introduce en la perforación. En la patente americana citada anteriormente nº 3.782.465 se describe un sistema y un procedimiento detallados para inyectar una solución de electrólito en una formación. Véase también, la patente americana nº 5.074.986.
Haciendo ahora referencia a las figuras 1-2, se describen ahora las etapas para poner en práctica el procedimiento perfeccionado para estimular la recuperación de petróleo. Se aplica un potencial eléctrico al primer electrodo 15 para elevar su tensión respecto al segundo electrodo 16 y la zona 17 de la formación 11 donde se encuentra situado el pozo de producción 13. La tensión entre los electrodos 15, 16 es preferiblemente no menor de 0,4 V por metro de distancia de electrodo. La corriente fluye entre el primer y el segundo electrodo 15, 16 a través de la formación 11. El agua connata 4 en los intersticios de la formación de petróleo proporciona una trayectoria para el flujo de corriente. El agua que se acumula sobre los electrodos en las perforaciones no produce un cortocircuito entre los electrodos y los revestimientos circundantes. Estos cortocircuitos se evitan debido a que las columnas de agua de las perforaciones tienen áreas de sección transversal relativamente pequeña y, por lo tanto, una resistencia mayor que la formación de petróleo.
A medida que la corriente se aplica a través de la formación 11, se produce la electrólisis en el agua capilar y el agua cautiva. La electrólisis del agua en el agua subterránea libera agentes que favorecen las reacciones de oxidación y reducción en el petróleo. Es decir, las superficies de contacto cargadas negativamente de los compuestos de petróleo experimentan una reducción catódica, y las superficies de contacto cargadas positivamente de los compuestos de petróleo experimentan una oxidación anódica. Estas reacciones redox separan hidrocarburos de cadena larga y compuestos de anillo multicíclicos en compuestos más ligeros, contribuyendo a una menor viscosidad del petróleo. Las reacciones redox pueden inducirse tanto en petróleo alifático como aromático. A medida que se reduce la viscosidad del petróleo con reacciones redox, la movilidad o flujo del petróleo a través de la formación circundante aumenta de manera que el petróleo puede extraerse al pozo de recuperación. Una aplicación continuada de corriente eléctrica puede producir en última instancia dióxido de carbono a través de la mineralización del petróleo. La disolución de este dióxido de carbono en el petróleo reduce más la viscosidad y aumenta la recuperación de
petróleo.
Además de mejorar las características del flujo del petróleo, la presente invención favorece las reacciones electroquímicas que mejoran la calidad del petróleo que se recupera. Una parte de la energía eléctrica suministrada a la formación de petróleo libera hidrógeno y otros gases de la formación. El gas hidrógeno que entra en contacto con petróleo caliente bajo presión hidrostática puede hidrogenar parcialmente el petróleo, mejorando la calidad y el valor del petróleo recuperado. Las reacciones de oxidación en el petróleo también pueden mejorar la calidad del petróleo a través de la oxigenación.
Las reacciones electroquímicas son suficientes para disminuir viscosidades de petróleo y favorecer la recuperación de petróleo en la mayoría de aplicaciones. En algunos casos, sin embargo, pueden requerirse técnicas adicionales para reducir adecuadamente las fuerzas de retención y favorecer la recuperación de petróleo de formaciones subterráneas. En consecuencia, el procedimiento anterior para la recuperación secundaria de petróleo puede utilizarse en combinación con otros procesos de la técnica anterior, tales como recuperación electrotérmica o electroósmosis. Por ejemplo, puede aplicarse presión electroosmótica al depósito de petróleo conmutando a tensión CC directa y aumentando el gradiente de tensión entre los electrodos 15, 16. El complemento de estímulo electroquímico con electroósmosis puede ejecutarse adecuadamente, puesto que los dos procesos utilizan gran parte del mismo equipo. En la patente americana 3.782.465 se describe un procedimiento para emplear electroósmosis en la recuperación de petróleo. Muchos aspectos de la invención anterior se describen con mayor detalle en patentes relacionadas, incluyendo la patente americana nº 3.724.543, la patente americana nº 3.782.465, la patente americana nº 3.915.819, la patente americana nº 4.382.469, la patente americana nº 4.473.114, la patente americana nº 4.495.990, la patente americana nº 5.595.644 y la patente americana nº 5.738.778. Las formaciones de petróleo en las cuales pueden aplicarse los procedimientos que aquí se describen incluyen, sin limitación, las que contienen petróleo pesado, kerógeno, petróleo asfaltínico, petróleo naptalénico y otros tipos de hidrocarburos de origen natural. Además, los procedimientos aquí descritos pueden aplicarse a formaciones tanto homogéneas como no homogéneas.
Los términos y las expresiones se han empleado se utilizan como términos de descripción y no de limitación. Aunque la presente invención se ha descrito en detalle con referencia solamente a las realizaciones actualmente preferidas, no hay intención en el uso de tales términos y expresiones de excluir ningún equivalente de las características mostradas y descritas o partes de las mismas. Se reconoce que son posibles distintas modificaciones de las realizaciones aquí descritas dentro del alcance de la invención. Por consiguiente, la invención incorpora variaciones que se encuentran en el alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (11)

1. Procedimiento para estimular la recuperación de petróleo de una formación subterránea (11) que comprende una primera zona y una segunda zona, comprendiendo las etapas de:
a.
disponer una primera perforación (14) en la primera zona y una segunda perforación (13) en la segunda zona;
b.
colocar un primer electrodo (15) en la primera perforación (14) en la primera zona;
c.
colocar un segundo electrodo (16) cerca de la segunda perforación (13) en la segunda zona; y
d.
establecer una diferencia de tensión periódica entre el primer y el segundo electrodo (15, 16), caracterizado por el hecho de que la diferencia de tensión periódica se establece aplicando una señal polarizada de CC y superponiendo una componente CA en dicha señal entre dicho primer y segundo electrodo (15, 16), siendo efectiva dicha diferencia de tensión para inducir reacciones de oxidación y reducción en el petróleo y de este modo estimular la descomposición de compuestos en el petróleo.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la componente CA superpuesta tiene una frecuencia de entre 50 y 2.000 hercios.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la etapa de establecer la diferencia de tensión para inducir reacciones de oxidación y reducción comprende la etapa de alterar la diferencia de tensión entre el primer y el segundo electrodo (15, 16).
4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la segunda perforación (13) comprende un recubrimiento metálico (24) en
dicha segunda perforación.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la diferencia de tensión entre el primer y el segundo electrodo es de entre 0,4 y 2,0 V por metro de distancia entre el primer y el segundo electrodo (15, 16).
6. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende la etapa de mineralizar una parte del petróleo presente en dicha formación para producir dióxido de carbono.
7. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la etapa de disponer una segunda perforación (13) comprende la colocación de la segunda perforación en contacto con petróleo en la formación subterránea.
8. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la primera y segunda perforación (14, 13) penetran el petróleo en la formación subterránea.
9. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la etapa de establecer la diferencia de tensión comprende variar la magnitud de la componente CA superpuesta, de manera que se estimulan reacciones de oxidación y reducción en diversos compuestos de petróleo.
10. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende la etapa adicional de aplicar una tensión de CC creciente entre el primer y el segundo electrodo (15, 16) para producir una fuerza electroosmótica en el depósito de petróleo hacia la segunda perforación (13).
11. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende las etapas adicionales de:
e.
aumentar la tensión entre el primer y el segundo electrodo para producir una fuerza electroosmótica en el depósito de petróleo (11) hacia la segunda perforación (13); y
f.
extraer petróleo de la segunda perforación (13).
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