Sistemas multicomponentes.

Los sistemas de hidrocarburos que se presentan naturalmente en yacimientos de petrleo y gas, estn compuestos de una gran variedad de componentes, que incluyen no slo hidrocarburos de la serie parafinica, sino muchos otros componentes de otras series. El comportamiento de estos sistemas en la regin de vapor-lquido, es muy similar a los sistemas binarios. Por supuesto, los diagramas bidimensionales de presin composicin y temperatura-composicin, ya no se aplican en estos casos. El comportamiento de fases de sistemas multicomponentes de hidrocarburos, depende de la composicin y de las propiedades de los componentes individuales. Las caractersticas de los diagramas P-V y P-T, son similares a los de los sistemas de dos componentes.Para sistemas multicomponentes de hidrocarburos voltiles, las isotermas de un diagrama P-V son similares a los de la Fig. No. 2-16 para un sistema binario. Sin embargo, es muy comn encontrar que el lugar correspondiente al punto de roco se observe muy poco o no se observe en absoluto. Por lo tanto, es muy difcil fijar el punto de roco por medio de estos diagramas. Para un petrleo crudo, la Fig. No. 2-34 ilustra una isoterma tpica en un diagrama P-V. El punto A representa el sistema totalmente lquido a una presin relativamente alta. A medida que isotrmicamente disminuye la presin, se alcanza la presin de burbujeo en B, Pb, ms comnmente denominada, para petrleos crudos, presin de saturacin, Ps.En estos sistemas, se considera que la fase gaseosa se comienza a formar al alcanzar el punto de burbujeo. El gas proviene del gas en solucin en el petrleo. Esta idea es muy razonable y puede aplicarse a cualquier sistema de hidrocarburos. Por consiguiente, a la presin de saturacin, el lquido se considera saturado y cualquier descenso en presin trae como consecuencia desprendimiento de gas, o sea aparecimiento de una fase gaseosa. Cuando se alcanza la presin atmosfrica, el sistema original de petrleo crudo consiste en petrleo y gas. Para vaporizar totalmente el sistema, generalmente se requiere muy bajas presiones; por lo tanto, el punto de roco prcticamente nunca se alcanza. Tal Como se mencion antes, los diagramas P-T para un sistema binario y para un sistema multicomponente son similares. La Fig. No. 2-35 ilustra el diagrama P-T, para una mezcla hipottica de hidrocarburos. Tal como en un sistema binario, la regin de dos fases est cerrada por una curva envolvente, LP, CT, V, formada por la curva de puntos de burbujeo, LPC y en la curva de puntos de roco, VT, C, unidas en el punto crtico, C.

Considrese lneas a igual presin (isobricas) o a igual temperatura (Isotrmicas) que cruzan el diagrama. Por ejemplo, la lnea isobrica del caso 1, entre los puntos 1 y 2, cruza la curva de puntos de burbujeo en A y la curva de puntos de roco en B. Esta lnea ilustra vaporizacin o condensacin a presin constante. Entre 1 y A la mezcla no cambia de estado, slo la densidad disminuye al aumentar la temperatura. En A comienza la vaporizacin (punto de burbujeo) y al aumentar la temperatura, el lquido disminuye y el vapor aumenta hasta llegar a B donde todo el sistema es vapor. Entre B y 2, el vapor se sobrecalienta. Si se considera el sistema en sentido inverso, entre el punto 2 y B, el vapor no cambia de estado y permanece homogneo, excepto que la densidad aumenta al disminuir la temperatura. En B comienza la condensacin (punto de roco). A medida que disminuye la temperatura, aumenta la condensacin hasta llegar a A donde el sistema es todo lquido. El caso 11, entre los puntos 3 y 4, indica una lnea isotrmica. Es un ejemplo de vaporizacin o condensacin a temperatura constante. Entre 3 y D, el sistema es vapor homogneo y slo aumenta la densidad con aumento de la presin. Por aumento posterior en la presin, entre D y E. ocurre condensacin del sistema. Entre E y 4. el sistema es lquido homogneo y slo aumenta la densidad con la presin. Otra caracterstica de los diagramas P-T de mezclas, consiste en que la curva envolvente de la regin de dos fases, presenta valores mximos de presin y temperatura, no coincidentes con el punto crtico. En la Fig. No. 2-35, la presin mxima ocurre en Pm, y la temperatura mxima ocurre en Tm, y reciben el nombre respectivamente de cricondembrico y cricondentrmico, abreviacin de "critical condensation pressure" (presin de condensacin critica) y "critical condensation temperature" (temperatura de condensacin crtica).La existencia del cricondembrico permite seguir una lnea isobrica a presin mayor que la crtica, tal como el casoIII (lnea entre los puntos 5 y 6), que cruza dos veces la curva de puntos de burbujeo, sin cruzar la curva de puntos de roco. Por otro lado, la existencia del cricondentrmico, permite seguir una lnea isotrmica a temperatura mayor que la crtica, tal como el Caso IV (lnea entre los puntos 7 y 8), que cruza dos veces la curva de puntos de roco sin cruzar la curva de puntos de burbujeo.Lo anterior, trae como consecuencia el que ocurra vaporizacin y condensacin diferente a los Casos 1 y 11 explicados anteriormente, para presin y temperatura menores que la crtica. En el caso 111, por ejemplo, la lnea isobrica 5-6, est a una presin intermedia entre P, (C) y Pm, y cruza la curva de puntos de burbujeo en F y G. Por lo tanto, bien sea que la temperatura aumente o disminuya, en el punto inicial de interseccin con la curva de puntos de burbujeo (F o G) el sistema es un lquido homogneo y coincide con el comienzo de la vaporizacin, no Importa el camino seguido. Tan pronto como la temperatura aumente o disminuya y corte el segundo punto en la curva de burbujeo (G o F) sin cruzar la curva de roco, el sistema estar de nuevo en la misma fase lquida que cuando cort inicialmente la curva de burbujeo. Es evidente entonces, que la vaporizacin increment de cero, pas por un mximo y disminuy de nuevo a cero al cruzar por segunda vez la curva de burbujeo. Por tanto, entre F y G estar un punto de vaporizacin mxima y G indica, bien sea condensacin (con aumento de temperatura) o vaporizacin (con disminucin de temperatura) de acuerdo a la direccin seguida. Este comportamiento anmalo h e denominado por Sage y Lacey (Ref. 3), como "vaporizacin retrgrada isobrica".En el Caso IV, la lnea isotrmica 7-8 est a una temperatura intermedia entre T, (C) y T, y cruza la curva de roco en los puntos H y J sin cruzar la curva de burbujeo, dando lugar a un comportamiento de condensacin y vaporizacin anmalas, similares al Caso III. Ya que este caso est relacionado con la curva de roco, Sage y Lacey (Ref. 3) denominan este comportamiento como "condensacin retrgrada isotrmica".Las reas marcadas con lneas oblicuas se denominan "regin retrgrada", o sea el rea donde ocurre vaporizacin o condensacin en forma inversa al comportamiento convencional; es decir, vaporizacin retrgrada, por la cual se forma vapor al disminuir isobricamente la temperatura (lnea 6-G-K) o aumentar isotrmicamente la presin (lnea L-J-8) y condensacin retrgrada, por la cual se forma lquido al disminuir isotrmicamente la presin (lnea 8-J-L) o aumentar isobricamente la temperatura (lnea K-G-6).Los sistemas de hidrocarburos multicomponentes encontrados en los yacimientos se clasifican muy ampliamente como petrleo y gases. Para cada uno de estos sistemas, existe una clasificacin determinada. Para sistemas gaseosos, o sea aquellos que en el yacimiento se encuentran como gas, se clasifican en condensados o retrgrados, gases hmedos y gases secos. Para sistemas de petrleos, o sea aquellos que en el yacimiento se encuentran como lquidos, se clasifican, de acuerdo al lquido recuperado en superficie, como petrleos de baja o alta merma. Los diagramas P-T para estos sistemas, vara11 en la forma y la posicin del punto crtico, dependiendo del contenido de voltiles en el sistema.Para sistemas con un alto contenido de voltiles, la temperatura critica del sistema se acerca ms a la temperatura crtica del componente ms liviano. Obsrvese los diagramas P-T de las Fig. Nos. 2-36 a 3-40, para un gas seco (principalmente metano), un gas hmedo, una mezcla de gas natural-gasolina natural (sistema similar a un condensado o un gas retrgrado), para un petrleo crudo liviano de alta merma y para un petrleo crudo ms pesado de baja merma respectivamente. En la Fig. No. 2-36, el punto crtico prcticamente coincide con el del metano y est localizado totalmente a la izquierda del diagrama. .A medida que el sistema disminuye en voltiles, el punto C se desplaza a la derecha y aumenta la temperatura crtica del sistema. Finalmente, los yacimientos de hidrocarburos se clasifican de acuerdo al tipo de fluido existente en el yacimiento y de all derivan algunos nombres. Estos yacimientos estn relacionados con los diagramas P-T La Fig. No. 2-41. (Ref. 10) presenta un diagrama P-T donde se indican diferentes zonas de acuerdo al tipo de yacimiento:Zona I. Si la temperatura del yacimiento esta por encima del cricondentrmico, se habla de yacimientos de gas, tal como e1 punto A del diagrama. Puede ocurrir que sean yacimientos de gas seco o de gas hmedo. En ambos casos. El gas en el yacimiento siempre estar en estado gaseoso y su composicin permanece constante. El gas seco se compone principalmente de metano y etano con pequeos porcentajes de componentes ms pesados. La Fig. No. 2-36 ilustra un diagrama tpico P-T para un gas seco junto con condiciones del yacimiento y de produccin(Separacin en superficie). Ambas condiciones se encuentran en la zona de una sola fase. No se condensan hidrocarburos lquidos, ni en el yacimiento ni en superficie, aunque pueda contener vapor de agua que puede condensarse en la superficie. "Seco" en este caso, significa libre de hidrocarburos lquidos, no necesariamente libre de agua.Para el caso de yacimientos de gas hmedo, las condiciones de produccin (separacin en superficie), se encuentran en la regin de dos fases (punto A, de la Fig No 2-41) y se obtiene una fase lquida del separador denominada destilado o condensado. La Fig. No. 2-37 ilustra un diagrama P-T tpico para un gas hmedo junto con condiciones del yacimiento y de produccin. Puede tambin ocurrir que las condiciones de separacin de gas hmedo se encuentren en la zona de una sola fase y la produccin sea totalmente gas. No obstante, el gas producido contiene fracciones lquidas que pueden removerse por separacin a baja temperatura o con el uso de plantas de gasolina natural, dejando un gas seco.Zona II (Fig. No. 2-41) Si las condiciones iniciales del yacimiento son tales que la temperatura est entre el cricondentrmico y la temperatura crtica y la presin sea tal que exista una sola fase en el yacimiento, se habla entonces de yacimientos de condensado, de destilado, yacimientos de punto de roco o ms comnmente yacimientos de condensacin retrgrada. Ejemplo: Punto B en el diagrama de la Fig. No. 2-41. A medida que la presin disminuye debido a la produccin, la composicin del fluido producido ser la misma que la del fluido del yacimiento B y permanecer constante hasta alcanzar la presin del punto de roco B,. Por debajo de esta presin, se condensa fluido en el yacimiento, y este lquido condensado se adhiere al material slido o paredes de los poros de la roca, permaneciendo inmvil pues generalmente no se llega a alcanzar la saturacin crtica. Por consiguiente, el gas producido en la superficie tendr un contenido lquido menor, aumentando la razn gas-petrleo de produccin. Esta condensacin retrograda continua hasta alcanzar, para el sistema de la Fig. No. 2-41, un porcentaje mximo de liquido de 10 % a 2.250,0 Ipca punto B,. Una vez que se alcance el punto de roco, debido a que la composicin del fluido producido vara, la composicin del fluido remanente en el yacimiento tambin cambia y la curva envolvente comienza a desplazarse. Desafortunadamente C regin de dos fases se desplaza hacia abajo y a la derecha y esto aumenta la condensacin del liquido retrgrado. Por disminucin posterior de la presin, de B, a B, (condiciones de produccin), se presenta una vaporizacin del lquido formado por condensacin retrgrada. Esta revaporizacin ayuda a la recuperacin lquida y se hace evidente por la disminuu6n en las razones gas-petrleo en la superficie. La condensacin neta de lquido retrgrado es mayor para: (a) menores temperaturas del yacimiento,(b) mayores presiones de abandono y (c) mayor desviacin del diagrama de fases hacia la derecha; esto ltimo es una propiedad del sistema de hidrocarburos. Si las condiciones iniciales coinciden con la curva de roco, punto B, se habla de un yacimiento de punto de roco. El diagrama de la Fig. No. 2-38 es tpico de un yacimiento de condensado. Generalmente el cricondembrico es mayor que la presin crtica.Zona III (Fig. No. 2-41) Si la acumulacin ocurre a una temperatura menor que la crtica y presin por encima de la curva de burbujeo, punto D por ejemplo, el fluido en el yacimiento se encuentra en estado lquido. Los yacimientos en esta regin se denominan yacimientos no-saturados o subsaturados, ya que a esas condiciones de presin y temperatura, existe deficiencia de gas en el sistema. Tambin se habla de yacimientos de empuje por gas en solucin. Debido a la baja compresibilidad de lquidos del yacimiento, alrededor de 15 x 10-6lpc-l, la presin disminuye rpidamente con la produccin, alcanzando el punto D, o punto de burbujeo. Para presiones por debajo del punto de burbujeo, la liberacin de gas del petrleo aumenta formando una-fase de gas libre. Eventualmente el gas libre comienza a fluir hacia el pozo, aumentando continuamente. Inversamente, el petrleo fluye cada vez en menores cantidades, aumentando la razn gas-petrleo de produccin (instantnea). A la presin de abandono (aunque casi todo el gas de solucin se ha recuperado), la recuperacin de petrleo en superficie es relativamente muy baja, dependiendo de las propiedades de la roca y fluidos del yacimiento. Cuando existe un acufero, la presin puede mantenerse en el yacimiento por encima de D, y el petrleo fluye al pozo como una sola fase de composicin constante, y la recuperacin de petrleo en superficie es mucho mayor.

En forma similar al caso del yacimiento de la Zona 11, por debajo de D, o sea en la regin de dos fases, la composicin del fluido en el yacimiento cambia continuamente y la lnea envolvente se desplaza. De nuevo, un desplazamiento hacia abajo y a la derecha, hace que se recupere menos lquido (petrleo) a la presin de abandono. El desplazamiento de la envolvente, depende del tipo de petrleo. Las Fig. Nos. 2-39 y 2-40 ilustran diagramas P-T tpicos para un petrleo liviano (voltil) de alta merma y un petrleo relativamente pesado (baja volatilidad) de baja merma. En este ltimo caso, las lneas de calidad (igual porcentaje de lquido) estn relativamente poco espaciadas una de la otra y cerca a la curva de roco. Por cada volumen de lquido en el yacimiento se obtiene un alto porcentaje en superficie. En cambio para el caso de petrleos voltiles, las lneas de calidad estn ms espaciadas y la recuperacin en superficie, por cada volumen en el yacimiento es relativamente baja.Si las condiciones iniciales de presin y temperatura se encuentran sobre la curva de burbujeo, punto D,, se habla de yacimientos saturados. En este caso, desde el inicio de la produccin, comienza a formarse una fase de gas libre. De all en adelante, su comportamiento es similar al de un yacimiento no saturado una vez que alcanza el punto de burbujeo.Si las condiciones iniciales de presin y temperatura del yacimiento se encuentran dentro de la envolvente, punto E, se habla de yacimientos de dos fases o yacimientos con capa de gas. Originalmente existe lquido (petrleo) en equilibrio con una capa de gas en la parte superior de la estructura. El gas se encontrar en el punto de roco y el petrleo en el punto de burbujeo. Ya que las composiciones de las fases de petrleo y de gas son completamente diferentes entre s, tendrn diferentes diagramas de fases y sern distintos del diagrama de fases de la mezcla. Ya que el lquido (petrleo) permanece a condiciones del punto de burbujeo el yacimiento ser producido como un lquido saturado (o de punto de burbujeo), modificado por la presencia de una capa de gas. Esta puede presentar o no comportamiento retrgrado. Adems puede ser un gas seco o un gas hmedo. La' Fig. No. 2-42 ilustra diagramas P-T para un yacimiento de petrleo con capa de gas.La Fig. No. 2-42, a) ilustra el comportamiento retrgrado de la capa de gasy la Fig. No. 2-42, b) el comportamiento no-retrgrado de la capa de gas. La Fig. No. 2-43 presenta diagramas P-T del petrleo y gas (hmedo en este caso) y el diagrama del sistema (petrleo ms gas) como un total.