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Componentes Del Petróleo PDF

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COMPONENTES DEL PETRÓLEO

Los depósitos de petróleo normalmente encontrados están compuestos de químicos


orgánicos. Cuando la mezcla química está compuesta de moléculas pequeñas, esta es un
gas a temperaturas y presiones normales. La tabla 1 muestra la composición de gases
hidrocarburos típicos.

Tabla 1. Componentes Típicos de Gases Naturales

GAS NATURAL
Hidrocarburo %
Metano 70 – 98
Etano 1 – 10
Propano Trazas – 5%
Butano Trazas – 2%
Pentano Trazas – 1%
Hexano Trazas – ½%
Heptano + Trazas – ½%
No Hidrocarburo %
Nitrógeno Trazas – 15%
Dióxido de Carbono Trazas – 5%
Sulfuro de Hidrógeno Trazas – 3%
Helio Normalmente trazas o nada
GAS DE UN POZO QUE TAMBIEN PRODUCE LÍQUIDO
Hidrocarburo %
Metano 45 – 92%
Etano 4 – 21%
Propano 1 – 15%
Butano ½ – 7%
Pentano Trazas – 3%
Hexano Trazas – 2%
Heptano + Nada – 1 ½%
No Hidrocarburo %
Nitrógeno Trazas – 10%
Dióxido de Carbono Trazas – 4%
Sulfuro de Hidrógeno Nada – Trazas – 6%
Helio Nada

Cuando la mezcla contiene moléculas grandes, esta es un líquido a presiones y temperaturas


normales. Un crudo típico, contiene miles de diferentes componentes químicos, e intentar
separarlos es poco práctico. Por lo tanto, el petróleo crudo normalmente se separa en
fracciones de crudo de acuerdo al rango de los puntos de ebullición de los componentes
incluido en cada fracción. La tabla 2 muestra una lista de fracciones típicas separadas del
crudo.

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Tabla 2. Fracciones Típicas de Petróleo Crudo.

Composición
Punto de
Fracción de Crudo Química Usos
Ebullición (°F)
Aproximada
Gas Combustible, Gas
Gas Hidrocarburo Hasta 100 C1 – C2 combustible embotellado,
solvente
Gasolina 100 – 350 C3 – C6 Combustible motor, solvente
Kerosene 350 – 450 C5 – C10 Combustible jet, cracking
Petróleo gaseoso Combustible diesel,
450 – 580 C11 – C12 combustible de hornos
liviano
Petróleo gaseoso Aceites lubricantes,
580 – 750 C13 – C17 combustible de bunker
pesado
Lubricantes y ceras 750 – 950 C26 – C38 Aceites lubricantes, ceras, geles
Coque, asfaltos de pavimentos,
Residuos 950 + C38 + brea, preservativos de madera

Los petróleos crudos se clasifican químicamente de acuerdo a las estructuras de las


moléculas mayores en la mezcla. Los métodos de clasificación usan combinaciones de las
palabras parafínico, nafténico, aromático, y asfáltico. Por ejemplo, un petróleo crudo que
contenga predominantemente moléculas parafínicas producirá lubricantes muy finos de la
fracción gas – petróleo y cera parafínica del residuo. Por otra parte, si las moléculas
mayores son aromáticas y asfálticas, las fracciones más pesadas del petróleo crudo se usan
para breas, componentes de tejas, asfaltos de pavimentos, y otras aplicaciones.

Los líquidos obtenidos de diferentes yacimientos de petróleo tienen diferentes


características. Algunos son negros, pesados, y espesos, mientras que otros son cafés o casi
claros con baja viscosidad y baja gravedad específica. Sin embargo, los líquidos del
petróleo posee un análisis elemental dentro de los límites mostrados en la tabla 3.

Tabla 3. Análisis Elemental de Petróleos Crudos Típicos.

Elemento Porcentaje por Peso


Carbón 84 – 87
Hidrógeno 11 – 14
Azufre 0.06 – 2.0
Nitrógeno 0.1 – 2.0
Oxígeno 0.1 – 2.0

• QUÍMICA DE LOS HIDROCARBUROS

Son aquellos componentes orgánicos que contienen únicamente dos elementos, hidrógeno y
carbono. Estos componentes se conocen como hidrocarburos. Se consideran componentes
orgánicos a aquellos que contienen átomos de oxígeno, nitrógeno, o azufre adicionales al
hidrógeno y el carbono.

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Con base en la estructura, los hidrocarburos se dividen en dos clases principales: alifáticos
y aromáticos. Los hidrocarburos alifáticos se dividen en familias: alcanos, alquenos,
alquinos, y sus análogos cíclicos. La figura 1 muestra la relación entre algunas de estas
clases y familias de hidrocarburos.

Figura 1. Clases y Series Homólogas de Hidrocarburos.

• SERIES HOMÓLOGAS

Una familia de químicos orgánicos se conoce como una serie homóloga. Los miembros de
una serie homóloga tiene estructuras moleculares similares y tienen propiedades físicas que
difieren unas de otras de acuerdo al número de átomos de carbono en la estructura. Si se
conocen las series homólogas a las cuales un componente particular pertenece, se pueden
deducir las propiedades físicas y químicas del componente a partir de las propiedades de
otros componentes de la serie.

ALCANOS
Las series homólogas de hidrocarburos designadas por el nombre de alcanos tiene la
formula general Cn H2n+2. Los alcanos se nombran por medio de la combinación de un
prefijo (el cual denota el número de átomos de carbono) y el sufijo “ano” (el cual clasifica
el componente como un alcano). Los componentes de esta familia algunas veces son
llamados hidrocarburos saturados debido a que los átomos de carbono están sujetados por
muchos átomos de hidrógeno. Los alcanos también son llamados hidrocarburos
parafínicos. En ingeniería de petróleos normalmente se les llama parafinas. La tabla 4
muestra algunos ejemplos.

Tabla 4. Alcanos (Cn H2n+2).

Número de Número de
Átomos de Nombre Átomos de Nombre
Carbono, n Carbono, n
1 Metano 6 Hexano
2 Etano 7 Heptano
3 Propano 8 Octano
4 Butano 9 Nonano
5 Pentano 10 Decano

3
Las fórmulas estructurales del metano, etano y propanos son:

Se nota que los átomos de carbono forman cadenas continuas. Cuando el numero de
átomos de carbono en el componente incrementa, los átomos de carbono se pueden
conectar en cadenas continuas o se pueden conectar como ramas con más de dos átomos de
carbono unidos al mismo tiempo. Por ejemplo, el butano puede tomar cualquiera de las dos
estructuras mostradas a continuación:

Estas configuraciones diferentes se conocen como isómeros estructurales, o simplemente


isómeros.

Las cadenas continuas de hidrocarburos se conocen como hidrocarburos normales, y el


prefijo n- usualmente se antepone al nombre. Los hidrocarburos de cadenas ramificadas
pueden llevar el prefijo iso- antecediendo al nombre.

Propiedades Físicas y Químicas de los Alcanos.

Las series de alcanos dadas en la tabla 5 muestran una remarcada gradación de las
propiedades físicas. Como el tamaño molecular aumenta, cada grupo CH2 adicional
contribuye a un incremento casi constante para el punto de ebullición y la gravedad
específica. También se observa un incremento del punto de fusión, pero que no es
constante.

Los primeros cuatro alcanos son gases a temperaturas y presiones normales. Como
resultado de la disminución en la volatilidad por el incremento del número de átomos de
carbono, los siguientes 13, pentano hasta heptadecano, son líquidos. Los alcanos que
contienen 18 o más átomos de carbono son sólidos a temperatura y presión normal. La
figura 2 muestra los cambios de punto de ebullición, gravedad específica, y punto de fusión
de los alcanos.

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Tabla 5. Propiedades Físicas de n – alcanos, CH3(CH2)n – 2CH3.

n Nombre Punto de Punto de Gravedad


Ebullición (°F) Fusión (°F) Específica
1 Metano -258.7 -296.4
2 Etano -127.5 -297.0
3 Propano -43.7 -305.7 0.507
4 Butano 31.1 -217.1 0.584
5 Pentano 96.9 -201.5 0.631
6 Hexano 155.7 -139.6 0.664
7 Heptano 209.2 -131.1 0.688
8 Octano 258.2 -70.2 0.707
9 Nonano 303.5 -64.3 0.722
10 Decano 345.5 -21.4 0.734
11 Undecano 384.6 -15 0.740
12 Dodecano 421.3 14 0.749
15 Pentadecano 519.1 50 0.769
20 Eicosano 648.9 99
30 Triacontano 835.5 151

500 0.8

400
0.75

300

0.7
Gravedad Específica
200
T, ºF

100 0.65

0
0.6

-100

0.55
-200

-300 0.5
0 2 4 6 8 10 12 14
No. de Carbonos
Punto de Burbuja Punto de Fusión Gravedad Específica

Figura 2. Dependencia de Algunas Propiedades Físicas con el Número


de Átomos de Carbono para los Alcanos.

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Los puntos de ebullición y de fusión de los alcanos son bastante bajos, particularmente en
el caso de los miembros pequeños de la familia. Esto se debe a que las moléculas son
altamente simétricas, y por lo tanto las atracciones entre moléculas, conocidas como
fuerzas intermoleculares, son bastante pequeñas. Puesto que los procesos de ebullición y
fusión involucran estas fuerzas intermoleculares, los puntos de ebullición y de fusión de los
alcanos son bajos. Los puntos de ebullición y de fusión son mayores para las moléculas
más grandes debido a que las fuerzas intermoleculares son mucho mayores entre moléculas
grandes.

Las diferencias en la estructura causa diferencias en las fuerzas intermoleculares. La tabla


6 muestra las propiedades físicas de los isómeros del hexano. Un incremento en la
ramificación causa una disminución en la atracción intermolecular, lo que resulta en un
menor punto de ebullición.

Tabla 6. Algunas Propiedades Físicas de los isómeros del Hexano.

Isómero Punto de Punto de Gravedad


Ebullición Fusión (°F) Específica
(°F)
n – hexano 155.7 -139.36 0.664
3 – metilpentano 145.9 -180.4 0.669
2 – metilpentano (isohexano) 140.5 -244.6 0.658
2,3 - dimetilbutano 136.4 -199.4 0.666
2,3 – dimetilbutano (neohexano) 121.5 -147.7 0.654

Químicamente, los alcanos son particularmente no reactivos. El nombre parafina


literalmente quiere decir no bastante afinidad. Las cadenas de fuerza simple entre carbono
e hidrógeno y entre carbono y carbono son atacadas solo por reactantes muy fuertes a
temperaturas normales.

Todos los hidrocarburos son atacados por el oxígeno a temperaturas elevadas. Si existe
bastante oxígeno, ocurre una combustión completa a dióxido de carbono y agua. Esto es
muy importante puesto que los alcanos son los principales constituyentes del gas natural, y
el principal uso del gas natural es en la combustión.

ALQUENOS
Las series homólogas conocidas como alquenos son también llamadas hidrocarburos
subsaturados u oleofinas. La formula general para la familia alquenos es Cn H2n. Las
características distintivas de las estructuras de los alquenos es la presencia de una cadena
doble de carbonos.

La tabla 7 muestras las propiedades físicas de cuatro alquenos de fórmula C4H8.

6
Tabla 7. Algunas Propiedades Físicas de los Butilenos.

Nombre Punto de Punto de Gravedad Índice de


Ebullición Fusión (°F) Específica Refractividad (-12.7°)
(°F)
Isobutileno 19.6 -220.6 0.600 1.3727
1 – buteno 20.8 -301.6 0.601 1.3711
trans – 2 - buteno 33.6 -158.0 0.610 1.3778
cis – 2 - buteno 38.7 -218.1 0.627 1.3868

Propiedades Físicas y Químicas de los Alquenos.

Las propiedades físicas de los alquenos son muy diferentes que las propiedades físicas de
los alcanos. La tabla 8 muestra comparaciones de los puntos de fusión, puntos de
ebullición, y gravedades específicas de los alquenos sencillos. Como con los alcanos, estas
propiedades físicas incrementan con aumentos del contenido de carbono.

Tabla 8. Algunas Propiedades Físicas de los Alquenos.

Nombre Punto de Punto de Gravedad


Ebullición (°F) Fusión (°F) Específica
Etileno -154.7 -272.5
Propileno -53.8 -301.4
1 – Buteno 20.8 -301.6 0.601
1 – Penteno 85.9 -265.4 0.646
1 – Hexeno 146 -216 0.675
1 – Hepteno 199 -182 0.698
1 - Noneno 252 -155 0.716
1 – Octeno 295 0.731
1 - Deceno 340 0.743

La figura 3 muestra el modelo bola y bastón del etileno. Obviamente, la cadena carbono –
carbono no satisface el ángulo normal de 109.5°. Esto indica que las cadenas dobles son
menos estables que las fronteras simples y son, por lo tanto, mas fácilmente atacadas por
otros químicos.

Así, los alquenos, debido a sus cadenas dobles, son más reactivos que los alcanos. La
mayoría de las reacciones de los alquenos involucran la eliminación de la doble cadena y la
formación de dos cadenas simples de fuerza.

7
Figura 3. Modelo Bola y Bastón del Etileno.

AROMATICOS
Los componentes aromáticos (también llamados arenos) incluyen benceno y componentes
que se asemejen al benceno en su comportamiento químico. Las propiedades del benceno
que los distinguen de los hidrocarburos alifáticos se conocen como propiedades aromáticas.
Normalmente las estructuras de los componentes aromáticos están formadas con benceno
como el bloque básico, aunque unos pocos componentes que poseen propiedades
aromáticas tienen estructura que difieren de la estructura del benceno.

Propiedades Físicas y Químicas de los Hidrocarburos Aromáticos.

Muchos de los componentes que poseen anillos de benceno tienen olores muy agradables y
por esta razón se les conoce como hidrocarburos aromáticos. Estos componentes, sin
embargo, generalmente son muy tóxicos, algunos son cancerígenos. No se debe permitir la
inhalación de vapores de hidrocarburos aromáticos. La tabla 9 muestra una lista de los
componentes aromáticos más comunes y sus propiedades físicas.

Tabla 9. Algunas Propiedades Físicas de los Hidrocarburos Aromáticos.

Nombre Punto de Ebullición Punto de Fusión Gravedad


(°F) (°F) Específica
Benceno 176 42 0.884
Tolueno 231 -139 0.872
o – Xileno 292 -14 0.885
m – Xileno 282 -54 0.869
p – Xileno 281 56 0.866

La relación usual entre las propiedades físicas y el tamaño molecular se muestra evidente.
También, el efecto de la simetría molecular se observa con facilidad, particularmente en el
caso de los xilenos. El punto de fusión del p – xileno es considerablemente mayor que el
punto de fusión del o – xileno y m – xileno.

Los componentes aromáticos pueden entrar en muchas reacciones sin que se afecte la
estructura del anillo, pues tienen la misma estabilidad que las cadenas simples carbono –

8
carbono encontradas en los alcanos. Los aromáticos volátiles son altamente inflamables y
se encienden fácilmente, en contraste con los alcanos y alquenos.

• COMPONENTES NO HIDROCARBUROS DEL PETRÓLEO

El nitrógeno, dióxido de carbono, y sulfuro de hidrógeno son los componentes comunes no


hidrocarburos del petróleo. Todos los tres son moléculas livianas y principalmente hacen
parte del gas en superficie. El hidrógeno y el helio se encuentran en lagunas gases
naturales. La tabla 1 muestra las cantidades de estos típicos no hidrocarburos encontrados
en gases del petróleo.

El petróleo también contiene componentes en los cuales los átomos de azufre, oxígeno, y/o
nitrógeno se combinan con carbono e hidrógeno. Estos elementos normalmente se
combinan con las estructuras complejas de anillos que forman las moléculas del petróleo.
Estos componentes grandes no hidrocarburos forman una clase de químicos generalmente
llamados resinas y asfaltenos. La cantidad de estos componentes en el petróleo es
frecuentemente muy pequeña, sin embargo, no más del 50% de las moléculas totales en
algunos crudos pesados son resinas y asfaltenos.

Las resinas y asfaltenos son moléculas grandes, principalmente de hidrógeno y carbono,


con uno a tres átomos de azufre, oxígeno o nitrógeno por molécula. La estructura básica
está compuesta por anillos, principalmente aromáticos, de tres a diez o más anillos en cada
molécula. Los átomos no hidrocarburos pueden ser parte de la estructura del anillo o
pueden estar ubicados en conexiones de los anillos.

Las estructuras básicas de las resinas y los asfaltenos son similares. Ambos se pueden
formar por la oxidación de hidrocarburos aromáticos policíclicos. Por otra parte, ambos se
pueden reducir a hidrocarburos mediante hidrogenación. Además, las resinas se pueden
convertir a asfaltenos por oxigenación.

Los asfaltenos no se disuelven en el petróleo pero están dispersos como coloides. Las
resinas se disuelven fácilmente en el petróleo. Los asfaltenos puros son sólidos, secos,
polvo negro y no son volátiles. Las resinas puras son líquidos pesados o sólidos pegajosos
y como son volátiles. Las resinas de alto peso molecular son rojas, las resinas más livianas
son menos coloreadas.

Así, cuando el petróleo es separado en fracciones por destilación, los asfaltenos


permanecen en la fracción más pesada, el residuo, mientras las resinas se distribuyen a
través de varias fracciones de acuerdo a su volatilidad. El color de estos destilados depende
de la presencia de resinas. El color de la fracción más pesada, se determina por la presencia
de asfaltenos.

El color del petróleo se determina por la cantidad de resinas y asfaltenos presentes, aunque
la forma verdosa de algunos crudos se debe probablemente a la presencia de moléculas que
contienen seis o más anillos.

9
• CLASIFICACION DE CRUDOS

Los crudos se pueden clasificar mediante las propiedades físicas o por la estructura química
de las moléculas constituyentes. Las estructuras químicas son más difíciles de medir que
las propiedades físicas.

CLASIFICACION FÍSICA

El valor comercial de un líquido del petróleo se puede estimar fácilmente a través de la


medida de las siguientes características físicas: gravedad específica, contenido de gasolina
y kerosene, contenido de azufre, contenido de asfalto, punto de nube y punto de fluidez.

Las cuatro primeras propiedades ya se discutieron. El punto de fluidez es la temperatura


más baja, expresada como un múltiplo de 5°F, a la cual el líquido fluye cuando es enfriado
bajo condiciones preescritas. El punto de nube es la temperatura a la cual la parafina
comienza a solidificarse y se identifica por un inicio de turbiedad cuando la temperatura se
disminuye. Ambas pruebas miden cualitativamente el contenido de parafina del líquido.

CLASIFICACION QUÍMICA

Las clasificaciones químicas de los crudos relacionan las estructuras moleculares de las
moléculas en el petróleo. Por lo tanto las moléculas pequeñas, seis átomos de carbono y
menos, son predominantemente parafinas.

Términos tales como parafínico, nafténico, aromático nafténico, y aromático asfáltico, se


usan en varios métodos de clasificación. Estos términos obviamente relacionan la
estructura molecular de las especies químicas más prominentes en la mezcla de petróleo
crudo.

La industria del petróleo no ha adoptado un sistema de clasificación estándar. Además la


clasificación de los crudos es de menor importancia que la misma producción, con la
excepción que los crudos parafínicos pueden precipitar y además disminuir la producción.

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COMPORTAMIENTO DE FASES

Antes de estudiar las propiedades de los gases y de los líquidos, es necesario conocer la
relación entre las dos fases. El punto de partida es el estudio de la presión de vapor y el
desarrollo de la definición del punto crítico. Entonces se observará en detalle los efectos de
la presión y la temperatura sobre una de las propiedades intensivas de particular interés en
la ingeniería de petróleos: volumen específico.

El término fase define cualquier parte homogénea físicamente distinta de un sistema la cual
es separada de otras partes del sistema para definir superficies limitantes. Por ejemplo,
hielo, agua líquida, agua vapor, son tres fases. Cada una es físicamente distinta y
homogénea, y las tres son fronteras definitivas entre el hielo y el agua, el hielo y el vapor de
agua, y entre el líquido y el vapor. Entonces se dice que se tiene un sistema trifásico:
sólido, líquido y gaseoso. Una fase en particular no necesita ser continua. Por ejemplo, el
hielo puede existir como varios trozos en el agua.

Dependiendo de la temperatura y presión, los sólidos pueden tomar diferentes formas


cristalinas. Esto constituye fases separadas. En ingeniería de petróleos no es de
importancia las formas cristalinas de los sólidos, por lo tanto, se considerarán solo tres
fases: sólido, líquido y gaseoso.

Las propiedades físicas pueden ser intensivas o extensivas. Propiedades intensivas son
independientes de la cantidad de materia presente. Por ejemplo: densidad, volumen
específico y factor de compresibilidad. El volumen y la masa son propiedades extensivas;
sus valores se determinan a partir de la cantidad total de materia presente.

La forma en la cual los hidrocarburos se comportan cuando la presión y la temperatura se


cambian se explica mejor mediante una consideración del comportamiento de las moléculas
individuales. Tres factores importantes es el comportamiento físico de las moléculas son:

Presión: Es una reflexión del número de veces que las moléculas de un gas chocan las
paredes de su contenedor. Si las moléculas se comprimen entonces la presión incrementa.

Temperatura: Es simplemente una medida física de la energía cinética promedio de las


moléculas del material. Cuando se adiciona calor al material, la energía cinética se
incrementa, y, como resultado, la temperatura se aumenta. El incremento de energía
cinética causa un aumento en el movimiento molecular lo que resulta en una tendencia de
las moléculas a moverse.

Fuerzas Intermoleculares: Son las fuerzas de repulsión y atracción entre las moléculas.
Estas fuerzas cambian cuando la distancia entre las moléculas cambia. La fuerza atractiva
aumenta cuando la distancia entre las moléculas disminuye hasta que las moléculas se unan
y se rechacen eléctricamente. Cualquier disminución adicional de la distancia entre las
moléculas causará una fuerza repulsiva entre estas. Dicha fuerza repulsiva incrementará
cuando las moléculas se obliguen a estar muy juntas. Los gases, en los cuales las moléculas

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relativamente están apartadas poseen una fuerza atractiva entre las moléculas cuando la
distancia entre las moléculas disminuye. Sin embargo, en un líquido, en el cual las
moléculas están más juntas, se observa una fuerza de repulsión entre las moléculas la cual
causa que el líquido sea más resistente a la compresión.

SUSTANCIAS PURAS

Se considera que un sistema consiste de una sustancia pura simple. Estos sistemas se
comportan diferente que los sistemas de dos o más componentes. En particular, se quiere
explicar el comportamiento de fases, que se entiende como, las condiciones de temperatura
y presión a las cuales pueden existir las diferentes fases. Se consideran tres variables:
presión, temperatura y volumen. La presión y la temperatura son impuestas en el sistema y
determinan la fase o fases que existen. Las fases existentes se identifican por sus volúmenes
específicos o densidades.

Diagrama de Fase para una Sustancia Pura: Un diagrama de fase es una gráfica de la
presión contra la temperatura mostrando las condiciones bajo las cuales se presentan las
distintas fases de una sustancia. La figura 4 muestra un diagrama de fase para un sistema
de componente simple. Los diagramas de fase se conocen también como diagramas de
presión-temperatura.

Figura 4. Diagrama de fase Típico de una Sustancia Pura.

Línea De Presión de Vapor: La línea TC de la figura 4 se conoce como la línea de


presión-vapor. Esta línea separa las condiciones de presión y temperatura a las cuales la
sustancia es un líquido de las condiciones a las cuales la sustancia es un gas. Los puntos de

12
presión y temperatura que están por encima de esta línea indican las condiciones a las
cuales la sustancia es un líquido. Similarmente, puntos por debajo de la línea de presión de
vapor representan las condiciones a las cuales la sustancia es un gas. Los puntos de presión
y temperatura que están exactamente en la línea indican las condiciones a las cuales el gas y
el líquido coexisten.

Punto Crítico: El límite superior de la línea de presión de vapor es el punto crítico,


indicado mediante el punto C. La temperatura y presión representadas por este punto se
conocen como temperatura crítica, Tc, y presión crítica, pc.

Para una sustancia pura, la temperatura crítica se define como la temperatura por encima de
la cual el gas no puede ser licuado, a pesar de que se aplique presión. Similarmente, la
presión crítica de una sustancia pura se define la presión por encima de la cual el líquido y
el gas no pueden coexistir, a pesar de las temperatura. Estas definiciones de las
propiedades críticas no son válidas para sistema para más de un componente.

Punto Triple: El punto T de la línea de presión de vapor se conoce como el punto triple.
Este punto representa la presión y temperatura a la cual el sólido, líquido y gas coexisten
bajo condiciones de equilibrio.

Línea Presión-Sublimación: A temperaturas por debajo de la temperatura del punto triple,


la línea de presión de vapor divide las condiciones a las cuales la sustancia es sólido de las
condiciones a las cuales la sustancia es gas. Esta línea se conoce como la línea de presión-
sublimación. Teóricamente, esta línea se extiende hasta una temperatura y presión de cero
absoluto.

Línea del Punto de Fusión: La línea del punto de fusión es la línea casi vertical por
encima del punto triple. Esta línea separa las condiciones sólidas de las líquidas.
Igualmente, los puntos de presión y temperatura que se encuentran exactamente sobre esta
línea indican un sistema bifásico, en este caso coexisten el sólido y el líquido. Los
diagramas de fase para algunos materiales puros muestran otras líneas dentro de la región
sólida, indicando cambios de fase del sólido producidos por cambios en la estructura
cristalina. El limite superior de línea del punto de fusión no se ha obtenido
experimentalmente.

Uso del diagrama de Fase: Para sacar un mejor provecho de los usos de los diagramas de
fase, se debe considerar un cilindro en el cual la temperatura se puede controlar y el
volumen varía por la inyección o remoción de mercurio tal como muestra la figura 5. la
figura 5A muestra que una sustancia pura se a almacenado en el cilindro a una presión p1 y
a alguna temperatura por debajo de la temperatura crítica de la sustancia. Se mantiene la
temperatura constante y se incrementa el volumen por remoción de mercurio, causando por
lo tanto disminución en la presión.

El proceso seguirá la trayectoria de la línea 123 mostrada en la figura 6. cuando se remueve


mercurio, la presión disminuye rápidamente hasta que se alcance un valor de pv, la presión
de vapor de la sustancia. En este punto el gas comienza a formar moléculas en el líquido.

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La presión, que ha forzado las moléculas, se reduce hasta que las moléculas con mayor
energía cinética puedan escapar del líquido y formar gas.

Cuando se continúa removiendo mercurio, el volumen de gas incrementa y el volumen de


líquido disminuye; sin embargo, la presión permanece constante a un valor de pv. Ver
figuras 5B, 5C, y el punto 2 en la figura 6.

Figura 5. Vaporización de una Sustancia Pura a Temperatura Constante.

Figura 6. Diagrama de fase Típico de una Sustancia Pura con dos Líneas de Expansión Isotérmica:
123 por debajo de la temperatura crítica, 45 por encima de la temperatura crítica .

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Una vez el líquido se dispersa, una remoción adicional de mercurio causa una disminución
en la presión cuando el gas se expande. Eventualmente, la presión alcanza un punto p3. La
anterior descripción solo aplica para una sustancia pura.

Si el mismo proceso se lleva a cabo para una temperatura por encima de la temperatura
crítica, por ejemplo, la línea 45 de la figura 6, la remoción de mercurio causará que la
presión disminuya. Sin embargo, no se notará un cambio repentino en la densidad de la
sustancia. La línea de presión de vapor no se cruzará. No se observa un cambio abrupto de
fase.

Se puede usar el cilindro descrito anteriormente para estudiar el proceso de incremento de


la temperatura a una presión constante. Ver la línea 123 en la figura 7. La temperatura se
incrementa por adición de calor. Esta adición de energía también causará que la presión
aumente ya que incrementos en el volumen (remoción de mercurio) se requerirán para
mantener constante la presión.

Figura 7. Diagrama de fase Típico de una Sustancia Pura con dos Líneas de Cambio de
Temperatura Isobárica: 123 por debajo de la presión crítica, 45 por encima de la presión crítica .

La figura 8A muestra la celda llena de líquido a una temperatura T1, la cual es menor que la
temperatura de vapor-presión de la sustancia. En la figura 8B, la sustancia se ha calentado
a una presión constante a la temperatura de vapor-presión. La inyección de calor causa que
la energía cinética de las moléculas incremente hasta que las moléculas con mayor energía
cinética puedan escapar de las fuerzas de atracción para formar gas. El gas y el líquido
coexisten.

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Figura 8. Vaporización de una Sustancia Pura a Presión Constante.

Después de que la temperatura vapor-presión se alcanza, si se suministra calor en el


cilindro no se causará incremento en la temperatura; es decir, se causará la vaporización del
líquido. La temperatura permanecerá constante mientras el gas y el líquido coexistan. La
figura 8D indica que bastante calor se ha suministrado al cilindro para evaporar todo el
líquido y que un calentamiento adicional causa un incremento en la temperatura hasta T3.

El mismo proceso ocurre a presiones por encima de la presión crítica, por ejemplo, la línea
45 en la figura 7, no muestra el cambio abrupto en la fase que se observa en el proceso
ocurrido por debajo de la presión crítica.

Diagrama Presión-Volumen para una Sustancia Pura: Los resultados de los procesos
descritos en la figura 5 se pueden presenta en forma de un diagrama de presión-volumen.
La figura 9 muestra dos isotermas de un diagrama de presión-volumen típico para una
sustancia pura. Los procesos 1 – 3 y 4 – 5 corresponden a los procesos indicados en la
figura 6.

Se considera un proceso iniciando en el punto 1 con una sustancia en la fase líquida. La


temperatura se mantiene constante, y el volumen se incrementa por remoción de mercurio.
Esto causa una reducción en la presión de p1 a pv. Un cambio relativamente grande en la
presión resulta de un cambio pequeño en el volumen. Esto se debe a que los líquidos son
relativamente incompresibles.

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Figura 9. Diagrama Presión-Volumen Típico de una Sustancia Pura Mostrando dos Isotermas:
13 por debajo de la temperatura crítica, 45 por encima de la temperatura crítica .

Cuando la presión se reduce a la presión de vapor, pv, el gas comienza a formarse, y un


incremento adicional en el volumen causa la vaporización del líquido. Esto continúa a
presión constante hasta que todo el líquido se vaporice. El punto 2 de la figura 6 es una
línea recta horizontal en la figura 9. Esto muestra que la presión permanece constante
cuando el líquido y el gas coexisten a una temperatura constante. Después de que todo el
líquido se vaporiza, un continuo incremento en el volumen causa expansión del gas y
reducción en la presión hasta p3. Puesto que el gas es altamente compresible, la pendiente
de la isoterma es mucho menos inclinada en la región de gas que en la región de líquido.

La línea 45 en la figura 9 ilustra el mismo proceso a una temperatura por encima de la


temperatura crítica de la sustancia. La línea muestra que esto es simplemente una
expansión de la sustancia y que no ocurre un cambio abrupto de fase.

Punto de Burbuja y de Rocío: De nuevo, se considera la expansión de temperatura


constante ilustrada por la línea 13 en la figura 9. El punto en el cual las primeras
moléculas en el líquido forman pequeñas burbujas de gas se conoce como punto de
burbuja. El punto en el cual solo una pequeña gota de líquido permanece se conoce como
punto de rocío. El punto de burbuja y el punto de rocío se observan por un cambio abrupto
en la pendiente a lo largo de la isoterma. Para una sustancia pura, la presión en el punto de
burbuja y en punto de rocío es igual a la presión de vapor de la sustancia a la temperatura
de interés.

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TIPOS DE FLUIDOS DE YACIMIENTO

El comportamiento de un fluido de yacimiento durante la producción se determina por la


forma de su diagrama de fase y la posición de su punto crítico. Los conceptos aplicados
anteriormente describen diagramas de fase para un solo componente, pero pueden servir
como guía para el comportamiento de mezclas de multicomponentes como los del petróleo.
A continuación se definirán y describirán los cinco tipos de fluidos de yacimientos de
petróleo. Cada una se definirá mediante una referencia a la forma típica de su diagrama de
fase.

DIAGRAMAS DE FASE PARA MULTICOMPONENTES

La figura 10 muestra diagramas de fase para varias mezclas de etano y n – heptano. Estas
son mezclas de dos componentes; sin embargo, la forma de los diagramas de fase se puede
usar para entender el comportamiento de las mezclas de multicomponentes.

Figura 10. Diagramas de Fase de Mezclas de Etano y n - Heptano.

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La mezcla 2 en la figura 10 ilustra una mezcla que contiene una gran cantidad de
componentes livianos. La fase envuelta es relativamente pequeña y se localiza a bajas
temperaturas. El punto crítico esta bastante cercano al punto crítico del componente liviano
puro. Esta es una gran área en la cual puede ocurrir condensación retrograda.

Cuando se adiciona un componente pesado a la mezcla (líneas 3 y 4, por ejemplo) la fase


envuelta aumenta en tamaño y cubre amplios rangos de temperatura y presión. El punto
crítico se mueve hacia arriba cerca al tope de la envolvente.

El comportamiento de fase de los fluidos de yacimientos multicomponentes es similar. Los


yacimientos de gas, en los cuales predomina el metano, tienen diagramas de fase
relativamente pequeños con temperaturas críticas no mucho mayores que la temperatura
crítica del metano.

Los yacimientos de líquidos contienen algo de metano, normalmente el componente más


liviano de cualquier significancia. Los yacimientos líquidos contienen también una amplia
variedad de moléculas intermedias y muy grandes. Sus diagramas de fase son
extremadamente grandes y cubren un amplio rango de temperatura, similar a la mezcla 6 de
la figura 10.

LOS CINCO TIPOS DE FLUIDOS DE YACIMIENTO

Los cinco tipos de fluidos de yacimiento se han definido debido a que cada uno requiere
diferentes aproximaciones para la ingeniería de yacimientos y de producción. Estos cinco
tipos de fluidos normalmente se conocen como petróleo negro, petróleo volátil, gas
retrogrado, gas húmedo y gas seco.

El tipo de fluido es un factor importante para tomar decisiones importantes sobre el


yacimiento. Algunos parámetros que dependen del tipo de fluido del yacimiento son:
método de muestreo de fluidos, tipos y tamaños de equipos de superficie, procedimientos
de cálculo para determinar el petróleo y gas in situ, técnicas de predicción para las reservas
de petróleo y gas, programa de caída de presión, y selección del método de recobro
mejorado.

El tipo de fluido del yacimiento se puede confirmar únicamente mediante observación en el


laboratorio. Sin embargo, la información de producción con que se cuente normalmente
indica el tipo de fluido en el yacimiento. Existen algunas características para identificar
cada uno de los tipos de fluidos de yacimiento. Tres propiedades son fácilmente aplicables:
la relación inicial de gas-petróleo producido, la gravedad del líquido en el tanque, y el color
del líquido en el tanque. La relación inicial de gas-petróleo producido es el más importante
indicador del tipo de fluido. El color del líquido solo no es un buen indicador del tipo de
fluido.

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• PETRÓLEO NEGRO

El petróleo negro consiste de una amplia variedad de especies químicas incluyendo


moléculas grandes, pesadas y no volátiles. El diagrama de fase cubre un amplio rango de
temperatura. El punto crítico está bien por encima de la pendiente de la envolvente de fase.

Diagrama de Fase: El diagrama de fase de un petróleo negro típico se muestra en la figura


11. Las líneas en la envolvente de fase representan el volumen de líquido constante,
medidas a un porcentaje del volumen total. Estas líneas se les conoce como iso-volúmenes
o líneas de calidad.

Figura 11. Diagramas de Fase de un Petróleo Negro Típico con Línea de Reducción Isotérmica de
la Presión del Yacimiento, 123 , y Condiciones de Separador en Superficie.

La línea vertical 123 indica la reducción de presión a temperatura constante que ocurre en el
yacimiento durante la producción. También se indican la presión y temperatura del
separador ubicado en superficie.

Cuando la presión del yacimiento se encuentra en cualquier lugar a lo largo de la línea 12 ,


el petróleo se conoce como subsaturado. La palabra subsaturado se usa en el sentido de
indicar que el petróleo podría disolver más gas si más gas estuviera presente.

Si la presión del yacimiento está en el punto 2, el petróleo está en su punto de burbuja y se


llama saturado. El petróleo contiene mucho gas disuelto. Una reducción en la presión
liberará gas para formar una fase de gas libre en el yacimiento.
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Cuando la presión del yacimiento disminuye a lo largo de la línea 23 , gas adicional se
desarrolla en el yacimiento. El volumen de gas es 1% menos que el porcentaje de líquido.
El agua está siempre presente en un yacimiento de petroleo pero no se incluye en esta
discusión.

Realmente, el petróleo es “saturado” en cualquier lugar a lo largo de la línea 23. El punto


de burbuja, punto 2, es un caso especial de saturación en el cual se forma la primera
burbuja de gas. Desafortunadamente, la palabra “saturado” se usa frecuentemente para
expresar el “punto de burbuja”.

Gas adicional se forma del petróleo que se mueve del yacimiento a la superficie. Esto
causa alguna reducción del petróleo. Sin embargo, las condiciones de separador mostradas
en la fase envolvente, indican que una cantidad relativamente grande de líquido llega a la
superficie.

Comentarios: El nombre petróleo negro es un nombre inadecuado ya que el color de este


tipo de petróleo no siempre es negro. Este tipo de fluido de yacimiento también se conoce
como petróleo crudo de baja reducción o petróleo normal.

Identificación en Campo de Petróleo Negro: Los petróleos negros se caracterizan por


tener una relación de gas-petróleo inicial producido de 2000 scf/STB o menos. La relación
de gas-petróleo producido aumentará durante la producción cuando la presión del
yacimiento caiga por debajo de la presión del punto de burbuja del petróleo. La gravedad
del petróleo en el tanque normalmente está por debajo de 45° API. La gravedad del
petróleo en el tanque disminuirá con el tiempo hasta que al final de la vida del yacimiento
se aumenta. El petróleo en el tan que es muy oscuro, indicando la presencia de
hidrocarburos pesados, frecuentemente negros, algunas veces con una forma verde, o café.

• PETRÓLEO VOLATIL

Los petróleos volátiles contienen relativamente menos moléculas pesadas y más


intermedias (definidos como etano hasta hexanos) que los petróleos negros.

Diagrama de Fase: El diagrama de fase para un petróleo volátil típico, figura 12, es algo
diferente del diagrama de fase del petróleo negro. El rango de temperatura cubierto por la
fase envolvente es algo más pequeño, pero de más interés es la posición del punto crítico.
La temperatura crítica es mucho menor que para el petróleo negro y, en realidad, esta
cercana a la temperatura del yacimiento. Igualmente, las iso-volúmenes no están
espaciadas pero están trasladas por encima de línea del punto de burbuja.

La línea vertical muestra la trayectoria tomada por la reducción constante de temperatura en


la presión durante la producción. Se nota que una pequeña reducción en la presión por
debajo del punto de burbuja, punto 2, causa la liberación de una gran cantidad de gas en el
yacimiento.

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Figura 12. Diagramas de Fase de un Petróleo Volátil Típico con Línea de Reducción Isotérmica de
la Presión del Yacimiento, 123 , y Condiciones de Separador en Superficie.

Comentarios: Los petróleos volátiles también se conocen como petróleos crudos con alta
reducción, y petróleos cercanos-críticos.

El grupo de ecuaciones conocidas como “ecuaciones de balance de materia” que son usadas
para petróleos negros no sirven para los petróleos volátiles. Estas ecuaciones fueron
derivadas bajo la suposición de que el gas asociado con el líquido del yacimiento es un gas
seco (definido posteriormente). Esto es verdadero para petróleos negros excepto a
presiones bajas de yacimiento. Sin embargo, el gas asociado con petróleos volátiles es muy
rico, usualmente un gas retrógrado (definido posteriormente). Este gas rico libera una gran
cantidad de líquido cuando este se mueve hacia la superficie. Frecuentemente mas de la
mitad del líquido producido durante la vida de un yacimiento de petróleo volátil entra a la
cara del pozo como parte del gas. Esta situación causa que las ecuaciones de balance de
materia no sean validas para petróleos volátiles.

Identificación en Campo de Petróleo Volátil: La línea de división entre petróleos negros


y petróleos volátiles es algo arbitraria. La diferencia depende ampliamente del punto en el
cual las ecuaciones de balance de materia comienzan a tener inexactitud intolerable. La
línea de división entre los petróleos volátiles y el los gases retrógrados es clara. Para que
un fluido sea petróleo volátil su temperatura crítica deberá ser mayor que la temperatura del
yacimiento.
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Los petróleos volátiles se identifican por tener una relación de gas-petróleo inicial
producido entre 2000 y 3300 scf/STB. La relación de gas-petróleo producido aumenta
cuando la producción continúa y la presión de yacimiento cae por debajo de la presión del
punto de burbuja del petróleo. La gravedad del petróleo es normalmente de 40° API o
mayor y se incrementa durante la producción cuando la presión del yacimiento cae por
debajo del punto de burbuja. El petróleo en el tanque es coloreado (normalmente café,
naranja, o algo verde).

• GASES RETROGRADOS

El tercer tipo de fluido considerado es el gas retrógrado.

Diagrama de Fase: El diagrama de fase de un gas retrógrado es algo más pequeño que
para los petróleos, y el punto crítico está más por debajo en el lado izquierdo de la
envolvente. Estos cambios resultan porque los gases retrógrados contienen menos
hidrocarburos pesados que los petróleos.

Figura 13. Diagramas de Fase de un Gas Retrógrado Típico con Línea de Reducción Isotérmica de
la Presión del Yacimiento, 123 , y Condiciones de Separador en Superficie.

El diagrama de fase de un gas retrógrado tiene una temperatura crítica menor que la
temperatura del yacimiento y una cricondentérmica mucho mayor que la temperatura del

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yacimiento. Ver la figura 13. Inicialmente, el gas retrógrado es totalmente gas en el
yacimiento, punto 1. Cuando la presión de yacimiento disminuye, el gas retrógrado
muestra el punto de roció, punto 2. Cuando la presión se reduce, los condensados líquidos
del gas forman un líquido libre en el yacimiento. Este líquido normalmente no fluirá y no
se podrá producir.

La trayectoria de la presión de yacimiento en el diagrama de fase, figura 13, indica que a


alguna presión baja el líquido comienza a revaporizarse. Esto ocurre en el laboratorio; sin
embargo, su probabilidad de ocurrencia es poca debido a que durante la producción el total
de la composición del fluido del yacimiento cambia.

Comentarios: Los gases retrógrados se conocen también como gases condensados


retrógrados, gases condensados o condensados. El uso de la palabra “condensado” en el
nombre de este fluido de yacimiento genera mucha confusión. Inicialmente, el fluido es
gas en el yacimiento y muestra un comportamiento retrógrado. Por lo tanto, el nombre
correcto es gas retrógrado.

El líquido producido en superficie de los yacimientos de gas retrógrado frecuentemente se


conoce como condensado. El líquido producido en el yacimiento se conoce también como
condensado. Un mejor nombre es líquido retrógrado.

Una relación de gas-petróleo inicial producido de 3300 a 5000 scf/STB indica un gas
retrógrado muy rico, por lo cual se condensará suficiente líquido para llenar el 35% o más
del volumen del yacimiento. Aún esta cantidad de líquido rara vez fluirá y normalmente no
se producirá.

El gas en superficie es muy rico en moléculas intermedias y frecuentemente se procesa para


removerle el propano, pentano y butano líquido, y los hidrocarburos más pesados. Estos
líquidos son llamados líquidos de planta.

Identificación en Campo de Gases Retrógrados: El límite inferior de la relación gas-


petróleo inicial producido para un gas retrógrado es aproximadamente 3300 scf/STB. El
límite superior no está bien definido; valores por encima de 150000 scf/STB se han
observado. Estas relaciones gas-petróleo altas indican que el diagrama de fase es mucho
más pequeño que el mostrado en la figura 13. Gases con relaciones gas-petróleo altas
poseen cricondentérmicas cercanas a la temperatura de yacimiento y caídas muy pequeñas
de líquido retrógrado en el yacimiento.

De manera práctica, cuando la relación de gas-petróleo inicial producido está por encima de
50000 scf/STB, la cantidad de líquido retrógrado en el yacimiento es muy pequeña y el
fluido del yacimiento se puede tratar como si fuera un gas húmedo (definido
posteriormente).

Las relaciones gas-petróleo producido para una gas retrógrado incrementarán después de
que comienza la producción cuando la presión de yacimiento cae por debajo de la presión
del punto de rocío del gas.

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Las gravedades del líquido en superficie se encuentran entre 40° y 60° API y se
incrementarán cuando la presión de yacimiento cae por debajo de la presión de rocío. El
líquido puede ser ligeramente coloreado, café, naranja, verdoso, o agua blanca.

• GASES HUMEDOS

El cuarto tipo de fluidos de yacimiento a discutir es el gas húmedo.

Diagrama de Fase: El diagrama de fase de una mezcla de hidrocarburos con moléculas


predominantes muy pequeñas, estará por debajo de la temperatura de yacimiento. Un
ejemplo del diagrama de fase de un gas húmedo está dado en la figura 14.

Un gas húmedo existe solamente cuando hay gas en el yacimiento por la reducción en la
presión del yacimiento. La trayectoria de presión, línea 12 , no entra en la envolvente de
fase. Así, no se ha formado líquido en el yacimiento. Sin embargo, las condiciones de
separador están en la envolvente de fase, causando que algún líquido se forme en
superficie.

Figura 14. Diagramas de Fase de un Gas Húmedo Típico con Línea de Reducción Isotérmica de la
Presión del Yacimiento, 12 , y Condiciones de Separador en Superficie.

Comentarios: El líquido en superficie normalmente se conoce como condensado, y el gas


del yacimiento se conoce como gas condensado. Esto conduce a una mayor confusión
entre los gases húmedos y los gases retrógrados.
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La palabra “húmedo” en el gas húmedo no significa que el gas es humedecido con el agua
pero se refiere a los hidrocarburos líquidos que se condensan a condiciones de superficie.
En realidad, el gas de yacimiento normalmente es saturado con agua.

Identificación en Campo de Gases Húmedos: Los gases húmedos producen líquidos en


superficie con el mismo rango de gravedades de los líquidos de los gases retrógrados. Sin
embargo, la gravedad de los líquidos en superficie no cambia durante la vida del
yacimiento. El líquido en superficie es normalmente agua blanca. El verdadero gas
húmedo tiene relaciones de gas-petróleo producido muy altas. Las relaciones gas-petróleo
producido permanecerán constantes durante la vida de un yacimiento de gas húmedo. Para
propósitos de ingeniería, un gas que produce más de 50000 scf/STB se puede tratar como si
fuera un gas húmedo.

• GASES SECOS

El quinto tipo de fluido de yacimiento que se considerará es el gas seco.

Diagrama de Fase: El gas seco es principalmente metano con algunas moléculas


intermedias. La figura 15 muestra que la mezcla de hidrocarburos es solamente gas en el
yacimiento y que las condiciones normales del separador en superficie caen por fuera de la
envolvente de fase. Así, no se forma líquido en la superficie y en el yacimiento.

Figura 15. Diagramas de Fase de un Gas Seco Típico con Línea de Reducción Isotérmica de la
Presión del Yacimiento, 12 , y Condiciones de Separador en Superficie.

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Comentarios: La palabra “seco” en el gas seco indica que el gas no contiene bastantes
moléculas muy pesadas para formar hidrocarburos líquidos en la superficie. Usualmente
algo de agua líquida se condensa en superficie.

Un yacimiento de gas seco frecuente se conoce simplemente como yacimiento de gas. Esto
genera una confusión debido a que los yacimientos de gas húmedo alunas veces son
llamados yacimientos de gas. Además, un gas retrógrado inicialmente existe como gas en
el yacimiento.

Un grupo de ecuaciones conocidas colectivamente como ecuaciones de balance de materia


gaseosa se han desarrollado para determinar el gas inicial in situ y predecir reservas de gas.
Estas ecuaciones se derivaron para gases secos y se pueden usar para gases húmedos, si
tiene en cuenta las propiedades de los gases húmedos. Las ecuaciones se aplican a gases
retrógrados solo cuando la presión del yacimiento está por encima del punto de rocío.

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