Desarrollo de un modelo matemático de la estimulación de pozos productores de crudo pesado con nanofluidos reductores de viscosidad

Abstract

La inyección de nanofluidos es una técnica de reciente desarrollo en el recobro mejorado de petróleo. El principal inconveniente de esta técnica son las incertidumbres fenomenológicas asociadas al proceso. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar un modelo de base fenomenológica para simular las interacciones físico-químicas que ocurren durante la inyección de nanofluidos reductores de viscosidad en yacimientos de crudo pesado. En este trabajo se presentan los fundamentos teóricos asociados a los fenómenos involucrados entre los crudos pesados, el contenido de asfaltenos y las nanopartículas. El modelo planteado en esta tesis tiene en cuenta los fenómenos de transporte, transferencia y de superficie presentes durante la etapa de inyección del nanofluido en el pozo y en la posterior etapa de producción. Como estrategia de solución al conjunto de ecuaciones diferenciales parciales que componen el modelo matemático se aplica el método volúmenes finitos (FVM). La solución al sistema de ecuaciones no lineales resultantes se obtiene mediante el Método de Newton. La validación del modelo se realiza a partir de pruebas experimentales realizadas en la Universidad Nacional de Colombia. De acuerdo a los resultados, el modelo conceptual y matemático propuesto representa significativamente los fenómenos involucrados en el uso de nanofluidos reductores de viscosidad en yacimientos de crudo pesado al interior de la formación. Luego se realiza el escalado de las condiciones de flujo que se presentan en las pruebas de laboratorio a condiciones de yacimiento. Finalmente, se realiza la simulación de diferentes esquemas de estimulación en un modelo de pozo en coordenadas cilíndricas, donde se realizan sensibilidades a las variables del modelo.

Abstract: Nano-fluids injection is a recent technique in enhanced recovery processes. However, there are phenomenological uncertainties associated with this procedure. The main objective of this thesis is to develop a phenomenological-based model to simulate the physico-chemical interactions that occur during the injection of viscosity reducing nanofluids in heavy oil reservoirs. First, the theoretical foundations associated with the phenomena involved in heavy oil, asphaltene content and nanoparticles are presented. The proposed model considers the transport, transfer and surface phenomena during the nanofluid injection and at the late stage of production. The strategy applied for solving the set of differential and partial equations that compose the mathematical model is the finite volume method (FVM). Then, the solution of the resulting system of non-linear equations is obtained by Newton's method. The validation of the model is based on experimental tests carried out at the Universidad Nacional de Colombia. According to the results obtained in this work, the proposed conceptual and mathematical model represent well the phenomena related to the use of viscosity reducing nanofluids in heavy crude oil deposits. Thus, the up-scaling of flow conditions is performed from laboratory tests to reservoir conditions. Finally, the simulation of different prediction schemes in a single-well model in cylindrical coordinates are performed, where the sensitivities of the model variables are studied.