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REPUBLICA BOLlVARlANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULlA FACULTAD DE INGENIER~A DIVISI~NDE POSGMDO AREA: INGENIER~ADE P E T R ~ L B O
ANÁLISIS DE LA INYECCIÓN ALTERNADA DE IMICROORGANISMOS EN EL YACIMIENTO LGINF-OS, COMO MÉTODO DE WECUPEMCIÓN MEJORADA DE PETRÓLEO
TRABAJO PRESENTADO ANTE hA ILUSTRE UNIVERSIDAD DEL ZULIA PARA OPTAR EL T ~ W L ODEI MAGlSTER SClEldTlARUM EN I N G E N E R ~DE PETMLEO AUTOR: GUSTAVO J. MÚMEZL. TUTOR: JOSÉ U. COLINA
Dedico este trabajo a: Dios Todopoderoso; por ser rrii gran amigo y apoyo en todo momento, nunca me desampara. Marys Luz y Danilo: mis queridos padres. Robertina y Carrero: mis abuelos. Carolina: mi bella y adorada hermana, apoyo en las buenas y en las malas. Darianna, Augusto y Fabiana::mis bellos y queridos sobrinos. Mis amigos y Compañeros de trabajo.
Agradecimiento
AGRaDEClMlENTO
Doy gracias al Señor Dios Todo Poderoso, ya que es justo y necesario y es mi guía espiritual, el cual no me desarripara y me apoya en los tiempos buenos ,y malos. Un especial agradecimiento al Profesor José Udon Colina; fundador de la escuela de Ingeniería de Yacimientos de Lagoveri por haberme brindado la opcirtunidad de formar parte de su escuela y adquirir en ella tantos conocimientos. Su enseñanza tanto académica como humanística son de valor incalculable. Igualmente deseo expresar rni agradecimiento a los profesores que impartieron sus enseñanzas en el posgrado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Zi~lia,sobre todo a Jorge Barrientos y Américo Perozo, jurado de este trabajo. Así como también a aquellas personas que de una u otra manera interviriieron en la realización y culminación de este trabajo, a todas ellas muchas gracias.
Resume 1
RESUMEN
En este trabajo
se
presentan los
resultados de
la
inyección de
microorganismos (bacterias) en más de 300 estimulaciones realizadas en 163 pozo:; productores de petróleo ubicados en el Lago de Maracaibo, pertenecientes al yacimiento LGINF-05, de edad Mioceno y crudo mediano de gravedad promedio 25,T0 API, profundidad 3.600 pies, permeabilidad absoluta de 2.0 Darcies v porosidad promedio de 30%.
La inyección se
realiza con una
barcaza
autopropulsada, en volúmenes y concentraciones variables, después de lo cual el pozo es cerrado por espacio de 5 a 10 días, para permitir la incubacióii y migracióri de las bacterias dentro de la formación, y luego es abierto nuevamente a producción. Los microorganismos. una vez dentro del yacimiento, generan bioproducto!; como resultado de sus procesos metabólicos, tales como solventes, ácidos débiles, gases (CO,), surfactantes (tensoactivos) y polímeros, que contribuyen a mejorar la movilidad del crudo frente al agua y por tanto, a incrementar las tasas cle produccióii y el factor de recuperación de crudo. Los resultados han mostrado un éxito de 65% con incrementos en las tasa:; de producción variables entre 25 y 300 BPD por pozo. Los análisis muestran que
10:;
mejores resultados se presentan en yacimientos con alta presión (gradiente mayor ;a 0.3 Ipclpie), con cortes de agua moderados (10-60%) y con niveles de reservals asociadas por recuperar. La aplicación de esta tecnología ha permitido obtener, durante el lapso que vi3 desde mediados de 1996 hasta finales de 1998, una volumen de petróleo de 2.0.3 MMBls en el yacimiento LGINF-05, probando ser de elevada rentabilidac. Actualmente, es utilizada como un tratamiento convencional en pozos de este yacimiento.
Contenido -
CONTENIDO APROBACIÓN DEL J U M D Q DEDICATORIA AGMBBCSMIENTO RESUMEN LISTA DE TABLAS LISTA DE FIGURAS
.
1. l . Introduccion...................................................................................... .2 r
1.2. Objetivo del estudio.. ............................................................................ 4 1.2.1. Objetivo General.. .......................................................................4 12.2. Objetivos Específicos..................................................................-4
2.1 . Antecedentes.. ................................................................................... .2 2.2. Generalidades acerca de los microorganismos.. ........................................8 2.3. Ciclo de desarrollo de cultivos microbiológicos.. .......................................l O 2.4. Recuperación Mejorada de Petróleo con microorganismos.. .......................13 2.5. Estimulación de pozos con microorganismos.. .........................................19 2.6. Fisiología de las bacterias en el yacimiento.. ...........................................22 2.6.1 . Potencial de óxido-reducción.......................................................22 2.6.2. Temperatura.. ..........................................................................-23
Contenido
.
Pig
2.6.3. Acidez (pH).............................................................................. -23 2.6.4. Salinidad.................................................................................. -24 2.6.5. Metales Pesados....................................................................... 25
..
2.6.6. Presion....................................................................................-25 2.6.7. Organismos Endógenos............................................................. -26 2.7.
Influencia de
parámetros fisicoquimicos
del
yacimiento sobre
los
rriicroorgarrismos..................................................................................... -29 2.8. Limitaciones de la acción microbiana en el yacimiento..............................-30 2.9. Dispersión de las bacterias a través del yacimiento ...................................32 2.10. Interacción de las bacterias con el yacimiento ........................................34 2.1 1. Metabolismo bacteriano en el yacimiento .............................................. 35 2.12.
Experiencia
de
campo
en
Recuperación
Mejorada
con
Wlicroorganismos..................................................................................... -37 2.13.
Experiencias
de
laboratorio
en
Recuperación
Mejorada
.
con
Microorganismos.................................................................................... -41 2.14. Estimulación de pozos con Microorganismos en la Unidad de Explotación Tía Juana Lago............................................................................................46 2.14.1 . Productos Microbiológicos utilizados..........................................46 2.14.2. Descripción del proceso de inyección de microorganismos.............48 2.14.2.1. Selección de pozos para la estimulación........................48 2.14.2.2.
Preparación de
los
pozos
para
la
inyección de
microorgariismos...................................................................-50 2.14.2.3. Inyección de microorganismos en los pozos...................51 2.14.2.4. Evaluación de los resultados de la estimulación..............53 Referencias Bibliográficas.........................................................................57
Contenido -
Páig. CAPITULO III MARCO METODOLOGIGO
3.1. Evaluación de las campañas de Estimulación con microorganismoi; en la U.E. Tía Juana lago .......................................................................................... 2 3.1.1.
Tipos
de
respuesta
a
la
estimulación
con
microorganismos.. .............................................................................. .2 3.1.2. Primera fase de evaluación.. ........................................................ .6 3.1.3.
Segunda
fase
de
evaluación:
Análisis
de
Laboratorio.. ...................................................................................... ..9
CAP~TLOLO IV MARCO EXPERIMENTAL
4.1. Cromatografía de gases.. ......................................................................2 4.2. Análisis de compuestos volátiles.. ...........................................................3 4.3. Prueba de Viscosidad.. ........................................................................ .4 4.4. Medición de Tensión Interfacial............................................................. .6 4.5. Cultivo Microbiano.. ............................................................................ .6 4.5.1. Primer Aislamiento.. .................................................................... .7 4.5.2. Segundo Aislamiento.. ..................................................................7 4.5.3. Tercer Aislamiento.. ..................................................................... .8
CAP~TULOv DESCRIPCIÓNDEL YACIMIENTO
5.1. Datos Básicos del Yacirniento.. ............................................................. .2
Contenrdo P
Páig. CAP~TLILOVi RESULTADOS
CAPITULO VII DISCUSIÓN DE LOS RESLILTADOS
7.1. Resultados de la primera fase ................................................................ 2 7.1.1. Distribución de las estimulaciones por tipo de respuesta..................... 2 7.1.2. Distribución de las estimulaciones según la empresa......................... 2 7.1.3. Distribución del radio de penetración............................................... 3 7.1.4. Distribución del control de reductores.............................................. 4 7.1.5. Distribución del espesor de arena ................................................... 4 7.1.6. Distribución de la porosidad............................................................ 5 7.1.7. Distribución de las respuestas según el tipo de estimulación.................5 7.1.8. Análisis del comportamiento de producción de los pozos después de la estimulación........................................................................................ 6 7.1.9. Análisis de los resultados de acuerdo a las características del yacimiento.......................................................................................... 7 7.2. Resultados de la segunda fase ............................................................. 10 7.2.1. Cromatografia de gases .............................................................. 11 7.2.2. Viscosidad................................................................................ 12 7.2.3. Volátiles ................................................................................... 14 7.2.4. Tensión Interfacial...................................................................... 15 7.2.5. Tipificación de los microorganismos............................................... 15
................................................................................ 16 7.2.6. Prodi~cción 7.2.7. Evaluaciones y Ensayos Microbiológicos.........................................17
Contenido PBg.
CAP/'FULOVI~I CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
8.1. Conclusiones.. .................................................................................... -2 8.2. Recomendaciones.............................................................................. .3
ANEXOS ARTICULO TÉGNICO
tiste de Tablas
LISTA DE TABWS
1. Géneros bacterianos comúnmente utilizados en MEOR.. .............................17 2. Efectos de los bioproductos sintetizados por las bacterias utiliizadas en
MEOR.................................................................................................. -18 3. Principales aplicaciones de MEOR.. ........................................................19 4. Productos de Microbac utilizados en la U. E. Tía Juana Lago........................47
5. Selección de pozos candidatos a estimulación con microorganismos........... ..49 CAP~TULOv
DESCRBPCIÓNDEL YACIMIENTO 1. Datos Básicos del Yacimiento ................................................................4
CAP~TULOVI RESULTADOS 1. Base de datos de los pozos estimulados..................................................2 2. Base de datos para los pozos con respuesta favorable ...............................8
3. Base de datos de los pozos con respuesta desfavorable.. ..........................ll
Lista de Tablas
Phg. CAP~TULOVII
D I S C U S ~ ~DE N LOS RESULTADOS 1. Distribución de respuesta al tratamiento de acuerdo al punto de inicio,.. ..........7
Lista de figuras
LISTA DE F I G U M S Pág.
CAPITULO II MARCO TEÓRICO
1. Ciclo de desarrollo bacteriano por fisión celular.. ........................................10 2. Curva de crecimiento de los microorganismos.. .........................................11
3. Esquema de evaluación de pozos, después de haber sido estimulados con .55 bacterias.. ........................................................................................
CAP~TULOIII
MARCO METODOLÓGICO
1. Respuesta típica a la estimulación con microorganismos ............................... 3 2. Ilustración de la respuesta Tipo l... ...........................................................4
3. Ilustración de la respuesta Tipo II........................................................... ..4 4. Ilustración de la respuesta Tipo 111............................................................ 5 5. Ilustración de la respuesta Tipo IV............................................................5
6. Ilustración de la respuesta Tipo V .............................................................5
CAP~TLILOIV MARCO EXPERIMENTAL
1. Horno para Análisis de Compuestos de Volátiles.. ....................................... 4 2. Viscosímetro Digital Brookfield ............................................................... .5
Lista de figuras
Pág.
CAPITULO v DESCWIPCIÓN DEL YACIMIENTO
1. Ubicación del Yacimiento LGINF.05 .........................................................5
2 . Comportamiento de Presión del Yacimiento LGINF-05.................................6 3 . Mapa Estructural del Yacimiento LGINF-05................................................7
CAP~PULOVI
RESULTADOS
1. Distribución de los pozos estudiados .......................................................13 2 . Distribución de las estimulaciones en los pozos estudiados .........................13 3 . Distribución de las estimulaciones según el tipo de respuesta ......................14 4 . Distribución de las estimulaciones según la Empresa.................................14 5 . Distribución de las respuesta según la Empresa........................................15 6 . Distribución de respuestas para la Empresa Microbac ................................16
7. Distribución de respuestas para la Empresa Atech ....................................16 8 . Distribución de respuestas en el yacimiento LGlhlF-05................... . ...........16 9 . Distribución del volumen de agua en las estimulaciones ..............................17 10. Distribución de volumen de agua según el tipo de respuesta ........................17 11. Distribución del radio de penetración en las estim~ilaciones.........................18 12.Distribución del radio de penetración según el tipo de respuesta ..................18 13. Distribución del tiempo de cierre en las estimulaciones ...............................19 14.Distribución del tiempo de cierre según el tipo de respuesta ........................19
15.Distribución del control de reductores en las estimulaciones ........................ 20 16.Distribución del control de reductores según tipo de respuesta .....................20
Lista de figuras
Pág. 17. Distribución del espesor de arena en las estimulaciones .............................21 18.Distribución del espesor de arena según el tipo de respuesta ......................21 19. Distribución de la porosidad en las estimulaciones ....................................22 20 .Distribución de la porosidad según el tipo de respuesta ..............................22 21 . Distribución de las estimulaciones según su tipo ......................................23 22 . Distribución de las respuestas según el tipo de estimulación ........................23 23 .Distribución de N-alcanos en el crudo del pozo TJ-238 ..............................24 24.Viscosidad en el crudo del pozo TJ-238 ...................................................24 25 .Cantidad de volátiles en el crudo del pozo TJ-238 .....................................25 26 . Producción del pozo TJ-238 ..................................................................25 27 .Distribución de N-alcanos en el crudo del pozo LL-1109.............................26 28.Viscosidad en el crudo del pozo LL-1109 .................................................26 29 .Cantidad de volátiles en el crudo del pozo LL-1109....................................27 30. Producción del pozo LL-1109...............................................................27 31 .Distribución de N-alcanos en el crudo del pozo LL-3520 .............................28 32.Viscosidad en el crudo del pozo LL-3520.................................................28 33.Cantidad de volátiles en el crudo del pozo LL-3520 ....................................29 34 .Producción del pozo LL-3520 ................................................................29 35 . Medición de la tensión interfacial en pozos del yacimiento LGINF-05 ...........30 36.Tensión interfacial crudo LL-588, ALM (1,6 % de KCL) ...............................30 37.Tensión interfacial crudo LL-3507, ALM 1,6% de KCL ................................31 38.Análisis de la muestra de crudo del pozo LL-3507 + muestra de Micirobac (70% PBS + 30% CB) 50000 PPM.................................................................31 39.Análisis cromatográfico de la muestra de crudo del pozo LL-3507 + muestra de Microbac (70% PBS + 30% CB) 50000 PPM............................................32 40.Análisis de la muestra de crudo del pozo LL-588 + muestra de Mic:robac (70% PBS + 30% CB) 50000 PPM................................................................32
m Pág.
41 .Análisis cromatográfico de la muestra de crudo del pozo LL-588 + rnuestra de Microbac (70% PBS + 30 % CB) 50000 PPM............................................ 33 42.Resultados de los análisis de laboratorio en medios de cultivo de los bioproductos comerciales de Microbac................................................... .34 43.Comportamiento de producción de los pozos estimulados con bacterias en el yacimiento LGINF-05.. .........................................................................35 44. Comportamiento de presión en el yacimiento LGINF-05 ............................36 45. Mapa de calidad de fluidos del yacimiento LGIMF-05................................. 37 46. Medio de cultivo HAF con disolución de petróleo biocornpatible.. ................ .38 47. Medio de cultivo Agar Nitrato con disolución de petróleo biocompatible.. ...... .38
Existen varios mecanismos a través de los cuales los wiicroorganismos y sus metabolitos (bioproductos) mejoran la recuperación de crudo. La gener(aciónde los bioproductos, tales como solventes, ácidos débiles, gases, surfactantes y polimeros, ayudan en la recuperación de aquel crudo que es demasiado viscoso para fluir, utilizándose como una buena alternativa en la obtención del crudo residual en yacimientos maduros y agotados. De igual manera, los bioproductos ayudan en la disminución/eliminación de depósitos orgánicos (fracciones pesadas de crudo) e inhibiendo la depositación de productos inorgánicos (carbonatos). En el caso de la extraccion de crudo por medio de la inyección de agua, los bioproductos que ejercen acción son los solventes y los surfactantes, que contribuyen a mejorar la eficiencia de barrido. Los microorganismos son organismos unicelulares, sin estructura esquelética, que viven en todos los ambientes del planeta y que contribuyen, con su acción, a biodegradar la materia. Diversos géneros han sido seleccionados, cultivados e inyectados a los yacimientos, biodegradando algunos componentes hidrocarburos y mejorando la movilidad del petróleo en la formación. Los efectos que producen se manifiestan principalmente mediante la producción de solventes y surfactantes naturales que disminuyen la tensión interfacial agua-petróleo y la tensicm superficial roca-petróleo, reduciendo las presiones capilares en el espacio poral, lo cual permite el mejoramiento de la movilidad del crudo con respecto al agua, al cambiar de favorablemente mojada por crudo, a preferencialmente mojada por agua. La generación de CO, que se disuelve en el crudo reduce su viscosidad 13 incrementcl levemente la presión. Adicionalmente, se produce desplazamiento físico debido a la elevada tasa de reproducción de los microorganismos dentro de la formación. Lsi respuesta a este proceso es el incremento en el factor de recobro (efecto dentro del yacimiento) y la eliminación o reducción del daño de formación (efecto en la cercanía del hoyo), mejorando la productividad del pozo y extendiendo de esta manera, sal
-
lntroduccidn
vida productiva.
Este trabajo describe los resultados obtenidos hasta 1998, en inás de 300 estimulaciones realizadas en 163 pozos productores de petróleo ubicados en el Lago de Maracaibo, operados en el Distrito Tia Juana, PDVSA, Exploración y Producción, Región Occidente. Pertenecientes al
yacimiento LGINF-05, de edad Mioceno,
compuesto por la formación Lagunillas Inferior y La Rosa y con un crudo mediano de gravedad promedio 25,7" API. Su profundidad promedio es 3600', permeabilidad absoluta de 2.0 Darcies y porosidad promedio de 30%.
El propósito de la inyección de inicroorganismos en este yacimiento fue incrementar la tasa de producción y la recuperación de petroleo, como método de recuperación mejorada de petróleo, siendo ésta una alternativa tecnológica efectiva y rentable.
Desde el punto de vista técnico, no existe razón alguna para que la misma no sea efectiva. Básicamente, esto se debe a que en la actualidad se conocen en gran parte
los
mecanismos
involucrados
en
la
recuperación
mejorada
con
microorganismos, así como los criterios de selección de pozos y yacimientos candidatos para su aplicación. Sin embargo, existen ciertos aspectos inherentes a esta técnica que, si no se toman en cuenta adecuadamente, pueden ser perjudiciales para su aplicación exitosa en un yacimiento en particular. En la Unidas1 de Explotación Tia Juana Lago, los aspectos desfavorables que se hain observadc~ desde el inicio de la aplicación de la técnica están relacionados, en prirrier lugar, cori la evaluación y el seguimiento inadecuados de los pozos antes y dc?spués de
121
aplicación de los microorganismos; en segundo lugar, con la escasa cziracterizacióri del efecto de los microorganismos sobre las propiedades de los crudos tratados; Ir finalmente, con la dosificación de los rriisrnos por parte de las compañías proveedoras. Por esto, las evaluaciones realizadas hasta la fecha han recomendado
-
Introducción
caracterizar globalmente los resultados obteriidos mediante este proceso con la finalidad de mejorar su aplicación y garantizar mayores niveles de éxito en el futuro.
l.2.OBJETlVOS DEL ESTUDIO
1.2.1. OBJETIVO GENERAL
Caracterizar y evaluar el proceso de recuperación mejoracla de crudo con microorganismos llevado a cabo en la Unidad de Explotación Tía Jiiana Lago en el yacimiento LGINF-05 desde el año 1996 hasta 1998, rnediants el empleo de toda la información de campo disponible cljn la finalidad de elab~rari:na basz de datos estadística, soportada con pruebas de laboratorio, que perinita orisntar Ici aplicacihn de esta técnica hacia la obtención de mayores grados de éxito.
1.2.2.OBJETIVOS ESPEC~FICBS Analizar los factores claves del proceso de estimulación con rnicroorganismos, mediante la recopilación y revisión de las actividades realizadas eri los pozos estimulados en la U.E. Tía Juana Lago.
e
Determinar
los
factores
de
éxito
del
proceso
de
estimulación
con
microorganismos, en cuanto a las características del yacimientos, procedimiento operacional y compañías proveedoras de microorganismos.
Coordinar y ejecutar una prueba piloto con la finalidad de realizar el sieguimiento, control y estudio del proceso de recuperación mejorada con microorganismos,
Introduccrón
mediante pruebas de laboratorio que permitan observar el efecto de los microorganismos sobre las propiedades fisicoquimicas del crudo.
Recomendar nuevos parámetros para la aplicación y evaluación del1 proceso de estimulación con rriicroorganismos.
t%#8lWTeórico
2.1. ANTECEDENTES
El concepto de la utilización de microorganismos para promover la recuperación de petróleo de formaciones subterráneas se remanta a más de sesenta años atrás, hacia 1926, cuando el científico Beckman' señaló la posibilidad de que un cultivo de bacterias productoras de enzimas pudiesen cambiar la viscosidad y gravedad del petróleo residual dentro de un yacimiento para provcicar así su movilización. Sin embargo, la primera demostración práctica de la factibilidad de tal concepto ocurrió en la década de los cuarenta. Una investigación apoyada por el Arnerican Petroleurn lnstitute y conducida por C.E. Zobell en el Scripps Bceanographic Institute, demostró que bacterias sulfato-reductoras ianaeróbicas podían liberar bitumen de las arenas petrolíferas del campo Athabasm, así como petróleo residual proveniente de columnas de prueba a escala de laboratorio. El 17 de Marzo de 1944 se registro en los EE.UU. una patente con la descripción de un proceso microbiano mediante el cual se podía recuperar petróleo debido a la actividad microbiana en el yacimiento2. Se identificaron seis mecanismos potenciales de liberación de petróleo: Producción de ácidos para disolver las rocas formadas por carbonatos. Disolución de sulfatos minerales. Producción de gases para represurizar el yacimiento y desplazar al petróleo fuera de los espacios porales. Desarrollo de biopelículas sobre superficies sólidas para promover el desplazamiento físico del petróleo. Disminución de la visccssidad relacionada con cambios de composición en el petróleo o con efectos de disolución de gases.
Marco T&rlcc
p .
Varias compañías petroleras norteamericanas se interesaron en estas ideas iniciales, y la primera prueba de campo fue realizada en 1954 por Socony Mobil en el campo bisbon, en el Condado Union, Arkansas. Para esta fecha, las bacterias sulfato-reductoras ya habían sido sustituidas por ser agentes potencialmente peligrosos y
poco efectivos, debido a su capacidad para producir sulfuro de
hidrógeno (H,S), sulfurar los yacimientos, crear taponamientos por formación de sulfuro de hierro e inducir la corrosión. La reconsideración de los nnecanismos propuestos originalmente condujo a la utilización de la especie Clostridium acetoibutylicum, capaz de fermentar melazas para producir cantidades abundantes de gas y ácidos orgánicos junto con solventes y surfactantes, bajo condiciones de yacimiento3. Este fue el primer ejemplo de una de las estrategias primarias para el mejoramiento de la recuperación de petróleo, la utilización de micrc~organismos inyectados como fábricas subterráneas para convertir un substrato en agentes recuperadores de petróleo in sitw, tales como gases, surfactantes, solventes y ácidos. Se demostró que esta estrategia podía funcionar como una herramienta de mejoramiento de la producción dentro del contexto de una operación continua de inyección de agua en un yacimiento objetivo apropiado. Mientras que la prueba en el campo bisbon resultaba exitosa, el interés de los norteamericanos por tecnologías exóticas de recuperación mejorada de petróleo (EOR, del inglés Euíhanced Oil Recovery) desaparecía rápidamente ante la presencia de reservas sustanciales de petróleo barato. En las dos décadas siguientes, la recuperación me.iorada de petróleo con
microorgariismos (MEOR, del inglés Microibial Enhanced Oil Recovery) se aplicó activamente en la Unión Soviética y en varios países de Europa Orieni.al. En 1955, La Riviere4 correlacionó la liberación de petróleo con la disminución cle la tensión superficial, mediante experimentos de laboratorio con cultivos de bacterias sulfatoreductoras de crecimiento rápido. Aunque este trabajo fue criticado severamente por
Merco Tsólim
Updegrav,
posteriormente
se
reportaron
observacianes
siniilares
en
Checoslovaquia. Se observó un crecimiento rápido de las sulfato-reduictoras, con incrementos en la liberación de petróleo en pruebas de campo que utilizaron cultivos bacterianos mezclados y melazas6. En ausencia de otros mecanismos: se asumió que los surfactantes facilitaron la liberación de petróleo. Estos tratamientos condujeron usualmente a una declinación final de la producción, posiblemente debida a efectos de taponamiento. Entre 1966 y 1970 se llevaron a cabo pruebas de campo en olros lugares de Hungría, Polonia, Rumania y la U.R.S.S., basadas en la inyección de cultivos anaeróbicos mezclados incluyendo el género Clostridia. Estos cultivos fueron seleccionados por su capacidad para producir los tipos de agentes icientificados previamente por Socony Mobil, a partir de la fermentación de las melazas inyectadas. Muchas de estas pruebas, especialmente las ejecutadas en 13010nia por Karaskiewicz, fueron estimulaciones individuales de pozos basadas en la inyección del sistema microbiano, un período de cierre del pozo, seguido de la puesta en producción. El análisis de los resultados demostró que los gases, ácidos, solventes y surfactantes producidos por la fermentación en la región cercana al pozo estimularon la producción a través de una acción de limpieza7. La utilización de ii?yecciones pequeñas para estimular la producción de pozos individuales se utiliza comercialmente en la actualidad. En 1958, Von Heiningen8 sugirió otro objetivo para la reczuperación rnejorada de petróleo con microorganismos. Este grupo propuso el mejorzamiento de la recuperación a partir de operaciones de inyección de agua, mediante la .~roducciónin situ de biopelículas de polisacáridos a partir de un sistema inicrobiano inyectado basado en melazas. Era razonable pensar que la solución bacteriana inyectada y los nutrientes penetrarían preferentemente en las zonas acuosas más ~iermeables,previamente barridas y libres de petróleo, y producirían biopelículas en
las mismas. Esto resultaría en una pérdida de permeabilidad localizada y desviaría el flujo de agua hacia las zonas no barridas anteriormente. Se reportó un mejoramiento sustancial de la recuperación en la operación de inyección de agua. Ahora, el taponamiento selectivo ha sido reconocido como un mecanismo adicional importante para mejorar el desplazamiento del petróleo. No se realizó ningún trabajo en esta área en la década siguiente, aunque se hizo un gran esfuerzo para producir polisacáridos, tales como el xantano o escleroglucano como agentes viscosificantes para la EOR. Estos polimeros dispersantes mejoran la eficiencia de barrido de las operaciones de inyección de agua al igualar la viscosidad del fluido desplazante con la viscosidad del petróleo del yacimiento objetivo, reduciendo los efectos de canalización local y de desviación del petróleo. Sin embargo, un nuevo enfoque se dirigió hacia la producción y aislamiento de estos agentes en forma relativamente pura, en facilidades de superficie, para ser inyectados si~bsecuentementecomo un componente químico en varios escenarios de inyección. A finales de la década de los setenta, ya existía un cuerpo sustancial de
datos de campo y de laboratorio sobre los mecanismos, estrategias y renidimiento de varios enfoques de la recuperación mejorada de petróleo con microorganismos. Este trabajo fue revisado inicialmente por Davis, quien en 1967 publicó un texto corripleto al respectog; y más recientemente por Updegrav. Hitzman compiló uin resumen completo de pruebas de campo realizadas en este períodolo. Para 1979, cuando resurgió el interés global en esta área, se habían alcanzado grandes logros. Se había desarrollado la estrategia de utilizar poblaciones bacterianas, puras o mezcladas, como fábricas subterráneas para convertir substratos de bajo costo inyectados en agentes movilizantes del petróleo. Se había demostrado la incapacidad del petróleo para actuar como una fuente alimeriticia eficiente para la actividad bacteriana. Se había establecido la naturaleza básica y la existencia de las poblaciones microbianas indígenas de los yacimientos petrolíferos.
-
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I
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Mamo Tedrlco
Se habían deducido las características esenciales de los yacimientols para la aplicación exitosa de MEOR. La naturaleza indeseable de las bacterias sulfatoreductoras ya las había distinguido como un problema potencial csn futuras investigaciones. La estimulación de pozos individuales, el rnejoramieiito de las operaciones de inyección de agua y el taponamiento selectivo habían denriostrado su factibilidad como aplicaciones de campo. En este punto, los precios inestables del petróleo y un interés creciente por la biotecnologia iniciaron una nueva etapa de actividad creativa en este campo. En la década de los ochenta se desarrolló una gran actividatl en varios países, con variantes en el grado de éxito y de publicación de la información obtenida. En general, los criterios de selección de objetivos (pozos y yac.irnientos) y el desarrollo de los sistemas microbianos se publicaron rápidamente. La década comenzó con una revisión de los fundamentos. Aparecieron varias revisiones de los trabajos iniciales, incluyendo uno para las patentes existentes". Una extensa base de datos de yacimientos norteamericanos fue revisada en Oklahoma, para evaluar los objetivos potenciales de los procesos microbianos, limitados por la temperatura (75 mD). De los nueve estados considerados, todos mostraron que el 20% ó más de los yacimientos conocidos eran posibles candidatos para la aplicación de la tecnología microbiana, mientras que en California se determinó que más del 50% de los yacimientos conocidos podían ser candidatos". Esta revisión y evaluación incrementó el interés en los procesos MEOR. La degradación anaeróbica del petróleo por los microorganismos fue revisada nuevamente en dos estudios independiente^'^.'^. Ambos concluyeron que la degradación del petróleo ocurría prácticamente en ausencia de oxígeno pero que el proceso era exageradamente lento. Los crudos ricos en parafinas fueron los que más confirmaron las observaciones realizadas por Muller en 197515. Los estudios
M a m T&rico
con radioisótopos confirmaron la presencia de carbono marcado en el metano y dióxido de carbono producido. Se concluyó que los nutrientes inyectados eran esenciales para promover la actividad bacteriana in situ en el período de tiempo práctico para un proceso EOR. Esto implica que la actividad microbiana está limitada por la cantidad de nutrientes que puedan inyectarse al yacimiento. Recientemente, han comenzado a aparecer publicaciones sobre la degradación anaeróbica de hidrocarburos16. Estas publicaciones tendrán
un efecto
inmediato en
la
bioremediación de la contaminación subterránea producida por los hidrccarburos y pueden tener implicaciones a largo plazo en la recuperación mejorada (le petróleo con microorganismos. La tecnología MEOR fue aplicada por primera vez en Venezuela como un proyecto piloto de laboratorio realizado por el IN'TEVEP, y apoyado por otras filiales de PBVSA, para determinar y caracterizar la microflora bacteriana autoctona en cinco yacimiento^'^^^^^'^^ . Se evaluaron los yacimientos C5VLB-8, LL-03, GG-2y los Campos Concepción, Migas y oleos. Se encontró que todos poseían una microflora bacteriana autóctona capaz de crecer y metabolizar el petróleo en las coridiciones de cada yacimiento. La producción de biomasa, ácidos orgánicos y gases fue comprobada. Una de las primeras experiencias al nivel de campo se llevó a cabo en en la Costa Bolívar, ubicada al noroeste del Lago de Maracaibo, en catorce pozos del mioceno pertenecientes al miembro inferior del yacimiento Lagunillas2' y explotados por la erripresa LAGOVEN S.A para entonces. Estos pozos fueron estimulados con bacterias en el periodo comprendido entre noviembre-! de 1993 y diciembre de 1995. Se obtuvieron resultados positivos en ocho de ellos principalmente, lo cual representó un 57% de éxito. En este grupo destacaron tres pozos que registraron incrementos de producción del 280%, 200% y 180%, durante un período aproximado de 2 años. Basado en la experiencia anterior, en 1996 se estudiaron 50 pozos con carateristicas similares en pozos de edad Mioceno de las
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MamJ Tedrl«> -
formaciones Lagunillas Inferior y La Rosa y crudo mediano de gravedad promedio
25.7O APl, profundidad 3.600 pies, permeabilidad absoluta de 2.0 Darcies y porosidad promedio de 30%. Estos pozos fueron estimulados, registrándose un éxito de 65 % con incremento en las tasas de producción variables entre 25 y 300 BPD por pozo. La aplicación de esta tecnología ha permitido obtener, durante el lapso que va desde mediados de 1996 hasta finales de 1998, una volumen de petróleo de 2.03 MMBls en el yacimiento LL-05, probando ser de elevada rentabilidad. Actualmente, es utilizada como i.in tratamiento convencional en pozos de este yacimiento.
El término microorganismos comprende cinco grandes grupos: virus, hongos, algas, protozoarios y bacterias. Estos son organismos que viven como células individuales o células indiferenciadas agregadas, es decir, sin formar tejidos. De estos cinco grupos, los virus son los más pequeños y tienen una estructura tan simple que no llegan a constituir una célula. Están formados por proteírias y ácidos nucleicos envueltos por una membrana lipídica o proteiccr. Son incapaces de reproducirse por ellos mismos, necesitan del material genético de otra célula para poderse dividir y crecer. Una segunda división de los microorganismos comprende a los eucariontes, que incluyen las algas, los hongos y los protonoarios. Se diferencian de los virus y bacterias por poseer un núcleo verdadero, es decir, su material genético está encerrado por una membrana y organizado en estructuras. Una tercera división corresponde a los organismos procariontes, aquellos que no poseen núcleo verdadero. Su material genético se encuentra flotando en el citoplasma y no poseen organelos, la membrana plasmática realiza las funciones de éstos. Dentro de este grupo se encuentran las bacterias, que se caracterizan por poseer una pared celular rígida que determina su forma y perrriite clasificarlas según su constitución.
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Malea Tdrlco
Las bacterias se encuentran en todas partes de la naturaleza. En efecto, se pueden encontrar en sitios donde ningún otro tipo de vida podría subsistir. Las especies actuales que crecen en medios determinados comprenden aquellas que han sido capaces de adaptarse exitosamente a las condiciones ambientales y nutritivas prevalecientes en los mismos22.El metabolismo microbiano puede ser clonsiderado como la suma de todos los procesos de reacciones intracelulares, mediante el cual los materiales y nutrientes son convertidos en materiales celulares y productos re~iduales~~. Según su metabolismo, las bacterias se clasifican en aeróbicas, anaeróbicas y facultativas. Las aeróbicas requieren la presencia de oxígeno para su crecimiento y metabolismo; las anaeróbicas pueden hacerlo en ausencia del mismo;
y finalmente, las facultativas son capaces de sobrevivir en ambas condiciones. La utilización de nutrientes del ambiente para mantener el metabolismo y el crecimiento depende de la estructura enzimática de cada especie. Esto se debe al hecho de que las enzimas tienen un alto grado de especificidad para los substratos cori los cuales interactúan como catalizador. Por lo tanto, un tipo de bacteria puede asimilar hidrocarburos parafinicos, mientras que otra puede no hacerlo. Las bacterias han sido consideradas negativamente por muchos investigadores asociados con los procesos de recuperación de crudo. Este rechazo proviene de los efectos negativos que algunos microorganismos traen en los procesos de recuperación de crudo, tales como la corrosión en tuberías o el taponamiento de las paredes en el fondo del pozo9. Sin embargo, el rechazo hacia las bacterias ha cambiado sustancialmente debido a que se ha demostrado que estos organismos son capaces de sintetizar en el yacimiento mismo una variedad de productos útiles para la recuperación mejorada de crudo.
Mamo T.óffco
P
2.3. CICLO DE DESARROLLO DE CLILTIVBS MICROBIOLÓGIICOS El proceso más común en el ciclo de desarrollo de las poblaciones de microorganismos, especialmente de las bacterias, es la fisión binaria fransversa. Este es un método de reproducción asexual mediante el cual una célula se divide en dos después de desarrollar una pared intracelular transversa, como se puede observar en la Figura 1. Célula madre.
Alargamiento celular.
Síntesis de la pared celular y distribuci6n del material nuclear.
I Formación de la pared celular transversa y distribución del material nuclear en las nuevas células.
ión de las células. Cada célula nueva repite el
1 Figura 1. Ciclo de desarrollo bacteriano por fisi6n celular
Si un medio de cultivo fresco se inocula con una cierta cantidad de microorganismos y se determina la población bacteriana en forma intermitente durante un periodo de incubación aproximado de 24 horas, se obtiene una curva similar a la mostrada en la Figura 2 al representar gráficamente estos resultados. En la misma se puede observar un periodo inicial en el que parece no haber desarrollo,
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8 ( 8 1 ~Teórk0 )
seguido de un crecimiento rápido, una estabilización y finalmente un descenso en la población viable. Entre cada una de estas fases existe un periodo de trarisición, que representa el tiempo necesario para que todas las células pasen a la fase siguiente; esta es una peculiaridad en todos los organismos tomados de uri cultivo e inoculados en un medio fresco.
TIEMPO (HOWS)
-
Fase de adaptación
-Fase
estacionaria
Fase de crecimiento Fase de muerte
Figura 2. Curva de crecimiento de los microorganismos El proceso global de crecimiento de los microorganismos está caracterizado por los diferentes eventos que ocurren en cada una de las fases. Posteriormente se describen brevemente tales eventos. Fase de adaptación. La inoculación de microorganismos en un medio nuevo no va seguida de una duplicación de la población de acuerdo con el tiempo de reproducción. En lugar de esto, la población permanece temporalmente! inalterada
Mano Te6dco
como se observa en la zona verde de la curva en la Figura 2, pero esto rio significa que las células se encuentran inactivas. Por el contrario, durante esta fase cada una de las células incrementa su tamaño más allá de las dimensiones normales. Fisiológicamente se encuentran muy activas sintetizando protoplasma nuevo. En este nuevo ambiente, las enzimas y coenzimas necesarias para el funcionamiento bptimo de la maquinaria química celular pueden ser escasas, en consecuencia, éstas deben ser sintetizadas en cantidad suficiente por cada célula para favorecer el crecimiento de la población. Se necesita tiempo para establecer ajustes en el medio físico que rodea a cada célula y debido a esto es que existe un retardo en la división celular, aunque los microorganismos se encuentren metabólicamente activos. Al final de la fase de adaptación cada célula se divide, y aunque no todas las células completan simultáneamente esta fase, existe un crecimiento gradual en la población hasta el final de este periodo, cuando todas las células son capaces de dividirse a intervalos regulares. Fase de crecimiento. Durante este período las c6lulas se multiplican regularmente a una tasa constante y la curva de crecimiento es de tipo exponencial, como se aprecia en la zona amarilla de la curva en la Figura 2. En condiciones apropiadas, el grado de desarrollo de las células durante esta fase es máximo y la población es casi uniforme en composición química, actividad metabólica y otras características fisiológicas. Fase estacionaria. La fase de crecimiento comienza a disminuir después de varias horas y la tendencia de crecimiento exponencial disminuye gradualmente hasta alcanzar la estabilidad, representada por la zona roja de la curva ein la Figura 2. Esta tendencia hacia el cese del desarrollo se atribuye a una gran variedad de
circunstancias, principalmente al agotamiento de algunos nutrientes y, en menor grado, a la producción de sustancias tóxicas durante el crecimiento. Por un tiempo la
Mamo Tdrfco
población permanece constante, quizás como resultado del cese de a ls división celular o al equilibrio del índice de reproducción con respecto al índice de rnortalidad. Fase de muerte. Después de la fase estacionaria se rompe el equilibrio entre los índices de reproducción y mortalidad, debido a que la división celular cesa corripletamente y la tasa de muerte aumenta con rapidez. Un gran riúmero de condiciones contribuyen con la muerte microbiana, pero las mhs importantes son el agotamiento de las sustancias nutritivas esenciales y la acumulación de productos inhibidores del crecimiento. Durante la fase de muerte el número de células viables disminuye exponencialmente, a la inversa de lo que ocurre en la fase de crecimiento. Esto se puede observar en la zona azul de la curva en la Figura 2. Algunas especies de microorganismos mueren rápidamente, de manera que habrá pocas células viables en un cultivo prolongado de 72 horas, pero otras especies rnueren tan lentamente que pueden existir células viables durante meses y hasta años.
Durante la producción primaria de petróleo se reduce la presión natural del yacimiento, por lo cual se recurre a procesos de producción secundaria introduciendo agua o gas en el yacimiento a través de pozos inyectores, a fin de desplazar el crudo hacia los pozos productores y mantener los niveles de presión adecuados. Sin embargo, durante la producción secundaria se incrementa paulatinamente la relación agua/petróleo o gas/petróleo, hasta el punto en que el proceso no es económicamente rentable. En este momento se recurre ai un proceso de recuperación mejorada con el fin de recuperar un porcentaje clonsiderable del petróleio que queda retenido en el yacimiento por efecto de las fuerzas viscosas y capilares. Estos procesos de recuperación mejorada se agrupan en cuatro categorías principales: IWétodos Térmicos, Métodos Químicos, Métodos de Gas
Mamo Teorko
P
!Wiscible y Métodos Microbiológicos. La Recuperación Mejorada de Petróleo con Microorganismos engloba a estos últimos. La Recuperación Mejorada de Petróleo con Microorganismos, del inglés Microbial Enhanced Oil Recovery
(MEOR), es quizás el más crecieiite de los
métodos de recuperación mejorada y ha sido solo en los últimos años cuando ha ganado aceptación por mostrar potencial de ser una alternativa viable a lois procesos convencionales de reci.iperación. Debido a los grandes porcentajes de cruido original en sitio que permanecen remanentes en los yacimientos al final de los procesos de recuperación convencional, aproximadamente un 70%, se han hechla grandes esfuerzo para desarrollar estos métodos de recuperación orientados a aumentar la recuperación secundaria así como a producir el petróleo residual. Sin embargo, en la actualidad es necesario resolver numerosos problemas antes de que la recuperación mejorada con microorganismos sea aplicada a escala comercial. El transporte de las bacterias en el yacimiento es uno de los problemas que ha sido estudiado en muchos laboratorios en los últimos años. La inyección y la penetracibn de las bacterias en el yacimiento constituyen el más problemático y crucial de todos los pasos en los procesos MEOR. MEOR es una nueva tecnología que permite mejorar la recuperación y producción de petróleo mediante programas de tratamiento basados en la aplicación de microorganismos, específicamente bacterias, dentro de una formación petrolífera. Los tratamientos son diversos y comprenden la estimulación de yacimientos, lirnpieza de pozos, modificación de permeabilidades, control de movilidad del petróleo y mejoramiento de las operaciones de inyección de agua. Una vez inyectadas en el yacimiento, las bacterias se desplazan a traves del agua intersticial y se congregan en el espacio poroso de la formación, en las interfases petróleo-roca y petróleo-agua, donde metabolizan cantidades muy
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Mama Tdrlco
pequeñas de hidrocarburos para producir bioproductos químicos que aumentan la movilidad del petróleo en la formación. Entre los mecariismos involucrados en la movilización del petróleo, se encuentran los siguientes: e
Generación de dióxido de carbono y otros gases, que disminuyen la
viscosidad del petróleo por solubilización en el mismo. e
Síntesis de ácidos orgánicos, que aumentan la porosidad y la
permeabilidad relativa al petróleo, al disolver la matriz porosa dis las rocas carbonáticas de la formación. Producción de polímeros, que aumentan la viscosidad del agua y disminuyen su movilidad con respecto al petróleo. e
Producción de solventes, que disminuyen la viscosidad del petróleo por
disolución del mismo. e
Producción de surfactantes, que aumentan la movilidad dlel petrdleo
entrampado por capilaridad al reducir la tensión superficial e initerfacial en el sistema petróleo/agua/roca. En consecuencia, se produce una disminución de la saturación residual de petróleo. Producción de polímeros, que incrementan la viscosidad del agua y mejoran la eficiencia volumétrica de barrido al aumentar la movilidad relativa del petróleo con respecto al agua. Generación de nuevas células bactei'ianas, que forman biopelículas que se adhieren a los poros de la roca, disminuyendo la permeabilidad y promoviendo el desplazamiento físico del petróleo hacia el exterior de los poros.
M a m T&rico -
o
Taponamiento selectivo de zonas de alta permeabilidad y canales de
agua debido a la producción de células bacterianas y rnetabolitos poliméricos. Muchos de los metabolitos lipidicos producidos por las células bacterianas poseen una potencial actividad superficial, además se ha demostrado la producción de estos surfactantes es estimulada cuando la célula crece en presencia de hidrocarb~ros~~. Este efecto ha sido observado también cuando el crecimiento es en presencia de ~ a r b o h i d r a t o s ~ ~ , ~ ~ , ~ ~ . Todo esto permite establecer que la recuperación mejorada con microorganismos implica la operación de muchos mecanismos a la vez, cosa que no se obtiene con las técnicas convencionales de recuperación mejorada. Esta podría ser considerada una ventaja, aunque hace más difícil el análisis y sobre todo la cuantificación de los mecanismos de recuperación. Esta tecnología se ha desarrollado rápidamente por ofrecer ventajas significativas sobre los métodos convencionales de recuperación mejoratla, por ser económicamente más rentable, ambientalmente segura y fácilmente aplicxible. Las bacterias empleadas en MEOR son seleccionadas según su capacidad para utilizar ciertos hidrocarburos como fuente única de carbono durante su crecimiento, bajo las condiciones del yacimiento, bien en presencia o ausencia de oxígeno. En numerosos yacimientos estudiados, se ha demostrado la existencia de una flora bacteriana autóctona que varía en diversidad y número según las condiciones de presión, temperatura y salinidad del agua de formación, y que se encuentra en estado latente si los nutrientes son escasos, y en estado activo si los nutrientes son abundantes.
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Mamo TeÓrlco
En rocas carbonatadas (calizas), las bacterias tienden a metabolizar parte de las mismas debido a s i ~ srequerimientos nutricionales de sales. Esto puede acarrear un aumento porcentual del volumen poroso, por lo tanto, este imktodo de recuperación es capaz de extraer un porcentaje significativo del petróleo residual. Esta tecnología puede ser aplicada en proyectos de pozos sencillos (un sOlo objetivo de producción) y pozos midltiples (varios objetivos de producción). También puede ser aplicada en yacimientos en desarrollo inicial, en yacimientos agotiados y en yacimientos productores de crudos parafinicos y asfalténicos. Las bacterias pueden ser inyectadas hacia la formación productora utilizando agua o gasoil. Tabla 1. Géneros bacterianos comúnmente utilizados en MEOW
r
GENERO
1
1 1
TIPO
BIOPRODUCYOS - --
7I --
Acinetobacter
1
Facultativa
1
Acidos, Surfactantes, Solventes
Arthrobacter
1
Facultativa
1
Surfactantes, Solventes
1
Bacillus
Facultativa
Ácidos, Surfactantes
Enterobacter
Facultativa
Ácidos, Gases, Solventes
Clostridium
Anaeróbica
Acidos, Gases, Solventes, Surfactantes
1 Corynebacterium 1
Aeróbica
1
Surfactantes Polimeros
1
4
Tabla 2. Efectos de los bíoproductc~ssintetizados por las bacterias utilizadas
en MEOR BIOPRODUCTOS
EFECTOS
----... .--
------
.
Mejoran
p.---
la
permeabilidad
efectiva
al
disolver
precipitados inorgánicos de las gargantas de los poros. Reducen la viscosidad por disolución del dióxido de carbono producido por la reacción entre el ácido y los carbonatos. Estimulan la recuperación por formación de saturación de gas libre. Mejoran el desplazamiento físico de las
Gases
gotas de petróleo por hinchamiento de las mismas. Reducen la viscosidad al disolver el petróleo. Rerriueven
Solventes
daños de formación y mejoran la permeabilidad efiectiva.
1 1
-1
Reducen la tensión interfacial. Pueden alterar la humectabilidad de la roca.
Aumentan la viscosidad del agua y disminuyen su Polimeros
movilidad
con
selectivamente
respecto las
al
zonas
petrbleo. acuosas
Tziponan de
alta
permeabilidad.
Biomasa
Desplaza físicamente el petróleo al colonizar en la superficie de la roca.
M a m Teórico
=
Tabla 3. Principales aplicaciones de MEOR
Estimulación de pozos
1
Agua Cambio de Permeabilidad
1
1
fuerzas capilares. Eficiencia de barrido pobre. Formación de canalizaciones de agua.
Limpieza de
Deposición de parafinas y
Pozos
escamas minerales.
Inyección de Polimeros
Productores de gas, ácidos,
Daños de Formación.
surfactantes, y solventes.
1
surfactantes y solventes.
1
Productores de biomasa y polimeros.
Productores de ácidos y surfactantes. Degradadores de hidrocarburo:;
Relación de movilidad no favorable. Eficiencia de
Productores de polirrieros.
barrido baja.
Reducción de
Conificaciones de agua y de
Productores de biomasa y
conificaciones
gas.
polimeros.
2.5. ESTIMULACIÓN DE POZOS CON MlCROORGANlSMOS Comúnmente se utilizan técnicas no biológicas para la reniación de parafinas, asfaltenos, escamas y otros depósitos en los pozos y en su vecindad
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M o m TebrlcO
inmediata. En muchos casos, los sistemas bacterianos pueden realizar esto de una nianera más eficiente y menos costosa, pero para garantizar su efectividad es ~ecesarioconocer la naturaleza del problema para poder formular apropiadameiite el sistema bacteriano en cada casoz8.
La estimulación de pozos mediante la tecnología MEOR puede llevarse a cabo a través de las siguientes modalidades. La modalidad in situ, que consiste en inyectar nutrientes al yacimiento para estimular el crecimiento de las bacterias endógenas de la formación, o inyectar microorganismos foráneos juinto a los riutrientes para generar los productos metabólicos en el yacimiento, contribuyendo a incrementar la producción de petróleo. La modalidad ex situ, que es un proceso similar al de recuperación con químicos puesto que se inyectan a la formación los inetabolitos generados, en instalaciones de superficie, por bacterias exógenas al :fa~imiento~~ para lograr recuperar parte del petróleo residual. La modalidad in sitw elimina muchos de los pasos involucrados en la producción de los bioproductos en superficie, y evita los procesos asociados con la inyección y la absorción de los mismos. Por tanto, esta resulta económicamente más factible. Además, las bacterias pueden migrar hacia otras zonas en búsqueda de petróleo y10 nutrientes cuando éstos se agoten en una zona determinada, ampliando así el radio de acción del tratamiento. Por otra parte, en yacimientos sometidos a operaciones de inyección de agua, el proceso puede llevarse a cabo de dos maneras. La primera es inyectando microorganismos y nutrientes en el pozo inyector, de manera que los productos metabólicos mejoren la movilidad del crudo a lo largo del yacimiento entre el pozo inyector y productor; la segunda es inyectando microorganismos y nutrientes en los pozos productores de manera que se invada sólo un pequeño radio en el yacimiento
Mamo TBbrlco
mejorando la movilidad del crudo en la vecindad del pozo. Estas inyeccioines puede hacerse de manera cíclica. En ambos casos se puede estimular la microflora del yacimiento inyectando sólo nutrientes, siempre y cuando estos microorga~ismosproduzcan los metabolitos adecuados. Los nutrientes utilizados generalmente son melaz:as, debido a su alto contenido de sacarosa y a su bajo valor comercial, o suero de leche mezclado con nitratos, potasio, fósforo y otros elementos en menores cantidades (Zn", Mn++,Se, Fe, etc.).
Se ha comprobado que a partir de las melazas, los
microorganismos son capaces de producir alcoholes, polimeros y surfacta~ites~~. Los cultivos bacterianos utilizados para proyectos de recuperación mejorada se desarrollan naturalmente, sin ser diseñados o manipulados genéticamente. Están compuestos por una mezcla de bacterias aeróbicas y anaeróbicas no patógenas de longitud y espesor cercanos al micrón, que! provienen de una amplia gama de ambientes enriquecidos con petróleo y donde se observan actividades microbianas importantes. Las especies principales que contienen son aquellas que tienen las mayores eficiencias para metabolizar hidrocarburos como fi~entede carbono y para sintetizar productos capaces de producir los cambios deseados en las propiedades del petróleo30. La aplicación de microorganismos en los pozos genera un auniento en la producción de los mismos y una disminución en los costos de operación, debido a la remoción de parafinas, asfaltenos, escamas y10 al control de la corrosión. Esta estimulación ocurre como resultado de la limpieza de las paredes del pozo por parte de las bacterias.
La microbiología de yacimientos petrolíferos puede definirse como el estudio de la distribución de bacterias autóctonas, la fisiología bacteriana bajo condiciones de yacimiento, la interacción entre bacterias inyectadas y autóctonas, y el control de la actividad de la microflora inyectada o autóctona para obtener buenos resultados en la recuperación mejorada de crudo. La recuperación mejcrada con niicroorganismos depende de las habilidades de los microorganismos selet~ionados para convertir cualquier substrato que le sirva como fuente nutritiva en un rrietabolito, el cual debe afectar la migración del crudo en alguna dirección Útil. Las bacterias deben ser capaces de crecer bajo las condiciones presentes en la formac;ión de la cual será recuperado el crudo. Si las condiciones presentes en las profundiilades del yacimiento no son compatibles con los requerimientos de crecimiento de los niicroorgarrismos, el crecimiento de éstos estará restringido o totalmente inttibido.
2.6.1. POTENCIAL DE ÓXIDO-WEDUCCIÓN
El potencial óxido-reductor en los estratos profundos es bajo debido a la ausencia de oxigeno. El tipo de microorganismo que se adapta bien a esa clase de oandiciones toma la energía metabólica de reacciones en las cuales ciertas rrioléculas orgánicas son oxidadas a niveles más altos de oxidación sin la participación del oxígeno molecular. Los compuestos que contienen nitrógeno y sililfuros pueden ser utilizados como aceptores finales de electrones.
A un pH
neutro, la sulfato-reducción ocurre generalmente entre -150 a -200 mV, mientras que Isi metanogénesis ocurre a -300 mV. A niveles tan bajos de potencial de óxidoreducción, el oxigeno es un potente inhibidor de la metanogénesis; sin ernbairgo, las bacterias metanogénicas no son eliminadas cuando se exponen al oxígeno si son c~liltivadasa bajas condiciones de potencial. Por tanto, no es sorprendente que
Mmco Tsdrlco
bacterias metanogénicas dependan frecuentemente de las bacterias fe:rmentativas para producir anaerobiosis o para mantener bajos niveles de potencial.
La temperatura de un estrato productor de crudo depende de su profundidad. Esto limita la profundidad a la cual puede utilizarse la recuperación mejorada de petróleo con los microorganismos mesofílicos usuales. Se ha sugerido pueden utilizarse técnicas de MEBR a mayores profundidades si se emplean bacterias termófilas. Cuando se discute sobre temperatura, se debe realizar una distinción entre supervivencia, crecimiento y multiplicación. A pesar de que existen bacterias capaces de soportar temperaturas de 90 y 100°C, los procesos vitales se realizan sumamente lentos y débiles. En procesos de MEBR se requiere que las células se reproduzcan y sinteticen metabolitos rápidamente, por lo taiito, el limite superior para crecimiento óptimo no debe pasar de los 55°C a menos que se presente otra evidencia o que por métodos de ingeniería genética se logre obtener un microorganismo que se reproduzca y sintetice metabolitos rápidamente a altas temperaturas.
2.6.3. ACIDEZ (PH) La mayoría de los ambientes naturales tienen valores de pH cercanos a 7. Las condiciones extremas de pH son nocivas para las microorganismos utilizadas en procesos MEBR. Los límites generalmente establecidos están en un inttxvalo de 1 s 11 y la mayoría de los microorganismos vive en el intervalo de 4 a 9. Las altas concentraciones de iones hidronio e hidroxilo desempeñan una función muy importante en las reacciones de solvólisis, en el estado iónico de nutrientes y en las
Mama T&tico
propiedades coloidales del ambiente. A altos valores de pH las células pueden estar activamente cargadas y esta carga eléctrica juega un papel muy impsrtante en la adhesión de las células bacterianas hacia la superficie sólida del estrato y su orientación en la interfase petróleo-agua para formar micelas. Sin embargo, en ciertos casos, los microorganismos responden activamente a valores de pH extremos. Por ejemplo, un incremento en la acidez induce a la E. col¡ a lproducir una enzima aminoácido descarboxilasa, formando aminas desnaturalizadas que poseen propiedades de surfactantes.
La salinidad del agua del estrato en el cual se introducen los microorganismos puede ser un problema particular que inhiba el crecimiento bacteriano. Con excepción de las bacterias halófilas, las cuales son tolerantes a elevadas concentraciones salinas, las bacterias sólo crecen a bajas concentraciones de salinidad. El crecimiento de los microorganismos puede ser igualmente afectado por componentes individuales de soluciones de sales. El efecto inhibitorio sobre los microorganismos por cationes en orden ascendente es Na, K, NH,, Mg, Ca, Ba, Mn, Fe, Zn, Al, Pb, Cu, Hg y Ag. La composición así como la concentración de sales de un yacimiento debe ser conocida. Esa información es sumamente importante no sólc para la selección de cepas microbianas apropiadas, sino también para la predicciór de otros fenómenos físicoquímicos encontrados en procesos MEOR, tales como las propiedades de los metabolitos microbianos a altas concentraciones salinas, el efecto de la salinidad en propiedades superficiales en general, migración, etc. SE! sugiere la utilización de Bacillus anaeróbicos productores de gas, esportasy capaces de crecer a concentraciones hasta de 7% de NaCI.
Mamo T&rlco
2.6.5. METAL"
PESADOS
Los metales pesados están presentes en la mayoría de las aguas de formación en unas pocas partes por millón de concentración. Cuando existen efectos arribientales tales como temperatura o cantidad limitada de oxígeno, la presencia de estos metales podría ser negativa. En consecuencia podrían producirse cambios en el tiempo principal de generación o en la morfología de los microorganisnnos3'.
Schwartz y C0lwe11~~ observaron una disminución en la producción de biomasa cuando se incrementó la presión a un cultivo de Psedomona:~bathycetes en unos
lo4 kPa. El tiempo de generación medio se incrementó de menos de una
hora a 33 días. Sin embargo, la respuesta a altas presiones no es (general. Por ejemplo, W a l ~ b observó y~~ que especies de Hallobacterium colapsan coinpletamente a 200 kPa. Las n-iismas sufren un cambio morfológico de bastón a forma cocoidal cuando se exponen a 20000 kPa y su tiempo medio de generación disrilinuye de 24 a 118 horas aproximadamente. Cuando la presión se redujo bruscamenite, su forma cocoidal se desintegró, pero cuando la presión se redujo gradualmente, se convirtieron a su forma original de bastón. En general, las altas presiones tienen menor efecto que las altas temperaturas en la actividad metabtjlica de los microorganismos, debido a que la presión osmótica del plasma celular es usualmente bastante alta debido a la salinidad plasmática. La presión crítica para la mayoría de las bacterias está entre los límites de 3000 a 20000 atm 11 muchas de ellas son más barotolerantes cuando se cultivan a sus temperaturas óptimas c ligeramente mayores.
Marco Tdrico
2.6.9. ORGANISMOS ENDÓGENOS
Otro parámetro importante a considerar el efecto de los organismos endógenos del estrato productor. Al contemplar la introducción de poblaciones bacterianas exógenas a un yacimiento, se deben considerar los efectos de los ~ ~reportado un número de organismos endógenos sobre MEQR. G r e ~ eha organismos aeróbicos y anaeróbicos presentes en las aguas de formacidn. Las más reportadas son las bacterias s u l f a t o - r e d u ~ t o r a sRep~riobacillus~ ~~~~~~ Pseudornonas, Mcrococcus, Mycobacteriurn, Clostridiurn y algunas Enterobacter. Las bacterias sulfato-reductoras reducen a iones sulfito los iones sulfato presentes en la mayoría de las aguas de formación. Estos iones producen sulfuro de hidrógeno (H,S), que al reaccionar con el hierro presente en las aguas de formación producen sulfohidroilitas de hierro muy voluminosas, que pueden disminuir significativamente la permeabilidad de la roca. Si el sulfuro de hidrógeno no se consume al formarse las kiidroilitas, entonces se recupera con fracciones de hidrocarburos, causando daños por corrosión en las instalaciones de las plantas de tratamiento de crudo. Cabe destacar que potenciales de óxido-reducciión menores de -100 mV son suficientes para permitir las actividades de las sulfatc~-reductoras. Los efectos de algunos inhibidores pueden ser incrementados con factores adicionales, tales como cloruro de sodio o sales de hierro37.El aire es el inhibidor más económico de las sulfato-reductoras, pero su aplicación práctica eis limitada; la introducción de suficiente oxígeno en el yacimiento podría inducir a la formación tanto biológica como no biológica de hidróxido férrico, y esto produciría efectos de taponamiento en el yacimiento. Las sulfato-reductoras no con elirniriadas por el oxígeno, sirriplemente son inhibidas, por lo tanto, la reintroducción de condiciones anaeróbicas o la formación de un microambiente anaeróbico podría resultar en una renovación en la producción de sulfuro de hidrógeno.
Los microorganismos presentes también afectan la permeabilidad de la roca, debido a los siguientes fenómenos: e
Precipitación de minerales, usualmente carbonatos,
debido al
incremento en la alcalinidad de las aguas intersticiales. Un ejemplo es la precipitación de carbonato de calcio durante la reducción biológica de sulfatos. Precipitación de sulfuro de hierro durante el mismo proceso descrito en el apartado anterior. 0
Formación de películas y taponamiento por materia orgánica
acumulada en los espacios intersticiales. Esta puede ser materia viva, restos celulares o material extracelular. Los microorganismos f lamentosos en forma de bastón pueden reducir con mayor fac:tibilidad
la
permeabilidad de la roca por taponamiento que los de forrna esférica. Bubela3' observó que la forma de los microorganismos puede ser afectada por los efectos ambientales, tales como la presencia de metales pesados y una disminución simultánea de la presión de oxígeno, lo cual conduce a un considerable incremento en el tamaño de los organisnios y en el cambio de sus formas de bastones a filamentos. La permeabilidad anisotrópica de los sedimentos causada por la actividad bacteriana puede afectar la velocidad de flujo de los fluidos en el yaciriiiento y su componente direccional. Es posible causar ciertos cambios en la permeabilidad cuando se aplican los métodos de MEOR, debido a la introducción de un medio bacteriano de baja salinidad. Se ha observado que las partículas de arcilla son suscelptibles a un incremento en tamaño debido a su hinchamiento si la saliriidad de sus ambientes acuosos disminuye39. Pero la introducción de cultivos bacterianos no siempre
M a m T&rlco
produce una disminución de la permeabilidad; un incremento en la perm~rabilidadde las rocas depende de la composición de los carbonatos y de su estado cristalino. Se ha observado que rocas expuestas por seis semanas a actividad bacteriana anaeróbica han incrementado su permeabilidad unos pocos órdenes de rnagnitud3'. Existen ciertas propiedades que son esenciales para los procesos NIEOR, por ejemplo, la acumulación de niicroorganismos con superficies hidrófobas en las interfases petróleo-agua desempeña un papel importante en los procesos de biodegradación de hidrocarburos cuando tales organismos producen sustancias tensoactivas. Estas acumulaciones son útiles para una aplicación satisfactoria de los procesos MEOR. En estos procesos es imprescindible que los microor~~anismos se encuentren en forma de suspensión coloidal para obtener el máximo de penetración de las células en los espacios intersticiales de la roca en el yac;imiento. La suspensión de partículas sólidas del mismo rango de tamaño se facilita por las fuerzas de repulsión debidas a las cargas electrostáticas sobre sus superficies. Debido a esto, bajas concentraciones de electrolitos en las aguas de formación son más convenientes desde el punto de vista de MEOR, ya que altas conc~entraciones podrían facilitar en algunos casos la formación de agregados bacterianos que disminuirían la capacidad de penetración de la población bacteriana. Las superficies sólidas son sitios potenciales de concentración de nutrientes, originanido sitios de actividad microbiana intensificada. La adsorción de materia orgánic,a disporiible como substrato en la superficie de los poros dependerá de la mineralogía y la química de la fase sólida y del estado de la superficie, así como de la concentración y la estructura molecular del substrato.
2.7. INFLUENCIA DE P A ~ M E T R O S F~SICOQU~RA~COS DEL YiACIMIENTO SOBRE LOS MICROORGANISMOS
En el estudio de la aplicación de microorganismos en la recuperación mejorada, deben tomarse en cuenta tres grandes partes en las que es posible operar para asegurar resirltados positivos: Geología, Mineralogía y Petrofísica. a
Fluidos.
e
Biología.
Los cambios producidos por la actividad biológica debida a I;a geología y mineralogía están limitados desde el punto de vista práctico, por lo tanto, se considera que este componente no puede ser manipulado. Sin embargo, los fluidos son más susceptibles a ser manipulados. En sistemas crudo-agua, variables tales como la relación de movilidad, la tensión interfacial, la composición de la fase acuosa y la composición de la fase de crudo, se pueden alterar en alguria extensión. Finalmente, el aspecto biológico es el manipulador, a través del cual se pueden introducir cambios beneficiosos en los fluidos del yacimiento. Una vez definidos tanto el componente manipulable como el componente manipulador, se puede especificar qué cambio puede ser el más beneficioso en el sistema de fluidos desde el punto de vista de recuperación mejorada. Experiencias realizadas en varias partes del mundo han establecido que deben contemplarse dos efectos principales, una considerable disrriinución en la tensión interfacial y ur mejoramiento en la relación de movilidad en sistemas crudo-agua. Se conoce que muchos microorganismos podrían satisfacer los requerimientos en cuanto a producción de Ruidos. Sin embargo, antes de seleccionai-
Marco Teórico
un microorganismo en especial para procesos NIEOR, el ambiente y las condiciones bajo las cuales se supone van a operar se debe conocer en detalle. En primer lugar, porque la actividad biológica de los microorganismos y la producción de los metabolitos requeridos estará influenciada por tales condiciones arribientales; y segundo lugar, porque la efectividad de estos metabolitos puede ser afectada todos o algunos de estos parámetros.
2.8. LIMITACIONES DE LA ACCIÓN MlCROBlANA EN EL YACIMIENTO La utilización de organismos vivos en el yacimiento requiere de la presencia de una fuente de carbono adecuada. Es posible que en un ambiente anaeróbico el petróleo crudo no pueda satisfacer esta demanda. La biodegradación parcial del petróleo es un proceso de ocurrencia fácil y rápida en un ambiente aeróbico, donde una reacción biológica catalítica del oxígeno con el hidrocarburo original puede iniciar el proceso de degradación. Una vez que los átomos de oxígenc se introducen en el hidrocarburo pueden suceder numerosas reacciones biológicas intermedias, incluso algunas de ellas anaeróbicas. En ausencia de oxígeno, e ataque rápido del oxígeno sobre hidrocarburos puros no ocurre4'. Varios grupos de investigación han demostrado la actividad b~iológicaen el petróleo crudo bajo condiciones a n a e r ó b i c a ~ ~ ~Jack13 ' ~ ~ ' ~ observó . la evolución de dióxido de carbono (CO,), ácido sulfhídrico (H,S) y metano (CH,) a paitir de cierto:; crudos donde la concentración de oxígeno presente era menor a 30 ppm (vlv). Estct indica que la actividad microbiana puede ocurrir aun cuando existan bajos niveles de oxígeno en el espacio gaseoso sobre el cultivo. La utilización de alcanos marcados con radioisótopos confirmó que los hidrocarburos eran las fuentes del CH, y CO, observado. La tasa de producción de CH, mejoró al introducir 700 ppm de oxígeno 11 desapareció a 12000 ppm. Aunque esta última observación es consistente con Izi
Y a m Teórko
sensibilidad de la metanogénesis al oxígeno, la primera observación sugiere que los bajos niveles de oxígeno mejoran la cinética global de producci6n de gas, presumiblemente por el inicio de la degradación de los hidrocarburos según la secuencia de reacción descrita anteriormente, aunque todavía no está claro si existe algún tipo reacción en completa ausencia de oxígeno. El rendimiento global de gas (extremadamente bajo) y las bajas tasas de producción de gas indican que el petróleo no es un substrato apropiado para el soporte de procesos ME,OR rápidos bajo las condiciones anaeróbicas de un yacimiento. Según Jack, la naturaleza del crudo también es crítica para la producción de gas bajo condiciones anaeróbicas. La actividad microbiana estuvo limitada a crudos con altos contenidos de alcanos y parafinas. Por otro lado, no hubo señales de actividad en un crudo aromático y en dos tipos de crudos pesado!;, todos con poco contenido de alcanos. Esto concuerda con las observaciones realizadas previamente por Mulleri5 en sus estudios de biometanación de crudlos y con la observación general de que los alcanos constituyen la fracción de petróleo más susceptible a la biodegradación aeróbica4'. Los procesos MEOR basados en la utilización de petróleo crudo como única fuente de carbono no pueden considerarse muy prometedores. La ventaja aparente de utilizar el crudo con la perspectiva de la acción penetrante de los microbios a través del yacimiento es aún tentativa y quizás hasta intimidante, debido a la probabilidad de que la acción bacteriana pueda afectar las fracciones más valiosas del petróleo. Los procesos MEOR han estado basados en la inyección de los nutrientes esenciales en el yacimiento para sustentar la actividad microbiana deseada''. El ataque anaeróbico sobre el petróleo en el yacimiento generalmente es insignificante y la actividad bacteriana está localizada cerca del paquete de nutrientes inyectados.
Mamo Teórico -
Es por eso que la inyección y dispersión de un sistema MEOR usualmente requiere la consideración de ambos tipos de bacterias (aeróbicas y anaeróbicxis) y de los nutrientes que éstas requieren.
El paso crítico en la inyección de sistemas bacterianos dentro del yacimiento es el transporte de las bacterias desde el pozo hasta la roca a través de la cara de la formación. El taponamiento de la cara de la formación debido a la producción de biomasa puede ocurrir en grado tal que la inyectividad en el pozo puede reducirse lo suficiente como para poner en peligro el proceso de inyección42. Estudios de laboratorio realizados con poblaciones naturales de bacterias encontradas en agua potable o incluso en agua destilada, han demostrado que puede ocurrir una reducción de hasta un 70% en la permeabilidad de un núcleo modelo durante una inyección de agua extendida, debido a la folrmación de biopelículas en la cara del n ~ c l e o ~Se ~ .debe ~ . considerar la sensibilidad de la cara de la formación a esta clase de taponarniento, puesto que durante la inyección de un sistema MEOR deben pasar a través de ella grandes volúmenes de liquitlo. Para minimizar las pérdidas de inyectividad se deben evitar los siguientes factores: las bacterias ~Rlamentosaso asociadas, la producción de polírnieros activos durante la inyección, la producción de burbujas de gas en la formación durante la fermentación y los organismos tacofilicos. Aun con estas precauciones, la tendencia natural hacia la formación de biopelículas superficiales en corrientes fluyentes de nutrientes puede evitar períodos de inyección bastante largos45.Se h~ansugerido varias estrategias para minimizar estos problemas de taponamiento. Estas incluyen el uso de esporas, bacterias individuales pequeñas y dispersas, y varios agentes químicos que puedan condicionar a la roca o a las células
ai
reducir el
M a ~ Teórlco o
aglutinamiento. Los períodos de inyección cortos, las bajas concentrac;iones en la suspensión bacteriana y las altas permeabilidades en la roca son fiactores que pueden mitigar el taponamiento microbiano en la cara de la formación. Una vez que las bacterias son introducidas en la forma~ción deben dispersarse a través de la matriz de la roca hacia la localización deseada para llevar a cabo el proceso MEOR. Esto envuelve el movimiento de la suspensióii bacteriana a través de la roca, presumiblemente en la fase acuosa. La distribucióri de tamaño de los poros de la roca irripone limitaciones absolutas en el proceso da dispersión. Los procesos de taponamiento y exclusión ocurrirán en aquellos sitios donde el tamaño de las gargantas porales sea similar al tamaño de las partículas inyectadas. Es por esta razón que los yacimientos con porosidades menores a 100 mi3 se consideran inadecuados para procesos MEOR46. Las suspensiones bacterianas acuosas se moverán preferencialmente dentro de las zonas que tengan una alta permeabilidad al agua. La pernieabilidad al agua depende de la distribución de las fases presentes en el yacimiento así como de la permeabilidad absoluta de la formación productora, debido a que tanto una fase de crudo como una fase acuosa y hasta una fase de gas pueden compartir el espacio poroso de la roca. Y para cornplicar más el escenario en el subsuelo, por lo general todos los yacimientos son bastante heterogéneos. Los yac:imientos de areniscas no consolidadas pueden estar estratificados presentando una variación considerable en la distribución vertical de permeabilidades. En contraste, los yacimientos de calizas usualmente presentan fracturas y tienen sistemas interconectados de cavidades, que en inglés se denominan vugs. Por tanto, el problema que involucra la determinación del destino final de las bacterias no es nada trivial.
M(KEOTe6rlco P
En cualquier aplicación MEOR que requiera de la actividad bacteriana en la profundidad del yacimiento se deben conocer las tasas relativas de desplazamiento y retención para los componentes esenciales del sisterria biológico, con el fin de asegurar que todos los componentes necesarios alcancen (el sitio de la aplicación en cantidad suficiente y al mismo tiempo. Obviamente, las bacterias en si son el componente esencial del sistema MEOR. Como se mencionó anteriormente, pueden ocurrir serios problemas de retención de bacterias en la cara de la formación, pero más internamente en el yacimiento tambien suceder fenómenos de adsorción de células o esporas sobre las superficies minerales debido a inecanismos tales como la interacción de carga y descarga eléctrica. Las bacterias pueden seguir a los nutrientes que hayan sido inyectados gracias a su crecimiento difusional y a su motilidad activa, sin embargo, el mecanismo que gobierna la penetración de las bacterias en el yacirriiento es su motilidad. Las especies mótiles penetran en el yacimiento hasta diez veces más rápido que las especies no mótiles6'. Es evidente que la dispersión de los sistemas bacterianos puede ocurrir sobre áreas extensas en el yacimiento apropiado, como lo demuestran los datos de pruebas de campo realizadas en las últimas Ires décadas compilados por Hitzmanlo.
2.10. IIUTEMCCI~M DE bAS BACTERIAS CON EL YACIMIENTO
La existencia de bacterias indígenas en los yacirriientos petrolíferos ha sido un punto de discusión por muchos añosg. En efecto, las operaciones de perforación, completación e inyección de pozos llevadas a cabo normalmente, durante el desarrollo de un campo petrolero introducen bacterias dentro del yacimiento. En términos de MEOR, la consideración principal es que las bacterias probablemente ya están presentes en el subsuelo en la mayoría de las locaciones y
Marco T&&o
son más abundantes en las mismas zonas donde es más probable aplicar un sistema MEOR. Esto implica que los microorganismos inyectados pueden enfrentar una competencia directa por los nutrientes y que subsecuentemente pl~edeocurrir una modificación de los metabolitos producidos por el sistema MEOR. Las bacterias sulfato-reductoras son responsables de los problemas de corrosión pozo abajo y del agruramiento de los yacimientos en muchos campos petroleros. Cuando los residuos de una aplicación MEOR proveen de nutrientes al metabolismo de las sulfato-reductoras, una irrupción en el crecimiento de estos microorganismos podría eclipsar el valor de una operación MEOR exitosa debido al aumento de la producción de H,S y, por tanto, al aumento de la corrosióii en el pozo y en las instalaciones de producción. Al planificar una operación MEOR se debe asumir la presencia de otras bacterias competidoras y se deben tomar las precauciones para asegurar la proliferación selectiva de los microorganismos deseados. Donde exista la presencia de las bacterias sulfato-reductoras, las fermentaciones se deben diseñar para minimizar la oportunidad de crecimiento secundario de las mismas.
2.1 1. METABOLISMO BACTERIANO EN EL YACIMIENTO
Las bacterias son capaces de producir un conjunto de metabolitos que pueden mejorar la recuperación de crudo de un yacimiento susceptible para ello. Los productos potencialmente útiles del metabolismo microbianos en los sistemas de MEOR se pueden clasificar en cinco categorías generales: polímeros, surfactantes, solventes, biomasa, ácidos orgánicos y gases. La selección de un sis1:ema WlEOR dependerá de los problemas de producción y del potencial del yacimiento seleccionado.
-
M a m Tdrko
Una gran limitación para la producción de petróleo mediante el barrido del yacimiento con agua es la poca correspondencia entre las movilidades del agua y del petróleo. En el subsuelo, el agua es más móvil que el petróleo y tienide a formar canales a través del crudo más que a desplazarlo. Se puede mejorar significativamente la eficiencia de barrido en este proceso mediante la adición de agentes viscosificantes a la fase acuosa. Estos incluyen polímeros biológicos solubles en agua tales como el xantano o el escleroglucano. Aunque las tecnologías de recuperación actuales inyectan soluciones preparadas de estos biopolímeros desde la superficie, tales agentes podrían producirse in situ. La biomasa y los polímeros insolubles han sido calificados como agentes de taponamiento selectivo para zonas de alta permeabilidad6'. En este caso se obtiene un aumento en la eficiencia de barrido al mejorar la homogleneidad del yacimiento. Durante la inyección, el sistema MEOR entra preferencialrriente en las zonas de alta permeabilidad donde la producción de biomasa y t~iopolímeros causará subsecuentemente un taponamiento desproporcionado. Debidlo a que las zonas de alta permeabilidad serán las más afectadas, las permeabilidades finales en el yacimiento estarán más cercanas. Este esquema podría ser utilizado para preacondicionar el yacimiento para alguna otra tecnología de prodlucción que desplace efectivamente al petróleo. Los ácidos orgánicos producidos por fermentación disuelven con facilidad los carbonatos y pueden incrementar localmente la permeabilidad en uri yacimiento de calizas. Los gases de fermentación pueden represurizar pozos y conducirlos hacia la producción y el desplazamiento de petróleo al revitalizar el mecanismo de empuje por gas. Este mecanismo de empuje es mas efectivo en el desp1ai:amiento de crudos convencionales livianos y medianos. Aunque la disolución del dióxido de
M a m Tebrlco
carbono puede causar una expansión y una disminución de viscosidad en crudos pesados, el límite práctico para la cantidad de CO, que puede producirse in situ a partir de nutrientes inyectados probablemente excluye a este método de la producción a gran escala en yacimientos de crudos pesados. La producción de biosurfactantes y solventes puede facilitar la liberación y el transporte del petróleo. A escala de laboratorio se ha demostrado qiie utilizando biosurfactantes se puede aumentar la liberación del petróleo47.Debido a los grandes volúmenes y áreas involucradas en un yacimiento, la acción de estos agentes tensoactivos puede limitarse a la región cercana al pozo. Esta zona es ciritica para el desempeño del pozo y aún los efectos locales que remueven daños de formación o que
afectan
la
relación agua-petróleo
en
esta
región,
pueden
influir
significativamente en la producción posterior.
2.12. DPERIENCIAS DE CAMPO EN R E C U P E C ~ ~ C I MEJOFMDA ~N CON NIICWBORGANISMBS
En Holanda, en 1958, Von Heningen8 reportó resultados de? dos pozos estimulados con bacterias. No fueron publicados el año ni la localización de los pozos. En uno de ellos utilizaron bacterias del género Betacoccus dextri3nicus en un medio de sacarosa-melaza con un contenido total de azúcar del 1O%, ot~teniendoun incremento del 30% en la recuperación. En el otro utilizaron una mezcla de cultivos formando una especie de lodo en un medio con 50% de melaza. La relación de producción de agua-petróleo fue mejorada de 50 a 20. En Hungría, entre 1965 y 1972, se realizó un trabajo a pequeiia escala. La técnica estándar fue la de inyectar el yacimiento con una mezcla de bacterias del género Pseudomonas, Clostridium y Desulfovibrio que fueron adaptaldas para tal
M a m Teórico
propósito. Primero se inyectaron los nutrientes y luego el cultivo de bacterias. En los estudios posteriores se observó que el crecimiento de la fora bacteriana del yacimiento fue estimulado por la adición de bacterias obtenidas de otras fuentes, tales como Iodos del fondo del pozo.
Esto se interpretó como que la bacteria
añadida metabolizaba los nutrientes a productos que podían ser usados como nutrientes por microorganismos endógen~s~'-~~. En Polonia, entre 1961 y 1971, K a r a s k i e w i ~ z realizó ~ ~ ~ ~ ' experiencias en 20 pozos de yacimientos arenosos sometidos a tratamientos microbiaiios. Obtuvo sus especies bacterianas del crudo, agua de formación y residuos industriales, particularmente de la refinación del azúcar. El procedimiento típico consistió en inyectar el cultivo de la mezcla bacteriana con los nutrientes (melaza) y agua de la formación productora desde un punto de inyección. Se observó que las bacterias aparecían a gran distancia en el pozo productor. Karaskiewicz concluyó que los métodos microbianos son económicos, fáciles de aplicar, requieren (un pequeño equipo especial y no destruyen el yacimiento. También encontró que la intensidad de la actividad microbiana en el yacimiento está influenciada por la composición química de sus propiedades petrofisicas y un número de factores biológiicos, siendo los más importantes la mineralización del agua de formación, la confialbilidad en la nutrición bacteriana y la temperatura. En Hungría, en 1963, Jaranyim utilizó una mezcla de bacterias anaeróbicas y termófilas que fermentaban melazas en un campo de crudos nafténicos. Los pozos tratados más profundos fueron de 2500 m (8200 pies). Se observaron resultados positivos en 7 de 10 yacimientos que fueron tratados, sin embargo el incremento especifico de producción no fue reportado. En
Estados
Unidos,
entre
1977
y
1981,
J ~ h n s o n ~inoculó ~
aproximadamente 150 pozos marginales (pozos con una producción promedio de 2
-
M e m Te6rlco
barrilesldía), empleando una mezcla de Bacillus y Clostridium. Los yacimientos fueron de rocas carbonatadas en un intervalo de profundidad entre 60 y 300 m (200 a 1000 pies) con una porosidad de 10 a 30%. Luego de inyectar el inoculo, los pozos se cerraron por un período de 10 a 14 días y luego se abrieron a producción nuevamente. La producción se incrementó de 20 a 30% para un crudo (le gravedad API entre 15 y 30°, y un agua de formación con 100000 ppm de sales. En 1983, Hit~rnan'~ reportó que la Petrogen Inc. utilizó el método Johnson en 24 pozos con profundidades entre 90 y 1500 m (300 a 4600 pies). Las tasas de producción de cuatro de los pozos se duplicó en un periodo de 6 meses y 12 de ellos mostraron que la producción se incrementó en un 50% en 3 meses. En Estados Unidos, en 1986, se inició un proyecto de recuperación mejorada con bacterias en el campo Mink Uriit, O k l a h ~ m a ~ Esto ~ . se hizo con el propósito de determinar si la inyección de una formulación microbiana podía incrementar la producción en un proyecto activo de inyección de agua iniciado en 1935. Se escogió un área de 2 hectáreas (5 acres) en un arreglo de 5 pozos invertidos (4 inyectores en los vértices de un cuadrilátero y un productor en el centro). Los análisis de las muestras de fluidos producidos permitieron identificar factores que influyen en el diseño de una aplicación microbiana, como la compatibilidad de los microorganismos con las condiciones del yaciiniento y el patrón de flujo en el medio poroso. Los resultados preliminares obtenidos fueron los siguientes: e
La inyección de microorganismos y melaza mejoró la tasa de
producción en un 13%. La inyección de microorganismos y melaza disminuyó la relación aguapetróleo en todos los pozos hasta en un 35%.
T&~co
a
Las evidencias indicaron que los microorganismos fueron capaces de
diseminarse por todo el yacimiento hasta el pozo productor. No se observó ningún efecto adverso luego de la aplicación de los microorganismos. Las siguientes experiencias fueron expuestas en ¡a Quinta Conferencia Internacional sobre Recuperación Mejorada de Crudo con Microorganismos, celebrada en los Estados Unidos en septiembre de 1995". El grupo BDM Oklahoma inyectó una fórmula bacteriana aislcida por ellos junto con melaza en una prueba piloto para la producción de surfactarites, en una extensión de 8 hectáreas (20 acres). Los resultados demostraron que la inyección del inoculo junto con melaza incrementó la producción de crudo en un 13%. Se realizó una prueba en una extensión mayor (160 hectáreas) en 1990 para evaluar la factibilidad de llevar a cabo el proceso a escala comercial. El inoculo se inyectó solo una vez, pero se siguió añadiendo los nutrientes cada cierto tiempo. Se inyectaron 19 pozos inyectores y se moriitorearon 47 productores. La produccidn de cruda había aumentado en un 20% para 1993. El grupo Ali Russian Oil and Gas lnstitute estuvo realizando pruebas de campo utilizando una técnica que denominaron desplazamiento nutriltivo, que se basa en inyectar desechos industriales y fuentes de nitrógeno, fósforo y potasio en el yacimiento para estimular a las bacterias endógenas. Durante el verano de 1993 se inyectaron 272.5 toneladas de desechos industriales y en 1994 se inyectaron 4561 toneladas más. Se observó el efecto positivo de la primera inyeccii~na los dos meses, con un pico de producción a los siete meses. Este grupo recomendó el monitoreo del contenido de nitrato, sulfato, fosfato y bicarbonato durante las pruebas con microorganismos.
Marro T&rlco
El grupo Russian Academy of Sciences desarrolló un método biológico y Rsicoquimico para yacimientos con temperaturas entre 45 y 90 "C. Consiste en la inyección de bacterias exógenas junto con nutrientes para las bacterias endógenas, de manera que se estimulan ambos tipos. A escala de laboratorio, se ha recuperado entre un 17 y 20% de crudo adicional por este método. El grupo alemán Wagner inyectó a escala de campo un inoculo de Clostridium tyrobutyricum junto con melaza al 6%. La inyección de mellaza permite
que esta bacteria produzca metabolitos tales como ácidos orgánicos, alcoholes y gases, que luego son utilizados por las bacterias metanogénicas p'ara generar metano. Los resultados obtenidos fueron los siguientes: e
Reducción de un 20% en el corte de agua. Aumento de la relación gas-petróleo.
e
Incrementos de 50% a 65% en la tasa de producción.
a
Liberación de crudo de rocas carbonatadas.
2.13. EXPERIENCIAS D n A B O M fORlO EN RECUPERACI~NMEJOWDA CON
MICWBORGANISMOS
Bryant y D ~ u g l a shan ~ ~ estado - ~ ~ trabajando con especies de Bacillus y Clostridium. En sus investigaciones han propuesto la realización de diseños y
pruebas de formulaciones microbianas en el laboratorio, utilizando núclr:os y fluidos del yacimiento en cuestión, previamente a la aplicación de un proyecto de campo. Demostraron que algunos microorganismos que crecen en perfecta armonía en
Marco Te6rico
condiciones de laboratorio, no movilizan crudo cuando se emplean en estudios en medio poroso. k ~ ~ el taponamientc, por células En la Universidad de Calgary, C ~ s a estudió de bacterias vivas y muertas del género del género Pseudomonas en pozos de inyección. Concluyeron que estas especies producen taponamiento a pesar de que las células bacterianas son muy pequeñas en comparación con el tamaño de los poros, disminuyendo la permeabilidad en un 1% debido al crecimiento bacteriano. propusieron ~~ un método para la selección de cultivos Shennan y V a n ~ e para la movilización de crudo por mecanismos microbianos, utilizando empaques y núcleos ensamblados en un diseño similar al usado en el estudio cle cualquier químico en EOR. Por este método se evaluaron diversos cultivos cle bacterias anaeróbicas termófilas. En la Uriiversidad de Southern California, Yen5' realizó investigaciones acerca del estudio del transporte de bacterias en medios porosos. Demostró que las esporas y nutrientes penetran más profundamente en las formaciones de menor permeabilidad, obteniendo la predicción de velocidades de deposición basadas en propiedades conocidas de la roca y de las células. Tambikn modificó bioquímicamente las propiedades superficiales de la roca y de las bacterias para facilitar el transporte de fluidos. Además de esto, recuperó cerca del 40% del petróleo residual en pruebas preliminares en recuperación mejorada a escala de laboratorio. Finalmente, demostró que los biosurfactantes producidos aeróbicamente por Bacillus subtilis y que los solventes y ácidos producidos anaeróbitxmente por Clostriium aceptbertylium resultaron ser muy efectivos en el despla;zamiento de
crudo remanente después de la recuperación secundaria mediante inyección de agua.
Marco T&rlco
En la Universidad de Oklahoma, Kianipey y DonaldsonGO hcin llevado a cabo investigaciones con el fin de estudiar los mecanismos de despla;zamiento de crudo en las interfases petróleo-agua-arena, mediante observaciones microscópicas y cambios de presión capilar. Inyectaron tres géneros de bacterias en celdas de flujo humectadas por crudo y en celdas humectadas por agua, y examinaron la histéresis completa en la presión capilar antes y después de la inyección de bacterias. Las medidas de presión capilar mostraron que la saturación de crudo residual disminuyó de 24% a 9% y además observaron cambios en la humectabilidad de la roca originando sistemas humectados por agua. La recuperación se incrementó debido a la producción de biogas y otros metabolitos. El crecimiento microhiano ín situ movilizó el crudo residual por mecanismos de emulsificación de crudo, inversión de humectabilidad y presurización, entre otros. También en la Universidad de California, ~enneman~',estudió los fenómenos de transporte y taponamiento relacionados con los microo~ganismosen núcleos de berea. En sus investigaciones observó que los nutrientes esc?ncialespara el
crecimiento
bacteriano
pueden ser
transportados
en
concentraciones
suficientemente altas, que aseguren una buena producción de bioma~;a,y que losl nutrientes y las células son transportados selectivamente hacia zonas de alta permeabilidad. Yen demostró que las esporas de las bacterias pueden ser inyectadas sir! problemas de adsorción y pudiendo penetrar profundamente dentro del yacimiento, Jenneman demostró que la mayoría de los nutrientes (nitrógeno, glucosa, fosfatos) pueden ser inyectados igualmente sin muchos problemas. Por lo tanto, es posiblc! inyectar las esporas y
luego hacerlas germinar cuando se
encuentren
profundamente dentro del yacimiento inyectando posteriormente los nutrientes.
En 1990, Chase, Bryant, Bertus y Stepps2 utilizaron cepas de Bacillus licheniformis en pruebas de desplazamiento en núcleos de arena, realizando un desplazamiento previo con solución de bicarbonato de sodio antes de la inyección de microorganismos. Los resultados indicaron un 26% de recuperación de petróleo residual con respecto a un experimento control donde no se realizó desplazamiento previo con solución de bicarbonato de sodio. En 1991, Thomas y Duva1Is3 utilizaron nuevamente cepas de Bacillus licheniformis en pruebas de desplazamiento en núcleos de arena. Re'alizaron dos tipos de desplazamientos, uno donde se utilizó el medio con los metabolitos bacterianos libre de células y otro donde se estaban presentes dichas células. Los porcentajes de recuperación fueron similares en ambos casos, variando de un 10% a un 13% de recuperación de crudo residual. En el Centro de Microbiología y Biología Celular del Instituto Venezolana de Investigaciones CientCFicas (IVIC), Rocha, San Blas y San Blas" trabajaron en el aislamiento de microorganismos productores de biosuríactantes, utilizanido cepas de Pseucdomona aeruginosa. Lograron demostrar la capacidad emulsificante y tensoactiva del biosuríactante producido por dichas bacterias. A1 re!;pecto estos investigadores afirmaron que "los surfactantes son excretados el medio de cultivo y no permanecen asociados a la superficie de las bacterias. Estas por sí solas carecer] de capacidad biosuríactante, como lo demuestra el hecho de que la adición de células o medios suplementados con gasoil no produce ningún efecto emulsificant~! en la mezcla. Es sólo cuando las células excretan metabolitos al rriedio que sé! observa un aumento progresivo en la liberación de biosuríactantes". En el Instituto Tecnológico Venezolano del Petróleo (INTEVEIP), en 1992, Sánchez, Marín, Trebbau y P a f 5realizaron pruebas de desplazamieniro en núcleo!s de arena bajo condiciones ideales, utilizando cepas de Pseudomona y Enterobacter:
Mamo Tdrlco
El crecimiento de las bacterias se llevó a cabo dentro del núcleo bajo condiciones anaeróbicas. Debido a esto sólo se desarrolló la cepa Enterobacter, ya que la cepa Pseudomona es estrictamente aeróbica. La recuperación adicional alcanzó un 10% del petróleo residual obtenido después de desplazar el núcleo con agua. En 1993, Vierma, Sánchez y Manriques aislaron bacterias productoras (le agentes tensoactivos de los tipos Pseudomona fluorecens y Pseudomona aeruginosa, logrando extraer y caracterizar los agentes tensoactivos. Los mismos lograron reducir la tensión superficial en un 36%. Experimentalmente, obtuvieron emulsiones estables con crudos y comprobaron la termoestabilidad del biosurfactantes producido por la aeruginosa. En 1994, Zirit, Trebbau y Marín6' realizaron estudios en medios porosos artificiales (núcleos de berea) de los microorganismos aislados del Campo Guara en San Tomé, y obtuvieron una recuperación de 10% de crudo residual con respecto a la saturación residual de petróleo y de 5% con respecto al petróleo original en sitio. Esta recuperación fue atribuida a la produccitjn de gases dentro del medio poroso, que contribuyó al desplazamiento del crudo atrapado en los mismos. También en 1994, Zirit, Sánchez, Perdomo y Marin6' evaluaron la producción del biosurfactante producido por la Pseudomona fluorescens variando las fuentes de carbono, siendo la glucosa la que produjo mejores resultados en cuanto a la cantidad y calidad del surfactante producido. Las pruebas de desplazamiento en núcleos de arena y berea indicaron que el caldo de cultivo fermentado logró recuperar 10% y 12% en cada caso con respecto al petróleo original en sitio, y 19% y 21% en cada caso con respecto a la saturación residual de petróleo. La salinidad y temperatura no afectaron la capacidad tensoactiva del biosurfactante al inenos hasta una concentración de 50000 ppm y 60°C, respectivamente.
Merco Teódco
2.14. ESTIMULACI~NDE POZOS CON MlCRQQRGANlSMQS EN LA \UNIDAD DE EXPLOTACI~NT ~ A JUANA M G O
Las bacterias utilizadas para la estimulación de pozos en esta unidad de explotación han sido suministradas por las empresas Microbac International Inc. , Atech (Advanced Technologies C.A.), y
World Oil Asistencia Técn~ica; que se
dedican a desarrollar formulaciones microbiológicas con la finalidad de ofrecer soluciones biotecnológicas para la indi~striapetrolera, principalmente en las áreas de biorremediación y recuperación mejorada de crudo. Estas empresas prestan sus servicios a escala nacional a través de sus respectivas compañías localrss, Microbac de Venezuela C.A. , Advanced Technologies C.A. y World Oil Asistencia 'Técnica Microbac de Venezuela tiene en el mercado varias líneas de productos microbiológicos, pero las operaciones dg esta unidad de explotación sólo se han utilizado los productos Para-Bac PlusTMy Corroso-BacTM.El producto Para-Bac Plus (PBS+) permite controlar la deposición de parafinas debido a la acción de los bioproductos generados por las cepas bacterianas que lo componen. De igual manera, el producto Corroso-Bac (CB) puede inhibir la corrosión y la formación de precipitados inorgánicos al mismo tiempo que contribuye a controlar la dieposición de parafinas. Estos productos son suministrados en tambores de 208 litros (55galones) de capacidad que contienen las bacterias, los nutrientes o~gaiiicos y un biocatalizador. La concentración de bacterias en estos productos está en el rango bacterias por mililitro. comprendido entre 10e-lO1O
M m m Teeffco
Tabla 4. Productos de Microbac utilizados en la U.E. Tía Juana Lago.
PBS+
C 16-C45
CB
C16-C50
Acidos
Grasos,
Alcoholes,
Gases y Surfactantes Inhibidores de Corrosión, Gases y Surfactantes
Advanced Technologies, por su parte, tiene en el mercaclo un Único bioproducto que contiene las bacterias latentes en forma de polvo en c:onjunto con sus nutrientes y un biocatalizador. Este producto permite controlar la deposición de parafinas, la formación de precipitados inorgánicos y la corrosión. Es suministrado en sacos y la concentración de microorganismos en el misirno es de aproximadamente 10" bacterias por gramo. World Oil Asistencia Técnica, tiene en el mercado dos bioproductos que contienen las bacterias latentes en forma de polvo en conjunto con sus nutrientes y un biocatalizador. Uno de estos bioproducto, llamado BAC-Gel permite degradar el polimero gelificado, logrando disminuir la viscocidad deéste dentro del yacimiento, mejorando la capacidad del flujo hacia el contorno del pozo. El otro bioproducto permite controlar la deposición de parafinas, la formación de precipitados inorgánicos y la corrosión. Es suministrado en sacos y la concentración de microorganismos en el mismo es de aproximadamente 10" bacterias por gramo
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Mamo Tdrico
2.14.2. BESCRIPCI~NDEL PROCESO DE INVECCIÓN DE MICROORCiANISMQS
El proceso de inyección de microorganismos para la estirnulación de pozos productores de petróleo está compuesto por cuatro etapas. Inicialmente se ejecutan las etapas de selección y preparación de los pozos para la inyección de los microorganismos; a continuación se lleva a cabo la etapa de inyección cle la mezcla de microbiana (microorganismos, nutrientes y catalizadores); seguida finalmente por la etapa de evaluación de los resultados de la estimulación. Estasl etapas se describen a continuación.
2.14.2.1. SELCCIQN DE POZOS PARA LA ESTIMULACIÓN
El análisis de los resultados de múltiples experiencias de campo en recuperación mejorada de crudo con microorganismos han revelado que existen ciertos parámetros que pueden garantizar aplicaciones exitosas de esta l:ecnología. En la Tabla 5 se muestran las características generales de un pozo para ser candidato potencial a estimulación con microorganismos. Esta infcrmación fue recolectada de una base de datos de 3000 pozos estimulados en los Estados Unidos y de datos obtenidos de las estimulaciones realizadas en Venezuela en más de 50 pozos. Los criterios de selección que se muestran agrupan las características de los pozos que ofrecieron mejores resultados, sin embargo, el cumplimiento de los mismos no siempre garantiza una respuesta favorable a la estimulac;ión. Existen pozos con comportamientos que no se corresponden con los esperados y que surgen debido a particularidades relacionadas directamente tanto con la geología como con la litologia de los yacimientos donde se encuentran los misrrios. Por esto existen pozos que reaccionan diferentemente en comparación con otros, aún cuandc compartan características similares.
Mamo T&dm A
Tabla 5. Selección de Pozos Candidatos a Estimulación con Microo~rganismos
1 No existen limitantes para el tipo de yacimiento. Se Litología del Yacimiento
Porosidad
han obtenido buenos resultados en yacimientos tanto de areniscas como de calizas naturalmente
Mayor al 10 O h con un rango óptimo de 20 a 30%. Se recomiendan permeabilidades mayores de 100
Permeabilidad
milidarcys (mD). A mayor permeabilidad mayor incremento en la producción y mayor será el área de desplazamiento de los microorganismos.
Gravedad API del crudo
1
Temperatura
Se recomienda su aplicación en crudos; medianos de 20 a 27 O API con alto contenido de saiturados. Se
recomienda
un
máximo
120
"C
para
microorganismos no termotolerantes. No es limitante. Sin embargo Se recomiendan
Presión
pozos con presiones mayores a 500 psi con gradientes superiores a 0.3 psilft.
l
Mioceno y Eoceno. Los pozos del mioceno han ofrecido mejores resultados por ser de arenas no Período Geológico
consolidadas
y
tener
mejores
pi.opiedades
petrofísicas. Se han estimulado pocos pozos del eoceno.
1 Potencial del Pozo Espesor
de
la
A mayor saturación residual de crudo mayor recobro. Se recomienda para ,S ,
> 30%.
arena A mayor espesor mayor recobro. Se recomiendan
productora
espesores de arena mayores a 6 m (20 ft:).
Producción de Agua
Mayor al 3% con un rango óptimo de 5 a (30%.
2.14.2.2.
PREPARAGI~N DE
LOS
BOZOS
PAM
LA
INVE(ZCIÓN DE
MICRBOWGANISMBS
La preparación de los pozos seleccionados consiste bálsicainente en la realización de dos actividades. En primer lugar, una verificación de fondo en los pozos para garantizar que no existen obstrucciones o taponamientos (que puedan obstaculizar la entrada del fluido microbiano hacia la formación; y en segundo lugar, el cierre de la producción en los mismos según las recorriendaciones correspondientes a los métodos de levantamiento utilizados.
En los pozos donde se utiliza el levantamiento artificial por gas, se recomienda cerrar el flujo de gas de inyección en el múltiple de gas respectivo, cerrar la Iínea de gas en el pozo, desahogar totalmente el espacio anular revestidortubería de producción y cerrar la válvula maestra del pozo. En los pozc~sdonde se utiliza el bombeo mecánico, se recomienda apagar el motor del balancíii y cerrar la línea de flujo luego de estabilizada la presión en el espacio anular. Es importante que cada pozo quede preparado con precisa antelación de manera que sea posible realizar la estimulación con el menor irripacto a la producción. Por una parte, la falta de antelación puede causar pérdidas de tiempo innecesarias a la unidad de bombeo encargada de la inyección de los microorganismos; por la otra, el exceso de antelación puede originar cliferimientos en la producción.
2.14.2.3. INVECCIÓN DE MlCRQORGANlSMOS EN LOS P O m S
La inyección de los microorganismos se realiza mediante una unidad de bombeo con capacidad suficiente para manejar los volúmenes de fluido microbiano requeridos por cada pozo durante el proceso de estimulación. Una vez situada la unidad de bombeo en el pozo, se deber1 conectar y probar las líneas de inyección con 21 MPa (3000 psi) de presión. A continuación se prepara la solución microbiana según las indicaciones de la empresa proveedora de los microorganismos. Finalmente, se procede a mezclar 'la solución polr espacio de una hora antes de inyectarla al pozo. La inyección se realiza a una tasa de 160-795 Um (1-5 bbllm), a una presión aproximada de 14 MPa (2000 psi) pero riunca mayor a 17 MPa (2500 psi), para evitar un posible fracturamiento de la formación debido a la alta presión del fluido de inyección. Dependiendo de la condición niecánica del
M a m Teódco
pozo esta inyección se realiza a través de la tubería de producción o del espacio anular. El volumen de solución a inyectar se calcula basándose en el espesor de la arena productora a tratar y en función del radio de penetración quie se desea alcanzar dentro de la misma. Siempre se estima invadir un radio mininio de 2-4 m (6-12 f t ) con la finalidad de remover daños de formación alrededor del fondo pozo. Para estimar el volumen de solución a inyectar se utiliza la siguiente ecuación empírica
donde V es el volumen de solución en barriles, h es el espesor de la arena productora en pies, r e s el radio de penetración en pies,
4 es la porosidad promedio
, es la saturación de agua en la arena productora. de la formación en pies y S
Usualmente se asume un valor aproximado de 0.7 para efectos de cálculo. La solución está compuesta por una cantidad determinada tlel producto microbiano (que contiene las bacterias, sus nutrientes y un catalizador) y un volumen de cloruro de potasio (KCI) disueltos en un volumen determinado de agua. En esta unidad de explotación todos los pozos son lacustres, así que el volurrien de agua utilizado se obtiene del Lago de Maracaibo. Esta agua se filtra y se mezcla con el cloruro de potasio hasta alcanzar una concentración de 1% en peso, con el fin de neutralizarla y evitar el hinchamiento de las arcillas al contacto con el agua dentro de la formación. Finalmente se agrega la cantidad del producto microbiano a utilizar la cual depende de la tasa de producción del pozo, de la presión en el imismo y del
Mamo T&rfco
radio de penetración esperado, porque el tiempo de permanencia de los microorganismos en la formación depende básicamente de estas variables. Después de la inyección el pozo debe permanecer cerrado por un período de 5 a 10 días para permitir la adaptación, reproducción y avance de los microorganismos dentro de la formación. Este período se denomina tiempo de cierre y también es una variable importante en el proceso de estimulación. Durante este lapso de tiempo los microorgariismos se adaptan a las condiciones del yacimiento y comienzan a sintetizar los bioproductos que contribuyen a recuperiar el crudo atrapado en los intersticios de la roca. Éstos también contribuyen a mejorar la movilidad del crudo con respecto al agua y a remover daños de formiación en el fondo-del pozo. Todos estos beneficios se traducen en un increrriento de la producción neta de petróleo.
2.14.2.4. EVALUAGIÓN DE LOS RESULTADOS DE LA ESTIMULACI~IN Cuando el período de cierre del pozo finaliza se debe proceder a la reapertura cuidadosa del mismo porque esta etapa del proceso es sumamente delicada y de su buena ejecución depende el comportamiento del pozo luego de la inyección de los microorganismos. La reactivación del pozo se realiza colocando un reductor de media pulgada en su línea de flujo antes de activar el sistema de levantamiento correspondiente (bombeo mecánico, inyección de gas, etc.). Esto se hace con la finalidad de aprovechar la represurización local generada por los microorganismos y también para evitar el arrastre prematuro de los mismos, que podría ocasionar pérdida de efectividad del tratamiento. Inmediatamente después de la reactivación se debe medir la presión en el cabezal y luego tomar una muestra dle los fluidos
producidos. Durante la primera semana de reactivación el pozo debe permanecer en período de prueba. Si durante este período la presión en el cabezal desciende a menos de 414 kPa (60 psi) o se comprueba que las presiones en el cabezal y en la línea de flujo son iguales se debe sacar el reductor; por el contrario, si le presión en el cabezal se mantiene por encima de 690 kPa (100 psi) el reductor se mantiene hasta que ésta sea ligeramente inferior a 100 psi. En este momento se debe cambiar el reductor por otro de una pulgada hasta que se cumpla una de las condiciones indicadas al inicio. Cabe destacar que después de cada cambio de reductor se debe tomar una muestra de los fluidos del pozo. Durante el primer mes de reaictivación se debe probar el pozo una vez por semana y luego una vez al mes. El rnuestreo se debe realizar una o dos veces por semana durante los primeros tres meses y luego una vez al mes. Ambas actividades se extienden hasta obtener un mínirrio de cuatro pruebas y cuatro muestras consistentes luego de la estabilización de la producción. En la figura 3 se muestra de manera esquemática el procedimiento de e\raluación de un pozo después de haber sido estimulado con microorganismo, La efectividad del tratamiento se determina en función a las variables de producción que se pueden monitorear mediante el análisis de las muestras tomadas del pozo. Principalmente, las variables estudiadas son la producción brut'a de fluidos, la producción neta de petróleo y la producción neta de agua. Los com~~ortamientos de cada una de ellas pueden variar notablemente y en función a los mismos se establece si la respuesta al tratamiento es efectiva. Los valores de referencia para cada variable se estiman en función a un análisis económico previo a la inyección del pozo. Según el mismo se establece la tolerancia en cuanto a la producción rriínima de petróleo y la producción máxima de agua durante un período dado (3-6 meses) para que la aplicación del tratamiento sea económicamente rentable.
Memo Peórlco
Figura 3 . Esquema de evaluación de pozos, despues de haber sido estimulado con bacterias.
l
bacterias Inyectar
Periodo de incubación (7 ó 10 días)
l
Durante 5 días: Diagnbstico de condiciones de L.A.G. Presiones manométricas Pruebas de producción Toma y anhlisis de muestras Talmar y consistentes
analizar
miiestras
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