MÉTODO Y DISPOSITIVO PARA DETERMINAR LA PRESIÓN )E INICIO DE PRECIPITACIÓN DE ASF LTENOS La presente invención se relaciona con las Patentes
Norteamericanas Mancomunadas Nos. 3,780,575 y 3,859,851 de Urbanosky, con las Patentes Norteamericanas Mancomunadas Nos.
4,860,581 y 4,936,139 de Zi mer an et al., con la Patente
Norteamericana Mancomunada No. 4,994,671 de Safinya et al., y con las Patentes Norteamericanas Mancomunadas Nos. 5,266,800 y 5,859,430 de Mullins. La invención se refiere también a la Solicitud Norteamericana mancomunada, copendiente, No. de serie 09/015,812, presentada el día 29 de Enero de 1598. CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere generalmente al registro de datos de una perforación para obtener datos para diseñar instalaciones V, de producción de pozos de petróleo y para evitar el taponamiento del pozo de petróleo. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Precipitación de asfáltenos Uno de los problemas que se encuentran en la producción de petróleo crudo es el taponamiento por asfáltenos de un pozo de petróleo. Los asfáltenos son componentes del petróleo crudo que se encuentran frecuentemente en suspensión coloidal en el fluido de la formación. Si por cualquier razón la suspensión coloidal se vuelve inestable, las partículas coloidales se precipitan, se adhieren entre ellas y tapan el pozo. La precipitación de asfáltenos durante la producción provoca problemas importantes. El taponamiento de tubería e instalaciones superficiales trastorna la producción e incrementa los costos. El taponamiento de la formación en si es muy difícil y costoso de revertir, especialmente en el caso de pozos en aguas profundas. Los asfáltenos pueden precipitarse a partir de petróleos crudos durante la producción del petróleo crudo debido a una baja de presión. Los petróleos crudos que son relativamente comprimibles presentan una susceptibilidad particular a este efecto puesto que la reducción de la constante dieléctrica por volumen unitario que acompaña la expansión del fluido provoca que la suspensión de asfáltenos se vuelva inestable. Los asf ltenos están coloidalmente suspendidos en petróleos crudos en micelas que tienen un diámetro de aproximadamente 5 nm. (ver "Asphaltenes, Fundamentáis and Applications," E.Y. Sheu, O.C. Mullins, Eds., Plenum Pub. Co . New York, NY, 1995) . Con una reducción de presión o con adición de hidrocarburos ligeros, la suspensión puede volverse inestable; las partículas de asfalteno coloidales se adhieren entre ellas y forman flóculos o bien se precipitan a partir de la solución. Para la producción de petróleo crudo es deseable conocer con precisión a que presión los asfáltenos forman flóculos (o bien se precipitan) , y en una formación dada con una temperatura dada. Esta presión se refiere como "presión de inicio de precipitación de asfáltenos". Se sabe que cuando los asfáltenos se precipitan inducen una difusión óptica significativa de la luz. Esto se debe al hecho que, antes de la floculación, los asfáltenos son mucho menores que una longitud de onda de luz y por consiguiente se encuentran en el límite de dispersión óptica de Rayleigh, proporcionando cortes transversales muy bajo. Cuando floculan, las partículas son grandes en comparación con una longitud de onda de luz, incrementando por consiguiente en gran medida la dispersión óptica. Predicción de precipitación de asfáltenos El inicio de la precipitación de asfáltenos es difícil de predecir. Cuando ocurre un taponamiento debido a asfáltenos, ocurre habitualmente de manera inesperada. Una advertencia anticipada de precipitación de asfáltenos con base en pruebas de laboratorio de muestra de fluido de formación no es confiable por numerosas razones comentadas a continuación. Se sabe detectar la precipitación de asfáltenos en el laboratorio mediante la medición de la transmisión óptica a través de una muestra de petróleo crudo en función de la presión. Se prefiere una luz casi infrarroja puesto que la atenuación óptica provocada por la absorción es menor. La precipitación de asfáltenos es detectada como una reducción fuerte de la luz transmitida. Es necesaria una agitación para mantener los flóculos suspendidos, de otra forma la dispersión incrementada es pasajera. Los productores de petróleo utilizan actualmente este método para probar si es probable que el taponamiento por asfáltenos se vuelva un problema mediante la obtención de- una muestra de fondo de perforación y efectuando análisis de laboratorio. Los sistemas de laboratorio diseñados para detectar el taponamiento por asfáltenos utilizan típicamente un tubo indicador con monitoreo de transmisión de luz (o bien láser) . La transmisión óptica de una muestra de petróleo crudo es determinada a la presión de yacimiento (y temperatura de yacimiento) . La presión de la muestra es después reducida. La precipitación de asfáltenos es acompañada por un gran incremento de la fuerza de dispersión de luz de la muestra. Los asfáltenos suspendidos en el petróleo crudo se encuentran en micelas de aproximadamente 5 nm de diámetro. (ver "Asphaltenes, Fundamentáis and Applications" de conformidad con lo indicado arriba) . Así la interacción de la luz con las partículas de asfáltenos se encuentra dentro del límite de Rayleigh. La razón Rs de la sección transversal de Rayleigh dividida por el tamaño geométrico es (D/?) 4 en donde ? es la longitud de onda de la luz (aproximadamente 500 nm) . Rs = 1/6 (Dk)4 [ (e-l)/(e+2) ]2 Ecuación (1) en donde K = 2p/? y e es la razón de las constantes dieléctricas para fases discretas y continua. Al efectuarse la floculación, los agregados tienen un mayor tamaño que la longitud de onda de la luz, de tal manera que la sección transversal es geométrica. En el caso de agregados básicos de una tamaño de 1 miera (que se unen después con una dimensión fractal probablemente en el régimen limitado de difusión) el incremento de la sección transversal de dispersión por masa unitaria de asfalteno es aproximadamente un factor de 104. (Ver J. Phys. Chem, 99, 9576 (1995), M.A. Anisimov, I.K. Yudin, V. Nikitin, G. Nikolaenko, A. Chernoutsan, H. Toulhoat, D. Frot, Y. Briolant) . Aun cuando sistemas de laboratorio de este tipo se encuentran en uso general, la predicción de la presión de inicio de precipitación de asfáltenos con base en la recuperación de una muestra de fondo de perforación seguido por prueba de laboratorio no ofrece un método confiable para evitar el taponamiento por asfáltenos de un pozo de petróleo. Objetos de la invención Los inventores reconocieron los varios problemas que contribuyen a la falta de confiabilidad cuando se trata de predecir la presión de inicio de precipitación de asfáltenos mediante el empleo del enfoque de pruebas de laboratorio: (1) es necesario mantener presión sobre la muestra puesto que una presión baja puede provocar la precipitación de asfáltenos, un proceso irreversible a escalas razonables de tiempo. (2) la transferencia de muestra para análisis puede proporcionar un petróleo crudo sin asfáltenos que no es representativo del fluido de la formación cuando una pérdida no detectada de presión resulta en precipitación de asfalteno. (3) factores que no son asfalteno tales como arcilla, partículas finas de la formación y emulsiones pueden provocar una dispersión óptica que reduce la robusteza de la medición de la transmisión. (4) es necesario agitar la solución para mantener la dispersión y evitar el acercamiento de los sólidos. Esto reduce también la robusteza de la medición de la transmisión. Estas dificultades contribuyen a la falta de confiabílidad del método de laboratorio para predecir la presión de inicio de precipitación de asfáltenos. Por consiguiente, es un primer objeto de la presente invención ofrecer un método confiable para predecir la presión de inicio de precipitación de asfáltenos. Es un segundo objeto de la invención proporcionar un método para predecir la presión de inicio de precipitación de asfáltenos que no requiere de la recuperación de una muestra de fondo de perforación para análisis de laboratorio. Es un tercer objeto de la presente invención proporcionar un método para predecir la presión de inicio de precipitación de asfalteno que es sustancialmente independiente de otros factores que pueden provocar una dispersión óptica. COMPENDIO D? LA INVENCIÓN Una modalidad preferida del proceso para determinar la presión de inicio de precipitación de asfáltenos en fluido de formación, incluye los pasos de: (a) aislar una muestra de fluido de formación en una perforación; (b) iluminar la muestra con luz UV; (c) medir la energía óptica que emana de la muestra; (d) reducir la presión sobre la muestra; (e) repetir los pasos (b) a (d) ; y (f) establecer la presión de inicio de precipitación de asfáltenos igual a la presión sobre la muestra cuando se detecta un cambio abrupto de energía óptica. En una modalidad del proceso, el cambio abrupto es un cambio abrupto de valor de un parámetro que depende de la intensidad de la fluorescencia a una longitud de onda e intensidad de fluorescencia a otra longitud de onda, las dos longitudes de onda siendo aproximadamente 425 nm y 550 nm, respectivamente. En la modalidad preferida del proceso, el cambio abrupto es un valor calculado seleccionado a partir de un conjunto de valores calculados, cada uno de los cuales depende de la intensidad de por lo menos una de dichas varias longitudes de onda. En una modalidad alternativa del proceso, el cambio abrupto es un cambio es cuanto al espectro de fluorescencia. Otra modalidad alternativa del proceso incluye la iluminación de la muestra con luz y la medición de la intensidad de la luz transmitida. La modalidad preferida del aparato para determinar la presión de inicio de precipitación de asfalteno en fluido de formación incluye una línea de flujo para aceptar un flujo de fluido de formación. La línea de flujo incluye un dispositivo de aislamiento para aislar una muestra del fluido a partir de la presión de la formación, una región de celda óptica para análisis óptico de la muestra en el fondo de la perforación, y un pistón adaptado para disminuir la presión del fluido en la región de la celda óptica para incrementar el volumen de la muestra aislada, y un detector de presión para detectar la presión de la muestra aislada. La modalidad preferida incluye además un sistema óptico. El sistema óptica incluye un dispositivo para iluminar la muestra, y un detector para detectar la intensidad de la energía óptica que emana de la muestra aislada. La modalidad preferida incluye además un dispositivo de procesador para detectar un cambio abrupto de un valor derivado de por lo menos una intensidad medida. La modalidad preferida del aparato incluye además una lámpara UV, un detector de fluorescencia total para detectar la intensidad de fluorescencia total, un detector de fluorescencia de longitud de onda más corta para detectar la intensidad de fluorescencia a una longitud de onda más corta, y un detector de fluorescencia de longitud de onda más larga para detectar la intensidad de la fluorescencia a una longitud de onda más larga. Un aparato para fondo de perforación de una modalidad alternativa incluye una lámpara, un trayecto de transmisión óptica a través de la muestra, y un detector de transmisión óptica. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es una representación esquemática de una primera modalidad de la invención. La figura 2A es una gráfica que simula la determinación de la presión de inicio de precipitación de asfalteno con base en el cambio de la intensidad de la fluorescencia. La figura 2B es una gráfica que simula la determinación de la presión de inicio- de precipitación de asfalteno con base en el cambio en cuanto a la razón entre la intensidad de fluorescencia verde y la intensidad de fluorescencia total, que indica un desplazamiento hacia el azul del espectro de fluorescencia. La figura 3 presenta el espectro de fluorescencia de asfáltenos . La figura 4A ilustra el gran incremento de intensidad de fluorescencia después de la precipitación de asfáltenos. La figura 4B ilustra el gran cambio espectral hacia el azul después de precipitación de asfalteno. La figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra el proceso para determinar la presión de inicio de precipitación de asfáltenos con base en la intensidad de fluorescencia total.
La figura 6 es un diagrama de flujo que ilustra el proceso para determinar la presión de inicio de precipitación de asfáltenos en fluido en perforación con base en la razón entre la intensidad de fluorescencia a una primera longitud de onda y la suma de intensidades de fluorescencia en una primera y segunda longitudes de onda. La figura 7 es un diagrama de flujo que ilustra el proceso para determinar la presión de inicio de precipitación de asfáltenos en fluido en una perforación con base en la medición de la intensidad de la fluorescencia en varias frecuencias, el procesamiento de datos de intensidad por varios algoritmos para producir varias señales de salida y la selección de una señal de salida para determinar la presión de inicio de precipitación de asfáltenos. La figura 8A es una representación esquemática de una modalidad alternativa de la invención con base en transmisión de luz . La figura 8B muestra el cambio de transmisión óptica que indica la presión de precipitación de asfáltenos en una curva producida por la modalidad de la figura 8A. La figura 8C es un diagrama de flujo que ilustra el proceso para determinar la presión de inicio de precipitación de asfáltenos en un fluido en una perforación con base en la transmisión de luz, utilizando el aparato de la figura 8A. La figura 9 localiza el módulo de detección de presión de inicio de precipitación de asfáltenos en una herramienta de sistema de línea de cable de acero. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Generalidades Los inventores reconocieron que una determinación de la presión de inicio de precipitación de asfáltenos, con base en análisis óptico, sería significativamente más confiable si el análisis óptico se llevará a cabo en la perforación en vez de seguir la práctica habitual de tomar muestras de fluido de formación hacia la superficie para su análisis. Los inventores reconocieron además que esto podría efectuarse mediante el aislamiento de una muestra de fluido de formación en la perforación y reduciendo la presión sobre la muestra en la perforación mediante la definición de una cámara de aislamiento en una línea de flujo y expandiendo la cámara de aislamiento utilizando un pistón con el objeto de permitir un análisis óptico en la perforación en condiciones de reducción progresiva de la presión. Los inventores reconocieron además que la medición de la intensidad de fluorescencia estimulada por UV proporcionaría un método más robusto para determinar la presión de inicio de precipitación de asfáltenos que los métodos que se basan en la medición de transmisión óptica simple. Por consiguiente, en una modalidad preferida, la invención ofrece un proceso y aparato para determinar la presión de inicio de precipitación de asfáltenos en fluidos de formación en una perforación con base en la medición de la fluorescencia de cromóforos de malteno . Se sabe que la luz UV y la luz visible de longitud de onda corta pueden inducir una fluorescencia fuerte en petróleos crudos a partir de pequeñas moléculas que absorben la luz. Sin embargo, cuando los asfáltenos están dispersados coloidalmente, la difusión con colisión entre pequeñas moléculas que absorben la luz UV y los asfáltenos provoca una apagamiento por colisión, lo que reduce en gran medida la intensidad de la fluorescencia. Además, estas colisiones moleculares transfieren energía de excitación electrónica a partir de las pequeñas moléculas a los asfáltenos, proporcionando la fluorescencia muy roja de los asfáltenos. (ver "Structures and Dynamics of Asphaltenes" O.C. Mullins, E.Y. Sheu, Eds., Plenum Pub. Co. New York, NY, (1998)). Los inventores reconocieron que después de la precipitación de asfáltenos, las pequeñas moléculas no pueden estar en colisión con las moléculas de asfalteno porque están demasiado lejos; y que la presión de inicio de precipitación de asfáltenos puede ser determinada mediante la medición de la intensidad de la fluorescencia en una o varias longitudes de onda y la detección de un cambio ya sea de intensidad o bien de cambio espectral de intensidades a través del espectro de la fluorescencia. Los inventores reconocieron también que existen muy pocos otros factores que pueden provocar efectos comparables de tal manera que métodos de fluorescencia presentaran una probabilidad a ser más robustos que métodos de transmisión óptica de la técnica anterior. Reconocieron también que la fluorescencia no requiere de transmisión de luz a través de la muestra, que presenta problemas cuando se intenta medir la transmisión de la luz a través de petróleos crudos pesados . La presente invención por consiguiente, en una primera modalidad preferida, proporcionan un proceso y aparato para determinar la presión de inicio de precipitación de asfáltenos en fluido de formación en una perforación con base en la medición de la intensidad de fluorescencia de cromóforos de malteno. Medición de fluorescencia total La primera modalidad preferida del aparato de conformidad con la presente invención se ilustra en la figura 1. Está modalidad utiliza una medición de la fluorescencia total y una medición de la fluorescencia a dos longitudes de onda. La figura 1 muestra una muestra asilada 20 en una perforación la cual es capturada dentro de la línea de flujo 21. Una porción de la línea de flujo define una región de celda óptica 23. La línea de flujo incluye un pistón 25 para alterar el volumen efectivo de la muestra aislada en la perforación y un sensor de opresión 27 para medir la presión de la muestra aislada. La muestra 20 es iluminada por luz UV a partir de una lámpara UV 32 pasando a través de una línea 33 de iluminación de fibra óptica, grupo de fibras ópticas 34 y ventana 35. La fluorescencia de la muestra 20 que emana de la ventana 35 pasa a un detector de fluorescencia total 41 a través de grupo de fibras ópticas 34, línea de fibras ópticas 43 y filtro YUV 42. El filtro UV remueve el componente de luz de fuente UV y permite el pasaje de sustancialmente la totalidad de la fluorescencia. La fluorescencia proveniente de la muestra 20 pasa también a un detector 51 de longitud de onda más corta a través de un grupo de fibras ópticas 34, línea de fibras ópticas 53 y filtro 52. El filtro 52 es un filtro de pasa-banda que pasa un espectro angosto de luz alrededor de la longitud de onda S. La longitud de onda S en la modalidad preferida es de aproximadamente 425 nm (fluorescencia azul) . La fluorescencia proveniente de la muestra 20 pasa también a un detector 61 de longitud de onda más grande a través de un grupo de fibras ópticas 34, línea de fibras ópticas 63 y filtro 62. El filtro 62 es un filtro de pasa-banda que pasa un espectro angosto de luz alrededor de la longitud de onda
L. La longitud de onda L es mayor que la longitud de onda S y en la modalidad preferida es de aproximadamente 550 nm
(fluorescencia verde) . La figura 2a es una curva de intensidad simulada versus presión, que muestra cómo la intensidad de fluorescencia total (eje I) cambia abruptamente (en la línea A — A) cuando la presión, que disminuye de izquierda a derecha a lo largo del eje P, alcanza la presión de inicio de precipitación de asfáltenos. La presión de inicio de precipitación de asfáltenos es indicada por un incremento abrupto de la intensidad de fluorescencia en la línea A — A. La curva simulada de la figura 2A es derivada de las figuras 3 y 4A. La figura 3 muestra el espectro de fluorescencia de asfáltenos. La figura 4A ilustra el gran incremento de intensidad de fluorescencia a través del espectro después de la precipitación de asfáltenos. La figura 2B es una curva de la razón de fluorescencia simulada versus presión que muestra la razón entre la emisión fluorescente de longitud de onda corta (fluorescencia azul a longitud de onda S, 425 nm) y la emisión de fluorescencia de longitud de onda larga (fluorescencia verde en longitud de onda L 550 nm) que cambia abruptamente (en la línea B — B) cuando la presión, que disminuye de izquierda a derecha a lo largo del eje P, alcanza la presión de inicio de precipitación de asfáltenos. La presión de inicio de precipitación de asfáltenos es indicada por un desplazamiento azul espectral abrupto en la línea B — B. La curva simulada de la figura 2B es derivada de las figuras 3 y 4B. La figura 4A ilustra el gran desplazamiento azul espectral después de precipitación de asfáltenos. La figura 5 ilustra un primer proceso asociado con la modalidad de la figura 1. Este proceso se basa en el cambio de la intensidad de fluorescencia total después de la precipitación de asfáltenos, como se muestra en las figuras 2A y 4A. La figura 6 ilustra un segundo proceso asociado con la modalidad de la figura 1. Este proceso se basa en el desplazamiento azul espectral después de la precipitación de asfáltenos como se muestra en las figuras 2B y 4B. La figura 7 es un diagrama de flujo que ilustra el proceso para determinar la presión de inicio de precipitación de asfáltenos en un fluido en una perforación con base en la medición de la intensidad de fluorescencia en varias frecuencias, procesamiento de datos de intensidad por algoritmos múltiples y selección de una salida única con base en el cambio más importante para determinar . la presión de inicio de precipitación de asfáltenos. Un ejemplo de esta técnica es la medición de la fluorescencia en tres frecuencias (en vez de las dos frecuencias mostradas en la figura 1) ; tomar las frecuencias en pares para medir tres razones; seleccionar la razón que tiene el cambio mayor; y utilizar la razón seleccionada como un parámetro para determinar la presión de inicio de precipitación de asfáltenos. Mediante el empleo de más de tres frecuencias se pueden medir más de tres razones, así mismo, se pueden empelar algoritmos más complejos que una razón simple. Esta técnica permite la selección automática de la más robusta de varias mediciones de razones o varios algoritmos de calculo de parámetros, ampliando de esta forma en rango de tipo de perforaciones para los cuales el método puede ser efectivo. Medición de transmisión óptica Otra modalidad del aparato para determinar la presión de inicio de precipitación de asfáltenos en fluido de formación en una perforación utiliza la medición de transmisión óptica. Esta modalidad se muestra en la figura 8A. La figura 8A muestra una muestra 20 aislada en una perforación, capturada dentro de la línea de flujo 68, una porción de la cual define una región de celda óptica 69. La luz proveniente de una lámpara 70 es transmitida a través de la muestra 20 por medio de la ventana de entrada 71, ventana de salida 72 y conectores de fibra óptica 75 y 76. La luz que pasa a través de la muestra es detectada por un detector de luz 77. La figura 8B es una curva de transmisión óptica simulada versus presión que muestra cómo la transmisión óptica cambia abruptamente en la línea C — C cuando la presión, que disminuye de izquierda a derecha a lo largo del eje P, alcanza la presión de inicio de precipitación de asfáltenos.
La presión de inicio de precipitación de asfáltenos es indicada por una disminución abrupta de la transmisión óptica en la línea C -- C. La figura 8C ilustra el proceso asociado con la modalidad de la figura 8A. La figura 9 localiza el módulo de detección de presión de inicio de precipitación de asfáltenos en una herramienta de sistema de línea de cable. Una herramienta de línea de cable como se muestra en la figura 9 (pero sin el módulo de detector de inicio de precipitación de asfáltenos de la presente invención) , se comenta en la Patente Norteamericana No. 4,860,581, expedida el día 29 de Agosto de 1989 a Zimmerman et al.