15. la polaridad. una propiedad poco conocida de

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NOTA TÉCNICA Nº 15 – Versión 2
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LA POLARIDAD:
UNA PROPIEDAD POCO CONOCIDA DE LOS PETRÓLEOS CRUDOS
La polaridad es una propiedad específica de cada petróleo que resulta de la
acción combinada (Sinérgica) de todos sus componentes.
Algunas de las aplicaciones prácticas de esta propiedad son:
-
El estudio de la estabilidad de emulsiones.
-
El análisis de algunas de las causas de la pérdida de estabilidad de los
asfaltenos en los crudos.
-
El estudio de los fenómenos de interacción roca – fluidos (mojabilidad) en
recuperación secundaria y terciaria.
En esta nota técnica, revisamos el origen de la polaridad, su significado y algunas
aplicaciones de esta propiedad.
¿QUE ES LA POLARIDAD?
Es una propiedad específica de cada crudo que esta íntimamente asociada a su
composición química.
En los petróleos negros usualmente existen tres grupos diferenciados de compuestos:
a) Los compuestos polares: asfaltenos, porfirinas y resinas dentro de los
cuales los ácidos nafténicos, las piridinas y las quinolinas son los
compuestos de mayor polaridad.
b) Los compuestos polarizables: tiofenos, alquifenoles e hidrocarburos
aromáticos.
c) Los compuestos de polaridad nula: hidrocarburos saturados parafinicos.
Los fenómenos de superficie tales como la mojabilidad (interacción sólido liquido) son gobernados por una serie de fuerzas superficiales que dependen de las
fuerzas intermoleculares.
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Las fuerzas intermoleculares han sido clasificadas como:
1) No especificas (Keeson, Debye, London) usualmente conocidas como
Van der Waals.
2) Especificas o de unión hidrogeno.
La resultante de estas fuerzas intermoleculares son las fuerzas superficiales o de
carga eléctrica, pero, debido a que la evaluación de estas fuerzas es muy difícil en una
mezcla tan compleja como el petróleo se recurre a parámetros más generales tales como,
por ejemplo la polaridad para evaluar la resultante.
En sustancias puras también es difícil de definir su polaridad dada la complejidad
de sus interacciones moleculares, es por ello, que se infiere de propiedades físicas que si
se pueden medir: constante dialéctica, momento dipolar, índice de refracción por
ejemplo. También puede recurrirse al análisis por espectroscopia, al R.M.N. o a la
cromatografia en fase gaseosa (cromatografia inversa).
Aunque no existen correlaciones en general, los valores de polaridad se
incrementan con el contenido de asfáltenos, nitrógeno y azufre, con su gravedad
especifica y con su numero de acidez.
¿QUE IMPLICANCIAS TIENE LA POLARIDAD?
POLARIDAD Y EMULSIONES
La polaridad le asigna a los crudos ciertas conductas, en relación, por ejemplo con
las emulsiones, el grado de polaridad del crudo afecta a la facilidad de ruptura de la
emulsión:
-
Crudos no polares y de baja polaridad: no tienen afinidad con el agua, sus
emulsiones son fáciles de tratar.
-
Crudos de polaridad media: los problemas de emulsión se resuelven con las
tecnologías actuales.
-
Crudos de alta polaridad: requieren especial atención de tratamiento.
En emulsiones, el mecanismo de acción de los componentes polares parece ser la
formación de barreras mecánicas que previenen la coalescencia de las gotas de agua
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POLARIDAD Y MOJABILIDAD
Los hidrocarburos heterociclicos son los formados por tres o más átomos que se
unen para constituir un anillo cerrado (cíclico). Los átomos más frecuentes son:
nitrógeno, oxigeno, azufre y obviamente carbono.
Los compuestos heterociclicos constituyen la parte mas polar de los componentes
polares: asfaltenos y resinas.
La polaridad de los asfaltenos es debida a la presencia de heteroatomos y anillos
aromáticos condensados. La densidad de la molécula es aproximadamente 1,2 con
tamaño molecular 30 – 65 angstroms.
Los asfaltenos transportan una carga positiva o negativa dependiendo de la
composición del petróleo. El mecanismo de interacción fluido – roca es de absorción
física y de reacción ácido / base.
La polaridad es la propiedad responsable de la mojabilidad que puede definirse
como la tendencia de un fluido a dispersarse sobre, o a adherirse a una superficie
(rocosa para el caso) sólida en presencia de otros fluidos inmiscibles.
La mojabilidad es el mayor factor controlante de la localización, el flujo y la
distribución de los fluidos en un reservorio afecta en la mayoría de las propiedades
petrofísicas: presión capilar, permeabilidad relativa, barrido por agua, propiedades
eléctricas y recuperación terciaria (Anderson).
Tanto los surfactantes naturales del crudo que están disueltos en el agua connata
como los compuestos polares y polarizables del crudo, condicionan el grado de
mojabilidad preferencial del fluido por la roca.
Los tipos de superficie minerales del reservorio son también importantes en el
fenómeno de mojabilidad. Cuando los efectos de la química del agua son removidos, la
sílice tiende a absorber bases orgánicas (ello es porque normalmente presenta carga
negativa superficial) débilmente ácida a pH de aproximadamente 7.
Los carbonatos tienden a adsorber ácidos orgánicos simples (ello es porque
normalmente presentan cargas positivas, débilmente básica).
Cuando todos los contaminantes superficiales son cuidadosamente removidos, la
mayoría de los minerales son W/W (mojables por agua). Existen sin embargo algunos
minerales débilmente W/O o mojables por petróleo: O/W, son ellos los sulfuros, el
carbón y ciertos silicatos (pirofilitas), (el problema de la remoción de sólidos
suspendidos del agua de inyección cuando predominan los sulfuros de hierro se debe a
este fenómeno).
El “water floding“ o inyección de agua para desplazar el petróleo se emplea desde
hace cien años.
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Asumiendo que el reservorio esta inicialmente a saturación de agua irreductible,
el pozo produce petróleo seco hasta que el agua irrumpe en el pozo productor. Luego de
la irrupción del agua en el pozo productor comienza a disminuir la producción de
petróleo hasta que la WOR hace al proceso antieconómico.
El W.F. se comporta muy diferente si los sistemas fluidos – roca reservorio son
W/O u O/W.
Es conocido que en un reservorio W/W el W.F. es más eficiente. La mojabilidad
afecta el W.F controlando el flujo preferencial de petróleo / agua y la distribución
espacial de los fluidos en el medio poroso.
En forma simple, la mojabilidad es una medida de la afinidad de la roca por la
fase petróleo o agua.
Solamente una fracción de los constituyentes del crudo son capaces de
“reaccionar“ con la roca reservorio mediante sus componentes polares. Los extremos
pesados del crudo son “reactivos “ y en ellos predominan asfaltenos y resinas.
Aunque las masas de asfaltenos y resinas adsorbidas a las rocas sean similares,
dado que los primeros tienen mayor peso molecular que los últimos, el número de
moléculas polares adsorbidas (resinas) por unidad de área es mucho mayor.
POLARIDAD Y ESTABILIDAD DE ARCILLAS
Es conocido que la roca reservorio contiene ciertos minerales que presentan alta
reactividad al medio, ellas son las arcillas. Por contacto con fluidos foráneos las arcillas
tienden a dispersarse y / o migrar con reducción de la permeabilidad del medio poroso.
Las formaciones productivas que presentan estas anomalías se conocen como
“formaciones sensibles“ o susceptibles de daño.
Para estabilizar las arcillas, se han utilizado:
-
Surfactantes orgánicos tipo amina.
-
Polímeros orgánicos catiónicos.
-
Sales altamente hidrolizables (Cloruro de potasio la más común).
Los extremos pesados (polares) del crudo han sido propuestos en los ’70 como
estabilizadores de formaciones arcillosas. Los mismos interactúan de la misma forma
que los cationes citados con la capa iónica externa de la arcilla inhibiendo su dispersión
y floculación.
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El hecho que ciertas formaciones con alto contenido de arcillas, cuando están en
contacto con petróleo asfálticos no sean sensibles se debe al fenómeno citado (adsorción
selectiva).
POLARIDAD Y ACIDIFICACIÓN
Se ha estimado que al menos el 30 % de los petróleos de U.S.A. tienen tendencia
a formar “sludges” con ácidos inyectados a las formaciones.
Los “sludges” son emulsiones ácidas / asfaltenos / parafinas estabilizados por el
hierro disuelto presente en el ácido. Son difíciles de disolver y remover. La tendencia a
formar sludges aumenta con la concentración de asfaltenos y resinas del crudo, con el
número de base del petróleo y con el contenido de hierro del ácido.
POLARIDAD Y ESTABILIDAD DEL CRUDO
En muchos tratadores eléctricos suelen encontrarse depósitos orgánicos:
asfaltenos y resinas productos de la desestabilización de la micela existente en el crudo.
El fenómeno de la perdida de estabilidad de la micela por campos eléctricos se
conoce desde hace unos treinta años (Lichaa, Herrera) aunque la existencia de partículas
cargadas de asfáltenos ya había sido reportada setenta años atrás (Preck Shot).
La estructura eléctrica de la micela, según estudios recientes (Taylor 1998)
consiste en un núcleo asfaltenico cargado positivo rodeado de una nube de resinas
cargadas negativamente.
Ambos (asfaltenos + resinas) constituyen una “carga nuclear mallada” la
remoción selectiva de los compuestos resinosos desestabilizan las cargas negativas
aumentando las positivas de los asfaltenos y los hace más sensibles a la migración
electroforetica bajo el efecto de un campo eléctrico.
Aunque la deposición de parafinas se origina en otros fenómenos no esta muy
clara su interrelación con la deposición de asfaltenos excepto por el hecho que la mayor
parte de los depósitos orgánicos hallados en el Tubing son de naturaleza mixta parafina
- asfaltenos.
Polaridad y Adherencia
La sobresaturación (tanto en incrustaciones orgánicas como incrustaciones
inorgánicas) es la principal causa de la formación de compuestos insolubles en agua y
en el medio petróleo. Sin embargo estos compuestos pueden viajar suspendidos o
dispersos en el fluido o bien depositarse en lugares quietos.
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Termodinámica y cinética explican las causas y consecuencias de las
sobresaturación pero la adherencia (los tres fenómenos son de naturaleza físico química)
explica la acumulación con fijación (una incrustación es un deposito adherente) de los
compuestos insolubles en particular sobre superficies metálicas.
Si existiera un adhesivo en el medio seria fácil de explicar la adherencia. En las
aguas de inyección y en los petróleos hay presentes productos químicos de tratamiento
pero su concentración probablemente no alcanzaría para explicar el fenómeno de
adherencia y debemos recurrir a la propia composición de los compuestos (precipitados
– dispersiones) para intentar explicar el fenómeno.
El caso de las bacterias sesiles esta mas claro, ciertos grupos generan
exopolimeros (adhesivos biológicos) que confieren adherencia a las masas vivas o
muertas, entrampan productos de corrosion bacteriana (sulfuro de hierro) y otros
materiales presentes (petroleo – incrustaciones) que resultan entrampados en el
exopolimero (ver NT n°37).
Si la cohesión es la fuerza de atracción entre moléculas similares la adhesión es
la fuerza de atracción entre sustancias de carácter diferente.
La adhesión presenta tres etapas (ver NT n° 47)
Mojabilidad
Solidificación
Cambio de densidad
Deformación
aumento del área de
Contacto
La polaridad es responsable de la mojabilidad y esta muy ligada a la adherencia,
ambas afectan entre otros factores:
-A la mojabilidad de los reservorios como ya vimos
-A la corrosión el hecho que en ciertos yacimientos no haya corrosión con cortes
de agua superiores al 50% y en otros exista esta con menos del 1% se debe a las
mojabilidad del crudo. Los petróleos que no contienen asfaltenos (y resinas) no mojan al
acero y lo dejan desnudo y disponibles para el ataque corrosivo.
-A la estabilidad de las emulsiones lo que ya hablamos
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