Propiedades Gas.pdf

Gonzalo Rojas, Ph.D

PROPIEDADES DEL GAS NATURAL Y DEL GAS

CONDENSADO

Propiedades del Gas Natural y del Gas Condensado


Gonzalo Rojas, Ph.D

DBNqDPCNq

RGC

API

APIM

MRGCRGC

c

g

g

c

c

cc

cggc

//

tanquede condensado del API Grav. API

separado gas del Esp. Grav.5.131

5.1419.5

6084132800

4584*

=

=°

=°+

=

−°=

+

+=

γ

γ

γγγ

γ

Gravedad Específica del Gas Condensado

(Ec. de Cragoe)

qg, mgMg, γg

mgn

Mgc, γgcSeparador

qc, mcMc, γc

Tanque



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Gravedad Específica del Gas Condensado (Cont.)

∑

∑

+

+= 3

1

3

1

132800

4584

cci

cigi

gc

MR

R

γ

γγγ

Ri = Relación Gas – Condensado de la etapa i, PCN/BN

γgi =Grav. Esp. del Gas separado en la etapa i

γc =Grav. Esp. del Condensado de tanque

Mc = Peso Molecular del Condensado

qg1 γg1

TanqueSe

para

dor

qg2 γg2

Sepa

rado

r

qg3 γg3

1

11 qc

qgR =2

22 qc

qgR =3

33 qc

qgR =

qc



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Presión y Temperatura Seudocríticas

∑∑

=

=

ii

ii

ZTcTsc

ZPcPsc

*

*

En base a:

A) Composición

B) En Base a la Gravedad específica

Gas Condensado (γgc > 0.75)

Gas Natural (γg < 0.75)

2

2

5.71330187

1.117.51706

gcgc

gcgc

Tsc

Psc

γγ

γγ

−+=

−−=

2

2

5.12325168

5.3715677

gg

gg

Tsc

Psc

γγ

γγ

−+=

−+=

Propiedades del Seudocomponente PesadoPropiedades del Seudocomponente Pesado

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El Seudocomponente Pesado se caracteriza en base al peso molecular, gravedad específica y temperatura promedio de ebullición.

Correlaciones más usadas

Correlaciones de Standing

( ) ( )( ) ( )( )( )8.07.53log85223191.61log4311188)

log3800log24502.71log364608)

7777

7777

−−−+−−=−+−+=

++++

++++

CCC

CCC

MMcPscMMcTsc

γγ

Donde;

Tsc)c7+ = temperatura seudocrítica del C7+, °R

Psc)c7+ = presión seudocrítica del C7+, Lpca

Mc7+ = peso molecular del C7+, lb/lbmol

γC7+ = gravedad específica del C7+, (agua = 1)

Propiedades del Seudocomponente PesadoPropiedades del Seudocomponente Pesado

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Correlación de Whitson

( )315427.07

15178.077 5579.4 +++ = CCC MTb γ

Donde;

TbC7+ = Temperatura Normal de Ebullición,°F

Contenido Líquido (Riqueza) de un GasContenido Líquido (Riqueza) de un Gas

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Galones de líquido (C3+) que pueden obtenerse de 1000 pies cúbicos normales de gas (MPCN)

Gals/MPCN (también, BN/MMPCN)

Riqueza (BN/MMPCN) = 23.81 GPM (Gal/MPCN)

∑

∑

∑

=+

=+

=+

=

=

=

=

n

iiiC

n

iiiC

i

ii

n

iiiC

YGPMGPM

YGPMGPM

lMxGPM

MPCNGalsYGPMGPM

55

44

33

4.3791000

/,

ρ

Presión de Rocío RetrógradaPresión de Rocío Retrógrada

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Correlación de Nemeth y Kennedy

Proc = f (T, Comp, Mc7+, γC7+)

Correlacionaron 579 datos experimentales de los cuales 480 correspondían a sistemas de Gas Condensado

Correlación de Maita y Him

Proc = f (RGC, γg, %C7+, °API)

Correlacionaron datos experimentales de pruebas PVT de gases condensados venezolanos.

Ambas correlaciones fueron probadas con datos de presiones de rocío de 54 PVT’s arrojando errores promedios de 5 (MH) y 9.7 % (NK)

Comportamiento de los GasesComportamiento de los Gases

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P = Presión absoluta, Lpca

V = Volumen ocupado por el gas, pie3

R = 10.73 lpca * pie / lbmol * °R

N = Masa del gas, lbmol

T = Temperatura absoluta, °R

Z = Factor de Compresibilidad

PV =ZNRTSISIReal (P > 50 lpca)

PV = NRTNONOIdeal (P < 50 lpca)

EcuaciónFuerzas intermoleculares

El volumen ocupado por las

moléculas

Se tiene en CuentaTipo de Comportamiento

Determinación de ZDeterminación de Z

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A) Pruebas PVT

B) Correlaciones

C) Ecuaciones de Estado

Determinación de Z - CorrelacionesDeterminación de Z - Correlaciones

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GASES PUROS: Z = f (Pr, Tr)

Pr = P / Pc, Tr = T / Tc

MEXCLA DE GASES: Z = f (Psr, Tsr)

Psr = P / Psc, Tsr = T / Tsc

Tsc = Temperatura seudocrítica de la mezcla

Psc = Presión seudocrítica de la mezclaTr = Temperatura reducidaTsr = Temperatura seudoreducidaPr = Presión reducidaPsr = Presión seudoreducidaT = Temperatura absolutaTc = Temperatura crítica del gas putoP = Presión absolutaPc = Presión crítica del gas puroZ = factor de compresibilidad

• Calcular Psr y Tsr en base a la composición o a la gravedad específica.

• Determinar Z de la figura Z = f (Psr, Tsr)

• LIMITACIONES:

El gas debe ser rico en metano (C1 > 80%)No debe contener hidrocarburos aromáticosNo debe tener impurezas – 20 % N2 produce un error de 4 %

X % CO2 produce un error de X %No presenta buenos resultados cerca del punto críticoSolo se recomienda su uso a P < 10000 Lpca

Método de Standing y KatzMétodo de Standing y Katz

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Z

1

Psr

Tsr

Corrección por Impurezas Wichert y AzizCorrección por Impurezas Wichert y Aziz

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( )( )

( ) ( )( ) ( )

menterespectiva ,Hy CO de molares Fracciones ,R ,Corrección deFactor

15120

1

22

2

45.06.19.0

22

2

2

SYYFsk

YB

YYcoABBAAFsk

FskBBYTcTscYPc

Psc

FskYTcTsc

SHCO

SH

SH

ii

ii

ii

=°=

=

+=−+−=

−+=

−=

∑∑

∑

Conceptualización de los Factores de Compresibilidad Mono y Bifásico de un Gas Condensado a P < Proc

Factor de Compresibilidad - Gas CondensadoFactor de Compresibilidad - Gas Condensado

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A) Pruebas PVT

B ) Correlación de Rayes, Piper y Mc Cain

Es válida para: 0.7 < Psr < 20.0 , 1.1 < Tsr < 2.1

Determinación de Z2fDeterminación de Z2f

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( )

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=

−=

GCOESGptPi

PZgcifZ

RTNpNiVtPfZ

1

*2

.2

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛++⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛++=

TsrPsrA

TsrAPsrA

TsrAPsrAAfZ 5

2

42

3210112

A5 =0.131987A2 =-3.56539

A4 =1.53428A1 =-0.0375281A3 =0.000829231A0 =2.24353

Factor Volumétrico del GasFactor Volumétrico del Gas

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lpcpRT

PCNBY

pZTBg

PCNPCY

pZTBg

→°→

=

=

,

,.

,.

005040

028290

• MEZCLAS EN FASE GASEOSA

Donde;ρg = densidad de la mezcla gaseosa, lbm/pie3

P = presión absoluta, lpcaMg = peso molecular del gas, lbm/lbmolZg = factor de compresibilidadR = 10.73T = temperatura absoluta, °R

Densidad de las Mezclas de Hidrocarburos a Alta Presión

Densidad de las Mezclas de Hidrocarburos a Alta Presión

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TRZgMgP

g ...

=ρ

• MEZCLAS EN FASE LÍQUIDA

Método de Alani y Kennedy

Método de Standing y Katz

Densidad de las Mezclas de Hidrocarburos a Alta PresiónDensidad de las Mezclas de

Hidrocarburos a Alta Presión

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FACTORES QUE LA AFECTAN

VISCOSIDADVISCOSIDAD

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( )

( )

XY

MgT

X

TMgT

gxKgY

2.04.2

01.09865.3

192090.02Mg9.4K

Donde;

,10000

.exp

5.1

−=

++=

+++

=

=ρµ

Presión

Temperatura

Composición

Determinación: Método de Lee, González y Eakin

Donde:

µg =viscosidad del gas a P y T, cps

T = temperatura absoluta, °R

ρg = densidad del gas a P y T, gm/cc

Mg = peso molecular del gas, lb/lbmol

VISCOSIDADVISCOSIDAD

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Comparación entre valores experimentales de viscosidad y calculados con el Método de Lee y Cols

Expresiones matemáticas que relacionan las variables presión, volumen y temperatura de una sustancia

Ecuaciones de EstadoEcuaciones de Estado

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( ) ( )

( ) ( )

( )( ) ( ) ( ) RTb

bbbTaP

RTbb

AP

RTbTb

aP

ZRTPVRTPV

=−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−++

+

=−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+

=−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+

==

γγγγ

γγγα

γγγ 5.0

En base a 1 Lb – molEDE Gas Ideal

EDE Gas Real

EDERK (Redlich – Kwong)

EDERKS (Redlich – Kwong – Soave)

EDEPR (Peng – Robinson)

PERMITE PREDECIR:

• Propiedades de los fluidos (Gases y Líquidos)DensidadesVolúmenes molaresFactores de compresibilidadFactores volumétricosCapacidades caloríficasEntalpíasEntropías

• Comportamiento de FasesFracciones de Gas y LíquidoComposiciones de las FasesPuntos de Rocío, Burbujeo y Crítico

Ecuaciones de Estado (EDE)Ecuaciones de Estado (EDE)

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(Cont…)

USOS:

Simulación Composicional

Balance de Materiales composicional

Diseño de Separadores Gas – Condensado

Diseño de Columnas de Separación

Procesos Criogénicos

Diseño de Tuberías de Producción y Líneas de Flujo

Ecuaciones de Estado (EDE)Ecuaciones de Estado (EDE)

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Ecuaciones de Estado de Peng y Robinson(EDE – PR) de dos Parámetros

Ecuaciones de Estado de Peng y Robinson(EDE – PR) de dos Parámetros

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( )( ) ( )bbb

Tab

RTP−++

−−

=γγγγ

•Unidades:

•Ventajas:

Permite calcular mejores densidades líquidas, presiones de vapory constantes de equilibrio que otras ecuaciones de estado de dosparámetros

( ) ( )233

3

3

/ , /

* /* 73.10 / , ,

mollbpielpcaTamollbpieb

RmollbpielpcaRmolLbpieRTLpcaP

→=

°=

→°→→ γ

•Componentes puros:

•Mezcla de Hidrocarburos:

Regla de Mezclas:

n = N° de componentesδij = Coeficiente de Interacción Binaria

Determinación de a(T) y bDeterminación de a(T) y b

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( )( )[ ]

PcTcRbm

Trm

PcTcRTa

/.07780.026992.054226.137464.0

11

45724.0

2

25.0

22

=−+=

−+=

=

ωω

α

α

( ) ( ) ( ) ( )( )

∑

∑∑

=

= =

=

−=

n

iii

n

i

n

jjiijji

Xbb

TaTaXXTa

1

1 1

5.0.1 δ

Ecuación cúbica en Z. Se puede resolver por el método de Newton –Raphson.

Tiene tres raíces:•Una fase gaseosa:

•Una fase líquida:

•Dos fases:

Otra Forma de Expresar la EDE - PROtra Forma de Expresar la EDE - PR

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( ) ( ) ( )

TRvPZTRPbBTRPaA

BBABZBBAZBZ

./.

././.

023122

32223

===

=−−−−−+−−

{ }

{ }

{ }{ }321

321

321

321

,,,,

,,

,,

ZZZMINZZZZMAXZg

ZZZMINZ

ZZZMAXZg

l

l

==

=

=

Donde;

υ = volumen molar calculado con la EDE, pie3 / lb molυcorr = volumen molar corregido, pie3 / lb molC = coeficiente de corrección (3er parámetro), pie3 / lb molS = parámetro de traslación, adim

Para una mezcla se tiene,

•En fase líquida:

•En fase gaseosa:

Ci = Si bi

EDE-PR de Tres ParámetrosEDE-PR de Tres Parámetros

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( )( ) ( )

bSCCcorr

bcorrbbcorrcorrTa

bcorrTRP

.

.

=−=

−++−

−=

υυυυυυ

∑

∑

=

=

−=

−=

n

i

VV

n

i

LL

CiYicorr

CiXicorr

1

1

.

.

υυ

υυ

EDE-PR de Tres ParámetrosEDE-PR de Tres Parámetros

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-0.1283 H2S

-0.0817CO2

-0.1927N2

-0.0655C10

-0.0408C9

-0.0314C8

-0.0033C7

-0.0080C6

-0.0390nC5

-0.0608iC5

-0.0675nC4

-0.0844iC4

-0.0863C3

-0.1134C2

-0.1595C1

SiComponente

Para el C7+

Si = 1 – 2.258 / Mi-0.1823

Donde,

Si = parámetro de traslación del componente i, adim

Mi = peso molecular del componente i, Lbm / Lb mol

Parámetros de Traslación de Hidrocarburos para la EDE-PR

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Coeficiente de Interacción Binaria δijCoeficiente de Interacción Binaria δij

Representa una medida de la diferencia de las interacciones entre componentes i, j de soluciones con comportamiento ideal ( ) y real ( )0≠ijδ

0=ijδ

jiij

jjijji

δδ

δδ

=

==→=

0

Mezclas de moléculas no polares (hidrocarburos)

Mezclas de moléculas polares (CnH2n+2, CO2, H2S)

0→ijδ

0≠ijδ

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Estimación de las δijEstimación de las δij

A) Haciendo δij = 0

Para mezclas de HIDS. Parafínicos con poca diferencia en el tamaño de moléculas (Soave, Peng, Robinson, Bishnoi)

B) Ecuación de CHUEH y PRAUSNITZ

f y n se pueden ajustar con datos experimentales.

Aproximación: f = 2 y n = 3

C) Ajustándolos en base a datos de laboratorio

n

cjci

cjciij

f⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+−= 3/13/1

3/13/1 .1

υυυυ

δ

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Coeficientes de Interacción Binaria para Metano - Parafinas

Coeficientes de Interacción Binaria para Metano - Parafinas

δij usados por la Gulf en la optimización de parámetros de la EDE - PR

δij usados por la Gulf en la optimización de parámetros de la EDE - PR

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00000000.0670.1250.1nC5

0000000.0670.1250.095iC5

000000.0710.130.090nC4

00000.0710.130.095iC4

0000.0760.1350.08C3

000.0800.130.05C2

00.0850.10.036C1

000.18H2S

0-0.02CO2

0N2

nC5iC5nC4iC4C3C2C1H2SCO2N2

Matrices de δij usadas por dos compañías petroleras en la simulación de yacimientos de

condensación retrógrada con la EDE - PR



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00000.0060.0060.13920.10.1C7 – P3*

0000.00630.006300.10.1C7 – P2*

000.003850.0038500.10.1C7 - P1*

0000.092810.10020.1277C4 – C6*

0000.080.135C3

000.050.13C2

00.0360.10C1

0-0.02N2

0CO2

C7 – P3*C7 – P2

*C7 - P1*C4 – C6

*C3C2C1N2CO2

* Seudocomponentes (Peso Molecular: C4-C6, 67.28; C7-P1, 110.9; C7-P2, 170.9 y C7-P3, 282.1

ARCO





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000.0100.24920.1355C11+*

00.010-0.2765-0.0044C6 – C10*

0-0.1241-0.0997C3 – C5*

00C2

0C1

C11+*C6 – C10*C3 – C5

*C2C1

* Seudocomponentes (Peso Molecular: C3-C5, 54.85; C6-C10, 103.5; y C11+, 191

CHEVRON

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Agrupamiento (Grouping)Agrupamiento (Grouping)

Reducción del número de componentes reales (N) en un número menor de seudocomponentes (M)

N > M

Ejemplo:Mezcla de N = 8 componentes

Agrupamiento:

X1 = C1, X2 = CO2, C2, X3 = C3, C4, X4 = C5, C6 y X5 = C7+

M = 5 seudocomponentes

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Agrupamiento (Grouping)Agrupamiento (Grouping)

Reglas a cumplir

A)Que satisfaga el balance de materiales por componente

B)Propiedades intensivas de la mezcla de los seudocomponentes iguales a las de la mezcla total

C)Los componentes agrupados en un seudocomponentedeben tener propiedades físico – químicas similares

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Número de GruposNúmero de Grupos

Recomendaciones de Coats

Simulación de yacimientos de gas condensado

A P < ProcSeudocomponentes:

(C1, N2), (C2, CO2), (C3, C4), (C5, C6), (C7+)M = 5

A P > ProcSeudocomponentes: (gas), (líquido

M = 2

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Número de Grupos (Cont.)Número de Grupos (Cont.)

Seudocomponentes de las mezclas hecha por varias compañías en la simulación del ciclaje de gas en un

yacimiento de gas condensado.

• ARCO: CO2, N2, C1, C2, C3, (C4-C6), C7+ (dividido en 3 seudocomponentes)

• CHEVRON: C1, C2, (C3-C5), (C6-C10), C11+

• ELF ALQ: CO2, (N2, C1), C2, (C3-C5), (C6-C10), C11+

• MARATHON: CO2, (N2-C1), C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10+ (dividido en 2 seudocomponentes)

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Número de Grupos (Cont.)Número de Grupos (Cont.)

• INTERCOMP: (CO2, N2, C1), (C2, C3), (C4-C6), C7+ (dividido en 5 seudocomponentes)

• PDVSA (Carito): (N2-C1), CO2, C2, (C3-C4), (C5-C7), (C7-C10), (C11-C19) y C20+

• BP (Cusiana): (N2-C1), CO2, C2, (C3-C4), (C5-C6), (C7-C10), (C11-C14), (C15-C20), (C21-C29), C30+

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Propiedades de los GruposPropiedades de los Grupos

P1 = Propiedad del grupo 1 (Pc, Tc, M, etc.)

n’ = Número de componentes de cada grupo

Xj1 = Composición del componente j en el grupo 1

∑=

='

1

1 1n

jjX

∑=

='

1

11n

jjj PXP

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Volumen de Condensado Retrógrado vs. PresiónVolumen de Condensado Retrógrado vs. Presión

Comparación entre datos experimentales y calculados con la EDE – PR usando dos esquemas de seudo descomposición

• Datos experimentales

• Calculados con la EDE – PR 8 componentes

(CO2, N2, C1, C2, C3, C4, C5 y C6) 5 seudocomponentes (F7, F8, F9, F10 y F11)

• Calculados con EDE – PR 4 seudocomponentes

(C1, N2), (C2, CO2, C3, C4), (C5, C6) y C7+

Gonzalo Rojas, Ph.D

Recomendaciones Wang y Pope (JPT, Julio 2001)Recomendaciones Wang y Pope (JPT, Julio 2001)

• Al menos 2 ó más seudocomponentes son necesarios para caracterizar la fracción C7+

• Los componentes C2 a C6 deben ser agrupados en dos ó más seudocomponentes si se requiere simular el comportamiento de la mezcla en superficie

• Si se va a inyectar C1, N2 o CO2 se deben dejar puros estos componentes en la mezcla (no unirlos con otros)

• Para desplazamientos miscibles crear varios seudocomponentes con los componentes intermedios C5a C15 para describir adecuadamente los procesos de vaporización y/o condensación

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Fraccionamiento (Splitting) del C7+Fraccionamiento (Splitting) del C7+

• Debido a su complejidad, la presencia del C7+ afecta considerablemente el comportamiento de fases de la mezcla de hidrocarburos.

• Whitson sugiere la siguiente ecuación para calcular el número de fracciones:

NH = 1 + 3.3 log (N – 7)

NH = número de fracciones

N = número de carbonos de la fracción más pesada

• Se recomienda fraccionar el C7+ en 3 ó 4 seudocomponentes (fracciones) para obtener buenos resultados en el ajuste de la EDE con datos PVT.

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Fraccionamiento (Splitting) del C7+Fraccionamiento (Splitting) del C7+

Técnica de Agrupamiento en Cascada sugerida por Whitson y Cols

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Calibración de las Ecuaciones de EstadoCalibración de las Ecuaciones de Estado

OBJETIVO:

Reproducir la presión de saturación y la variación con presión de las propiedades de las fases de las prueba CVD (gas condensado) y DL (petróleo) con

EDEs

PARÁMETROS A SENSIBILIZAR:

Pc, Tc, W, δij, Zi

De los diferentes grupos

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EFECTO DE LOS PARÁMETROS

Tc y W A región de 2F , Proc y Vol. Max. Cond. Ret.

Pc A región de 2F a bajas temperaturas Vol. Max. Cond. Ret.

δij Proc y Vol. Max. Cond. Ret.

ZC7+ La adición de pequeñísimas cantidades de C7+

(0.02 % - 0.05 %) a la mezcla expande considerablemente la región de 2F

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Efecto de Tc del componente pesado sobre el tamaño del área de la región

de 2F

Efecto de Tc del componente pesado sobre el volumen de condensado

retrógrado

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Efecto de Pc del componente pesado sobre el tamaño del área de la región

de 2F

Efecto de Pc del componente pesado sobre el volumen del condensado

retrógrado

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Efecto del MC7+ sobre el tamaño del área de la región de 2F

Efecto del fraccionamiento del C7+sobre el tamaño del área de la región

de 2F

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RECOMENDACIONESRECOMENDACIONES

• Usar un proceso de regresión para ajustar la EDE con todos los componentes de la mezcla original.

• Con la EDE ajustada simular varios experimentos PVT a diferentes profundidades y posiciones areales.

• Realizar procesos de agrupamiento para optimizar el número de grupos a usar.

• No se deben ajustar simultáneamente todos los parámetros (Tc, Pc, W, δij,…) al mismo tiempo porque esto puede generar problemas de convergencia.

• Iniciar el procesos de calibración con δij = 0.

• La sensibilidad del parámetro de traslación en la EDE – PR mejora el cotejo del % de líquido retrógrado y su densidad.

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RECOMENDACIONESRECOMENDACIONES

• La variación de los δij ayuda a ajustar la presión de saturación y las constantes de equilibrio.

• Los cambios de las constantes de la EDE – PR no garantizan un cambio monotónico de Tc y Pc. Preferible entonar Tc y Pc para los componentes pesados y las constantes omega para el C1 y el CO2

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