PAM en proyectos de geotermia y captura de carbono: usos y límites

La energía geotérmica y el almacenamiento de carbono no se parecen en nada a una planta de tratamiento de aguas residuales o a una fábrica de papel, pero ambas industrias se basan en la misma familia de polímeros. La poliacrilamida aparece en cuatro funciones en la industria de la energía geotérmica: reducir la fricción mientras se perforan y estimulan los pozos, formar geles que dirigen el flujo subterráneo, clarificar la salmuera caliente y sellar los caminos por donde no debería viajar el CO2. Ninguna de estas es la tecnología principal del proyecto, razón por la cual PAM rara vez se menciona.

Una advertencia antes de seguir adelante. Gran parte de este trabajo aún se encuentra en etapa de investigación y de campo inicial, y los polímeros involucrados a menudo son modificados o mezclados, no grados disponibles en el mercado. La siguiente tabla muestra dónde se ubica cada trabajo y qué se le pide al polímero que haga.

▶ Estimulación y perforación: reductores de fricción bajo calor

El rol más antiguo y familiar es también el más sencillo. Cuando se bombea agua a gran velocidad a través de un pozo, la fricción consume la mayor parte de la presión. Una pequeña dosis de poliacrilamida de alto peso molecular permite que la misma bomba mueva más agua con menos presión, y es el principio de funcionamiento detrás de los tratamientos de aguas residuales en petróleo y gas.

Los pozos geotérmicos utilizan la misma idea pero se enfrentan a un entorno más difícil. Los yacimientos son más calientes que la mayoría de las formaciones de petróleo y gas, y cada polímero tiene una temperatura por encima de la cual sus cadenas comienzan a romperse. Una vez que eso sucede, el efecto reductor de la fricción se desvanece y el fluido se comporta más como agua corriente. La salinidad y la dureza empeoran el problema porque curvan las cadenas de polímeros y acortan su alcance.

Esta es la razón por la que el mismo polímero que funciona bien en una fractura de agua dulce puede fallar en una salmuera geotérmica. Para los lectores que vienen del lado de los campos petroleros, nuestro Reductor de arrastre de emulsión soluble instantánea para uso en yacimientos petrolíferos muestra el tipo de producto diseñado para una hidratación rápida en el campo. Si un grado determinado se adapta a las temperaturas geotérmicas es una cuestión aparte que debe probarse, no asumirse.

▶ Cortocircuitos y geles: dirección del flujo en roca fracturada caliente

Los sistemas geotérmicos mejorados dependen del bombeo de agua fría a través de roca fracturada y su recuperación caliente. El punto débil es el cortocircuito térmico. Si unos pocos canales de alta permeabilidad transportan la mayor parte del flujo, el agua pasa demasiado rápido para captar calor, esos canales se enfrían y el depósito produce menos con el tiempo.

La industria petrolera ha lidiado con el mismo patrón durante décadas inyectando geles que bloquean los caminos más rápidos y empujan el fluido hacia el resto de la roca. un artículo reciente sobre gel polimérico para sistemas geotérmicos severamente fracturados señala que la poliacrilamida y la poliacrilamida parcialmente hidrolizada se usan comúnmente para fabricar estos geles, y que el sistema de gel se vuelve térmicamente inestable a altas temperaturas. Los autores responden combinando un polímero a base de acrilamida con un comonómero sulfonado y un reticulante resistente al calor, lo que muestra hasta qué punto la formulación debe alejarse de un grado estándar.

Los antecedentes de los campos petroleros ayudan aquí. Nuestra visión general de cómo la inundación de polímeros utiliza poliacrilamida para mejorar la recuperación de petróleo explica la lógica de eficiencia de barrido y el artículo sobre Cómo funcionan los agentes rompedores de gel en la perforación a alta temperatura Cubre el otro lado del trabajo del gel, que es el de retirar el gel cuando ha hecho su trabajo.

▶ Clarificación de Salmuera: Sílice, Hierro y el Enlace de Litio

Este es el lugar donde PAM se parece más a su yo familiar. La salmuera geotérmica sale con sílice y hierro disueltos, y debe limpiarse antes de que vuelva a entrar bajo tierra o antes de que se le extraigan metales valiosos. Si se deja sílice, precipita en las tuberías y pozos de inyección y corta el flujo.

A patente sobre la eliminación selectiva de sílice de salmueras que contienen sílice describe el diseño. Se alimenta salmuera con al menos aproximadamente 100 ppm de sílice y aproximadamente 500 ppm de hierro con aire, una base y una solución floculante en una etapa de eliminación de sílice. Luego, un clarificador separa una salmuera más limpia de un sólido de sílice y hierro y el sólido se filtra. La salmuera más limpia puede pasar a la recuperación de litio. La patente proporciona un rango de solución floculante de 0,005% a 1% en peso, con aproximadamente 0,025% como ejemplo.

Cualquiera que haya utilizado un clarificador reconocerá el patrón. Una etapa de precipitación forma las partículas, un polímero las une y una unidad de sedimentación las separa. Las diferencias son las condiciones: alta temperatura, alta salinidad y una salmuera a menudo ácida o rica en metales. Esas condiciones cambian el comportamiento del polímero, y nuestro artículo sobre El papel de la química del agua en el rendimiento del floculante. explica por qué la química del agua debería impulsar la elección.

▶ Conformidad con el CO2 y control de fugas: geles que deben sobrevivir al ácido

El almacenamiento de carbono toma prestadas sus herramientas de la recuperación de petróleo asistida por CO2. Cuando se inyecta CO2, tiende a correr por las zonas más permeables y dejar el resto intacto, lo que desperdicia espacio de almacenamiento y, en el peor de los casos, encuentra una salida. Los geles son una de las principales formas de bloquear esos caminos.

A estudio del gel HPAM-cromo (III) para el control de conformidad con el CO2 informa que este gel se aplicó en campos inundados de CO2 y se probó cómo se mantiene en ciclos alternos de CO2 y agua. El gel redujo la permeabilidad al agua mucho más que la permeabilidad al CO2. Su resistencia disminuyó en ciclos posteriores y en núcleos de alta permeabilidad se volvió insignificante después de sólo dos ciclos. Si el CO2 atravesaba el gel, éste se degradaba y se secaba, y el tratamiento fallaba.

Ese resultado establece las instrucciones de diseño para un gel de almacenamiento. Tiene que ser inyectable, debe permanecer en su lugar en condiciones ácidas y debe seguir funcionando después de una exposición repetida al CO2. Otros grupos de laboratorio están probando poliacrilamidas y geles compuestos que responden al CO2 como alternativas, pero estos siguen siendo resultados de la investigación. Los pozos también son importantes, ya que las fugas a menudo viajan a lo largo del pozo, y nuestra nota sobre Usos prácticos de la poliacrilamida en fluidos de perforación, terminación y cementación. cubre el lado del pozo.

▶ Lo que el PAM estándar no puede hacer aquí

Coloque estos cuatro trabajos uno al lado del otro y aparecerá un patrón. Cada uno empuja a la poliacrilamida fuera de la ventana donde los grados ordinarios funcionan mejor.

• Calor. La temperatura acelera la hidrólisis, que convierte los grupos amida en grupos carboxilato y cambia la carga del polímero. A las temperaturas geotérmicas, ese cambio es rápido, y un polímero que comenzó como un grado aniónico suave puede comportarse de manera muy diferente después de unos días;
• Salinidad y dureza. Las salmueras contienen grandes cantidades de sodio, calcio y magnesio. Los iones divalentes se unen a grupos carboxilato, colapsan las cadenas y pueden precipitar el polímero. Nuestro artículo sobre Por qué las fórmulas PAM estándar tienen un rendimiento inferior en regiones de agua dura explica el mecanismo a menor escala;
• Acidez y CO2. El CO2 disuelto reduce el pH y las redes de gel diseñadas para condiciones neutras pueden perder fuerza o deshidratarse;
• Cizalla y tiempo. Un gel debe sobrevivir al bombeo y luego reposar durante meses o años, lo cual es una prueba más larga que la que enfrentan la mayoría de los programas de tratamiento de agua.

Las respuestas habituales son copolímeros con unidades sulfonadas para la tolerancia al calor y a la sal, diferentes reticulantes y grados no iónicos o ligeramente cargados que resisten los iones divalentes. Los datos del campo petrolero en Cómo la temperatura y la salinidad afectan el rendimiento de PAM en los yacimientos petrolíferos. es un punto de partida útil, aunque las condiciones geotérmicas suelen ser más duras.

▶ Preguntas que debe hacerle a un proveedor antes de especificar un polímero

Una buena especificación comienza con las condiciones del proyecto, no con el nombre del producto. Las preguntas siguientes son las que tienden a separar una calidad viable de una falla costosa.

• ¿Cuál es la temperatura máxima a la que se ha probado el polímero y durante cuánto tiempo, no sólo durante minutos?
• ¿Qué sucede con su viscosidad o fuerza de gel después del envejecimiento térmico en la salmuera real, no en agua dulce?
• ¿Cómo se comporta con el calcio y el magnesio en sus concentraciones y en su pH?
• ¿Ha estado expuesto a CO2 disuelto o a condiciones ácidas y qué se midió después?
• ¿Cuáles son el peso molecular, el tipo de carga y la densidad de carga? ¿Se pueden ajustar?
• ¿Qué nivel de monómero residual tiene el grado y qué datos lo respaldan?
• ¿Está disponible en polvo o en emulsión y se adapta a su equipo de mezcla y logística?

Es más fácil trabajar con los proveedores que responden a estas preguntas con datos de prueba que con aquellos que responden con un folleto. Si un proveedor no tiene datos sobre sus condiciones, trátelo como una indicación para realizar la prueba, no como una razón para suponer.

▶ Qué probar antes de una prueba de campo

El trabajo de laboratorio es donde se deben detectar la mayoría de las fallas, porque las fallas en el campo son lentas y costosas. Un programa de prueba breve y realista vale más que uno largo que utilice el agua equivocada.

1. Preparar la solución de polímero en salmuera real o una copia sintética cercana, utilizando el mismo método de disolución planificado para el campo;
2. Mida la viscosidad o la fuerza del gel a temperatura, luego envejezca las muestras a la temperatura objetivo durante días y semanas y mida nuevamente;
3. Repita con la exposición a gases o ácidos que corresponda, como la saturación de CO2 para proyectos de almacenamiento;
4. Para la clarificación de salmuera, realice pruebas de frascos en todo el rango de pH y temperatura, y evalúe la velocidad de sedimentación, la fuerza de los flóculos y la claridad del sobrenadante;
5. Registre los resultados como una especificación con límites, de modo que cualquier cambio en el polímero o la salmuera desencadene una nueva prueba.

Si los grados estándar no se mantienen, es posible que se necesite un polímero modificado y Hengfeng ofrece personalización para aplicaciones específicas. tu puedes Habla con el equipo técnico sobre un polímero personalizado para tu proyecto. y comparta la temperatura, el análisis de la salmuera y las condiciones de exposición para que la discusión comience con números reales.