Evaluación de la eficiencia de los tensioactivos (surfactantes) mediante mediciones dinámicas de tensión interfacial de salmuera y petróleo crudo

La recuperación mejorada de petróleo tiene como objetivo mejorar el rendimiento de los yacimientos de petróleo crudo de difícil acceso. Para lograr este objetivo, la recuperación mejorada de petróleo se basa en el uso de soluciones de surfactantes para reducir la tensión interfacial entre el petróleo crudo y el fluido de extracción, generalmente salmuera. En esta nota de aplicación, se utiliza el tensiómetro de video SVT Spinning Drop de DataPhysics Instruments para demostrar cómo se puede medir la tensión interfacial ultrabaja y cómo se puede analizar su comportamiento dinámico. Se mide la tensión interfacial de la salmuera que contiene una concentración creciente de tensioactivo. La tensión interfacial podría reducirse de 9,165 mN/m a 0,033 mN/m aumentando la concentración de tensioactivo de 0 % a 0,1 %. Además, el tiempo requerido para que la tensión interfacial alcance su valor mínimo podría reducirse significativamente de 45 minutos a menos de diez minutos aumentando la concentración de tensioactivo de 0,01 % a 0,1 %.

Figura. 1 Los laboratorios de investigación de todo el mundo están buscando formas más eficaces de recuperar petróleo de yacimientos de difícil acceso, por ejemplo, mediante el uso de soluciones de surfactantes.

Antecedentes

El petróleo crudo debe extraerse de yacimientos cada vez más difíciles de acceder. Por lo general, el petróleo crudo moja a la matriz de roca dentro del yacimiento. La recuperación mejorada de petróleo (EOR) utiliza varias técnicas avanzadas para aumentar la eficiencia del proceso de recuperación de petróleo crudo.

Una de estas técnicas es el uso de soluciones de surfactantes[1]. Una mezcla de salmuera y surfactante se bombea al yacimiento. Para que el petróleo crudo forme una mezcla estable con la salmuera, la tensión interfacial entre los dos líquidos debe ser extremadamente baja. El surfactante reduce la tensión interfacial entre la salmuera y el petróleo crudo.

Otros factores que influyen en la estabilidad de la emulsión de petróleo crudo y salmuera son la temperatura, el valor de pH, la salinidad y la presión en el yacimiento.

La tensión interfacial entre la salmuera y el petróleo no disminuye instantáneamente a su mínimo cuando se agrega el surfactante, ya que el surfactante en la solución tarda un tiempo en migrar a la interfase[2]. Una disminución rápida en la tensión interfacial es beneficiosa para tasas de producción más altas.

A continuación, se medirá la tensión interfacial dinámica del petróleo crudo y la salmuera con diferentes concentraciones de surfactante utilizando un VideoTensiómetro de gota giratoria (Spinning Video Drop Tensiometer) SVT 25 de DataPhysics Instrument.

Técnica y Método

Los videotensiómetros Spinning Drop de la serie SVT (como se muestra en la Fig. 2) son instrumentos ópticos de propósito especial para medir tensiones interfaciales extremadamente bajas de hasta 10-6 mN/m, así como propiedades reológicas interfaciales. Esta técnica ofrece posibilidades inigualables para el análisis de la eficacia de los tensioactivos en el desarrollo de emulsiones y en la recuperación mejorada de petróleo.

El método se basa en el análisis del contorno óptico de una gota. Como se muestra en la Fig. 3, se coloca una gota de líquido dentro de un capilar giratorio lleno de otro líquido más denso. Debido a la rotación del capilar, la fuerza centrífuga empuja el líquido más denso que rodea la gota hacia el exterior, mientras que la gota menos densa es empujada hacia el eje de rotación. La gota se deforma cilíndricamente y su área interfacial aumenta. La tensión interfacial contrarresta este aumento de área y, por lo tanto, puede determinarse analizando la forma de gota de equilibrio que se establece en una rotación con velocidad angular constante.

Con el software SVT, la tensión interfacial entre los líquidos se puede medir automáticamente. El sistema puede determinar tensiones interfaciales bajas a ultrabajas y puede mapear cambios dependientes del tiempo y la temperatura en la tensión interfacial, así como propiedades reológicas interfaciales.

Figura 2. VideoTensiométro de gota giratoria SVT 25 de DataPhysics Instruments es diseñado para la medición de la tensión interfacial ultra-bajas.

Figura 3: Una gota dentro de un capilar giratorio se alarga con el aumento velocidad angular. Basado en la forma alargada, la tensión interfacial se puede medir.

Experimento

La tensión interfacial entre la salmuera que contiene surfactante y el petróleo crudo se estudió con un SVT 25. La salmuera se preparó con agua desionizada, NaCl a 427 mM, MgCl2 a 55 mM y Na2SO4 a 27 mM. Se prepararon soluciones de tensioactivo con diferentes concentraciones del tensioactivo (0,1 %, 0,01 %, 0,002 %) que se añadieron a la salmuera. (Figura 4).

Para cada medición, la solución de tensioactivo, en este caso el líquido más denso, se llenó primero en un capilar de vidrio. Al llenar el capilar de vidrio, es importante asegurarse de que no haya burbujas de aire en el sistema. Para facilitar la inyección de la gota con menor densidad (petróleo crudo), DataPhysics Instruments desarrolló una tapa especial para el capilar. A través de un tabique dentro de la tapa del capilar, se puede agregar el líquido con una jeringa y una aguja. En particular, el volumen de petróleo crudo no debe exceder unos pocos µl. Para asegurar una alta reproducibilidad y precisión, el volumen de crudo se mantuvo en 1 µl para cada medición en este estudio. Después de preparar el capilar de vidrio con la solución de salmuera de surfactante y petróleo crudo, se montó el capilar en la celda de medición utilizando el sistema capilar de intercambio rápido del SVT.

Durante la medición, se eligió un aumento adecuado para garantizar que la gota fuera visible. Con la inclinación automática y controlada por software de la celda de medición, la gota se mantuvo en una posición estacionaria. Además, la gota se puede mantener automáticamente en el centro del campo de visión, mediante el reconocimiento automático de la forma de la gota y el movimiento de la cámara para compensar cualquier desviación restante de la gota. Por lo tanto, son posibles mediciones a largo plazo que duran varias horas o incluso días.

Se eligió que la velocidad de rotación del capilar fuera tan alta que la influencia de la fuerza de flotación en la forma de la gota fuera despreciable. Al conocer la velocidad de rotación y los datos específicos del líquido, como la densidad y el índice de refracción, el software SVT puede calcular automáticamente la tensión interfacial.

Figura 4: La tensión interfacial disminuye al aumentar la concentración de surfactante. Así, la gota se alarga más.

 

Resultados y Discusiones

La figura 5 muestra la tensión interfacial en función de la concentración de tensioactivo. Sin ningún tensioactivo, la tensión interfacial entre la salmuera y el petróleo crudo es de 9,165 ± 0,092 mN/m. Con una concentración de tensioactivo del 0,002 %, la tensión interfacial se reduce a 3,273 ± 0,068 mN/m. El aumento de la concentración de surfactante al 0,01% condujo a una tensión interfacial de 0,044 ± 0,002 mN/m. El aumento adicional de la concentración de surfactante al 0,1 % resultó en una tensión interfacial ligeramente menor entre la salmuera y el petróleo crudo, a saber, 0,033 ± 0,001 mN/m.

Figura 5. La tensión interfacial entre la salmuera y el petróleo crudo disminuye significativamente con la adición de surfactante. Sin embargo, entre una concentración de 0,01% y 0,1%, la tensión interfacial solo disminuye ligeramente.

Observar el comportamiento dinámico del sistema brinda información adicional crucial. La tensión interfacial registrada a lo largo del tiempo, comenzando con la inyección de la gota de petróleo crudo, se puede ver en la Figura 6. Sin ningún surfactante, la tensión interfacial permanece constante en su valor inicial de 9.165 mN/m. Con una concentración de tensioactivo de 0,002%, la tensión interfacial disminuye durante 1,5 horas y estabiliza a 3,27 mN/m. Aumentar aún más la concentración conduce a tensiones interfaciales más bajas, que también se alcanzan más rápido. Al aumentar la concentración de surfactante de 0,01% a 0,1%, el tiempo necesario para alcanzar la tensión interfacial mínima se reduce de aproximadamente 45 minutos a menos de diez minutos.

Figura 6. Las mediciones dinámicas de la tensión interfacial muestran que la tensión interfacial alcanza su valor mínimo más rápido cuando aumenta la concentración de tensioactivo. A una concentración del 0,1%, la tensión interfacial mínima se alcanza en menos de diez minutos.

Resumen

Usando un tensiómetro de video de gota giratoria SVT de DataPhysics Instruments, se pudieron determinar fácilmente las tensiones interfaciales extremadamente bajas entre la salmuera tratada con surfactante y el petróleo crudo. A una concentración de tensioactivo de 0,01%, se alcanzó la tensión interfacial bastante baja de 0,044 mN/m. Al aumentar la concentración al 0,1%, la tensión interfacial solo cambia en 0,011 mN/m a 0,033 mN/m. Sin embargo, esta adición de surfactante condujo a una reducción más rápida de la tensión interfacial, de 45 minutos al 0,01 % a menos de diez minutos al 0,1 %.

En conclusión, las mediciones con un SVT pueden brindar información rápida, fácil de lograr y útil sobre el comportamiento de la tensión interfacial entre la salmuera y el petróleo crudo y, por lo tanto, pueden usarse para mejorar las formulaciones y los procedimientos utilizados en la recuperación mejorada de petróleo.

Referencia

[1] Milton J. Rosen, Hongzhuang Wang, Pingping Shen, and Youyi Zhu, Ultra- low interfacial tension for enhanced oil recovery at very low surfactant concentrations, Langmuir 21 (2005), No. 9, 3749–3756, DOI: 10.1021/la0400959.

[2] Hooman Mohammadshahi, Hamid- reza Shahverdi, and Mohsen Moham- madi, Optimization of dynamic interfacial tension for crude oil–brine system in the presence of nonionic sur- factants, Journal of Surfactants and Detergents 23 (2020), no. 2, 445–456. DOI: 10.1002/jsde.12372.