CT&F - Ciencia, Tecnología y Futuro

ESTIMATION OF THE REDUCTION OF PRODUCED WATER DISCHARGE THROUGH THE APPLICATION OF RELATIVE PERMEABILITY MODIFIER

ABSTRACT The management of produced water is a significant environmental challenge, particularly considering the goal to achieve 'Water Neutrality' by 2045, which requires the entire elimination of discharges into water bodies. In Colombia, discharged water currently accounts for over 30% of total water production, approximately 80 million m3, which adversely affect various ecosystems. Moreover, the economic implications are substantial, as each barrel of produced water represents a significant quantity of unextracted oil, impacting the fields' profitability. To address this issue, various stimulation methods have been used to mitigate water production. This study is intended to assess the efficacy of these techniques in reducing water production and improving environmental management. The Universidad Industrial de Santander, through its specialized services to the hydrocarbon industry, has conducted numerous assessments of relative permeability modifier (RPM) treatments across diverse scenarios and conditions. These evaluations have revealed high reduction in water permeabilities of up to 90%, effectively curbing water contributions from producer wells. This approach not only yields tangible benefits for companies by averting treatment costs, but also translates into environmental benefits through reduced water discharge. In this study, we leverage this expertise to assess the potential impact of RPM treatments on water production. By analyzing changes in relative permeability curves via reservoir simulation, we aim to estimate the prospective decrease in water production and, consequently, the reduction in oil industry discharges in Colombia prior to a widespread implementation of this technique.

RESUMEN La gestión del agua producida presenta un desafío ambiental significativo, particularmente a la luz del objetivo de lograr la 'Agua Nutralidad' para el año 2045, lo que requiere la eliminación completa de las descargas en cuerpos de agua. En Colombia, el agua descargada representa actualmente más del 30% de la producción total de agua, aproximadamente 80 millones de m3, afectando adversamente a diversos ecosistemas. Además, las implicaciones económicas son sustanciales, ya que cada barril de agua producida representa una cantidad notable de petróleo no extraído, impactando la rentabilidad del campo. Para abordar este problema, se han empleado varios métodos de estimulación para mitigar la producción de agua. Este estudio tiene como objetivo evaluar la eficacia de estas técnicas en la reducción de la producción de agua y la mejora de la gestión ambiental. La Universidad Industrial de Santander, a través de sus servicios especializados para la industria de hidrocarburos, ha realizado numerosas evaluaciones de tratamientos modificadores de permeabilidad relativa (RPM) en diversos escenarios y condiciones, Estas evaluaciones han revelado reducciones notables en las permeabilidades al agua de hasta un 90%, frenando eficazmente las contribuciones de agua en los pozos de producción. Este enfoque no solo produce beneficios tangibles para las empresas al evitar costos de tratamiento, sino que también se traduce en ventajas ambientales a través de la reducción de la descarga de agua. En este estudio, aprovechamos esta experiencia para evaluar el impacto potencial de los tratamientos RPM en la producción de agua. Mediante el análisis de los cambios en las curvas de permeabilidad relativa a través de simulación de yacimientos, buscamos estimar la posible disminución en la producción de agua y, consecuentemente, la reducción en las descargas de la industria petrolera en Colombia antes de la implementación generalizada de esta técnica.

ENHANCING ALARM MANAGEMENT IN GREEN HYDROGEN PLANTS: A COMPREHENSIVE ANALYSIS OF THE V-NETS-BASED METHODOLOGY PLANTS

ABSTRACT This paper presents a novel V-nets-Based Alarm Management (VBAM) methodology designed to enhance supervision and safety in Green Hydrogen Plants (GHPs). The proposed approach integrates visual modeling and temporal pattern analysis to accurately detect and manage alarms, seeking to reduce false positives and optimize response times. The methodology starts with a Preliminary Hazard and Operability (HAZOP) analysis to identify potential hazards and critical operational conditions, which are the foundation for constructing V-nets that map the temporal relationships between discrete events. By systematically capturing event sequences and their interdependencies, the VBAM approach allows for early fault detection and a proactive alarm management system fit for varying operational scenarios. A case study of the EL30N Green Hydrogen Plant proves the efficacy of the VBAM methodology in reducing downtime, improving system safety, and enhancing overall operational efficiency. This work provides a comprehensive framework for addressing discrete event challenges in alarm management, paving the way for safer and more resilient practices in green hydrogen production. Future directions will include expanding the application of VBAM to other operational phases and incorporating real-time analytics for further performance optimization.

RESUMEN Este artículo presenta una nueva metodología de gestión de alarmas basada en redes V (VBAM) diseñada para mejorar la supervisión y la seguridad en plantas de hidrógeno verde (GHP). El enfoque propuesto integra el modelado visual y el análisis de patrones temporales para detectar y gestionar alarmas con precisión, con el objetivo de reducir los falsos positivos y optimizar los tiempos de respuesta. La metodología comienza con un análisis preliminar de peligros y operabilidad (HAZOP) para identificar peligros potenciales y condiciones operativas críticas, formando la base para construir redes virtuales que mapeen las relaciones temporales entre eventos discretos. Al capturar sistemáticamente secuencias de eventos y sus interdependencias, el enfoque VBAM permite la detección temprana de fallas y un sistema de gestión de alarmas proactivo que se adapta a diferentes escenarios operativos. Un estudio de caso de la planta de hidrógeno verde EL30N demuestra la eficacia de la metodología VBAM para reducir el tiempo de inactividad, mejorar la seguridad del sistema y mejorar la eficiencia operativa general. Este trabajo proporciona un marco integral para abordar los desafíos de eventos discretos en la gestión de alarmas, allanando el camino para prácticas más seguras y resilientes en la producción de hidrógeno verde. Las direcciones futuras incluyen ampliar la aplicación de VBAM a otras fases operativas e incorporar análisis en tiempo real para una mayor optimización del rendimiento.

STRUCTURAL INSIGHTS OF ASPHALTENES THROUGH MILD OXIDATION REACTIONS AND MID INFRARED SPECTROSCOPY

ABSTRACT Mild oxidation reactions were induced over four different asphaltenes. Oxidation products were characterized via infrared spectroscopy to propose structural descriptors, taking advantage of the high sensitivity for detecting carbon oxygen vibrations in the infrared spectrum. Although no quantification over functional groups was performed, a good comparison between feedstock and products was achieved, after de-convoluting the FTIR spectra. It was confirmed that methyl groups are useful moieties on tracing the position of alkyl topologies over the n-heptane insoluble structures throughout oxidation reactions, as oxidation is more suitable on α -H of side alkyl chains. Considering this, it was inferred that the esters were the main functional groups formed under such oxidation conditions. The formation of lactones over aromatic nuclei was monitored through the slope of a parity plot with band intensity ranging between 1730cm-1 and 1230cm-1. TGA-MS and 1H-NMR analysis of raw n-heptane insolubles rendered valuable complementary information to confirm the structural attributes of the samples obtained by FTIR. The results from this research prove that handling oxidation selectivity over such complex hydrocarbon mixtures could have broader relevance for structural characterization purposes.

RESUMEN Cuatro asfaltenos fueron sometidos a reacciones de oxidación suaves. Los productos de oxidación se caracterizaron mediante espectroscopía infrarroja para proponer descriptores estructurales, aprovechando la alta sensibilidad para detectar vibraciones de carbono y oxígeno en el espectro infrarrojo. Aunque el trabajo no se enfocó en cuantificar grupos funcionales, se logró una buena comparación entre la materia prima y los productos, después de de-convolucionar los espectros FTIR. Se confirmó que los grupos metilo son fragmentos útiles para rastrear la posición de las topologías alquílicas sobre las estructuras de asfaltenos durante las reacciones de oxidación, ya que la oxidación es más adecuada en α-H de las cadenas de alquilo laterales. Considerando lo anterior, se pudo inferir que los ésteres fueron los principales grupos funcionales formados bajo las condiciones de oxidación empleadas. La formación de lactonas sobre núcleos aromáticos se monitoreó a través de la pendiente de un diagrama de paridad entre las intensidades de las bandas alrededor de 1730 cm-1 y 1230 cm-1. Los análisis TGA-MS y de RMN-H1 ofrecieron ofreció información valiosa que contribuyó a confirmar los atributos estructurales de las muestras obtenidos por FTIR. Los resultados obtenidos en esta investigación demuestran que el manejo de la selectividad de oxidación sobre mezclas de hidrocarburos tan complejas podría tener una relevancia más amplia que se extiende más allá del uso de procesos de oxidación para la mejora de asfaltenos, hacia propósitos de caracterización estructural.

DISSOLVED ORGANIC MATTER (DOM) AS NATURAL TRACKING AGENT IN CYCLIC STEAM STIMULATION WITH PREFORMED FOAMS: A MATURE HEAVY OIL FIELD CASE

ABSTRACT The object of this paper was to analyze the non-volatile water-soluble fraction or dissolved organic matter (DOM) from production water associated with Cyclic Steam Stimulation (CSS) with preformed foams through high and ultra-high mass spectrometry. Using ESI FT-ICR MS, six naphthenic acids were identified and selected as new potential natural tracking agents. Subsequently, the DOM fractions were analyzed via ESI MSMS, through which semi-quantitative concentrations of these compounds were established for the samples. The results show that the DOM concentration monitored through ESI-MSMS allows for the correlation of changes during the cycles of steam+foam injection with the increases/decreases of oil production in three wells from the Cocorná Field, Colombia. This information becomes relevant for quality control of cyclic steam injection and, hence, for developing heavy oil mature fields. Thus, monitoring water-soluble petroleum compounds is presented as an affordable strategy and a promising tool to track changes in reservoirs subjected to water injection.

RESUMEN En el presente trabajo se analizó la fracción soluble no volátil en agua o materia orgánica disuelta (DOM) obtenida del agua de producción asociada a la Estimulación Cíclica por Vapor (CSS) con espumas preformadas mediante espectrometría de masas de alta y ultra-alta. Utilizando ESI FT-ICR MS, se identificaron y seleccionaron seis ácidos nafténicos como nuevos posibles agentes de seguimiento naturales. Posteriormente, las fracciones de DOM se analizaron mediante ESI MSMS, y se establecieron concentraciones semicuantitativas de estos compuestos para las muestras. Los resultados muestran que la concentración de DOM monitoreada a través de ESI-MSMS permite correlacionar los cambios durante los ciclos de inyección de vapor+espuma con los aumentos/disminuciones de la producción de petróleo en tres pozos del Campo Cocorná, Colombia. Esta información se vuelve relevante para el control de calidad de la inyección cíclica de vapor y, por tanto, para el desarrollo de campos maduros de petróleo pesado. De esta manera, monitorear compuestos de petróleo solubles en agua se presenta como una estrategia asequible y una herramienta prometedora para seguir cambios en yacimientos sometidos a inyección de agua.

THE IMPACT OF MIXED FUELS CONTAINING PYROLYSIS OIL, DIESEL, N-BUTANOL AND 2-EHN ON EMISSIONS AND PERFORMANCE OF DIESEL ENGINE

ABSTRACT The environmental impactof fossil fuels and their limited availability increase the need for research into alternative energy sources. In this research, pyrolysis oil (PO) was obtained from waste sour cherry kernels. PO cannot be used directly as fuel in diesel engines because of its negative fuel properties, such as low energy density, high viscosity, high water content, and low cetane number. Therefore, PO was blended with diesel at various weight proportions (wt%) using n-butanol (NB) as co-solvent, and 2-ethylhexyl nitrate (2-EHN) as cetane improver. Blended fuels containing 40 wt% diesel i.e., D2 (Diesel 40% / PO 0% / NB 55% / 2-EHN %5), D3 (Diesel 40 / PO 5% / NB 50% / 2-EHN 5%) and D4 (Diesel 40% / PO 15% / NB 40% / 2-EHN 5%) were identified as optimal blend compositions regarding the physicochemical characteristics of fuel. These fuels were tested for engine performance and emission characteristics at engine speeds of 1500, 1800, 2400, 3000 and 3600 rpm under full engine load (10 Nm) in a single-cylinder diesel engine. All data (i.e. cylinder pressure, engine torque and performance changes, heat release rate, and emission characteristics) were recorded using a Kistler KiBox data acquisition system. The engine tests showed a decrease in NOx, HC and soot emissions when blended fuels (D2, D3 and D4) were compared to D1 (Diesel 100% / PO 0% / NB 0% / 2-EHN 0°%). The lower NOx emissions in the blended fuels are explained by the PO's water content. Water raises the specific heat capacity of the fuel-air mixture while reducing the internal cylinder temperature. Additionally, the high latent heat of evaporation of n-butanol may contribute to reduce NOx emissions. In addition, the decrease in HC emissions may be caused by the increase in the oxygen ratio of blended fuels, while the decrease in soot emissions may be caused by the low C/H ratio and high oxygen content of blended fuels. To conclude, blends of PO, diesel n-butanol, and 2-EHN can be used as biofuels in diesel engine applications.

RESUMEN Los impactos ambientales de los combustibles fósiles y su disponibilidad limitada aumentan la necesidad de investigar fuentes de energía alternativas. En esta investigación, se obtuvo aceite de pirólisis (PO) a partir de residuos de huesos de cereza ácida. El PO no puede utilizarse directamente como combustible en motores diésel debido a sus propiedades negativas, como baja densidad de energía, alta viscosidad, alto contenido de agua y bajo número de cetano. Por lo tanto, el PO se mezcló con diésel en varias proporciones de peso (wt%) utilizando n-butanol (NB) como co-solvente y nitrato de 2-etilhexilo (2-EHN) como mejorador del cetano. Los combustibles mezclados que contienen 40 wt% de diésel, es decir, D2 (Diésel 40% / PO 0% / NB 55% / 2-EHN 5%), D3 (Diésel 40% / PO 5% / NB 50% / 2-EHN 5%) y D4 (Diésel 40% / PO 15% / NB 40% / 2-EHN 5%) fueron identificados como las composiciones óptimas de mezcla con respecto a las características fisicoquímicas del combustible. Estos combustibles se probaron para el rendimiento del motor y las características de emisión a velocidades del motor de 1500, 1800, 2400, 3000 y 3600 rpm bajo carga completa del motor (10 Nm) en un motor diésel de un solo cilindro. Todos los datos (es decir, presión en el cilindro, par motor y cambios en el rendimiento, tasa de liberación de calor y características de emisión) se registraron utilizando un sistema de adquisición de datos Kistler KiBox. Las pruebas del motor mostraron una disminución en las emisiones de NOx, HC y hollín cuando se compararon los combustibles mezclados (D2, D3 y D4) con D1 (Diésel 100% / PO 0% / NB 0% / 2-EHN 0%). Las menores emisiones de NOx en los combustibles mezclados se explican por el contenido de agua del PO. El agua aumenta la capacidad calorífica específica de la mezcla de aire-combustible mientras reduce la temperatura interna del cilindro. Además, el alto calor de evaporación del n-butanol puede contribuir a una reducción en las emisiones de NOx. Además, la disminución de las emisiones de HC puede ser causada por el aumento en la proporción de oxígeno de los combustibles mezclados, mientras que la disminución de las emisiones de hollín puede deberse a la baja proporción C/H y al alto contenido de oxígeno de los combustibles mezclados. En conclusión, las mezclas de PO, diésel, n-butanol y 2-EHN pueden ser utilizadas como biocombustibles en aplicaciones de motores diésel.

AN INNOVATIVE SIMULATION METHODOLOGY FOR HYBRID TECHNOLOGY WITH NANOCATALYST-ENHANCED SOLVENT (HYB-SEN) AS AN ALTERNATIVE FOR IMPROVING ENVIRONMENTAL INDICATORS IN CYCLIC STEAM STIMULATION

ABSTRACT Pursuant to the goals of sustainable development, and in line with current energy needs, it is increasingly necessary to create more energy-efficient processes, and reduce their carbon footprint. New energy-efficient technologies for heavy oil recovery must be developed, such as hybrid technologies, where some additives are used for steam injection processes. One of the hybrid technologies with good potential for energy-efficient heavy oil recovery is cyclic steam injection with solvents enhanced with nanocatalysts (HYB-SEN), which could also generate oil upgrading by pseudo-aquathermolysis reactions. According to the above, this research focused on evaluating the impact on the reduction of greenhouse gases of the hybrid steam technology with naphtha-based nanofluids concerning the conventional cyclic steam injection (CSS). For this purpose, a simulation model for conventional cyclic steam stimulation (CSS) called the CSS baseline was created, including the pseudo-aquathermolysis reaction and the reaction kinetics based on experimental tests such as thermogravimetric analysis (TGA), analysis of gases and fluids after coreflooding tests in the presence and absence of nanocatalysts, physicochemical characterization tests of crude oil, naphtha, among others, as well as fluid properties software. On the other hand, the reduction in the production of greenhouse gases by hybrid technology concerning the CSS baseline was calculated. The impact of the hybrid technology on the injection scenarios was determined through the proposed environmental indicators like energy efficiency, reduction of Basic Sediment and Water (BSW), and reduction of carbon footprint reflected in lower carbon -intensity, among others, by numerical simulation. The results of the hybrid technology with nanocatalysts simulation showed an increase in oil recovery of an additional 3756.5 Bbl of crude oil compared to the conventional technique and a reduction greater than 18% for the CO2 production compared to conventional cyclical steam injection. Further, the environmental impact analysis of the scenario concerning the baseline was evaluated, finding a positive impact on energy efficiency improvement, reduction of BSW, and reduction of carbon footprint reflected in lower carbon-intensity, among others. Additionally, hybrid technology results in an additional benefit with the use of raw materials such as naphtha in crude oil transportation, used at the field, which implies a reduction in their subsequent use due to the improvement of crude oil properties. The foregoing indicates that hybrid steam technology with naphtha-based nanomaterials not only generates positive impacts on oil recovery compared to the conventional technique, but also has a positive effect by enhancing energy efficiency and reducing carbon footprint.

RESUMEN De acuerdo con las metas de desarrollo sostenible y alineado con las necesidades energéticas actuales cada vez se hace más necesario generar procesos más eficientes energéticamente y reducir la huella de carbono asociada al proceso. Debido a esta necesidad, se requiere generar tecnologías más eficientes para la recuperación de petróleo basadas en las ya existentes para crudo pesado como lo es la inyección de vapor, a raíz de esto surgen las denominadas tecnologías híbridas. Una de las tecnologías híbridas que podría tener un buen potencial en la recuperación eficiente de crudos pesados es la inyección cíclica de vapor con solventes mejorados con nanocatalizadores, el cual además podría generar mejoramiento de crudos pesados en procesos de recobro térmico, específicamente en reacciones de acuatermólisis ocurridas en procesos de inyección de vapor. Debido a lo anterior, este trabajo se centró en la estimación del impacto en la reducción de gases de efecto invernadero de la tecnología híbrida de vapor con nanofluidos base nafta respecto a la tecnología convencional de inyección cíclica de vapor (CSS). Para este fin se generó un modelo de simulación para la inyección cíclica de vapor (CSS) convencional denominada caso base en la que se incluyó la reacción de acuatermólisis y la cinética de la reacción los cuales se basan en pruebas experimentales como análisis termogravimétrico (TGA), análisis de gases y fluidos posterior al desplazamiento en presencia y ausencia de nanocatalizadores, pruebas de caracterización fisicoquímica de crudo, nafta entre otros, así como un software de propiedades de los fluidos. Por otro lado, se determinaron los gases de efecto invernadero de la tecnología híbrida y se evaluó su reducción respecto al caso base. De acuerdo con los indicadores ambientales propuestos se evaluó el impacto ambiental de la tecnología híbrida con el escenario de inyección propuesto y desarrollado mediante simulación numérica. Los resultados de la simulación de la tecnología híbrida con nanocatalizadores mostraron un incremento de recobro para este caso de 3756.5 Bbl adicionales de crudo respecto a la técnica convencional y una reducción superior al 18% para la producción de CO2 respecto a la inyección cíclica de vapor convencional. Por otro lado, se realizó el análisis de impacto ambiental del escenario evaluado respecto al caso base encontrándose un impacto positivo respecto a mejora de la eficiencia energética, reducción de BSW, reducción de huella de carbono reflejado en una menor carbono-intensidad entre otros. Adicionalmente, la tecnología híbrida presenta un beneficio adicional con el uso de materias primas como la nafta en transporte de crudo, empleándolas en yacimiento, lo que implica una reducción en su uso posterior debido a la mejora de las propiedades del crudo. Lo anterior, indica que la tecnología híbrida de vapor con nanofluidos base nafta no solo genera impactos positivos en productividad, es decir mayor recobro respecto a la técnica convencional, sino que además impacta positivamente en la mejora de la eficiencia energética y la reducción de huella de carbono.

DESIGN AND EVALUATION OF A NANOFLUID CONTAINING MAGNETITE AND GRAPHENE OXIDE NANOCOMPOSITES TO PREVENT ASPHALTENES PRECIPITATION IN POROUS MEDIA

ABSTRACT The precipitation and destabilization of asphaltenes in mature oil fields pose significant challenges to the oil industry, leading to damage on the producing formation and the potential blockage of production facilities. Conventional removal and inhibition methods have proven to be costly and temporary, with no guarantee of preventing new asphaltene deposits. In this study, our focus is on the design and evaluation of a stable nanofluid composed of Fe3O4 (Magnetite) and GO (Graphene Oxide) nanocomposites as an effective asphaltene stabilization agent in Colombian crude oil. By functionalizing magnetite nanoparticles with graphene oxide, we achieved a significant improvement in their stability. Various surfactants were tested to enhance the nanoparticle stability, followed by viscosity modification using commercial additives to attain the desired stability. The stability of the nanofluid was thoroughly evaluated through Oliensis, SARA, flocculation, rheology, and physicochemical analyses. Additionally, fluid-fluid and fluid-rock interaction tests were conducted under reservoir conditions. The results demonstrated an impressive 48% reduction in asphaltene-induced damage and a positive change in wettability, leading to a remarkable 38% increase in the recovery factor observed in core analyses. This study provides a promising approach to mitigate asphaltene-related challenges in mature oil fields, ensuring formation integrity and enhancing production efficiency.

RESUMEN La precipitación y desestabilización de asfaltenos en campos petroleros maduros representan desafíos significativos para la industria petrolera, porque conlleva daños a la formación productiva y el potencial bloqueo de las facilidades de producción. Los métodos convencionales de eliminación e inhibición de asfaltenos han demostrado ser costosos y temporales, sin garantía de prevenir nuevos depósitos de estos. En este estudio, nuestro enfoque se centra en el diseño y evaluación de un nanofluido estable compuesto por nanocompuestos de Fe3O4 (magnetita) y GO (óxido de grafeno) como un agente eficaz de estabilización de asfaltenos en un crudo colombiano. Al funcionalizar nanopartículas de magnetita con óxido de grafeno, logramos una mejora significativa en su estabilidad. Se probaron varios surfactantes para mejorar la estabilidad de las nanopartículas, seguido de una modificación de la viscosidad mediante aditivos comerciales para lograr la estabilidad deseada. La estabilidad del nanofluido y su capacidad de inhibición fue evaluada exhaustivamente a través de análisis Oliensis, SARA, flocculación, reología y fisicoquímicos. Además, se realizaron pruebas de interacción fluido-fluido y fluido-roca bajo condiciones de yacimiento. Los resultados demostraron una impresionante reducción del 48% en los daños inducidos por asfaltenos y un cambio positivo en la mojabilidad, lo que llevó a un notable aumento del 38% en el factor de recobro, que fue observado en análisis de núcleos (Coreflooding). Este estudio proporciona un enfoque prometedor para mitigar los desafíos relacionados con asfaltenos en campos petroleros maduros, garantizando la integridad de la formación y mejorando la eficiencia de producción.