CT&F - Ciencia, Tecnología y Futuro

BIODEGRADATION AND TOXICITY OF SCLEROGLUCAN FOR ENHANCED OIL RECOVERY

ABSTRACT Polymer flooding consists of injecting polymer-augmented water into the reservoir to control the water-oil mobility ratio, resulting in an increase in the volumetric sweep efficiency compared to water flooding. Synthetic polymers (polyacrylamides) and biopolymers (scleroglucan, xanthan gum, schizophyllan) are the two families of polymers usually evaluated for enhanced oil recovery (EOR). Scleroglucan (SG) is resistant to electrolytes, hydrolysis, pH (3-10) and temperature (30-100°C) and has remarkable rheological properties, but it is quite susceptible to microbiological degradation. The primary objective of this study was to evaluate the biodegradation of SG in the injection and production processes and its aquatic toxicity. The anaerobic biodegradation of the SG solutions was determined through the viscosity changes of the solutions, while the aerobic biodegradation was calculated with the changes in the SG concentration. It was observed that the viscosity reduction of the SG solution was 30% and the SG concentration decreased from 100 ppm to 52 ppm because bacteria can metabolize the biopolymer. Daphnia pulex, Scenedesmus acutus and Oreochromis sp. were the organisms used in the ecotoxicological assays of the SG solutions. The acute ecotoxicological bioassays showed that there was no evidence of acute deleterious effects of SG on any of the three organisms. From the chronic ecotoxicological bioassays, it was concluded that there was no effect of SG on the mortality of Daphnia pulex, regardless of the tested SG concentration.

RESUMEN La inyección de polímeros en el yacimiento es usada para incrementar la viscosidad del agua para controlar la relación de movilidad agua-petróleo, lo que resulta en un aumento en la eficiencia de barrido volumétrico, en comparación con el proceso de inyección de agua. Los polímeros sintéticos (poliacrilamidas) y biopolímeros (escleroglucano, goma xantana, esquizofilano) son las dos familias de polímeros más usadas para la recuperación mejorada de petróleo (EOR). El escleroglucano (SG) es resistente a electrolitos, hidrólisis, pH (3- 10) y temperatura (30-100°C) y tiene excelentes propiedades reológicas, pero es susceptible a la degradación microbiana. El objetivo principal de este estudio fue evaluar la biodegradación de SG durante su inyección y producción y su toxicidad acuática. La biodegradación anaeróbica de las soluciones SG se determinó a través de los cambios de viscosidad de las soluciones, mientras que la biodegradación aeróbica fue calculada por los cambios en la concentración de SG. Se observó que la reducción de la viscosidad de la solución SG fue del 30% y que la concentración de SG disminuyó de 100 a 52 ppm, porque las bacterias pueden metabolizar el biopolímero. Daphnia pulex, Scenedesmus acutus y Oreochromis sp. fueron los organismos utilizados en los ensayos ecotoxicológicos de las soluciones SG. Los bioensayos ecotoxicológicos agudos mostraron que no hay evidencia de efectos nocivos agudos del SG en ninguno de los tres organismos. A partir de los bioensayos ecotoxicológicos crónicos se concluyó que no hay efecto del SG en la mortalidad de Daphnia pulex, a las concentraciones de SG evaluadas.

LOW - MEDIUM ENTHALPY GEOTHERMAL RESOURCE ASSESSMENT IN DEEP RESERVOIRS OF THE LLANOS BASIN -COLOMBIA

ABSTRACT The exploration and exploitation of hydrocarbons in sedimentary basins such as the Llanos Basin of Colombia, have enabled the acquisition of large volumes of surface and subsurface data, for assessing the geothermal potential of deep aquifers. The integrated analysis of geothermal play elements such as temperature, reservoir - fluid properties, and their depth in the basin, with the available hydrogeological-chemical data, allow us to define three regional plays as follows: Play A, characterized by naturally fractured reservoirs, in crystalline basement rocks- Paleozoic, with temperatures above 150 ºC, semi-confined aquifers; b) Play B, composed by Mesozoic quartz sandstone reservoirs, with primary porosity greater than 10%, temperatures between 75 ºC to 150 ºC, semi-confined aquifers, near to high hydraulic head zones with 500 m difference ranges in the regional piezometric surface; c) Play C, composed by Mesozoic quartz sandstones, high primary porosity, temperatures below 100 ºC, confined aquifers. Available well and Oil and Gas production data suggests that Play A is speculative, Play B is hypothetical, and Play C is known.

RESUMEN La exploración y explotación de hidrocarburos en cuencas sedimentarias como la de los Llanos Orientales de Colombia, han hecho posible la adquisición de grandes volúmenes de información de superficie y subsuelo, que permiten evaluar el potencial calórico de los acuíferos profundos. Gracias al análisis integrado de los elementos del play geotérmico como la temperatura, las propiedades del reservorio y su profundidad en la cuenca, con la información hidrogeológica-química disponible, se pueden definir tres plays regionales como: Play A, compuesto por reservorios naturalmente fracturados, en rocas cristalinas del basamento - Paleozoico, con temperaturas superiores a 150ºC, acuíferos semiconfinados; Play B, compuesto por reservorios de areniscas cuarzosas del Mesozoico, con porosidad primaria mayor al 10%, temperaturas entre 75ºC a 150ºC, acuíferos semiconfinados, cercanos a zonas con 500 m de cabeza hidráulica; c) Areniscas cuarzosas del Mesozoico tardío, alta porosidad primaria, temperaturas menores a 75ºC en acuíferos confinados. La información disponible de pozos y producción de Oil and Gas sugieren que el Play A es especulativo, el Play B es hipotetico y el Play C está conocido.

TECHNO-ECONOMIC ASSESSMENT OF SMALL WIND TURBINES UNDER LA GUAJIRA-COLOMBIA RESOURCE CONDITIONS

ABSTRACT Hydroelectric plants broadly sustain Colombian electricity demand. However, wind power emerges to improve the Colombian energy matrix and capacity, satisfying the energy demand. Thus, this study evaluates the technical and economic feasibility of projects based on Small Wind Turbines (SWTs), based on the Colombian wind resource availability. Furthermore, due to the Colombian diversity of energy sources, sensitivity to climate changes and a high percentage of non-interconnected territory, the SWTs excels as an off-grid energy system alternative. For this purpose, the annual energy production and the capacity factor of 24 SWT and the wind resource in Puerto Bolívar, La Guajira, are considered. A techno-economic study that includes cash flow analysis and net present value is used to determine economic viability, considering a financing percentage sensitivity analysis. From the results, it can be concluded that an SWT based project increases its profitability by increasing the IRR value and lowering the financing percentage. Further, the best SWT models can be related to a higher capacity factor value based on the economic phase.

RESUMEN Las plantas hidroeléctricas sustentan la demanda de electricidad de Colombia. Sin embargo, la energía eólica surge para mejorar la matriz y capacidad energética colombiana, satisfaciendo la demanda energética. De esta manera, este estudio evalúa la factibilidad técnica y económica de proyectos basados en Turbinas Eólicas Pequeñas (SWT) considerando la disponibilidad del recurso eólico colombiano. Además, debido a la diversidad colombiana de fuentes de energía, la sensibilidad a los cambios climáticos y un alto porcentaje de territorio no interconectado, los SWT sobresalen como una alternativa de sistemas de energía fuera de la red. Para ello, se considera la producción de energía anual y el factor de capacidad de 24 SWT y el recurso eólico en Puerto Bolívar, La Guajira. Se implementa un estudio técnico-económico, que incluye el análisis de flujo de caja y valor actual neto para determinar la viabilidad económica, considerando el análisis de la sensibilidad porcentual de financiamiento. A partir de los resultados, se puede concluir que un proyecto basado en SWT aumenta su rentabilidad al aumentar el valor de la TIR y reducir el porcentaje de f mandamiento. Además, los mejores modelos SWT pueden relacionarse con un valor de factor de capacidad más alto en función de la fase económica.

CHARACTERIZATION OF A GROUND PENETRATING RADAR SHIELDED ANTENNA USING LABORATORY MEASUREMENTS, FDTD MODELING AND SWARM GLOBAL OPTIMIZATION

ABSTRACT Full Waveform Inversion (FWI) is an optimization method that retrieves high-quality images of the ground's internal electromagnetic properties, such as permittivity, permeability, or conductivity. FWI requirements include an initial subsurface image of the parameters (starting point models), a wave propagation model, a cost function, and the source wavelet used during data acquisition. Usually, the source wavelet is estimated from the acquired data, or modelled from the antenna characteristics. In this study, the materials of the shielded antenna of a commercial Ground Penetrating Radar (GPR), developed by GSSI, are estimated using a global optimization method, from the observation measurements of the source signal. The estimated source is then used to model the wave propagation of the electromagnetic signal, and to estimate the electromagnetic parameters of the SEAM model via FWI. Experimental results show that the soil characteristics with the estimated source and pattern radiations retrieve better quality images than the inversion when the radiation pattern is neglected. In fact, the impact of using the correct source during the inversion is more evident when the initial model is distant from the correct solution.

RESUMEN La inversión de forma de onda completa (FWI) es un método de optimización que permite obtener imágenes de alta calidad de las propiedades electromagnéticas internas del suelo, como la permitividad, permeabilidad o conductividad. La FWI requiere una imagen inicial del subsuelo (punto de partida), una ecuación de onda para modelar la propagación de las ondas, una función de costo y la ondícula fuente utilizada en la adquisición de los datos. Por lo general, la ondícula de la fuente se estima a partir de los datos adquiridos o se modela a partir de las características de la antena. En este estudio, se estiman los materiales de una antena blindada de radar de penetración terrestre (GPR) comercial, desarrollado por GSSI, utilizando un método de optimización global. La fuente estimada se utiliza para modelar la propagación de las ondas electromagnéticas y para estimar los parámetros electromagnéticos del modelo SEAM a través de la FWI. Los resultados experimentales muestran que la inversión que incluye la fuente estimada y el patrón de radiación produce imágenes de mejor calidad que la inversión que ignora el patrón de radiación. De hecho, el impacto de usar la fuente correcta durante la inversión es más evidente cuando el modelo inicial está lejos de la solución correcta.

NUMERICAL MODELING OF OIL SPILLS IN THE GULF OF MORROSQUILLO, COLOMBIAN CARIBBEAN

ABSTRACT This study encompasses the analysis of oil spills occurred in the Gulf of Morrosquillo during the loading procedures of oil tankers in the Coveñas maritime Terminal, by means of numerical simulation experiments of the trajectories and weathering processes of oil spilled, which occurred under specific wind, waves, and ocean currents conditions. A three-dimensional (3D) modelling system, OpenOil, which is part of the open-source OpenDrift trajectory framework was used to simulate two contingencies occurred in July and August 2014. During each event, different volumes of Vasconia crude oil spilled on the sea surface were simulated. The resulting slicks were subject to wind drift, Stokes drift from wave forcing, and ocean currents transporting the oil spilled towards the coast. Oil weathering effects (evaporation, emulsification, and biodegradation) are included in the analysis. To calculate weathering of the oil, OpenOil interfaces with the latest version of the open source ADIOS oil library. It should be noted that meteorological and ocean conditions contribute to the oil pathways that in both periods forced the oil slick towards the central coast of the Gulf. The wind speed is an important factor contributing to the rapid evaporation rates of the oil spilled in the warm waters of the Caribbean Sea; hence, allowing a gradual increase of the water fraction, which could lead to the formation of tar balls found in the affected coasts in the areas simulated by the model. The implementation of OpenOil to predict the oil fate and weathering processes in the Colombian basin prove to be a valuable tool that should be used in this maritime terminal to improve planning and preparedness in case of an oil spill. The simulations could be enhanced with higher resolution databases.

RESUMEN Este estudio comprende el análisis de los derrames de hidrocarburos ocurridos en el Golfo de Morrosquillo durante los procedimientos de carga de buques petroleros en el Terminal Marítimo de Coveñas, mediante la simulación numérica de las trayectorias y procesos de envejecimiento del crudo derramado, los cuales ocurrieron bajo condiciones específicas de viento, oleaje y corrientes oceánicas. Se utilizó un sistema de modelado tridimensional (3D), OpenOil, que forma parte del OpenDrift, de código abierto, para simular dos contingencias que ocurrieron en julio y agosto de 2014. Durante cada evento se simularon diferentes volúmenes de crudo Vasconia derramado en la superficie del mar. Las manchas resultantes están sujetas a la deriva del viento, la deriva de Stokes por la fuerza de las olas y las corrientes oceánicas que transportan el crudo derramado hacia la costa. Se incluye en el análisis los efectos del intemperismo o meteorización en la calidad del crudo (evaporación, emulsificación y biodegradación). Para calcular el envejecimiento del petróleo, OpenOil interactúa con la última versión de la biblioteca de hidrocarburos ADIOS de código abierto. Se encontró que las condiciones meteorológicas y oceánicas contribuyen con el comportamiento de la mancha de crudo, que durante estos dos períodos forzaron la trayectoria de la mancha hacia la costa central del Golfo. La velocidad del viento es un factor importante que contribuye a las rápidas tasas de evaporación del petróleo derramado en las cálidas aguas del mar Caribe, lo que permite un aumento gradual de la fracción de agua, que podría conducir a la formación de bolas de alquitrán que se encontraron en las costas afectadas en las áreas que fueron simuladas por el modelo. La implementación del OpenOil para predecir el destino del petróleo y los procesos de envejecimiento en la cuenca colombiana resulta ser una valiosa herramienta que debe utilizarse en esta terminal marítima para mejorar la planificación y preparación en caso de un derrame de petróleo en el Golfo de Morrosquillo. Las simulaciones obtenidas podrían mejorarse con el uso de bases de datos de más alta resolución.

EFFECT OF THE STRUCTURAL CHARACTERISTICS OF NAPHTHENIC ACIDS ON THE CORROSION KINETICS OF AN AISI SAE 1005

ABSTRACT Processing crudes with high naphthenic acid content causes corrosion problems on the crude oil distillation units. The total acid number (TAN) is commonly used to evaluate the corrosivity of crude oils; thus for decision-making related to corrosion mitigation and control in refineries. However, the TAN only represents the number of carboxylic groups present in the crude oil and does not consider the structural characteristics of the naphthenic acids, nor their reactivity, which are highly relevant to corrosion. On the other hand, the study of naphthenic acids as fractions with specific structural characteristics should enable the identification of differences in the corrosivity of crude oil with the same naphthenic acid concentration. In this research work, the fractioning of a commercial mixture of naphthenic acids was performed using the ionic strength of their respective salts. The structural characterization of the obtained fractions was conducted using Fourier-transform infrared and mass spectroscopy, gel permeation chromatography, and nuclear magnetic resonance. Furthermore, the corrosion rate of AISI SAE 1005 steel exposed to each fraction of naphthenic acids in the temperature range between 270 and 350 °C was determined. Based on these results, a kinetic model of parallel reactions for predicting the concentration of dissolved iron in crude oil containing a mixture of naphthenic acids is proposed and validated.

RESUMEN El procesamiento de crudos con alto contenido de ácidos nafténicos causa problemas de corrosión en las unidades de detilación. El Número Total Ácido (TAN) es comunmente usado para evaluar la corrosividad de crudos, y por lo tanto es un parametro usado para la toma de decisiones relacionadas con el control de la corrosión de la refinerías. Sin embargo, el TAN solo representa el número de grupos carboxílicos presentes en el crudo y no considera las características estructurales de los ácidos nafténicos ni su reactividad en las reacciones de corrosión. En este trabajo se desarrolló el fraccionamiento de una mezcla comercial de ácidos nafténicos a partir de la solubilidad de sus respectivas sales. Se determinaron parámetros estructurales característicos de los ácidos nafténicos de cada fracción usando Espectroscopia de Infrarrojo, Cromatografía De Permeación en Gel, Resonancia Magnética Nuclear, Espectroscopia de Masas y Análisis Elemental. Se realizó el estudio cinético de la reacción de corrosión de un acero AISI 1005 expuesto a cada fracción de ácidos nafténicos en el rango de temperatura entre 270 y 350°C. Finalmente, se propuso un modelo de reacciones paralelas para la predicción de la concentración de hierro disuelto debido a la reacción de corrosión, a partir de la concentración molar de cada una de las fracciones que conforman la mezcla de ácidos nafténicos.

SIMULATION TOOL FOR THE ANALYSIS OF IN-SITU COMBUSTION EXPERIMENTS THAT CONSIDERS COMPLEX KINETIC SCHEMES AND DETAILED MASS TRANSFER-THEORETICAL ANALYSIS OF THE GAS PHASE CO OXIDATION REACTION

ABSTRACT A simulation tool was designed for analyzing various experimental setups that include the ability to model detailed chemical reaction schemes for in-situ combustion (ISC) analysis. The simulation tool was illustrated with a theoretical example to the extent of CO oxidation in a gaseous phase takes place during ISC. The models in the simulation tool are based on fundamental conservation laws, physical correlations for porous media properties, and property databases available in literature. Emphasis is made on the analysis of chemical reactions in the gas phase, a characteristic that may be useful when temperatures are above 700°C and oxygen, unburned hydrocarbons, and CO coexist. The three modules of the simulation tool: (i) Kinetic cell, (ii) One-dimensional reactor, and (iii) Combustion tube, can be used to represent in detail the processes taking place in the typical laboratory-scale equipment used to characterize ISC. Tools for the analysis of transport phenomena and multiphase reactions, present in all three models, can support the process of finding chemical kinetic parameters for an easier calculation of device-independent kinetic constants. Four applications have the simulator scope: (i) Analysis of reactions in the gas phase, (ii) Axial gradients in a kinetic cell, (iii) Pressure build-up in a combustion tube, and (iv) Ignition in a combustion tube. These examples highlight the importance that homogeneous reactions may have in these systems and the existence, under certain conditions, of concentration gradients that are normally neglected, and can affect the interpretation of ISC experiments.

RESUMEN Se desarrolló una herramienta de simulación, diseñada para el análisis de diferentes montajes experimentales que incluye la capacidad de modelar esquemas detallados de reacciones químicas para el análisis de la combustión in-situ (CIS). La herramienta de simulación se ilustró con un ejemplo teórico de la medida en que se produce la oxidación de CO en fase gaseosa durante ISC. Los modelos en el simulador están basados en las leyes fundamentales de conservación, correlaciones físicas para propiedades de medios porosos y bases de datos de propiedades disponibles en literatura libre. Se hace énfasis en el análisis de reacciones químicas en la fase gaseosa, una característica que puede ser útil en casos donde la temperatura exceda los 700°C y, además; el oxígeno, hidrocarburos sin quemar y CO coexistan. Los tres módulos del simulador: (i) Celda cinética, (ii) Reactor unidimensional (iii) Tubo de combustión, pueden ser usados para representar en detalle los procesos que toman lugar en los equipos típicos a escala de laboratorio, usados para caracterizas CIS. Herramientas para el análisis de los fenómenos de transporte y reacciones multifásicas, presentes en los tres modelos, pueden soportar el proceso de encontrar parámetros de cinética química, facilitando el cálculo de parámetros de cinética química independientes del equipo. Cuatro aplicaciones demuestran el alcance del simulador: (i) Análisis de reacciones en fase gaseosa, (ii) Gradientes axiales en una celda cinética, (iii) El desarrollo de presión en un tubo de combustión, y (iv) Ignición en un tubo de combustión, Los ejemplos destacan particularmente la importancia que tienen las reacciones homogéneas y la existencia, bajo ciertas condiciones, de gradientes de concentración que normalmente se desprecian pero pueden afectar la interpretación de experimentos en CIS