Dynamic Evaluation of Sugarcane Drainage Water as a Sustainable Low-Salinity Injection Brine for Enhanced Oil Recovery: Integrated Micromodel Visualization and Coreflooding Study

Resumen Técnico: Evaluación Dinámica del Agua de Drenaje de Caña de Azúcar para la Recuperación Mejorada de Petróleo

Planteamiento del Problema
El estudio aborda dos desafíos convergentes: la creciente escasez de recursos de agua dulce necesarios para la Recuperación Mejorada de Petróleo (EOR, por sus siglas en inglés) y la carga ecológica de la disposición de aguas residuales agrícolas. Si bien la Inundación con Agua de Baja Salinidad (LSF) es una técnica reconocida para mejorar la recuperación de petróleo, particularmente en yacimientos de arenisca, la mayor parte de la investigación existente se basa en salmueras sintéticas diseñadas. El potencial de los efluentes agrícolas naturales y no tratados —específicamente el agua de drenaje de los campos de caña de azúcar— como un fluido de inyección sostenible permanece en gran medida inexplorado. Además, la acumulación de drenaje agrícola plantea riesgos ambientales, incluyendo la degradación de la superficie y las aguas subterráneas. Esta investigación investiga si el agua de drenaje de la caña de azúcar puede servir como una alternativa viable, rentable y sostenible al agua dulce para aplicaciones de EOR, centrándose específicamente en los mecanismos de movilización de petróleo en medios porosos.

Metodología
Los autores emplearon un enfoque integrado que combina la visualización a escala de poro y las pruebas dinámicas a escala de núcleo para evaluar el desempeño de dos muestras distintas de agua de drenaje de caña de azúcar (Agua de Drenaje 1 y 2) frente al agua destilada como línea base.

• Materiales: Se recolectaron dos muestras de agua de drenaje de campos de caña de azúcar en Khuzestan, Irán, durante un período de baja aplicación de fertilizantes para minimizar la interferencia de nitratos y fosfatos. Se utilizó crudo con una gravedad API de 25.72. Se utilizaron núcleos de dolomita (porosidad ~25%, permeabilidad ~43–51 mD) y un micromodelo de vidrio fabricado con estructuras de poros heterogéneas.
• Experimentos en Micromodelo: Se utilizó un micromodelo de vidrio transparente para visualizar los mecanismos de desplazamiento a escala de poro. Los experimentos se realizaron a temperatura y presión ambiente con tasas de inyección de 0.1, 1 y 10 mL/min. Los factores de recuperación se calcularon basándose en el área de petróleo desplazado después de inyectar 5 y 20 volúmenes de poro (PV).
• Experimentos de Coreflooding (Inundación de Núcleo): Las pruebas de desplazamiento dinámico se realizaron en núcleos de dolomita bajo condiciones de yacimiento (80 °C, 600–800 psi de presión de sobrecarga). Los núcleos fueron envejecidos en crudo durante 28 días antes de la inundación. La inyección se llevó a cabo a 0.3 cc/min. Los fluidos producidos fueron centrifugados para separar las fases de aceite y agua para el cálculo de la recuperación.
• Análisis: El estudio analizó los efectos de la tasa de inyección, la química del fluido, la tensión interfacial (IFT) y la alteración de la mojabilidad.

Resultados Clave
El estudio demostró que el agua de drenaje de caña de azúcar supera significativamente al agua destilada en la recuperación de petróleo en ambas escalas experimentales.

• Desempeño en Micromodelo:

  • Agua Destilada: A una tasa de inyección de 10 mL/min y 20 PV, la recuperación alcanzó el 55.78%. La recuperación se vio fuertemente limitada por las fuerzas capilares a tasas más bajas (21.73% a 0.1 mL/min).
  • Agua de Drenaje 1: Logró una recuperación del 72.08% a 10 mL/min (20 PV), mostrando una mejora sobre el agua destilada debido a componentes surfactantes naturales que reducen la IFT y alteran la mojabilidad.
  • Agua de Drenaje 2: Demostró la mayor eficiencia, alcanzando un 81.16% de recuperación a 10 mL/min (20 PV). Esta muestra exhibió un desempeño superior incluso a bajas tasas de inyección (38.16% a 0.1 mL/min), atribuido a una composición iónica más efectiva y una actividad superficial más fuerte.
  • Mecanismos: Las observaciones visuales confirmaron que las aguas de drenaje redujeron la IFT, alteraron la mojabilidad de la roca de petróleo-afín hacia condiciones neutras/agua-afines y facilitaron la formación de emulsiones estables y finamente dispersas. Esto redujo el atrapamiento capilar y mejoró la eficiencia de desplazamiento microscópico.

• Desempeño de Coreflooding:

  • Bajo condiciones dinámicas (80 °C), el agua destilada produjo una recuperación final del 29%.
  • El Agua de Drenaje 1 incrementó la recuperación al 43%.
  • El Agua de Drenaje 2 logró la mayor recuperación a escala de núcleo, alcanzando el 45%.
  • Los resultados confirmaron que la composición química de las aguas de drenaje, específicamente su capacidad para reducir la IFT y modificar la mojabilidad, es el motor principal para la recuperación mejorada en sistemas tipo carbonato.

• Consistencia de Escala: Aunque los valores absolutos de recuperación fueron mayores en el micromodelo debido a la geometría simplificada y la mayor permeabilidad, el orden de desempeño (Agua de Drenaje 2 > Agua de Drenaje 1 > Agua Destilada) se mantuvo consistente en ambas escalas.

Contribuciones Clave

1. Primera Evaluación Dinámica: Este estudio proporciona la primera evaluación dinámica del agua de drenaje de caña de azúcar no tratada como una salmuera de inyección para EOR, yendo más allá de las pruebas estáticas de compatibilidad hacia un desempeño de desplazamiento activo.
2. Fuente de Salmuera Sostenible: Valida el uso de efluentes agrícolas como un fluido de inyección funcional, ofreciendo un doble beneficio de reducir el consumo de agua dulce y proporcionar una vía productiva para la gestión de aguas residuales.
3. Información Mecanística: La investigación elucida que la eficacia de esta fuente de agua no convencional es impulsada por componentes surfactantes naturales que alteran la mojabilidad y reducen la IFT, mecanismos típicamente asociados con el "agua inteligente" o salmueras sintéticas de baja salinidad.
4. Metodología Integrada: Al correlacionar la visualización a escala de poro con los datos dinámicos a escala de núcleo, el estudio confirma que los mecanismos de recuperación observados son robustos a través de diferentes escalas experimentales.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores concluyen que el agua de drenaje de la caña de azúcar, particularmente la Muestra 2, sirve como una salmuera de inyección sostenible y rentable para la EOR basada en agua en yacimientos maduros. El artículo afirma que este enfoque ofrece una alternativa viable al agua dulce, capaz de mejorar significativamente la eficiencia de la recuperación de petróleo mientras aborda los desafíos ambientales asociados con la disposición del drenaje agrícola. Los hallazgos sugieren que utilizar tales efluentes de baja salinidad que ocurren naturalmente puede contribuir a estrategias de producción de petróleo más resilientes y ambientalmente responsables sin la necesidad de formulaciones químicas complejas. El estudio enfatiza que optimizar las tasas de inyección y la selección de fluidos basados en las características del yacimiento es crítico para maximizar estos beneficios.