Petróleo: modelo matemático que optimiza su producción, impulsaría la descarbonización en el país

El petróleo es uno de los principales productos económicos de Colombia, pues representa el 40 % de las exportaciones del país. De ahí la importancia de maximizar su aprovechamiento y resolver científicamente los desafíos ambientales y sociales asociados a su explotación.

“Los asfaltenos afectan la calidad y el procesamiento, y representan entre el 0.5 y el 25 % del contenido total del hidrocarburo; estos tienden a precipitarse como sólidos, taponan las tuberías o quedan atrapados en las rocas porosas, lo que hace que haya menos recobro de petróleo en los yacimientos”, explica Cristiam David Cundar Paredes, doctor en Ingeniería - Sistemas Energéticos de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Medellín.

La precipitación de estos compuestos es un fenómeno que se produce en el crudo cuando se separan fases fluidas y una fase insoluble; esta se produce por cambios en la presión, temperatura, composición y régimen de flujo.

Teniendo esto en cuenta se estableció una fuerte sinergia entre academia e industria. “Mientras hacía el doctorado seguí trabajando en Ecopetrol y me propuse entender a partir de modelamiento matemático cómo ‘aparecen’ los asfaltenos y la manera de mitigarlos”, relata.

Un asunto que hace especiales a estos compuestos es que no son puros como el metano o el dióxido de carbono (CO₂), que se encuentran idénticos en distintas partes del mundo, sino que cada tipo de hidrocarburo tiene asfaltenos diferentes.

“Evaluamos los fluidos colombianos y les hicimos una caracterización avanzada que nos permitió conocer sus estructuras y desarrollar modelos moleculares, cinéticos y termodinámicos, para entender cómo interactúa con los demás componentes del crudo”.

El investigador Cundar trabajó con una muestra tomada del fondo del pozo. “Debe ser así porque si tomamos muestras en superficie, la molécula ya no estará presente, se precipitó en fondo de pozo. Así que bajamos unas herramientas hasta el subsuelo y tomamos el hidrocarburo en condiciones originales, y estas muestras las llevamos en unos cilindros al laboratorio del Instituto Colombiano del Petróleo, en Piedecuesta, Santander”.

Allí evaluó experimentalmente a qué condiciones de presión y temperatura se precipitaban y en qué cantidad. Luego los caracterizó con unos equipos especiales para identificar su “genética” o composición molecular.

Conociendo esto, estimaron a nivel molecular sus energías de interaccion, entender por qué en el subsuelo están disueltos y por qué con los cambios de presión, temperatura y composición se vuelven pseudosólidos y se precipitan.

Así mismo, desarrolló un modelo termodinámico de equilibrio de fases que predice las condiciones en las que habrá precipitación de asfaltenos en cualquier yacimiento colombiano.

“Trabajamos con una celda visual que nos permitió ver con un microscopio a alta presión cómo van apareciendo estos pseudosólidos. Tomamos más de 17.000 imágenes que luego procesamos con ciencia de datos y nos permitieron entender la variación de tamaños y cómo influía en su distribución”, amplía.

Finalmente, analizó los mecanismos que hacen que los asfaltenos se depositen en los poros de las rocas y, teniendo este dominio teórico, hizo una simulación numérica de yacimiento que permite predecir, teniendo en cuenta la historia de producción, cuál será la caída de productividad si los asfaltenos aparecen.

Destaca que, “en condiciones reales, un pozo puede pasar de producir 1.000 barriles al día a 200; por eso, predecir nos permite decidir qué químicos inyectar para mitigar o prevenir que aparezcan”.

Aporte a la descarbonización

Uno de los procesos más eficientes para descarbonizar y reducir la huella de carbono es la inyección de CO₂ en el subsuelo como proceso de recobro mejorado y almacenamiento.

“Este tipo de técnicas, que se espera implementar en el futuro cercano en Colombia, son muy prometedoras, pero siguen teniendo problemas relacionados con los asfaltenos (las inyecciones de CO₂ los precipitan), por eso análisis como este procuran, además de una industria exitosa, el cuidado del medio ambiente”.

La investigación doctoral tuvo la dirección del profesor Pedro Nel Benjumea, adscrito a la Facultad de Minas de la UNAL Sede Medellín y obtuvo mención laureada por los jurados evaluadores.