Reaction pathways for in situ combustion

Abstract

This study proposes reaction pathways to explain chemical routes that the fractions of a heavy crude oil follow during the thermal cracking and low temperature oxidation stages of in situ combustión (ISC). ISC is an enhanced oil recovery method that has as operating principle a combustion process inside a reservoir. Coke is produced during this process by thermal cracking and oxidation at low temperature and reacts to release energy in the form of heat that reduces the viscosity of the crude oil and facilitates its extraction. Current reaction schemes for ISC do not give details about the chemistry involved in this process. Based on that, this research studied the process from a chemical point of view in order to get a better understanding on the products formation and reactions. Surrogate compounds with physical and chemical properties representative of the dierent fractions of a crude oil were carefully selected. Given the complexity of the surrogate molecular structures, the reactive sites in the molecules were determined from the analysis of bond orders and reactivity indexes provided by electronic structure calculations. Quantum chemistry simulations of the posible reaction pathways of these surrogates indicated the most probable reactions that take place during ISC. Validation of the proposed reaction pathways was undertaken by assessing the agreement of intermediate species, products and reaction energies with experimental data available in the literature. The agreement was good and gave con dence that proposed pathways can improve the understanding of the chemistry associated with the ISC process and, therefore, enhance the probability of success of new ISC projects.

Resumen: el presente estudio propone reaction pathways para explicar las rutas químicas que las fracciones de un crudo pesado siguen durante las etapas de craqueo térmico y oxidación a baja temperatura de la combustión in situ (CIS). CIS es un método de recobro mejorado de crudo que tiene como principio operativo un proceso de combustión al interior del yacimiento. El coque es producido durante este proceso debido al craqueo térmico y la oxidación a baja temperatura y reacciona para liberar energía en forma de calor, la cual reduce la viscosidad del crudo y facilita su extracción. Los esquemas de reacción actuales para CIS no proveen detalles sobre la química implicada en este proceso. Con base en ésto, esta investigación estudió la CIS desde un punto de vista químico con el de obtener un mejor entendimiento en la formación de productos y las reacciones. Sucedáneos con propiedades físicas y químicas representativas de las diferentes fracciones de un crudo fueron cuidadosamente seleccionadas. Dada la complejidad de las estructuras moleculares de los sucedáneos, los sitios de mayor reactividad en dichas moléculas fueron determinados mediante el análisis de órdenes de enlace e índices de reactividad provistos por cálculos de estructura electrónica. Simulaciones en química cuántica de los posibles reaction pathways de estos sucedáneos indicaron las reacciones que más posiblemente tienen lugar durante la CIS. La validación de los reaction pathways propuestos fue realizada mediante la evaluación de la concordancia entre especies intermedias, productos y reacciones con datos experimentales disponibles en la literatura. Se obtuvo un buen acuerdo entre los resultados y lo reportado, lo que sugiere que los reaction pathways propuestos pueden mejorar el entendimiento de la química asociada con el proceso CIS y por lo tanto, aumentar la probabilidad de éxito de nuevos proyectos en este campo.