Con la sobreexplotación de hidrocarburos crece la dificultad para encontrar yacimientos de petróleo. Esto ocasiona la incursión en pozos más profundos que requieren una tecnología adecuada para la extracción.
Existen diversos métodos para obtener el crudo; uno de los más utilizados es el térmico, es decir, la inyección de agua en estado gaseoso desde el exterior del depósito subterráneo, pero éste sólo es rentable en profundidades menores a mil metros y necesita generar vapor in situ.
Por tal motivo, los institutos de Ingeniería (II) de la UNAM y Mexicano del Petróleo (IMP), así como las unidades Zacatenco y Azcapotzalco de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), colaboraron en el estudio de cómo hacer ese proceso a más de dos mil metros bajo tierra.
Inicialmente, el proyecto fue financiado con fondos del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), pero la complejidad del fenómeno exigía tiempos prolongados.
El desarrollo del generador de vapor supercrítico representa un gran reto por las altas presiones de los fluidos, el sistema de control de la combustión y las limitantes de las dimensiones, principalmente.
La herramienta aún se encuentra en fase de investigación debido a la complejidad de los fenómenos fisicoquímicos similares a los presentes en la industria aeroespacial.
Ante tal desafío, los científicos del II y de la ESIME Zacatenco decidieron continuar los análisis con la finalidad de dar los primeros pasos en el diseño térmico para la extracción de petróleo a grandes profundidades. Aunque dicha tecnología está en fase de estudio, los países desarrollados tienen una gran ventaja sobre México, pues no tenemos una industria aeroespacial equipada con laboratorios de combustión a altas presiones.
Un generador de vapor supercrítico busca calentar el crudo mediante una mezcla de gases con agua. El sistema funcionaría de la siguiente manera: a nivel de piso se inyectan reactantes, así como líquido al reactor. El proceso debe contar con sistemas de control y seguridad, porque los fluidos llegarán a presiones supercríticas o transcríticas a la cámara referida, en la que se produce una flama por difusión que transferirá energía para la ebullición hídrica por contacto directo. Su mezcla con gases es utilizada como fuente de energía para calentar el crudo y hacerlo fluir a la superficie.
En el proyecto, planteado por etapas a largo plazo, participan Eliseo Martínez Espinosa, William Vicente, Martín Salinas y Luis Cervantes (alumno de doctorado) por el II, mientras que por el IPN están Ignacio Carvajal, Florencio Sánchez, Georgiy Polupan y Mauricio de la Cruz (doctorante).
En el reactor ocurrirán fenómenos físico-químicos complejos: habrá flujos multifásicos y condiciones supercríticas (los fluidos tienen propiedades de líquido, pero se comporta como un gas altamente difusivo), advirtió Martínez Espinosa.
Hasta el momento, se ha realizado la simulación numérica de la combustión turbulenta a presión atmosférica y está en desarrollo la simulación numérica de la generación de vapor por contacto directo mediante la inyección de gotas de agua.
Los resultados preliminares indican que la geometría del reactor debe modificarse para minimizar los efectos de la recirculación entre los inyectores y las paredes del generador. El fenómeno de recirculación podría destruir la película de enfriamiento debido a la recirculación en sentido contrario a la dirección del flujo en la interfase película-flujo, a 30 centímetros de los inyectores.
Por ello, se propone una geometría similar a la de los cohetes de propulsión a chorro. Por otra parte, las predicciones numéricas muestran que “las especies reaccionan completamente a una longitud, aproximada, a un metro del reactor”. Por lo tanto, se propone una longitud del reactor de 1.5 metros para desarrollar bien la flama con la finalidad de evitar una ignición no controlada dentro del yacimiento, señaló.
La siguiente fase plantea la incorporación de una película de enfriamiento al modelo numérico. Las predicciones numéricas deben validarse experimentalmente para comprobar la idoneidad del modelo. Los efectos de la presión se incorporarán de forma paulatina para verificar los resultados. Por otra parte, se plantea el análisis experimental de la dispersión de chorros confinados mediante un modelo físico preliminar (y perfectible) para la visualización y experimentación a presión atmosférica.
¿Por qué hacer simulaciones numéricas? Las predicciones a presión atmosférica pueden validarse porque hay información en la literatura abierta. Sin embargo, anotó Martínez, en la literatura no hay reportes de laboratorios capaces de alcanzar presiones supercríticas, pues todas las cámaras de combustión operan a menos de 100 atmósferas.
Si los hay, están reservados a la industria aeroespacial. Así, en el caso de estudios a 300 atmósferas la simulación numérica permite visualizar un escenario que físicamente no se puede experimentar, es decir, la simulación numérica permite analizar otros escenarios y nos va a dar una buena idea de lo que ocurrirá.
De este proyecto se pueden derivar otras aplicaciones. Por ejemplo, podría mejorarse la eficiencia de los sistemas de combustión por difusión para su uso en estas cámaras. Otra utilidad está en la incorporación de sistemas de enfriamiento mediante películas protectoras en estos sistemas.