Influjo de Agua en Yacimientos - Facultad de Ingeniera Universidad Surcolombiana

INFLUJO DE AGUA EN YACIMIENTOS

Carlos Andrs Torregrosa1 y Jhonatan Palencia2.

Programa Ingeniera de Petrleos, Universidad Surcolombiana.

Direcciones electrnicas:1u20122113541@usco.edu.co; 2u20122114013@usco.edu.co.

Recibido: 09-11-2013

RESUMEN

Palabras claves:

WATER INFLUX IN RESERVOIRS

ABSTRACT

Keywords:1. Introduccin

La intrusin de agua resulta debido a una reduccin en la presin del reservorio por la produccin de gas o petrleo. El influjo de agua tiende a mantener parcial o totalmente la presin del reservorio. En general, tanto la efectividad del sistema de soporte de presin como las tasas de influjo de agua, estn gobernadas por las caractersticas del acufero, que incluyen principalmente, permeabilidad, espesor, rea y el historial de produccin a lo largo de la frontera reservorio-acufero. En la prctica, estimar el influjo de agua es bastante incierto debido a la falta de datos para caracterizar el acufero. Debido a que raras veces se perfora un acufero intencionalmente, los datos deben ser asumidos o inferidos de las caractersticas geolgicas del reservorio.

La mayor parte de los reservorios de hidrocarburos tienen rocas porosas con acumulacin de agua a su alrededor, llamadas acuferos. Estos pueden ser mucho ms grandes que los yacimientos y adoptar comportamiento infinito, o tan pequeos que su efecto sobre las reservas sea despreciable.Generalmente, el volumen de los poros del acufero no es mucho mayor al volumen poral del reservorio. En consecuencia, la expansin del agua en el acufero es irrelevante en comparacin con el sistema global de energa, y el reservorio se comporta de manera volumtrica. Tambin se da el caso en el que la permeabilidad del acufero es muy baja y se necesita un diferencial de presin muy grande para que pueda considerarse la interferencia del agua en el reservorio.

En otros casos ocurre que la porosidad y la permeabilidad del acufero son lo suficientemente elevadas y el influjo de agua se produce. La produccin de agua en la produccin de los pozos de petrleo puede ser un gran problema en algunos campos. El mtodo ms comn de controlar la produccin de agua del pozo a travs de la produccin es el uso de polmeros gelificados. Una solucin de polmero reticulado se inyecta hacia abajo la produccin de pozos para el tratamiento de toda la zona de produccin. En los tratamientos de polmeros gelificados exitosas, produccin de agua disminuye, mientras que la produccin de petrleo se mantiene sin cambios. Los geles tienden a reducir la permeabilidad al agua ms de la permeabilidad de aceite debido a las vas de aceite y agua a travs de un medio poroso son segregados. Geles a base de agua entran en las vas de agua debido a las diferentes movilidades entre las fases de aceite y agua.

2. Fundamentos tericos y Resea histrica Los primeros en realizar trabajos de prospeccin de aguas subterrneas fueron los persas y egipcios quienes construyeron estructuras de infiltracin por donde drenaba el agua de las rocas, estas estructuras eran conocidas como "kanats", los cuales eran sistemas de largas galeras de infiltracin fluviales, que recorran varios kilmetros, Los chinos influenciados por estas culturas fueron quienes desarrollaron la practica en el uso de las aguas subterrneas, las cuales fueron aprovechadas para poder desarrollar su agricultura y concentracin de ciudades, estos practicas datan de ms de 2000 A.C. Segn el libro TOLMAN titulado "Ground Water", publicado en 1937, describe las diversas prcticas y hazaas que realizaban los chinos para la extraccin de las aguas subterrneas llegando hasta la profundidad de 1500 m, eso demuestra las proezas de ingeniera que estos antiguos pueblos orientales practicaban. Tambin existe evidencia de obras de captacin en pases de Sudamrica lo cual dicha construccin pertenece a la cultura inca. Hasta finales del siglo XVII, no se tena una idea clara del origen de las aguas subterrneas, las personas de esa poca no tena una idea clara del ciclo hidrolgico, as que para ellos no era capaz que el agua subterrnea es el producto de las precipitaciones atmosfricas considerndola insuficiente para poder formas acuferos, as como que la tierra era tan permeable que no se poda existir una percolacin profunda del agua.3. Influjo de agua en la produccin del petrleo Un acufero se entiende como una zona subterrnea de roca permeable saturada con agua bajo presin. Para aplicaciones de almacenamiento de hidrocarburos un acufero necesitar estar formado por una capa permeable de roca en la parte inferior y una capa impermeable en la parte superior, con una cavidad para el almacenamiento de hidrocarburos, en pocas palabras, un acufero representa un volumen de agua depositado en las rocas subyacentes que estn en contacto con una acumulacin de hidrocarburo. Una gran cantidad de yacimientos de petrleo y gas tienen un acufero asociado que representa una fuente importante de energa de yacimiento. Esta energa provee un mecanismo de empuje para la produccin de fluidos cuando los yacimientos son sometidos a produccin. Se cree que el gran nmero de yacimientos con empuje de agua est relacionado con el origen marino de muchos yacimientos. En los casos que el volumen del acufero es menos de 10 veces el volumen del yacimiento, el mecanismo de empuje por agua es considerado pequeo. Si el tamao del acufero es significativamente mayor (> 10x), el mecanismo de empuje por agua puede ser la principal fuente de energa de yacimiento. Cuando la presin del yacimiento disminuye, se crean un diferencial de presin a travs del contacto agua-petrleo (agua-gas) y en consecuencia, el acufero reacciona proporcionando los siguientes mecanismos de empuje:

1. Expansin del agua en el acufero

2. Reduccin del volumen poroso del acufero causado por expansin de la roca

3. Expansin de otros yacimientos a travs de acuferos comunes

4. Flujo artesiano

La eficiencia de recuperacin para estos yacimientos est en el rango de 10 a 75%. La Arps (Corporation of Dallas, Texas) desarroll tambin una ecuacin para determinarla a travs de estudios estadsticos:

Donde:

%RE : eficiencia de recuperacin (en porcentaje) : porosidad (en fraccin)Sw : saturacin de agua connata (en fraccin)Boi : FVF de petrleo inicial ( BY/BN)K : permeabilidad promedio de la formacin (Darcys)o : viscosidad del petrleo a las condiciones iniciales (cp)w : viscosidad del agua a las condiciones iniciales (cp)Pi : presin inicial (psig)Pa : presin de abandono (psig)3.1. Los influjos de agua se pueden clasificar de las siguientes maneras:3.1.1. Grado de mantenimiento de presin:

3.1.1.1. Activo: El influjo de agua es igual al vaciamiento total. La presin permanece constante 3.1.1.2. Parcial 3.1.1.3. Limitado

3.1.2. Condicin de borde externo

3.1.2.1. Infinito: El efecto de la declinacin de presin no se siente en el borde externoLa presin en el borde externo es igual a pi. 3.1.2.2. Finito: El efecto de la declinacin de presin se siente en el borde externoLa presin en el borde externo cambia en funcin del tiempo

3.1.3. Regmenes de flujo

3.1.3.1 Estado estable: La cada de presin se transmite en todo el yacimiento y el acufero reacciona en forma instantnea 3.1.3.2. Estado inestable: La cada de presin se transmite en todo el yacimiento y el acufero reacciona en forma gradual

3.1.4. Geometras de flujo

Los sistemas yacimiento-acufero se pueden clasificar con base a las geometras de flujo como:

3.1.4.1. Empuje lateral 3.1.4.2. Empuje lineal 3.1.4.3. Empuje de fondo

4. ndice de Productividad de un yacimiento con influjo de agua El ndice de productividad es una relacin que modela el comportamiento del influjo de un pozo para aportar fluidos, este IP viene dado por la siguiente expresin matemtica:

Donde:Qo: Tasa de produccin de aceite (BPD barriles por da)Qw: Tasa de produccin de agua (BPD barriles por da)Pr: Presin esttica del Yacimiento (PSI)Pwf: Presin de Pozo fluyendo (PSI)

En yacimientos con empuje activo de agua, se presenta un ndice de productividad constante, pero en algunos casos cambia debido a cambios en la permeabilidad del aceite y del agua y cuando la presin de flujo est por debajo del punto de burbuja. La mayora de los cambios en el ndice de productividad son causados por un incremento en la saturacin de gas libre alrededor de la cara del pozo, lo cual incrementa la permeabilidad del gas y disminuye la permeabilidad del aceite.

Figura 1, ndice de productividad para un yacimiento con influjo de agua. Como se dijo anteriormente el ndice de productividad en este tipo de produccin puede mantenerse constante durante mucho tiempo, ya que el petrleo que sale es reemplazado por el agua de manera natural, lo que hace que la presin se mantenga constante para que el pozo tenga aun energa para seguir produciendo. El GOR (relacin gas-petrleo en solucin), tambin permanece de manera constante, lo cual hace que este mtodo sea uno de los ms efectivos a la hora de la produccin de manera natural. Para este tipo de produccin en IP viene dado por la expresin matemtica: Np: Petrleo producido acumulado a condiciones estndarWe: Influjo acumulado de agua en el yacimiento Rp: Relacin gas petrleo acumuladoWp: Volumen de agua producido

5. Modelos del Influjo de agua:

Entre los mtodos para estimar la recuperacin de influjo de agua comnmente utilizados en la industria petrolera son:

1. Estado estable:- Pot- Schilthuis (1936) - Hurst (1943)

2. Estado inestable: - Van Everdingen-Hurst (1949)- Carter-Tracy (1960) - Fetkovich (1971) - Allard-Chen (1984)

Solo se mostrarn los dos (2) modelos matemticos ms importantes para cada estado.

5.1. Modelo de Influjo de Agua en estado estable de Pot.

El modelo Pot es el modelo ms simple que puede ser utilizado para estimar el influjo de agua a un yacimiento. Est basado en la definicin bsica de compresibilidad.

Una cada de presin en el yacimiento debido a la produccin de fluidos causa que el agua del acufero se expanda y fluya hacia el yacimiento

Usualmente se utiliza para acuferos pequeos, del mismo tamao del yacimiento.

Aplicando la definicin de compresibilidad al acufero se tiene:

We = (cw + cf)*Wi* (pi p) Donde:

We: influjo de agua acumulado [MMbbl] Cw: compresibilidad del agua [psi1] cf : compresibilidad de la roca [psi1] Wi: volumen de agua inicial en el acufero [MMbbl] pi: presin inicial del yacimiento [psi] p: presin actual del yacimiento [psi] El volumen de agua inicial en un acufero radial es: Wi = * ( ra2 ro2 )* * H /5.615Donde:ra: radio del acufero [ft]ro: radio del yacimiento [ft]h: espesor del acufero [ft]: porosidad en el acufero

En el caso que la influencia del acufero no sea completamente radial, se define un factor de forma:

We = (cw + cf) Wi* F* (pi p) Donde: F = /360

Figura 2, Modelo del acufero ideal.

Ahora se procede a hacer el balance de materialesF/Eo = N + (cw + cf) Wi. Fp/ Eo

Debido a que las propiedades del acufero (cw, cf, h, ra, ) pueden variar de forma poco significativa, es conveniente agrupar estas propiedades en una variable desconocida K: F/Eo = N + Kp / Eo

Figura 3, Mtodo F/Eo vs. p/Eo

Modelo de Influjo de agua en un estado estable de SCHILTHUIS propuesto en 1936

* El comportamiento de flujo esta descrito por la Ley de Darcy* Rgimen de flujo en estado estable

La tasa de influjo de agua se puede describir aplicando la Ley de Darcy:

Donde:

k: permeabilidad del acufero [md] h: espesor del acufero [ft] ra: radio del acufero [ft] ro: radio del yacimiento [ft] t: tiempo [d] C: constante de influjo de agua [bbl/d/psi] Integrando obtenemos:

Utilizando un mtodo de integracin numrico obtenemos: Tambin se puede expresar como:

Donde:j: paso de tiempok: numero de intervalos de tiempo

5.2. Modelo de Influjo de Agua en estado Inestable de Van Everdingen-Hurst propuesto en (1949)

El flujo en estado inestable se esquematiza en la Figura 4. Para el anlisis se asume:

1)Existeflujoradialde aguaa travsdel acufero

2)La cada depresin esconstante a travsdel acufero durantetodo el tiempo3)Las propiedadesdel acuferoson constantesy uniformes

Figura 4, Esquema de un fluido en estado inestable

Basados en estas consideraciones la ecuacin es:

Donde:: 0 1. Representa la extensin a la cual el acufero rodea el yacimiento.We: Cantidad de agua intruida en cm3h: Espesor del estrato en cmCe: Compresibilidad efectiva del acufero, 1/atm.ryto: Radio del yacimiento de petrleo o gas, cm.P: Cada de presin constante a travs del acufero, atm.QtD: Funcin acumulativa de entrada de agua.tD: Tiempo adimensional.

La ecuacin para tiempo adimensional es:

La ecuacin de intrusin de agua en unidades de campo es:

Este mtodo se basa en la solucin de la ecuacin de difusividad. Aplica el principio de superposicin que indica que las soluciones son aditivas. El principio de superposicin al contacto agua petrleo original es mostrado en la siguiente figura. Para usar superposicin, la curva se aproxima a una serie de pequeos incrementos de presin de modo que lospasos de tiempo sean pequeos para aproximar la curva con una recta. Los cambios depresin de un intervalo al otro se calculan con el valor promedio del comienzo y el fin de los intervalos de presin

Figura 5, Mtodo de Hurst y van Everdingen.

Para j=1;

Cuando la ecuacin de Hurst and Van Everdingen se arregla para permitir variaciones depresin queda:

Si los intervalos de tiempo son igualmente espaciados:

Esta ecuacin tiene tres incgnitas a saber: N, Cv yA. Estas dos ltimas son las constantes de Hurst and Van Everdingen.

X. ltimos descubrimientos:

El uso de bacterias para reducir el influjo de agua en la produccin de los pozos de petrleo

El uso de bacterias para tapar medios porosos y cambio de permeabilidad ha mostrado xito reciente en el campo. Procesos bacterianos tienen una potencial ventaja econmica sobre los procesos qumicos, ya que pueden utilizar materias primas baratas y convertirlos en agentes tales como polmeros y biomasa taponamiento. Un proceso bacteriano de bajo costo que reduce la produccin de agua en los pozos de petrleo sera til en el control de los costos de produccin y eliminacin de campo y en la extensin de la vida de alto corte de agua de pozos marginales.

En una prueba de campo, las bacterias indgenas fueron estimuladas para crecer y producir polmero mediante la inyeccin de nutrientes (carbohidratos de bajo costo y de fosfato orgnico). El patrn de avance metablico microbiano resultante sugiere que las caractersticas de flujo de rea dentro de la zona piloto haban cambiado a pesar de la produccin de petrleo no aument.

Otros experimentadores han encontrado que la inyeccin de un flujo continuo de nutrientes en pequeos sandpacks durante varios das puede causar una disminucin sustancial en la permeabilidad. Sin embargo, el tapn bacteriano formado de esta manera no penetr ms de 2 a 3 cm. La formacin de un tapn ms frecuente se produce en la cara de arena porque las bacterias tienden a crecer en el punto de introduccin de nutrientes donde los nutrientes son limpios y los productos de desecho del metabolismo de otras bacterias son menos frecuentes. El problema esencial con taponamiento bacteriano ha sido crear un tapn bacteriano sustancial en profundidad cuando se desee. Algunas bacterias forman esporas, que son clulas en un estado de animacin suspendida y son mucho ms pequeos que las clulas vegetativas. Pared exterior de la espora no es tan pegajosa que la de las clulas vegetativas y permite la espora a ser transportado ms fcilmente a travs de medios porosos.

X. Desarrollos tecnolgicos

< Simulacin del flujo de agua en un yacimiento.

El software de siulacin de yacimientos FrontSim resulta ideal para demostrar lo que ocurre con los fluidos dentro de un yacimiento. Las lneasde flujorepresentan el flujo de agua desde el reservorio al pozo productor. El simulador requiere informacin geologica, estructural y relativa de los fluidos. El grafico muestra el cuadrante de un esquema uniforme de puntos donde el agua proveniente de la linea de flujo es la primera en invadir el productor.

< Tecnologa mecnica