ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL Facultad de Ingeniería en Geología y Petróleos

Ingeniería en PetróleosSimulación de Yacimientos

Andrés Sánchez Rosas

1. Conceptos Generales de Simulación de Yacimientos

2. Abstract

En el mundo actual se están generando nuevos simuladores que emplean modelos de cuadriculas estructuradas para controlar geologías con altas permeabilidades utilizando modelos más reales con el objetivo de aumentar la recuperación final, estas se llevan a cabo mediante procesos que van desde las profundidades del yacimientos hasta las plantas de proceso en la superficie y lo que se busca es obtener resultados en el menor tiempo posible. Los modelos a utilizar pueden ser matemáticos, físicos o a escala en el laboratorio como la ecuación de fluidos en un medio poroso y la ecuación de la continuidad de las cuales son la ley de conservación de la masa y la ley de Darcy, para el estudio termodinámico y volumétrico se los obtiene a través de las ecuaciones de estado o análisis PVT y esta combinación de ecuaciones se obtiene la ecuación de difusividad la cual describe en total comportamiento del yacimiento generalmente estas ecuaciones no son lineales y la solución numérica es la única correcta y gracias a la combinación con programas de computación se los puede resolver y reproducir el comportamiento de presión y producción de los fluidos presentes en el yacimiento dándonos la facultad de tener diferente geometrías del yacimiento que pueden ser de cero a tres dimensiones en coordenadas radiales y rectangulares, estos dependerán del nivel de detalle y exactitud del comportamiento del yacimiento, tanto como las fuerzas y los recursos disponibles para el estudio (tiempo, fuerza, hombre y equipos) para así poder analizar los diferentes esquemas de explotación, permitiendo un desarrollo óptimo de las reservas para así predecir un factor de recobro optimo según el simulador no nos dará una predicción exacta pero eso si nos aproximara en gran medida a lo que puede ocurrir en la realidad proporcionándonos un plan operacional que ayude actuar efectivamente.

3. Recursos

Modelos Matemáticos

Para la simulación de yacimientos contamos con modelos matemáticos, numéricos que tiene su origen desde la aparición misma de la ingeniería de petróleo, pero la denominación simulación como tal empieza a idealizarse a partir de los años 60 en dónde se desarrollaban métodos predictivos para asi poder evaluar condiciones de yacimientos con dos o tres fases. Posteriormente se los conocían como métodos de simulación de yacimientos aquellos en donde se realizaban soluciones analíticas a través de balances de masa y el método de Buckley-Leverett conocidos como simulador de cero y una dimensión respectivamente.

Hubo un desarrollo más importante en los años 50 en lo referente a las soluciones numéricas de las ecuaciones de flujo, y todo esto fue posible por la rápida evolución de las computadoras y la implementación de métodos numéricos capaces de resolver grandes sistemas de ecuaciones para luego los criterios de simulación de yacimientos iban encaminados a tratar de resolver problemas con dos fases (una gaseosa y otra líquida) e inclusive en 3 fases, estos métodos de simulación se los utilizaba para resolver o modelar problemas relacionados con producción primaria y recobro secundario.

En la actualidad gracias al avance tecnológico de los computadores (memoria RAM, velocidad de procesamiento) se pudo describir el comportamiento físico y termodinámico de los fluidos y así poder hacer simulaciones cada vez más exactas pudiendo solucionar los sistemas de ecuaciones de manera más eficientes, esto hizo posible modelar más tipos de líquidos y gases a través de mecanismos composicionales y de una manera eficiente estudiar los diversos métodos de explotación para obtener un máximo valor de recobro del reservorio.

Simulación Numérica

Para la simulación de un yacimientos se debe estimar el comportamiento y características de los fluidos que son modelados por las ecuaciones de Darcy (para el flujo de fluidos) y Continuidad (Conservación de la materia) y para el estudio termodinámico y volumétrico se los puede obtener mediante las ecuaciones de estado o análisis de

pruebas PVT. Es importante conocer que la combinación de las ecuaciones

anteriores con la ecuación de estado del fluido se obtiene la Ecuación de Difusividad, la cual describe el comportamiento del yacimiento en su totalidad.Balance de Materiales

Todo el conjunto corresponde a un solo concepto con la diferencia de que el primero considera a todo el yacimiento como un bloque único con propiedades uniformes en la cual las ecuaciones se resuelven de manera analítica, mientras que la simulación interpreta al yacimiento como un conjunto de bloques interconectados que interactúan entre sí.

El balance de materiales es un método fácil de usar puesto que son pocos los parámetros necesarios para su aplicación, además que cuenta con la sencillez de los cálculos ya que con este modelo una de las cosas que se pueden observar con claridad son los mecanismos de empuje que más contribuyen a la producción del yacimiento (empuje por expansión de roca y fluidos, gas en solución, empuje hidráulico, segregación gravitacional). En la simulación de Yacimientos proporciona un resultado más cercano a la realidad ya que puede obtenerse de una manera difícil de localizar con el mecanismo que más aporta, sino se hacen muchas más corridas o aportes con el simulador bajo cada una de las diferentes situaciones.

Tipos de Simuladores

Los simuladores se dividen en dos grupos, según el tipo de hidrocarburos y según el tipo de recuperación mejorada, su selección dependerá de lo que deseemos simular.

Los que se definen según el tipo de hidrocarburo contenido en el yacimiento:

• Simuladores de gas• Simuladores de aceite negro• Simuladores geotérmicos• Simuladores de aceite volátil• Simuladores de gas y condensado.

Los que se utilizan en procesos de recuperación mejorada

• Simuladores de inyección de químicos• Simuladores de inyección de miscibles• Simuladores de recuperación térmica.

Es significativo mencionar que también existe una clasificación según el tipo de flujo, en función del número de fluidos en movimiento:

• Simulador monofásico• Simulador bifásico• Simulador trifásico

4. Resolución

Que simulador usar

Después de haber elegido un tipo de simulador a utilizar se selecciona el modelo más eficiente que sea capaz resolver todo el comportamiento, estudio de un pozo, de la región de un yacimiento o la escala completa del yacimiento, se puede usar el de van Poollen, Peaceman entre otros dependiendo del caso.

Aplicación de la Simulación

Para una simulación valida se toman los siguientes aspectos según el yacimiento:

• Planificación de escenarios de desarrollo:

Incluye los pasos que se deben tomar para obtener las reservas del yacimiento.

Los estudios de simulación de yacimientos se pueden conducir desde una etapa muy temprana del desarrollo, como una continuación de las aplicaciones de las técnicas clásicas sencillas.

A continuación como se va ejecutando la planificación de forma progresiva se van utilizando o construyendo modelos más complicados.

La incorporación de nueva información conduce a tomar mejores decisiones para determinar y cuantificar la incertidumbre de los parámetros claves de los yacimientos. Estos modelos serán extremadamente útiles al modificar los esquemas de desarrollo si así lo demandan las nuevas condiciones.

• Esquemas de producción y estimación de reservas:

Se desea estimar los futuros perfiles de producción y de las reservas donde estas cifras se requieren con mucha frecuencia para los análisis económicos, las evaluaciones de campo y también para recibir las disposiciones legales y reguladoras.

Es necesario tener disponible un rango de esquemas de producción para cubrir el rango de las incertidumbres en los parámetros críticos y en las alternativas de desarrollo.

Un modelo de simulación de yacimientos es ideal para generar tales esquemas.

• Seguimiento de yacimiento:

Los modelos de simulación están reconocidos como la herramienta más importante para la evaluación de los esquemas de explotación. En esta área se incluyen perforación, estrategias de producción e inyección, justificación de reparaciones, estimulaciones, perforación horizontal y recuperación adicional.

Un modelo de simulación detallado se puede usar para obtener y evaluar rápidamente las bondades de cualquiera de estas alternativas.

Con el ajuste de historia (DATA) se puede mantener actualizado el modelo, de tal manera que el monitoreo del yacimiento puede ser continuamente ajustado para tomar en cuenta los cambios en los datos de campo.

• Distribución de producción:

La mayoría de campos que contienen sus yacimientos agrupados verticalmente presentan en lo general problemas de distribución de producción cuando se tiene los pozos completados en algunos de ellos.

Una explotación de campo cuando está en contra del esquema de explotación de un yacimiento en particular al no disponer de los pozos necesarios para su explotación óptima.

Los problemas que competen durante la producción de yacimientos que comparten los mismos pozos pueden ser eficazmente tratados con modelos de simulación conceptualizados para tales fines.

• Diseño del modelo

El diseño del modelo requiere considerar los siguientes elementos: Malla y número de dimensiones

Tipos de modelos: se pueden clasificar en orden de costos y complejidad como sigue:

Modelo Tanque ( cero dimisiones) Modelo 1D Modelo 2D ( x-y, radiales) Modelo 3D (x-y-z , radiales)

Fluidos presentes y número de fases

Simuladores de petróleo negro (Black Oil): Pueden modelar el flujo de agua, petróleo y gas, tomando en cuenta variaciones de la solubilidad del gas en el petróleo en función de la Presión.

Simuladores del tipo composicional: Caracterizan al crudo como una mezcla de n componentes con las propiedades del gas.

Simuladores Térmicos: Pueden modelar recuperación por inyección de fluidos calientes por ejemplo: Inyección de Vapor.

Simuladores Químicos: Permiten modelar procesos de inyección de surfactantes y polímeros

Heterogeneidad del yacimiento: Es importante porque si tenemos variaciones de las propiedades de las rocas, porosidad, permeabilidad, de esto dependerá el número de celdas o bloques del modelo (tamaño de la malla)

Pozos Son especificados estableciendo su tasa de producción o presión de

fondo (igualmente para los inyectores). Establecer tamaños de bloques que incluyan solo un pozo por bloque.

• Inicialización

Verificar el POES/GOES Verificar datos PVT Verificar tamaño de la capa de gas Verificar tamaño del acuífero Verificar la presiones iniciales Verificar profundidades de CAP, CGP

• Cotejo del modelo.Variables más frecuentes para cotejar (Yacimiento/pozo):

Cotejo de presión promedio. Cotejo de la RGP y del %AyS. Variables a Ajustar:

Distribución del volumen poroso. Tamaño y permeabilidad del acuífero. Compresibilidades de los fluidos y de la roca. Existencia de fallas sellantes. Permeabilidades relativas. Viscosidad de los fluidos. Trasmisibilidades en los bloques

• Predicción Caso base (esquema actual) Sensibilidades al caso base (RGP, perforación adicional) Existe Recuperación secundaria

(Evaluar factibilidad de inyectar agua o gas, AGA, Efectuar sensibilidades inyección/producción, perforación adicional, interespaciada, tasa inyección Optima)

Documentar aplicación y resultados del proceso Preparar Plan Operacional

Representación Geométrica del Yacimiento

La descripción geométrica del yacimiento puede ser de cero, una, dos o tres dimensiones, en coordenadas radiales o rectangulares.El número de dimensiones y bloques en una simulación dependerán de:

1. Los niveles de detalles y exactitud deseados en el comportamiento del yacimiento.2. Las fuerzas del yacimiento que serán aproximadas por el modelo.3. Los recursos disponibles para realizar el estudio.

En la medida en que aumenta el número de dimensiones, bloques y pozos, de igual manera aumentaran los problemas, siendo el caso más difícil y sofisticado la simulación multibloque, 3-D de un yacimiento complejo.Cuando se usa menos de 3-D, se está suponiendo que las propiedades de la roca y los fluidos son uniformes o que las variaciones pueden ser modeladas de forma que se puedan usar curvas promedios de permeabilidades relativas.

Decisión del Modelo a utilizar

Cuando se usa simuladores sofisticados se debe siempre precaver cuidadosamente los pro y contra de cada tipo de modelo. Usando 2-D se puede ahorrar tiempo pero se pueden obtener resultados irreales debido a que la situación es mucho más compleja para ser representada por una aproximación simplificada.

En el uso de un modelo 3-D puede representar el problema y su solucion ya que todo depende de los datos disponibles, de la complejidad del yacimiento, del patrón de pozos, de la distribución de producción entre pozos y otros elementos como la competición.

5. Nomenclatura

Bt: Índice de PirsonDDI: Gas en soluciónSDI: Capa de gasWDI: HidráulicoPOES: Petróleo original en sitioK: PermeabilidadRAM: Random Access MemoryPVT: Análisis laboratorio de presión volumen y temperaturaCGP: Contacto gas petróleoRGP: Relación gas petróleoGOES: Gas original en solución en sitioD: Dimensión

6. Conclusiones Y Recomendaciones

Conclusiones

Un simulador por más que tenga un modelo matemático, físico bien fundamentado nunca podrá reemplazar un buen estudio geológico del yacimiento

No se podrá determinar por si solo las propiedades petrofísicas de las rocas, ni las características de los fluidos sin su base matemática aplicada a su modelo lógico.

Los resultados que proporcione el simulador serán tan buenos como los datos que se le suministren en el DATA.

Por muy bueno que sea un simulador, requiere de un ingeniero que pueda interpretar los resultados y hacer las modificaciones necesarias para hacer que el modelo se ajuste a los datos de producción.

El costo es muy pequeño comparado al número de barriles recuperados.

Mientras más maduro es el yacimiento y mejor es la data, mas útil resulta el uso de la simulación.

El proceso de organizar los datos y construir el modelo pudiera ser todavía más valioso que sus resultados, ya que nos permite entender la naturaleza de los yacimientos.

El modelaje nos permite observar la física de los yacimientos sin estar presente y examinar algunos que pasaría si.

Recomendaciones

Es importante el uso de la simulación numérica de yacimientos combinada con el papel del ingeniero petrolero, ya sea esta los niveles que van desde usuario o como encargado de desarrollar un modelo.

Se requiere de un buen ingeniero que interprete los datos y los resultados

Se requiere modificaciones necesarias para que el modelo se ajuste a los datos de producción.

El valor de la simulación aumenta cuando se involucran tecnologías nuevas de alto riesgo, o el desarrollo de nuevos yacimientos complejos.

Conocer la reacción del yacimiento a diferentes escenarios de explotación es crítico y para ello necesitamos corroborar todos esos escenarios mediante simulación antes de seleccionarlo.

7. Bibliografía

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