ESCUELA DE INGENIERA DE PETROLEOS

APLICACIONES DE LA GEOMECNICA EN LA INDUSTRIA DEL PETRLEO CAMPO EKOFISKJOSE LUIS FERNANDEZ CASTILLO JAVIER MENDOZA MOLINA CARLOS ANDRES MERCADO M.

CONTENIDO

CONSTRUIMOS FUTURO

INTRODUCCIONLa geomecnica petrolera esta desempeando un rol cada vez mas importante en la evaluacin y el desarrollo de hidrocarburos, y los estratos de sobrecarga a travs de los cuales se deben perforar los pozos. La cada de presin de un campo productivo puede conducir a la compactacin del yacimiento, al movimiento de los estratos de sobrecarga y a la subsidencia de la superficie que se encuentra por encima del yacimiento. Este proceso de compactacin y subsidencia puede resultar costoso tanto para las instalaciones de produccin como para las instalaciones de superficie. Con la expansin de las aplicaciones de la geomecnica, la industria ha reconocido la necesidad de efectuar caracterizaciones de las propiedades mecnicas de las rocas bajo las condiciones de yacimiento imperantes.CONSTRUIMOS FUTURO

SUBSIDENCIALa subsidencia es un hundimiento de una superficie, tal como el nivel del terreno con respecto a un punto de referencia estable. Se produce naturalmente como resultado de la actividad tectnica de las placas por encima de las fallas activas y en lugares en los que se expulsa fluido de los sedimentos subyacentes.

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COMPACTACIONLa compactacin es un cambio volumtrico producido en un yacimiento, mientras que la subsidencia es el cambio en un nivel de la superficie. Esa superficie podra ser el tope de una formacin, la lnea de lodo en una zona submarina o una seccin de la superficie de la tierra situada por encima de la formacin de la superficie en proceso de compactacin.

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FISICA DE LA COMPACTACION

Un medio poroso tal como una formacin productora de hidrocarburos contiene fluidos dentro de su estructura solida. Esta observacin simple posee implicaciones profundas si el material es sometido a esfuerzos. Conforme se acumula mas sedimento, la capa original debe soportar el peso del material nuevo. Siempre que existan trayectorias para el fluido, parte del liquido ser expulsado y la porosidad declinara. Al incrementarse la profundidad de sepultamiento de una capa de sedimentos, el peso de los sedimentos sobreyacentes aumenta tendiendo a hacer salir fluido de la capa y a reducir su porosidad

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FISICA DE LA COMPACTACION

FIGURA 3: Esfuerzo de los estratos de sobrecarga y presin de poros. (El esfuerzo de los estratos de sobrecarga sobre una formacin se incrementa con la profundidad debido al peso adicional de los estratos de sobrecarga. La presin de poros tambin se incrementa con la profundidad. Debajo de un estrato impermeable, el fluido intersticial se sobre presiona a medida que la formacin se compacta con el peso adicional, sin poder liberar el fluido intersticial) Tomada de http://www.slb.com/resources/publications/industry_articles/oilfield_review/2006/or2006_sp_win04_compactacionysubsidencia.aspx

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FISICA DE LA COMPACTACIONCuando se produce fluido desde un yacimiento, el peso de los estratos de sobrecarga no se reduce pero si lo hace la presin de poros, lo que incrementa el esfuerzo efectivo vertical que acta sobre la matriz solida. El grado de la compactacin resultante depende de la compresibilidad de la roca y de las condiciones de borde.

FIGURA 4: Estructuras de creta y arenisca. Las micrografas electrnicas de barrido de las muestras de afloramientos muestran la creta y la arenisca. La Creta es una mezcla dbil de fragmentos de cocolitos sin cementar, mientras que la arenisca es un arreglo de granos mas cementados. Tomada de http://www.slb.com/resources/publications/industry_articles/oilfield_review/2006/or2006_sp_win04_compactacionysubsidencia.aspx

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FISICA DE LA COMPACTACIONCAMBIOS EN LA ROCA PRODUCIDOS POR COMPACTACION Desplazamiento de los granos Deformacin de las partculas de arcilla Rompimiento del cemento entre granos Efectos de carga producen trituracin de los granos. Dado que estos cambios son irreversibles, la roca exhibe histresis. Algunas rocas son mas dbiles cuando se encuentran cuando se encuentran saturadas al menos parcialmente con agua en vez de petrleo.

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HISTERESIS EN LA ROCAFIGURA 5: Histresis de la compactacin. Tomada de http://www.slb.com/resources/publications/industry_articles/oilfield_review/ 2006/or2006_sp_win04_compactacionysubsidencia.aspx

Histresis de la compactacin. El incremento del esfuerzo neto sobre un material en estado plstico produce una rpida reduccin del volumen (1). Si el material es descargado, el rebote del volumen no es tan grande como lo fue el colapso y a menudo se aproxima a la respuesta elstica (2). La recarga del material produce inicialmente una respuesta cuasielastica, hasta que se alcanza el estado previo, de esfuerzo neto alto (3). En ese punto el material sigue nuevamente la lnea de falla plstica

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FISICA DE LA SUBSIDENCIAPARTES DEL PROCESO DE CAMBIO DE LAS FORMACIONES 1. 2. 3. 4. Volumen correspondiente a la compactacin Los estratos de sobrecarga Los estratos de carga lateral Los estratos de carga subyacente.

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FISICA DE LA SUBSIDENCIA

FIGURA 6: Diagrama de influencia de la subsidencia y compactacin. Tomada de http://www.sciencedirect.com/

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CAMPO EKOFISK

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LOCALIZACIONEl campo Ekofisk es un yacimiento de aceite y gas de gran produccin localizado en la parte sur de Noruega a 200 millas de la costa de Stavanger, Noruega en el sector del Mar del Norte. El aceite de Ekofisk se exporta a Teesside, Inglaterra, y el gas natural se exporta a Emden, Alemania.1 milla nutica = 1852 m 200 millas = 370,4 Km FIGURA 7: Localizacin del campo Ekofisk. Tomada de http://www.conocophillips.com/EN/Pages/index.aspx

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OPERADORES DEL CAMPO

El area del gigante Ekofisk esta comprendida de cuatro campos productores: Ekofisk, Eldfisk, Embla y Tor.

FIGURA 8: Complejo Ekofisk. Tomada de http://www.conocophillips.com/EN/Pages/index.aspx

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OPERADORES DEL CAMPOOPERADOR: ConocoPhillips (35.1%) Co-PARTICIPES: Total E&P Norge (39.9%), Eni Norge (12.4%), Statoil (7.6%), Petoro (5.0%)

FIGURA 9: Complejo Ekofisk. Tomada de http://www.conocophillips.com/EN/Pages/index.aspx

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ESTRATIGRAFIALa estructura del yacimiento es un anticlinal elptico aproximadamente de 6.5 millas de longitud a lo largo del eje N-S y 3 millas a lo largo del eje EW. La profundidad vertical verdadera del yacimiento es de 9.500 pies (TVDSS) a lo largo de la cresta de la estructura y 10.200 pies (TVDSS) a lo largo de los flancos. La produccin del campo proviene de la formacin Ekofisk que contiene dos tercios de las reservas y de la formacin Tor subyacente. Una Creta impermeable delgada separa las dos formaciones.

1 milla terrestre = 1609,34 m

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ESTRATIGRAFIA

FIGURA 10: Tomada de

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GENERALIDADESDESCUBIERTO EN 1969 E INICIO LA PRODUCCIN PRIMARIA EN 1971. TIPO DE FLUIDO: ACEITE VOLATIL ESPESOR DEL YACIMIENTO: 300-1000 Ft PRESION INICIAL: 7150 Psia POROSIDAD: 30% - 45% PERMEABILIDAD: 0,1 10 md PERMEABILIDAD EFECTIVA: 100 500 md PRODUCCION PROMEDIO DIARIA A 2009: 196 MSTBD Y 217 MMSCFDCONSTRUIMOS FUTURO

PLATAFORMAS COMPLEJO EKOFISK

FIGURA 11: Plataformas nuevas y viejas del complejo Ekofisk. Tomada de http://www.conocophillips.com/EN/Pages/index.aspx

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PLATAFORMA TIPICA (VIEJA) COMPLEJO EKOFISK

FIGURA 12: Plataforma vieja del complejo Ekofisk. Tomada de http://www.conocophillips.com/EN/Pages/index.aspx

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COMPACTACION Y SUBSIDENCIA EN EKOFISKPara el ao 1984, las plataformas del campo Ekofisk haban experimentado una subsidencia de varios metros y muchos pozos haban fallado. Estudios geomecnicos crearon un modelo de campo que demostr que la compactacin de la creta es extrema en este campo: reduccin de la presin inicial de yacimiento de 7150 Psia a 3200 Psia se traducira en una reduccin de la porosidad del 38% al 33% aproximadamente.

FIGURA 13: El material no puede traspasar la lnea de falla por esfuerzo de corte, porque fallara por esfuerzo de corte. El endcap representa el limite entre el comportamiento elstico interior y el comportamiento plstico exterior. Si la condicin de esfuerzo tiene lugar en el endcap, su incremento desplaza el endcap hacia afuera. La reduccin del esfuerzo desplaza nuevamente la condicin a la zona elstica expandida Tomada de http://www.slb.com/resources/publications/industry_ articles/oilfield_review/2006/or2006_sp_win04_com pactacionysubsidencia.aspx

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COMPACTACION Y SUBSIDENCIA EN EKOFISKCONTORNOS DE SUBSIDENCIA Monitoreados por GPS (satlites), levantamientos batimtricos y curvas de nivel. El desarrollo a futuro del campo es predicho por modelos de compactacin del yacimiento.

FIGURA 14: Tomada de http://www.conocophillips.com/EN/Pages/index.aspx

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COMPACTACION Y SUBSIDENCIA EN EKOFISK

FIGURA 15: Curvas de subsidencia del campo Ekofisk y tuberas de produccin mostradas. Tomada de http://www.sciencedirect.com.

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COMPACTACION Y SUBSIDENCIA EN EKOFISKComo resultado de la compactacin , la tasa de subsidencia a mediados y finales de los 80 fue de 30 cm/ao. El incremento de 6 m en la altura de las plataformas se realizo en 1987 para aumentar el despeje entre las cubiertas inferiores y la altura de marea mxima esperada. EFECTOS ADVERSOS:CARGAS DE ONDAS EN LAS CUBIERTAS Y EQUIPOS

IMPACTO DE ALTURA CARGAS DE OLAS EN LAS CUBIERTAS CARGA DE LA FATIGA DE LA ZONA DE ONDA

CARGA DE LOS CIMIENTOS

FIGURA 16: La subsidencia reduce gradualmente la cresta de las olas en el espacio vacio de las cubiertas. Tomada de http://www.conocophillips.com/EN/Pages/index.aspx

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COMPACTACION Y SUBSIDENCIA EN EKOFISK

FIGURA 17: Fotografa de una plataforma del campo Ekofisk. La subsidencia fue confirmada por comparacin del numero de huecos visibles en la pared protectora exterior. Tomada de http://www.sciencedirect.com

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INYECCION DE AGUAFIGURA 18: Historia de produccin del campo Ekofisk. La tasa de flujo de petrleo declino hasta la puesta en marcha del proyecto de inyeccin de agua a finales de 1980. la presin promedio del yacimiento tambin se redujo hasta que la tasa de inyeccin de agua se incremento en 1995. No obstante la tasa de subsidencia, en la plataforma utilizada como hotel o alojamiento no se redujo hasta que se interrumpi la produccin durante la transicin a la implementacin de campo Ekofisk II, en1998. Tomada de http://www.slb.com/resources/pu blications/industry_articles/oilfiel d_review/2006/or2006_sp_win0 4_compactacionysubsidencia.as px

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INYECCION DE AGUAEl agua modifica las propiedades constitutivas de la creta y la debilita mecnicamente. La interaccin entre la creta y el agua se modela como un movimiento del endcap que separa el comportamiento elstico que no produce compactacin del comportamiento plstico que si lo hace. El efecto del incremento de la saturacion de agua consiste en desplazar el endcap hacia un estado de esfuerzos mas bajos lo que reduce el tamao de la regin elstica con un cambio mnimo en la condicin de esfuerzos. Se trata de una condicin estable, de manera que la creta se compacta conforme el endcap se desplaza para dar cabida a la condicin de esfuerzos imperantes.

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INYECCION DE AGUA

FIGURA 19: Compactacin de la creta inducida por el agua. La produccin de la zona de creta incrementa el esfuerzo efectivo promedio y desplaza la envolvente elstica hacia afuera. La operacin de inyeccin de agua altera el estado del material; si se permitiera modificar la condicin de esfuerzos el endcap se contraera. No obstante, la condicin de esfuerzos no se ha modificado de manera que el material se deforma a travs de su compactacin rpida manteniendo bsicamente el endcap en su posicin original. Tomada de http://www.slb.com/resources/publications/industry_articles/oilfield_review/2006/or2006_sp_win04 _compactacionysubsidencia.aspx

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INYECCION DE AGUASubsidencia a partir del agotamiento y el efecto del agua. Hasta 1989 toda la subsidencia producida en el complejo que serva como hotel se debi al agotamiento de la presin. Despus de que la inyeccin de agua rellenara el espacio poroso en 1994, la subsidencia se debi enteramente a la compactacin inducida por el agua. Ambos efectos sucedieron en el periodo comprendido entre estos dos eventos.FIGURA 20: Tomada de http://www.slb.com/resources/publications/industr y_articles/oilfield_review/2006/or2006_sp_win04_ compactacionysubsidencia.aspx

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APLICACIN DE LA GEOMECANICA EN EL CAMPO EKOFISKComparar las mediciones de la compactacin y subsidencia de campo con los resultados de los modelos geomecnicos y de flujo dbilmente acoplados. VENTAJAS Tasa de subsidencia actual es mas baja. Impacto sobre la seguridad de las plataformas se ha mitigado Optimizacin del manejo del campo. Modelos para ayudar a colocar nuevos pozos.

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APLICACIN DE LA GEOMECANICA EN EL CAMPO EKOFISKVARIABLES PRINCIPALES TENIDAS EN CUENTA PARA LA SIMULACION Escenario de manejo de los yacimientos, tales como el tiempo de agotamiento secundario o vaciado rpido. Interrupcin de la inyeccin de agua y declinacin de la presin. Influencia de las fallas de los pozos Cambios en el numero de pozos productores Usos potenciales de la inyeccin de CO2.CONSTRUIMOS FUTURO

BIBLIOGRAFIA1. Compactacion y subsidencia. Dirk Doornhorf, Tron Golder. http://www.slb.com/resources/publications/industry_articles/oilfield_re view/2006/or2006_sp_win04_compactacionysubsidencia.aspx 2. Offshore structure seminar on: Reassessment of existing offshore structures.Hall Michael. http://www.conocophillips.com/EN/Pages/index.aspx

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