manual del curso de geología y propiedades de los reservorios hidrocarburíferos

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INSTITUTO DE ESTUDIOS DEL PETRÓLEO. IEP MANUAL DEL CURSO: GEOLOGÍA Y PROPIEDADES DE LOS RESERVORIOS HIDROCARBURÍFEROS AUTORA: MSC. ING. LUCÍA MARIBEL CORAL CONDE AGOSTO – 2012

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Page 1: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

INSTITUTO DE ESTUDIOS DEL PETRÓLEO. IEP

MANUAL DEL CURSO:

GEOLOGÍA Y PROPIEDADES DE LOS

RESERVORIOS HIDROCARBURÍFEROS

AUTORA:

MSC. ING. LUCÍA MARIBEL CORAL CONDE

AGOSTO – 2012

Page 2: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

1

CURSO DE GEOLOGÍA Y PROPIEDADES DE LOS

RESERVORIOS HIDROCARBURÍFEROS

OBJETIVO GENERAL

Transferencia de conocimientos básicos a los trabajadores de EP PETROECUADOR de

la geología y las propiedades de los reservorios hidrocarburíferos.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Comprender el sistema petrolero que está constituido por la roca madre, la roca

reservorio y la roca sello, como también el proceso de generación de

hidrocarburos, la expulsión y migración de los mismos, y la generación de

trampas capaces de almacenarlos.

Conocer las propiedades de la roca y de los fluidos en reservorios

hidrocarburíferos.

Entender los mecanismos de producción primaria en reservorios

hidrocarburíferos.

METODOLOGÍA

Eminentemente activa y participativa sobre la base de la temática del curso.

Para el efecto, los organizadores proveerán a la Instructora, de los recursos de apoyo

didáctico como: computador, proyector y aulas adecuadas, para que los participantes

mantengan un alto nivel de motivación.

DURACIÓN

15 Horas

Page 3: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

2

CONTENIDO

PRESENTACIÓN

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO I

1. EL SISTEMA PETROLERO

1.1. Las Rocas ………………………………………………………………….

1.1.1. Las Rocas Ígneas ………………………………………………………..

1.1.2. Las Rocas Metamórficas …………………………………………………..

1.1.3. Las Rocas Sedimentarias ………………………………………………..

1.1.3.1.Clasificación de las Rocas Sedimentarias Según su Origen ………………

1.2. La Roca Madre …………………………………………………………….

1.3. Expulsión y Migración ……………………………………………………

1.4. La Roca Reservorio ………………………………………………..…….

1.5. La Roca Sello ………………………………………………..…………..

1.6. La Trampa ………………………………………………………………..

1.6.1. Trampas Estructurales .………………………………………………..…

1.6.2. Trampas Estratigráficas ………………………………………………..…

1.6.3. Trampas Combinadas ………………………………………………..…

5

6

6

8

9

12

13

14

15

16

17

18

18

CAPÍTULO II

2. PROPIEDADES DE LA ROCA Y DE LOS FLUIDOS

2.1. Porosidad …………………………………………………………………. 20

Page 4: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

3

2.2. Permeabilidad ……………………………………………………………..

2.3. Permeabilidad Efectiva ……………………………………………………

2.4. Permeabilidades Relativas ………………………………………………...

2.5. Viscosidad …………………………………………………………………

2.6. Presión de Burbuja ………………………………………………………...

2.7. Factor Volumétrico del Petróleo …………………………………………..

2.8. Presión Capilar ……………………………………….................................

2.9. Movilidad del Fluido ……………………………………………………...

21

23

23

25

26

26

27

28

CAPÍTULO III

3. MECANISMOS DE PRODUCCIÓN PRIMARIA

3.1. Empuje por Gas en Solución ………………………………………………

3.2. Empuje por Casquete Gasífero …………………………………..……..…

3.3. Empuje por Acuífero Activo ……………………………………………....

3.4. Expansión de la Roca y los Fluidos ……………………………….………

3.5. Drenaje por Gravedad ………………………………………………..……

30

31

32

33

34

ANEXOS:

EVALUACIÓN DEL CURSO

BIBLIOGRAFÍA

Page 5: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

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PRESENTACIÓN

El curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos, está diseñado

para la Gerencia de Exploración y Producción de EP PETROECUADOR, está

concebido para ser comunicado en 15 horas académicas. El tiempo de duración es

estrecho si tomamos en cuenta la extensión y la complejidad de la temática. Por lo cual

se impone, una gran capacidad de síntesis para resumir en un pequeño manual la

abundante información existente alrededor del tema.

INTRODUCCIÓN

Conocer la geología y las propiedades de los reservorios hidrocarburíferos es muy

importante para la explotación exitosa de los mismos.

En este documento el capítulo I contiene el sistema petrolero, el cual está constituido

por la roca madre, la roca reservorio y la roca sello, como también el proceso de

generación de hidrocarburos, la expulsión y migración de los mismos, y la generación

de trampas capaces de almacenarlos.

En el capítulo II se describen las propiedades de la roca y de los fluidos en reservorios

hidrocarburíferos.

Y en el capítulo III se detallan los mecanismos de producción primaria en reservorios

hidrocarburíferos.

Page 6: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

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CAPÍTULO I

1. EL SISTEMA PETROLERO

El sistema petrolero está constituido por la roca madre, la roca reservorio y la roca sello.

Para que una cuenca sedimentaria tenga posibilidades de contener acumulaciones de

hidrocarburos, debe tener estos tres elementos básicos.

El proceso de generación de hidrocarburos, la migración de los mismos y la generación

de trampas capaces de albergarlos debe ocurrir en una determinada secuencia para que

se produzca dicha acumulación.

La comercialidad o no de esta acumulación de hidrocarburos dependerá de:

Factores geológicos: como el volumen, la calidad del reservorio, la calidad del

petróleo, la profundidad de la acumulación.

Factores técnicos: tales como el grado de dificultad para perforar hasta la

acumulación, el grado de dificultad para montar las instalaciones de superficie.

Factores económicos: como el costo de desarrollo, el costo de extracción, el

costo de transporte, el valor del hidrocarburo.

Los hidrocarburos se generan, migran, acumulan y se preservan en las rocas, motivo por

el cual resulta fundamental entenderlas.

1.1. LAS ROCAS

“Las rocas comprenden al conjunto o agregado de minerales y mineraloides en diversas

proporciones, un sistema de poros y una cantidad variable de fluidos (aire, agua,

petróleo, gas).

Page 7: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

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Se clasifican por su origen y composición. Las rocas pueden ser ígneas (intrusivas,

extrusivas), sedimentarias (clásticas, no clásticas, residuales), y metamórficas (foliadas,

granoblásticas).” [Stinco y Barredo, 2011].

1.1.1. LAS ROCAS ÍGNEAS

“Las rocas ígneas son aquellas que resultan del enfriamiento y de la cristalización del

magma (en profundidad) o de lava (en superficie). Si son producto de la cristalización

de un magma se denominan “intrusivas” en tanto que si son el producto de la

solidificación de la lava son “extrusivas”.” [Stinco y Barredo, 2011].

En la Figura 1.1 se observa ejemplos de rocas ígneas.

Figura 1.1: Rocas Ígneas (basada en Stinco y Barredo, 2011).

1.1.2. LAS ROCAS METAMÓRFICAS

“Las rocas metamórficas son aquellas en donde actúa un proceso de transformación

mediante el cual la composición mineral, la textura o ambas (en una roca) cambian

creando una nueva roca por efectos de presión, temperatura y fluidos químicamente

activos.

Page 8: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

7

Los factores que controlan el desarrollo del metamorfismo son la composición inicial de

la roca, presión, temperatura, esfuerzos, reactividad química inducida de los fluidos y el

tiempo durante el cual cada uno de ellos actúa.

Desde el punto de vista textural es posible reconocer rocas metamórficas granoblásticas

(cuyos granos -blastos- tienden a ser equidimensionales) y foliadas (donde los minerales

se desarrollan siguiendo cierta alineación).

Entre las granoblásticas encontramos: granulita, mármol, skarn, metacuarcita y

anfibolita. Dentro de las foliadas tenemos: pizarra, filita, esquisto, gneiss.” [Stinco y

Barredo, 2011].

Se muestra rocas metamórficas granoblásticas en la Figura 1.2, rocas metamórficas

foliadas en la Figura 1.3 y afloramientos de rocas metamórficas en la Figura 1.4.

Figura 1.2: Rocas Metamórficas Granoblásticas (basada en Stinco y Barredo, 2011).

Figura 1.3: Rocas Metamórficas Foliadas (basada en Stinco y Barredo, 2011).

Page 9: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

8

Figura 1.4: Afloramientos de Rocas Metamórficas (basada en Stinco y Barredo, 2011).

1.1.3. LAS ROCAS SEDIMENTARIAS

“Las continuas transformaciones que sufre el planeta son impulsadas por fuerzas de

origen interno y externo. Las primeras son el resultado de la dinámica terrestre y son

responsables de la modificación de la corteza por medio de la formación de las

montañas y de cuencas sedimentarias, entre otras cosas. Las de origen externo en

cambio, tienden a destruir las irregularidades de la superficie de los continentes

originadas por las fuerzas internas y a restablecer el equilibrio de la litosfera. Se

manifiestan en los procesos de erosión y transporte de materiales por el viento, cursos

de agua continentales, mares y océanos, glaciares y la gravedad.

De manera que se puede hablar de un ciclo donde alternan los procesos destructivos y

constructivos de los materiales de la corteza terrestre, que así está sometida a cambios

constantes. Este ciclo constituye el “Ciclo de Wilson”.

Los procesos formadores de las rocas sedimentarias tienen lugar en la superficie

terrestre o muy cerca de ella, en ese sentido se dice que son procesos “exógenos”. En

contraposición con los formadores de las rocas ígneas y metamórficas que son

“endógenos”.” [Stinco y Barredo, 2011].

En la Figura 1.5 se observa el Ciclo de Wilson.

Page 10: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

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Figura 1.5: Ciclo de Wilson (basada en Tarbuck y Lutgens, 1999).

1.1.3.1. CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS SEDIMENTARIAS

SEGÚN SU ORIGEN

Las rocas sedimentarias se clasifican según su origen en clásticas, no clásticas y

residuales.

Page 11: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

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ROCAS SEDIMENTARIAS CLÁSTICAS

Las rocas sedimentarias clásticas se subdividen en las rocas epiclásticas, que están

formadas por clastos derivados de la fragmentación de rocas preexistentes; y en las

piroclásticas, que están formadas por fragmentos de origen volcánico.

Entre las rocas sedimentarias epiclásticas, y disminuyendo el tamaño del clasto,

tenemos a los conglomerados y areniscas (son las rocas reservorio); las limonitas y

arcillas (son rocas madre y rocas sello).

Se muestra un corte exhibiendo la forma de los clastos en la Figura 1.6.

Figura 1.6: Corte Exhibiendo la Forma de los Clastos (basada en Stinco y Barredo, 2011).

ROCAS SEDIMENTARIAS NO CLÁSTICAS

Las rocas sedimentarias no clásticas comprenden a las rocas químicas, como las

evaporitas; a las rocas organógenas, como las calizas arrecifales, cretas, coquinas; y los

carbonatos, como las dolomías y calizas.

Page 12: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

11

Las evaporitas son excelentes rocas sello, como la anhidrita, la halita y el yeso. Estas

rocas son sellos efectivos, ya que pueden alcanzar grandes espesores, más de 2300 pies,

por lo que su presencia impide la migración de los hidrocarburos.

En la Figura 1.7 se observa rocas sedimentarias no clásticas.

Figura 1.7: Rocas Sedimentarias no Clásticas (basada en Stinco y Barredo, 2011).

“Las calizas y dolomías son excelentes rocas reservorio y suelen verse afectadas por el

desarrollo de fracturas. Tienden a depositarse cerca de su lugar de origen. La

temperatura, salinidad del medio y presencia o ausencia de material silicoclástico son

fundamentales en el desarrollo de las mismas. El 90% de las mismas corresponde a

sedimentos carbonáticos producto de la actividad biológica desarrollada en ambientes

marinos.

Las rocas carbonáticas se depositan bajo condiciones de presión y temperatura

ambientales por lo tanto se ven ampliamente influenciadas por los fenómenos de

meteorización que facilitan el desarrollo de porosidad y permeabilidad secundarias,

recristalización y dolomitización (remplazo de calcita por dolomita).” [Stinco y Barredo,

2011].

Se muestra en la Figura 1.8 un arrecife y un afloramiento de rocas no clásticas.

Page 13: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

12

Figura 1.8: Arrecife y Afloramiento de Rocas no Clásticas (basada en Stinco y Barredo,

2011).

ROCAS SEDIMENTARIAS RESIDUALES

Las rocas sedimentarias residuales son aquellas rocas que principalmente son producto

de la erosión con un mínimo transporte., como la laterita y la bauxita.

Estas rocas sedimentarias residuales desde el punto de vista petrolero no son

importantes.

1.2. LA ROCA MADRE

Las rocas madre son rocas en donde se ha acumulado suficiente materia orgánica,

preservada y térmicamente madura, para formar petróleo. Son usualmente de grano fino

las partículas orgánicas y se ubican más fácilmente en el medio ambiente de aguas

quietas.

Las rocas madre son comúnmente en su mayor parte rocas de grano fino,

particularmente lutitas, otras fuentes potenciales son los carbonatos de grano fino.

Un factor muy importante para determinar si una roca rica en orgánicos se convertirá en

roca madre, es su maduración térmica.

Page 14: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

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Para generar hidrocarburos se necesita:

De un sedimento, generalmente de grano muy fino que se haya depositado junto

con una cantidad apreciable de materia orgánica de cierta calidad, en un

ambiente anaeróbico y siempre subacueo.

Debe haber sufrido un soterramiento tal que genere presiones y temperaturas

capaces de transformar la materia orgánica en hidrocarburos.

Las condiciones anteriores deben haberse mantenido en el tiempo suficiente para

que la transformación ocurra, pero que no se prolongue demasiado como para

que los hidrocarburos se degraden.

1.3. EXPULSIÓN Y MIGRACIÓN

“Luego que el petróleo y el gas es generado en la roca madre, el incremento de la

presión interna causa microfracturas que permiten el movimiento de los hidrocarburos.

Este proceso es llamado expulsión y si se acumula inmediatamente en una roca

reservorio se habla de migración primaria. Si el proceso involucra pasos de acumulación

y migración alternos, se habla de migración secundaria.

Para que el petróleo migre es necesaria la existencia de gradientes de presión y cambios

de volumen en las rocas involucradas. La migración puede involucrar o no movimiento

de agua. Las posibles rutas de migración pueden ser rocas reservorio (cuerpos

sedimentarios, estratificación), superficies erodadas y meteorizadas, rocas fracturadas,

intrusiones y fallas.

La migración culmina cuando el hidrocarburo queda acumulado en la roca reservorio.

La distancia recorrida por el petróleo y el gas puede ser del orden de unos pocos

kilómetros hasta cientos.” [Stinco y Barredo, 2011].

Page 15: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

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1.4. LA ROCA RESERVORIO

Las propiedades fundamentales que un buen reservorio debe tener para acumular

hidrocarburos son las siguientes:

Porosidad, o suficiente espacio poroso vacío en la roca que permite el

almacenamiento de hidrocarburos.

Permeabilidad, la habilidad del hidrocarburo de fluir dentro o fuera de esos

poros. Lógicamente, los únicos poros efectivos son esos que están

interconectados y permiten que lo fluidos circulen a través de ellos.

Las principales rocas reservorios son las areniscas, los carbonatos y las rocas

fracturadas, a profundidades que oscilan entre los 650 y 18000 pies.

En la Figura 1.9 se observa ejemplos de afloramientos de areniscas.

Figura 1.9: Afloramientos de Areniscas (basada en Stinco y Barredo, 2011).

Aunque las rocas más comunes que actúan como reservorio de hidrocarburos son las

areniscas, la mayor producción de petróleo proviene de rocas calcáreas; esta aparente

contradicción se explica por los mega yacimientos de oriente medio que producen de

Page 16: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

15

formaciones calcáreas, sin embargo la mayoría de los yacimientos son productivos de

rocas clásticas.

Se observa la producción por tipo litológico en la Figura 1.10.

Figura 1.10: Producción por Tipo Litológico (basada en Stinco y Barredo, 2011).

1.5. LA ROCA SELLO

La roca sello se caracterizan por su baja permeabilidad, lo que no permite que el

hidrocarburo continúe migrando hacia la superficie, cuando este sello es eficiente y

tiene una geometría adecuada se dice que el hidrocarburo fue entrampado.

Un factor importante en la roca sello es la ductilidad, porque esta propiedad impide el

desarrollo de fracturas.

En el caso de anticlinales solo un sello vertical se requiere (Figura 1.11), pero las fallas

y trampas estratigráficas deben ser selladas vertical y lateralmente.

La lutita es la roca sello dominante de las reservas mundiales y es mayoritariamente la

cubierta en cuencas donde las areniscas son las rocas reservorios dominantes.

Page 17: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

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Sin embargo las evaporitas son las rocas sello más eficientes, son particularmente

comunes en cuencas ricas en carbonato y frecuentemente forman sellos para reservorios

carbonaticos.

Figura 1.11: Roca Sello

1.6. LA TRAMPA

En el ciclo de la generación, migración y acumulación de hidrocarburos el factor crítico

es el desarrollo de una trampa, que es una configuración geométrica de estructuras y/o

estratos, en la cual los tipos de roca permeable como el reservorio están rodeados y

confinados por tipos de roca impermeable como el sello.

La característica esencial de una trampa es que tiene la posibilidad de acumular y

retener en su interior al hidrocarburo.

Las trampas en su mayoría se encuentran en una de tres categorías. Pueden ser trampas

estructurales, trampas estratigráficas, o trampas combinadas que tienen ambos aspectos,

estructurales y estratigráficas.

Sello

Page 18: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

17

1.6.1. TRAMPAS ESTRUCTURALES

El objetivo de exploración más común son las trampas estructurales, porque son

relativamente fáciles de detectar y las estadísticas mundiales indican que las trampas

con hidrocarburos halladas más frecuentemente corresponden a los anticlinales.

El anticlinal puede producirse solo o en combinación con fallas. Pueden ser las fallas

también trampas por sí mismas, pero en cualquier caso las fallas deben ser herméticas e

impermeables si el hidrocarburo es acumulado.

Los domos salinos son trampas por acuñamiento contra un diapiro, se producen por el

movimiento de sal en zonas de grandes acumulaciones de sal y tectonismo más o menos

activo.

Se muestra en la Figura 1.12 trampas estructurales.

Figura 1.12: Trampas Estructurales

Page 19: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

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1.6.2. TRAMPAS ESTRATIGRÁFICAS

“Las trampas estratigráficas responden a variaciones en el estrato como el principal

elemento formador, por lo tanto la deformación estructural puede existir o no y es

independiente de la misma.

Las trampas estratigráficas más comunes se forman por: cambios depositacionales

laterales (variaciones faciales, acuñamiento) o por creación de relieve al depositarse con

posterior depositación de material impermeable por encima.” [Stinco y Barredo, 2011].

En la Figura 1.13 se observa una trampa estratigráfica.

Figura 1.13: Trampa Estratigráfica

1.6.3. TRAMPAS COMBINADAS

Las trampas combinadas se encuentran frecuentemente en áreas donde las fallas y los

pliegues estuvieron creciendo activamente durante la deposición. Estas estructuras en

crecimiento produjeron cambios laterales en facies sedimentarias o discordancia, las

cuales ayudaron a formar la trampa.

Se observan trampas combinadas en la Figura 1.14.

Page 20: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

19

Figura 1.14: Trampas Combinadas

Page 21: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

20

CAPÍTULO II

2. PROPIEDADES DE LA ROCA Y DE LOS FLUIDOS

En este capítulo se describen las principales propiedades de la roca y los fluidos.

2.1. POROSIDAD (Φ)

La porosidad de una roca se define como la fracción del volumen total de la roca no

ocupada por el esqueleto mineral de la misma; en los reservorios de hidrocarburos, la

porosidad representa el porcentaje del espacio total que puede ser ocupado por líquidos

o gases [PIRSON, 1965].

En la Figura 2.1 se muestra una porción amplificada de roca reservorio donde se ilustra

la distribución de los granos de la roca.

“La porosidad de la roca suele clasificarse en primaria y secundaria. La porosidad

primaria se debe a los procesos sedimentarios que originaron el reservorio. La

porosidad secundaria se debe a movimientos posteriores de la corteza terrestre o a la

acción de aguas subterráneas. La porosidad de las arenas es, en general, primaria.”

[BIDNER, 2010]. Mientras que las rocas carbonáticas, como las calizas y dolomitas,

tienen porosidad secundaria, en las cuales la porosidad secundaria podría ser resultado

de disoluciones, cementaciones, recristalizaciones, etc.

“La porosidad también puede clasificarse en porosidad efectiva (poros continuos

interconectados) y en porosidad no efectiva (poros discontinuos aislados). La suma de

ambas constituye la porosidad total.

En la Ingeniería de Reservorios solamente se considera la porosidad efectiva, pues es la

que permite el movimiento de los fluidos.” [BIDNER, 2010].

Page 22: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

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Figura 2.1: Porosidad de una Roca

2.2. PERMEABILIDAD

La permeabilidad es la “capacidad de la roca para permitir fluir petróleo, gas o agua a

través de los poros interconectados sin que se dañen o se desplacen las partículas de la

roca” [STINCO, 2001]. El símbolo de la permeabilidad es k.

La permeabilidad queda definida mediante la ecuación de movimiento de fluidos de

Darcy, que para flujo lineal y horizontal resulta [ARCHIER. AND WALL, 1986]:

dL

dPk

A

Q

(2.1)

Donde:

Q

A

k

= Caudal, [L3/t]

= Área transversal al flujo, [L2]

= Permeabilidad, [L2]

1 mm

Page 23: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

22

μ

P

L

= Viscosidad, [M/Lt]

= Presión, [M/Lt2]

= Longitud, [L]

“La roca tiene una permeabilidad de 1 Darcy si un fluido de 1 cp de viscosidad se

mueve a un caudal constante de 1 cm3 / seg a través de una sección transversal de 1 cm2,

cuando se aplica un gradiente de presión de 1 atm / cm (Figura 2.2).

El Darcy es una unidad muy grande para tener uso práctico, por lo que se utiliza el

milidarcy” [BIDNER, 2010].

Figura 2.2: Ecuación de Darcy

Se define como velocidad Darcy al caudal volumétrico dividido por el área transversal

al flujo.

A

Qv

(2.2)

Page 24: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

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2.3. PERMEABILIDAD EFECTIVA

La permeabilidad efectiva es la “capacidad del pasaje de un fluido en presencia de

otros” [STINCO, 2001].

Para definirla se generaliza la ecuación de Darcy para cada fase:

dL

dPk

A

Q i

i

i i

(2.3)

Donde:

Qi

A

ki

μi

Pi

L

= Caudal de la fase i, [L3/t]

= Área total transversal al flujo, [L2]

= Permeabilidad efectiva de la fase i, [L2]

= Viscosidad de la fase i, [M/Lt]

= Presión de la fase i, [M/Lt2]

= Longitud, [L]

“La permeabilidad efectiva está influenciada por varios factores: la geometría del medio

poroso, la mojabilidad de la roca-reservorio, la distribución de los fluidos en el medio

poroso, y la saturación de cada uno de los fluidos” [BIDNER, 2010].

2.4. PERMEABILIDADES RELATIVAS

La permeabilidad relativa es el “cociente entre la permeabilidad efectiva a cierto fluido

saturando parcialmente la roca y la permeabilidad cuando la saturación es del 100 %”

[STINCO, 2001].

k

kk

iri (2.4)

Page 25: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

24

Donde:

kri

ki

k

= Permeabilidad relativa de la fase i

= Permeabilidad efectiva de la fase i, [L2]

= Permeabilidad absoluta, [L2]

Las permeabilidades relativas son función de la saturación. En la Figura 2.3 se

muestran curvas típicas de un sistema agua – petróleo.

Figura 2.3: Permeabilidades Relativas en un Sistema Agua - Petróleo

Donde:

kr

kro

krw

= Permeabilidad relativa

= Permeabilidad relativa del petróleo

= Permeabilidad relativa del agua

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Kr

SW (%)

CURVAS DE PERMEABILIDADES RELATIVAS

KroKrw

Page 26: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

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Sw = Saturación de agua

Las características usuales de las curvas de permeabilidades relativas agua – petróleo de

acuerdo a la mojabilidad de la roca (rocas hidrófilas y oleófilas), se observan en la

Tabla 2.1 [CRAIG, 1982]:

Tabla 2.1: Características de Curvas de Permeabilidades Relativas para Rocas

Hidrófilas y Oleófilas

ROCA HIDRÓFILA ROCA OLEÓFILA

Sw irreducible > 0,2 < 0,15

Saturación en el cruce de las curvas > 0,5 < 0,5

Krw máxima < 0,3 > 0,5

Las rocas hidrófilas son aquellas mojadas por agua y las rocas oleófilas son mojadas por

petróleo.

2.5. VISCOSIDAD (μ)

Se define como la resistencia que opone un fluido bajo una fuerza tangencial al

desplazamiento de algunas de sus moléculas con respecto a otras.

La viscosidad del petróleo está en función de la temperatura, disminuye con el aumento

de la misma.

La viscosidad del agua también está en función de la temperatura, disminuyendo cuando

aumenta la temperatura.

Page 27: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

26

2.6. PRESIÓN DE BURBUJA (Pb)

La presión de burbuja de un hidrocarburo se define como la presión a la cual se libera la

primera burbuja de gas que se encuentra disuelta en el petróleo. El símbolo de la presión

de burbuja es Pb.

2.7. FACTOR VOLUMÉTRICO DEL PETRÓLEO (Bo)

El factor volumétrico del petróleo, cuyo símbolo es Bo, se puede definir a cualquier

presión, como el volumen en barriles que un barril en condiciones estándar ocupa en el

reservorio, es decir, a la temperatura del reservorio y con el gas disuelto que puede

retener el petróleo a esa presión [CRAFT Y HAWKINS, 1968].

estándar scondicioneen petróleo devolumen

reservorio del uray temperatpresión a petróleo devolumen Bo

Las condiciones estándar se definen como 15 °C de temperatura y 1 atmósfera de

presión.

Considerando que la temperatura del reservorio es constante, el factor volumétrico del

petróleo varía con la presión. En la Figura 2.4 se observa dicha variación. A presiones

mayores que la presión de burbuja el petróleo se expande como fluido monofásico a

medida que disminuye la presión, por eso el Bo aumenta.

A presiones menores que la de burbuja el Bo disminuye pues se van liberando las

fracciones más livianas de hidrocarburos.

(2.5)

Page 28: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

27

Figura 2.4: Factor Volumétrico del Petróleo en Función de la Presión

2.8. PRESIÓN CAPILAR (Pc)

La presión capilar en un medio poroso se define “como la diferencia de presión que

existe entre la interfase que separa a dos fluidos inmiscibles, uno de los cuales moja

preferentemente la superficie de la roca” [CRAIG, 1982].

Este fenómeno aparece debido a que los poros de la roca reservorio tienen dimensiones

capilares, por lo cual se crea una presión capilar entre las fases mojante y no mojante.

wnc ppP (2.6)

Donde los subíndices c, n y w significan capilar, no mojante y mojante,

respectivamente.

Una curva típica de presión capilar agua – petróleo en función de la saturación de agua

la podemos ver en la Figura 2.5:

Page 29: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

28

Figura 2.5: Presión Capilar en Función de la Saturación de Agua

“La presión capilar en el reservorio es función de las saturaciones de las fases. En el

reservorio la roca está saturada, como máximo, con tres fases” (agua, petróleo y gas)

[BIDNER, 2010]. Por eso se consideran 2 presiones capilares: una en la interfase agua –

petróleo y otra en la interfase gas – petróleo.

2.9. MOVILIDAD DEL FLUIDO (M)

La movilidad del fluido es la permeabilidad efectiva de la roca a ese fluido dividida por

la viscosidad del fluido.

Entonces la movilidad del petróleo es ko / μo y la movilidad del agua es kw / μw. El

valor de la movilidad depende de la saturación del fluido. Se define como relación de

movilidades M al cociente entre la movilidad del agua y del petróleo [WILLHITE, 1986].

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

PR

ES

IÓN

CA

PIL

AR

(P

si)

SW (%)

CURVA DE PRESIÓN CAPILAR VS. SATURACIÓN DE AGUA

Page 30: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

29

wkro

okrw

wko

okwM

Una relación de movilidades de 1 indica que el petróleo y el agua se mueven a la misma

velocidad. Cuando la relación de movilidades es menor que 1, el agua se mueve más

lento que el petróleo, dando lugar a una alta eficiencia de desplazamiento. Por el

contrario, cuando la relación de movilidades es mayor que 1 el agua avanza más rápido

y ocurre el fenómeno de fingering.

Fingering: generalmente se produce cuando un fluido menos viscoso como el

agua desplaza a uno más viscoso como el petróleo, afectando la eficiencia areal

de barrido. Este fenómeno se ilustra en la (Figura 2.6) donde se observa que

quedan zonas sin barrer del fluido desplazado (fluido 2).

Figura 2.6: Fingering en un Reservorio

(2.7)

Page 31: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

30

CAPÍTULO III

3. MECANISMOS DE PRODUCCIÓN PRIMARIA

La cantidad de petróleo que puede ser desplazado por la energía natural depende del

tipo de reservorio. Los reservorios son clasificados dentro de cinco categorías generales

basadas principalmente en el origen de su energía [WILLHITE, 1986]. Éstas son:

1) Empuje por gas en solución.

2) Empuje por casquete gasífero.

3) Empuje por acuífero activo.

4) Expansión de la roca y los fluidos.

5) Drenaje por gravedad.

En general los tres primeros son los mecanismos de drenaje natural más importantes y

serán descriptos con mayor detalle.

3.1. EMPUJE POR GAS EN SOLUCIÓN

El petróleo en condiciones de alta presión puede contener grandes cantidades de gas

disuelto. Cuando la presión del reservorio se reduce debido a que los fluidos son

producidos, el gas se libera de la solución y desplaza al petróleo del reservorio a los

pozos productores. La presión en la que comienza a liberarse gas se denomina presión

de burbuja.

En la Figura 3.1 [MURPHY, 1952], se muestra el comportamiento típico de un reservorio

con empuje por gas en solución. La presión del reservorio y la producción de petróleo

declinan rápidamente.

Las recuperaciones son bajas, están en el orden del 5 al 35% del POIS. El recobro es

bajo porque el gas es más móvil que la fase petróleo en el reservorio. Cuando la presión

declina, el gas fluye más rápido que el petróleo produciéndose la depletación acelerada

Page 32: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

31

de la energía del reservorio, que se caracteriza por el incremento de la relación gas /

petróleo (R.G.P.) en el campo.

Figura 3.1: Historia de Producción Típica de un Reservorio con Empuje por Gas en

Solución

3.2. EMPUJE POR CASQUETE GASÍFERO

Cuando el reservorio tiene una gran capa de gas, posee una gran cantidad de energía

almacenada en forma de gas comprimido. La capa de gas se expande conforme los

fluidos son retirados del reservorio, el petróleo es desplazado por un empuje de la capa

de gas asistido por el drenaje gravitacional. La expansión de la capa de gas es limitada

por el nivel de presión disponible y por la producción de gas luego que se conifique con

gas el pozo.

Se observa el comportamiento característico de un reservorio con empuje por casquete

gasífero en la Figura 3.2 [MURPHY, 1952]. La presión y la producción de petróleo

declinan más lentamente que en el caso con empuje del gas disuelto.

La eficiencia del recobro es del 20 al 40 % del petróleo original in situ.

Page 33: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

32

Figura 3.2: Historia de Producción Característica de Reservorios con Casquete

Gasífero

3.3. EMPUJE POR ACUÍFERO ACTIVO

Un reservorio con empuje por agua tiene una conexión hidráulica a través de los poros a

la roca saturada de agua llamada acuífero. El acuífero puede estar totalmente o

parcialmente bajo el reservorio. A menudo el acuífero está en el límite del campo.

El agua en un acuífero está comprimida. Como la presión del reservorio se reduce por la

producción de petróleo, el agua se expande, creando un flujo natural de agua en los

límites entre el reservorio y el acuífero.

El comportamiento característico de un reservorio con empuje por agua se ve en la

Figura 3.3 [MURPHY, 1952]. Se observa que la presión decae lentamente y se mantiene

por encima de la presión de burbuja, con lo que la relación gas - petróleo producida

instantánea (R.G.P.) se mantiene prácticamente constante.

El caudal de petróleo se mantiene hasta que la producción de agua se torna significativa.

La eficiencia de la recuperación varía del 35 al 80 % del petróleo original in situ

(POIS) [THAKUR AND SATTER, 1998], siendo el mecanismo de drenaje natural más

eficiente.

Page 34: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

33

Figura 3.3: Historia Productiva Típica de un Reservorio que Poseen Empuje de

Acuífero Activo

Varios reservorios con empuje de agua están conectados a acuíferos que tienen

limitadas cantidades de energía. Si no hay suficiente información geológica acerca del

acuífero, a partir de los datos de perforación u otros registros, la extensión del acuífero

y su capacidad para proveer de energía al reservorio no será conocida hasta que el pozo

entre en producción.

3.4. EXPANSIÓN DE LA ROCA Y LOS FLUIDOS

Un petróleo es subsaturado cuando éste contiene menos gas que el que es requerido para

saturar el petróleo a la presión y temperatura del reservorio. Cuando el petróleo es

altamente subsaturado, mucha de la energía del reservorio se almacena en forma de

líquido y compresibilidad de la roca.

La presión disminuye rápidamente a medida que los fluidos son retirados de un

reservorio subsaturado hasta que se alcanza el punto de burbuja. Entonces, el gas en

solución pasa a ser el mecanismo más importante para desplazar el fluido. Los recobros

son bajos, están entre el 1 al 10% del POIS.

Page 35: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

34

3.5. DRENAJE POR GRAVEDAD

El drenaje por gravedad debería ser considerado como un mecanismo de producción

primario en reservorios de gran espesor, que tienen buena comunicación vertical o en

reservorios con buzamiento empinado.

El drenaje gravitacional es un lento proceso porque el gas debe migrar sobre la

estructura o al tope de la formación, para ocupar el espacio anteriormente ocupado por

el petróleo. La migración del gas es rápida en relación al drenaje de petróleo, entonces

los caudales de petróleo son controlados por el caudal de petróleo drenado.

La eficiencia del recobro es alta, está en el orden del 40 al 80 % del petróleo original in

situ.

Tabla 3.1: Mecanismos de Producción

Mecanismos Presión del Reservorio Producción de

Agua

Factor de

Recobro

Empuje por gas

en solución

Declina rápidamente y

continuamente.

Ninguna (excepto en

reservorios con alta

saturación de agua).

5% - 35%

Promedio:

20%

Empuje por

casquete gasífero

Declina suave y

continuamente.

Ausente o

insignificante.

20% - 40%

Promedio:

> 25%

Empuje por

acuífero activo

Permanece alta. Es sensible

a las tasas de producción de

petróleo, agua y gas.

Aumenta

apreciablemente.

35% - 80%

Promedio:

50%

Expansión de la

roca y los fluidos

Declina rápidamente y

continuamente.

Ninguna (excepto en

reservorios con alta

saturación de agua).

1% - 10%

Promedio:

3%

Drenaje por

gravedad

Declina rápidamente y

continuamente.

Ausente o

insignificante.

40% - 80%

Promedio:

60%

Page 36: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

35

En la Tabla 3.1 se observa los factores de recobro asociados a los diferentes

mecanismos de producción primarios [THAKUR AND SATTER, 1998].

La energía natural que origina la producción resulta, en la mayoría de las formaciones,

de una combinación de efectos. Cada reservorio tiene características particulares y

produce por una especial combinación de distintos mecanismos de drenaje.

Page 37: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

36

ANEXOS

Page 38: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

37

EVALUACIÓN DEL CURSO

CUESTIONARIO DE EVALUACION

CURSO DE GEOLOGÍA Y PROPIEDADES DE LOS

RESERVORIOS HIDROCARBURÍFEROS

POR FAVOR MARQUE CON UNA (X) SUS RESPUESTAS

1. ¿ Qué se requiere para formar acumulaciones comerciales de hidrocarburo ?

Roca madre y trampas

Roca reservorio y roca sello

Todas las anteriores

( )

( )

( )

2. ¿ Las rocas ígneas pueden ser ?

Foliadas o granoblásticas

Intrusivas o extrusivas

No clásticas o residuales

( )

( )

( )

3. ¿ Los procesos formadores de las rocas sedimentarias son ?

Endógenos

Exógenos

Ninguno de los anteriores

( )

( )

( )

4. ¿ Las rocas sedimentarias clásticas se subdividen en ?

Epiclásticas y piroclásticas

Foliadas y granoblásticas

Todas las anteriores

( )

( )

( )

5. ¿ Las evaporitas son excelentes rocas sello ?

Si

No

( )

( )

Page 39: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

38

6. ¿ Las rocas madre son en su mayor parte ?

Rocas de grano grueso

Rocas de grano fino

Ninguna de las anteriores

( )

( )

( )

7. ¿ Cuáles son las rocas madre más importantes ?

Areniscas

Lutitas

Todas las anteriores

( )

( )

( )

8. ¿ Las propiedades fundamentales de un buen reservorio son ?

Porosidad y permeabilidad

Viscosidad

Presión de burbuja

( )

( )

( )

9. ¿ Cuáles son las dos rocas reservorio más importantes ?

Carbonatos y lutitas

Lutitas y areniscas

Areniscas y carbonatos

( )

( )

( )

10. ¿ Cuáles son las rocas sellos más importantes ?

Lutitas y evaporitas

Carbonatos y areniscas

Lutitas y areniscas

( )

( )

( )

11. ¿ Las trampas pueden ser estructurales, estratigráficas, o combinadas ?

Si

No

( )

( )

Page 40: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

39

12. ¿ La porosidad secundaria se debe a los procesos sedimentarios que originaron el reservorio ?

Si

No

( )

( )

13. ¿ La porosidad efectiva es aquella que tiene poros discontinuos aislados ?

Si

No

( )

( )

14. ¿ Cuando la relación de movilidades es menor que 1, el agua se mueve: ?

Más rápido que el petróleo

Más lento que el petróleo

Ninguna de las anteriores

( )

( )

( )

15. ¿ El fingering se produce cuando un fluido más viscoso desplaza a uno menos viscoso ?

Si

No

( )

( )

16. ¿ En los reservorios con empuje por gas en solución la producción del petróleo: ?

Declina lentamente

Declina rápidamente

Ninguna de las anteriores

( )

( )

( )

17. ¿ En los reservorio con empuje por casquete gasífero, la eficiencia del recobro del petróleo original in situ es de ?

1 % - 10 %

20 % - 40 %

35 % - 80 %

( )

( )

( )

Page 41: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

40

18. ¿ En los reservorios con empuje por agua la presión del reservorio: ?

Declina rápidamente

Declina lentamente

Ninguna de las anteriores

( )

( )

( )

19. ¿ Un petróleo es subsaturado cuando éste contiene menos gas que el que es requerido para saturar el petróleo a la presión y temperatura del reservorio ?

Si

No

( )

( )

20. ¿ En los reservorio con mecanismo de drenaje por gravedad, la eficiencia del recobro es ?

Baja

Alta

Ninguna de las anteriores

( )

( )

( )

Page 42: Manual del Curso de Geología y Propiedades de los Reservorios Hidrocarburíferos

41

BIBLIOGRAFÍA

Archier, J.S. and Wall, C.G., 1986, Petroleum Engineering – Principles and Practice,

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Bidner, Mirtha, 2010, Propiedades de la Roca y los Fluidos en Reservorios de Petróleo,

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Craig, Forrest, 1982, Aspectos de Ingeniería de la Inyección de Agua, Editorial Society

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Murphy, 1952, Petroleum Engineer, University of Michigan, Estados Unidos.

Pirson, Sylvain, 1965, Ingeniería de Yacimientos Petrolíferos, Ediciones Omega S.A.,

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Stinco, Luis, 2001, Introducción a la Caracterización de Reservorios de Hidrocarburos.

Empleo de Técnicas de Subsuelo en la Evaluación de Formaciones, Editorial

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Stinco, L. y Barredo, S., 2011, Geología del Petróleo y del Gas, FIUBA, Buenos Aires

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Editorial Pennwell, Tulsa – Estados Unidos.

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Unidos.