Simulación de Yacimientos: Tipos, Discretización y Técnicas

1.4 Planificación de un Estudio de Simulación

Un estudio comprensivo puede tomar un año o más para completarse y, algunas veces, puede requerir intensas demandas del hardware de computadoras y personal calificado. Estudios menos comprensivos requieren menos recursos pero usualmente deben ser conducidos bajo severas restricciones de tiempo. Ambos tipos de estudios deben seguir planes claros y prácticos para asegurar que ellos proporcionen la información correcta al equipo de administración del reservorio con el detalle apropiado y, sobre todo, a tiempo para ser usada efectivamente.

La mayoría de los estudios involucran esencialmente los mismos tipos de actividades, aunque la distribución del esfuerzo entre las actividades variará de un proyecto a otro. La Fig. 1.1 grafica las actividades más significativas.

Actividades

Definición del problema

Adquisición y Revisión de datos

Selección del enfoque

Descripción del reservorio y diseño del modelo

Soporte de programación

Ajuste Histórico

Predicción del Comportamiento y Análisis

Emisión de Reportes

Fig. 1.1 – Actividades en un típico estudio de simulación de reservorio

1.7 Consecuencias de la Discretización

Para ilustrar las consecuencias de usar bloques-malla para modelar un reservorio, veamos un modelo 1D de cuatro bloques-malla de un reservorio hipotético de dos pozos que está siendo inundado. La Fig. 1.4 muestra la vista de plano del reservorio, un boceto del sistema de malla para el modelo y diagramas de la distribución de saturación de agua en el reservorio y en el modelo relativamente temprano en la inundación. Note que en el reservorio la saturación del agua es una función continua de la distancia, pero en el modelo hay un salto abrupto en la saturación del agua entre los bloques 1 y 2 y de nuevo entre los bloques 2 y 3. Un diagrama similar de presión en el modelo demostraría una distribución escalonada, mientras un diagrama de la presión real del reservorio sería una curva continua.

3.2.3 Modelos 2D Areales

Los modelos 2D areales son los más usados en estudios de reservorios. Se usan cuando los modelos de flujo areal dominan el rendimiento del reservorio. Por ejemplo, en flujo de agua óptimo o al evaluar la influencia de la heterogeneidad areal en el comportamiento del reservorio.

Los modelos 2D areales son frecuentemente usados para estudios de todo el reservorio. Los objetivos de tales estudios incluyen proyecciones de caudales de producción de petróleo, gas y agua. También pueden incluir la optimización de factores como ubicación de los pozos, distribución de inyección, retiro de producción y control del tiempo para instalación de elevación artificial o para modificación de facilidades de superficie. Este tipo de estudio es también usado para estimar la recuperación final y para determinar la influencia de métodos alternativos de depleción, objetivos de producción y estrategias de operación en recuperación final.

La mayoría de los modelos de estudio 2D areal usan seudo funciones para el flujo vertical de fluidos. Aunque las seudo funciones tengan sus limitaciones, permiten la representación de la tercera dimensión vertical en modelos 2D areales.

Los modelos areales usan coordenadas cartesianas (x,y) (Fig.3.1a), radial (r,q) o curvilínea (Fig 3.1b y 3.1c). Los últimos dos sistemas proporcionan mejor definición cerca a los pozos que los modelos areales x-y.

3.2.4 Modelos 2D de Corte Transversal y Radiales

Los modelos 2D de corte transversal y radiales son usados principalmente para:

1. desarrollar funciones de pozo o seudo funciones para modelos 2D areales o 3D;
2. simular inyección de agua periférica, de gas por la cúspide u otros procesos en los que la velocidad frontal a través de los productores son uniformes
3. evaluar el comportamiento del pozo cuando los efectos verticales dominan el rendimiento, como en la conificación de gas o agua.

Modelos de corte transversal pueden usarse para evaluar la interacción de la gravedad, capilaridad, fuerzas viscosas y el efecto resultante en el barrido vertical y las eficiencias de desplazamiento.

Modelos 2D radiales (r, z) pueden usarse para representar flujo convergente o divergente en una región radialmente simétrica de un reservorio.

Modelos de corte transversal ayudan a justificar la simplificación en modelos de campo completo o grandes segmentos de un campo, determinar las permeabilidades efectivas verticales en un sistema anisotrópico.

Modelos 2D radiales (r, z) son útiles en estudios del comportamiento de pozos en reservorios de empuje hidráulico de fondo, con empuje de casquete de gas o que tienen una columna delgada de petróleo solapada por gas y por debajo agua.

Una aplicación importante de ambos modelos 2D de corte transversal y radial es la evaluación del efecto de caudal de producción en el rendimiento del reservorio y la recuperación final.

3.2.5 Modelos Multicapa

Si un campo simple contiene varios reservorios independientes, cada uno puede ser modelado en un estudio separado. Si la producción de un reservorio influye en la de otro, ambos reservorios pueden representarse en un modelo simple cuando:

1. la producción o inyección se mezcla en los pozos,
2. los reservorios están en contacto con un acuífero común,
3. líneas principales comunes, separadores u otras facilidades hacen necesario tratar varios reservorios con el mismo plan de administración del pozo,
4. el caudal total fijo para varios reservorios hace necesario usar un solo programa de administración de pozos.

Si puede ocurrir un flujo cruzado directamente entre los reservorios, en el acuífero o a los pozos, debería usarse un modelo 3D. Si se selecciona simulador 2D, cada reservorio debería representarse como una región del modelo sin flujo permitido entre regiones (Fig.3.2). Para definir caudal de producción e inyección por pozo y zona, el plan de manejo de pozos en modelos 2D o 3D debe ser capaz de manejar la interacción entre reservorios, pozos, y facilidades de superficie.

9.5 Combustión In-Situ

La combustión in-situ involucra la inyección de aire (u oxígeno) en el reservorio, normalmente en combinación con agua. Se forma un frente de combustión donde el aire inyectado quema una porción pequeña del petróleo del reservorio. El flujo de gas caliente y vapor resultante de la combustión y vaporización de agua desplazan el petróleo hacia adelante del frente de combustión. La vaporización de los finales ligeros y cracking térmico también ocurre. Delante del frente de combustión, los finales ligeros vaporizados se condensan, proporcionando alguna ayuda al desplazamiento por dilución del solvente del crudo virgen.

Un simulador de combustión adecuado debe describir las reacciones que ocurren. Crookston y otros, incluyen cuatro reacciones en su modelo: (1) oxidación del componente liviano de hidrocarburos; (2) oxidación del componente pesado de hidrocarburos; (3) cracking del componente pesado de hidrocarburos para formar el componente liviano; y (4) oxidación del coke formado por cracking.

Las relaciones de estas reacciones son descritas por expresiones de relación de tipo Arrhenius que son fuertemente dependientes de la temperatura. Esto introduce la posibilidad de problemas de estabilidad severos en simulaciones de las reacciones. Para ilustrar la reacción de oxidación para hidrocarburos ligeros, consideremos la oxidación del metano, que se expresa como

2O₂ + CH₄  →  CO₂ + 2H₂O

La ecuación de balance de energía es similar a la de inundación de vapor, con la adición de términos que corresponden al calor de la reacción.

Hay dos tipos de modelos de combustión in-situ. Usando la terminología de Coats, en un modelo controlado por reactantes, el oxígeno se asume que reacciona instantáneamente con el petróleo en contacto; en un modelo controlado cinéticamente, las relaciones de oxidación del petróleo y todas las otras reacciones que pueden ser consideradas pueden ser definidas por la expresión de relación de Arrhenius. El modelo de Crookston y otros es controlado cinéticamente. Youngren describe un modelo controlado por reactantes que es algo más simple que el modelo de Crookston. Coats describe un modelo controlado cinéticamente que es más general que el de Crookston. En el mismo estudio, Coats da una discusión detallada que compara su modelo con los de Crookston y de Youngren. En trabajo posterior, Coats describe un modelo que trata la oxidación de petróleo como si fuera controlado por reactante pero retiene la oxidación del coke controlado cinéticamente y cracking térmico. Otro enfoque es el de Hwang y otros, quienes representan la zona de combustión como un frente en movimiento.