Dr_ERG_Conceptos Geológicos y Geofísicos

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Ingeniería de Yacimientos Naturalmente Fracturados

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Dr. Edgar R. Rangel Germán

Capítulo II: “Conceptos Geológicos y Geofísicos. ”

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II.1. Origen Sistemas Fracturados.II.1.1. Clasificación Genérica de Fracturas.II.1.2. Clasificación Geológica de Fracturas.

II.2. Migración y Acumulación de Hidrocarburos en Yacimientos Fracturados.

II.3. Propiedades de Fracturas que afectan el Comportamiento de Yacimientos.II.3.1. Morfología de Fracturas.II.3.2. Apertura y Permeabilidad de las Fracturas.II.3.3. Espaciamiento de Fracturas.

II.4. Determinación de la permeabilidad

II.5. Análisis de Yacimientos Anisótropos.II.5.1. Estratificación y estratificación cruzada.II.5.2. Estilolitas.II.5.3. Fracturas.

III. Evaluación del YacimientoIV. Administración del Yacimiento

Índice

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Clasificación Genérica.

• Esfuerzos de cizalla (desplazamiento lateral paralelo al plano de fractura)• Fracturas por extensión (esfuerzo divergente perpendicular al plano de

fractura)• Fracturas por compresión (esfuerzo convergente perpendicular al plano de

fractura)

Clasificación Geológica.Escala Orden de apertura Tipo de fracturamiento

Tectónico 9-10 Fracturamiento conjugado asociado a fallas o pliegues.

Regional 5 Fracturamiento distribuido en superficies extensas, perpendicular a la superficie de estratificación e independientes de esfuerzos locales.

Contracción 2 Fracturamiento asociado a la reducción del volumen de la roca por desecación, sinéresis, gradiente termal y cambios de fase mineral.

Superficial 4-5 Fracturamiento irregular de carácter erosivo.

II.1 Origen de sistemas fracturados

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II.2 Migración y Acumulación de Hidrocarburos en Yacimientos Fracturados.

La presencia de fracturamiento a gran escala impacta notablemente en la porosidad y la permeabilidad de la roca (aumenta o disminuye).

Las determinaciones petrofísicas más importantes en este sentido son:

1. Permeabilidad de fractura2. Porosidad de fractura3. Saturación de fluido en fracturas4. Factor de recuperación del sistema de fracturas

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II.3.1. Morfología de Fracturas.

Otro factor importante en la determinación de la porosidad y permeabilidad es la morfología de las fracturas que puede ser observada en afloramientos y núcleos, o se pueden inferir mediante registros de pozos.No todas las fracturas favorecen a la permeabilidad de la roca por lo que resulta de suma importancia una correcta clasificación.

II.3 Propiedades de Fracturas que afectan el Comportamiento de Yacimientos.

Morfología de fracturas.

Fracturas abiertas Fracturas deformadas

Fracturas pulidas (slickensided) Fracturas estriadas

Fracturas rellenas Fracturas vugulares

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Las fracturas abiertas son aquellas que no han sido deformadas o rellenas por material diagenético por lo que el vacío producido favorece la acumulación y flujo de fluidos. La permeabilidad de las fracturas abiertas esta en función del ancho de la fractura, rugosidad y la superficie de contacto.

Las fracturas deformadas tienen lugar en zonas de cizalla relativamente dúctiles. Estas a su vez pueden ser estriadas o pulidas. Producen una importante anisotropía en la permeabilidad.

En las fracturas estriadas ocurre cataclasis por la fricción producida por el deslizamiento entre superficies generando granulación de diámetros diversos que consecuentemente reduce la porosidad y la permeabilidad. Esto puede tener un impacto aún más negativo si se presenta mineralización secundaria en las superficies de las partículas disgregadas.

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En las fracturas pulidas también ocurre cataclasis por la fricción producida debido al deslizamiento entre superficies, pero a diferencia de las fracturas estriadas, hay pulverización y/o vidrio producto de la fundición parcial de los granos. Al pulir la superficie hay un aumento de la permeabilidad paralela a la fractura, y un decremento de la misma en dirección normal a la misma, lo que se traduce como una marcada anisotropía.

Las fracturas rellenas se encuentran total o parcialmente afectadas por mineralización secundaria (calcita o cuarzo). El impacto en la permeabilidad depende de la saturación del relleno de la fractura pudiendo favorecer la permeabilidad o ser una barrera permeable. Las fracturas vugulares tienen lugar cuando un fluido entra en contacto con una roca de baja permeabilidad a través de una fractura y comienza a desarrollarse disolución, formando cavidades (proceso kárstico).

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II.3.2. Apertura y Permeabilidad de las Fracturas.

La apertura de las fracturas se refiere a la distancia que existe entre las paredes. Esta propiedad es proporcional a la permeabilidad y a su vez, la permeabilidad guarda una relación exponencial negativa con la presión confinante.

Apertura de la fractura versus presión hidrostática confinante de muestras de la formación Nugget, EEUU (Nelson, 1976).

Permeabilidad versus presión hidrostática confinante de una muestra del campo Valhall, Noruega (Nelson, 1976).

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II.3.3. Espaciamiento de Fracturas.

El espaciamiento de las fracturas es la distancia promedio que guarda una fractura respecto a otra de la misma familia y puede ser representado mediante un vector cuya magnitud es la distancia y la dirección es la normal al plano de fractura.

Esta propiedad guarda una relación estrecha con la porosidad y la permeabilidad, siendo que a menor espaciamiento mayor es el efecto de la morfología de la fractura.

Los factores que determinan el espaciamiento son:

1. Composición de la roca2. Tamaño de grano3. Porosidad4. Espesor del estrato5. Posición estructural

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Permeabilidad de la fractura en función de la apertura y espaciamiento (Nelson, 1976).

Apertura y Espaciamiento de Fracturas.

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Flujo en medio poroso

Darcy, 1856

Hubbert, 1940

Flujo entre placas

(fracturas)

Huitt, 1955

Flujo Doble porosidad

Parsons, 1966

K = conductividad hidráulicaA = área de sección transversaldh/dl = gradiente de presión k = permeabilidad intrínseca ρ = densidad del fluido g = aceleración gravitacionalµ = viscosidad del fluido N = coeficiente adimensional característico del medio d = diámetro promedio de los granos de la rocae = apertura de la fracturaD = espaciamiento

kfr = permeabilidad de la fractura más la de matrizkf = permeabilidad de una fractura kr = permeabilidad de la rocaα = ángulo entre el eje del gradiente de presión y los planos de fractura

II.4 Determinación de la permeabilidad

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II.5. Análisis de Yacimientos Anisótropos.

Existen estructuras que propician un comportamiento anisótropo respecto al flujo de fluidos por constituir planos de discontinuidad en la roca que pueden favorecer la permeabilidad en una dirección y/o disminuirla en otro. Estas estructuras son:

1. Estratificación horizontal paralela y estratificación cruzada

2. Estilolitas3. Fracturas

Las estilolitas son una estructura diagenética que consiste en la interpenetración de 2 unidades de roca en un plano de discontinuidad irregular como resultado de la disolución por presión que impacta de manera no homogénea a los agregados que conforman la roca. Por lo general se encuentran en zonas de baja porosidad.

Estructuras asociadas a estilolitas (Nelson, 1976).

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II.5. Análisis de Yacimientos Anisótropos.

La estratificación comúnmente refleja un cambio de permeabilidad perpendicular al plano de estratificación. En tanto que en la estratificación cruzada ocurre el mismo fenómeno, este adquiere mayor complejidad al tratarse de estratos que guardan una relación geométrica en múltiples ángulos de depositación (los estratos nunca son paralelos y no mantienen un espesor continuo).

Anteriormente se planteo como la morfología de las fracturas puede favorecer la porosidad y permeabilidad como en el caso de las fracturas abiertas y vugulares, pueden favorecer la permeabilidad en dirección paralela al plano de fractura como en las fracturas pulidas, o puede entorpecer el flujo como en el caso de las fracturas totalmente rellenas.

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Negar la existencia de un yacimiento fracturado puede tener como consecuencia:

a) Decremento irreparable del factor de recuperación.

b) Patrones de recuperación primaria inapropiados para recuperación secundaria.

c) Gasto de capital ineficiente durante el desarrollo del yacimiento.

d) Perforación innecesaria de pozos de relleno.

e) Evaluación económica inadecuada.

Desempeño técnico y económico deficiente

Consecuencias de una mala caracterización de yacimientos fracturados

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1. Exploración y evaluación temprana para determinar o predecir la calidad del yacimiento.

• Datos estructurales• Descripción litológica y estratigráfica• Propiedades mecánicas de las rocas• Propiedades de la matriz• Pruebas de flujo o potencial o “Drill Stem Tests” (DSTs)• Análisis de núcleos• Registros de imágenes de pozo• Esfuerzos in-situ

2. Evaluación del potencial económico.• Pruebas de presión de larga duración• Análisis de permeabilidad de núcleos 3-D• Análisis de laboratorio para determinar propiedades de fractura• Estimación de la interacción fractura/matriz

III. Evaluación del Yacimiento

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3. Evaluación del plan de recuperación y el modelado detallado del yacimiento• Mapa estructural detallado de diversos horizontes por arriba y por

abajo de la formación productora• Descripción detallada de litología , mineralogía, fracturas,

orientación y morfología• Interpretación de imágenes de pozo• Análisis 3D de núcleos orientados • Información mecánica de muestras de núcleos• Pruebas de flujo de larga duración• Estimación inicial de esfuerzos in-situ• Análisis de laboratorio de la interacción fractura/matriz

III. Evaluación del Yacimiento

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IV. Administración del Yacimiento

Clasificación de yacimientos fracturados

El yacimiento debe ser clasificado con base en los aspectos positivos que el sistema de fracturas aporte al mismo:

Tipo I.- Las fracturas proporcionan la porosidad y permeabilidad principal al yacimiento.

Tipo II.- Las fracturas proporcionan la permeabilidad principal del yacimiento.

Tipo III.- Las fracturas favorecen la permeabilidad de los yacimientos ya productores.

Tipo IV.- Las fracturas no proveen porosidad o permeabilidad adicional pero conforman yacimientos anisotrópos.

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Representación gráfica de la clasificación de yacimientos fracturados (Nelson, 2001).

Clasificación de yacimientos fracturados

IV

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Ejemplos de yacimientos Tipo I donde las fracturas proporcionan la porosidad y permeabilidad

Campo Ubicación

Amal Libia

Ellenburger Texas

Edison California

Wolf Springs Montana

Campos PC Kansas

Big Sandy Kentucky/ Virginia

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Ejemplos de yacimientos Tipo II donde las fracturas proporcionan la permeabilidad al yacimiento

Campo Ubicación

Agha Jari Irán

Haft Kel Irán

Rangely Colorado

Spraberry Texas

Altamont-Bluebell Utah

Sooner Trend Oklahoma

La Paz/ Mara Venezuela

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Ejemplos de yacimientos Tipo III donde las fracturas favorecen la permeabilidad de los yacimientos ya productores

Campo Ubicación

Kirkuk Iraq

Gachsaran Irán

Hassi Messaoud Algeria

Dukhan Qatar

Cottonwood Creek Wyoming

Lacq Francia

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Características favorables de los tipos de yacimientos fracturados

Tipo I.- Las fracturas proporcionan la porosidad y permeabilidad principal al yacimiento

• Buenas áreas de drene

• Buena relación entre el gasto de producción y los pozos del yacimiento

• Pueden producir hidrocarburos en roca de baja calidad

• Los primeros pozos en perforarse usualmente son los mejores productores

• Alto potencial inicial

Tipo II.- Las fracturas proporcionan la permeabilidad principal al yacimiento

• Puede desarrollarse en rocas de baja permeabilidad

• La carga de hidrocarburos es facilitada por fracturas

• Usualmente proven mejores resultados que el gasto de producción estimado

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Características favorables de los tipos de Yacimientos Fracturados

Tipo III.- Las fracturas favorecen la permeabilidad de los yacimientos

• Las propiedades de la matriz controlan el yacimiento

• Distribución uniforme de reservas

• Gastos de producción constante

• Excelente continuidad del yacimiento

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Problemas asociados a los tipos de Yacimientos Fracturados

Tipo I.- Las fracturas proporcionan la porosidad y permeabilidad principal al yacimiento

• Declinación rápida

• Invasión de agua

• Difícil determinación del área de drene

• Reservas difíciles de calcular

• Pozos en desarrollo agregan producción pero no incorporan reservas

Tipo II.- Las fracturas proporcionan la permeabilidad principal al yacimiento

• Pobre comunicación entre fracturas y la matriz

• Invasión de agua

• Fracturamiento intenso

• Factores de recuperación dificíles de determinar

• Posibles cierres de fracturas debido a la presión del yacimento

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Tipo III.- Las fracturas ayudan la permeabilidad de los yacimientos

• Alta permeabilidad anisotrópica

• Procesos de recuperación secundaria con buena respuesta

• Áreas de drene de forma elíptica

• Yacimientos interconectados

• Baja correlación entre pruebas de pozo, análisis de núcleos y registros geofísicos

Tipo IV.- Las fracturas crean barreras de flujo

• Factores de recuperación altamente variables dentro del mismo campo

• Permeabilidad anisotrópica opuesta a otros yacimientos adyacentes fracturados con otro tipo de fracturas

• Compartamentalización del yacimiento

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Estrategias en la Administración de Yacimientos Fracturados

Para yacimientos anisótropos en general y yacimientos fracturados:

• Cuantificación (geológica y petrofísica) en la descripción del yacimiento

• Evaluación en la historia de producción

• Modelado del yacimiento para un mejor entendimiento de la ingeniería y la geología

• Administración temprana del yacimiento para una óptima recuperación en todas las etapas de producción del yacimiento

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Administración de Yacimientos Fracturados

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Administración óptima del yacimiento

Descripción del yacimientoHistoria de producción

Modelado del yacimiento

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Distribuciones Históricas de Producción

• Comparado con yacimientos convencionales, los yacimientos fracturados son anisótropos.

• En un yacimiento convencional, en el cual la matriz realiza el mayor aporte de permeabilidad, las distribuciones de producción acumuladad por pozo tienen forma de campana, sin embargo en yacimientos fracturados las distribuciónes suelen ser altamente sesgadas.

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Gráfico de frecuencia de producción acumulada por pozo, campo La Paz, Venezuela.

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Gráfico de frecuencia de producción inicial potencial (IP) por pozo, campo La Paz, Venezuela.

La distribución log-normal vs campana es típicamente representativa de los yacimientos dominados por fracturas.

En general, el grado de inclinación decrece conforme se pasa de un yacimiento fracturado a un yacimiento con donde la permeabilidad proviene de la fractura.

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FRACTURAS FRACTURAS + POCA MATRIZ

MATRIZ FRACTURAS + MATRIZ

For

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de

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Análisis de Riesgo en Yacimientos Fracturados

Detección de fracturas: la detección de fracturas en diferentes tipos de datos reduce la probabilidad de fracaso

• Registros geofísicos

• Núcleos

• Pruebas de pozo

• Registros de perforación

• Análisis de afloramientos

Distribución de fracturas (dependiendo del origen):

• ¿Las fracturas se encuentran en un área especifica?

• ¿Están relacionadas con la téctonica ó distribuidas regionalmente y asociadas a la diagenesis?

Dirección de fracturamiento:

• ¿Hay una dirección preferencial de las fracturas?

• ¿Puede ser determinado con técnicas estructurales, sísmicas o con pruebas de producción?

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Porosidad del yacimiento y riesgo de la permeabilidad: Enfatizar la relación de la permeabilidad y porosidad de las fracturas con la matriz, algunos puntos de importancia a considerar serían los siguientes

• Presión de poro: Presiones altas- ventaja, Presiones bajas- desventaja

• Morfología de las fracturas: La morfología relaciona la forma natural de las fracturas (fracturas abiertas, deformadas, rellenas por mineral y fracturas por cavidades)

• Comunicación matriz-fractura: La falta de comunicación entre estos dos elementos podría ser perjudicial por el contrario la comunicación entre la matriz y las fractura es de gran ventaja.

Parámetros de ingeniería:

• Factores de recuperación (entre mas baja sea la permeabilidad de la matriz en relación con las fracturas mejor será el factor de recuperación).

• La presión de poro incrementa el factor de recuperación, mientras que bajas presiones los reduce.

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Saturación de hidrocarburos: La saturación de hidrocarburos en fracturas tiende a tener un valor mas alto que la matriz, pero debido al volúmen de poros no es tan significativo en el comportamiento del yacimiento

Permeabilidades relativas: La permeabilidad relativa tiende a ser diferente según sea calculada en las fracturas o en la matriz (este valor deberá ser usado en el calculo de gastos).

Límite económico: El límite económico en yacimientos fracturados puede ser menor si el área de drene por pozo es mas grande en comparación de un yacimiento que depende unicamente de la matriz.

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