Influjo de agua (We)¿Te gusta este artículo? Compártelo

Un acuífero se define como estrato o formación geológica que almacena y transmite agua (permite la circulación de agua a través de sus poros o grietas) permitiendo que pueda ser explotado en cantidades económicamente apreciables.Los acuíferos pueden tener diferentes características, pueden ser acuíferos confinados o cerrados que no tiene contacto con fuente externa alguna, o pueden tener un extenso afloramiento que permite que fuentes externas de agua mantengan inalterable su capacidad de aporte de energía expulsiva.

Un alto porcentaje de los yacimientos de hidrocarburos están asociados a éstos cuerpos de agua (acuífero) y de cualquier manera, estos constituyen una fuente de energía natural para los yacimientos.

En general, se define el límite inicial entre el yacimiento y el acuífero asociado como contacto agua/petróleo. Sin embargo, la naturaleza de la roca/yacimiento y las densidades agua/petróleo pueden generar la existencia de amplias zonas de transición entre ambos fluidos, como resultado del balance entre las fuerzas capilares y las fuerzas gravitacionales.

Se definen como yacimientos volumétricos aquellos que no tienen entrada natural de fluidos. Generalmente, al hablar de influjo natural de fluidos se piensa inmediatamente en agua ya que comúnmente este fluido es el que entra en el volumen control del yacimiento (volumen bruto), que inicialmente está ocupado por la acumulación de hidrocarburos con su agua connata. Sin embargo, hay casos en los cuales una acumulación inicialmente volumétrica puede recibir fluidos de otra acumulación, de manera accidental o no deliverada en este caso se pueden dar mediante la inyección planificada de fluidos.

Fig.1 Acuíferos

La presencia de un acuífero asociado a un yacimiento puede ser detectada de las siguientes maneras:

-Por perfilaje.

-Por producción de agua.

-Por balance de materiales.

Np = Petróleo producido

N= Petróleo original in-situ

Bt=Factor de volumen total de formación.

Bti=Factor de volumen total de formación para un momento i.

Bgi= Factor de volumen de gas de formación para un momento i.

m=Relación entre el volumen inicial de gas libre en el yacimiento y el volumen inicial de petróleo en el yacimiento.

Bg=Factor de volumen de gas de formación.

Wp=Agua acumulada producida.

Bw=Factor de volumen del agua de formación.

Bo = Factor volumétrico de formación del petróleo

We=Influjo acumulado de agua (Intrusión).

Rp=Relación gas-petróleo acumulada.

Rsi=Relación gas-petróleo en solución para un momento i.

Rs=Relación gas-petróleo.

Sw = Saturación de agua, fracción.

Cw, Co, Cg=Compresibilidad del agua, del petróleo y de gas.

Cf=Compresibilidad del volumen poroso

P=Presión estática del yacimiento

ΔP=Pi - P

i=inicial

En la aplicación de balance de materiales, se sugiere un procedimiento para detectar y cuantificar la presencia de un acuífero activo asociado a un yacimiento aunque no necesariamente haya producido agua, el cual se basa en suponer que no existe influjo de agua (We=0) y calcular el volumen de petróleo original en sitio (N), empleando un cálculo repetitivo que utiliza la historia de presión/producción. Si con esta historia se obtiene un valor relativamente constante de N, se puede afirmar que en efecto el yacimiento no está asociado a un acuífero activo; y si de lo contrario los valores de N son cada vez mayores a medida que avanza en producción, se puede afirmar que el yacimiento está asociado a un acuífero activo. Si el valor de N es confiable, se puede utilizar la EBM para calcular los valores de agua de intrusión (We) a medida que ha pasado el tiempo, partiendo de la historia de presión/producción.

El estudio de la presencia de influjo de agua en un yacimiento puede efectuarse relacionándolo con otros dos parámetros, el estado de agotamiento y el tiempo:

Influjo de agua vs. estado de agotamiento: El concepto de balance de materiales descrito por su ecuación (EBM) contempla la posible entrada progresiva de agua (We) al volumen de control, de manera natural, para esto es necesario que se cumplan dos condiciones:

1. Que la acumulación de hidrocarburos esté en contacto directo con el acuífero.

2. La existencia de un diferencial importante de presión entre el cuerpo de agua y la acumulación de hidrocarburos. Se requiere que a nivel del contacto agua/petróleo se reduzca la presión estática (Pe) de la zona de hidrocarburos para que sólo luego el cuerpo de agua cualquiera que este sea, reaccione con su entorno para esta caída de presión.

El acuífero aporta a la acumulación un volumen de agua (We) que se puede relacionar con cuatro factores:

-El tamaño del acuífero y/o sus características para rellenarse.

-La caída de presión estática en el contacto agua/petróleo (Pi-Pe).

-Las propiedades de la roca, particularmente en el acuífero.

-El tiempo durante el cual se ha aplicado o sostenido la caída de presión en el contacto agua/petróleo.

Influjo de agua vs. tiempo: El influjo de agua (We) depende del tiempo que ha estado activo en el contacto agua/petróleo cada paso o caída de presión. Sin embargo, en la EBM el influjo acumulado de agua a una presión dada (Pe) sólo representa un volumen que se traduce a masa, sin importar como ni cuanto tiempo se ha requerido para alcanzarlo, de

esta manera We se expresará en términos de balance de materiales como función de Pe promedio del yacimiento al cual entra y del cual se produce Wp. Para convertir We vs. Pe a We vs. t, solo se requerirá disponer de Pe vs. t

19 enero 2009

Características de yacimientos con empuje de agua¿Te gusta este artículo? Compártelo

Un yacimiento de empuje de agua es aquel en el que la fuente predominante de energía para producir el petróleo es el avance del agua procedente de un acuífero asociado. Si otro mecanismo aporta una cantidad significativa de energía, se considera que el yacimiento está bajo un empuje combinado.La fuente primaria de energía de este tipo de yacimiento es la combinación de la expansión de la roca y del agua en un acuífero que suple la afluencia del agua hacia el yacimiento. En algunos casos el acuífero es reabastecido por aguas desde la superficie, por lo que la afluencia no es enteramente obra de la expansión. El empuje de agua puede proceder del flanco o de más abajo del yacimiento. La figura 1 muestra la diferencia en geometría entre un empuje desde el flanco y un empuje desde el fondo.

Figura 1. Tipos de empuje de agua

La producción también puede verse favorecida por la expansión del petróleo, ya que la presión del yacimiento debe caer antes que empiece la afluencia del agua. Este es también lo más importante al comienzo de la vida del yacimiento, cuando la tasa de la caída de presión es más alta. La figura 2 muestra la curva de presión respecto al tiempo para un yacimiento típico bajo empuje de agua.

Fig. 2. Presión del yacimiento en el tiempo de producción.

Empuje de agua efectivo

Para saber el tipo de empuje de agua, si es efectivo o parcial, se deben realizar estudios geológicos para evaluar el tamaño y la forma del acuífero, e identificar otros yacimientos en la cuenca que compartan un acuífero común. Cuando esto suceda deben hacerse estudios de evaluación de interferencia de presión entre los yacimientos. No tiene nada extraño que el comportamiento de la presión de pequeños yacimientos en una cuenca esté dominado por la producción de los grandes yacimientos que se abastecen de grandes volúmenes de agua de la cuenca.Dependiendo de la fuerza y tamaño del acuífero, la tasa de producción se puede mantener en un yaci-miento. Cuando el tamaño no es suficiente para mantener la presión del yacimiento a niveles deseados, se puede inyectar agua.Cabe decir que el desplazamiento de petróleo por agua a bajos niveles de presión es menos eficiente a medida que el petróleo merma y se torna más viscoso, debido al desprendimiento del gas en solución. Esto causa de manera muy común una pérdida en extracción de aproximadamente 0,25% por ciento por 100 Ipc de disminución de presión en el frente de agua. Así que la tasa máxima eficiente del yacimiento depende en parte del nivel de presión al cual el acuífero puede abastecer agua.

Acuíferos¿Te gusta este artículo? Compártelo

¿Qué es un acuífero? 

Un acuífero es una formación geológica subterránea compuesta de grava, arena o piedra porosa, capaz de almacenar y rendir agua. Las condiciones geológicas e hidrológicas determinan su tipo y funcionamiento. Por ejemplo, se espera que mientras mayor sea la porosidad de las rocas (variante entre 5 y 20 por ciento), según el tipo de roca, más agua produzca el acuífero.Hay dos tipos de acuíferos: los confinados y los no confinados.

En el acuífero confinado, el agua está atrapada entre los estratos impermeables de la roca o entre rendijas de la formación rocosa. Dicha agua podría encontrarse almacenada a presión, y a esta presión se le llamaría artesana. Si se perfora un pozo en un acuífero confinado, el nivel del agua en el pozo aumenta en proporción a la presión artesiana, y fluye naturalmente sin necesidad de utilizar una bomba). Tanto a este pozo como a su acuífero se le llaman también artesianos. Los acuíferos artesianos profundos pueden tener un espesor de hasta 3,000 pies (914 metros), y pueden rendir hasta 1.000 galones de agua por minuto.

En un acuífero no confinado, en cambio, el agua no está almacenada a presión por no estar encapsulada en la roca. Si se hincara un pozo en él, el agua se tendría que bombear a la superficie.

Tipos de acuíferos

Desde el punto de vista de su conformación se pueden distinguir los acuíferos libres, y los acuíferos confinados.

En la figura se ilustran los dos tipos de acuíferos:

río o lago (a), en este caso es la fuente de recarga de ambos acuíferos.suelo poroso no saturado (b).

suelo poroso saturado (c), en el cual existe una camada de terreno impermeable (d), formado, por ejemplo por arcilla, este estrato impermeable confina el acuífero a cotas inferiores.

suelo impermeable (d).  acuífero no confinado (e).  manantial (f).  Pozo que capta agua del acuífero no confinado (g).  pozo que alcanza el acuífero confinado, frecuentemente el agua brota como en un surtidor

o fuente, llamado pozo artesiano (h).

Tipos de acuíferos

   

2. Agua subterránea

2.1 Uso actual2.2 Características de los acuíferos2.3 Estimaciones de disponibilidad de agua2.4 Posibilidades de explotación

En la ACRB se practica una moderada extracción de agua subterránea, recurso éste que, en ciertas zonas, se presenta con abundancia. La utilización del agua subterránea mediante pozos perforados, data de principios de siglo; pero en la última década, y en la medida en que se han ido agotando las posibilidades de los recursos hídricos superficiales, la extracción se ha intensificado bruscamente, y se piensa que continuará así en el futuro, debido a la falta de obras de regulación a corto plazo que incrementen la oferta garantida del recurso.

Se recurre al agua subterránea para atender las demandas del consumo humano, del riego y más recientemente de la industria.

A los efectos de una evaluación del recurso y su integración en los planes de aprovechamiento en el período bajo estudio, la Unidad Técnica realizó una recopilación de toda la información existente, y encaró el inventario hidrogeológico, complementado con informaciones diarias del nivel freático en pozos expresamente elegidos y con ensayos de bombeo.

Teniendo en cuenta la metodología y los alcances del estudio, las conclusiones que siguen no son definitivas ni representan el juicio de investigaciones exhaustivas propias de un programa especial para tales fines.

Sobre la base de la información disponible, las zonas abarcadas por el inventario hidrogeológico fueron 9 y se indican en el mapa IV-2-1.

2.1 Uso actual

En el sector argentino se inventariaron 243 pozos perforados, 118 pozos excavados y 18 vertientes. En el sector boliviano se inventariaron 26 pozos perforados, 23 excavados y 3 vertientes, lo que hace un total general de 431 fuentes de agua subterránea en la ACRB. Estas fuentes no se hallan distribuidas uniformemente, sino que se encuentran en áreas geológicamente favorables donde predominan el cuartario, constituido en gran porcentaje por arena y grava.

Los pozos fueron realizados por organismos estatales o empresas privadas y se concentran en áreas en las que, debido a la escasez o dificultad de captación de agua superficial, se ha intensificado aquella explotación. Estas áreas se corresponden en general con zonas densamente pobladas, localizaciones industriales importantes o regadíos extendidos

En algunas zonas, como en la Quebrada de Humahuaca, el acuífero es una de las pocas fuentes disponibles para los asentamientos humanos, si bien el escaso volumen de la reserva no permite considerarla como alternativa de un posible embalse de aguas superficiales. En el valle del San Francisco, las perforaciones realizadas para la investigación petrolera proveyeron información, indirectamente, sobre la presencia de agua en el subsuelo, en especial delimitando zonas de artesianismo.

Como resultado de las investigaciones efectuadas, se ha determinado que en el sector argentino, el volumen de agua subterránea para abastecimiento doméstico y municipal alcanza a 6 hm3/año; para las industrias a 14 hm3/año, y para riego 10 hm3/año, lo cual significa un total de 30 hm3/año, o sea un caudal equivalente constante de casi 1 m3/s.

En el sector boliviano, la extracción sería considerablemente inferior: 0,4 hm3/año para usos domésticos y municipales, y 0,9 hm3/año para la industria azucarera.

A lo largo del año, el consumo de agua subterránea para la industria y el riego es bastante variable y complementa el agua superficial, especialmente en los meses de escasez, de agosto a diciembre. Para el servicio doméstico, la extracción es más uniforme a lo largo del año.

A pesar de existir importantes fuentes termales en la Alta Cuenca, sólo se explota comercialmente la de Termas de Reyes, a pocos kilómetros de San Salvador de Jujuy; existe también en la misma provincia un proyecto para crear un complejo turístico en las termas de Caimancito.

2.2 Características de los acuíferos

2.2.1 Sistemas acuíferos. Existen en la Cuenca acuíferos libres (freáticos), confinados y artesianos. Los acuíferos libres están constituidos por arenas y gravas del cuartario. Debido a su heterogeneidad, estos sedimentos presentan horizontes arcillosos que originan localmente acuíferos confinados.

En los valles de los ríos San Francisco, Lavayén y Guadalquivir, varias perforaciones pusieron de manifiesto la existencia de acuíferos artesianos. Estos

se localizan en general en la base del cuartario, en el terciario subandino y en formaciones cretácicas para los dos primeros valles, y en el cuartario terciario para la zona boliviana.

Se investigaron las áreas de recarga y descarga de los acuíferos artesianos en base al análisis de las estructuras geológicas e interpretación de los perfiles de pozos.

2.2.2 Alimentación de los acuíferos. La alimentación de los acuíferos es esencialmente pluvial. En algunas zonas, como en la subcuenca del río Mojotoro, el norte del valle del río San Francisco y en algunos ríos de la subcuenca Tarija - Bermejo, existe una importante contribución fluvial, principalmente en los períodos de crecidas y posteriormente a los mismos.

Mapa IV-2-1 - Zonas de Inventario Hidrogeológico

Mapa IV-2-2 - Zonas con Mejores Posibilidades Acuíferas Subterráneas

Otra fuente de recarga, en algunas áreas, está constituida por el retorno del agua utilizada para riego, que representa volúmenes importantes.

La alimentación pluvial puede ser directa o por infiltración en las regiones circundantes más elevadas. Este aporte parece ser importante en algunas zonas. La precipitación media anual en la subcuenca del río Grande - San Francisco es de 700 mm y en la del Tarija - Bermejo de unos 950 mm.

Los volúmenes de precipitación anual que caen directamente en las áreas con mejores posibilidades acuíferas se establecen en el cuadro IV-2-1. La ubicación de las mismas se presenta en el mapa IV-2-2.

Las medidas diarias de fluctuación del nivel freático realizadas con la red de pozos de observación, mostraron que las variaciones a lo largo del año son muy diferentes de un área a otra, con amplitudes que van desde unos pocos decímetros hasta varios metros. En algunos casos, las medidas indican una respuesta casi inmediata del nivel de agua con las precipitaciones. En general, para toda la ACRB, la variación media anual es de 1 metro.

2.2.3 Profundidad y calidad del agua subterránea. La profundidad del agua freática es muy variable, siendo función de la topografía y de la cercanía de los cauces superficiales. En algunas zonas de planicie, el agua se encuentra a profundidades superiores a los 30 m y en los alrededores de Perico y Güemes llega a más de 50 m. En otras zonas, tales como Aguas Calientes, Ledesma, Colonia Santa Rosa, Tabacal y Abra Grande hay problemas de drenaje debido a la poca profundidad del agua freática. Esta misma causa puede originar serios problemas en algunas zonas en las que se estudia la construcción de grandes embalses como, por ejemplo, en la ciudad de Oran. Las carnadas acuíferas artesianas de Tarija-San Luis se encuentran normalmente a profundidades de 40/60 m.

Cuadro IV-2-1. Precipitación anual media directa

Area Superficie Precipitación anualmedia

km2 mm hm3

San Lorenzo - Tarija - San Luis 65 600 39Triángulo del Bermejo 95 1120 105Valle del Bermejo 1255 900 1130Quebrada de Humahuaca 25 200 5Jujuy - El Carmen 440 810 355Valle de La Caldera 90 750 68Quemes - Aguas Calientes 965 575 555Valle del San Francisco 2710 730 1980

En general, la calidad del agua subterránea, tanto para riego, como para uso doméstico e industrial, es buena. Las mejores aguas se encuentran en la zona La Caldera - Vaqueros, Jujuy - Güemes, Orán - Pichanal y Calilegua - Fraile Pintado, así como en el Triángulo del Bermejo y en Tarija la salinidad aumenta en los valles de los ríos Grande, Lavayén y San Francisco. En la Quebrada de Humahuaca la salinidad es superior a la media.

2.3 Estimaciones de disponibilidad de agua

2.3.1 Características dimensionales de los acuíferos. Los límites laterales del acuífero libre y de los localmente confinados, fueron estimados en base a los mapas geológicos disponibles y luego de examinar los diferentes factores fisiográficos e hidrogeológicos.

En relación con el espesor del acuífero, el análisis de algunas perforaciones - que a excepción de las petroleras y de las realizadas cerca del contacto nunca llegaron a la base del cuartario - permite inferir valores preliminares. Los resultados se expresan en el cuadro IV-2-2.

2.3.2 Volumen de las reservas. Para los acuíferos libres y localmente confinados, las reservas embalsadas corresponden a la cantidad de agua almacenada en ellos, la cual es teóricamente posible extraer por bombeo. Se las calcula conociendo el volumen de embalse y el coeficiente de almacenamiento o porosidad específica, según que el acuífero sea confinado (surgente o no) o freático.

Los valores preliminares obtenidos por la Unidad Técnica sobre ciertos supuestos razonables de coeficientes de porosidad, almacenamiento y volúmenes relativos, se expresan en el cuadro IV-2-3.

Los recursos reguladores de los acuíferos, en su situación actual, corresponden al volumen de agua almacenado entre el máximo y el mínimo nivel piezométrico; estos niveles están influidos por la extracción actual y, en consecuencia, los recursos calculados son susceptibles de una extrapolación para el futuro en la medida en que las extracciones se incrementen.

El cuadro IV-2-4 establece los valores de los volúmenes reguladores sobre la base de una porosidad específica del 5%.

2.4 Posibilidades de explotación

Las áreas definidas con un buen nivel en recursos de agua subterránea coinciden con las zonas más pobladas de la ACRB, y además con las zonas de suelos aptos para la implantación del riego.

Teniendo en cuenta que, salvo el complejo de Las Maderas, no existe ningún proyecto en condiciones de puesta en servicio público en lo que resta de la década del 70, parece claro que las posibilidades de expansión inmediata de los servicios de agua potable, agua industrial y ampliación de áreas de riego, se apoyen en el alumbramiento de acuíferos subterráneos, por lo menos en la subcuenca Grande - San Francisco y en los alrededores de Tarija.

Cuadro IV-2-2. Espesor medio y volumen saturado de las áreas con mejores posibilidades

AreaSuperficie Espesor Volumen

km2 medio m hm3

San Lorenzo - Tarija - San Luis 65 10 650Triángulo del Bermejo 95 15 1425Valle del Bermejo 1255 40 50200Quebrada de Humahuaca 25 5 125Jujuy - El Carmen 440 10 4400Valle de La Caldera 90 20 1800Güemes - Aguas Calientes 965 30 28950Valle del San Francisco 2710 50 135500

Surge en consecuencia que se verificará un incremento acentuado de tal uso, el cual debería orientarse hacia su explotación racional en base a los valores preliminares de reserva aquí' indicados y a los estudios complementarios que se realicen en un futuro inmediato.

Cuadro IV-2-3. Volúmenes de agua subterránea

Area Volumen de aguahm3

Tarija - San Luis (artesiano) 7Triángulo del Bermejo 70Valle del Bermejo 2510Quebrada de Humahuaca 6Jujuy - El Carmen 220Valle de La Caldera 90Güemes - Aguas Calientes 1450Valle del San Francisco 6780

En este estudio las reservas detectadas de agua subterránea serán consideradas al realizar el balance hidrológico final y al planificar los aprovechamientos hídricos superficiales.

El cuadro IV-2-5 muestra las características principales de las zonas con mejores posibilidades de explotación.

La importancia de los acuíferos en Yacimientos de GasPor Marcelo Madrid   10.4.09  Empuje Hidraulico, Yacimiento, Yacimientos de Gas  Danos tu comentario 

Es bien sabido que, en yacimientos de gas con empuje hidráulico, casi siempre los factores de recobro

son generalmente muy bajos, debido a las altas saturaciones de gas residual que se encuentra

entrampado por el agua proveniente de los acuíferos. Casi siempre, estos bajos factores de recobro son

causa de: 1) La tasa de producción y la manera en que son producidos los pozos, 2) la saturación residual

de gas, 3) las propiedades del acuífero y 4) la eficiencia volumétrica de barrido que tiene el agua de

intrusión dentro del yacimiento.

La manera de estimación del factor de recobro en yacimientos de gas con empuje hidráulico puede variar

considerablemente. Ejemplo de ello son el método de estado continuo, el de Hurts modificado para estado

semi-continuo y varios métodos de estados no continuos entre los que destacan los modelos de Van

Everdigen & Hurts y Carter y Tracy. El estudio de Carter & Tracy es utilizado para realizar la metodología

que se va a plantear a continuación.

Básicamente es la utilización de la ecuación de balance de materiales en función de P/Z para gas. Con la

presencia de un empuje hidráulico, los datos reales de campo casi siempre se desvían de la tendencia

lineal de un comportamiento volumétrico, ocurriendo en muchos casos un mantenimiento de la presión del

yacimiento. Generalmente esto ocurre cuando el yacimiento cae a una presión por debajo de la presión

de activación del acuífero (en casos de acuíferos infinitos) o al momento en que inicia la depleción del

mismo (asociado muchas veces a acuíferos de pequeñas dimensiones). Con este desvío de los puntos,

no es posible extrapolar los datos a P/Z = 0 para obtener un valor de GOES (gas original en sitio) y de

reservas a una P = Pabandono.

Ecuación de P/z vs. Gp para yacimientos de gas:

P/z = Pi/zi (1- Gp/G)

Donde:

P = Presión actual de yacimiento (lpca)

z = Factor de compresibilidad de gases reales a la presión actual de yacimiento (adm)

Pi = Presión inicial de yacimiento (lpca)

zi = Factor de compresibilidad de gases reales a la presión inicial de yacimiento (adm)

Gp = Gas producido acumulado (MMPCN)

G = Gas original en sitio (MMPCN)

Estudios realizados por Agarwal, Al Hussainy y Ramey

permiten utilizar la ecuación mencionada anteriormente para la determinación de reservas en un

yacimiento de gas con presencia de empuje hidráulico, mediante una correlación lineal que intersecta los

puntos reales de declinación de presión del campo (tal como se muestra en la figura de abajo). Esta

correlación se encuentra en función de la eficiencia volumétrica de barrido y la saturación de gas residual.

La técnica es sencilla de aplicar si se tiene datos duros de los dos parámetros mencionados

anteriormente, y no es más que asumir varios valores de Gp de abandono para obtener el

comportamiento lineal.

Ecuación de la Técnica de Agarwal, Al Hussainy y Ramey:

Pab/zab = [(Pi/zi)/((Ev Sgi/Sgr)+(1-Ev)/Ev)]-[(Pi Gpab/zi)/(G Ev ((Sgr/Sgi)+(1-Ev)/Ev))]

Donde:

Pab = Presión de abandono (lpca)

zab = Factor de compresibilidad del gas a la presión de abandono (lpca)

Ev = Eficiencia Volumétrica de Barrido (adm)

Sgi = Saturación de gas inicial (adm)

Sgr = Saturación de gas residual

Gpab = Gas producido acumulado a las condiciones de abandono (MMPCN)

En dado caso de no tener "amarrado" los

parámetros de eficiencia volumétrica de barrido, se puede utilizar la metodología de deSousa y Brigham.

Por otra parte, la determinación de la saturación de gas residual, existen correlaciones que se clasifican

de acuerdo al tipo de roca: consolidadas, no consolidadas y carbonáticas (las estaré publicando en los

próximos post).

Fuente: Paper SPE 1244

Acuiferos en Yacimientos de Petroleo Editar  0  14 …

Muchos yacimientos, ya sean de gas o crudo, están limitados parcial o totalmente por rocas saturadas con agua, denominadas acuíferos. Estos pueden ser muy grandes en comparación con el yacimiento adyacente, caso en el cual se consideran de extensión infinita, bajo todo punto de vista practico. También pueden ser tan pequeños que su efecto sobre el comportamiento del yacimiento puede considerarse insignificante.

Estos Yacimientos utilizan los acuíferos como mecanismo de producción denominado “empuje de agua”. Tambien llamado empuje natural de agua para distinguirlo del empuje artificial de agua en el cual esta presente la inyeccion de agua en la formacion. La produccion de hidrocarburos desde el yacimiento ocasiona una rapida caida de presion, ante esto el acuifero responde para compensar esta declinacion. Esta respuesta se presenta mediante el flujo de agua.Basados el grado de declinacion de presion que ocurre en el yacimiento con un flujo natural de agua se pueden clasificar en:ACUIFERO ACTIVO, PARCIALMENTE ACTIVO O INFINITO: La intrusion de agua es igual a la rata total de produccion. El yacimiento con acuiferos activos tienen una lenta y gradual declinacion de presion. Su radio es aproximadamente 10 veces mayor al radio del yacimiento.ACUÍFERO NO ACTIVO O FINITO: La caida de presion durante el tiempo de produccion es notable, debido a que el acuifero no puede dar una respuesta total a la caida de presion para compensarla.

El propio acuífero puede estar totalmente limitado por una roca impermeable, de manera que el yacimiento y acuífero forman juntos una unidad volumétrica o cerrada como lo muestra la siguiente figura.

Fig.2.3 Estudio con el analizador eléctrico de yacimientos de cinco campos terminados en la formación Ellenburger, en el occidente de Texas, con un acuífero limitado común.

Por otra parte, el yacimiento puede aflorar en uno o mas lugares donde puede reabastecerse de aguas superficiales como lo muestra la siguiente figura.

Fig. 2.4 Sección transversal geológica del yacimiento Torchlight Tensleep, Wyoming.

Por ultimo, pueden existir acuíferos prácticamente horizontales con el yacimiento adyacente, o, inclusive, en el caso de bordes de cuencas estructurales, puede encontrarse por encima del yacimiento y suministrar un tipo de flujo artesiano de agua al yacimiento. 

Fig. 2.3 Analogía hidráulica de flujo

de agua en estado de flujo continuo

Inicialmente ambos tanques se llenan a un mismo nivel y tienen una misma presión. Cuando tanque-yacimiento se produce a una rata constante, la presión cae rápidamente al principio. En cualquier momento, cuando la presión ha disminuido, la rata de intrusión de agua sera proporcional a la permeabilidad de la formación en la tubería al área de la sección transversal y a la caída de presión, e inversamente proporcional a la viscosidad del agua y a la longitud de la tubería, siempre y cuando la presión del acuífero permanezca constante.

GEOMETRIAS DE FLUJO DE ACUIFEROS EN YACIMIENTOS DE PETROLEO

EMPUJE LATERAL: El agua se desplaza a través de los flancos del yacimiento a medida que este produce hidrocarburos y la caída de presión al límite.

EMPUJE DE FONDO: Ocurre en yacimientos de gran superficie y con caídas suaves de presion en el cual el contacto agua-yacimiento se sitúa en la base.

EMPUJE LINEAL: Ocurre desde un flanco hacia el yacimiento con un área transversal constante.

INFLUJO ACUMULADO DE AGUA O ACUÍFEROen 20:46

Se sabe que la mayoría de los yacimientos no son volumétricos, por lo cual es de suma

importancia manejar el concepto de acuífero y su influencia sobre los yacimientos de

hidrocarburos.

Un acuífero se entiende como una zona

subterránea de roca permeable saturada con agua bajo presión. Para aplicaciones de

almacenamiento de hidrocarburos un acuífero necesitará estar formado por una capa

permeable de roca en la parte inferior y una capa impermeable en la parte superior, con una

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cavidad para el almacenamiento de hidrocarburos, en pocas palabras, un acuífero representa

un volumen de agua depositado en las rocas subyacentes que están en contacto con una

acumulación de hidrocarburo.

Entre el acuífero y los hidrocarburos existentes en la roca hay una zona delimitante o interface,

la presión en esta zona es la que regula la entrada del agua al volumen de control que

inicialmente constituye al yacimiento.

TIPOS DE ACUÍFEROS

Para clasificar a los acuíferos se tomará en cuenta el factor de la presión hidrostática del agua

encerrada en los mismos.

• ACUÍFEROS LIBRES: son aquellos en los cuales existe una superficie libre del agua

encerrada en ellos que se encuentra a presión atmosférica. La superficie del agua será el nivel

freático (real) y podrá estar en contacto directo con el aire o no, lo importante es que no tenga

por encima ningún material impermeable.

• ACUÍFEROS CONFINADOS: son aquellos en los que el agua que contienen está sometida a

una presión superior a la atmosférica, y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la

formación geológica, saturándola totalmente. Están sellados por materiales impermeables que

no permiten que el agua ascienda hasta igualar su presión a la atmosférica.

• ACUÍFEROS SEMI-CONFINADOS: se caracterizan por tener la parte superior o/y la parte

inferior sellada por materiales que no son totalmente impermeables, sino que constituyen un

acuitardo, es decir, un material que permite una filtración vertical que alimenta muy lentamente

al acuífero principal.

• ACUÍFEROS COLGADOS: algunas veces se da una capa de material más o menos

impermeable por encima del nivel real. El agua que se infiltra queda atrapada en esta capa

para formar un lentejón, que normalmente tiene una extensión limitada sobre la zona saturada

más próxima.

Como se mencionó anteriormente el acuífero tiene una presión en la interface, pero, aparte de

ésta tendrá un presión promedio ponderada del volumen general que corregida a un plano de

referencia puede ser mayor o menor que la de la interface. Además, para este estudio se

considerará al acuífero como un cuerpo de agua que reacciona en función del tiempo

transcurrido y la presión prevaleciente en dicho tiempo.

Para describir el influjo de agua en el yacimiento se presentaran tres métodos, el de Schilthuis,

el de Hurts y el de Van Everdingen y Hurts.

1. MÉTODO DE SCHILTHUIS

Es empleado en acuíferos donde el caudal que él aporta al volumen de control es proporcional

a la caída de presión que se le ha impuesto, es decir, con comportamiento estable. Dicho

comportamiento se representa de la siguiente manera:

We = K ∫ (Pi – P) dt

En la que:

We = influjo acumulado de agua a condiciones de yacimiento.

Pi = presión inicial en el limite entre el acuífero y el yacimiento.

P= presión en el limite entre el acuífero y el yacimiento a cualquier tiempo “t”.

K= constante del influjo de agua característica para el acuífero, constante.

∫ = evaluada desde cero (0) hasta un tiempo “t”.

2. MÉTODO DE HURTS

Es aplicable para acuíferos donde la tasa del influjo de agua que él aporta al volumen de

control del yacimiento es proporcional a la caída de presión que se le ha impuesto y a una

función logarítmica del tiempo que ha estado produciendo el yacimiento y en consecuencia

causa la disminución de la presión a la que ha llegado el acuífero, dicho de otro modo, con

comportamiento semi-estable. Dicho comportamiento se representa de la siguiente manera:

We = C * ∫ [(Pi – P) / log (a* t)] dt

En la que:

We = influjo acumulado de agua a condiciones de yacimiento.

Pi = presión inicial en el limite entre el acuífero y el yacimiento.

P= presión en el limite entre el acuífero y el yacimiento a cualquier tiempo “t”.

C= constante del influjo de agua característica para el acuífero, variable.

∫ = evaluada desde cero (0) hasta un tiempo “t”.

a = constante de conversión de unidades para hacer el tiempo adimensional, y depende del

valor en que se exprese “t”.

3. METODO DE VAN EVERDINGEN Y HURTS

Es usado para yacimientos con comportamiento inestable y se toma en cuenta toda la

información histórica que se tenga del mismo sobre la presión y producción del yacimiento. Las

propiedades características del acuífero se pueden inferir a partir de la solución de la siguiente

ecuación de Laplace la cual fue extendida por Van Everdingen y Hurts pera incluir las tasas

variables de influjo de agua y la disminución de presión.

(∂2 P / ∂ X2) + (∂2 P / ∂ Y2) + (∂2 P / ∂ Z2) = (∂ P / ∂ t)

MODELOS MATEMATICOS DE INFLUJO DE AGUAen 07:13

Los modelos matemáticos de influjo de agua comúnmente utilizados en la industria petrolera

son:

1. Estado estable

(a) Pot

(b) Schithuis (1936)

(c) Hurst (1943)

2. Estado inestable

(a) van Everdingen-Hurst (1949)

(b) Carter-Tracy (1960)

(c) Fetkovich (1971)

(d) Allard-Chen (1984)

POT

* El modelo Pot es el modelo mas simple que puede ser utilizado para estimar el influjo de agua

a un yacimiento

* Esta basado en la definición básica de compresibilidad

* Una caída de presión en el yacimiento debido a la producción de fluidos causa que el agua

del acuífero se expanda y fluya hacia el yacimiento

* Usualmente se utiliza para acuíferos pequeños, del mismo tamaño del yacimiento

Aplicando la definición de compresibilidad al acuífero se tiene:

donde:

El volumen de agua inicial en un acuífero

radial es:

donde:

En el caso que la influencia del acuífero no sea completamente radial, se define un factor de

forma: donde:

Balance de materiales

Al combinar la Ec. 24 con la Ec. 20 obtenemos

Debido a que las propiedades del

acuífero (cw, cf, h, da,) pueden variar de forma poco significativa, es conveniente

agrupar estas propiedades en una variable desconocida K:

SCHILTHUIS

* El comportamiento de flujo esta descrito por la Ley de Darcy

* Régimen de flujo en estado estable

La tasa de influjo de agua se puede describir aplicando la Ley de Darcy:

donde:

k: permeabilidad del acuífero [md]

h: espesor del acuífero [ft]

ra: radio del acuífero [ft]

ro: radio del yacimiento [ft]

t: tiempo [d]

C: constante de influjo de agua [bbl/d/psi]

Integrando obtenemos:

Utilizando un método de integración numérico obtenemos:

También se puede expresar como:

donde:

j: paso de tiempo

k: numero de intervalos de tiempo

HURST

* El radio “aparente” del acuífero ra se incrementa con el tiempo

* La relación adimensional ra/ro se reemplaza por una función que depende del tiempo ra/ro =

at

Sustituyendo en la Ec. 27 obtenemos:

Integrando obtenemos:

Utilizando un método de integración numérico

obtenemos:

El modelo de acuífero de estado estable de Hurst

contienen dos parámetros desconocidos: a y C. Estos parámetros se

pueden determinar a partir del comportamiento de presión e historia de influjo de agua.

Utilizando la Ec. 31 se tiene:

La Ec. 34 indica que un grafico

en función de LN t debe ser una lınea recta con pendiente 1/C y cuando t = 1 se

obtiene 1/C LN a

VAN EVERDINGEN-HURST

Van Everdingen y Hurst resolvieron la ecuación de influjo para un sistema yacimiento-acuífero

aplicando la transformada de Laplace a la ecuación de difusividad que describe el flujo bajo

condiciones transientes.

Esto conduce a la determinación del influjo de agua como función de una caída de presión

dada en el borde interno del

sistema yacimiento-acuífero.

Van Everdingen-Hurst propuso una solución a la ecuación adimensional de difusividad que

utiliza la condición de presión constante y las siguientes condiciones iniciales y de borde:

1.- Condición inicial:

2.- Condición de borde interno: 3.- Condición de borde

exterior:

· Acuıfero infinito:

· Acuıfero finito:

Adicionalmente, van Everdingen-Hurst asumieron que el acuífero estaba caracterizado por:

Espesor uniforme

Permeabilidad constante

Porosidad constante

Compresibilidad de roca y agua constante

La solución a la Ec. 35 para un sistema yacimiento-acuífero, considerando las condiciones de

borde descritas, permite calcular el influjo de agua en forma de un parámetro adimensional

denominado influjo de agua adimensional WeD, el cual es función del tiempo adimensional tD y

el radio adimensional rD:

WeD se encuentra en forma tabular para diversas geometrías de sistema yacimiento-acuífero

El influjo acumulado de agua se calcula de la siguiente expresión:

donde:

We: influjo de agua acumulado [bbl]

B: constante de influjo de agua (depende del modelo geométrico) [bbl/psi]

WeD: influjo de agua adimensional

El valor de tD y B se muestran a continuación:

donde:

Principio de superposición

Existe una caída de presión en el contacto agua-petróleo debido a la producción de fluidos en

un yacimiento asociado a un acuífero

El agua se expande y la caída de presión se propaga dentro del acuífero hacia el borde exterior

Debido a que las caídas de presión ocurren en forma independiente, el agua se expande a

consecuencia de sucesivas caídas de presión

La presión promedio es:

La caída de presión es: Para calcular el influjo acumulado de agua

a un tiempo arbitrario t, el cual corresponde al paso de tiempo n, se requiere la superposición

de las soluciones de la Ec. 37:

Sumando obtenemos:

Balance de materiales

La constante del acuífero B puede ser determinado mediante la solución del método grafico de

balance de materiales.

Para ello se tiene:

Por lo que:

La solución de la ecuación lineal de balance de materiales mediante el método grafico puede

ser utilizada para determinar el valor de un parámetro desconocido del acuífero cuando el resto

de los parámetros son conocidos.

Análisis de sensibilidad

Pozo, Galeria, Regadío, Enarenado, Acuífero

Pozo: Procedimiento para la captación de recursos hídricos subterráneos.Consisten en perforaciones verticales desde pocos metros de la superficie hasta varios centenares de metros en ocasiones.El agua se bombea a la superficie y se almacena en un estanque. Los problemas de este procedimiento de extracción son: salinización del agua, sobreexplotación...La isla con mayor número de pozos es Gran Canaria.

 

Galería: Procedimiento para la captación de recursos hídricos subterráneos. Se trata de perforaciones horizontales, de varios kilómetros de

longitud que extraen el agua del subsuelo por gravedad, sin consumo energético. La mayoría se localizan en las medianías de las islas y son de propiedad privada.Los problemas más frecuentes son la sobreexplotación, el agotamiento. Aunque no faltan en ninguna isla, son especialmente significativas en Tenerife, La Palma y Gran Canaria.

Regadío: Técnica de cultivo que consiste en proporcionar a las plantas un aporte adicional de agua,  aparte de las precipitaciones, procedente de ríos, lagos, embalses o acuíferos. Permite una agricultura intensiva, de altos rendimientos donde las lluvias son escasas e irregulares, aunque presenta problemas como el uso de técnicas inadecuadas, la sobreexplotación del agua y el conflicto con otras actividades consumidoras de agua.Las áreas de España con mayor peso del regadío son el litoral mediterráneo, los valles del Ebro y del Duero y Extremadura.

Enarenado: Práctica agrícola consistente en recubrir la tierra de cultivo con un capa delgada de productos volcánicos piroclásticos (picón o pómez). Se consigue con ello un doble efecto: retener la humedad e interceptar la insolación directa, eliminando los efectos de la evaporación.Esta técnica popular se aplica sobre todo en Lanzarote y en los municipios del sur de la isla de Tenerife.

Acuífero: Es una acumulación de agua subterránea formada por las aguas de precipitación que se infiltran, encuentran un estrato impermeable y se acumulan sobre él.En España son frecuentes en las cuencas sedimentarias.En Canarias todo el agua subterránea de los acuíferos procede directamente de la lluvia o del deshielo de la nieve.