Integración de la data fisicoquímica y geológica para la construcción del modelo del acuífero en SINCOR, Faja del Orinoco, Venezuela.
Resumen
Sincor es una empresa mixta entre PDVSA, Total y Statoil, focalizada hacia la producción, mejoramiento y comercialización de petróleo extra pesado en un área de 390 Km2 en la Faja del Orinoco (Figura 1). El área de Sincor área está compuesta por una serie de intercalaciones de arena y arcilla, con arenas de buenas propiedades petrofísicas. El sistema deposicional puede ser dividido en dos partes principales, Deltaico y Fluvial. Las arenas del fluvial, principalmente canales entrelazados cuyas arenas se apilan verticalmente, representa la parte baja del yacimiento. Las arenas deltaicas van desde canales distributarios y barras de desembocadura hasta barras de meandro y abanicos de rotura. En las pruebas iniciales de pozos, se observaron algunas anomalías en los valores de salinidad del agua. La salinidad del acuífero es 2300 ppm, pero algunos pozos produjeron agua con salinidad de 15000 ppm. Para ese momento, los valores altos de salinidad fueron considerados problemas de medición.
En 2001, los primeros pozos horizontales comenzaron a producir agua con valores altos de salinidad similares a los observados en las pruebas de pozos.
En esta publicación se desarrolla un modelo estático proveniente de la información de los pozos observadores en el área. El modelo explica la razón de los diferentes rangos de salinidad observados. Este modelo se corrobora cualitativamente con la información de registros de pozos. La información dinámica confirma y detalla el modelo inicial. Un decremento exponencial de la salinidad del agua se observa generalmente cuando incrementa la producción de agua. Este fenómeno se explica por el influjo del agua en forma de adedamiento desde el acuífero de baja salinidad y que desplaza el agua altamente salina de la formación. La forma de la curva depende de la tortuosidad y de la longitud del recorrido del agua hacia el pozo productor.
Introducción
SINCOR es una empresa mixta entre PDVSA (Petróleos de Venezuela SA), Total y Statoil. Se dedica a la producción en frío de 200,000 BPD de crudo extra pesado de gravedad 8.5 °API que es mejorado en su calidad a 30-32 °API en su propia refinería. El campo se encuentra localizado en el sur del Estado Anzoátegui, Venezuela y la refinería se encuentra al norte. El crudo se transporta por 200 Km de oleoductos. El área de Sincor ha sido dividida en macollas de 3.2 Km x 1.6 Km. ó 3.2 x 3.2 Km. En el centro de cada macolla se perfora un pozo vertical que se utiliza como pozo estratigráfico u observador para obtener información geológica y petrofísica. Regularmente se realizan pruebas a estos pozos, además se colocan en muchos de ellos dispositivos para su monitoreo. Pozos horizontales de 1400 mts de longitud se perforan desde el centro de cada macolla. En ocho años se tienen perforados más de 400 pozos horizontales. Después de un año de producción, algunos pozos horizontales comenzaron a producir agua. La velocidad de incremento de los cortes de agua era diferente entre los pozos dependiendo del área y del nivel estratigráfico en donde el pozo producía. Además de los diferentes comportamientos observados en la producción de agua de distintos pozos, se observaron anomalías en algunos valores de salinidad (valores elevados). Inicialmente estas anomalías fueron interpretadas como errores experimentales. Durante más de tres años, un equipo multidisciplinario creado para estudiar estas anomalías ha mejorado el entendimiento del comportamiento del agua y ha llegado a conclusiones muy interesantes y críticas para decisiones futuras concernientes a la política de producción y al cálculo de reservas. (Marcos, et al., 2007) Esta publicación presenta el resultado de dicho estudio
Escenario Geológico.
El campo Sincor está localizado al sur de la Cuenca Oriental de Venezuela, en la llamada Faja Petrolífera del Orinoco. Esta cuenca está delimitada al Norte por la Cordillera de la Costa, al Sur por el Río Orinoco que bordea el cratón de Guayana, al Oeste por el Alto “El Baúl” y al Este por el Océano Atlántico. Su desarrollo como cuenca antepaís comenzó desde el Oligoceno Tardío hasta el Mioceno Superior por el levantamiento de la Serranía del Interior, a consecuencia de la colisión oblicua entre la Placa del Caribe y la Placa Suramericana (Parnaud et al.,1995). El área de estudio no presenta complejos tectónicos importantes en el Mioceno. El control estructural en la Formación Oficina dentro del área de estudio es pequeño (máximo desplazamiento vertical de 20-25 m aproximadamente). El fallamiento normal y la flexión son las características presentes en los depósitos del Mioceno Inferior. La falla más importante del área de estudio se encuentra al norte y se caracteriza por ser una falla de orientación esteoeste con salto variable de pequeña magnitud pero que controla la distribución de fluidos. En el área de estudio, la Formación Oficina muestra solapamientos (onlaps) hacia el Sur sobre sedimentos paleozoicos y cretácicos. Al sur, suprayacen depósitos de las Formaciones Hato Viejo y Carrizal (Basamento Paleozoico) y al norte, se tienen subyacentes las formaciones cretácicas del Grupo Temblador (Formación Tigre y Formación Canoa).
La discordancia que separa la Formación Oficina de las rocas del basamento es de edad Terciaria y produjo una paleotopografía irregular que luego fue rellenada por los sedimentos fluviales y fluviodeltaicos de la Formación Oficina. Suprayacente a Oficina se encuentra la Formación Mesa (Pleistoceno). Los sedimentos de la Formación Oficina, del Mioceno Inferior, corresponden a la zona de borde de una cuenca antepaís, donde las secuencias inferiores pertenecen a ambientes fluviales, y las superiores a ambientes más deltaicos. La dirección de transporte, en general, es de Sur a Norte a la escala del área de estudio (Audermard, et al, 1985; Rivero y Scherer, 1996, Bellorini, et al 2003; Casas, 2004).
A nivel de yacimiento y siguiendo la nomenclatura usada originalmente por Maraven (Filial de
PDVSA), se han establecido unidades estratigráficas codificadas con letras, donde F, E y D (de base a tope) se interpretan como dominadas por ambientes fluviales con alto contenido arenoso y C, B y A como dominadas por ambientes fluvio-deltaicos y baja proporción de arenas. La división entre el intervalo fluvial (unidades F, E y D) y el intervalo deltaico suprayacente (unidades C, B y A) esta basada en el cambio transicional desde ambientes continental a un ambiente más deltáico con algunos pulsos de inundación. Este cambio puede observarse como una transición desde ambientes de relleno de canal y llanuras de inundación a ambientes más diversos de relleno de bahía, canales distributarios y llanuras de interdistributarias con alguna influencia marginal de mareas que puede aumentar a medida que progresa la transgresión (Casas, et al, 2007)
La sección estratigráfica de origen fluvial constituye el foco principal de este trabajo debido a que contiene el acuífero. Las sucesiones D, E y F están compuestas de conjuntos de relleno de canal/barra y abanicos de roturas en un sistema de tipo entrelazado. Cada una de estas unidades estratigráficas presenta cinturones de canales alongados con una orientación general norestesuroeste.
La distancia lateral entre los diferentes cinturones en el área de estudio está entre 3 y 6 Km, pudiendo algunos de ellos ramificarse. Verticalmente muchos de estos cinturones están apilados con contactos arena sobre arena, lo que permite explicar la compleja distribución/comunicación de los fluidos (Casas, et al, 2007).
Data inicial
A comienzos del proyecto Sincor, la salinidad del acuífero era conocida por información proveniente de los pozos verticales (2300 ppm) y se asumió que la salinidad del agua de formación era la misma. En 2003, se tenía información de análisis fisicoquímicos en condiciones estáticas y dinámicas. Algunos pozos mostraban valores de salinidad mayores que en principio se consideraron anómalos. La figura 4 muestra un histograma de la distribución de los primeros valores de salinidad disponibles para ese momento. En la medida que estas anomalías se hacían más frecuentes, se decidió investigar el fenómeno que afecta la salinidad. Desde ese momento se han llevado a cabo análisis fisicoquímicos para contar con más información que nos permita un mejor entendimiento de la producción de agua.
Análisis de la información
De acuerdo a la literatura (Alberdi, 2004) el esquema hidrológico de una cuenca sedimentaria consiste de agua que circula a través de diferentes regimenes: meteórico, compactacional y termobárico (Figura 5).
El régimen meteórico típicamente ocupa las periferias más superficiales de la cuenca. El agua recargada por filtración de precipitaciones meteóricas se mueve hacia el centro topográfico de la cuenca bajo la influencia gravitacional. En tiempo geológico, la circulación es rápida. La descarga y la evaporación completan el ciclo.
El agua fresca está subsaturada con respecto a minerales solubles. Esta agua contiene disueltos oxígenos y CO2, y es capaz de transportar mecánicamente partículas coloidales muy finas. La degradación bacterial de los residuos de plantas consume O2 y genera CO2, que es parcialmente disuelto en el agua y parcialmente descargado a la atmósfera. La adición de CO2 y la depleción de O2 incrementan el pH a medida que el agua entra en la superficie del régimen hidrológico y luego se infiltra en los acuíferos superficiales. Oxidantes incluyendo O2, NO3-, SO4= y CO2 son consumidos por reacciones reduciendo los componentes orgánicos y minerales de la matriz. El agua fresca, somera, es dominada por cationes de Ca+2. El Ca+2 remplaza el Na+2 en intercambios que ocurren en las arcillas. Además, el Cl- es disuelto de diversos sitios dentro de la matriz, el agua resultante es dominada por Na+ y Cl-. En adición a esto, la reducción anaeróbica del sulfato produce H2S o HS-. En ausencia de actividad bacterial el SO4= persiste en una fase meta-estable a bajas temperaturas y puede aumentar si se filtran minerales de azufre adicionales.
El régimen de compactación se caracteriza por la expulsión de agua contenida dentro del apilamiento sedimentológico. Esta agua puede evolucionar en aguas connotas, que es agua depositada con la sedimentación y subsecuentemente modificada por la interacción agua – roca o que puede ser agua meteórica que ha sido cubierta debajo de la zona de circulación meteórica activa. La columna de presión generada por la carga litoestática o por el estrés tectónico es el mecanismo de empuje.
El agua connata tiene bajo contenido de SO4= y/o bicarbonato HCO3- ; aun así las reacciones con los silicatos tienden a aumentar el pH, generando un agua medianamente básica que contiene cantidades incrementales de HCO3- disuelto. El anión principal es Cl-, porque el cloruro es retenido en las arcillas y es expulsado durante el proceso de compactación. Una técnica ampliamente utilizada para mostrar la correlación entre aguas asociadas a yacimientos de crudo es la de H.A. Stiff. La base del sistema de Staff son cuatro ejes horizontales paralelos que se extienden a la derecha y a la izquierda de una línea central vertical que es el cero del gráfico. Los iones positivos se grafican del lado izquierdo y los negativos del lado derecho. Patrones diferentes representan diferentes tipos de agua. El ancho del patrón se puede utilizar como una indicación del contenido iónico total.
Los diagramas de Stiff pueden ser utilizados para evaluar los cambios en la calidad del agua en un punto en un período de tiempo. También pueden utilizarse para evaluar los cambios en la calidad del agua cuando esta pasa a través de diferentes formaciones o de diferentes condiciones de superficie.
Otra metodología es la basada en un sistema trilinear utilizado para identificar el origen del agua y determinar cuantos procesos hay envueltos en la química del agua. El diagrama de Piper combina tres campos diferentes para graficar: dos triangulares, a la izquierda y abajo cationes (Ca, Mg, Na,) y a la derecha y abajo aniones (HCO3, SO4, Cl). Luego dos puntos en el diagrama (uno en cada campo triangular) indican la concentración relativa de los constituyentes disueltos en el agua. El diamante central se utiliza para mostrar la característica global del agua graficando un tercer punto, que surge de la intersección de los dos primeros, proyectando los aniones y cationes. El diagrama de Piper permite hacer comparaciones entre un alto número de muestras. El propósito principal es el de mostrar como se agrupan las distintas muestras, de manera de mostrar las tendencias de los iones predominantes.
Aguas identificadas en la cuenca orientalvenezolana
En la cuenca oriental se tiene en la literatura ejemplos de aguas connotas y meteóricas, en un estudio realizado por Medina. y Lopez (1981) y por Alberdi (2004)
Aguas meteóricas fueron identificadas en los campos de Anaco y en el área mayor de Oficina. Los campos de crudo de Anaco presentan aguas frescas que sugieren una recarga activa asociada (Alberdi, 2007; comunic. person.)
El agua meteórica del área Oficina muestra patrones de Stiff similares a los encontrados en el campo Sincor y al igual que en Sincor, algunos patrones} sugieren una mezcla de aguas meteóricas con pequeñas cantidades de aguas connatas.
Resultados de análisis fisicoquímicos en Sincor. Data Estática
La base de datos fisicoquímica de las pruebas en pozos verticales y de producción fue validada hacienda uso del programa Aquachem ® y de acuerdo a los parámetros de control de calidad. Tres familias de aguas son observadas en la data estática.
Familia de aguas connatas.
Algunas muestras de pozos verticales presentan características connatas:
- Altos contenidos de cloruros ( Cl- > 4000 ppm)
- Altos contenidos de sodio ( Na+ > 3000 ppm)
- Altos TDS ( TDS > 10000 ppm)
- Na / Cl < 1
El patrón de Stiff de estas aguas connatas muestra las mismas características de predominancia de Cl y Na. Los gráficos de Stiff son muy similares a los encontrados en la cuenca oriental aunque en el caso de Sincor las concentraciones de salinidad son menores (Figura 6a).
Familia de aguas meteóricas.
Algunas muestras de pozos verticales en Sincor presentaron características de aguas meteóricas- Una muestra tomada en el acuífero en el pozos FX05D también presentó estas mismas características:
- Predominancia de HCO3
- Valores de TDS moderados ( 3000 ppm < TDS < 5000 ppm)
- Na/Cl > 1
El patrón de Stiff de aguas meteóricas muestra características de predominancia de HCO3 sobre Cl mientras que el catión predominante es Na. Los diagramas de Stiff son muy similares a los conseguidos en la cuenca oriental (Figura 6b).
Familia de aguas mixtas
Finalmente, la tercera familia evidencia una mezcla de aguas connatas y meteóricas:
- Contenidos similares de cloruros y bicarbonatos
- Altos contenidos de sodio
- Valores de TDS entre los valores de aguas connatas y los valores de aguas meteóricas.
El patrón de Stiff muestra una ligera predominancia de HCO3 sobre Cl, y un patrón intermedio entre los diagramas meteórico y connato. La salinidad también se encuentra entre ambos límites. (Figura 6c) El diagrama de Piper en la Figura 7 muestra las aguas binarias en el campo Sincor. Es importante concluir de este diagrama que existen únicamente dos orígenes en las aguas encontradas en Sincor, correspondientes a los límites de esta mezcla binaria: aguas meteóricas y connatas.
Distribución estática del agua de acuerdo a las características fisicoquímicas
Para el modelo estático se utilizó toda la data disponible de pruebas de pozos y se clasificó dependiendo del intervalo al que pertenecía: crudo, zona de mezcla o acuífero. La figura 8 muestra la distribución areal de la salinidad del agua representada con diagramas de Stiff: en verde los diagramas correspondientes a la zona de crudo, en verde claro los correspondientes al intervalo de la zona de mezcla y en azul los correspondientes al acuífero. Hay una clara diferencia en las salinidades de cada intervalo: crudo, zona de mezcla o acuífero. De acuerdo a estos resultados, la zona de crudo presenta la salinidad más alta. La salinidad del acuífero es la más baja y (2300 ppm) y fue el valor utilizado originalmente para la evaluación petrofísica. El rango de salinidad en la zona de mezcla tiene como límites los valores encontrados en las zonas de crudo y en el acuífero y muestra una evolución lateral incremental de noroeste a sureste.
La figura 9 representa la distribución esquemática de la salinidad.
La figura 10 muestra la variación de la salinidad en la zona de mezcla y en el acuífero. La variación del color representa la variación de la salinidad desde los valores encontrados en el acuífero (azul) hasta los valores más altos (rojo). Se observa claramente que hay una tendencia hacia el sureste donde las salinidades aumentan. Adicionalmente, como se muestra en la figura 11, la presión expresada en términos de “water head” tiene una tendencia perpendicular a la salinidad. Esto evidencia que el agua meteórica lavó parcialmente el área de Sincor.
La presencia de agua de mezcla al sur de la falla este– oeste en capas con niveles de agua libre demuestra que el agua meteórica no ha lavado completamente el yacimiento. La variación lateral de la salinidad observada en la figura 10 muestra que la eficiencia del lavado decrece hacia el este, coincidiendo con las mediciones que muestran generalmente mayores presiones hacia el oeste, indicando que el lavado del yacimiento por agua meteórica vino desde el oeste del campo.
Interpretación de la data dinámica
Al igual que en el análisis de la data estática, se observan tres familias de aguas: connatas, meteóricas y mixtas. Todas con patrones de Staff equivalentes a las observadas en la data estática. En la figura 12 se presenta toda la información de salinidad disponible (análisis fisicoquímicos y de cloruros). Los puntos azules corresponden a los valores provenientes de la data de cloruros y los rojos los provenientes de la data fisicoquímica. Es posible observar la evolución en tiempo de la salinidad del campo.
Modelo dinámico de la salinidad de la formación
La figura 13 presenta la información fisicoquímica vs. corte de agua; se puede observar el hecho de que en general cuando el corte de agua incrementa, la salinidad disminuye. El efecto observado en la figura 13 puede ser explicado esquemáticamente en la figura 14 donde se presenta la entrada de agua al yacimiento. En el gráfico a se muestra la situación inicial del yacimiento con un pozo horizontal productor. Como consecuencia de la depleción y la diferencia de movilidad entre el crudo y el agua, el agua comienza a moverse de acuerdo a la caída de presión y a la permeabilidad de la formación (b). El agua pasa a través de la formación generando un “fingering” (c) y cuando cierto volumen de agua connata ha sido desplazado, los pozos producen agua con características de la zona lavada o del acuífero. La duración del proceso depende de la tortuosidad del camino recorrido entre la zona lavada y el pozo productor.
Cuando el agua del acuífero o de la zona lavada (agua meteórica) pasa a través de la formación, desplaza el agua de la formación (de mayor salinidad), y el agua producida se vuelve más salina. Para bajos cortes de agua la “contaminación” será mayor que para altos cortes de agua.
La figura 15 muestra la data fisicoquímica y de cloruros de una macolla. La salinidad disminuye a medida que incrementa el agua acumulada. Esta curva se puede dividir en dos partes, el período de producción temprana y el período de producción tardía. En el período temprano se observa una curva exponencial de producción, que corresponde a la evolución de la contaminación del agua proveniente del acuífero. Luego de 200,000 bbls de agua acumulada, la salinidad se estabiliza.
El diagrama de Stiff correspondiente a la producción temprana muestra que la muestra de agua es equivalente al agua connata. Para el período tardío, el diagrama de Stiff es del tipo meteórico. Esta evolución corrobora la teoría de las diferentes salinidades entre la zona de mezcla y el acuífero. Los pozos comienzan a producir agua salina, hasta que la mayoría de los iones presentes en el agua de formación barridos, luego el agua producida se hace más similar a la del acuífero.
Algunos pozos horizontales no comienzan a producir agua salina. La contaminación depende de la trayectoria recorrida por el agua. Si la tortuosidad del camino recorrido por el agua es baja, la oportunidad de contaminarse también será baja. En este caso, la producción de agua desde la etapa temprana de producción es de salinidad similar a la del acuífero por lo que no se observa ninguna parte exponencial en la curva.
Modelo del acuífero
El acuífero en Sincor puede dividirse en dos áreas. La primera área se localiza al norte de la falla principal y se caracteriza por un contacto tradicional agua crudo. La otra área se localiza al sur de la falla principal donde el agua libre está dentro de una zona donde se encuentra crudo residual (biodegradado) y agua. Esta es la denominada zona “lavada”.
Nuestra interpretación de la construcción del acuífero consta de tres pasos (Figura 16). El primer paso geológico corresponde al yacimiento tradicional con su agua original , luego esta agua fue desplazada durante la migración del crudo (Segundo paso), luego (tercer paso) un pulso de agua meteórica entró y lavó parte del crudo, la eficiencia del lavado depende de la permeabilidad y de la compartamentalización del yacimiento. Al norte de la falla E-O la continuidad de la arena es mayor que al sur y no existen fallas sellantes. Por esta razón la mayor eficiencia de lavado corresponde al norte del campo. La figura 17 muestra las diferentes
eficiencias de lavado observadas en los registros y la figura 18 su distribución areal.
La evidencia del lavado ha sido observada en los núcleos (Figura 19) y también con las herramientas de resonancia magnética en el acuífero (Figura 20). En esta figura se presenta, el set básico de registros (GR, Resistividad, y Densidad-Neutrón) y la resonancia magnética en un pozo vertical localizado al norte del campo y se observa la presencia de crudo residual en la zona de agua.
El agua fresca entra luego de la migración de crudo y remueve los componentes más livianos del crudo. Adicionalmente, el contacto entre el crudo y el agua fresca a condiciones de yacimiento, por debajo de 50°C genera dos efectos en la formación. El primero es la biodegradación del crudo, incrementando su viscosidad hasta 12000 cp (crudo muerto) y el segundo es la modificación de la salinidad del agua en la zona lavada y el acuífero, como resultado de la mezcla de dos fuentes de agua de diferentes salinidades.
Como consecuencia a la entrada de agua meteórica, la salinidad del acuífero es diferente a la salinidad de la formación.
Conclusiones
La salinidad del agua de los pozos productores es más alta que la del agua del acuífero principal definida inicialmente en pozos verticales (2300 ppm).
La parte norte del campo ha observado un lavado muy eficiente de agua meteórica que entra por el oeste del campo. El lavado del yacimiento fue menos eficiente en el área sur, al verse afectado por la falla principal E-O y por la orientación de las depocentros de sedimentación principales (generalmente NNESSO) y sus desconexiones locales.
La salinidad de los primeros pozos que ven agua se mantiene baja (debajo de 5000 ppm) lo que puede indicar que la fuente de producción de agua viene del acuífero principal. El hecho de que con el tiempo los pozos producen agua con salinidad inicial mayor muestra el proceso de lavado del agua de formación, que es más salina, con variaciones locales que dependen de la tortuosidad del camino recorrido.
La disminución progresiva de la salinidad vs corte de agua y agua acumulada, hasta llegar a una estabilización, muestra que el proceso de contaminación por el agua de formación es limitado, y sugiere un proceso de “fingering” (caminos preferenciales).
Geográficamente, los valores más altos de salinidad se localizan cerca del límite sur de la zona “flush” o zona lavada y donde no se identifica el acuífero. A pesar de la evidencia de que la salinidad inicial del agua de formación es más alto que la referencia actual de 2300 ppm, se dificulta a este nivel de conocimientos definir un valor para este parámetro. En general, los análisis de salinidad del agua nos ayudan a entender la segmentación local del yacimiento y el comportamiento de producción de agua lo cual nos permite mejorar la ubicación de los futuros pozos horizontales que se perforen en las siguientes campañas.
Sincor es una empresa mixta entre PDVSA, Total y Statoil, focalizada hacia la producción, mejoramiento y comercialización de petróleo extra pesado en un área de 390 Km2 en la Faja del Orinoco (Figura 1). El área de Sincor área está compuesta por una serie de intercalaciones de arena y arcilla, con arenas de buenas propiedades petrofísicas. El sistema deposicional puede ser dividido en dos partes principales, Deltaico y Fluvial. Las arenas del fluvial, principalmente canales entrelazados cuyas arenas se apilan verticalmente, representa la parte baja del yacimiento. Las arenas deltaicas van desde canales distributarios y barras de desembocadura hasta barras de meandro y abanicos de rotura. En las pruebas iniciales de pozos, se observaron algunas anomalías en los valores de salinidad del agua. La salinidad del acuífero es 2300 ppm, pero algunos pozos produjeron agua con salinidad de 15000 ppm. Para ese momento, los valores altos de salinidad fueron considerados problemas de medición.
En 2001, los primeros pozos horizontales comenzaron a producir agua con valores altos de salinidad similares a los observados en las pruebas de pozos.
En esta publicación se desarrolla un modelo estático proveniente de la información de los pozos observadores en el área. El modelo explica la razón de los diferentes rangos de salinidad observados. Este modelo se corrobora cualitativamente con la información de registros de pozos. La información dinámica confirma y detalla el modelo inicial. Un decremento exponencial de la salinidad del agua se observa generalmente cuando incrementa la producción de agua. Este fenómeno se explica por el influjo del agua en forma de adedamiento desde el acuífero de baja salinidad y que desplaza el agua altamente salina de la formación. La forma de la curva depende de la tortuosidad y de la longitud del recorrido del agua hacia el pozo productor.
Introducción
SINCOR es una empresa mixta entre PDVSA (Petróleos de Venezuela SA), Total y Statoil. Se dedica a la producción en frío de 200,000 BPD de crudo extra pesado de gravedad 8.5 °API que es mejorado en su calidad a 30-32 °API en su propia refinería. El campo se encuentra localizado en el sur del Estado Anzoátegui, Venezuela y la refinería se encuentra al norte. El crudo se transporta por 200 Km de oleoductos. El área de Sincor ha sido dividida en macollas de 3.2 Km x 1.6 Km. ó 3.2 x 3.2 Km. En el centro de cada macolla se perfora un pozo vertical que se utiliza como pozo estratigráfico u observador para obtener información geológica y petrofísica. Regularmente se realizan pruebas a estos pozos, además se colocan en muchos de ellos dispositivos para su monitoreo. Pozos horizontales de 1400 mts de longitud se perforan desde el centro de cada macolla. En ocho años se tienen perforados más de 400 pozos horizontales. Después de un año de producción, algunos pozos horizontales comenzaron a producir agua. La velocidad de incremento de los cortes de agua era diferente entre los pozos dependiendo del área y del nivel estratigráfico en donde el pozo producía. Además de los diferentes comportamientos observados en la producción de agua de distintos pozos, se observaron anomalías en algunos valores de salinidad (valores elevados). Inicialmente estas anomalías fueron interpretadas como errores experimentales. Durante más de tres años, un equipo multidisciplinario creado para estudiar estas anomalías ha mejorado el entendimiento del comportamiento del agua y ha llegado a conclusiones muy interesantes y críticas para decisiones futuras concernientes a la política de producción y al cálculo de reservas. (Marcos, et al., 2007) Esta publicación presenta el resultado de dicho estudio
Escenario Geológico.
El campo Sincor está localizado al sur de la Cuenca Oriental de Venezuela, en la llamada Faja Petrolífera del Orinoco. Esta cuenca está delimitada al Norte por la Cordillera de la Costa, al Sur por el Río Orinoco que bordea el cratón de Guayana, al Oeste por el Alto “El Baúl” y al Este por el Océano Atlántico. Su desarrollo como cuenca antepaís comenzó desde el Oligoceno Tardío hasta el Mioceno Superior por el levantamiento de la Serranía del Interior, a consecuencia de la colisión oblicua entre la Placa del Caribe y la Placa Suramericana (Parnaud et al.,1995). El área de estudio no presenta complejos tectónicos importantes en el Mioceno. El control estructural en la Formación Oficina dentro del área de estudio es pequeño (máximo desplazamiento vertical de 20-25 m aproximadamente). El fallamiento normal y la flexión son las características presentes en los depósitos del Mioceno Inferior. La falla más importante del área de estudio se encuentra al norte y se caracteriza por ser una falla de orientación esteoeste con salto variable de pequeña magnitud pero que controla la distribución de fluidos. En el área de estudio, la Formación Oficina muestra solapamientos (onlaps) hacia el Sur sobre sedimentos paleozoicos y cretácicos. Al sur, suprayacen depósitos de las Formaciones Hato Viejo y Carrizal (Basamento Paleozoico) y al norte, se tienen subyacentes las formaciones cretácicas del Grupo Temblador (Formación Tigre y Formación Canoa).
La discordancia que separa la Formación Oficina de las rocas del basamento es de edad Terciaria y produjo una paleotopografía irregular que luego fue rellenada por los sedimentos fluviales y fluviodeltaicos de la Formación Oficina. Suprayacente a Oficina se encuentra la Formación Mesa (Pleistoceno). Los sedimentos de la Formación Oficina, del Mioceno Inferior, corresponden a la zona de borde de una cuenca antepaís, donde las secuencias inferiores pertenecen a ambientes fluviales, y las superiores a ambientes más deltaicos. La dirección de transporte, en general, es de Sur a Norte a la escala del área de estudio (Audermard, et al, 1985; Rivero y Scherer, 1996, Bellorini, et al 2003; Casas, 2004).
A nivel de yacimiento y siguiendo la nomenclatura usada originalmente por Maraven (Filial de
PDVSA), se han establecido unidades estratigráficas codificadas con letras, donde F, E y D (de base a tope) se interpretan como dominadas por ambientes fluviales con alto contenido arenoso y C, B y A como dominadas por ambientes fluvio-deltaicos y baja proporción de arenas. La división entre el intervalo fluvial (unidades F, E y D) y el intervalo deltaico suprayacente (unidades C, B y A) esta basada en el cambio transicional desde ambientes continental a un ambiente más deltáico con algunos pulsos de inundación. Este cambio puede observarse como una transición desde ambientes de relleno de canal y llanuras de inundación a ambientes más diversos de relleno de bahía, canales distributarios y llanuras de interdistributarias con alguna influencia marginal de mareas que puede aumentar a medida que progresa la transgresión (Casas, et al, 2007)
La sección estratigráfica de origen fluvial constituye el foco principal de este trabajo debido a que contiene el acuífero. Las sucesiones D, E y F están compuestas de conjuntos de relleno de canal/barra y abanicos de roturas en un sistema de tipo entrelazado. Cada una de estas unidades estratigráficas presenta cinturones de canales alongados con una orientación general norestesuroeste.
La distancia lateral entre los diferentes cinturones en el área de estudio está entre 3 y 6 Km, pudiendo algunos de ellos ramificarse. Verticalmente muchos de estos cinturones están apilados con contactos arena sobre arena, lo que permite explicar la compleja distribución/comunicación de los fluidos (Casas, et al, 2007).
Data inicial
A comienzos del proyecto Sincor, la salinidad del acuífero era conocida por información proveniente de los pozos verticales (2300 ppm) y se asumió que la salinidad del agua de formación era la misma. En 2003, se tenía información de análisis fisicoquímicos en condiciones estáticas y dinámicas. Algunos pozos mostraban valores de salinidad mayores que en principio se consideraron anómalos. La figura 4 muestra un histograma de la distribución de los primeros valores de salinidad disponibles para ese momento. En la medida que estas anomalías se hacían más frecuentes, se decidió investigar el fenómeno que afecta la salinidad. Desde ese momento se han llevado a cabo análisis fisicoquímicos para contar con más información que nos permita un mejor entendimiento de la producción de agua.
Análisis de la información
De acuerdo a la literatura (Alberdi, 2004) el esquema hidrológico de una cuenca sedimentaria consiste de agua que circula a través de diferentes regimenes: meteórico, compactacional y termobárico (Figura 5).
El régimen meteórico típicamente ocupa las periferias más superficiales de la cuenca. El agua recargada por filtración de precipitaciones meteóricas se mueve hacia el centro topográfico de la cuenca bajo la influencia gravitacional. En tiempo geológico, la circulación es rápida. La descarga y la evaporación completan el ciclo.
El agua fresca está subsaturada con respecto a minerales solubles. Esta agua contiene disueltos oxígenos y CO2, y es capaz de transportar mecánicamente partículas coloidales muy finas. La degradación bacterial de los residuos de plantas consume O2 y genera CO2, que es parcialmente disuelto en el agua y parcialmente descargado a la atmósfera. La adición de CO2 y la depleción de O2 incrementan el pH a medida que el agua entra en la superficie del régimen hidrológico y luego se infiltra en los acuíferos superficiales. Oxidantes incluyendo O2, NO3-, SO4= y CO2 son consumidos por reacciones reduciendo los componentes orgánicos y minerales de la matriz. El agua fresca, somera, es dominada por cationes de Ca+2. El Ca+2 remplaza el Na+2 en intercambios que ocurren en las arcillas. Además, el Cl- es disuelto de diversos sitios dentro de la matriz, el agua resultante es dominada por Na+ y Cl-. En adición a esto, la reducción anaeróbica del sulfato produce H2S o HS-. En ausencia de actividad bacterial el SO4= persiste en una fase meta-estable a bajas temperaturas y puede aumentar si se filtran minerales de azufre adicionales.
El régimen de compactación se caracteriza por la expulsión de agua contenida dentro del apilamiento sedimentológico. Esta agua puede evolucionar en aguas connotas, que es agua depositada con la sedimentación y subsecuentemente modificada por la interacción agua – roca o que puede ser agua meteórica que ha sido cubierta debajo de la zona de circulación meteórica activa. La columna de presión generada por la carga litoestática o por el estrés tectónico es el mecanismo de empuje.
El agua connata tiene bajo contenido de SO4= y/o bicarbonato HCO3- ; aun así las reacciones con los silicatos tienden a aumentar el pH, generando un agua medianamente básica que contiene cantidades incrementales de HCO3- disuelto. El anión principal es Cl-, porque el cloruro es retenido en las arcillas y es expulsado durante el proceso de compactación. Una técnica ampliamente utilizada para mostrar la correlación entre aguas asociadas a yacimientos de crudo es la de H.A. Stiff. La base del sistema de Staff son cuatro ejes horizontales paralelos que se extienden a la derecha y a la izquierda de una línea central vertical que es el cero del gráfico. Los iones positivos se grafican del lado izquierdo y los negativos del lado derecho. Patrones diferentes representan diferentes tipos de agua. El ancho del patrón se puede utilizar como una indicación del contenido iónico total.
Los diagramas de Stiff pueden ser utilizados para evaluar los cambios en la calidad del agua en un punto en un período de tiempo. También pueden utilizarse para evaluar los cambios en la calidad del agua cuando esta pasa a través de diferentes formaciones o de diferentes condiciones de superficie.
Otra metodología es la basada en un sistema trilinear utilizado para identificar el origen del agua y determinar cuantos procesos hay envueltos en la química del agua. El diagrama de Piper combina tres campos diferentes para graficar: dos triangulares, a la izquierda y abajo cationes (Ca, Mg, Na,) y a la derecha y abajo aniones (HCO3, SO4, Cl). Luego dos puntos en el diagrama (uno en cada campo triangular) indican la concentración relativa de los constituyentes disueltos en el agua. El diamante central se utiliza para mostrar la característica global del agua graficando un tercer punto, que surge de la intersección de los dos primeros, proyectando los aniones y cationes. El diagrama de Piper permite hacer comparaciones entre un alto número de muestras. El propósito principal es el de mostrar como se agrupan las distintas muestras, de manera de mostrar las tendencias de los iones predominantes.
Aguas identificadas en la cuenca orientalvenezolana
En la cuenca oriental se tiene en la literatura ejemplos de aguas connotas y meteóricas, en un estudio realizado por Medina. y Lopez (1981) y por Alberdi (2004)
Aguas meteóricas fueron identificadas en los campos de Anaco y en el área mayor de Oficina. Los campos de crudo de Anaco presentan aguas frescas que sugieren una recarga activa asociada (Alberdi, 2007; comunic. person.)
El agua meteórica del área Oficina muestra patrones de Stiff similares a los encontrados en el campo Sincor y al igual que en Sincor, algunos patrones} sugieren una mezcla de aguas meteóricas con pequeñas cantidades de aguas connatas.
Resultados de análisis fisicoquímicos en Sincor. Data Estática
La base de datos fisicoquímica de las pruebas en pozos verticales y de producción fue validada hacienda uso del programa Aquachem ® y de acuerdo a los parámetros de control de calidad. Tres familias de aguas son observadas en la data estática.
Familia de aguas connatas.
Algunas muestras de pozos verticales presentan características connatas:
- Altos contenidos de cloruros ( Cl- > 4000 ppm)
- Altos contenidos de sodio ( Na+ > 3000 ppm)
- Altos TDS ( TDS > 10000 ppm)
- Na / Cl < 1
El patrón de Stiff de estas aguas connatas muestra las mismas características de predominancia de Cl y Na. Los gráficos de Stiff son muy similares a los encontrados en la cuenca oriental aunque en el caso de Sincor las concentraciones de salinidad son menores (Figura 6a).
Familia de aguas meteóricas.
Algunas muestras de pozos verticales en Sincor presentaron características de aguas meteóricas- Una muestra tomada en el acuífero en el pozos FX05D también presentó estas mismas características:
- Predominancia de HCO3
- Valores de TDS moderados ( 3000 ppm < TDS < 5000 ppm)
- Na/Cl > 1
El patrón de Stiff de aguas meteóricas muestra características de predominancia de HCO3 sobre Cl mientras que el catión predominante es Na. Los diagramas de Stiff son muy similares a los conseguidos en la cuenca oriental (Figura 6b).
Familia de aguas mixtas
Finalmente, la tercera familia evidencia una mezcla de aguas connatas y meteóricas:
- Contenidos similares de cloruros y bicarbonatos
- Altos contenidos de sodio
- Valores de TDS entre los valores de aguas connatas y los valores de aguas meteóricas.
El patrón de Stiff muestra una ligera predominancia de HCO3 sobre Cl, y un patrón intermedio entre los diagramas meteórico y connato. La salinidad también se encuentra entre ambos límites. (Figura 6c) El diagrama de Piper en la Figura 7 muestra las aguas binarias en el campo Sincor. Es importante concluir de este diagrama que existen únicamente dos orígenes en las aguas encontradas en Sincor, correspondientes a los límites de esta mezcla binaria: aguas meteóricas y connatas.
Distribución estática del agua de acuerdo a las características fisicoquímicas
Para el modelo estático se utilizó toda la data disponible de pruebas de pozos y se clasificó dependiendo del intervalo al que pertenecía: crudo, zona de mezcla o acuífero. La figura 8 muestra la distribución areal de la salinidad del agua representada con diagramas de Stiff: en verde los diagramas correspondientes a la zona de crudo, en verde claro los correspondientes al intervalo de la zona de mezcla y en azul los correspondientes al acuífero. Hay una clara diferencia en las salinidades de cada intervalo: crudo, zona de mezcla o acuífero. De acuerdo a estos resultados, la zona de crudo presenta la salinidad más alta. La salinidad del acuífero es la más baja y (2300 ppm) y fue el valor utilizado originalmente para la evaluación petrofísica. El rango de salinidad en la zona de mezcla tiene como límites los valores encontrados en las zonas de crudo y en el acuífero y muestra una evolución lateral incremental de noroeste a sureste.
La figura 9 representa la distribución esquemática de la salinidad.
La figura 10 muestra la variación de la salinidad en la zona de mezcla y en el acuífero. La variación del color representa la variación de la salinidad desde los valores encontrados en el acuífero (azul) hasta los valores más altos (rojo). Se observa claramente que hay una tendencia hacia el sureste donde las salinidades aumentan. Adicionalmente, como se muestra en la figura 11, la presión expresada en términos de “water head” tiene una tendencia perpendicular a la salinidad. Esto evidencia que el agua meteórica lavó parcialmente el área de Sincor.
La presencia de agua de mezcla al sur de la falla este– oeste en capas con niveles de agua libre demuestra que el agua meteórica no ha lavado completamente el yacimiento. La variación lateral de la salinidad observada en la figura 10 muestra que la eficiencia del lavado decrece hacia el este, coincidiendo con las mediciones que muestran generalmente mayores presiones hacia el oeste, indicando que el lavado del yacimiento por agua meteórica vino desde el oeste del campo.
Interpretación de la data dinámica
Al igual que en el análisis de la data estática, se observan tres familias de aguas: connatas, meteóricas y mixtas. Todas con patrones de Staff equivalentes a las observadas en la data estática. En la figura 12 se presenta toda la información de salinidad disponible (análisis fisicoquímicos y de cloruros). Los puntos azules corresponden a los valores provenientes de la data de cloruros y los rojos los provenientes de la data fisicoquímica. Es posible observar la evolución en tiempo de la salinidad del campo.
Modelo dinámico de la salinidad de la formación
La figura 13 presenta la información fisicoquímica vs. corte de agua; se puede observar el hecho de que en general cuando el corte de agua incrementa, la salinidad disminuye. El efecto observado en la figura 13 puede ser explicado esquemáticamente en la figura 14 donde se presenta la entrada de agua al yacimiento. En el gráfico a se muestra la situación inicial del yacimiento con un pozo horizontal productor. Como consecuencia de la depleción y la diferencia de movilidad entre el crudo y el agua, el agua comienza a moverse de acuerdo a la caída de presión y a la permeabilidad de la formación (b). El agua pasa a través de la formación generando un “fingering” (c) y cuando cierto volumen de agua connata ha sido desplazado, los pozos producen agua con características de la zona lavada o del acuífero. La duración del proceso depende de la tortuosidad del camino recorrido entre la zona lavada y el pozo productor.
Cuando el agua del acuífero o de la zona lavada (agua meteórica) pasa a través de la formación, desplaza el agua de la formación (de mayor salinidad), y el agua producida se vuelve más salina. Para bajos cortes de agua la “contaminación” será mayor que para altos cortes de agua.
La figura 15 muestra la data fisicoquímica y de cloruros de una macolla. La salinidad disminuye a medida que incrementa el agua acumulada. Esta curva se puede dividir en dos partes, el período de producción temprana y el período de producción tardía. En el período temprano se observa una curva exponencial de producción, que corresponde a la evolución de la contaminación del agua proveniente del acuífero. Luego de 200,000 bbls de agua acumulada, la salinidad se estabiliza.
El diagrama de Stiff correspondiente a la producción temprana muestra que la muestra de agua es equivalente al agua connata. Para el período tardío, el diagrama de Stiff es del tipo meteórico. Esta evolución corrobora la teoría de las diferentes salinidades entre la zona de mezcla y el acuífero. Los pozos comienzan a producir agua salina, hasta que la mayoría de los iones presentes en el agua de formación barridos, luego el agua producida se hace más similar a la del acuífero.
Algunos pozos horizontales no comienzan a producir agua salina. La contaminación depende de la trayectoria recorrida por el agua. Si la tortuosidad del camino recorrido por el agua es baja, la oportunidad de contaminarse también será baja. En este caso, la producción de agua desde la etapa temprana de producción es de salinidad similar a la del acuífero por lo que no se observa ninguna parte exponencial en la curva.
Modelo del acuífero
El acuífero en Sincor puede dividirse en dos áreas. La primera área se localiza al norte de la falla principal y se caracteriza por un contacto tradicional agua crudo. La otra área se localiza al sur de la falla principal donde el agua libre está dentro de una zona donde se encuentra crudo residual (biodegradado) y agua. Esta es la denominada zona “lavada”.
Nuestra interpretación de la construcción del acuífero consta de tres pasos (Figura 16). El primer paso geológico corresponde al yacimiento tradicional con su agua original , luego esta agua fue desplazada durante la migración del crudo (Segundo paso), luego (tercer paso) un pulso de agua meteórica entró y lavó parte del crudo, la eficiencia del lavado depende de la permeabilidad y de la compartamentalización del yacimiento. Al norte de la falla E-O la continuidad de la arena es mayor que al sur y no existen fallas sellantes. Por esta razón la mayor eficiencia de lavado corresponde al norte del campo. La figura 17 muestra las diferentes
eficiencias de lavado observadas en los registros y la figura 18 su distribución areal.
La evidencia del lavado ha sido observada en los núcleos (Figura 19) y también con las herramientas de resonancia magnética en el acuífero (Figura 20). En esta figura se presenta, el set básico de registros (GR, Resistividad, y Densidad-Neutrón) y la resonancia magnética en un pozo vertical localizado al norte del campo y se observa la presencia de crudo residual en la zona de agua.
El agua fresca entra luego de la migración de crudo y remueve los componentes más livianos del crudo. Adicionalmente, el contacto entre el crudo y el agua fresca a condiciones de yacimiento, por debajo de 50°C genera dos efectos en la formación. El primero es la biodegradación del crudo, incrementando su viscosidad hasta 12000 cp (crudo muerto) y el segundo es la modificación de la salinidad del agua en la zona lavada y el acuífero, como resultado de la mezcla de dos fuentes de agua de diferentes salinidades.
Como consecuencia a la entrada de agua meteórica, la salinidad del acuífero es diferente a la salinidad de la formación.
Conclusiones
La salinidad del agua de los pozos productores es más alta que la del agua del acuífero principal definida inicialmente en pozos verticales (2300 ppm).
La parte norte del campo ha observado un lavado muy eficiente de agua meteórica que entra por el oeste del campo. El lavado del yacimiento fue menos eficiente en el área sur, al verse afectado por la falla principal E-O y por la orientación de las depocentros de sedimentación principales (generalmente NNESSO) y sus desconexiones locales.
La salinidad de los primeros pozos que ven agua se mantiene baja (debajo de 5000 ppm) lo que puede indicar que la fuente de producción de agua viene del acuífero principal. El hecho de que con el tiempo los pozos producen agua con salinidad inicial mayor muestra el proceso de lavado del agua de formación, que es más salina, con variaciones locales que dependen de la tortuosidad del camino recorrido.
La disminución progresiva de la salinidad vs corte de agua y agua acumulada, hasta llegar a una estabilización, muestra que el proceso de contaminación por el agua de formación es limitado, y sugiere un proceso de “fingering” (caminos preferenciales).
Geográficamente, los valores más altos de salinidad se localizan cerca del límite sur de la zona “flush” o zona lavada y donde no se identifica el acuífero. A pesar de la evidencia de que la salinidad inicial del agua de formación es más alto que la referencia actual de 2300 ppm, se dificulta a este nivel de conocimientos definir un valor para este parámetro. En general, los análisis de salinidad del agua nos ayudan a entender la segmentación local del yacimiento y el comportamiento de producción de agua lo cual nos permite mejorar la ubicación de los futuros pozos horizontales que se perforen en las siguientes campañas.
Erika Pardo, Jhonny Casas , José Marcos 1 , Denys Delgado*, Miguel Expósito, Jean Paul Bellorini SINCOR, Departamento de Petróleo Dirección Actual . 1 Baker Hughes. Departamento de Geociencias
