Introducción a la Simulación Numérica de Yacimientos

Con respecto a un yacimiento en particular, la función del ingeniero de yacimientos es predecir la recuperación final (ultimate recovery) y comportamiento futuro considerando diferentes mecanismos de recuperación y métodos de desarrollo. Cabe mencionar que muchas de las herramientas clásicas de ingeniería de yacimientos tales como modelos tanque (balance de materiales que trata al yacimiento como un gran tanque con propiedades promedias uniformes) no proporcionan un adecuado modelaje de los yacimientos, sistemas hidrocarburos y/o esquemas de recuperación complejos.

Un claro ejemplo de lo anterior es la técnica referente a la ecuación del acuífero en base a balance de materiales que proporciona el influjo de agua acumulado en el yacimiento a un tiempo dado, pero la distribución areal del agua es desconocida, por lo que no es factible obtener una localización óptima de los pozos. Otro caso son los métodos referentes a conificación, los cuales no consideran los efectos de presión capilar, por lo que estos métodos no son apropiados para predecir el comportamiento de un pozo que posee una gran zona de transición.

La simulación numérica presenta una formulación rigurosa del sistema físico a ser modelado, incluyendo :
(a) Propiedades variables de la roca.
(b) Propiedades del fluido versus la presión.
(c) Balance de materiales.
(d) Ecuaciones de flujo en el medio poroso.
(e) Presión capilar.

Estas ecuaciones matemáticas pueden ser manipuladas para obtener los complicados fenómenos del yacimiento que serán estudiados. Algunas de estas relaciones matemáticas son no-lineales o ecuaciones diferenciales parciales que pueden ser solo resueltas aproximadamente con un computador.

Un simulador numérico reduce el balance de materiales (tanque) a un pequeño elemento y considera este elemento como uno de muchos dentro del límite del yacimiento. Cada elemento es considerado contiguo y en comunicación con los otros que lo rodean, así mismo los elementos pueden ser arreglados areal y verticalmente para representar la geometría física del yacimiento a ser estudiado, asimismo las características de roca y yacimiento pueden ser variadas para representar cualquier heterogeneidad de un yacimiento anisotrópico. Los yacimientos pueden ser descritos exactamente usando elementos o bloques muy pequeños. Muchos elementos pequeños, incrementarán el tiempo de computador.

Una vez que se ha preparado la representación del yacimiento en la forma de elementos individuales, el modelo de simulación numérica ejecuta para cada serie de tiempos (time-steps) un conjunto de ecuaciones de balance de materiales para todos los bloques hasta que los efectos dinámicos del movimiento de fluidos, causado ya sea por producción o inyección en uno o mas bloques, sea balanceado.

Estas ejecuciones son efectuadas en tiempos pequeños para indicar el comportamiento del yacimiento en general y para cada pozo activo considerado por el modelo. Debido a que el flujo es permitido a través de los bloques (al interior de los límites), el movimiento del frente del fluido puede ser seguido con los simuladores numéricos para monitorear cambios en los contactos gas-petróleo o petróleo-agua. Los modelos también pueden representar los cambios dinámicos en la presión y distribución de saturación en el yacimiento.

Tipos de Modelos

Los simuladores pueden clasificarse en:

(1) Simuladores de yacimientos de gas.- pueden ser modelados en una o dos fases dependiendo si existe agua móvil.

(2) Simuladores de yacimientos de petróleo negro (black oil).- es capaz de simular sistemas donde están presentes gas, petróleo y agua en cualquier proporción. Este es el simulador mas comúnmente usado en yacimientos de petróleo y la principal suposición es que las composiciones del petróleo y el gas no cambian significativamente con la deplección.

(3) Simuladores de yacimientos composicional.- toman en cuenta el comportamiento composicional entre los componentes individuales de los hidrocarburos en las fases de gas y líquidos. Esto es debido a que la información PVT no describe el comportamiento del fluido adecuadamente para los petróleos volátiles y condensados. La transferencia de masa entre cada uno de los elementos es calculada en fracciones molares de cada componente individual o seudocomponentes combinando dos o mas de los componentes hidrocarburos individuales. Este tipo de modelo es necesario para yacimientos de condensado (retrógrado) y petróleo volátil así como cierto tipo de inyección de gas y/o procesos de recuperación mejorada.

(4) Modelos de doble porosidad.- Son necesarios para modelar el comportamiento de yacimientos naturalmente fracturados así como algunos sistemas de carbonatos. El comportamiento de flujo y presión de este tipo de yacimientos puede ser considerado mas complejo que un sistema de porosidad simple.

(5) Modelos termales.- Para simular procesos EOR tales como inyección de vapor o combustión in-situ.

Todos estos modelos pueden tener una, dos o tres dimensiones.

Razones para efectuar una simulación

La simulación puede proporcionar beneficios potenciales en los rubros siguientes :

(1) Estudiar la recuperación final primaria y su comportamiento bajo diferentes modos de operación tales como deplección natural, inyección de agua y/o gas.

(2) El tiempo en el cual debe iniciarse un proceso de recuperación mejorada a fin de maximizar la recuperación así como el tipo de patrón que debe ser usado.

(3) El tipo de proceso de recuperación mejorada mas apropiado y cual será la recuperación final y el comportamiento con el proceso elegido.

(4) Investigar los efectos de nuevas ubicaciones y espaciamientos de pozos.

(5) Analizar el efecto de las tasas de producción sobre la recuperación.

(6) Analizar que tipos de datos tienen el mayor efecto sobre la recuperación y por lo tanto los que deben ser estudiados cuidadosamente con experimentos físicos de laboratorio.

Referencias:
1.- "Fundamentals of Numerical Reservoir Simulation" - Donald Peaceman - Elsevier Scientific Publishing Company - 1977; 173 pag.
2.- "Reservoir Simulation" - Calvin C. Mattax and Robert L. Dalton - SPE Monograph Volume 13 - 1990; 161 pag.
3.- "Modern Reservoir Engineering - A Simulation Approach" - Henry B. Crichlow - Prentice Hall Inc. - 1977 - 354 pag.
4.- Universidad Nacional de Ingeniería, Facultad de Ingeniería de Petróleo