SIMULACION NUMERICA DE YACIMIENTOS: DISEÑO DEL MODELO

DISEÑO DEL MODELO

SIMULADOR DE PETROLEO NEGRO (BLACK OIL)

Es un modelo de flujo de fluidos, en el cual se asume que a lo mas existen tres fases distintas en el yacimiento: Petróleo, Agua y Gas.

El agua y el petróleo se asumen inmiscibles y que no existe intercambio de masa o cambio de fase entre ellos. Se asume además que el gas es soluble en el petróleo, pero no en el agua.

A pesar que los resultados de un estudio de simulación son mas aceptados debido a la complejidad que se le proporciona al modelo, es mejor diseñar el modelo mas simple que permita simular el proceso de desplazamiento con suficiente exactitud. El diseño de un modelo es influenciado por los factores siguientes :

a.- Tipo y complejidad del problema

b.- Tiempo disponible para completar el estudio

c.- Costo del estudio

d.- Calidad de los datos disponibles

f.- Capacidad del simulador y hardware existente.

PLANIFICACION DE UN ESTUDIO DE SIMULACION

A continuación se presenta un posible orden de las actividades mas significantes a llevar a cabo durante un estudio de simulación :

A.- Definición del Problema.

B.- Adquisición y Revisión de datos.

C.- Descripción del yacimiento y Diseño del modelo.

D.- Ajuste de historia.

E.- Predicción.

F.- Reporte.

A.- DEFINICION DEL PROBLEMA.- El primer aspecto a tratar cuando se lleva a cabo un estudio de simulación es definir los problemas del comportamiento del yacimiento y problemas operativos asociados. Para efectuar esto se debe reunir la información suficiente acerca del yacimiento y su forma de operación para identificar las alternativas necesarias en lo que respecta a pronósticos.

Se debe definir en forma clara y concisa el objetivo práctico del estudio. Asimismo son necesarias evaluaciones rápidas a fin de identificar el mecanismo principal de depletación y reconocer que factores dominarán el comportamiento del yacimiento (gravedad, heterogeneidad, conificación, etc.).

Si es posible, determinar el nivel de complejidad del modelo de yacimiento, para iniciar el diseño del mismo e identificar los datos necesarios para su construcción.

B.- ADQUISICION Y REVISION DE LOS DATOS.- Los datos deben ser revisados y reorganizados después que estos hayan sido coleccionados, debido a que estos han sido obtenidos para diferentes razones y normalmente no han sido organizados de tal forma que tengan un uso inmediato.

La revisión debe efectuarse cuidadosamente y se debe consumir todo el tiempo necesario a fin de evitar trabajo inútil.

C.- DESCRIPCION DEL YACIMIENTO Y DISEÑO DEL MODELO.- El diseño de un modelo de simulación estará influenciado por el tipo de proceso a ser modelado, problemas relacionados con la mecánica de fluidos, los objetivos del estudio, la calidad de los datos del yacimiento y su descripción, restricciones de tiempo y el nivel de credibilidad necesario para asegurar que los resultados del estudio sean aceptados.

D.- AJUSTE DE HISTORIA.- Después que un modelo de yacimiento ha sido construido, debe ser probado a fin de determinar si puede duplicar el comportamiento del yacimiento. Generalmente la descripción del yacimiento usada en el modelo es validado haciendo "correr" el simulador con datos de producción e inyección histórica y comparar las presiones calculadas y el movimiento de fluido con el comportamiento actual del yacimiento.

E.- PREDICCION.- Una vez que se ha obtenido un ajuste de historia aceptable, el modelo puede ser usado para predecir el comportamiento futuro del yacimiento y así alcanzar los objetivos trazados por el estudio.

La calidad de las predicciones dependerá de las características del modelo y la exactitud de la descripción del yacimiento.

F.- REPORTE.- El paso final de un estudio de simulación es plasmar los resultados y conclusiones en un reporte claro y conciso. El reporte puede ser un breve memorando para un pequeño estudio o un informe completo de gran volumen para un estudio a nivel yacimiento.

En el reporte se debe incluir los objetivos del estudio, descripción del modelo usado y presentar los resultados y conclusiones referentes al estudio específico.

NUMERO DE DIMENSIONES

La selección del número de dimensiones es el primer paso en el diseño de un modelo. Esto es necesario para definir la geometría del yacimiento.

La geometría del yacimiento es definida por los mapas estructurales del tope y de la base los cuales muestran todas las características estructurales del sistema, tales como fallas. Estos mapas deben incluir el acuífero, si existe.

Los tipos de modelo disponible son :

- Modelos 0-D (modelo tanque)

- Modelos 1-D

- Modelos 2-D (areales, sección transversal, radiales).

- Modelos 3-D.

MODELOS 0-D.- Los modelos 0-D o tanque están basados en la conocida ecuación de balance de materiales que asume que las propiedades de los fluidos y la formación son uniformes a través de todo el yacimiento. La formación se considera homogénea, isotrópica y en cualquier punto y a cualquier tiempo el gradiente de presión es muy pequeño con lo cual la presión del yacimiento puede ser representada como un valor promedio.

MODELOS 1-D.- Son usados para estudiar la sensibilidad del comportamiento del reservorio a las variaciones de los parámetros del yacimiento. Por ejemplo, la sensibilidad del petróleo recuperable a la relación de movilidad, permeabilidad absoluta o la forma de las curvas de permeabilidad relativa.

Estos modelos son raramente usados en estudios de yacimientos para un campo entero, debido a que no se puede modelar el barrido areal y vertical. Por ejemplo no se pueden efectuar cálculos confiables de la eficiencia del desplazamiento en regiones invadidas debido a que no se puede representar los efectos gravitacionales que actúan perpendicularmente a la dirección del flujo.

MODELOS 2-D

AREALES.- Los modelos areales cartesianos 2-D (x,y) son los mas usados en los estudios de yacimientos. Se usan principalmente para estudiar el yacimiento entero en casos donde el espesor de la formación es relativamente pequeño o donde no hay una gran variación vertical en las propiedades de los fluidos y la formación.

Estos modelos se pueden usar para estudiar reservorios gruesos que no son altamente estratificados. Para corregir las fuerzas gravitacionales en la dirección vertical se aplica las denominadas "seudo funciones".

En tal sentido, puede ser necesario construir un modelo de sección transversal para chequear la efectividad de las seudo funciones en la simulación de yacimientos estratificados de gran espesor. Las seudofunciones no son necesarias en modelos areales de yacimientos delgados que no son altamente estratificados.

Los modelos areales usan normalmente sistema de coordenadas cartesianas (x,y), sin embargo existen algunas aplicaciones que requieren sistemas de coordenadas radiales (r,q ) o curvilíneas. Estos dos últimos sistemas proporcionan una mejor definición cerca a los pozos. En ciertos casos, las coordenadas curvilíneas pueden utilizar un menor número de gridblock que los modelos areales o 3-D.

SECCIONES TRANSVERSALES.- Se usan primariamente para desarrollar :

a.- Seudo funciones que se usan en modelos 2-D

b.- Para simular inyección de agua periférica o inyección de gas en la cresta con la finalidad de proporcionar información sobre la uniformidad de la eficiencia de barrido.

c.- Se usan también para analizar el efecto de la gravedad, capilaridad y fuerzas viscosas sobre la eficiencia de barrido vertical (conificación de agua).

Si la eficiencia de barrido areal, es un aspecto importante a ser tomado en cuenta, no se debe usar este tipo de modelo para estimar el comportamiento total del campo.

RADIAL.- Es usado para desarrollar funciones de pozo que permitan predecir el comportamiento cuando se usen en modelos 2-D areales y 3-D y permiten evaluar el comportamiento de los pozos cuando los efectos verticales dominan el comportamiento como en el caso de la conificación de agua o gas. Los modelos 2-D radiales son muy usados para simular la convergencia o divergencia del flujo en una región radialmente simétrica del yacimiento.

Además se usan estos modelos para estudiar el comportamiento de pozos en yacimientos con empuje de agua de fondo, con capa de gas y yacimientos que tienen una delgada columna de petróleo y se encuentran rodeados por agua o gas.

MODELOS MULTICAPA.- Usados para modelar yacimientos con varias capas sin "crossflow", sin embargo estas capas tienen las mismas condiciones límites, tales como acuífero común o la producción proveniente de las capas se mezcla en el pozo (commingled).

MODELOS 3-D.- Los modelos 3-D son usados donde la geometría del yacimiento es muy compleja como para ser modelado por un 2-D. Los yacimientos en etapa de depletación avanzada tienen una dinámica de fluido muy compleja y requieren 3-D. También se usan modelos 3-D para simular el desplazamiento de fluidos donde los regímenes de flujo son dominados por el flujo vertical. En algunos casos, el uso de 3-D es más simple que desarrollar seudofunciones para todas las regiones incluidas en el yacimiento.

Un problema que está asociado a los modelos 3-D es el tamaño. Un adecuado modelo puede tener tantos gridblock que consumiría mucho tiempo en proporcionar resultados y retardaría la toma de decisiones.

NUMERO DE FASES

FASE SIMPLE

- Depletación de yacimiento de gas sin influjo de agua.

- Expansión del agua en el acuífero.

- Problemas de well testing con una sola fase.

MULTIFASE (black oil)

- Usados para simular yacimientos de petróleo que tienen Bo <>

- Procesos de desplazamiento agua/petróleo o gas/petróleo.

- Empuje por gas disuelto, expansión de capa de gas o inyección de gas.

COMPOSICIONALES

- Yacimientos de gas que caen debajo del punto de rocío durante la depletación.

- Inyección de gas seco para reciclar los yacimientos anteriores.

- Inyección miscible de gas enriquecido o gas a alta presión.

- Yacimientos de petróleo volátil con Bo > 2.

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