Diseño e implementación de Pruebas a Pozos de Gas – Parte III: Ejecución de diseño

Diseño, Prueba, Pozos de Gas, Ejecución, Permeabilidad, Daño, Skin, Tiempo Adimensional, Radio de Pozo, Ingeniería de Yacimiento

En este post, hablaremos un poco acerca de los procedimientos específicos para diseñar una prueba de presión para pozos de gas. Aunque los conceptos aquí tratados se remitirán al diseño de una prueba de restauración de presión y drawdown, estos conceptos generalmente pueden ser extendidos a otros tipos de pruebas de presión (Tiempo de Lectura: 11 minutos). Muchos aspectos del diseño de la prueba de presión dependen de la precisión de la estimación de la permeabilidad y el factor skin. Aunque las estimaciones de las propiedades de la roca y de los fluidos son requeridas, las estimaciones de la  permeabilidad y el factor skin son generalmente más difíciles, porque frecuentemente son el objetivo a buscar en una prueba de presión. Algunos métodos para la obtención de datos para estimación de la permeabilidad incluyen los análisis de núcleo en laboratorio, resultados de pruebas de restauración de presión en otros pozos, pruebas de productividad (interpretadas con la ecuación radial en estado pseudo estable con una estimación del factor skin), o de un pozo con comportamiento de yacimiento infinito, estimado con la ecuación de estado no estable (también con una estimación del factor skin).

En este post se ofrecen algunas sugerencias técnicas para obtener valores de permeabilidad y factor skin en la etapa de diseño en una prueba de presión. El transiente de flujo es modelado de manera rigurosa en términos de pseudopresión y pseudotiempo, o lo que es simplemente un ajuste de las variables de presión y tiempo. Sin embargo, dadas las numerosas aproximaciones que deben ser hechas en el diseño de una prueba de presión, pensamos que las ecuaciones formuladas para realizar el diseño en términos de presión y tiempo (sin corrección) son suficientes para tener una precisión más o menos aceptables.

1. Propiedades del yacimiento para el prediseño

1.1. Factor Skin (s)

El factor skin es un número adimensional utilizado para calcular la caída adicional de presión de la zona de permeabilidad alterada inmediatamente adyacente a la vecindad del pozo. Debido a las operaciones de perforación y completación, la permeabilidad de esta zona se ve reducida en comparación a la zona no alterada. Bajo estas condiciones, el factor skin refleja un valor positivo. Valores positivos muy altos indican una alta reducción de la permeabilidad de la zona de la formación adyacente al pozo. Si se le aplica algún tratamiento ácido o fracturamiento hidráulico en esta zona, es probable que los valores de factor skin puedan ser reducidos. El factor skin puede ser estimada de varias maneras. Una forma de estimarla, por medio de analogía (no recomendada) por medio de pruebas de presión obtenidas en pozos vecinos, con similar tipo de fluido y completación. En pozos donde la formación tiene muy baja permeabilidad, que después de haber realizado un trabajo de estimulación,  generalmente se toma un valor de s=-1 para tratamientos en base a KCl o s=-2 para acidificaciones. Adicionalmente en la Tabla 1, se muestra el valor de skin a obtener en distintas estrategias de estimulación a un pozo.

Tabla 1. Skin esperados en distintas estratégicas de estimulación.

Debido a los efectos del flujo no darciano (turbulencia y efectos inerciales no considerados en la ecuación de Darcy) que son característicos en el flujo de gas, una caída adicional de presión similar puede ocurrir en la vecindad del pozo. A diferencia del efecto skin causados por las alteraciones durante la perforación y completación, el flujo turbulento no es una constante, y varía de acuerdo a la tasa de flujo. En consecuencia, el factor skin estimado a través de las pruebas de pozo es un aparente factor skin, s’, que viene dada por la Ecuación 1:

(Ec. 1)

Donde:

s=factor skin verdadero, a veces llamada skin mecánico.

Dq_g=tasa de gas dependiente del factor skin.

El coeficiente D, de flujo turbulento o no darciano viene dada por la Ecuación 2:

(Ec. 2)

El factor de turbulencia, beta, es estimada con la Ecuación 3:

(Ec. 3)

Aunque D realmente no es una constante, la ecuación dada es adecuada para propósitos de diseño de la prueba de presión.

1.2. Permeabilidad de Formación

Como se comentó anteriormente, las fuentes para la estimación de la permeabilidad de la formación incluyen los análisis de laboratorio a muestras de núcleo provenientes del pozo a ser probado o uno que se encuentre a las adyacencias del mismo. Pruebas de pozos en pozos adyacentes al de estudio también pueden ser utilizadas. Alternativamente, si se aplicaron pruebas de productividad en el pozo a ser probado, la ecuación de flujo en pseudo estado estable (escrita aquí para fluidos ligeramente compresibles) puede ser utilizada para la estimación de la permeabilidad, Ecuación 4:

(Ec. 4)

Cuando las condiciones del flujo de gas están estabilizadas, la permeabilidad al gas puede ser estimada por la Ecuación 5:

(Ec. 5)

Donde:

s’= factor skin  definida en la Ecuación 1

qg=Tasa de flujo, MPCN/D

El factor volumétrico del gas es evaluado con la presión promedio del reservorio mediante la Ecuación 6:

(Ec. 6)

Es de destacar que el tiempo de estabilización va a depender de la permeabilidad de la formación y la etapa de desarrollo del yacimiento. En nuevos pozos localizados en yacimientos con poco desarrollo, y aún más sin son apretados, los pozos no llegan alcanzar las condiciones de estabilización por muchas semanas, e inclusive algunos meses. En este caso, la permeabilidad debe ser estimada utilizando la ecuación de estado no estable. En la Ecuación 7 de estado no estable es aplicable cuando existen ligeros cambios en la tasa de flujo de gas:

(Ec. 7)

Donde:

ps=presión estabilizada, medida al cierre y/o comienzo de la prueba de presión, lpc

En yacimientos nuevos, con poco agotamiento de presión, la presión de cierre es prácticamente igual a la presión inicial de yacimientos, ps=pi, mientras que en yacimientos con cierto desarrollo, ps<pi. Nuevamente, las propiedades del gas son evaluadas con la presión promedio del área de drenaje en yacimientos desarrollados, mientras que en yacimientos nuevos, con la presión inicial. Para resolver la Ecuación 7 para kg, se utiliza una tasa obtenida de un largo período de flujo la cual presenta poca variación. El tiempo de producción efectivo, t, es igual a la acumulada de producción dividido entra la tasa de flujo seleccionada, tal como se muestra en la Ecuación 8:

(Ec. 8)

Donde:

Gp= producción de gas acumulada, MPCN

qg= tasa de producción de gas, MPCN/D

Se debe definir el radio de drenaje efectivo, rd, mediante la Ecuación 9:

(Ec. 9)

Donde:

ug= viscosidad promedio, cps

Ct= compresibilidad promedio, 1/lpc

Incorporando la Ecuación 9 dentro de la Ecuación 7, se hace rearreglo de la misma, obteniéndose la Ecuación 10:

(Ec. 10)

La Ecuación 10 puede ser resuelta iterativamente haciendo el siguiente procedimiento recomendado. Es de notar que, si los datos de flujo se encuentran difusos producto del efecto de almacenamiento del pozo, este procedimiento puede sobreestimar la permeabilidad. El procedimiento se describe a continuación:

1. Fijar un valor inicial de Kg, usando este valor, calcular la rd de la Ecuación 9. La estimación inicial de Kg puede ser no más que una asunción.
2. Usando el valor de rd del primer paso, resolver la Ecuación 10 para Kg. Compare el valor obtenido de kg con el asumido inicialmente. Si el valor es aproximado, pare, de lo contrario, continué con el proceso iterativo.
3. Usando la kg estimada en el segundo paso, asuma un valor de rd.
4. Con este valor estimado de rd, resuelva la Ecuación 10 nuevamente para determinar Kg.
5. Repita los pasos 3 y 4 hasta que el valor de kg muestre convergencia. Ésta ocurre generalmente en 2 o 3 cálculos.

2. Estimaciones del Tiempo de la Prueba

El período del flujo debe ser suficientemente largo para que el transiente de presión se mueva más allá del efecto de almacenamiento y la zona de la formación afectada por el factor skin. En términos de variables adimensionales, la duración del período de almacenamiento durante una prueba drawdown o de inyección en un pozo con un daño mayor o igual a 3.5 es estimada por medio de un ajuste empírico mediante las curvas tipo de Agarwal, Ecuación 11:

(Ec. 11)

Donde, para el tiempo en horas, se usa la Ecuación 12:

(Ec. 12)

Para pozos de gas, la Ecuación 12 es evaluada con la presión promedia del yacimiento. La Ecuación 11 predice el tiempo de descarga del pozo cuando esta produciendo a una tasa constante. Esta ecuación puede ser usada también en aquellos pozos que presentan una poca variación en la tasa de producción cuando se esta realizando el diseño de la prueba de pozo. El coeficiente del efecto de almacenamiento adimensional, CD, en la Ecuación 11, es definida por la Ecuación 13:

(Ec. 13)

Donde:

C=es el coeficiente producido por el efecto de almacenamiento, bbl/lpc

Cuando coexisten tanto el gas como petróleo en el pozo, o cambios de interface gas/líquido, el término C puede ser calculado con la Ecuación 14:

(Ec. 14)

Donde:

Awb= Área de flujo, pies²

ρwb= Densidad del fluido, lbm/pies³

Cuando en el pozo existe una sola fase, el coeficiente puede ser determinado con la Ecuación 15:

(Ec. 15)

En términos de variables adimensionales, la duración del efecto de almacenamiento, twbs para una prueba de flujo, el período de flujo antes del cierre para la prueba de restauración o la prueba de inyección es estimada por la Ecuación 16:

(Ec. 16)

La Ecuación 16 es frecuentemente modificada para la determinación de la distorsión producida por el efecto de almacenamiento en las pruebas de restauración de presión, sin embargo, para simplificar los cálculos, se utiliza la misma ecuación para diseñar pruebas de declinación de presión y pruebas de restauración de presión.