Una breve historia de la Ingeniería de Yacimiento

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En este artículo se hará una breve historia de la Ingeniería de Yacimiento. Como sabemos, petróleo crudo, gas natural y agua son sustancias que son de principal preocupación para los ingenieros de petróleo. Aunque estas sustancias pueden estar como sólidos o semisólidos como la parafina, asfalteno o hidratos de gas, generalmente a baja temperatura y presión, en los yacimientos y pozos, ellos se encuentran principalmente como fluidos, tanto como vapor (gas) o en fase líquida, o como es casi común, en ambos.

Incluso donde se usaron materiales sólidos durante la perforación, cementación y fracturamiento hidráulico, ellos son manejados como fluidos o lechadas. La separación en pozo o yacimiento de estos fluidos dependen principalmente de las condiciones de presión, temperatura y la composición del fluido. El estado o fase de un fluido en el yacimiento generalmente cambia cuando ocurre una disminución de la presión en el mismo, como producto del proceso de vacimiento/producción. La temperatura del yacimiento se mantiene relativamente constante durante la producción.

En muchos casos, el estado o fase de un fluido en el yacimiento no esta relacionada con el comportamiento del fluido cuando este alcanza la superficie. El preciso conocimiento del comportamiento del petróleo, gas natural y agua, individual o en combinación, bajo condiciones estáticas o en movimiento dentro de la roca reservorio y en tuberías bajo cambios de condiciones de presión y temperatura, es la principal área de estudio de los ingenieros de yacimiento.

1. Los pioneros de la Ingeniería de Yacimiento

Tan temprano como en 1928, los ingenieros de yacimientos estuvieron dando serias consideraciones a la relación existente entre gas y energía, y reconocieron la necesidad de requerir más información acerca de las condiciones físicas de los pozos y los yacimientos en el subsuelo. Los tempranos progresos en los métodos de recobro de petróleo hicieron obvio que los cálculos hechos a partir de los datos de cabezal de pozo o superficie fueran generalmente engañosos. Sclater y Stephenson describieron el primer registro de presión en fondo de un pozo y un mecanismo para muestreo de fluidos bajo presión.

Es interesante ver que esta referencia de datos de fondo de pozo como mediciones de presión, temperatura, relación gas-petróleo, la física y química natural de los fluidos. La necesidad de mediciones precisas en el fondo del pozo fue enfatizado aún más cuando Millikan y Sidwell describieron el primer medidor de presión de precisión y señalaron la principal importancia de la presión en fondo para los ingenieros de yacimiento en la determinación de métodos más eficientes de recobro del petróleo y procedimientos de levantamiento. Con esta contribución, el ingeniero fue capaz de medir y determinar la más importante y básica información para los cálculos de comportamiento del yacimiento: la presión de yacimiento.

El estudio de las propiedades de la roca y su relación con los fluidos que ella contiene tanto en condiciones estáticas y dinámicas fue llamada petrofísica. Porosidad, permeabilidad, saturación de fluidos y distribución, conductividad eléctrica tanto de la roca como los fluidos, estructura poral y radiactividad, son solo algunas de las más importantes propiedades petrofísicas de la roca. Fancher, Lewis y Barnes hicieron uno de los estudios pioneros de petrofísica de roca reservorio en 1933.

En 1934, Wycoff, Botset, Muskat y Reed desarrollaron un método para medir la permeabilidad de muestras de roca reservorio basados en la ecuación de flujo de fluidos desarrollada por Darcy en 1856. Wycoff y Botset realizaron un importante avance en sus estudios de flujo simultáneo de petróleo-agua y gas-agua en arenas no consolidadas. Este trabajo fue posteriormente extendido a arenas consolidadas y otros tipos de rocas. En 1940, Leverett y Lewis reportaron una investigación en flujo trifásico de petróleo, gas y agua.

Todos ellos fueron reconocidos como los pioneros en la ingeniería de yacimientos antes de que los volúmenes de petróleo y gas en sitio pudieran ser calculados, el cambio de las propiedades físicas de las muestras de fondo del fluido de yacimiento con presión sería requerido. En consecuencia, en 1935, Schilthuis describió un muestreador de fondo y un método de medición de las propiedades físicas de las muestras obtenidas.

Estas mediciones incluyeron relaciones de presión-volumen-temperatura, la presión de saturación o de burbuja, la cantidad de gas total disuelto en el petróleo, la cantidad de gas liberado bajo distintas condiciones de presión y temperatura, el factor de encogimiento del petróleo como resultado de la liberación de este gas disuelto de la solución. Esta información habilitó el desarrollo de ciertas ecuaciones de mucha utilidad, la cual promovieron una corrección importante de las ecuaciones volumétricas para el cálculo del petróleo en sitio.

"La ingeniería de yacimiento es el arte del desarrollo y la producción de petróleo y gas de tal manera que se pueda obtener un alto recobro económico"

El siguiente desarrollo significativo fue el reconocimiento y la medición del agua connata, la cual estaba considerada intrínseca en la formación y que se mantiene remanente ocupando parte del espacio poral conjuntamente con la acumulación de petróleo y/o gas. Este desarrollo explicó los pobres recobros de petróleo y gas en arenas de baja permeabilidad con altas saturaciones de agua connata, y la introducción de los conceptos de saturación de petróleo, gas y agua como porcentajes del espacio poroso total. La medición de la saturación de agua permitió otra importante corrección de la ecuación volumétrica, ya que consideró el espacio poroso de hidrocarburo como una fracción del volumen total de poro.

2. Desarrollo Analítico de la Ingeniería de Yacimiento

Aunque la temperatura y los gradientes geotérmicos han sido de interés por los geólogos por muchos años, los ingenieros pudieron no hacer un uso de esta importante información hasta el desarrollo de un termómetro de fondo de precisión. Millikan señaló lo importante de los datos de temperatura en los estudios de yacimientos y pozos. Desde esta información básica, Schilthuis fue capaz de derivar una importantísima ecuación, comúnmente llamada la Ecuación de Balance de Materiales, una modificación de una ecuación temprana presentada por Coleman, Wilde y Moore.

La ecuación de Schilthuis es una de las más importantes herramientas de los ingenieros de yacimiento. Es una ecuación de la conservación de la materia y en un método para contabilizar los volúmenes de fluidos iniciales presentes, fluidos producidos, inyectados y remanentes en un yacimiento en cualquier etapa de su depleción. Havlena y Odeh mostraron como la Ecuación de Balance de Materiales puede ser reordenada en función a una línea recta y su solución.

Cuando la producción de petróleo y gas se encuentra relacionado por un volumen de acuífero de gran tamaño subyacente ocasiona que el agua del acuífero invade dentro del yacimiento de hidrocarburos, por lo que se dice el yacimiento esta bajo un empuje hidráulico. En yacimientos que producen bajo un mecanismo de empuje hidráulico, el volumen de agua que invade dentro del yacimiento debe ser incluido matemáticamente en la Ecuación de Balance de Materiales.

Aunque Schilthuis propuso un método para calcular el volumen de agua invadida mediante la Ecuación de Balance de Materiales, fue Hurst y, más tarde, van Everdingen y Hurts los que desarrollaron métodos para el cálculo de la intrusión de agua independientemente del uso de la Ecuación de Balance de Materiales, la cual puede ser aplicado tanto para acuíferos de limitada o infinita extensión, como en flujo continuo y no continuo. Los cálculos realizados por van Everdingen y Hurts fueron simplificados posteriormente por Fetkovich. Siguiendo este desarrollo en los cálculos de los volúmenes de petróleo y gas inicialmente en sitio o en cualquier etapa de depleción del yacimiento, Tarner, y Buckley y Leverett propusieron las bases del cálculo de recobro de petróleo a ser esperado para una particular característica de roca y fluido.

Tarner, y posteriormente Muskat presentaron métodos para el cálculo del recobro para mecanismos de gas en solución y Buckley y Leverett presentaron métodos para calcular el desplazamiento de petróleo con mecanismo de capa de gas y empuje hidráulico. Estos métodos no solamente proporcionaron medios para la estimación de recuperación para estudios económicos, también ayudaron a comprender la causa de los decepcionantes bajos recobros en muchos campos. Estos descubrimientos a su vez permitió saber la forma de mejorar los recobros, aprovechando las fuerzas naturales y energías, la suplantación de energía mediante la inyección de gas y/o agua, y unificando yacimientos para compensar las pérdidas que pueden ser causadas por operaciones competitivas.

3. Salto hacia adelante en la Ingeniería de Yacimiento

Durante los años 60', los términos simulación de yacimiento y modelado matemático de yacimiento empezaron a ser populares. Estos dos términos son sinónimos y se refieren a la capacidad de usar fórmulas matemáticas para predecir el comportamiento futuro de un yacimiento de hidrocarburos. La simulación de yacimientos fue apalancada por el desarrollo a gran escala de computadores de alta velocidad. Sofisticados métodos numéricos también fueron desarrollados que permitían determinar la solución de un gran número de ecuaciones mediante la aplicación de diferencias finitas o técnicas de elementos finitos.

Con el desarrollo de estas técnicas, conceptos y ecuaciones, la ingeniería de yacimientos empezó a ser una rama poderosa y bien definida de la ingeniería de petróleo. La ingeniería de yacimientos puede ser definida como la aplicación de principios científicos a los problemas de drenaje que surgen durante el desarrollo y la producción de yacimientos de petróleo y gas. Es también definida como "el arte del desarrollo y la producción de petróleo y gas de tal manera que se pueda obtener un alto recobro económico".

Las herramientas de trabajo de un ingeniero de yacimientos son la geología del subsuelo, las matemáticas aplicadas, y las leyes básicas de la física y química que gobiernan el comportamiento de fases líquido/vapor del petróleo, gas natural y agua en la roca yacimiento. Debido a que la ingeniería de yacimiento es la ciencia de la producción de petróleo y gas, esta incluida en todos aquellos factores que afectan el recobro de hidrocarburos. Clark y Wessely instan a una aplicación conjunta de datos geológicos y de ingeniería para llegar a programas sólidos de desarrollo de un campo.

Últimamente, la ingeniería de yacimientos preocupa a todos los ingenieros de petróleo, desde el ingeniero de perforación quien hace la planificación del programa de lodo, hasta el ingeniero de corrosión quien debe diseñar redes de superficie que transportarán cada molécula de hidrocarburo durante la vida productiva de un campo petrolero.

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Portal del Petróleo : Una breve historia de la Ingeniería de Yacimiento
Una breve historia de la Ingeniería de Yacimiento
En este artículo se hará una breve historia de la Ingeniería de Yacimiento. Como sabemos, petróleo crudo, gas natural y agua son sustancias que son de principal preocupación para los ingenieros de petróleo.
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