SIMULACIÓN DE UN PROCESO DE INYECCIÓN DE AGUA EN UN MODELO FÍSICO ESCALADO 3D
Fernando Wilson Londoño Galvis1, Carlos Eduardo Naranjo Suarez2, Samuel Fernando Muñoz Navarro3
1. Ingeniero de petróleos, Candidato a Msc. en Ingeniería de Hidrocarburos. Universidad Industrial de Santander,
UIS. Bucaramanga, Colombia. E-mail: fernandowil.londono@ecopetrol.com.co
2. Msc. en Ingeniería de Hidrocarburos. ICP-Ecopetrol. Piedecuesta, Colombia. E-mail: carlosed.naranjo@
ecopetrol.com.co
3. Msc. en Ingeniería de Hidrocarburos. Universidad Industrial de Santander. Bucaramanga, Colombia. E-mail:
samuel@uis.edu.co
Recepción: 21 de Septiembre de 2013 Aceptación: 19 de Diciembre de 2013
RESUMEN
En el presente trabajo se muestra el proceso para simular un proceso de inyección de agua en el Equipo de Desplazamiento Radial, EDR. La metodología empleada, fue el conocimiento de las partes que lo conforman, el entrenamiento en su manejo y operación, la selección de la técnica de empaquetamiento del medio poroso. Seleccionada la técnica de empaquetamiento teniendo en cuenta la estabilidad estructural, la repetitividad y reproducibilidad de las propiedades petrofísicas y el tiempo de construcción, se planteó un procedimiento para la fabricación de medios porosos sintéticos para modelos físicos.
Adicionalmente, mediante la realización de pruebas preliminares en modelos en acrílico y en el EDR se identificaron e implementaron mejoras para garantizar el éxito de las pruebas las cuales incluyen procedimientos técnicos de ensayo, manejo de los datos obtenidos, los empaques a emplear y el sistema de monitoreo/control. Finalmente, se simuló físicamente un proceso de desplazamiento en el EDR presentando los resultados obtenidos de las pruebas realizadas.
Palabras clave: Modelo físico, modelo físico escalado, modelo 3D, medios porosos sintéticos, Simulación física, Inyección de agua.
Simulation of a waterflooding process
in a physical scaled model 3d
ABSTRAC
The objective of this work is to show the proceedings to simulate a water injection process in the Radial Displacement Equipment, EDR. The methodology used the recognizability of the parts that make, training in handling and operation, selection of packaging technique of the porous medium. Packing technique selected considering the structural stability, repeatability and reproducibility of the petrophysical properties and construction time, it was proposed a method for the manufacture of synthetic porous media to physical models.
Additionally, by carrying out preliminary tests on models in acrylic and the EDR were identified and implemented improvements to ensure the success of the tests which include technical testing procedures, data collected management, packaging to be used and the system monitoring / control. Finally, displacement process was simulated in the EDR presenting the results of tests carried.
Keywords: Physical model, scaled physical model, 3D model, synthetic porous media, physical simulation,
waterflooding.
INTRODUCCIÓN
Una de las herramientas con la que cuentan la ingeniería de yacimientos para estudiar la factibilidad técnica de implementar procesos de recuperación de hidrocarburos, son las pruebas de desplazamiento en modelos físicos y físicos escalados. Estos experimentos, se realizan en laboratorio y permiten estudiar un fenómeno particular a nivel cualitativo y cuantitativo.
Los modelos físicos escalados, son la reproducción simplificada de fenómenos y dispositivos que ocupan un gran espacio físico y temporal. Específicamente, en ingeniería de yacimientos este tipo de modelos permiten, a partir del principio de similitud la simulación física de procesos de desplazamiento y el escalamiento a campo; es decir, llevar los resultados obtenidos en laboratorio a nivel de campo.
La exactitud de estos modelos depende de los criterios que previamente se escalaron haciendo uso de técnicas como el análisis dimensional e inspeccional.
RESEÑA HISTÓRICA
En 1942 Leverett [1], presentó el primer estudio de construcción y operación de modelos escalados junto con su teoría de flujo radial y lineal. Luego, en 1953 Rapoport y Leas [2], realizaron inyecciones lineales y presentaron las leyes de escalamiento incluyendo los efectos de capilares.
Rapoport en 1955 [3] formuló matemáticamente las leyes de escalamiento introduciendo la técnica de análisis inspeccional en las ecuaciones de flujo bifásico. En el mismo año Croes y Schwarz [4], presentaron los grupos adimensionales de un proceso de inyección de agua y analizaron el efecto de la relación de viscosidades aceite/agua sobre la eficiencia de recobro.
En 1956 Geerstma [5], empleo el análisis inspeccional y dimensional para obtener las leyes de escalamiento de procesos de inyección de agua caliente. Luego, Dietz y Baker [6] realizaron experimentos con inyección de agua usando los grupos propuestos por Geerstma.
Pujol y Boberg [7], desarrollaron un criterio de escalamiento para modelos a alta presión y demostraron la dificultad de escalar las fuerzas viscosas, gravitacionales y capilares en procesos de inyección de vapor. Stegemeier en 1980 [8], aplico este enfoque para plantear un criterio a baja presión.
Kimber, Puttagunta y Farouq Ali en 1988 [9], propusieron cinco métodos de escalamiento de procesos de inyección de vapor. Kimber y Farouq Ali en 1989 [10], analizaron por medio de experimentos las fortalezas y debilidades de tres de los cinco criterios.
En 1993 Duarte [11], diseño un modelo escalado en dos dimensiones para la inyección de vapor involucrando un análisis de la formulación matemática. Uribe y Peralta [12], estudiaron el comportamiento de la inyección de agua en las arenas inferiores del campo Casabe utilizando técnicas de escalamiento.
Araque y Montañez [13], determinaron la permeabilidad absoluta en medios porosos en el modelo SCALA. Además, identificaron fallas del equipo y problemas con la técnica de empaquetamiento cuales causaban inestabilidad del mismo.
Posteriormente, Lesmes y Londoño [14], diseñaron un modelo físico de desplazamiento radial, aplicando las técnicas de escalamiento de procesos de inyección de vapor/agua junto con herramientas asistidas por computador.
Silva y Trujillo [15], mediante un análisis de sensibilidad concluyeron que parámetros como: tasa de inyección, dimensiones, porosidad y viscosidad son los que más inciden en el escalamiento de un proceso de inyección de agua. Trigos y Jerez [16], estudiaron el efecto de propiedades petrofísicas como porosidad, permeabilidad, saturaciones irreducibles y permeabilidades relativas, en el escalamiento de un proceso de inyección de agua.
Londoño, Muñoz y Rivera [17], rediseñaron su modelo físico siguiendo las metodologías de escalamiento para procesos de recobro mejorado. Adicionalmente, mediante simulación numérica estudiaron el comportamiento del prototipo de campo y modelo bajo los procesos estudiados.
Celis y De Castro [18], propusieron una correlación que relaciona la porosidad y la permeabilidad para la construcción de medios porosos sintéticos y realizaron pruebas de desplazamiento en medios porosos estratificados en un modelo físico escalado.
METODOLOGÍA
1. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DE DESPLAZAMIENTO RADIAL, EDR
El EDR, es un modelo físico escalado de desplazamiento radial el cual se desarrolló aplicando las técnicas de escalamiento para procesos de inyección de agua/vapor y agua mejorada junto con herramientas de diseño e ingeniería asistida por computador. El modelo físico, está constituido por dos módulos independientes que se ensamblan entre sí [19- 22], ver figura 1.
En el primer módulo, están los sistemas hidráulico, de control/adquisición, generador de vapor y en el segundo modulo se ubica el portamedio poroso el cual contiene el medio poroso. A continuación se describen brevemente.
Sistema hidráulico. Está compuesto por líneas de flujo en acero inoxidable y teflón, dispositivos mecánicos, medidores analógicos y digitales, los cuales se encargan de ejecutar las órdenes dadas por el usuario desde el sistema de control/adquisición de datos.
Sistema de control/adquisición de datos. Se cuenta con un software de monitoreo y control para indicar la información de la prueba, la apertura/cierre de válvulas, el sentido de flujo de los fluidos y el registro de los datos de temperatura y diferencial de presión.
Generador de vapor [23]. Es un equipo para generar vapor a 689.5 KPa y temperatura de saturación de 433 K, con un rango de tasas de 0,1 – 4,0 cm3/min de agua equivalente mediante un sistema el cual permite el control de presión y nivel de fluidos en el equipo.
Modelo físico radial. Representa un cuarto de patrón de cinco puntos (25.6 x 25.6 x 3.6 cm), está compuesto por un portamedio poroso y una tapa con dos pozos ubicados en esquinas opuestas, ver figura 1b. Su principal función, es contener el medio poroso que será sometido a procesos de desplazamiento.
2. SELECCIÓN DE LA TÉCNICA DE CONSTRUCCIÓN DEL MEDIO POROSOS
Puesto que el medio poroso es un aspecto crítico en la simulación física, se estudiaron tres técnicas para su fabricación; por inyección de una mezcla de arena/agua, en húmedo y con resina epoxi [24]. En el empaquetamiento por inyección, se introduce al modelo físico una mezcla de agua/arena, en la figura 2 a y b se muestra la configuración empleada y a partir de ella se evidencia que no hay un completo llenado de arena en el modelo.
En la técnica en húmedo, se adiciona un volumen determinado de agua en el modelo y posteriormente se agrega la arena de forma gradual (Figura 3 a y b). Este proceso de empaquetamiento, es muy largo, presenta problemas de formación de espuma y se debe tener mucho cuidado con los granos de arena que pueden quedar e los pozos inyector/productor y en los tornillos que cierran el modelo.
En la fabricación de medios porosos sintéticos, se emplea arena y una solución epoxi la cual sirve como material cementante entre grano y grano. En esta técnica, uno de los aspectos claves es el proceso de mezcla puesto que la resina debe ser homogénea en toda la muestra.
Para el proceso de selección, se analizaron aspectos como la estabilidad estructural, la repetitividad y reproducibilidad de las propiedades petrofísicas y el tiempo requerido de construcción, ver tabla 1.
Con base en los resultados, se seleccionó la técnica con resina epoxi por sus ventajas con respecto a las otras técnicas y por la posibilidad extraer y de fabricar una muestra (plug) para medir propiedades petrofísicas básicas y especiales.
Posteriormente, se identificaron las variables de respuesta, controlables y no controlables (figura 4) para establecer el procedimiento de construcción teniendo en cuenta el tipo y tiempo de curado, resistencia térmica/ mecánica, proporción y forma de mezclar la arena/resina, repetitividad y reproducibilidad de las propiedades. Como resultado se planteó una metodología de fabricación de medios porosos sintéticos.
A continuación se describe el procedimiento.
• Medir la masa de arena a emplear. Es necesario
contar con una balanza, para el presente estudio se
requiere de 4.1 kg de arena.
• Calcular el volumen de resina [25]. Por cada 20
gr de arena, se usa 1 cm3 de resina por tanto se
requieren 225 cm3 de solución.
• Mezclar arena más resina. Se debe agregar la
arena a la resina y mezclar en cuatro etapas hasta
que sea homogénea. Primero se mezclan 1025 gr
de arena con la resina, luego cada 20 minutos se
agregan 1025 gr.
• Llevar al portamedio poroso. Se debe llevar la
mezcla al portamedio poroso de forma secuencial
compactándola en capas nivelando la superficie con
la ayuda de un pisón, ver figura 5.
• Dejar secar. El curado, se debe realizar a temperatura
de 60-80 °C (factores como la humedad, tamaño
y geometría de la muestra aumentan el tiempo de
curado).
Para el desarrollo de esta metodología, se realizaron 50 pruebas de construcción de las cuales 30 fueron plug y 20 en modelos físicos (16 modelos en acrílico y 4 en el EDR). La tabla 2 muestra un resumen de las pruebas realizadas.
3. PRUEBAS PRELIMINARES
Para garantizar el éxito de las pruebas de desplazamiento, se realizaron pruebas para la selección de los fluidos desplazante/desplazado y de desplazamiento.
Selección de fluidos. Se realizaron pruebas determinación de densidad y viscosidad al aceite mineral, búcaros, gourmet y ACPM seleccionando este ultimo por su relación de movilidad con el agua (Tabla 3).
Problemas para el desarrollo de las pruebas de desplazamiento. Se realizaron cuatro pruebas de desplazamiento en el EDR pero en las dos primeras se presentaron inconvenientes que ocasionaron su interrupción.
Prueba 1. Se empleo como fluidos desplazante y desplazado el agua y aceite mineral, el medio poroso se fabricó con 4500 gramos de arena 80-100 y 225 cm3 de solución epoxi. Saturado el medio poroso con agua y aceite, se procedió a simular físicamente un proceso de inyección de agua a una tasa de un 1.0 cm3/min. A partir de la figura 6a, se puede observar que después de 27 minutos de iniciada la prueba se presenta un rápido incremento en la producción del agua indicando la canalización. Motivo por el cual, se detuvo la prueba para analizar los resultados concluyendo que:
• Debido a la rigidez del empaque superior
del portamedio poroso y a los orificios de las
termocuplas, no hay un completo contacto entre el
empaque y la tapa, ver figura 6b.
• El medio poroso saturado de agua y aceite mineral,
presenta una mayor restricción al fluido desplazante,
lo cual ocasiona que el fluido se mueva por donde
hay menos restricción al flujo, ver figura 6b
• La manera como se cierra el modelo no es apropiada
debido a la inexactitud del ajuste entre la tapa y la
base del molde. Motivo, por el cual fue necesario
replantear este procedimiento y realizarlo en forma
de brida.
Prueba 2. Se usaron los mismos fluidos y el medio poroso se construyo de igual forma que en la prueba 1. Saturado el medio poroso con agua y aceite, se procedió a inyectar agua a una tasa de un 0.5 cm3/min.
Por otra parte, se usó un empaque más flexible y de mayor espesor para evitar la ruptura temprana del agua. A partir de la figura 7a, se observa que a los 26 minutos de iniciada la prueba, se produjeron 3.8 cm3 y se incrementa rápidamente indicando la canalización. Motivo por el cual, se desmonto el medio poroso para su análisis respectivo, ver figura 7 b y c.
A partir de las observaciones realizadas, se concluyó que:
• El empaque empleado entre la tapa y el portamedio
poroso no presenta la forma geométrica requerida,
su material es aún muy rígido y de espesor irregular.
• El sistema de control, no realiza cálculo de
permeabilidad, las lecturas del diferencial de
presión no se registraban.
• El desmolde del medio poroso, permitió evidenciar
la necesidad de desarrollar elementos para optimizar
este procedimiento y no afectar la integridad física
del EDR.
• Se debe garantizar que el medio se sature 100% con
agua.
• Es necesario seleccionar fluidos con mejor relación
de movilidad. Motivo por el cual, se realizaron
pruebas de determinación de densidad y viscosidad.
Cambios efectuados para el desarrollo de las pruebas. Identificados los problemas de las pruebas 1 y 2, se procedió a realizar las siguientes modificaciones.
• Se cambió el empaque entre la tapa y el medio poroso, para evitar la canalización durante las pruebas.RESULTADOS
Con los resultados de las pruebas 1 y 2, y los cambios efectuados se realizaron las pruebas de desplazamiento 3 y 4 con el propósito de estudiar la repetitividad de los resultados obtenidos. En las dos pruebas, se emplearon como fluidos desplazante y desplazado el agua y ACPM, y el medio poroso se construyó de igual forma. A continuación se describen brevemente:
Prueba 3. Se inició el proceso de inyección de agua a una tasa de 0.5 cm3/min, se almacenaron los fluidos producidos en tubos de ensayo de 13 cm3 y se registraron los resultados en una bitácora. La figura 8 muestra el comportamiento de la producción acumulada de ACPM (Np), en función del tiempo transcurrido y del volumen poroso de agua inyectada.
A partir de la figura, se puede observar que se produjeron 142.5 cm3 de ACPM después de transcurridas 4.61 horas de la prueba, este tiempo corresponde a la producción de la primera gota de agua en el tubo de ensayo número 11 momento en el cual se habían inyectado 0.17 VP de agua.
Luego de transcurridas 12.1, 40.25 y 100 horas las producciones acumuladas de ACPM fueron respectivamente 332.9, 436,6 y 472.7 cm3 que corresponden a 0.45, 1.495 y 3.71 VPI. La figura 9 muestra la producción de agua acumulada durante el desplazamiento, a partir de ella se puede verificar el tiempo de ruptura.
Las figuras 10 y 11 muestran los cortes y tasas de producción de agua y aceite de la prueba de desplazamiento 3, a partir de los resultados que se presentan en cada una de las figuras se ve que el equipo EDR representa el comportamiento típico de un proceso de inyección de agua. Por tanto, se puede decir que el equipo esta calibrado y sus resultados se pueden escalar a campo.
Prueba 4. Con el propósito de estudiar la repetibilidad de los resultados, se llevó a cabo la prueba 4 siguiendo el mismo procedimiento realizado en las demás pruebas pero ejecutado por otra persona. La figura 12 muestra las producciones acumuladas de las pruebas 3 y 4, de ella se puede ver que las producciones al cabo de 4.61, 12.1, 40.25 y 80 horas fueron 151, 336.76, 442.14 y 464.33 cm3 de ACPM con una desviación de 5.97, 1.16, 1.26 y 0.11 por ciento con respecto a la prueba 3, lo cual indica que los resultados son muy similares.
Debido a que el tiempo de ruptura en la figura 12 no se puede identificar fácilmente, se debe estudiar otras graficas como la producción acumulada de agua, cortes de agua y aceite de las pruebas. Las figuras 13 a y b presentan las producciones acumuladas de agua durante las pruebas de desplazamiento, de ellas se puede ver que el tiempo de ruptura de la prueba 3 y 4 ocurren a los tiempo de 4.61 y 4.46 horas, es decir presentan una diferencia de 9 minutos lo cual significa una desviación de 3.25 por ciento entre ellas.
Los cortes de agua y aceite para las pruebas se presentan en la figura 14, de ella se puede observar que los comportamientos de las pruebas 3 y 4 son muy similares salvo en el periodo comprendido entre las 8 a 10 horas, donde presentan desviación de menos del 2%.
Propiedades de flujo. En el presente estudio no fue posible determinar las presiones del medio poroso, por tanto no se determinaron experimentalmente las curvas de permeabilidades relativas. No obstante, por medio del balance de materia y realizando una corrección por volumen muerto en la línea de producción del equipo se determinaron la saturación de agua irreducible y el aceite residual. A continuación se describen brevemente.
Saturación de agua irreducible. Se determino empleando la ecuación 1 y teniendo en cuenta que el volumen poroso está saturado 100% con agua. Además, fue necesario medir el volumen de agua producido de agua al tiempo que se satura con aceite hasta que produzca solo este.
Saturación de aceite residual. Se requiere inyectar agua o salmuera al portamedio poroso, para recolectar y medir la cantidad de aceite hasta que se produzca solo agua; la saturación de aceite residual se determina según la siguiente ecuación:
La figura 15 a y b presenta los resultados de las pruebas 3 y 4 en la determinación de la saturación de agua irreducible y aceite residual contra el VPI/tiempo. A partir de ella se puede observar la saturación de agua irreducible 13-15 % y el aceite residual presenta un valor entre un 19-20%.
CONCLUSIONES
• Mediante la realización de experimentos en modelos
físicos en acrílico y en el EDR, se identificaron
parámetros críticos en el proceso de construcción
de medios poroso y en el desarrollo de pruebas
de desplazamiento. Como resultado, se planteó e
implementaron procedimientos técnicos de ensayo
para garantizar la repetitividad y reproducibilidad
de la simulación física de la inyección de agua.
• Los modelos físicos escalados son una herramienta
muy útil a la hora de estudiar el efecto de parámetros
como la tasa de inyección, eficiencias de barrido,
viscosidades y razón de movilidades sobre un
proceso de inyección de agua. Sin embargo, es
necesario tener en cuenta que es difícil satisfacer
el conjunto completo de grupos dimensionales
y que en laboratorio es difícil de reproducir un par de curvas de permeabilidad que satisfagan
los requerimientos de la técnica de escalamiento
aplicada a procesos de inyección de agua.
• Se habilitó y puso en marcha un modelo físico
escalado 3D, mediante el uso de modelos físico
en acrílico y pruebas de deslazamiento, con el
objetivo de escalar y simular físicamente procesos
de inyección de vapor, agua y agua mejorada.
RECONOCIMIENTOS
Los autores de este artículo expresan su agradecimiento a COLCIENCIAS, al Grupo de Investigación Recobro Mejorado, a Ecopetrol S.A.-ICP por el apoyo y la colaboración suministrada para la realización de este trabajo.
NOMENCLATURA
APsor= Aceite producido durante la prueba, cm3.
Np= Producción acumulada de aceite, cm3.
Sor= Saturación de aceite residual, fracción.
Swirr= Saturación de agua irreducible, fracción.
VMwirr= Volumen muerto en la línea de producción, cm3.
VMsor= Volumen muerto en la línea de producción, cm3.
VP= Volumen poroso.
VPI= Volumen poroso inyectado.
WPwirr = Agua producida durante la prueba de Swirr, cm3.
REFERENCIAS
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