Recuperación Primaria. Compactación de roca (PARTE I)

La reducción del volumen poroso del yacimiento debido a la compactación estimula la producción de hidrocarburos. Por ello, el estudio de la compactación es importante para la industria petrolera. A continuación se reportan estudios realizados por medio de simulaciones geomecánicas, realizadas con el fin de establecer cómo varían la compactación y el hundimiento en la superficie de los campos petroleros al cambiar los parámetros asociados a los modelos constitutivos: un modelo elástico lineal para las lutitas y el basamento, y un modelo elastoplástico Cam-Clay par las arenas. Las simulaciones se realizan utilizando el programa ABAQUS basado en el método de los elementos finitos que permite efectuar análisis acoplados de esfuerzos y deformaciones con flujo en medios porosos.

Se presenta en este trabajo un conjunto de simulaciones donde se modifica la rigidez del material suprayacente. Del conjunto de resultados, se analiza su influencia sobre los cambios de volúmenes porosos del yacimiento y los asentamientos. Se observó que los materiales suprayacentes más rígidos, debido al efecto arco, impiden que se desarrollen mayores deformaciones, especialmente, deformaciones plásticas. Por lo tanto, disminuye la compactación del yacimiento. Además, los hundimientos en superficie, para estos materiales, son menores que estos obtenidos para materiales más blandos.

En diferentes regiones, a nivel mundial, en donde se realizan extracciones de fluidos como petróleo, agua o gas, se ha hecho presente un fenómeno caracterizado por el hundimiento de la superficie del terreno, causado por la compactación de yacimientos originada por el proceso de extracción del fluido, este fenómeno es conocido como subsidencia. En Venezuela apareció en Lagunillas, estado Zulia, luego de iniciada la actividad petrolera y según reportes de prensa, el hundimiento por subsidencia en esta zona calculado hasta ahora, es de 5.30 metros; en los sectores conocidos como Tía Juana y Bachaquero éste ha sido estimado en 4.0 metros. Este fenómeno ha sido observado, además, en ciudades petroleras como Long Beach (USA) y Groningenn (Holanda), (Faria, N., 2001).

El estudio y la estimación adecuada de la compactación a través de simulaciones geomecánicas permiten establecer medidas que limiten los daños que puedan ser ocasionados por el fenómeno derivado de la compactación como lo es la subsidencia. Sin embargo, la compactación presenta aspectos positivos, las cantidades de volúmenes de petróleo recuperadas están relacionadas al grado de compactación logrado durante el proceso de extracción. Mayor compactación del yacimiento está relacionada a mayores volúmenes de recobro de fluido.

El estudio y la estimación adecuada de la compactación a través de simulaciones geomecánicas permiten establecer medidas que limiten los daños que puedan ser ocasionados por el fenómeno derivado de la compactación como lo es la subsidencia. Sin embargo, la compactación presenta aspectos positivos, las cantidades de volúmenes de petróleo recuperadas están relacionadas al grado de compactación logrado durante el proceso de extracción. Mayor compactación del yacimiento está relacionada a mayores volúmenes de recobro de fluido. En este sentido, se realiza un estudio con el propósito de determinar la influencia que tienen el modulo de elasticidad de las lutitas suprayacentes sobre la compactación de las arenas del yacimiento, cuyo material fue caracterizado por medio del modelo elastoplástico Cam – Clay. Se evalúa, también, la incidencia de esta variable sobre los hundimientos en superficie. Para ello se parte de una geometría que representa una idealización bidimensional del sistema yacimiento y su entorno con un conjunto de propiedades mecánicas de los rocas y propiedades de los fluidos que conforman el sistema. Con esta geometría, se realizan las simulaciones empleando para ello el programa ABAQUS basado en el método de los elementos finitos que permite el análisis acoplado esfuerzos y deformaciones con flujo en medios porosos.

Modelo Cam - Clay
• El modelo describe la existencia de una región en la cual la respuesta del material es elástico, más allá de ésta, una parte de la deformación no puede ser recuperada por lo tanto es idealizada como plástica.
• El comportamiento de fluencia depende de la presión hidrostática. La línea que define el estado crítico separa dos zonas del comportamiento: el lado “seco” en el cual el material se ablanda, es decir los granos del material se separan y el lado “húmedo” en donde se produce un endurecimiento del material.
• El endurecimiento o ablandamiento del material es función de la deformación volumétrica.
• El comportamiento inelástico está acompañado generalmente por cambios de volumen. En el lado “seco” el material se dilata, mientras que en el lado “húmedo” éste se compacta. Sobre la línea del estado crítico el material fluye con esfuerzos cortantes constantes sin que haya cambio de volumen.
• El modelo considera que el material no es cohesivo.
El modelo Cam – Clay presenta ciertas limitaciones para describir, adecuadamente, el comportamiento de algunos materiales cuando estos se encuentran sometidos a intervalos más amplios de cargas (Charlez, 1997; Parra, 1999). Otra limitación tiene que ver con la línea que define el estado crítico, la cual tiene una expresión que depende de la fricción del material, y es que dicha fricción disminuye cuando se producen incrementos en los esfuerzos principales (Charlez, 1997). Esto también le ocurre a la pendiente de la línea del estado crítico (M), ya que M varia con la presión de confinamiento del material y esta variación no está reflejada en el modelo.

Propiedades mecánicas de los materiales
Para caracterizar el comportamiento del material del entorno, se utilizo propiedades poroelásticas y propiedades poroelastoplásticas para definir el comportamiento del yacimiento. El primero corresponde a los valores de elasticidad E y la relación de Poisson ν. En el modelo de referencia se asigna un valor de E= 1.0 GPa. y ν = 0.20 para el material por encima y adyacente al yacimiento de esta manera se modela una roca de un solo estrato que podría corresponder a unas lutitas; E = 30 GPa. y ν = 0.15 para el material que soporta el yacimiento formado también por un solo estrato rígido, estos valores correspondientes a un basamento ígneo-metamórfico. En el yacimiento constituido por unas arenas, para definir la parte elástica, se tiene el modulo volumétrico logarítmico κ y la relación de Poisson ν. A estos valores se agrega, para definir el comportamiento plástico de las arenas no consolidadas o no cementadas, los correspondientes al modelo de plasticidad Cam–Clay en medios porosos, estos son: el modulo volumétrico plástico λ, la pendiente de la línea que define el estado crítico M, y el ángulo de fricción del material φ. El tamaño inicial de la superficie de cedencia ao, dado en unidades de fuerza por unidad de área representa la fuerza de endurecimiento por deformación del material y corresponde a la mitad del valor de la presión de consolidación de este material (Charlez, 1997).


Propiedades elásticas y plásticas del material del yacimiento.

Las rocas son modeladas considerando que sus propiedades son homogéneas en todo el medio. El material por encima del yacimiento y el material por debajo de éste tienen una relación de vacíos inicial eo = 0.1, permeabilidad k = 4.86 x 10-8 m/día., peso específico de los granos γs = 19709.17 N/m3 y está saturado por un fluido cuyo peso específico es γw = 9810 N/m3. Se considera que los granos son incompresibles, al fluido se asigna un modulo de compresibilidad kf = 1.0 GPa. En el yacimiento, la relación de vacíos inicial es eo = 0.4285, la cual corresponde a una porosidad de 0.3, la permeabilidad k = 4.86 x 10-3 m/día, los pesos específicos de los granos y del fluido son respectivamente γs = 17616.11 N/m3 y γw =9623.61 N/m3. El modulo de compresibilidad del fluido en el yacimiento es kf = 1.38 GPa. Se hace notar que en este estudio se considera que los fluidos que saturan los suelos son monofásicos y las compresibilidades de éstos son constantes, por lo tanto, queda fuera del alcance de este trabajo el uso de fluidos con características diferentes a las presentadas. Para todo el sistema, se asigna la relación entre el esfuerzo horizontal y el esfuerzo vertical igual a 0.80.


SIMULACION GEOMECÁNICA APLICADO
AL ESTUDIO DE LA COMPACTACIÓN
Russ Quintero, Stéphanie Klarica & Florez Julio
Facultad de Ingeniería, Universidad de Los Andes
Mérida, Venezuela

http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/klarica/Publicaciones/GMC2003.pdf


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