ACIPET. Categoría: Marque con una X. Artículo Técnico. Tesis Pregrado X. Tesis Posgrado. Resumen

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1 Asociación Colombiana de Ingenieros de Petróleos Evaluación de procesos de inyección continua de vapor en yacimientos estratificados mediante el análisis de la eficiencia térmica. Aplicación CAMPO TECA J.M. Pinilla, Convenio UIS-ICP; A. R. Gonzáles, Convenio UIS-ICP; S.F. Muñoz, UIS; E.M. Trigos, UIS; D. Mercado, ECOPETROL S.A ICP. Categoría: Marque con una X Artículo Técnico Tesis Pregrado X Tesis Posgrado Derechos de Autor 2009, Este artículo técnico fue preparado para presentación en el XIII Congreso Colombiano del Petróleo organizado por en Bogotá D.C. Colombia, 1o - 4 de Diciembre de Este artículo fue seleccionado para presentación por el comité técnico de, basado en información contenida en un resumen enviado por el autor(es). Resumen Se presenta un estudio del efecto de las intercalaciones de arcilla sobre la eficiencia térmica de un proceso de inyección continua de vapor usando simuladores numéricos y modelos analíticos, encontrando que el espesor de la arena y arcilla afectan significativamente el proceso y que es recomendable implementar inyección selectiva. Introducción La inyección continua de vapor es una técnica empleada para la recuperación de crudos de alta viscosidad, generalmente al inicio del proyecto estos presentan problemas debido a la baja inyectividad de vapor en la zona de interés. Con el objetivo de mejorar la inyectividad inicial del vapor es muy común antes de iniciar la inyección continua de vapor, realizar varios ciclos de estimulación. En nuestro país existe un número importante de yacimientos sometidos a estimulación con vapor. Uno de estos casos es el CAMPO TECA, el cual se encuentra en una etapa madura de inyección cíclica de vapor, alcanzando un Factor de Recobro menor al 15% por tanto existe una alta saturación de aceite remanente que podría ser recuperada, haciendo de este campo un candidato propicio para la implementación de otras técnicas de recobro mejorado como la inyección continua de vapor. El campo TECA presenta una gran cantidad de intercalaciones de arcilla, las cuales afectan la eficiencia térmica del proceso. Por esta razón, es necesario realizar un estudio para evaluar el comportamiento de la eficiencia térmica del proceso en la inyección continua de vapor donde se determinen los escenarios o condiciones (parámetros operacionales) bajo las cuales la implementación de dicho proceso es factible para el CAMPO TECA. Inyección continua de vapor La inyección continua de vapor es un proceso de recobro térmico, que consiste en inyectar vapor de agua por un pozo inyector para producir aceite por un pozo productor que se encuentra a determinada distancia (figura 1), resultando en la formación de una zona de vapor que avanza por la parte superior del yacimiento, desplazando el aceite hacia el pozo productor y además reduciendo su viscosidad, con este método se obtienen factores de recobro en el orden del %.

2 2 J.M. Pinilla, A. R. González, S.F. Muñoz, E.M. Trigos, D. Mercado, Figura 1. Inyección continua de vapor. Al implementar un proceso de recobro térmico de este tipo, se deben tener en cuenta tanto las propiedades de roca y fluido del yacimiento, además los parámetros operacionales, las heterogeneidades del yacimiento y problemas asociados al pozo que causan que el vapor viaje a lo largo de trayectorias desconocidas, saliéndose del modelo ideal. Las heterogeneidades incluyen intercalaciones de arcilla, pobre continuidad lateral del yacimiento, variación direccional de la permeabilidad y de la porosidad entre otras. Evaluación de un proceso de inyección continua de vapor Existen diferentes herramientas que permiten evaluar procesos de recobro mejorado como son los modelos analíticos, las analogías, la simulación numérica y los modelos físicos. Estas herramientas permiten pronosticar el comportamiento del proceso de acuerdo a las condiciones de yacimiento y seleccionar el programa operacional que mejores resultados arroje. En este caso se integraron dos herramientas de las antes mencionadas para evaluar un proceso de inyección de vapor, estas son los modelos analíticos y la simulación numérica. Se uso el modelo analítico Mercado&Muñoz 1 para evaluar el efecto de las propiedades de arena y arcilla sobre la eficiencia térmica del proceso. Mientras que el simulador numérico STARS de CMG se uso como herramienta de evaluación de diferentes escenarios para implementar la inyección continua de vapor incluyendo inyección selectiva. Modelos analíticos para la inyección continua de vapor Los modelos analíticos son herramientas preliminares de predicción que permiten obtener resultados rápidos de un yacimiento sometido a procesos de recuperación mejorada. Una de las técnicas a las cuales diferentes autores han intentado representar por medio de modelos analíticos ha sido la inyección continua de vapor. Cada uno de los modelos que han sido reportados en la literatura han incorporado diferentes principios físicos que gobiernan el flujo de calor y fluidos en el medio poroso buscando acercarse de manera más acertada a la realidad. En el año 2008 se desarrollo un modelo analítico (Modelo Mercado&Muñoz), que considera una serie de zonas productoras horizontales que están siendo sometidas en forma simultánea a inyección continua de vapor y que se encuentran separadas entre sí por formaciones impermeables (figura 1), lo cual permite que sea usado para los yacimientos de crudo pesado del Valle Medio del Magdalena Colombiano, como el Campo TECA. A continuación se describe brevemente este modelo. Figura 1. Sistema a modelar.

3 Evaluación de procesos de inyección continua de vapor en yacimientos estratificados mediante el análisis de la eficiencia térmica. Aplicación CAMPO TECA 3 Análisis de sensibilidad modelo Mercado&Muñoz En la evaluación del efecto de las propiedades de roca y arcilla sobre la eficiencia térmica usando modelos analíticos se partió de un modelo base con propiedades representativas del campo TECA y parámetros operacionales comunes en proyectos de inyección continua de vapor. Adicional al caso base, se planteo un escenario optimista y otro pesimista, los valores usados en cada caso se reportan en la tabla 1. Tabla 1. Sensibilidad modelo MERCADO&MUÑOZ. Los resultados arrojaron que los espesores de arena y arcilla son las propiedades que mayormente afectan la eficiencia térmica. Variaciones en el espesor de arcilla inciden directamente en la capacidad de almacenar calor de las mismas, afectando significativamente la eficiencia térmica del proceso, tal como se muestra en la figura 3. De manera análoga, al aumentar el espesor de arena, una mayor porción del calor inyectado permanece en la zona de interés, lo cual favorece la eficiencia térmica tal como se muestra en la figura 4 (caso B). En l atabla 2, se presenta en resumen el efecto de cada una de las propiedades analizadas. Figura 3. Sensibilidad espesor de la arcilla. Figura 4. Sensibilidad espesor de la arena. 3

4 4 J.M. Pinilla, A. R. González, S.F. Muñoz, E.M. Trigos, D. Mercado, Tabla 2. Resumen resultados sensibilidad modelo MERCADO&MUÑOZ. Evaluación de escenarios usando simulación numérica. Una vez establecido el efecto de las propiedades del yacimiento sobre la eficiencia térmica, se procede a evaluar diferentes escenarios de aplicación del proceso de inyección continua de vapor en un área piloto del campo TECA mediante simulación numérica. Se partió de la construcción del modelo base de simulación con propiedades del campo TECA, posteriormente se represento el proceso de inyección cíclica de vapor que actualmente se lleva a cabo en este campo incluyendo la reducción de espaciamiento necesaria para la implementación de la inyección continua, finalmente se evaluaron diversos escenarios de aplicación de la inyección continua incluyendo sensibilidad a parámetros operacionales e inyección selectiva. Establecimiento modelo base. En el establecimiento del modelo base de simulación se desarrollo un análisis de sensibilidad a las propiedades del grid como son número de celda, dimensiones, refinamiento y confinamiento. Entre los criterios de selección usados en la definición del grid está el tiempo de cómputo y la exactitud de los resultados, estos se presentan en detalle en la tesis de grado Evaluación de un proceso de inyección continua de vapor en yacimientos estratificados, mediante el análisis de la eficiencia térmica. Aplicación CAMPO TECA 2. Las propiedades seleccionadas se presentan en la figura 5. Figura 5. Establecimiento modelo base de simulación. Las propiedades de roca y fluido usadas en la construcción del modelo base de simulación se presentan en el anexo A, siendo lo más destacable que el yacimiento consta de grupos de arenas principales, las arenas A superiores de la formación Chuspas, en una profundidad entre 1400 a 1800 pies con permeabilidades de hasta 1080md porosidades de 29% y espesores brutos de hasta 390 pies y las arenas B de la formación Chorro localizada en el intervalo de 1920 a 2050 pies de profundidad, con porosidad de 28%, permeabilidad alrededor de 780 md y espesor de 130 pies. Estas arenas son las que más aporta hidrocarburos a la producción del campo. En la figura 6 y en la tabla 3 se presenta un resumen de las propiedades de campo TECA.

5 Evaluación de procesos de inyección continua de vapor en yacimientos estratificados mediante el análisis de la eficiencia térmica. Aplicación CAMPO TECA 5 Figura 6. Zonas productoras del campo TECA. Fuente. Archivos Grupo de Investigación Recobro Mejorado (GRM-UIS) Tabla 3. Propiedades de roca y fluido. Fuente: FRANCO, Francy y PALLARES, Emiro. 3 Proceso de estimulación con vapor Una vez establecido el modelo base de simulación, se representa la producción primaria durante un periodo de tres años, y luego se inician los ciclos de estimulación partiendo de un modelo de dos patrones de 10 acres con seis pozos, (representados por el color rojo en la figura 7), a estos pozos se les realizan 4 ciclos de estimulación. Luego se redujo a un espaciamiento de 5 acres con la incorporación de 2 nuevos pozos, (color verde), estos pozos se les realizan 4 ciclos de estimulación, finalmente para lograr un espaciamiento de 2.5 acres entre pozos se perforan 5 pozos (color amarillo) y se les realizan 4 ciclos de estimulación, los pozos incluidos al inicio se siguieron estimulando hasta llegar a un total de 12 ciclos para los pozos rojos, 8 ciclos para los pozos verdes y 4 ciclos para los pozos representados por el color amarillo, con el fin de mantener una temperatura adecuada en todo el modelo, en la figura 6 se resumen el proceso. Los resultados obtenidos en cuanto a factor de recobro y tasas de producción se ajustan al comportamiento típico de un proceso de recobro de este tipo y se presentan en la figura 8. 5

6 6 J.M. Pinilla, A. R. González, S.F. Muñoz, E.M. Trigos, D. Mercado, Figura 7. Estimulación con vapor. Figura 8. Tasa producción y Factor de recobro alcanzado al final de las estimulaciones. Implementación inyección continua de vapor Una vez realizadas las estimulaciones, se llevó a cabo un análisis de las condiciones de saturación y viscosidad del aceite para determinar si era adecuado implementar el proceso de inyección continua de vapor. Para este fin se generaron vistas areales del comportamiento de estas propiedades mostradas en la figura 9. Se observo que la viscosidad del fluido estaba en un rango entre cp en un radio de estimulación de entre 95 y 132 pies, mientras que los valores de saturación se encontraban en un rango de en la zona objetivo. Los valores obtenidos son adecuados para iniciar un proceso de inyección continua de vapor. Figura 9. Vista areal distribución de viscosidades y saturación de aceite. Una vez evaluados los criterios de decisión para la implementación de la inyección continua se incorporaron cuatro pozos productores para formar cuatro patrones normales de 2.5 acres y un patrón invertido, como se observa en la figura 10. Para determinar las mejores condiciones operacionales, se efectúo un estudio de sensibilidad para los caudales de inyección y la calidad del vapor en la cara de la formación.

7 Evaluación de procesos de inyección continua de vapor en yacimientos estratificados mediante el análisis de la eficiencia térmica. Aplicación CAMPO TECA 7 Figura 10. Arreglo previo a iniciar la inyección continua de vapor. Tasa de Inyección de Vapor. La tasa de inyección se estableció a partir de un análisis de sensibilidad tomando como parámetro de control el factor de recobro, tomando como valor inicial 1.5 bbl/acre-pie, obteniendo como resultado una tasa optima de inyección de 600 bbl/dia con la cual se alcanza un factor de recobro de % en 4 años, tal como se muestra en la figura 11. Figura 11. Sensibilidad tasa de inyección de vapor. Calidad del Vapor en la Cara de la Formación. Una vez establecida la tasa de inyección de 600bbl/día como el valor óptimo de inyección para el modelo, se continúo con el análisis de sensibilidad para la calidad del vapor en la cara de la formación partiendo de valores cercanos a los obtenidos en CAMPO TECA para la estimulación con vapor, los valores utilizados para dicha sensibilidad y los factores de recobro alcanzados son mostrados la figura 12. El análisis arrojo como resultado que para el rango de calidad de vapor usado, este parámetro no afecta significativamente los resultados; entonces, se decidió mantener la calidad del 60% con la que actualmente se trabaja la inyección cíclica en CAMPO TECA, puesto que aumento de ella implicaría gastos adicionales para mejorar las condiciones del aislante ya existentes. Figura 12. Sensibilidad calidad en la cara de la formación. 7

8 8 J.M. Pinilla, A. R. González, S.F. Muñoz, E.M. Trigos, D. Mercado, Resultados de producción. Los resultados de factor de recobro y tasa de producción mostrados en la figura 13 presentan comportamientos típicos para un proceso de inyección continua de vapor, llegándose a obtener un recobro del 26% luego de un periodo de inyección de 1 año y 10 meses, tomando como limite económico del proyecto un valor de RAV de 0.06 (bbl Petróleo/bbl Vapor), sin embargo existe una saturación de aceite remanente alta en las arenas B debido al flujo preferencial del vapor a través de las arenas A, esto debido a su mayor permeabilidad en comparación con la arenas B. Este aceite remanente podría ser recuperado realizando una inyección selectiva sobre el intervalo productor B. Figura 13. Resultados alcanzado de factor de recobro al límite económico y tasa de producción para la inyección continua de vapor. Evaluación de la eficiencia térmica del proceso. En la evaluación de la eficiencia térmica se tomo como unidad de control un modelo de simulación homogéneo con las mismas propiedades de roca y fluido que se han venido trabajando con la diferencia que solo presenta una intercalación de arcilla separando los dos grupos de arenas, tal como se muestra en la figura 14. Se mantiene variables tales como la tasa de inyección y el espesor neto productor y se implementan los mismos procesos (inyección cíclica y continua). Figura 14. Modelo Homogéneo. En la figura 15, se presenta una comparación entre el modelo base y el homogéneo usando patrones de inyección normal e invertido, donde se puede observar un aumento en la eficiencia térmica del 30% para el caso homogéneo y mejoras hasta del 4% en los patrones invertidos, evidenciándose como las intercalaciones de arcillas actúan como ladronas de calor, esto por poseer mayores propiedades térmicas que las arenas. Figura 15. Eficiencia Térmica y Factor de Recobro Modelo TECA y Modelo Homogéneo.

9 Evaluación de procesos de inyección continua de vapor en yacimientos estratificados mediante el análisis de la eficiencia térmica. Aplicación CAMPO TECA 9 Inyección Selectiva. Teniendo en cuenta que el campo TECA presenta dos grupos de arena con diferentes propiedades y relación arena/arcilla, se analizo la conveniencia de realizar la inyección continua de vapor de manera selectiva, obteniendo los resultados que se presentan en la tabla 4, donde se puede observar que a pesar que la eficiencia térmica de las arenas A aumenta, se presenta un mayor factor de recobro en las arenas B, esto se puede explicar si se tiene en cuenta que las arenas A son más permeables, por lo cual durante la estimulación una mayor cantidad de vapor ingreso en estas, dando como resultado que presenten una menor saturación de aceite en comparación con las arenas B. Por tanto, la eficiencia térmica no es un factor que sea útil para comparar esquemas de inyección selectiva y no selectiva en campo TECA puesto que el número de arcillas presentes en los diferentes arreglos no es el mismo. Tabla 4. Resultados de la inyección selectiva. Conclusiones A partir del estudio realizado puede concluirse que: A partir de un análisis de sensibilidad de las variables que afectan la eficiencia térmica en un proceso de inyección continua de vapor usando el modelo M&M, se determino que las propiedades que presentan una mayor influencia son el espesor de las arcillas y el espesor de las arenas. La presencia de intercalaciones de arcilla en un yacimiento sometido a inyección continua de vapor, afecta negativamente la eficiencia térmica del proceso, ya que se requerirá una mayor cantidad de calor para recuperar una misma cantidad de hidrocarburos que si el proceso fuera implementado en un yacimiento homogéneo. La diferencia de permeabilidades entre las dos grupos de arenas productoras de campo TECA permitió la canalización de el vapor por las arenas superiores impidiendo de esta manera que tanto la inyección cíclica y la inyección continua tuvieran buenos resultados en las arenas inferiores. Este problema fue solucionado realizando un esquema de estimulación e inyección continua selectiva en las arenas inferiores. La eficiencia térmica en procesos de inyección continua de vapor no es una variable que sirva para comparar esquemas de inyección selectiva y no selectiva en campo TECA puesto que el numero de arcillas presentes es los diferentes arreglos no es el mismo. A partir del análisis del factor de recobro, la relación aceite-vapor y la eficiencia térmica, se determino que un esquema de inyección selectiva constituye el mejor escenario para la implementación del proceso de inyección continua de vapor en CAMPO TECA. 9

10 10 J.M. Pinilla, A. R. González, S.F. Muñoz, E.M. Trigos, D. Mercado, Reconocimientos Los autores de este artículo quieren expresar sus agradecimientos al Grupo de Investigación de Recobro Mejorado por haber servido como soporte y orientación para la realización de este trabajo. Referencias 1. MERCADO, Diana.: Modelo Analítico para Predecir el comportamiento de la Inyección Continua de Vapor en Yacimientos Estratificados de Crudo Pesado. Tesis de Maestria. Universidad Industrial de Santander PINILLA Jaime & GONZALES Andres. Evaluación de procesos de inyección continua de vapor en yacimientos estratificados mediante el análisis de la eficiencia térmica. Aplicación CAMPO TECA. Tesis de Pregrado. Universidad Industrial de Santander FRANCO, Francy y LEON,Emiro.: Evaluacion del Sistema de Inyeccion Ciclica de Vapor en un Campo Petrolero Colombiano. Proyecto de Grado, Universidad Industrial de Santander, CHAN M. Y. S and SARIOGLU, G.: Numerical Modeling of Cyclically Steamed and Fractured oil-sand Reservoirs, SPE P GAEL. B. T. PUTRO S.T, and MASYKUR, A.: Reservoir Management in Durí Steamflod. SPE P GONZALEZ, Deisy.: Análisis e Interpretación de Yacimientos Sometidos a Inyección Cíclica de Vapor Mediante Analogías. Proyecto de Grado, Universidad Industrial de Santander, 2005.