Definición y Objetivo de la Simulación Numérica de Yacimientos
En general, si se desea modelar matemáticamente (numéricamente) el flujo de fluidos en medios porosos a escala de yacimiento, se debe recurrir a un simulador numérico; de esta manera, se puede definir a la Simulación Numérica de Yacimientos (SNY) como el estudio del flujo f lujo multifásico de fluidos y sus cambios de fase a través de un yacimiento. En estos apuntes se considera que un yacimiento es un cuerpo de roca porosa y permeable saturada de aceite, gas y/o agua. En general Un programa de cómputo, que resuelva iterativamente las ecuaciones para el flujo de fluidos es llamado Modelo Numérico o Simulador Numérico de Yacimientos De esta manera, la Simulación Numérica de Yacimientos (SNY) combina física, matemáticas e ingeniería de yacimientos, para obtener algoritmos que deben ser programados, para desarrollar una herramienta que sea capaz de predecir el comportamiento de un yacimiento de hidrocarburos bajo diferentes condiciones de explotación Un estudio de Simulación integra lo siguiente: geología, geofísica, petrofísica, perforación, producción, ingeniería de yacimientos, instalaciones superficiales, y restricciones legales y comerciales; por lo tanto, este estudio necesita una considerable cantidad de información y tiempo para predecir el comportamiento del yacimiento. El objetivo de la SNY es proporcionar al ingeniero i ngeniero de diseño de explotación una herramienta confiable para predecir el comportamiento de los yacimientos de hidrocarburos, bajo diferentes condiciones de operación. Modelar el comportamiento de un yacimiento de hidrocarburos, bajo diferentes esquemas de producción, reduce el riesgo asociado a la elección del plan de explotación y por lo tanto minimiza los flujos de efectivo negativos Utilidad de la Simulación Numérica de Yacimientos
con la ayuda de la simulación, se puede hacer lo siguiente Conocer el volumen original de aceite Tener una clara idea del movimiento de los fluidos dentro del yacimiento Optimizar los sistemas de recolección Estimar los efectos que tiene el gasto de producción sobre la recuperación. Realizar estudios individuales de pozos. Conocer la cantidad de gas almacenado. Hacer un programa de producción.
Beneficios de la Simulación Numérica de Yacimientos Beneficio Económicos.
El principal beneficio del uso de la Simulación Numérica de Yacimientos es el económico, que se obtiene con el uso de la administración de yacimientos disminuyendo, el flujo negativo de efectivo y por supuesto incrementando la recuperación final de hidrocarburos. La administración de yacimientos es el método que busca maximizar el valor de un activo petrolero. Con la Simulación Numérica de yacimientos es posible obtener pronósticos; es decir, es posible simular el comportamiento del yacimiento bajo un gran número de esquemas de producción. Al hacer esto, es posible seleccionar la mejor alternativa de producción, considerando la mayor ganancia para el activo. Beneficios técnicos A medida que se obtiene información nueva, se puede actualizar el modelo de simulación para modelar el yacimiento lo más realmente posible. La comunicación entre el personal que conforma el equipo de trabajo se mejora notablemente. Planeación de un Estudio de Simulación 1.-Definición del Modelo Geológico. Distribución de las propiedades de la roca y la geometría de la estructura del yacimiento. En esta información entra el establecer los límites del yacimiento, características de la formación productora, fallas, discontinuidades, características del acuífero (si existe), etc. 2.- Especificación de las Propiedades Termodinámicas de los Fluidos . Distribución de las propiedades de los fluidos contenidos en el yacimiento como son: factores de volumen, relación de solubilidad, viscosidades, compresibilidades, presión de burbujeo, etc 3.- Selección de la Malla de Simulación . Considerar la geometría del yacimiento para elegir la malla acorde a la forma del yacimiento. 4.- Inicialización. Asignar las propiedades estáticas y dinámicas necesarias a las celdas numéricas en las que se dividió el yacimiento. Así como también saturaciones y presiones iniciales. 5.- Ajuste de Historia . Reproducir la historia de presión-producción del yacimiento hasta el tiempo presente. Éste es un aspecto importante del modelo de simulación. El éxito del ajuste de la historia de producción repercutirá directamente en los escenarios de producción que se pronostiquen. 6.-Predicción del Comportamiento del Yacimiento . Partiendo del modelo “ajustado” se realizan corridas con diferentes alternativas de producción incluyendo: pozos de relleno, sistemas artificiales de producción, proyectos de recuperación secundaria, recuperación mejorada.
En general se debe tener presente que todo estudio de simulación de yacimientos debe seguir de manera estricta los planes elaborados, con el fin de asegurar que ellos provean información correcta y detallada al equipo de trabajo que estudia el yacimiento.
La mayoría de los estudios comprenden la misma clase de actividades, aunque la distribución de esfuerzos que se le da a cada una varía de proyecto a proyecto. La Fig. 5.2 muestra las actividades más significativas.
Definición del Problema El primer paso en un estudio de simulación es definir el problema del comportamiento del yacimiento y los problemas operacionales asociados. Para hacerlo, se debe recopilar información suficiente de él, y de su ambiente operativo. Ésta se utiliza para identificar las proyecciones del comportamiento que son requeridas, cuándo serán aplicadas y como pueden contribuir a la administración del yacimiento Revisión de la Información Una vez que la información ha sido recopilada debe ser revisada y reorganizada, ya que es demasiada y de diversos ámbitos y, por lo regular, no está lista para ser utilizada de inmediato. Esta etapa suele ser larga y tediosa, por ello es que hay que enfocarse en realizarla de manera cuidadosa. La revisión debe ser tan a fondo como sea necesaria, pero bien diseñada para evitar trabajar inútilmente. Al revisar la información disponible casi siempre se revelan huecos e inconsistencias que necesitan ser resueltas. Esto puede ocasionar un mayor análisis y esfuerzo. En algunas ocasiones será necesario decidir si hay suficiente información y, que además posea la calidad adecuada para poder construir un modelo del yacimiento, que tenga la aproximación necesaria para alcanzar los objetivos del estudio. Si esta información es considerada inadecuada, los objetivos deben replantearse u orientarse en otra dirección; o tal vez se necesite obtener más información Selección de la Mejor Forma de Abordar el Estudio
Una vez que se tienen definidas las características del yacimiento, se debe decidir cuáles modelos de simulación son los adecuados para resolverlos. No siempre es necesario o deseable intentar modelar el yacimiento entero. En estudios de conificación o problemas de canalización (underunning), se pueden utilizar modelos de un solo pozo ó areales. Algunos factores que influyen en la forma en la que se aborda el estudio son: disponibilidad de simuladores que puedan resolver de manera adecuada los problemas de mecanismos de producción; cambios en la programación del simulador para modelar pozos e instalaciones; el tipo y número de corridas necesarias para alcanzar los objetivos de estudio; tiempo programado, mano de obra y los recursos financieros disponibles; disponibilidad de recursos externos, necesarios para completar el estudio a tiempo Diseño del Modelo El diseño del modelo de simulación estará influenciado por el tipo de proceso a modelar, la complejidad de los mecanismos de producción del yacimiento, los objetivos del estudio, la calidad de la información, de las restricciones de tiempo y presupuesto, y el nivel de aproximación requerido para asegurar que el estudio sea útil. Más adelante se hará una descripción más detallada de esta fase. Ajuste de la Historia de Producción Después de que un modelo ha sido construido, se debe probar si es capaz de reproducir el comportamiento del yacimiento. Generalmente, el modelo se valida corriéndolo con información de producción e inyección y comparando las presiones calculadas y el movimiento de fluidos con el comportamiento real del yacimiento. La información usada en esta fase variará dependiendo el enfoque del estudio, pero por lo regular incluye presión del yacimiento y datos de producción. Los parámetros de entrada del modelo deben ser modificados hasta que se logre un ajuste aceptable entre el yacimiento y éste. Cuando se ajustan los parámetros se debe tener presente que esto es para lograr describir el yacimiento de la forma más aproximada posible y con la información disponible. Regularmente, los parámetros que se ajustan son: permeabilidad del yacimiento para relacionar los gradientes de presión del campo; la permeabilidad y la extensión areal de lutitas u otras zonas de baja permeabilidad para relacionar el movimiento vertical de fluidos; las relaciones de permeabilidad relativa y saturación para ajustar las distribuciones de saturaciones dinámicas y de gradientes de presión; y tamaño del acuífero, porosidad, grosor y permeabilidad para relacionar el espacio y distribución del f lujo de entrada natural de agua. Análisis de Resultados y Predicción del Comportamiento
Una vez que se ha logrado un ajuste aceptable entre los resultados del simulador y la historia de producción, el modelo se utilizará para predecir el comportamiento del yacimiento. Algunas de las diferentes predicciones que pueden generarse en una corrida son: producción de aceite; comportamiento de la relación gasaceite (RGA) y la relación agua-aceite (WOR, por sus siglas en inglés); requerimientos de pozos; comportamiento de la presión del yacimiento; posición de los frentes de los fluidos; eficiencia de la recuperación; información general relacionada a requerimiento de instalaciones; y estimar la recuperación final. Uno de los aspectos más difíciles al realizar predicciones es la evaluación de los resultados que arrojan las corridas. Se debe tener mucho cuidado en no perder el enfoque hacia los resultados necesarios para alcanzar las metas del estudio de simulación, ya que los simuladores generan cientos de miles de líneas de información, lo cual convierte esta etapa en compleja y delicada. Reportes El paso final de un estudio de simulación es entregar un reporte claro y conciso, en el cual se incluyan los resultados y las conclusiones obtenidas. El formato puede ser muy variado, dependiendo de cuestiones como el tamaño del estudio. Pero, la importancia del reporte radica en mencionar el estado de los objetivos del estudio, describir el modelo que fue utilizado y presentar los resultados y las conclusiones en un contexto adecuado y específico para el estudio.
Diseño del Modelo Esta sección está enfocada a hablar más a fondo de los aspectos del diseño relacionados con la selección del número de dimensiones y de las propiedades de la roca y los fluidos. Lo importante en esta etapa es construir el modelo más simple, que sea capaz de simular el proceso del movimiento de fluidos, con el realismo necesario para permitir tomar decisiones apropiadas, a fin de mejorar la producción a.Pasos para el Diseño del Modelo 1. Definir los objetivos del estudio y los problemas que necesitan resolverse. Hacer informes claros de cuáles son las predicciones y los
argumentos que las sustentan. 2. Familiarizarse con toda la información que se tiene. 3. Considerar toda la información con la que se cuenta para seleccionar la configuración del modelo (1D, 2D ó 3D), que represente mejor el flujo de fluidos dentro del yacimiento. 4. Simplificar la configuración del modelo lo más que se pueda. Esto requiere probar todas las suposiciones planteadas en favor de la simplificación. 5. Analizar el resultado final del modelo y evaluar si se necesita mayor complejidad para establecer una mejor credibilidad. 6. Seleccionar las dimensiones de las celdas y las mallas. 7. Seleccionar el modelo pVT del fluido. 8. Seleccionar el número de fases. 9. Definir las condiciones iniciales. 10. Ubicación de los pozos dentro de la malla. 11. Definir las capacidades necesarias del modelo de pozos. 12. Definir el tipo de simulación, de acuerdo al fluido (aceite negro, composicional, miscible o térmico). 13. Seleccionar el simulador. 14. Diseñar modelos más simples con el fin de verificar las suposiciones además de proveer datos de entrada para el modelo principal b.Selección del número de dimensiones Selección del número de dimensiones
Uno de los primeros pasos en el diseño del modelo es decidir el número de dimensiones necesarias para representar la geometría del sistema físico y, al mismo tiempo, determinar cuáles simplificaciones están justificadas. Se deben considerar tanto la geometría externa como la interna. Dentro de la externa se incluyen los límites (laterales, superior e inferior) del yacimiento y del acuífero. La interna comprende la extensión areal y vertical de unidades de permeabilidad y zonas sin hidrocarburos, las cuales son importantes en la solución del problema y en la definición de la geometría del pozo (diámetro del pozo, profundidad de la terminación, etc.) c.Modelos con ventanas Estos modelos combinan una malla areal burda y una malla local fina. Primero se utiliza un modelo de malla burda que contiene al acuífero y al yacimiento de aceite, para simular el comportamiento del yacimiento completo. Después se define una ventana alrededor de la zona de aceite y en torno a ella se construye un modelo de malla fina, con el fin de obtener resultados más detallados del comportamiento de la zona de aceite. Este tipo de modelo puede usarse para yacimientos tanto de gas como de aceite.
