INTRODUCCIÓN La etapa de producción es aquella que se lleva a cabo una vez que se ha terminado el proceso de perforación del pozo. Dependiendo de la energía del yacimiento, es decir, aquella energía necesaria para que los hidrocarburos sean expulsados desde el yacimiento hacia el pozo productor, él mismo puede ser puesto en funcionamiento por flujo natural. Para entender el comportamiento de yacimientos y predecir su futuro, es necesario tener el conocimiento de los mecanismos de desplazamiento que dominan el comportamiento de los fluidos del yacimiento. El funcionamiento general del yacimiento es determinado por la energía natural y los mecanismos de empuje que proveen de la energía natural necesaria para la recuperación de hidrocarburos.
Empuje por expansión de la roca y los líquidos.
Empuje por gas disuelto liberado.
Empuje por casquete de gas.
Empuje hidráulico.
Empuje por segregación gravitacional.
Empuje combinado.
Cada mecanismo de desplazamiento, de empuje o de producción está conformado por una serie de empujes que dependerán del tipo de yacimiento, el nivel de presión que se tenga en el mismo y de los hidrocarburos existentes. Aquí mostraremos los diversos mecanismos de desplazamientos de los fluidos en los yacimientos, así como sus características principales, su proceso y los facto res que en ellos intervienen.
RESUMEN La recuperación del aceite se obtiene mediante procesos de desplazamiento o combinaciones de los mismos. En este trabajo se mencionan los siguientes tipos de empujes: 1. Empuje hidráulico: El cual se produce cuando la disminución de la presión del yacimiento, origina la expansión de un acuífero adyacente al mismo. El empuje puede ser activo o parcial, según sea el reemplazo volumétrico de fluido del acuífero al yacimiento; y lateral o de fondo, según la posición del acuífero en la estructura del yacimiento. 2. Empuje por gas en solución: Es el mecanismo de producción más corriente y generalmente contribuye a la producción de la gran mayoría de los yacimientos. Cuando los fluidos del yacimiento se encuentran en una sola fase o en dos fases uniformemente distribuidas, a medida que se produce dicho yacimiento ocurre una disminución de presión la cual origina una expansión de los fluidos liberándose los hidrocarburos livianos disueltos en el petróleo (gas) y ocupando el lugar del fluido producido. 3. Empuje por capa de gas: Ocurre en yacimientos saturados. Cuyos fluidos (petróleo y gas) no están uniformemente distribuidos y la presión es menor que la de burbujeo. Bajo estas
condiciones existirá una capa de gas encima de la zona de petróleo, la cual expandirá desplazando el petróleo hacia los pozos productores. 4. Empuje por expansión líquida: Ocurre en yacimientos subsaturados, en los cuales el gas en solución no sale hasta que la presión del yacimiento decline por debajo de la presión de burbujeo. Mientras ocurre esta reducción, y si no existe en el yacimiento otro mecanismo de impulsión, la producción será debido a la expansión del petróleo líquido. 5. Empuje por segregación: Ocurre únicamente bajo condiciones especiales, en las cuales el yacimiento tiene alto buzamiento y favorece la segregación por gravedad del petróleo y gas. Esta segregación es un flujo contracorriente donde el gas migra hacia la parte alta de la estructura, separándose del líquido por diferencia de densidad. Con el tiempo y dependiendo del volumen del yacimiento es posible que se forme una capa de gas secundaria en el tope de la estructura, ayudando al drenaje total del yacimiento. 6. Empuje combinado: Ocurre cuando en el yacimiento actúan dos o más mecanismos de expulsión simultáneamente. La identificación del mecanismo de producción es de vital importancia para realizar cualquier estudio de yacimientos.
EMPUJE HIDRAULICO Uno de los principales tipos de flujo natural es el empuje por agua, el cual es básicamente la fuerza para provocar la expulsión del petróleo del yacimiento con el empuje de agua acumulada debajo de él. Para ello, se debe recordar que en sus condiciones originales la mayoría de los yacimientos de hidrocarburos muestran un contacto con un cuerpo de agua (acuífero), comúnmente llamado CAPO (Contacto agua petróleo original). El mecanismo consiste en que la expansión del agua desplaza a los hidrocarburos hacia los pozos que drenan al yacimiento, debido a que el agua acumulada a presión en el acuífero es capaz de expandirse y transmitir parte de esa energía al yacimiento, a lo largo y ancho de la interfase agua-petróleo al reducirse la presión por la producción acumulada de líquidos. Sin embargo, este tipo de mecanismo requiere que se mantenga una relación muy ajustada entre el régimen de producción de petróleo que se establezca para el yacimiento y el volumen de agua que debe moverse en el yacimiento. El contacto agua-petróleo debe mantenerse unido para que el espacio que va dejando el petróleo producido vaya siendo ocupado uniformemente por el agua. Por otro lado, se debe mantener la presión en el yacimiento a un cierto nivel para evitar el desprendimiento de gas e inducción de un casquete de gas.
Empuje Hidráulico
Cuando disminuye la presión por la producción de crudo se crea un diferencial de presión entre el contacto agua-petróleo y de acuerdo con las leyes que rigen el flujo de los fluidos a través del medio poroso, el agua reacciona haciendo que contenida está en él se movilice hacia el yacimiento originando un influjo que ayuda primordialmente a mantener la presión del yacimiento y permite un desplazamiento inmiscible del crudo que se localiza en la parte invadida por el agua. La Intrusión ocurre debido a: a) Apreciable expansión del agua del acuífero. A medida que se reduce la presión, el agua se expande y reemplaza parcialmente los fluidos extraídos del reservorio. b) El acuífero es parte de un sistema artesiano. El agua que rodea al reservorio de petróleo está en contacto con agua proveniente de la superficie. Dependiendo del nivel de activación del acuífero subyacente, este mecanismo se clasifica en: a) Empuje De Agua fuerte: Este mecanismo existe solo donde el acuífero es de calidad igual o mayor que el yacimiento y tiene un volumen al menos 10 veces mayor al del yacimiento o está conectada a una recarga superficial. Este tipo de empuje es mucho más efectivo en yacimientos de petróleo que de gas. También se le conoce como empuje totalmente activo de agua. b) Empuje De Agua Parcial: Este tipo de empuje resulta donde un acuífero tiene una calidad más baja en términos de geometría de poros o tiene un volumen limitado, y se produce una expansión limitada de agua. Cuando disminuye el aporte de agua, la tasa de producción de
hidrocarburos cae más rápido que en un yacimiento con fuerte empuje de agua y se reduce el recobro. También se le conoce como empuje parcialmente activo de agua. Dependiendo de la forma como ingresa el agua al yacimiento de petróleo, los yacimientos por empuje de agua se denominan: a) Yacimientos por empuje de fondo: en la cual la formación es usualmente de gran espesor con suficiente permeabilidad vertical, tal que el agua puede moverse verticalmente. En este tipo de yacimientos la conificación puede convertirse en un gran problema. b) Yacimientos por empuje lateral: en la cual el agua se mueve hacia el reservorio desde los lados.
Un yacimiento por empuje activo de agua, generalmente puede ser producido por un flujo natural si la presión de éste, es suficientemente alta para vencer la columna hidrostática ejercida por los mismos fluidos de formación. Esta presión puede ser mantenida debido a que debajo de la zona de aceite se encuentra una gran cantidad de agua bajo presión (zona acuífera), la cual empuja el aceite hacia el tope de la estructura. Como la energía del yacimiento se agota a medida que este se produce, es necesario hacer un programa de mantenimiento de la presión, seguido de un programa de levantamiento artificial.
Patrón de agotamiento de un yacimiento con empuje hidrostático En la primera etapa de agotamiento, el pozo produce primordialmente aceite acompañado de una pequeña producción de agua. Como la zona del contacto agua - aceite asciende mientras la producción ocurre, lo que ocasiona que la presión del yacimiento se mantenga. El comportamiento de la presión en este tipo de yacimientos es función de que tan activo sea el empuje de agua. En la etapa final de agotamiento, como el contacto agua - aceite ha ascendido a un nivel en el cual la zona de producción ya no puede ser reacondicionada (levantada) la producción de aceite disminuye, aumentando considerablemente la cantidad de agua, hasta llegar a un punto tal, en que la cantidad de aceite producida, comparada con la del agua hace antieconómica la extracción y el pozo es abandonado.
Patrones de comportamiento para un yacimiento con empuje hidrostático
Comportamiento típico Los yacimientos por empuje de agua, poseen una alta presión y una relación gas- aceite baja a través de su vida productiva. Sin embargo, la razón agua- aceite tiene un cambio drástico. El agua producida puede aparecer tempranamente e ir incrementándose uniformemente dependiendo del punto en que se encuentre la zona de contacto agua- aceite. Si el aceite se produce a una tasa que mantenga activo el empuje, la presión del yacimiento se mantendrá y el pozo seguirá fluyendo hasta que la mayoría del aceite o gas se haya producido. Por el contrario, la presión del yacimiento declinará si éste es producido rápidamente afectando negativamente el porcentaje de recobro de aceite marginal. Este tipo de yacimientos presenta a menudo una fase gaseosa que los convierte al final de su etapa productiva en yacimientos por empuje combinado g as- agua. La tubería de revestimiento de los pozos se perfora a bala o cañonea muy por encima del contacto agua-petróleo para evitar la producción de agua muy tempranamente. A pesar de esto, llegará un momento en que en los pozos se mostrará un incremento de la producción de agua. La verificación de este acontecimiento puede indicar que el contacto agua petróleo ya está a nivel de las perforaciones o que en ciertos pozos se está produciendo un cono de agua que impide el flujo del petróleo hacia el pozo. Algunas características del empuje por agua son: •La presión en el yacimiento permanece alta. • La producción de agua inicia muy temprano e incrementa a cantidades apreciables. • El petróleo fluye hasta que la producción de agua es excesiva. • La recuperación esperada es del 10 al 70%.
Por último, El empuje por agua es considerado el mecanismo natural más eficiente para la extracción del petróleo. Su presencia y actuación efectiva puede lograr que se produzca hasta 60 % y quizás más del petróleo en sitio. Además, hay casos de acuíferos tan activos que
rehabilitan y estabilizan la presión del yacimiento sin tener que cerrar la producción. Esto ocurre cuando el caudal de agua que alimenta al acuífero es equivalente al volumen de todos los fluidos que se están produciendo en el yacimiento. En este tipo de yacimiento no existe capa de gas, por lo tanto la presión inicial es mayor que la presión del punto de burbuja. Cuando la presión se reduce debido a la producción de fluidos, se crea un diferencial de presión a través del contacto agua-petróleo. De acuerdo con las leyes básicas de flujo de fluidos en medio poroso, el acuífero reacciona haciendo que el agua contenida en él, invada al yacimiento de petróleo originando Intrusión o Influjo lo cual no solo ayuda a mantener la presión sino que permite un desplazamiento inmiscible del petróleo que se encuentra en la parte invadida.
DESPLAZAMIENTO POR SEGREGACIÓN GRAVITACIONAL. Gravedad o segregación gravitacional, el cual es común en yacimientos con espesor considerable y que tienen buena comunicación vertical o en yacimientos que tienen alto buzamiento pues permiten la migración del gas a la parte superior de la estructura. La segregación gravitacional también se puede definir como la tendencia del aceite, gas y agua a distribuirse en el yacimiento de acuerdo a sus densidades. En un yacimiento bajo condiciones favorables de segregación, gran parte del gas liberado fluirá a la parte superior del yacimiento, en vez de ser arrastrado hacia los pozos por la fuerza de presión, contribuyendo así a la formación o agrandamiento del casquete de gas y aumentando la eficiencia total del desplazamiento. Las condiciones propicias para que los yacimientos presenten segregación de sus fluidos son: que posean los espesores considerables, alta permeabilidad y que los gradientes de presión no gobiernen totalmente el movimiento de los fluidos. En un reservorio de empuje por segregación, el gas libre a medida que sale del petróleo, se mueve hacia el tope del reservorio mientras que el petróleo hacia abajo debido a la permeabilidad vertical. Para que esto ocurra debe existir suficiente permeabilidad vertical para permitir que las fuerzas gravitacionales sean mayores que las fuerzas viscosas dentro del reservorio. Aunque algunos de estos reservorios no tienen una capa de gas inicial, la
recuperación será mayor si esta existe. Un mecanismo similar denominado drenaje gravitacional ocurre si es que el reservorio tiene un gran buzamiento. En este caso el petróleo se mueve hacia abajo y el gas hacia arriba, pero el flujo es paralelo al ángulo de buzamiento, en vez de ser perpendicular a este. En la mayoría de los casos el drenaje gravitacional y empuje por segregación se consideran como el mismo mecanismo. Las recuperaciones pueden ser bastante grandes si se aprovechan adecuadamente las condiciones de explotación de este tipo de yacimientos, oscilando entre un 40 y un 60%. Otras características:
Mecanismo de producción de aceite basado en las diferencias de densidades de los fluidos y acción de la fuerza gravedad.
Requieren de una configuración inclinada del yacimiento. Se presenta en algún grado en todos los yacimientos.
Requiere de suficiente permeabilidad vertical.
Se requiere que las fuerzas gravitacionales sean mayores que las fuerzas viscosas. (baja viscosidad de aceite y alto gradiente de densidades).
Es esencial que la saturación de aceite en la vecindad del pozo productor se mantenga lo más alta posible.
Para obtener un alto rendimiento en la producción se debe localizar los puntos de recuperación en la parte más baja posible de la estructura.
Empuje por segregación gravitacional
EMPUJE COMBINADO La mayoría de los yacimientos quedan sometidos durante su explotación a más de uno de los mecanismos de desplazamiento explicados. Y en el yacimiento actúan dos o más
mecanismos en forma simultánea o secuencial. Por ejemplo: un yacimiento grande puede comportarse inicialmente como productor por empuje de gas disuelto. Después de un corto periodo de producción, la capa de gas asociada actúa efectivamente y contribuye substancialmente a desplazar aceite. Posteriormente, luego de una extensa extracción, la presión del yacimiento caerá lo suficiente como para establecer la entrada de agua del acuífero, de modo que el empuje por agua se presentará como parte importante del mecanismo de desplazamiento. Una condición natural de empuje combinado existe cuando hay más de una fuente natural de empuje en la formación. Empuje de agua y empuje por gas suelen aparecer juntos muy a menudo. En este tipo de yacimiento, la presión es ejercida por la expansión de la capa de gas que está arriba de la capa de aceite y por el agua que está continuamente presionando por debajo. Es extremadamente necesario cañonear correctamente sobre la zona de aceite con el fin de mantener la presión natural existente en la formación y evitar que las relaciones agua-aceite o gas- aceite se incrementen considerablemente de manera muy temprana.
Empuje Combinado
La eficiencia de recuperación en yacimientos de empuje combinado, es generalmente mejor que cualquier yacimiento con un solo tipo de empuje. Este factor de recobro puede alcanzar hasta un 55 a 60% del aceite que había inicialmente en el yacimiento, aunque suele aproximarse en la mayor parte de los casos a recuperaciones del 50%.
Agotamiento de un yacimiento con empuje combinado En la primera etapa de agotamiento la expansión del gas y la intrusión del agua desplazan el aceite hacia el pozo manteniendo la presión del yacimiento permitiendo esto que el gas disuelto en el aceite continúe en este estado, las tasas de producción son altas. Dependiendo de cuál de los mecanismos de empuje llega primero a las perforaciones (incremento de la producción de gas o de agua) se efectuarán trabajos de reacondicionamiento con el fin de evitar la caída prematura de uno de los mecanismos de empuje. Cuando uno de los mecanismos de empuje irrumpe
disminuye considerablemente la tasa de producción, aumentando considerablemente la relación gas- aceite y/o la relación agua- aceite.
Patrones de comportamiento para un yacimiento con empuje combinado. Comportamiento típico Un yacimiento con empuje combinado, presenta una presión estable a lo largo de toda su vida productiva. La tasa de producción es alta durante casi toda la vida del yacimiento, disminuyendo drásticamente tan pronto uno de los frentes comience a presentarse. La producción de gas y de agua es muy baja durante la mayor parte del ciclo de vida del yacimiento, presentándose un considerable aumento en la etapa final.
Características de los empujes de producción
Influencia de los mecanismos de producción en el recobro de petróleo
