Matematicas plicada a la Ing. Petrolera

Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera Jetzabeth Ramírez Sabag

Título de la obra original Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera D.R. © Jetzabeth Ramírez Sabag D.R. © Reverté Ediciones S.A. de C.V. Río Pánuco 141, Col. Cuauhtémoc, Del. Cuauhtémoc, C.P. 06500 México D.F. ISBN México: 978-607-7815-09-9 ISBN España: 978-84-291-7914-9 Primera edición 2013 Reimpresión digital 2014 DISEÑO DE CUBIERTA: SANTIAGO ROBLES DISEÑO Y FORMACIÓN DE INTERIORES: VÍCTOR M. MONTALVO CORRECCIÓN DE ESTILO: ARADAI PARDO MARTÍNEZ Reservados todos los derechos. No se permite la reproducción, total o parcial, de este libro, ni el almacenamiento en un sistema informático, ni la transmisión de cualquier forma o cualquier medio, electrónico, mecánico, fotocopia, registro u otros medios sin el permiso previo y por escrito de los titulares del copyright. Impreso en España - Printed in Spain DL B 12027-2014 Impreso por Arvato Services Iberia, S. A. # 1389

Índice

Prólogo Capítulo 1. Planteamiento matemático de problemas

1.1 Introducción al planteamiento matemático de problemas 1.1.1 Ejemplo 1. Cálculo de un tiempo determinado a partir del cambio de temperatura de un cuerpo inerte 1.1.2 Ejemplo 2. Problema de decaimiento radioactivo 1.2 Introducción a los modelos matemáticos 1.3 Ecuaciones diferenciales como modelos matemáticos 1.4 Ejemplos de planteamiento de un modelo matemático 1.4.1 Ejemplo 3. Problema de calentamiento de una esfera de hielo 1.4.2 Ejemplo 4. Determinación de la temperatura de un objeto sometido a una fuente de calor en un momento determinado 1.4.3 Ejemplo 5. Planteamiento de un problema cotidiano de un objeto sometido a una fuente de calor 1.5 Modelado de problemas por medio de ecuaciones diferenciales 1.5.1 Ejemplo 6. Cálculo de la concentración de sal en un tanque con entrada y salida de salmuera 1.5.2 Ejemplo 7. Modelado del flujo de calor en una barra por medio de una ecuación diferencial parcial de un objeto sometido a una fuente de calor 1.5.3 Modelado matemático de un experimento de flujo de calor 1.6 Esquema general del planteamiento matemático de un problema físico 1.7 Categorías de modelos matemáticos 1.8 Modelo conceptual: de la realidad a la idealidad

XIX 1 2 4 6 7 7 8 8 10

11 12 12

14 16 19 20 20

Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera

1.9 Modelado matemático de yacimientos 1.9.1 Procedimiento general del modelado matemático de problemas de ingeniería petrolera

23

Capítulo 2. Principios de los fenómenos de transporte

25 26 26 27 31 32 33 39 40 46 51 55

2.1 Conceptos fundamentales 2.1.1 Tendencias de estudio: molecular y del medio continuo 2.1.2 Sistemas termodinámicos 2.1.3 Tipos de procesos 2.2 Transporte de cantidad de movimiento (momentum) 2.2.1 Ley de Newton de la viscosidad 2.3 Transporte de calor 2.3.1 Principios básicos de termodinámica 2.3.2 Leyes fundamentales de la termodinámica 2.3.3 Transferencia de calor por conducción 2.3.4 Ejemplo 1. Flujo de calor a través de una tubería de acero 2.3.5 Ejemplo 2. Cálculo de la densidad de flujo de calor en un cilindro conductivo 2.4 Transporte de masa 2.4.1 Definiciones de concentraciones, velocidades y densidades de flujo de materia 2.4.2 Ley de Fick de difusión 2.4.3 Analogía entre los diferentes mecanismos de transporte 2.4.4 Ecuación de balance de materia 2.4.5 Ejemplo 3. Proceso de evaporación de agua en régimen permanente 2.4.6 Ejemplo 4. Determinación del coeficiente de difusión binario 2.5 Ecuaciones generales de conservación 2.5.1 Leyes fundamentales de conservación 2.5.2 Ecuación de continuidad (conservación de masa) 2.5.3 Ecuación generalizada de transporte de cantidad de movimiento 2.6 Ecuaciones de cambio para sistemas no isotérmicos 2.6.1 Ecuación general de la energía térmica

VI

24

57 58 59 62 63 64 68 73 74 75 80 83 87 87

Índice

Capítulo 3. Preliminares de las ecuaciones diferenciales parciales

3.1 Introducción a las ecuaciones diferenciales ordinarias 3.1.1 Ecuaciones lineales homogéneas 3.1.2 Ecuaciones diferenciales de primer orden 3.1.3 Ejemplo 1. Solución de una ecuación diferencial homogénea 3.1.4 Ecuaciones diferenciales de segundo orden 3.1.5 Principio de superposición 3.1.6 Coeficientes constantes 3.1.7 Ecuación de Cauchy-Euler 3.1.8 Otras ecuaciones diferenciales homogéneas 3.1.9 Ecuaciones diferenciales no homogéneas 3.1.10 Variación de parámetros 3.1.11 Ejemplo 2. Solución de una ecuación diferencial homogénea 3.1.12 Ejemplo 3. Solución de una ecuación diferencial no homogénea 3.2 Ecuaciones diferenciales parciales 3.2.1 Ecuación diferencial parcial de primer orden 3.2.2 Uso de un cambio de variable para reducir una ecuación diferencial parcial a una ecuación diferencial ordinaria. 3.2.3 Solución e interpretación de una ecuación diferencial parcial 3.2.4 Ecuaciones diferenciales parciales en física e ingeniería 3.2.5 Clasificación de las ecuaciones diferenciales parciales 3.3 Problemas de valores en la frontera 3.4 Problemas de valores iniciales y de frontera adimensionales 3.4.1 Ejemplo 4. Transformación del problema de difusión a su forma adimensional 3.4.2 Ejemplo 5. Transformación de un problema hiperbólico a su forma adimensional 3.5 Ecuaciones y funciones especiales 3.5.1 Ecuaciones y funciones Bessel 3.5.2 Series de Fourier

93 94 96 97 97 98 98 101 103 105 107 108 111

114 115 117 118 122 124 126 127 128 132 134 134 140

VII

Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera

Capítulo 4. Desarrollo de las ecuaciones diferenciales parciales que gobiernan el flujo de fluidos en los yacimientos petroleros

4.1 Introducción 4.2 Principios fundamentales del flujo del agua en medios porosos 4.3 La Ley de Darcy y el potencial de Hubbert 4.4 Experimento de Darcy 4.5 Ley de Darcy para medios porosos anisotrópicos 4.6 Derivación en coordenadas cartesianas de la ecuación de difusividad para el flujo de un fluido de una sola fase 4.6.1 Ecuación de continuidad 4.6.2 Ecuación de movimiento 4.6.3 Ecuación de estado para un fluido ligeramente incompresible 4.7 Ecuación de difusividad para gases 4.8 Derivación de la ecuación de Hagen-Poiseville para flujo a través de un tubo circular 4.9 Cálculo de parámetros importantes 4.10 Derivación de la ecuación de Hagen-Poiseville para flujo a través de una tubería horizontal, considerando un factor de resbalamiento  4.11 Flujo multifásico en yacimientos 4.11.1 Fundamentos de las fuerzas superficiales y capilares 4.12 Principales ecuaciones de flujo multifásico en yacimientos 4.13 Desplazamiento miscible ideal 4.13.1 Dispersión en medios porosos 4.13.2 Mecanismos de dispersión 4.13.3 Flujo de trazadores en yacimientos 4.13.4 Desarrollo de la ecuación fundamental de dispersión 4.14 Balance general de energía 4.14.1 Ecuación de energía para flujo en una fase 4.14.2 Ecuación de energía para flujo multifásico 4.14.3 Ecuaciones de transporte 4.14.4 Componentes de cada fase

VIII

155 156 157 163 167 170 172 173 178 179 183 187 192  199 200 204 211 212 214 214 216 220 221 224 225 227

Índice

4.15 Introducción a la simulación numérica de yacimientos 4.15.1 Tipos de simuladores numéricos de yacimientos 4.15.2 Ecuaciones básicas del modelo de simulación numérica de yacimientos de tipo composicional 4.15.3 Análisis del problema 4.15.4 Ecuaciones básicas del modelo de simulación numérica de yacimientos tipo aceite negro

228 229

Capítulo 5. Aplicación del método de separación de variables

243 244

5.1 Introducción 5.2 Solución de ecuaciones diferenciales parciales con el método de separación de variables 5.2.1 Problema de conducción de calor en una varilla con temperatura de cero grados centígrados en los extremos 5.2.2 Valores y funciones característicos 5.2.3 El producto de soluciones, el principio de superposición y la ortogonalidad 5.2.4 Ejemplo 1. Formulación, solución e interpretación 5.2.5 Problema de conducción del calor en una varilla con extremos aislados 5.3 Aplicación del método de separación de variables a un problema de valores iniciales y de frontera de flujo de aceite hacia un pozo 5.3.1 Planteamiento físico del problema 5.4 Aplicación al problema de flujo lineal de un fluido ligeramente compresible y de viscosidad constante en un medio poroso homogéneo 5.4.1 Descripción física del problema de aplicación 5.4.2 Uso de variables adimensionales para evitar el problema de condiciones inhomogéneas 5.4.3 Aplicación del método 5.5 Aplicación del método de separación de variables a problemas de flujo con condiciones de frontera no homogéneas 5.5.1 Aplicación 1. Aplicación al problema de flujo lineal de un fluido ligeramente compresible con viscosidad constante en un medio poroso, con condiciones iniciales y de frontera no homogéneas.

232 236 237

245 245 249 256 262 267 269 269 277 277 279 281 289

290

IX

Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera

5.5.2 Aplicación 2. Flujo lineal de un fluido ligeramente compresible con viscosidad constante en un medio poroso, con condiciones iniciales y de frontera no homogéneas, tipo Neumann 5.5.3 Aplicación 3. Problema de distribución de presión para un sistema lineal cerrado 5.5.4 Problema de flujo de fluidos en un medio semiinfinito 5.6 Problemas de valores característicos, problemas de Sturn-Liouville 5.6.1 Introducción 5.6.2 Clasificación general 5.6.3 Problema Sturn-Liouville 5.7 Procedimiento general del método de separación de variables 5.8 Condición de frontera del tercer tipo (técnica gráfica) 5.8.1 Ejemplo 2. Solución de la función dependiente de x para los problemas de flujo de calor y cuerda vibrante 5.8.2 Ejemplo3. Problema de transferencia de calor con una condición de frontera del tercer tipo 5.9 Modelado de la ecuación de onda 5.9.1 Movimiento de una cuerda con extremos fijos 5.9.2 Ejemplo 3. Movimiento de una cuerda con extremos fijos Capítulo 6. Aplicación del método de transformada de Laplace

6.1 Conceptos fundamentales y propiedades de la transformada de Laplace 6.1.1 Definición de la transformada de Laplace 6.1.2 La existencia de la transformada de Laplace 6.1.3 La transformación de Laplace como operador lineal 6.1.4 La transformada inversa de Laplace 6.1.5 La existencia y unicidad de la transformada inversa de Laplace, L−1 6.1.6 Teorema de Lerch 6.1.7 Propiedades de las transformaciones L y L−1 6.1.8 Teorema de traslación en el dominio de Laplace s 6.1.9 Teorema de traslaciónen el dominio del tiempo t 6.1.10 Transformación de derivadas

X

295 300 303 306 306 307 308 309 310 311 315 320 320 324 327 328 329 333 340 343 346 348 348 349 351 353

Índice

6.1.11 Teorema de convolución 6.1.12 La transformada de Laplace y las ecuaciones diferenciales 6.1.13 La transformada de Laplace de una derivada parcial y las ecuaciones diferenciales 6.1.14 Ejemplo de aplicación: flujo de calor en un contenedor 6.1.15 Resumen del método y algunas observaciones 6.2 Aplicación del método de la transformada de Laplace al problema de flujo de un fluido incompresible hacia un pozo fluyendo a presión constante 6.2.1 Planteamiento del problema físico por resolver 6.2.2 Desarrollo de la ecuación de difusividad para flujo radial en variables adimensionales 6.2.3 Desarrollo de la ecuación de difusividad adimensional para flujo radial 6.2.4 Variables adimensionales utilizadas 6.2.5 Problema línea fuente 6.2.6 Solución línea fuente por medio de la transformación de Boltzman 6.2.7 Aplicación 1. Pozo que produce a gasto constante en un yacimiento infinito. Solución línea fuente 6.2.8 Aplicación 2. Pozo que produce a gasto constante en un yacimiento infinito. Solución fuente cilíndrica 6.29 Aplicación 3. Pozo que produce a gasto constante en un yacimiento finito 6.3 Aplicación del método de transformada de Laplace al problema de flujo de trazadores a través de yacimientos petroleros 6.3.1 Aplicaciones de los trazadores a la industria petrolera 6.3.2 Modelos matemáticos 6.3.3 Aplicación 4. Flujo lineal unidimensional de trazadores a través de yacimientos homogéneos 6.3.4 Aplicación 5. Flujo lineal unidimensional de trazadores a través de yacimientos homogéneos con condiciones mixtas Capítulo 7. Aplicación del método de funciones de Green

7.1 Introducción a las funciones de Green

355 357 359 361 366

368 369 370 372 380 382 383 388 404 408 426 427 428 430 435 443 444

XI

Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera

7.2 Operador diferencial adjunto  7.3 Método de la expansión de las eigenfunciones para las funciones de Green 7.3.1 Ejemplo 1. Solución de la función dependiente de x del problema de flujo hacia unidimensional 7.4 La función delta de Dirac y su relación con las funciones de Green 7.5 Reciprocidad de Maxwell 7.6 Aplicación del método de las funciones de Green al problema de flujo unidimensional en régimen permanente 7.6.1 Ejemplo 2. Planteamiento del problema adjunto 7.6.2 Caso 1. Problema tipo Dirichlet 7.6.3 Caso 2. Problema tipo Neumann 7.7 Resumen del método de las funciones de Green 7.8 Introducción al método de las funciones de Green para ecuaciones diferenciales parciales 7.9 Aplicación del método de las funciones de Green a problemas bidimensionales en régimen permanente 7.10 Aplicación del método de las funciones de Green a problemas de flujo tridimensionales en régimen transitorio

448

Capítulo 8. Problema inverso

491

Por Oscar C. Valdiviezo Mijangos 8.1 Introducción al problema inverso 8.2 Problema inverso 8.3 Problema mal condicionado 8.4 Planteamientos de la función objetivo 8.5 Problema inverso lineal 8.6 Problema directo 8.6.1 Transporte de trazadores en medios porosos 8.6.2 Modelo de línea fuente para pruebas de presión 8.7 Métodos de optimización no lineal 8.8 Aplicaciones 8.8.1 Pruebas de presión 8.8.2 Pruebas de trazadores

492 493 495 498 499 501 501 504 507 514 514 516

XII

450 452 453 457 458 460 463 465 468 469 473 483

Índice

Apéndice A. Preliminares de ingeniería petrolera

A.1 Introducción a la productividad de pozos A.1.1 Sistema integral de producción A.1.2 Flujo del yacimiento al pozo A.1.3 Flujo en tuberías A.1.4 Flujo en estranguladores A.2 Conceptos básicos y propiedades relacionadas A.2.1 Tendencia del medio continuo en ingeniería petrolera A.2.2 Porosidad, una propiedad petrofísica estática A.2.3 Permeabilidad, una propiedad de flujo de un medio A.3 Conceptos relacionados con el flujo multifásico A.3.1 Saturación de fluidos A.3.2 Permeabilidades efectivas y relativas A.3.3 Solubilidad del gas A.3.4 Factor de volumen de formación del aceite, Bo A.3.5 Relación agua-aceite instantánea A.3.6 Densidad relativa y grados API A.3.7 Relación gas-aceite y gas-agua instantánea A.3.8 Flujo másico para cada fase A.4 Propiedades del gas A.4.1 Ley de los gases reales A.4.2 Densidad relativa del gas A.4.3 Densidad del gas A.4.4 Factor de compresibilidad del gas A.4.5 Viscosidad del gas A.4.6 Factor de volumen del gas A.4.7 Compresibilidad del gas A.4.8 Ejemplo de aplicación A.5 Comportamiento de las fases de fluidos del yacimiento y superficiales A.5.1 Diagrama de fases A.5.2 Clasificación de los yacimientos de acuerdo con el diagrama de fases A.6 Mecanismos de flujo y de desplazamiento en yacimientos petroleros

521 522 522 525 528 535 537 537 539 541 549 549 552 557 559 560 561 562 564 566 567 568 570 570 571 572 572 575 576 577 578 583

XIII

Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera

A.6.1 Mecanismos de flujo a través de yacimientos A.6.2 Mecanismos de desplazamiento A.7 Comportamiento de afluencia A.7.1 Ecuación de afluencia A.7.2 Geometrías de flujo A.7.3 Regímenes de flujo A.8 Procesos de recuperación adicional A.8.1 Métodos térmicos A.8.2 Métodos químicos A.8.3 Desplazamiento miscible Apéndice B. Flujo radial de trazadores a través de un yacimiento estratificado

B.1 Desarrollo de las ecuaciones fundamentales de flujo B.1.1 Ecuación de flujo en la fractura o región móvil B.1.2 Ecuación de flujo para la región inmóvil, estancada o matriz B.2 Solución del modelo matemático de flujo radial con fractura horizontal B.2.1 Modelo matemático expresado en variables adimensionales B.2.2 Solución de la ecuación para la región inmóvil B.2.3 Solución de la ecuación fundamental para la región móvil

583 589 593 594 595 603 616 618 623 625

629 630 630 634 636 636 639

Apéndice C. Tabla de las transformadas de Laplace utilizadas

645

Notación

649

Unidades

659

Bibliografía

675

XIV

Prólogo

El objetivo principal de esta obra es ofrecer un documento que sirva como libro de texto para el curso de Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera y que también pueda ser consultado como material de apoyo en diversas asignaturas de la carrera de ingeniería petrolera por aquellos que requieran conocer la aplicación de las ecuaciones diferenciales en el planteamiento y la solución de problemas relacionados con los fenómenos de transporte. Otro objetivo es familiarizar a los lectores de otras áreas con algunos de los fundamentos teóricos y prácticos del quehacer de los ingenieros petroleros. Cabe destacar que este libro no está dirigido a los matemáticos, sino a los ingenieros petroleros y a los estudiantes y profesionistas de otras áreas donde se privilegia la intuición física sobre el rigor matemático. Al examinar en retrospectiva los conocimientos adquiridos en un primer curso de matemáticas sustentado en escasos y simples principios físicos, muchos alumnos que estudian temas perceptibles del mundo físico y que emplean recursos matemáticos repetitivos que rayan en la monotonía, consideran que no siempre tienen la oportunidad de obtener una comprensión suficiente de varios de los conceptos como para llevar a cabo —con ciertas probabilidades de éxito— la solución de algunos problemas reales y prácticos con los métodos aprendidos. Esta problemática se debe, en gran medida, al rigor y a la extrema precisión con que debe definirse y tratarse cada uno de los conceptos básicos, a falta de una imagen física lo suficientemente gráfica o tangible, y al hecho de que la metodología recurre, con frecuencia, a restricciones que reducen la complejidad de los fenómenos naturales y que suelen requerir cierto grado de conocimiento físico que, desafortunadamente, los alumnos no obtendrán hasta cursar materias de años superiores en los distintos planes de estudios.

Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera

El presente texto es, por lo tanto, el resultado de un esfuerzo encaminado, esencialmente, a subsanar los aspectos principales de esta problemática. Los temas aquí expuestos buscan estimular el pensamiento intuitivo en torno a temas físicos, cuidando de no perder demasiada precisión matemática pues la combinación de temas de un alto nivel matemático con los fenómenos que ocurren en la naturaleza pueden ocasionar, al final, una comprensión parcial o incompleta por parte de muchos estudiantes de pregrado e, incluso, llegar a un punto donde ni al estudiante ni al profesor les sea factible el tratamiento matemático del problema. Es por ello que se ha intentado alcanzar un equilibrio entre estos dos extremos al describir, en primer término, la situación física del problema y, posteriormente, mediante la presentación de las herramientas matemáticas necesarias, algunas técnicas para plantear, formular y resolver el problema en cuestión, privilegiando siempre, como se ha mencionado, los aspectos físicos. La génesis de este libro emana de la necesidad de responder adecuadamente a los múltiples comentarios de mis alumnos, quienes, cada generación y de manera sistemática, solicitan referencias sobre los tópicos cubiertos en el curso. Esta insistente solicitud deriva del hecho de que prácticamente no existe una bibliografía que integre la física de los problemas de ingeniería petrolera con las técnicas matemáticas mínimas requeridas para resolverlo. Es decir, por un lado, se dispone de la bibliografía clásica sobre ecuaciones diferenciales destinada a científicos e ingenieros, en donde se revisan los métodos de solución aplicados a la transferencia de calor y a problemas de vibraciones de cuerda (ecuación de onda) y, por el otro, las referencias puramente técnicas de la industria petrolera, las cuales consisten en una serie de artículos que revisan los métodos tradicionales de solución de ecuaciones diferenciales pero que, no obstante, carecen generalmente de los detalles necesarios para que los estudiantes de pregrado los comprendan. Fue así como surgió el reto de satisfacer esta carencia intelectual por medio de un libro con las características del que aquí se presenta; esto es, enfocado al planteamiento y la solución de problemas de valores iniciales y de frontera de ingeniería petrolera, en el que se guarde un equilibrio entre la física del problema y las técnicas matemáticas necesarias para su solución analítica. La premisa básica de esta obra es unir la intuición del estudiante de aspectos

XX

Prólogo

físicos con los métodos matemáticos, lo cual se aspira lograr por medio de la derivación del modelo matemático para un problema determinado, el uso del razonamiento físico en el desarrollo matemático y la interpretación de los resultados matemáticos en términos físicos; es por ello que los modelos matemáticos se formulan aquí por medio del i) desarrollo de las ecuaciones que gobiernan los procesos físicos y ii) el planteamiento de las condiciones de frontera posibles en los problemas de interés. Esto abarca el conocimiento físico del problema, las leyes físicas que lo rigen y el planteamiento matemático que lo representa. En servicio de lo anterior, se discuten con detalle estos temas en el capítulo IV; en los capítulos posteriores se revisan las posibles condiciones de frontera y se incluye el planteamiento completo de un modelo matemático y su solución aplicados a los problemas de estudio. Cabe señalar que tanto los lectores no relacionados con el área como los estudiantes de la carrera requieren una base apropiada de conocimientos tanto de temas de la física involucrada en los problemas de estudio como de algunos elementos matemáticos, además de los tópicos propios de la ingeniería petrolera, por lo que se han incluido los primeros tres capítulos y el apéndice A, que abarcan los siguientes temas: planteamiento matemático de problemas físicos, principios de fenómenos de transporte, preliminares de ecuaciones diferenciales parciales y preliminares de ingeniería petrolera. La finalidad de estos capítulos es ofrecer una base para la comprensión óptima de los capítulos dedicados a los métodos clásicos de solución de ecuaciones diferenciales parciales y las aplicaciones que se discuten en este texto: separación de variables, transformada de Laplace y funciones de Green, así como la solución del problema inverso de dos aplicaciones importantes dentro de la ingeniería petrolera: el análisis de pruebas de variación de presión y las pruebas de trazadores, temas presentados en los capítulos V al VIII. El lector notará que el método de transformada de Laplace recibe mayor atención ya que su uso es el más frecuente en el área. Los capítulos V, VI y VII tienen esta estructura: i) explicación básica de los métodos de solución, ii) aplicación del método en algún ejemplo de transferencia de calor (con la intención de que el lector pueda consultar una referencia análoga en caso de así requerirlo) y iii) aplicación del método de solución a problemas específicos, como el flujo de fluidos hacia un pozo en un yacimiento petrolero.

XXI

Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera

Este prólogo no estaría completo si no expresara mi profundo agradecimiento a todos aquellos que contribuyeron, de una u otra manera, a la realización de este libro; desde la motivación para aceptar el reto de elaborarlo (aproximadamente hace cinco años) hasta el cierre de esta tarea. He recibido comentarios y sugerencias muy valiosas de parte de colegas y amigos; sin embargo, no me es posible mencionarlos a todos como me gustaría hacerlo. En particular, agradezco a las ingenieras Martha Argüelles y Jimena González, a la licenciada Guadalupe Castro y a los maestros en ingeniería Mónica Meraz, Marisol Rojas, Abraham Ramírez y José Trejo por su colaboración en la edición de esta obra. Estoy en deuda con la Facultad de Ingeniería de la UNAM y, en específico, con el Departamento de Ingeniería Petrolera, porque me han conferido el honor de ser la profesora de este curso por más de quince años; igualmente, reconozco la enorme deuda que tengo con todos mis alumnos dado que de ellos deriva la formidable oportunidad de escribir este documento. Agradezco de forma especial al Dr. Oscar Valdiviezo Mijangos, autor del capítulo VIII, Problema inverso, por su interesante aportación a este texto. Hago un reconocimiento especial a la maestra en ingeniería María Cristina Avilés Alcántara, así como a la maestra y trabajadora social Blanca Estela Rangel Colchado, por el apoyo brindado para la publicación del presente libro. No olvido agradecer a la editorial Reverté por el interés mostrado en la edición de esta obra, en particular a las maestras Jimena Lascurain y Aradai Pardo por la inestimable colaboración recibida. Finalmente, señalo con mucho orgullo que parte intangible de este texto es mi familia, gracias al soporte y comprensión brindados durante el desarrollo del mismo. Apreciaré mucho cualquier sugerencia proveniente de estudiantes, profesores o colegas, así como de cualquier persona interesada en mejorar este libro. Favor de hacerlas llegar al siguiente correo electrónico: [email protected].

Jetzabeth Ramírez Sabag México D.F. a 26 de agosto de 2012

XXII

Capítulo 1

Planteamiento matemático de problemas

El enfoque que busca resolver problemas del mundo real con herramientas matemáticas es frecuentemente llamado modelado matemático o matemáticas aplicadas. Este enfoque o modelado consta de los siguientes pasos: 1. Identificar un problema procedente de un fenómeno del mundo real. De los fenómenos complicados del mundo real, hay que identificar y extraer sólo el problema físico que se desea estudiar y entender por completo la naturaleza del problema elegido. Se recomienda realizar esquemas con figuras. 2. Hacer la formulación matemática del problema: q Determinar un conjunto apropiado de variables e incógnitas relacionadas con el problema. q Especificar las leyes físicas y/o geométricas involucradas en el problema. 3. Establecer el modelo matemático. Derivar las ecuaciones que gobiernan el problema y determinar las condiciones adicionales con base en las leyes físicas o las restricciones geométricas. Este proceso conduce al llamado modelo matemático. 4. Realizar el análisis matemático. 5. Realizar la interpretación física de los resultados matemáticos. Discutir el comportamiento de la solución matemática, realizar esquemas con figuras y hacer su interpretación física. 6. Regresar al problema original del fenómeno del mundo real. Comparar los resultados de la solución matemática con experimentos físicos, encontrar los defectos del modelo matemático y modificar el modelo, y comenzar de nuevo el proceso.

Capítulo 1

En este capítulo se presentan, primero de forma intuitiva, los pasos a seguir en el planteamiento matemático de un problema físico, para lo cual se describen algunos problemas específicos muy sencillos. Después se incrementa gradualmente la dificultad de los problemas físicos hasta llegar, al final del capítulo, a la formulación de ecuaciones diferenciales parciales a partir de la descripción de un problema de transferencia de calor. Objetivo Mostrar cómo los problemas físicos y sus variaciones pueden ser explicados (modelados matemáticamente) por medio de un procedimiento basado en la identificación, formulación, solución e interpretación del problema.

1.1 Introducción al planteamiento matemático de problemas

En esta sección se discute la solución de algunos problemas elementales característicos de los diversos campos de la ciencia y de la ingeniería, que comprenden ecuaciones diferenciales parciales. Una ecuación diferencial parcial, o EDP, es una ecuación que contiene derivadas parciales; por ejemplo:   En este caso, el estudio debería comenzar con la determinación de las funciones u(x,t) que satisfacen la ecuación anterior; sin embargo, dos razones llevan a considerar más conveniente empezar por investigar el problema físico: la primera es que se estima que el interés del lector por las ecuaciones diferenciales será mayor si comprende que estos métodos analizan problemas físicos. La segunda es el hecho de que las consideraciones físicas motivan muchos de los desarrollos matemáticos presentados en este texto. Muchos de los problemas de la ingeniería y las ciencias físicas son dominados por el estudio de las ecuaciones diferenciales parciales. Algunas de las áreas que dependen en alto grado del estudio de las ecuaciones diferenciales parciales son la acústica, la aerodinámica, la elasticidad, la electrodinámi-

2

Planteamiento matemático de problemas

ca, la dinámica de fluidos, la geofísica (propagación de onda), la transferencia de calor, la transferencia de masa, la meteorología, la oceanografía, la óptica, la física de plasmas (ionización de líquidos y gases), la mecánica cuántica y la ingeniería petrolera, objeto del presente libro. En este texto se sigue una filosofía de la aplicación de las matemáticas que analiza los problemas en tres etapas principales: 1. Formulación del problema. 2. Solución. 3. Interpretación o análisis de la solución. A continuación se presentan problemas específicos sencillos para ilustrar el planteamiento matemático de un problema físico. Para resolver el primer problema es importante hacer una introducción a los procesos de transferencia de calor por medio de una ecuación empírica que relacione la temperatura de enfriamiento de una cantidad de sustancia con el medio. Esta ecuación se conoce como Ley de enfriamiento de Newton y dice que la temperatura de un cuerpo cambia a una velocidad proporcional a la diferencia de las temperaturas entre el medio externo y el cuerpo. Suponiendo que la constante de proporcionalidad sea la misma independientemente de que la temperatura aumente o disminuya, la ecuación diferencial de la ley de enfriamiento será:  Donde : Temperatura de un cuerpo 

: Tiempo  : Temperatura del medio ambiente Se soluciona la ecuación y se separan las variables: 

 

3

Capítulo 1

Después, se integra cada miembro de la ecuación anterior:  Y se obtiene:

Pero , por lo que finalmente se obtiene: Ec.1.1 Si se define que   , entonces queda: Ec. 1.2

1.1.1 Ejemplo 1. Cálculo de un tiempo determinado a partir del cambio de temperatura de un cuerpo inerte

Se requiere conocer la hora de deceso de una persona de edad muy avanzada cuyo cuerpo fue encontrado sin vida a las doce del día. 1. Identificación del problema q La persona murió en su casa en algún momento antes del medio día. q Al medio día, el cuerpo fue encontrado a una temperatura de 21.1 °C. q El cuerpo se enfrió otros 2.8 °C en las dos horas posteriores al medio día. q Se asume que la habitación se encontraba a una temperatura con tante de 15.5 °C. 2. Formulación matemática del problema

4

Planteamiento matemático de problemas

q

q

Introducción del conjunto de variables e incógnitas relacionadas con el problema. Se toma el medio día como  , se tiene que =21.1 , =15.5  y 2 ( = 2 horas) =18.3 °C. Ley o leyes físicas que gobiernan el cambio de temperatura. La ley que rige este problema es la Ley de enfriamiento de Newton; entonces, aplicando la ecuación 1.2 a = 2 horas se tiene que:  

De donde se obtiene lo siguiente: 18.3−15.5=5.6−2

Ec. 1.3

De esta ecuación se obtiene que:    (2)/2 Para determinar el momento del deceso se utiliza la ecuación 1.3 con la temperatura corporal humana normal de 37 °C y se plantea la siguiente ecuación: 37 − 15.5 = 5.6

Esta ecuación se resuelve para y, finalmente, se encuentra el tiempo buscado:

=−3.83/ = −23.832

Ec. 1.4

= −3.90 horas

Por lo que se concluye que el deceso ocurrió a las 12:00 menos tres horas 54 minutos; esto es, a las 8:06 a.m.

5

Capítulo 1

1.1.2 Ejemplo 2. Problema de decaimiento radioactivo

Una sustancia radioactiva decae a un ritmo proporcional a la cantidad de la sustancia presente. Si  es la cantidad al tiempo , se tiene: Ec. 1.5 Donde  es una constante. La solución de la ED es: Ec. 1.6 Si  es la vida media de la sustancia radioactiva, se tiene por definición:

Donde    !. Cabe señalar que la relación del radioisótopo y el átomo normal 12 es, y ha sido durante toda la historia del planeta, siempre la misma para toda criatura viviente y en la atmósfera, y que cuando los organismos mueren y cesa su metabolismo, inicia el proceso de decaimiento radioactivo de 14. A partir de los datos experimentales del isótopo 14 y =0.0001216/año, se puede determinar el momento en que un organismo murió al medir la concentración de 14 en un fósil y compararla con un organismo actualmente en vida. Esta técnica se llama datado con radiocarbono. Por ejemplo, asuma que:

Se tiene que:

6

Planteamiento matemático de problemas

1.2 Introducción a los modelos matemáticos

La mayoría de los sistemas o fenómenos físicos estudiados en las ciencias físicas y en las ingenierías se describen por medio de ecuaciones diferenciales. Esta descripción considera los cambios progresivos, tanto temporales como espaciales, de los sistemas o fenómenos físicos bajo observación. La relación entre las matemáticas y el mundo real se representa por medio de expresiones cuantitativas que constituyen leyes fenomenológicas. Dichas expresiones se conocen, generalmente, como ecuaciones diferenciales. Se considera que las ecuaciones diferenciales gobiernan el comportamiento de ciertos sistemas o fenómenos y, al ser resueltas, proporcionan una gran cantidad de información que permite conocer y analizar la historia, el presente y el futuro de los parámetros involucrados en los objetos de estudio. Es justamente este conocimiento sobre los parámetros lo que permite predecir el comportamiento de los fenómenos estudiados y lo que hace sustantivas a las ecuaciones diferenciales y a los métodos o técnicas que sirven para resolverlas. Estimar el comportamiento es difícil, especialmente cuando se trata de predicciones. Las metas generales del modelado matemático son: q La comprensión. Obtener una idea general de cómo ocurre un fenómeno, cuáles son sus causas y cómo se relaciona con otras partes del sistema natural al que pertenece. q La explicación. Intentar ir más allá al explicar por qué el fenómeno o el proceso en cuestión sucede de una manera u otra. q La predicción. Ser específico al establecer lo que le sucederá a un sistema bien definido en el futuro si se cumplen ciertas condiciones. q La retrodicción. En algunas áreas de la ingeniería se obtiene una “predicción del pasado” cuando se extraen conclusiones relativas a la historia todavía inexplorada de un proceso o fenómeno. 1.3 Ecuaciones diferenciales como modelos matemáticos

El modelo matemático es la ecuación o el conjunto de ecuaciones, usualmente en derivadas parciales, donde se plasma la teoría del modelo con-

7

Capítulo 1

ceptual. Dentro de la computadora, el modelo matemático constituye la entidad abstracta que sustenta numéricamente al comportamiento idealizado del sistema real, y si bien todo modelo es perfectible y su grado de dificultad puede elevarse teóricamente hasta el infinito, esa complejidad puede ser bloqueada en la práctica por la carencia de datos medidos y por las capacidades siempre limitadas de las computadoras, aun las más poderosas. Cabe señalar que las ecuaciones del modelo matemático son suposiciones en tanto que definen el comportamiento supuesto de un continuo ideal. Aunque matemáticamente toda hipótesis constitutiva presentada en forma de ecuación es una definición, en realidad se llega a ella por medio de evidencias físicas fortalecidas con mediciones experimentales. Es por esto que a las ecuaciones constitutivas del modelo se les considera leyes fenomenológicas, las cuales abarcan procesos de excitación y respuesta del sistema natural. Es importante indicar que es muy escasa la probabilidad de determinar todos los aspectos de alguna teoría sin recurrir a la praxis de la física. Como ya se mencionó, la formulación de un modelo matemático implica, en términos generales, tanto identificar los parámetros o variables de cambio en un sistema como establecer el conjunto de hipótesis razonables acerca del sistema en cuestión. Dichas hipótesis suelen consideran el ritmo del cambio de uno o más de los parámetros involucrados. El enunciado matemático de esas hipótesis lo constituyen una o más ecuaciones donde intervienen derivadas; es decir, ecuaciones diferenciales. El proceso de modelado sigue, en esencia, el siguiente orden: 1. Identificación de variables. Establecer la notación matemática. 2. Determinación de las leyes empíricas que se pueden aplicar. Establecer las hipótesis del sistema estudiado. 3. Planteamiento de las ecuaciones. 1.4 Ejemplos de planteamiento de un modelo matemático 1.4.1 Ejemplo 3. Problema de calentamiento de una esfera de hielo

Considere una esfera de hielo que se derrite a un ritmo proporcional al área

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Planteamiento matemático de problemas

de su superficie. Hay que encontrar una expresión para el volumen de la esfera en cualquier unidad de tiempo. 1. Identificación de las variables: q Incógnita: volumen (eficacia del tiempo). q Notación matemática. 2. Las leyes empíricas que se pueden aplicar: q En los datos se indica que la esfera se derrite a un ritmo proporcional al área de su superficie; es decir, el volumen de la esfera cambia a un ritmo proporcional al área de su superficie. q El ritmo de cambio del volumen es la derivada de " con respecto al tiempo: q La expresión de la ley en notación matemática: es el radio de la esfera, # = constante. 3. Planteamiento de la ecuación con la incógnita". Se sabe que el volumen de la esfera es:

Entonces, resolver para #:

Y al sustituir # en la derivada:

Esta es la expresión que proporciona el cambio del volumen con respecto al tiempo; es decir, la ecuación diferencial que gobierna el comportamiento de la esfera y su reducción de volumen a un ritmo proporcional a su superficie. Durante el proceso de modelado se presentan frecuentemente condiciones adicionales que se deben añadir al problema planteado. El problema presentado a continuación ejemplifica dicha situación.

9

Capítulo 1

1.4.2 Ejemplo 4. Determinación de la temperatura de un objeto sometido a una fuente de calor en un momento determinado

Un termómetro marca la temperatura de un sistema en 80 °C; se mide también la temperatura del medio, la cual es de 20 °C. El sistema se empieza a enfriar y, tres minutos después, se encuentra que el termómetro marca 75 °C. Se desea predecir la lectura del termómetro para varios tiempos posteriores y, por lo tanto, se requiere determinar la ecuación del enfriamiento en función de los valores dados. 1. Identificación del problema:  $. representa la temperatura marcada por el termómetro, los datos indican que cuando = 0.0,  = 80.0, y cuando = 3.0 min,  = 75 °C. 2. Leyes empíricas que gobiernan el problema. De acuerdo con la ecuación de la Ley de enfriamiento de Newton, la velocidad de variación de la temperatura con el tiempo es directamente proporcional a la diferencia de las temperaturas, 3. Notación matemática: ! es proporcional a la diferencia de temperaturas ( − 20.0). Puesto que la temperatura que marca el termómetro está decreciendo, entonces (−) resulta la constante de proporcionalidad. Así,  debe ser determinada a partir de la ecuación diferencial y, por lo tanto, necesitamos conocer las lecturas del termómetro en dos tiempos diferentes, dado que hay dos constantes a determinar:  de la ecuación de enfriamiento de Newton y la constante de integración que se encuentra en la solución de la misma. 4. Condiciones adicionales.

Y transcurrido cierto tiempo de enfriamiento,

Debido a que la temperatura ambiente es igual a 20 °C, de la ecuación 1.1 se sigue que:

10

Planteamiento matemático de problemas

Entonces, la condición indica que 80 = 20 +  y, por lo tanto, la constante de integración es  = 60, de modo que la ecuación anterior resulta:

  El valor de  será determinado ahora usando la condición: para = 3.0,  = 75 °C, por lo que, con la ecuación anterior, se obtiene:

 De esta ecuación se obtiene que    !  %&% Por consiguiente:

 

Entonces, sustituyendo  se obtiene la siguiente expresión:

Ecuación con la que se puede determinar la temperatura en un momento dado y, por consiguiente, al conocer la temperatura, también permite hallar el tiempo de enfriamiento transcurrido. 1.4.3 Ejemplo 5. Planteamiento de un problema cotidiano de un objeto sometido a una fuente de calor

Al sacar un pastel del horno, su temperatura es de 148 °C. Tres minutos después, su temperatura es de 93 °C. Se requiere conocer la temperatura del pastel a un tiempo determinado. Considere una temperatura ambiente de 21 °C. 1. Identificación de las variables: temperatura en función del tiempo. 2. Ley empírica: la ley de enfriamiento de Newton que señala que la ve-

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Capítulo 1

locidad con que la temperatura cambia es proporcional a la diferencia entre la temperatura del cuerpo y la temperatura constante del medio que lo rodea. 3. Notación matemática: !   4. Condiciones adicionales:   '    1.5 Modelado de problemas por medio de ecuaciones diferenciales

En esta sección se presenta una introducción a la deducción de las ecuaciones diferenciales a partir de algunas situaciones físicas de sistemas o fenómenos físicos. Además, se revisan los pasos del modelado matemático para hacer un planteamiento matemático y obtener su solución, así como para realizar la interpretación física del resultado. Esta sección se orienta al modelado de problemas que conducen a ecuaciones diferenciales. 1.5.1 Ejemplo 6. Cálculo de la concentración de sal en un tanque con entrada y salida de salmuera

Un tanque se está llenando con salmuera a un ritmo de ( unidades de volumen por segundo; al mismo tiempo, ) unidades por segundo son bombeadas fuera del tanque. Se supone que la concentración de salmuera es  unidades de masa por unidad de volumen. A un tiempo  , el volumen de salmuera del tanque es " y contiene * unidades de masa de sal. ¿Cuál es la cantidad de sal en el tanque en un tiempo determinado , asumiendo que el contenido del tanque esté bien mezclado? 1. Definición de la notación: q Sea   la cantidad de sal en un tiempo determinado . q Sea "  el volumen de salmuera en un tiempo determinado . 2. Las leyes físicas que gobiernan el problema: q Conservación de volumen de salmuera. q Conservación de masa de sal. 3. El balance de masa de sal en el tanque: q La sal que se tire por segundo: ac (unidades de masa unidades de tiempo).

12

Planteamiento matemático de problemas

q

La sal que contendrá el tanque será:

q

La conservación del volumen de salmuera:

q

La conservación de masa de sal. El cambio de la cantidad de sal con respecto al tiempo:

Al sustituir +  en la ecuación anterior, se obtiene la siguiente ecuación lineal: Ec. 1.a En el caso particular de que el ritmo de entrada de salmuera por segundo fuera igual al ritmo de volumen de fluido de salida, (), la solución sería: Ec. 1.b La ecuación 1.a representa el modelo matemático del problema físico del tanque llenado con salmuera con una extracción determinada, mientras que la ecuación 1.b representa un caso particular del problema. Como un ejemplo numérico se tiene que si " l, entonces , . Ec. 1.c Ahora bien, si después de 100 minutos suponemos que del tanque se empieza a fugar un litro de salmuera adicional por minuto, determinemos cuánta sal permanecerá en el tanque doce horas después del inicio de la fuga. Se tiene que resolver una ecuación diferencial diferente, ahora con los parámetros ) - (- "- : 13

Capítulo 1

Ec. 1.d Y como se tiene  como condición inicial, se sustituye en la ecuación 1.c: Ec. 1.e La solución general de la nueva ecuación es:

Con la condición inicial C.I,.%/ se obtiene la constante :

Y después de doce horas, 0  minutos.

La solución se representa con una parábola con un máximo   .&%  1%0 2 , . Cuando  , el tanque está vacío y la ecuación diferencial no constituye una descripción válida del proceso físico. La concentración en un tiempo 3 3  es:

La cual converge a 1 conforme 5 . 1.5.2 Ejemplo 7. Modelado del flujo de calor en una barra por medio de una ecuación diferencial parcial de un objeto sometido a una fuente de calor

Considere que se tiene un experimento dividido en los siguientes pasos:

14

Planteamiento matemático de problemas

1. Se inicia con una barra de cobre de una longitud razonable (  6) de 2 cm de diámetro, cuyos lados laterales (pero no los extremos) están cubiertos con material aislante. En otras palabras, el flujo de calor puede entrar y salir de la barra por los extremos, pero no por la superficie lateral. 2. La barra se encuentra en un ambiente con una temperatura fija (en °C) durante un tiempo suficientemente largo para que el comportamiento de la temperatura esté en un régimen permanente similar al ambiente. Por simplicidad, sea la temperatura del ambiente =10 °C. 3. Se toma la barra y se coloca fuera del ambiente a un tiempo = 0 y se adhieren dos elementos de temperatura (termostatos) en los extremos de la barra. El propósito de estos elementos es mantener los extremos de la barra a temperaturas específicas  y  (sea = 0 °C y  = 50 °C). En otras palabras, los termostatos monitorean constantemente la temperatura en los extremos de la barra y aseguran los valores de temperatura asignados en los extremos. El experimento se ilustra en la figura 1.1. 4. Se monitorea el perfil de temperatura de la barra en algún tipo de display. Elemento que asegura T1 la temperatura en el extremo izquierdo

T2

Elemento que asegura la temperatura en el extremo derecho

u T2 Estado estacionario

T0

T1

L

Figura 1.1 Diagrama esquemático del experimento

15

Capítulo 1

1.5.3 Modelado matemático de un experimento de flujo de calor

La descripción de este problema físico requiere tres tipos de ecuaciones: 1. Una ecuación diferencial parcial que describa el fenómeno físico del flujo de calor; esto es, la Ley de Fourier de flujo de calor por conducción. 2. Las condiciones de frontera que describan la naturaleza física del problema en los extremos. 3. La condición inicial que describa el fenómeno físico al inicio del experimento. La ecuación básica en una dimensión que describe el flujo de calor a través de la barra es: Ec. 1.f La cual relaciona las cantidades presentadas a continuación. : Ritmo de cambio de la temperatura con respecto al tiempo, medido en grados/seg. : Concavidad del perfil de temperatura - , la cual compara, esencialmente, la temperatura en un punto con la temperatura en los puntos vecinos. La derivación de esta ecuación se presentará en el capítulo II. Esta ecuación indica simplemente que la temperatura, - , en algún punto de la barra  y ( en algún momento se incrementa ≥ 0 o disminuye ≤ 0 de acuerdo con el valor, positivo o negativo, de la parcial . La figura 1.2 ilustra el cambio de temperatura a diferentes puntos a lo largo de la barra.

16

Planteamiento matemático de problemas

u

u(x,t)

u(x+ x,t)

Perfil de Temperatura al tiempo t

u(x- x,t) u(x- x,t)+u(x+ x,t) 2

Promedio de temperatura de 2 puntos vecinos

x Figura 1.2 Cambio de temperatura de acuerdo con 7 xx



Para ver como  puede interpretarse para medir el flujo de calor, se supone una aproximación de  por la diferencia del cociente:

Ec. 1.g Se tiene la siguiente interpretación de : 1. Si la temperatura -  < que el promedio de la temperatura de dos puntos vecinos, entonces  > 0. Aquí el flujo neto de calor en  es positivo. 2. Si la temperatura -  es igual al promedio de dos temperaturas correspondientes a puntos vecinos, entonces  = 0. En este caso, el flujo de calor en  es igual a cero. 3. Si la temperatura -  > que el promedio de las temperaturas de dos puntos vecinos, entonces  < 0. En este caso, el flujo neto de calor en  es negativo. Esto se ilustra en la figura 1.2.

17

Capítulo 1

Es decir, si la temperatura en un punto  > que el promedio de la temperatura en dos puntos vecinos   9 2 9, entonces la temperatura en  decrecerá. Además, el ritmo exacto del decremento es proporcional a esta diferencia. La constante de proporcionalidad es una propiedad del material que no se discutirá en este texto. En cuanto al tipo de ecuaciones llamadas condiciones de frontera, se puede decir que todos los problemas físicos tienen condiciones de frontera de algún tipo. Se tiene que describir matemáticamente lo que existe en los extremos para describir adecuadamente el problema físico. En el experimento referido, las condiciones de frontera, CFI y CFE, se pueden deducir fácilmente a partir de las temperaturas que quedaron fijas para todo :  en  y  en los dos extremos    y   ; por lo que se puede escribir,

Ec. 1.h Con relación a las condiciones iniciales, también se puede mencionar que todos los problemas físicos deben iniciar en un valor de tiempo, generalmente llamado tiempo inicial,  . Es en este tiempo donde se tiene que especificar el problema físico. En el caso del experimento en cuestión, se inicia el monitoreo de la temperatura justo en el tiempo en el que la barra pierde su temperatura constante de . Entonces se puede escribir: Ec. 1.i Ahora está descrito matemáticamente el experimento. Si se escriben las ecuaciones juntas, se tiene un problema de valores iniciales y de frontera, PVIF; es decir:

18

Planteamiento matemático de problemas

El conjunto de las cuatro ecuaciones (la ecuación que gobierna el flujo de calor, en este caso, las dos condiciones de frontera y la condición inicial) constituye la formulación matemática o planteamiento matemático del experimento y se le conoce como el problema de valores iniciales y de frontera, o PVIF, del experimento. Cabe señalar que sólo existe una función -  que satisface el problema 1.5.2 y que esta función describe la temperatura de la barra. El problema después será encontrar la solución única - . En los siguientes capítulos se revisarán los elementos necesarios para encontrar la solución única a este problema y a otros similares. 1.6 Esquema general del planteamiento matemático de un problema físico

Con la finalidad de ilustrar de forma sencilla los pasos a seguir en el planteamiento matemático de un problema del mundo real, a continuación se presenta un diagrama de bloques que representa el procedimiento de modelado matemático.

Concebir la forma    

                 

           

         

NO

La     

SÍ

Figura 1.3 Diagrama de bloques del procedimiento de modelado matemático

      

             

! 

 "        

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Capítulo 1

1.7 Categorías de modelos matemáticos

Los modelos matemáticos pueden clasificarse de acuerdo con sus formas matemáticas, como sigue: q Modelos determinísticos y modelos estocásticos, dependiendo de la aleatoriedad de las variables que aparezcan en el modelo. q Modelos lineales y modelos no lineales, dependiendo del tipo de las ecuaciones del modelo. q Modelos estacionarios y modelos dinámicos, dependiendo de la inclusión de la variable tiempo. q Modelos de parámetros concentrados (condensados) y modelos de parámetros distribuidos, dependiendo de la inclusión de las variables espaciales. En ingeniería de yacimientos es preferible el modelado de parámetros distribuidos porque este tipo de modelos es más general, más aproximado y más adecuado para los propósitos de planeación y administración de la explotación de los yacimientos. Un modelo de parámetros distribuidos se describe con una ecuación diferencial parcial o con un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales. Por ejemplo, se puede tener un modelo determinístico, no lineal y transitorio. 1.8 Modelo conceptual: de la realidad a la idealidad

Dada la complejidad de muchos de los sistemas naturales que se requieren representar por medio de un modelo, en aquellos cuyo tratamiento matemático exacto es prácticamente imposible, surge la necesidad de introducir la noción de modelo conceptual, que es el enfoque más poderoso para abstraer y simplificar los fenómenos naturales. En esta categoría, el sistema natural original se reemplaza con un sistema ficticio más simple o esquema, que puede ser representado por medio de un conjunto de ecuaciones integrodiferenciales definidas en un espacio matemático que representa virtualmente el espacio real en donde ocurre el fenómeno a modelar. Una vez que el modelo conceptual ha sido establecido, los principios básicos de la física y los procedimientos matemáticos que se apliquen con-

20

Planteamiento matemático de problemas

ducirán directamente a una teoría que describa el fenómeno investigado de manera aproximada. El sistema natural debe obedecer las leyes físicas y químicas, y estas también deben regir el comportamiento químico, mecánico y termodinámico del sistema esquematizado. Dichas leyes y su expresión en ecuaciones contienen varios parámetros, por ejemplo, en el caso de los yacimientos petroleros están la porosidad, la permeabilidad, la conductividad térmica y la compresibilidad, todas ellas relacionadas con las propiedades del sistema real. Otro concepto clave en el arte de modelar es la noción de escala, la cual interviene en el grado de simplificación del modelo. Siempre hay un punto en el cual debe detenerse el detalle del modelado. No es posible estudiar la termodinámica de un fluido a partir de las interacciones cuánticas entre las partículas elementales que forman sus moléculas o calcular la deformación de una roca describiendo los quarks de sus átomos. De ser factible su elaboración, tal modelo sería inimaginable y, por tanto, inútil. Al resultado final proveniente de esquematizar, escalar y simplificar las características y el comportamiento del sistema real se le denomina modelo conceptual. Toda teoría para modelar un sistema determinado tiene que especificar los siguientes puntos: q Dominio y validez. ¿Dónde se aplica? q Precisión. ¿Qué tan bien reproduce lo observado? q Complejidad. ¿Cuántas ecuaciones y procesos abarca? El aspecto más práctico del modelo conceptual es su grado de complejidad, el cual se refiere al número de postulados, relaciones y parámetros que necesitan especificarse a priori para obtener respuestas únicas y predecibles del modelo. Cuando no se pueden determinar todos los parámetros, ni siquiera de manera aproximada, la estrategia consiste en reducir la complejidad, aun a costa de una precisión y un campo de aplicación reducidos. Aquí interviene otra vez la noción de escala. A continuación se resumen las características básicas de un buen modelo conceptual: q La complejidad del modelo conceptual debe ser directamente proporcional a la cantidad de datos disponibles. Se debe escoger el modelo más simple que reproduzca toda la información medida.

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Capítulo 1

q

q

q q

q

No se deben introducir complejidades teóricas para las cuales no se tengan datos medidos. La aparición posterior de información nueva indica en qué dirección es conveniente refinar o elaborar más el modelo. La simplificación no debe ser exagerada, ni debe llegarse al punto de eliminar las características fundamentales. Un modelo demasiado simple sólo proporcionará análisis igualmente simplistas. El modelo no debe tener tendencias; por ejemplo, no debe reproducir un tipo de datos a expensas de otro. El modelo debe reproducir con el mismo rango de precisión todos los grupos de datos disponibles. Un modelo que calibra con precisión sólo cierto tipo de información, sólo está validado parcialmente. El modelo debe verificar y reproducir primero los datos observados y medidos, hasta donde sea posible. La información medida o calculada debe calibrarse con el modelo en un segundo paso con el fin de evitar que se filtren tendencias al incorporar los datos interpretados usualmente con otros modelos. Incluso el suavizar los datos medidos puede borrar información relevante.

En general, modelar es comprender. A mejores y más representativos modelos matemáticos corresponde una comprensión más completa del fenómeno estudiado. Del conocimiento sobre el sistema, procedente de la observación y de la medición, sólo puede abstraerse la parte de su comportamiento susceptible de ser modelada con una teoría aceptada. La actividad de modelar se refiere a la formalización de un procedimiento; sin embargo, esta formalización no es única, pues depende inevitablemente de las teorías que la sustentan y de la información disponible. Todo modelo tiene limitaciones inherentes y debe verificarse con la realidad física observable. Dependiendo de qué tan adecuadas resulten sus predicciones de esa realidad, se hablará de la precisión del modelo y del rango de su aplicación. El mejor modelo será aquel que, para el mismo dominio simulado, prediga la conducta del sistema con más precisión dentro del rango de incertidumbre de los datos medidos. Es por esto que, aplicado a mediciones imprecisas e incorrectas, el tipo de modelo no tiene ninguna importancia.

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Planteamiento matemático de problemas

1.9 Modelado matemático de yacimientos

El estudio y la comprensión de los procesos de transporte que ocurren en sistemas naturales fracturados, tales como acuíferos, yacimientos petroleros y geotérmicos, es relativamente reciente. Desde hace aproximadamente 40 años se han desarrollado métodos de investigación basados tanto en modelos matemáticos-analíticos y numéricos como experimentales para tratar de comprender los complicados mecanismos de flujo presentes en tales escenarios. En este tipo de sistemas, el problema principal radica en la dificultad para representar con precisión las dimensiones y la distribución espacial de propiedades del medio como la permeabilidad, la porosidad, el fracturamiento, etc. La comprensión cabal de estas propiedades requeriría conocer la forma en la que fueron creadas por procesos geológicos y tectónicos de naturaleza aleatoria. En el comportamiento de los yacimientos, tanto el transporte de masa, de cantidad de movimiento y de energía, como la distribución de los parámetros petrofísicos, juegan un papel de gran relevancia. Es por ello que en este texto se consideró necesario dedicar los capítulos 4 y 5 a revisar conceptos indispensables para la formulación de problemas de flujo en yacimiento. En el capítulo 4 se revisan los conceptos básicos de los fenómenos de transporte mientras que en el capítulo 5 se revisan los preliminares de la ingeniería petrolera junto con los conceptos necesarios para la comprensión de la fenomenología de un problema de flujo de fluidos en yacimientos. La limitante más importante en el desarrollo científico general de la ingeniería de yacimientos es la escasez de datos en unas áreas y su abundancia en otras. En esta disciplina siempre se trabaja con información incompleta y con incertidumbre. Tampoco es posible elaborar maquetas físicas que representen globalmente el yacimiento. Se tienen dudas incluso sobre cómo ligar los datos obtenidos en la medición directa en los núcleos de la formación con las propiedades del yacimiento mismo. Existen técnicas, como las pruebas de variación de presión y las pruebas de trazadores, que proporcionan información a nivel megascópico que resultan más confiables pues analizan el yacimiento de manera global en vez de en fragmentos pequeños. Lo mismo puede decirse de la simulación numérica de yacimientos, con la cual se puede obtener la descripción integral detallada del yacimiento,

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Capítulo 1

reproduciendo los datos conocidos. Una vez lograda la aproximación detallada del yacimiento, se puede extrapolar la información y predecir el futuro del comportamiento del sistema, sujetos a diferentes condiciones o escenarios de explotación, bajo distintos procesos, riesgos y grados de incertidumbre. Los avances logrados en estos aspectos son la base de la ingeniería de yacimientos petroleros. A continuación se presenta el procedimiento general del modelado de problemas en ingeniería petrolera. 1.9.1 Procedimiento general del modelado matemático de problemas de ingeniería petrolera

1. Enfoque del problema: q Reconocimiento de las variables (presión, temperatura, gasto, etc.). 2. Simplificación del problema: q Régimen estacionario, fluido ligeramente compresible, presión constante, gasto constante. 3. Formulación del problema: q Dependencia de una variable con respecto a otra. 4. Solución (No. de incógnitas = No. de ecuaciones): q Método analítico. q Métodos numéricos. 5. Validación de la solución. 6. Utilizar la solución. 7. Desarrollar procedimientos de caracterización del sistema. Puesto que el enfoque principal de este texto es el planteamiento matemático y la solución analítica de problemas valores iniciales y de frontera de ingeniería petrolera, los capítulos a continuación se limitan a desarrollar los primeros cuatro pasos del procedimiento anterior, considerando exclusivamente los métodos de solución analítica.

24

Capítulo 2

Principios de los fenómenos de transporte

En este capítulo se presenta una breve introducción al campo de los fenómenos de transporte en el que se revisan tres mecanismos principales: transporte de cantidad de movimiento (flujo viscoso), transporte de calor (sólo conducción) y transporte de masa (difusión). El medio a través del cual se transportan estos fenómenos es un medio continuo. La finalidad de esta sección es presentar los conceptos de los mecanismos de transporte y las leyes fundamentales que rigen cada uno de los procesos, para garantizar, así, la comprensión cabal del lector necesaria para el desarrollo de las ecuaciones de flujo en medios porosos de los capítulos subsecuentes. Por ejemplo, para el desarrollo de la ecuación conocida como ecuación de difusividad se requiere la ecuación de transporte de cantidad de movimiento, o bien, para la derivación de la ecuación de flujo másico de un trazador en un medio poroso se requiere la ecuación de continuidad y la de transporte de masa por difusión. Lo anterior es una muestra de que el entendimiento de los conceptos y principios básicos de las tres formas de transferencia es, definitivamente, muy importante. En este capítulo también se presentan los principios fundamentales de los mecanismos de transporte de cantidad de movimiento (momentum), calor y masa. En primer término, se revisan algunos conceptos fundamentales, como la definición de fluido, y se presenta una sucinta discusión sobre las tendencias moleculares y del medio continuo; luego se describe el estado de deformación de los fluidos. Una vez revisados los conceptos fundamentales, se describen los mecanismos de transporte a nivel molecular de las tres formas de transferencia.

Capítulo 2

Objetivo Presentar los elementos preliminares de los mecanismos de transporte necesarios para comprender el desarrollo de las ecuaciones que gobiernan el flujo de fluidos en yacimientos petroleros presentadas en los siguientes capítulos. Para alcanzar este objetivo, es necesario utilizar las ecuaciones de conservación, como la de continuidad y la de movimiento, entre otras. En este capítulo sólo se revisan los principios básicos de los tres tipos de transferencia de manera resumida y se presenta una analogía entre ellas. 2.1 Conceptos fundamentales

El contenido de este capítulo se enfoca en el movimiento de los fluidos viscosos. La propiedad física que caracteriza la resistencia de un fluido a fluir es la viscosidad y esta, a su vez, está definida por la ley de Newton de la viscosidad, la cual será revisada más adelante. Partiendo de lo anterior, presentaremos primero la definición de fluido y, posteriormente, las dos tendencias de estudio de este libro: molecular y continuo. Fluido. Es aquella sustancia que se deforma continuamente bajo la acción de un esfuerzo; es decir, que fluye. Existen dos tipos de fluidos: los líquidos y los gases.

t1 F

Fluido t2 Flujo Figura 2.1 Deformación continua de un fluido bajo la acción de un esfuerzo

2.1.1 Tendencias de estudio: molecular y del medio continuo

El estudio de la transferencia de cantidad de movimiento atañe tanto a los fluidos en movimiento como a las fuerzas responsables de este movimiento. En este estudio existen dos formas de analizar los problemas:

26

Principios de los fenómenos de transporte

q

Tendencia molecular. Los fluidos, al igual que todas las sustancias en la naturaleza, están compuestos por moléculas que, en cantidades muy altas forman grupos que, a su vez, dan origen a los diferentes elementos y compuestos presentes en el medio ambiente. Así, por ejemplo, tan sólo en una pulgada cúbica de aire a condiciones ambiente se estima que existen alrededor de 1020 moléculas, con lo cual resulta evidente la imposibilidad de describir y predecir los movimientos individuales de las diferentes moléculas que componen un fluido. Incluso en la teoría cinética de los gases y en la mecánica estadística, los movimientos moleculares se describen en términos de agrupamientos estadísticos, más que en términos de moléculas individuales. q Tendencia del medio continuo. En este caso, el fluido se trata como un cuerpo en el que existe una distribución continua de materia (continuum). Se considera que el volumen de control más pequeño que pueda tomarse del fluido contendrá un número suficiente de moléculas como para que cualquier promedio estadístico tomado en él sea válido; así, las propiedades macroscópicas de un medio continuo variarán ligeramente y de forma continua de un punto a otro del fluido. Este concepto no sería válido si en un volumen lo suficiente pequeño el número de moléculas por unidad de volumen contenidas fuera dependiente del tiempo, aun cuando a nivel macroscópico el número de moléculas contenido en un volumen mayor resultara constante. En este texto se utiliza la tendencia del medio continuo ya que es la de interés inmediato para resolver el tipo de problemas que aquí se tratan; sin embargo, es necesario enfatizar que ambas tendencias son necesarias para completar el estudio de los mecanismos de transporte y para describir las propiedades de los fluidos, así como para el estudio de los diferentes problemas que aquí se tratan. 2.1.2 Sistemas termodinámicos

Existe una serie de conceptos de uso común en termodinámica que será de gran utilidad al estudiar los procesos de transferencia. A continuación se presenta un breve repaso.

27

Capítulo 2

Sistema. Es la parte del universo que se aísla para estudiar un proceso de interés. Contorno o límites. Son las superficies que separan al sistema de sus alrededores. Pueden ser superficies físicas o matemáticas. Cabe mencionar que el contorno o los límites de un sistema pueden ser superficies reales o imaginarias. Normalmente, el contorno queda definido mediante la suspensión de la continuidad de una propiedad del sistema. Alrededores. Es el mundo físico que no está comprendido ni en el sistema ni en el contorno. Se puede establecer una primera clasificación de los sistemas a partir de sus alrededores: q Sistema completamente aislado. Se obtiene cuando no existe transferencia de masa ni de ninguna forma de energía entre el sistema y sus alrededores. q Sistema térmicamente aislado. Puede existir intercambio de masa u otra forma de energía, mientras no sea térmica, con los alrededores. q Sistema mecánicamente aislado. Tiene contornos rígidos y de volumen constante. No puede dar ni recibir trabajo. q Sistema cerrado. No existe transferencia de masa con los alrededores. q Sistema abierto. Existe intercambio tanto de masa como de energía entre el sistema y sus alrededores. Estado de un sistema. El estado de un sistema queda definido por la magnitud de sus propiedades y por la condición que guardan en un momento dado; así, quedará definido por ciertas magnitudes medibles como masa, volumen, presión y temperatura. Por estado de equilibrio de un sistema se entiende la invariabilidad de las propiedades del sistema con respecto al tiempo. Las variables que gobiernan un proceso determinado están ligadas por medio de una interrelación que se denominará ecuación de estado, la cual puede definirse como la relación matemática que existe entre las propiedades puntuales del sistema en estado de equilibrio. Las propiedades puntuales del sistema poseen las siguientes características:

28

Principios de los fenómenos de transporte

q q

El cambio en estas propiedades puede expresarse mediante una diferencial total. La diferencial total debe ser una diferencial exacta y se define así: Sea una función ; -,, entonces su diferencial será: Ec. 2.1 Por otra parte, se tiene: Ec. 2.2 Donde debe cumplirse la condición: Ec. 2.3

Al expresarse una variable (propiedad) del sistema en función de las restantes, tendremos lo que se denominan grados de libertad del sistema. Si la propiedad del sistema que nos ocupa en un momento dado cumple con las condiciones de las ecuaciones 2.2 y 2.3, la forma en la que pase de un estado inicial a uno final es intrascendente; es decir, es independiente del camino seguido. Las propiedades de un sistema pueden dividirse en dos clases: q

q

Propiedades intensivas. Son aquellas propiedades independientes de la cantidad de materia contenida dentro del sistema; por ejemplo: temperatura, presión y densidad. Propiedades extensivas. Son aquellas cuyos valores son directamente proporcionales a la masa del sistema. Así, el volumen total de un sistema es una propiedad extensiva; otros ejemplos son la masa y el número de moles. En general, al dividir una propiedad extensiva por la masa, se convierte en una propiedad intensiva; por ejemplo, el volumen específico.

29

Capítulo 3

Preliminares de las ecuaciones diferenciales parciales

Este capítulo revisa los conceptos básicos de las ecuaciones diferenciales. En primer término se presentan los conceptos relacionados con las ecuaciones diferenciales ordinarias, EDO, y, en segundo, los conceptos de las ecuaciones diferenciales parciales, EDP. Cabe señalar que sólo se incluyen los conceptos básicos de las ecuaciones diferenciales que la autora considera necesarios para la comprensión de los capítulos subsecuentes. Este material pertenece a un curso elemental de ecuaciones diferenciales y es estrictamente opcional. Las dos secciones de este capítulo están dedicadas a la introducción tanto de las EDO como de las EDP, ecuaciones de primer y segundo orden, principalmente. Se introducen conceptos como linealidad y superposición, así como los métodos de solución de las ecuaciones diferenciales, tanto homogéneas como no homogéneas, y algunas técnicas de las ecuaciones y problemas de valores en la frontera. Se derivan también, a manera de ejemplo, algunas formas de equilibrio de ecuaciones bien conocidas, como la ecuación de calor. La finalidad de los ejemplos es presentar algunas aplicaciones sencillas antes de entrar de lleno a las aplicaciones objeto de este libro, los problemas de valores iniciales y de frontera frecuentes en la ingeniería petrolera; es decir, esencialmente problemas de flujo de fluidos en tuberías y medios porosos, cuyas ecuaciones fundamentales corresponden a EDP de segundo orden. Es por lo anterior que en la primera sección se presentan los conceptos de las EDO con base en las definiciones respectivas, en tanto que la presentación de los preliminares de las EDP aparece en la segunda parte y con ejemplos de aplicación.

Capítulo 3

Objetivo Resumir los preliminares matemáticos necesarios requeridos para la comprensión de los siguientes capítulos. A manera de introducción se presentan los conceptos teóricos y las principales técnicas de las ecuaciones diferenciales parciales y de problemas de valores en la frontera, los cuales son de vital importancia para los temas centrales del libro.

3.1 Introducción a las ecuaciones diferenciales ordinarias

Este texto se enfoca en las ecuaciones diferenciales parciales: su significado físico, los problemas en los cuales aparecen y sus soluciones. Una de las principales técnicas de solución consiste en separar el problema de las ecuaciones diferenciales parciales en problemas de ecuaciones diferenciales ordinarias. Por lo tanto, es necesario revisar algunos aspectos de las ecuaciones diferenciales ordinarias y sus soluciones. La siguiente ecuación es una ecuación diferencial ordinaria, EDO, sobre el intervalo ( 0, la solución exponencial decae conforme se incrementa el tiempo (dado que k >0). Por otro lado, si V = 0, la solución permanece constante; es decir, no depende del tiempo, lo cual implica una contradicción del fenómeno físico. Por último, si V < 0, la solución exponencial se incrementa. Considerando que el problema físico a resolver es un problema de conducción de calor en el que la temperatura -  es proporcional a la solución de  , no se espera que la temperatura crezca exponencialmente en el tiempo. Con base en lo anterior, la constante de separación debe ser V > 0 para este tipo de problema físico en el que conforme se incrementa el tiempo, decrece la variable del sistema: la temperatura, presión, etc. Así pues, cuando se separen variables (véase la ecuación 5.8), la función dependiente del tiempo se debe resolver mentalmente y se debe verificar que   no crezca exponencialmente no crezca exponencialmente, por lo que la constante de separación debe ser V > 0. Note que en la ecuación 5.8 se introdujo el signo negativo por conveniencia pues se esperan valores de la constante de separación V > 0, a partir de los argumentos físicos expuestos arriba. Más adelante se analizan cada uno de los valores que puede adquirir la constante de separación.

248

Aplicación del método de separación de variables

5.2.2 Valores y funciones característicos

La función U, dependiente de la variable espacial , satisface lo que se conoce como problema de frontera; es decir, una ecuación diferencial ordinaria de segundo orden con dos condiciones de frontera.

Ec. 5.14 La solución del problema de frontera de la ecuación 5.14 depende de los valores que tome la constante arbitraria V. Como la ecuación diferencial ordinaria es lineal, homogénea y de coeficientes constantes, existen tres soluciones posibles basadas en el valor de V. A continuación se analizan los diferentes valores característicos o eigenvalores que conducen a las tres soluciones posibles. Cabe señalar que sólo son de interés los valores de V que conduzcan a la solución no trivial del problema. Si el lector no está familiarizado con las soluciones posibles, se recomienda consultar la tabla 3.1 del capítulo III, de donde   Ř V, = 0. q

Caso 1. Valor característico V > 0. Si V > 0, las dos raíces son imaginarias o complejas.

Las soluciones tienen exponentes imaginarios o complejos: WP ŘV. En este caso, las soluciones oscilan, y si se desean soluciones reales e independientes, la alternativa es utilizar las funciones trigonométricas de seno y coseno,  Ř V y X Ř V, que son combinaciones lineales de WP ŘV. Esto es, la solución general de la ecuación diferencial del problema de valores en la frontera de la ecuación 5.14 es una combinación lineal arbitraria de dos soluciones independientes de la siguiente forma: 1

La palabra eigen viene del alemán eigenwert, que significa característico.

249

Capítulo 5

Ec. 5.15 Cabe señalar que la combinación lineal puede elegirse a partir de cualquiera de las dos soluciones independientes. Las más convenientes son  Ř V sen y X Ř V pero también se pueden usar PŘV y −P ŘV. Para otras aplicaciones se eligen otras soluciones independientes. Para determinar si los valores V > 0 corresponden a los valores característicos de la solución de la ecuación 5.15 se aplican las condiciones de frontera U  , lo que implica que = 0. El término del coseno se puede despreciar pues la solución debe ser igual a cero en = 0. Así que U   Ř V. Por otro lado, la condición de frontera U  se satisface si U  Ř VY = 0. Esta igualdad se cumple si 2 = 0, o bien si Ř V . Si 2 = 0, entonces U B ya que de la condición en  = 0 se obtuvo 1 = 0. Así pues, se obtiene la solución trivial. La solución de interés busca los valores de V que satisfagan:

De aquí, el argumento de la función seno, es decir, los valores de Ř VY, debe obligar a que la función seno sea cero para que las condiciones de frontera del problema de la ecuación 5.14 sean satisfechas. En el diagrama de la figura siguiente se muestra el comportamiento de la función seno. / /2

y 1

/

y=sen (x)

x 2/

0

//2

/

-1 3/ /2

Figura 5.1 La función seno

250

3//2

2/

Capítulo 6

Aplicación del método de transformada de Laplace En este capítulo se presentan, en primer término, algunos aspectos elementales de la transformada de Laplace, con el propósito de familiarizar al lector con los conceptos básicos. Cabe señalar que se han escrito libros enteros concernientes al uso de esta técnica de solución de ecuaciones diferenciales parciales, por lo que sólo se revisan de forma breve los conceptos básicos y sus aplicaciones en ingeniería petrolera. Principalmente, el capítulo se enfoca en las diferentes soluciones de dos importantes ecuaciones diferenciales parciales lineales que representan dos tipos de aplicaciones en ingeniería petrolera: la ecuación de difusividad y la ecuación de difusión-convección, ambas desarrolladas en el capítulo anterior. Las aplicaciones mencionadas en este capítulo corresponden a problemas sencillos de flujo y transporte en yacimientos, representados matemáticamente por estas dos ecuaciones y que pueden ser resueltas analíticamente para condiciones de frontera de interés. Note que la aplicación de estas soluciones, cuando existen ciertas condiciones en el yacimiento, ha demostrado su valor práctico. Gracias a la utilidad y simplicidad de estas ecuaciones, se puede decir que han establecido las bases para lo que comúnmente se conoce como la técnica de análisis de variación de presión y flujo de trazadores en yacimientos. Es importante señalar que debido a la complejidad de los yacimientos y los fenómenos que ocurren durante la producción de hidrocarburos, prácticamente todas las ecuaciones que han sido desarrolladas para describir este tipo de procesos son no lineales y no son fáciles de resolver, por lo que es necesario, en la mayoría de los casos, el uso de técnicas numéricas para su solución.

Capítulo 6

Objetivo Explicar y aplicar el método de transformada de Laplace a problemas transporte en yacimientos por medio del procedimiento presentado, hasta llegar a la inversión analítica de sencillos problemas de valores iniciales y de frontera de ingeniería petrolera. Es por medio de la solución de diferentes PVIF que se persigue el dominio de este método. Las aplicaciones consisten en dos tipos de problemas: flujo de fluidos en medios porosos representados por la ecuación de difusividad y flujo de trazadores en yacimientos, representados por la ecuación difusión-convección.

6.1 Conceptos fundamentales y propiedades de la transformada de Laplace

Anteriormente se abordó la técnica de separación de variables para resolver ecuaciones diferenciales parciales lineales en problemas con geometría simple; este método motiva el uso de las series de Fourier y sus generalizaciones. Otra técnica para resolver ecuaciones diferenciales parciales es el uso de la transformada de Laplace. La mayoría de los problemas en ecuaciones diferenciales parciales que pueden ser analizados con transformadas de Laplace, también pueden ser analizados con algún otro método y, por consecuencia, respuestas esencialmente equivalentes pueden ser obtenidas. Debido a que el método de transformada de Laplace es muy utilizado para resolver ecuaciones diferenciales parciales, y por consiguiente se emplea con mucha frecuencia en la solución de ecuaciones como la de difusividad y de difusión-convección en ciertos problemas de ingeniería petrolera, se considera necesario revisar con cierto detalle las definiciones y algunas demostraciones de sus propiedades. Por lo anterior, en esta sección se presentan, además de las definiciones y propiedades, ejemplos para familiarizar al lector con las aplicaciones que se presentan en la siguiente sección.

328

Aplicación del método de transformada de Laplace

6.1.1 Definición de la transformada de Laplace

Si " y C son dos espacios vectoriales, una transformación Z " 5[ con dominio en un subconjunto de \ de" se llama transformación lineal de " en C si se cumplen las siguientes propiedades:

O bien:

En general, una trasformada es una función entre espacios vectoriales definidos sobre un mismo campo, que asigna mediante una cierta regla a cada elemento de " uno y sólo un elemento de C, esto es:

Gráficamente se representa como:

T:V

V

W

W

V1

W1

DOMINIO

CODOMINIO

Figura 6.1 Dominio y codominio o recorrido de una transformada

329

Capítulo 6

6.1.1.1 Ejemplo 1. Determinación de un elemento del codominio

Sea " ,  ≠ 0, donde "]" y sea una transformación definida por la siguiente regla:

El elemento del recorrido correspondiente es:

En este ejemplo, al aplicar la transformación sobre una función real de variable real se obtuvo como imagen otra función real de la misma variable. 6.1.1.2 Ejemplo 2. Transformada de una función con una regla determinada

Sea "

y la transformada definida por la regla: Ec. 6.1 Donde ( y ) son constantes, 3( 3 ), y si es un parámetro, la imagen o transformada de "1 es: Ec. 6.2 En este caso, la transformación conduce a una imagen que no es función de (como lo es "1 ), sino función de . Las gráficas correspondientes a " y C se ilustran en las siguientes figuras:

330

Aplicación del método de transformada de Laplace

W1 (s)

V1(t)

T 4

V1(t )= t

0

a

W1 (s)

2

b

t

=

4

b -a 4

s

0

s

Figura 6.2 Gráficas de V1(t) y W1(s) En general, si " ;  ] " y la transformación se define como: Ec. 6.3 Entonces:

Definición de transformada de Laplace. Sea " un espacio vectorial de funciones ;  definidas para ^ . La transformación integral que aplica a cada;  de " en su imagen _ de C se llama transformación de Laplace y queda definida por la siguiente regla: Ec. 6.4 Para una función ;  se tiene:

Ec. 6.5

331

Capítulo 6

Donde " es el conjunto de todas las funciones ; - ^ , y C es el conjunto de las funciones transformadas_ bajo `, es decir:

A la regla de la definición anterior se le conoce con el nombre de la transformación unilateral de Laplace, para diferenciarla de la bilateral que se define como:

En la mayoría de los problemas donde se aplica la transformada de Laplace, la variable tiempo es mayor o igual a cero, por lo tanto, la transformada de Laplace que se estudia es unilateral. 6.1.1.3 Ejemplo 3. Transformada de Laplace de ; 

Sea la función ;  = 1. La transformada de Laplace de ;  es la siguiente:

6.1.1.4 Ejemplo 4. Transformada de Laplace de ;  (

Sea la función ;  ( definida para ≥ 0. La transformada de Laplace de ;  es:

332

Aplicación del método de transformada de Laplace

Hasta aquí, la única forma de verificar si la transformada de Laplace de una función existe, es resolver la integral que establece su definición y determinar los valores de  para que la integral sea convergente. Este proceso puede ser laborioso para algunas funciones. Existe un teorema, aquí referido como teorema I, que establece las condiciones suficientes que debe satisfacer una función para que su transformada de Laplace exista, lo cual simplifica el laborioso proceso indicado anteriormente. 6.1.2 La existencia de la transformada de Laplace

Antes de establecer el teorema de existencia, se definirán dos conceptos relativos a las funciones que serán necesarias para determinar su transformabilidad: la continuidad seccional y el orden exponencial. El primero se define de la siguiente manera: una función ;  es seccionalmente continua en el intervalo( < y > no son las derivadas de y , sino que indican constantes arbitrarias y son los coeficientes de la derivadas de . El problema dado por las ecuaciones 7.1 a 7.3 se puede resolver con el método de variación de parámetros (véase el capítulo III, apartado 3.9). Considere dos soluciones linealmente independientes de la ecuación homogénea asociada; esto es: Ec. 7.4 Sean  y  dos soluciones independientes de la ecuación 7.4. Para simplificar el álgebra, supongamos que la solución  satisface la condición de frontera en (, y  satisface la condición de frontera en   ); es decir,  satisface la ecuación 7.2 y  la ecuación 7.3. Entonces, las condiciones de frontera son: Ec. 7.5 Ec. 7.6 La solución general de la ecuación 7.1 se puede escribir como: Ec. 7.7 Donde CT es el wronskiano de  y : Ec. 7.8 El cual no es cero dado que  y son soluciones linealmente independientes. Ahora bien, es necesario conocer la derivada de la ecuación 7.7, la cual está dada por la Regla de Leibnitz. Entonces, la derivada de la ecuación 7.7 es:

445

Capítulo 7

Aplicando la condición de frontera de la ecuación 7.2 a la solución general se tiene: Ec. 7.9 Note que las integrales y > son cero en   (. Ahora, dado que (  > >(  , (condición de frontera de la ecuación 7.5), la ecuación 7.9 se reduce a: Ec. 7.10 De la ecuación 7.10 se concluye que 2 = 0. Aplicando la segunda condición de frontera en   ) a la solución general de la ecuación 7.7 se tiene:

Ec. 7.11 Con base en la ecuación 7.6, la condición de frontera en   ), el término  )  > > )   se puede eliminar; la integral queda como:

Ec. 7.12 El factor común de  )  > >) puede cancelarse en ambos términos; entonces, finalmente se obtiene que: Ec. 7.13

446

Aplicación del método de funciones de Green

Sustituyendo los valores de las constantes 2 en la solución general de la ecuación 7.7 se obtiene:

Ec. 7.14 Se divide el intervalo de integración en la primera integral de la siguiente forma: Ec. 7.15 Y, sustituyendo la ecuación anterior en la ecuación 7.14, se tiene:

Reduciendo términos se obtiene la solución buscada: Ec. 7.16 Finalmente, acoplando los intervalos, se define la función de Green para el problema de valores en la frontera definido en las ecuaciones 7.1 a 7.3 de la siguiente forma:

Ec. 7.17 Entonces, sustituyendo la función de Green de la ecuación 7.17 en la ecuación 7.16 se tiene, finalmente, que la solución del problema es:

447

Capítulo 7

Ec. 7.18 Resumiendo lo anterior se llega al teorema presentado a continuación. El problema de valores en la frontera dado por las ecuaciones:

Ec. 7.a Ec. 7.b Con , G y ; continuas en el intervalo ( <