Yacimiento de Gas

 

CONTENIDO Definición de yacimientos de gas • Clasificación de los tipos de yacimientos de acuerdo con los diagramas de fases (composición) • Fluidos originales en sitio •

Yacimientos de Gas Seco • Yacimientos de Gas Húmedo •

• •

Yacimientos de Gas Condensado Cálculo de recuperación unitaria ♦ Yacimientos de gas volumétricos ♦ Yacimientos de gas volumétricos ♦ Balance de materiales en yacimientos de gas ◊ Yacimientos volumétricos (sin intrusión de agua) ◊ Yacimientos de gas con intrusión de agua (no volumétricos) ◊ Producción de líquidos de yacimientos de gas ◊ Tamaño del yacimiento de gas ◊ Intrusión de agua ♦ Reservas ◊ Método Volumétrico ◊ Método de Declinación de Presión (P/Z) ♦ ♦

Flujo de gas real: prueba de para de gas Linealización y solución la pozos ecuación diferencial para el flujo radial de un gas real ◊ Técnica de russell y goodrich ◊ Técnica de al−hussainny, ramey y crawford ◊ Comparación de las técnicas del cuadrado de las presiones con la de pseudo presión ♦ Flujo no"darcy ♦ determinación del coeficiente no"darcy (f) ♦ Teoría general de las pruebas en pozos de gas ♦ Pruebas de de restauración de presión en pozos de gas ♦ Errores, restricciones Y LIMITACIONES DE LAS ECUACIONES

INTRODUCCIÓN Una gran parte de la energía usada en el mundo proviene de los hidrocarburos y sus derivados. Una de estas fuentes de energía es el gas natural, el cual se da bajo condiciones de presión y temperaturas en el yacimiento, de manera que ya no existe hidrocarburo líquido o existe en muy baja proporción. Hay dos preguntas claves que deben ser respondidas tempranamente cuando se trata del inicio de la explotación de un yacimiento de gas y de la estrategia que se aplicará durante su vida económica productiva. La primera pregunta debe responder al volumen de gas originalmente en sitio y, la segunda, al volumen remanente de gas a cualquiera que sea la presión escogida para abandonar el yacimiento. Para obtener el volumen de gas inicial en sitio (Gi) se requiere información obtenida de los pozos perforados. La estimación volumétrica será de la misma veracidad que tengan los valores ponderados utilizados para producirlas. Sin embargo, los resultados volumétricos obtenidos para Gi no indican qué tipo de mecanismo de producción tiene el yacimiento de gas. Por tanto, para valores iguales de Gi se puede pensar en un yacimiento volumétrico de 1

 

gas, sin intrusión de agua, que produce exclusivamente por expansión del gas, o se podría tener un yacimiento con intrusión de agua además de la energía disponible mediante la expansión del gas. Estos datos pueden ser obtenidos por diferentes mecanismos. Uno es empleando la Ecuación de Balance de Materiales, la cual se ha desarrollado en base al balance del volumen original, balance del volumen de poros disponibles y balance molecular para diferentes tipos de yacimientos. Al igual que en yacimientos de petróleo, en pozos de gas se llevan a cabo pruebas de declinación y restauración de presión, las cuales son muy importantes para determinar el comportamiento del yacimiento durante su vida productiva. A continuación se presentan las diferentes pruebas y análisis aplicadas en yacimientos de gas con el objetivo de calcular el gas original en sitio, reservas y pruebas de presión, incluyendo las diferentes técnicas que se emplean para darle solución a las ecuaciones que caracterizan el flujo de un gas real aplicado a condiciones del yacimiento. También se encuentran las limitaciones y errores que se deben tener presentes a la hora de llevar a cabo análisis en este tipo de pozos.

DEFINICIÓN DE YACIMIENTOS DE GAS Yacimientos de fase Gas gaseosa son aquellos los cuales mezcla de se encuentra inicialmente en en elen subsuelo. Se la clasifican en hidrocarburos yacimientos de: Gas seco ◊ Gas húmedo ◊ Gas condensado En los yacimientos de gas seco la mezcla de hidrocarburos permanece en fase gaseosa, tanto en el subsuelo como en superficie, durante su vida productiva (a cualquier presión). Además, la temperatura de estos yacimientos es mayor que la temperatura cricondentérmica de la mezcla. ◊

En cambio, los Yacimientos de Gas Húmedo producen líquido en superficie al pasar la mezcla a través del sistema de separación, generando relaciones gas−líquido (RGL) mayores de 15000 PCN/BN. A diferencia de los anteriores, los Yacimientos de Gas Condensado presentan condensación retrógrada en el yacimiento a presiones por debajo de la presión de rocío y temperaturas entre la crítica y la cricondentérmica de la mezcla. En este caso las relaciones gas−líquido son superiores a 3200 PCN/BN. La Fig. 1 ilustra las fases gas y líquido que se presentan en estos yacimientos.

CLASIFICACIÓN DE LOS TIPOS DE YACIMIENTOS DE ACUERDO CON LOS DIAGRAMAS DE FASES (COMPOSICIÓN) Desde un punto de vista más técnico, los diferentes tipos de yacimientos pueden clasificarse de acuerdo con la localización de la temperatura y presión iniciales del yacimiento con respecto a la región de dos fases (gas y petróleo) en los diagramas de fases que relacionan temperatura y presión. La figura 2 es uno de estos diagramas "diagrama de fases PT" para un determinado fluido de un yacimiento. El área cerrada por las curvas del punto de burbujeo y del punto de rocío hacia el lado izquierdo inferior, es la región de combinaciones de presión y temperatura en donde existen dos fases: líquida y gaseosa. Las curvas dentro de la región de 2

 

dos fases muestra el porcentaje de líquido en el volumen total de hidrocarburo, para cualquier presión y temperatura. Inicialmente, toda acumulación de hidrocarburos tiene su propio diagrama de fases que depende sólo de la composición de la acumulación.

Figura 2: Diagrama de fases (composición) Consideremos un yacimiento con el fluido de la figura 2, a una temperatura de 300 °F y una presión inicial de 3700 lpca, punto A. Como dicho punto se encuentra fuera de la región de dos fases, el fluido se hallará inicialmente en estado de una sola fase (monofásico), comúnmente llamado gas. Como el fluido que queda en el yacimiento durante la producción permanece a 300 °F, es evidente que el fluido permanecerá en estado gaseoso (una sola fase) a medida que la presión disminuya a lo largo de la trayectoria A"A1. Más aún, la composición del fluido producido por el pozo no variará a medida que el yacimiento se agota. Esto será cierto para cualquier acumulación de esta composición, donde la temperatura del yacimiento excede el punto cricondentérmico o máxima temperatura a la cual pueden existir dos fases, o sea, 250 °F para el ejemplo considerado. Aunque el fluido que queda en el yacimiento permanecerá en estado monofásico, el fluido producido al pasar del fondo del pozo a los separadores en la superficie, aunque en la misma composición, puede entrar en la región de dos fases debido a la disminución de la temperatura, como lo representa la línea A"A2. Esto implica la producción de líquido condensado en la superficie a partir de un gas en el yacimiento. Es lógico que si el punto cricondentérmico de un fluido está por debajo, por ejemplo, 50 °F, sólo existirá gas en las superficies a las temperaturas normales de ambiente, y la producción se denominará de gas seco. No obstante, la producción puede aún contener fracciones líquidas que pueden removerse por separación a baja temperatura o por plantas de recuperación de gasolina del gas natural. Consideremos de nuevo un yacimiento con el mismo fluido de la figura 2, pero a una temperatura de 180la°Ftemperatura y presión inicial punto B. aquí temperatura del yacimiento excede críticadey,3300 comolpca, antes, el fluido se la encuentra en estado monofásico denominado fase gaseosa o simplemente gas. A medida que la presión disminuye 3

 

debido a la producción, la composición del fluido producido será la misma que la del fluido del yacimiento A, y permanecerá constante hasta alcanzar la presión del punto de rocío, a 2545 lpca, punto B1. Por debajo de esta presión, se condensa líquido del fluido del yacimiento en forma de rocío; de allí que este tipo de yacimiento comúnmente se le denomine yacimiento de punto de rocío. Debido a esta condensación, la fase gaseosa disminuirá su contenido líquido. Como el líquido condensado se adhiere al material sólido o paredes de los poros de la roca, permanecerá inmóvil. Por consiguiente, el gas producido en la superficie tendrá un contenido líquido menor, aumentando la l a relación gas−petróleo de producción. Este proceso, denominado condensación retrógrada, continúa hasta alcanzar un punto de máximo volumen líquido, 10% a 2250 lpca, punto B2. Se emplea el término retrógrado porque generalmente durante una dilatación isotérmica ocurre vaporización en lugar de condensación, una vez que se alcanza el punto de rocío, debido a que la composición del fluido producido varía, la composición del fluido remanente en el yacimiento también cambia, y la curva envolvente comienza a desviarse. El diagrama de fases de la figura 2 representa una mezcla y sólo una mezcla de hidrocarburos. Lamentablemente, para recuperación máxima de líquido, esta desviación es hacia la derecha, lo que acentúa aun más la pérdida de líquido retrógrado en los poros de la roca del yacimiento. Si ignoramos por el momento esta desviación en el diagrama de fases, desde el punto de vista cualitativo, la vaporización del líquido formado por condensación retrógrada (líquido retrógrado) se presenta a partir de B2 hasta la presión de abandono B3. Esta revaporización ayuda a la recuperación líquida y se hace evidente por la disminución en las razones gas−petróleo en la superficie. La pérdida neta de líquido retrógrado es evidentemente mayor para: ♦ Menores temperaturas en el yacimiento ♦ Mayores presiones de abandono ♦ Mayor desviación del diagrama de fases hacia la derecha lo cual es, naturalmente, una propiedad del sistema de hidrocarburos. En cualquier tiempo, el líquido producido por condensación retrógrada en el yacimiento está compuesto, en gran parte, de un alto porcentaje (por volumen) de metano y etano, y es mucho mayor que el volumen de líquido estable que pudiera obtenerse por condensación del fluido del yacimiento a presión y temperatura atmosférica. La composición del líquido producido por condensación retrógrada cambia a medida que la presión disminuye, de manera que 4% del volumen líquido retrógrado a una presión, por ejemplo, de 750 lpca puede contener un condensado estable a condiciones de superficie equivalente a 6% del volumen retrógrado a 2250 lpca. Si la acumulación ocurre a 3000 lpca y 75 °F, punto C, el fluido del yacimiento se encuentra en estado monofásico, denominado en este caso líquido, debido a que la temperatura está por debajo de la temperatura crítica. Este tipo de yacimiento se denomina de punto de burbujeo, ya que a medida que la presión disminuye se alcanzará el punto de burbujeo, en este caso 2550 lpca, punto C1. Por debajo del punto de burbujeo aparecen burbujas, o una fase de gas libre. Eventualmente, el gas libre comienza a fluir hacia el pozo, aumentando continuamente. Inversamente, el petróleo fluye cada vez en cantidades menores, y cuando el yacimiento se agota queda aún mucho petróleo por recuperar. Otros nombres empleados para este tipo de yacimiento de líquido (petróleo) son: yacimiento de depleción, de gas disuelto, de empuje por gas en solución, de dilatación o expansión y de empuje por gas interno. Finalmente, si la misma mezcla de hidrocarburos ocurre a 2000 lpca y 150 °F, punto D, existe un yacimiento de dos fases, que contiene una zona de líquido o de petróleo con una zona o capa de gas en la parte superior. Como las composiciones de las zonas de gas y de petróleo 4

 

son completamente diferentes entre sí, pueden representarse separadamente por diagramas de fases individuales (que tendrán poco común entre sí) o con el diagrama de la mezcla. Las condiciones de la zona líquida o de petróleo serán las del punto de burbujeo y se producirá como un yacimiento de punto de burbujeo, modificado por la presencia de capa de gas. Las condiciones de la capa de gas serán las del punto de rocío y puede ser retrógrada o no retrógrada, como se ilustra en las figuras 3(a) y 3(b), respectivamente. En base a lo discutido en los párrafos anteriores y desde un punto de vista más técnico, los yacimientos de hidrocarburos se encuentran inicialmente ya sea en estado monofásico (A, B y C) o en estado bifásico (D), de acuerdo con la posición relativa de sus presiones y temperaturas en los diagramas de fases. En depleción volumétrica (donde no existe intrusión de agua) estos diferentes yacimientos monofásicos pueden comportarse: Como yacimientos simples o normales de gas (A), donde la temperatura del yacimiento excede el cricondentérmico. ♦ Como yacimientos de condensación retrógrada (de punto de rocío) (B), donde la temperatura del yacimiento se encuentra entre la temperatura crítica y la temperatura del punto cricondentérmico. ♦ Como yacimientos de gas disuelto (de punto de burbujeo) (C), donde la temperatura del yacimiento está por debajo de la temperatura crítica. ♦

Cuando la presión y la temperatura caen dentro de la región de dos fases, existirá una zona de petróleo con una capa de gas en la parte superior. La zona de petróleo producirá como un yacimiento puntoundeyacimiento burbujeo yretrogrado la capa de de gasgas como monofásicode depetróleo gas (A) odecomo (B).un yacimiento

FLUIDOS ORIGINALES EN SITIO ◊

Yacimientos de Gas Seco

(1)

(2) Donde: GOES: Gas Original en Sitio, PCN A: Área del yacimiento, acres h: Espesor, pies : Porosidad, fracción Swi: Saturación inicial de agua, fracción Bgi: Factor Volumétrico del gas @ Pi y Tf, PCY/PCN 5

 

Pi: Presión inicial, lpca Tf: Temperatura de la formación (yacimiento), 0R Zgi: Factor de compresibilidad del gas @ Pi y Tf  El factor de compresibilidad del gas se puede determinar en la forma siguiente: ◊

Estimar la temperatura y presión seudocrítica de la mezcla (Tsc, Psc): ⋅

◊

En base a la composición:

En base a la gravedad específica del gas:

Donde: Tsc: Temperatura seudocrítica de la mezcla, OR Psc: Presión seudocrítica de la mezcla, lpca Tci: Temperatura crítica del componente i, 0R Pci: Presión crítica del componente i, lpca Yi: Fracción molar del componente i en la mezcla : Gravedad específica del gas (aire=1) ◊

Calcular la temperatura y presión seudoreducidas (Tsr, Psr):

◊

Determinar Zgi:

Se puede usar la correlación de Brill y Beggs:

6

 

Rango de uso: 0 < Psr < 13 y 1,2 < Tsr < 2,4

Yacimientos de Gas Húmedo Usar las ecuaciones para yacimiento de gas seco con Zghi. Donde, Zghi, es el factor de compresibilidad del gas húmedo original es sitio @ Pi y Tf. Para calcular Zghi se requiere determinar la gravedad específica del gas húmedo (hg), hg), lo cual se obtiene de la siguiente manera: ◊

La Fig. 4 muestra la forma de calcular las relaciones gas−líquido por etapa y el significado de gi, L gi,  y ML. El peso molecular del líquido (Me) se puede estimar por la correlación de Cragoe:

En este caso la Tsc y Psc se obtienen de las ecuaciones:

Con Tsc y Psc calcular Tsr y Psr y luego Zghi y Bghi. ◊

Gas Húmedo Original en Sitio, GHOES

7

 

(3) Si se extrajera todo el GHOES del yacimiento se obtendría un volumen de gas en el separador, GOES y un volumen de líquido en el tanque, LOES. ⋅

Gas Original en Sitio, GOES

⋅

Líquido Original en Sitio, LOES

(4)

(5)

(6) donde: RGLi: Relación gas−líquido inicial, PCN/BN Si se la tiene información relaciones gas−líquido de cada una de las etapas de separación (Ri), RGLi se obtienede delas la ecuación:

NE : Número de etapas de separación

Yacimientos de Gas Condensado Se utilizan las mismas ecuaciones usadas en el caso de los yacimientos de gas húmedo. En este caso se usa la siguiente nomenclatura: ◊

GCOES: Gas condensado original en sitio, en vez de GHOES COES: Condensado original en sitio, en vez de LOES gc: gc: Gravedad específica del gas condensado, en vez de gghh c: Gravedad específica del condensado, en vez de L c: Mc: Peso molecular del condensado, en vez de ML Bgci: Factor volumétrico del gas condensado @ Pi y Tf, en vez de Bghi Zgci: Factor de compresibilidad del gas condensado @ Pi y Tf, por Zghi

CÁLCULO DE RECUPERACIÓN UNITARIA

8

 

En muchos yacimientos de gas, particularmente durante la etapa de desarrollo, no se conoce el volumen total. En este caso, es mejor hacer los cálculos del yacimiento en base unitaria, por lo general un acre−pie de volumen total de roca reservorio.

Yacimientos de Gas Volumétricos Es conveniente saber que una unidad o un acre−pie de volumen total de roca de yacimiento contienen: ◊

Volumen de agua innata en pies cúbicos: Espacio poroso disponible para gas en pies cúbicos: Espacio poroso del yacimiento en pies cúbicos: El número inicial de pies cúbicos normales de gas en el yacimiento en la unidad es:

G se expresa en pies cúbicos normales cuando el factor volumétrico de gas se expresa en pies cúbicos normales por pie cúbico del yacimiento. Las condiciones normales son las empleadas en el cálculo del factor volumétrico del gas, pero puede cambiarse a otras condiciones por medio de la ley de los gases perfectos. La porosidad, , se expresa como una fracción del volumen bruto o volumen total, y la saturación de agua innata, , como una fracción del volumen poroso. En un yacimiento volumétrico se considera que no varía la saturación de agua intersticial, de manera que el volumen de gas en el yacimiento permanece constante. Si es el factor volumétrico del gas a la presión de abandono, los pies cúbicos normales de gas residual al tiempo de abandono son:

La recuperación unitaria es la diferencia entre el gas inicial en el yacimiento en una unidad de volumen total de roca y el gas remanente en el yacimiento en la misma unidad de roca al tiempo de abandono, es decir, el gas producido hasta la presión de abandono, o: Recuperación unitaria: (7) La recuperación unitaria también se denomina reserva inicial unitaria o por unidad, y generalmente es inferior al gas inicial por unidad en el yacimiento. La reserva inicial en cualquier etapa de agotamiento es la diferencia entre la reserva inicial unitaria y la producción unitaria hasta esa etapa del agotamiento. La recuperación fraccional o factor de recuperación expresado en porcentaje del gas inicial in situ es Factor de recuperación:

(8)

9

 

La experiencia con yacimientos volumétricos de gas indican que las recuperaciones varían entre 80 y 90 %. Algunas compañías de gasoductos fijan la presión de abandono en 100 lpca por 1000 pies de profundidad.

Yacimientos de Gas Volumétricos A las condiciones iniciales, una unidad (1 acre−pie) de volumen total de roca del yacimiento contiene (en pies cúbicos): ◊

Volumen de agua innata: Volumen disponible para gas: Volumen de gas a cond. normales.: En muchos yacimientos con empuje hidráulico, después de una disminución inicial de presión, el agua entra al yacimiento a una tasa igual a la producción, estabilizándose en esta forma la presión del yacimiento. En este caso la presión estabilizada es la presión de abandono. Si es el factor volumétrico del gas a la presión de abandono y la saturación residual de gas, expresada como una fracción del volumen poroso, después de que el agua invade la unidad, una unidad (1 acre−pie) de roca de yacimiento en las condiciones de abandono contiene (en pies cúbicos): Volumen de agua: Volumen de gas a cond. Del yacimiento. : Volumen de gas a condiciones normales: La recuperación unitaria es la diferencia entre el gas inicial y el residual en la unidad del volumen total de roca ambos a condiciones normales, o: Recuperación unitaria en (9) El factor de recuperación expresado como porcentaje del gas inicial en el yacimiento es: Factor de recuperación = (10) Si el empuje hidráulico es muy activo y prácticamente no ocurre disminución en la presión del yacimiento, la recuperación unitaria y el factor de recuperación, respectivamente, se convierten en: Recuperación unitaria = (11)

10

 

Factor de recuperación: (12) Debido a que la saturación residual del gas es independiente de la presión, la recuperación será mayor para una presión menor de estabilización. La saturación residual de gas puede medirse en el laboratorio mediante muestras representativas de la formación. En muchas oportunidades los valores varían entre 16 y 50 %, con un promedio de 30%. Estos datos ayudan a explicar en parte las recuperaciones tan bajas obtenidas en algunos yacimientos con empujes hidráulicos. Por ejemplo, un yacimiento de gas con una saturación inicial de agua de 30% y una saturación residual de gas 35%, tiene un factor de recuperación de solo 50% si se produce por empuje hidráulico activo, es decir, donde la presión del yacimiento se estabiliza cerca de la presión inicial. Cuando la permeabilidad del yacimiento es uniforme, este factor de recuperación es significativo, excepto por una corrección que toma en cuenta la eficiencia de la configuración de drenaje y la conificación de agua o lóbulos formados por ésta. Cuando existen formaciones bien definidas de bajas y altas permeabilidades, el agua avanza más rápido por entre las capas más permeables, de manera que cuando un pozo de gas se abandona por su excesiva producción de agua, aún queda considerable cantidad de gas por recuperar en las capas menos permeables. Debido a estos factores puede concluirse que las recuperaciones de gas por empuje hidráulico son generalmente inferiores a las de depleción volumétrica; sin embargo, esta conclusión no se aplica para el caso de recuperaciones de petróleo. Yacimientos de gas con empuje hidráulico tienen la ventaja que mantienen presiones de flujo y tasas de producción mayores que en yacimientos de gas con empuje por depleción o agotamiento. Esto se debe, naturalmente, al mantenimiento de una presión mayor como resultado de la intrusión de agua. En el cálculo de las reservas de gas de una unidad o una zona determinada en arrendamiento, es de mayor importancia conocer el gas recuperable por pozo a pozos de dicha zona que el gas total recuperable inicialmente de tal unidad o área, parte del cual puede ser recuperado por pozos adyacentes. En yacimientos volumétricos, donde el gas recuperable bajo cada sección (pozo) del yacimiento es el mismo, las recuperaciones serán iguales siempre y cuando los pozos produzcan en la misma proporción. Por otra parte, cuando varía el gas existente n las unidades en el caso en quede varíe espesor desección la formación, los diferentes pozos producen en la(pozos), misma como proporción, la reserva gas elinicial de la donde ylasi formación es de mayor espesor será menor que el gas recuperable inicial de esa sección. En yacimientos de gas con empuje hidráulico, cuando la presión se estabiliza cerca de la presión inicial del yacimiento, un pozo situado en la parte más baja de la estructura divide su gas inicial recuperable con los demás pozos buzamiento arriba y en línea con él. Por ejemplo, si se perforan tres pozos en línea a lo largo del buzamiento en la parte superior de sus respectivas unidades, asumidas iguales, y si todos producen a la misma proporción, el pozo situado en la parte inferior de la estructura recuperará aproximadamente una tercera parte del gas subyacente inicial. Si el pozo se perfora más abajo en la estructura cerca del centro de la unidad, su recuperación será aún menor. Si la presión es estabiliza por debajo de la presión inicial del yacimiento, el factor de recuperación aumentará para los pozos situados en la parte inferior de la estructura. BALANCE DE MATERIALES EN YACIMIENTOS DE GAS 11

 

En las secciones anteriores se calculó el gas inicial en el yacimiento en base a una unidad (1 acre−pie) de volumen total de roca productora a partir de valores conocidos de porosidad y saturación de agua innata. Para calcular el gas inicial en el yacimiento existente en determinada sección o parte del yacimiento fue necesario conocer, además de la porosidad y saturación de agua innata, el volumen total de roca de la sección. En muchos casos, sin embargo, no se conoce con suficiente exactitud uno o varios de estos factores y, por tanto, los métodos descritos anteriormente no pueden usarse. En este caso, para calcular el gas inicial en el yacimiento, se debe usar el método de balance de materiales; sin embargo, este método se aplica sólo para la totalidad del yacimiento, por la migración de gas de una parte del yacimiento a otra, tanto en yacimientos volumétricos como en aquellos de empuje hidráulico. Antes de proceder con el estudio del balance de materiales, es necesario saber las condiciones bajo las cuales se aplica. aplica . Las suposiciones hechas son: Volumen poroso homogéneo. El espacio poroso se encuentra inicialmente ocupado por gas y agua connata. ◊ Distribución uniforme de la presión. El gas a P promedio del yacimiento. ◊ La composición del gas permanece constante. ◊ Se considera Rsw = 0, Bw = 1. ◊ Yacimiento Isotérmico, T = cte. ◊ No hay dirección para el flujo de fluidos. ◊ La expansión del agua connata o de la roca del yacimiento se asume despreciable. La conservación de la materia aplicada a yacimientos de gas da el siguiente balance de ◊

materiales:

También podemos hacer el balance con un compuesto definido, por ejemplo metano. Cuando la composición de la producción es constante, los pies cúbicos normales producidos y remanentes en el yacimiento son directamente proporcionales a sus masas y, por tanto, podemos efectuar el siguiente balance de materiales en términos de pies cúbicos normales:

Por último, podemos hacer un balance de materiales en términos de moles de gas, así:

(13) Los subíndices significan producido, inicial y final, respectivamente. El término final denota una etapa posterior de producción y no abandono necesariamente. Si es el volumen poroso inicial disponible para gas en pies cúbicos, y si a una presión final entran pies cúbicos de agua al yacimiento y se producen 12

 

pies cúbicos de agua del mismo, entonces el volumen final después de producir pies cúbicos normales de gas es: (14) es el factor volumétrico del agua en unidades de barriles del yacimiento por barril en la superficie a condiciones normales, y son los volúmenes porosos disponibles para gas, es decir, no incluyen agua innata. Los términos de la ecuación 13 pueden remplazarse por sus equivalentes empleando la ley de los gases:

(15) Esta expresión (ecuación 15) corresponde a la ecuación generalizada de balance de materiales para yacimientos de gas, donde es el volumen de gas producido en pies cúbicos normales a presión y temperatura normales, .

Yacimientos Volumétricos (sin intrusión de agua) Los yacimientos volumétricos carecen de intrusión de agua y su producción de agua es generalmente insignificante; en esta forma, la ecuación (15) se reduce a: ◊

(16) Para valores establecidos de y y ya que y en yacimientos volumétricos son fijos, la ecuación (16) puede expresarse en la siguiente forma:

(17) donde:

13

 

y

La ecuación (17) indica que para un yacimiento volumétrico de gas la relación entre la producción acumulativa de gas en pies cúbicos normales y la razón es una línea recta negativa m. Lacomo figurafunción 5 muestra acumulativa de gasdeenpendiente pies cúbicos normales de un gráfico de producción . Dentro de los límites de tolerancia de los valores de la presión promedia del yacimiento y producción acumulativa, la curva como función de es lineal y puede extrapolarse a presión cero para encontrar el gas inicial en el yacimiento, o al valor de abandono de para hallar la reserva inicial. La figura 5 también presenta un gráfico de producción acumulativa de gas como función de presión. Como lo indica la ecuación (17), éste no es lineal, y las explotaciones tomadas de este gráfico son erróneas. Ya que el valor mínimo del factor de desviación del gas se presenta cerca de 2500 lpca, las extrapolaciones del gráfico de como función de darán resultados bajos de si se hacen por encima de 2500 lpca, y altos si se hacen por debajo de 2500 lpca. La ecuación (16) puede usarse gráficamente como lo indica la figura 3 para determinar el gas inicial en el yacimiento o las reservas a cualquier presión de abandono.

Yacimientos de Gas con Intrusión de Agua (no volumétricos) La ecuación (15) puede expresarse en función de los factores volumétricos del gas, y . Resolviendo para , se obtiene: ◊

Pero

Luego

14

 

Sustituyendo por su equivalente convierte la ecuación anterior en

Dividiendo los términos por y desarrollando se obtiene:

(18) Si los factores volumétricos del gas de expresan en pies cúbicos del yacimientos por pie cúbico normal en lugar de pie cúbicos normales por pie cúbicos de yacimientos, estos factores se convertirían en los recíprocos de los anteriores y la ecuación anterior se reduce a una forma mas simple. (19) Deben tenerse presente que el factor volumétrico del gas puede expresarse en cuatros sistemas de unidades. Por consiguiente deben observarse cuidadosamente las ecuaciones que lo contengan y se debe estar seguro de usar las unidades apropiadas al caso. En la ecuación (19) debe expresarse y a las mismas presiones y temperatura base que los factores volumétricos del gas. es el volumen del gas producido a la presión ; es la variación en volumen del gas inicial cuando se dilata de a ;y y son los volúmenes de intrusión y de producción de agua, respectivamente. La ecuación (19) puede escribirse:

En Yacimientos volumétricos la cantidad de gas producido es igual al volumen de expansión. En este caso, la ecuación (19) se convierte en: (20) Si se conoce la instrucción de agua en yacimientos de gas con empuje hidráulico, puede usarse la ecuación (15) o su equivalente la ecuación (19), para calcular el gas inicial en el yacimiento, o también para calcular la intrusión de 15

 

agua si se conoce el gas inicial en el yacimiento con buena aproximación a partir de núcleos y registros eléctricos. Generalmente, cuando se trata de evaluar cuantitativamente el comportamiento de un yacimiento de gas, se toman mediciones precisas y frecuentes de la presión y de la producción. La recolección de esta información facilita la preparación de un gráfico de los valores P / Z versus Gp. Si se obtiene una línea recta, se puede concluir, que el yacimiento es volumétrico. Inclusive, se puede proceder a la extrapolación de la recta obtenida para determinar la totalidad del gas inicial en sitio en el yacimiento (Gi). Si la línea obtenida no es recta y muestra una pendiente decreciente, esto indica que el yacimiento no es volumétrico sino que, además de la energía que posee como resultado de su compresibilidad, tiene una entrada de energía adicional al volumen de control, y la procedencia de esta energía es atribuible al empuje de un acuífero (figura 5). El flujo de agua (o de otro fluido, como es el caso de comunicación mecánica con un yacimiento de petróleo a mayor presión), hace que las presiones medidas sean mayores de las esperadas si el yacimiento fuese volumétrico. En estos casos, la Ecuación Generalizada de Balance de Materiales para yacimientos de gas se utilizan para cuantificar We vs. P, luego de haber estimado Vi por métodos volumétricos (mapas, perfiles petrofísicos de pozos, análisis de laboratorio de las rocas y de los fluidos). El agua producida debería ser aforada para disponer de cifras cronológicamente confiables; sin embargo, no esmensuales común hacerlo u se recurre a lamanera, estimación del agua alproducida utilizando las esto pruebas de control. De igual se procederá cálculo de la producción de gas natural durante el período de aplicación de la prueba.

Producción de Líquidos de Yacimientos De Gas Se definen como yacimientos de gas natural aquellos que a lo largo de toda su historia se mantienen en el yacimiento en estado de vapor (Py, Ty). Sin embargo, este tipo de yacimiento puede producir cierto volumen de líquido por condensación, lo cual ocurre en las tuberías de producción y en las instalaciones de superficie. Esta condensación ocurre por enfriamiento y fuera del yacimiento. ◊

La ecuación de balance de materiales continúa siendo aplicable en estos casos. Sin embargo, hay que tener la precaución de convertir los líquidos producidos a su respectivo volumen gaseoso y agregar éste a lo volúmenes registrados de gas producido. Este procedimiento es indispensable porque los hidrocarburos producidos como líquidos también eran gaseosos a condiciones del yacimiento y procedieron de éste, ocasionando la correspondiente disminución en el volumen o volúmenes de gas producido, medido o medidos como gas seco.

Tamaño del Yacimiento de Gas La ecuación de balance de materiales puede ser usada en conjunto con la ecuación volumétrica para determinar el número aproximado de acres ocupados por el yacimiento. Esta técnica es particularmente ventajosa cuando un pozo ha sido perforado en un yacimiento nuevo y se desea conocer el tamaño del yacimiento para poder determinar donde se pueden perforar nuevos pozos. Esta técnica tiene la misma limitación que cualquier otra aplicación de la ecuación de balance de materiales, es decir, que la precisión aumenta a medida que se tenga mayor data de producción disponible. Las ecuaciones usadas para determinar el tamaño del yacimiento son: ◊

16

 

(21) y

(22) donde: A: Extensión areal del yacimiento, acres. h: Espesor del yacimiento,pies. : Porosidad del yacimiento, fracción. Swi: Saturación de agua connata, fracción. 7758: Factor de conversión, barriles por acre−pie. Después que un pozo ha sido perforado, se asume que se dispone de valores razonables de porosidad, saturación de agua connota y espesor del yacimiento. Las ecuaciones (21) y (22) pueden ser combinadas para determinar el valor de A:

Intrusión de Agua Mucho de los cálculos presentados asumen que no ocurre intrusión de agua. Se conoce que el empuje hidráulico activo existe para yacimientos de gas así como para yacimientos de petróleo; de hecho, hay yacimientos donde las reservas de gas se han depletado sin ninguna caída apreciable en la presión del yacimiento, debido a la existencia de un acuífero muy activo. ◊

Muchos métodos están disponibles para estimar la tasa de intrusión de agua al yacimiento. Las más comunes de estas son: ♦

Determinación del contacto gas−agua en pozos perforados después que se hayan producido

grandes los cantidades gas. Usando datos dedeproducción individuales de cada pozo. ♦ Usando la ecuación de balance de materiales. ♦

17

 

La ecuación de balance de materiales puede ser usada en algunos casos con un grado razonable de precisión para determinar la intrusión de agua. Una técnica similar ha sido propuesta para el uso con la ecuación de balance de materiales en yacimientos de petróleo. Haciendo referencia nuevamente a la ecuación (21), es obvio que G debe ser una constante, y, sin importar el volumen de gas que se haya producido, el valor de G en la ecuación (21) debe ser el mismo, si se han usado los datos correctos. Además, una gráfica de G vs Vg debe ser una línea horizontal, como se observa en la figura 6. Sin embargo, si la ecuación (21) es usada para calcular G en un yacimiento donde hay intrusión de agua, el valor calculado de G continuará incrementándose a medida de aumenta Vg. Esto es porque una ecuación de balance de materiales incorrecta está siendo usada, y en lugar de calcular G, lo que se está obteniendo es G + f(W), donde f(W) es una función de la intrusión de agua. Esto puede ser ilustrado usando la ecuación de balance de materiales para un yacimiento de gas con intrusión de agua:

(23) Reordenando se obtiene:

(24) Si actualmente hay intrusión de agua en el yacimiento, en vez de graficar G en la ordenada, la gráfica propiamente debe ser:

que se obtiene al reordenar la ecuación (24):

donde:

18

 

(25) Una gráfica de G + C vs Vg se muestra en la figura 7. Ordenada continuará aumentando debido a que We, en el término C, aumenta con el tiempo. Sin embargo, al tiempo cuando la producción de gas acumulada es cero, no habrá intrusión de agua y el término C también será cero. Si muchos puntos de G + C vs Vg pueden ser extrapolados hasta el punto donde Vg es cero, se puede determinar un valor real de G. Esta técnica a menudo puede ser usada en yacimientos con empuje hidráulico. Este método no sólo es bueno para determinar el gas original en sitio, sino que también sirve para predecir la cantidad de agua que habrá invadido el yacimiento en un futuro. La intrusión de agua puede ser calculada partiendo de la ecuación (25) de donde se obtiene:

RESERVAS Son los volúmenes de hidrocarburos que, de acuerdo a la información geológica y de ingeniería disponible, presenta alta probabilidad (90%) de ser recuperados bajo condiciones económicas y de abandono de los pre−establecidas. Aquí se presenta el cálculo de las reservas por los métodos volumétricos y declinación de presión (balance de materiales).

Yacimientos de Gas Seco ◊ Método Volumétrico Reservas de Gas = GOES*FR ◊

Donde FR es el factor de recobro que representa la fracción del GOES que puede extraerse (o que se ha extraído) de un yacimiento. Para yacimientos recién descubiertos, se usa un FR análogo de yacimientos similares a los descubiertos. Se recomienda: Yacimientos volumétricos (cerrados): FR = 0,8"0,9 ⋅ Yacimientos con empuje moderado de agua: FR = 0,7"0,8 ⋅ Yacimientos con empuje activo de agua: FR = 0,5"0,6 Estos valores son debido a que el gas atrapado por el agua le resta efectividad al empuje hidráulico. ⋅

Método de Declinación de Presión (P/Z) Para yacimientos de gas seco se tiene: ◊

19

 

Donde: Pi: Presión inicial del yacimiento, lpca P: Presión del yacimiento luego de producir un volumen de gas Gp dado, lpca Zgi: Factor de compresibilidad del gas @ Pi y Tf, adimensional Zg: Factor de compresibilidad del gas @ P y Tf, adimensional G: GOES, PCN Gp: Gas producido acumulado a una presión P, PCN

Procedimiento: Determinar los factores de compresibilidad del gas a las diferentes presiones disponibles. ♦ Graficar P/Zg vs Gp. ♦ Interpolar una línea recta a través de los puntos. ♦ Extrapolar una línea recta hasta P/Zg = 0. El punto de corte sobre el eje horizontal representa el gas original en sitio (GOES) como se ilustra en la figura 8. ♦

♦

Calcular las reservas (Gpab) a una presión de abandono dada (Pab) entrando con el valor de Pab/Zgab y leyendo sobre el eje horizontal el valor de Gpab. ◊ Yacimientos de Gas Húmedo ◊ Método Volumétrico Reservas de Gas = GOES*FRg Reservas de Líquido = COES*FRL Debido a que la composición del gas húmedo no cambia durante el agotamiento de presión, la RGL permanece constante y se cumple: FRg = FRL = FR Donde FR tiene los mismos valores del caso de yacimientos de gas seco.

Método de Declinación de Presión (P/Z) Para yacimientos de gas húmedo se tiene: ◊

Donde: G = GHOES: Gas húmedo original en sitio, PCN Gpt: Producción total acumulada de fluido (gas del separador, hidrocarburos líquidos y agua) equivalente en gas, PCN

20

 

, PCN donde el primer término de la ecuación se refiere al gas del separador, el segundo es el petróleo equivalente en gas y el último, se refiere al agua equivalente en gas, siendo: NL: Producción acumulada de hidrocarburos líquidos, BN Wp: Agua producida acumulada, BN W: Gravedad específica del agua producida (agua = 1) W: Mw: Peso molecular del agua, lb/lbm (Mw = 18)

Procedimiento: Determinar Zgh y Gpt a las diferentes presiones disponibles ♦ Graficar P/Zgh vs Gpt. ♦ Interpolar una línea recta a través de los puntos. ♦ Extrapolar una línea recta hasta P/Zgh = 0. El punto de corte sobre el eje horizontal representa el gas húmedo original en sitio (GHOES) como se ilustra en la figura 9. ♦

♦

Calcular Pab/Zghab fijando la presión de abandono para el yacimiento (Pab). Entrar con este valor y leer sobre el eje horizontal el valor de Gptab. ♦ Determinar las reservas de gas y líquido a partir de Gptab. Res. Líquido =

Res. Gas = Gpab = RGL*NLab RGL y RAL, relación gas−líquido (PCN/BN) y agua−líquido (BN/BN), permanecen constantes durante la explotación del yacimiento. El agua que produce un yacimiento volumétrico de gas se considera que proviene de la condensación del vapor de agua que satura el gas en el yacimiento.

Yacimientos de Gas Condensado En estos yacimientos al caer la presión por debajo de la presión de rocío ocurre condensación retrógrada, este condensado queda retenido en el medio poroso y por lo tanto el gas condensado producido se empobrece en componentes intermedios y pesados y aumenta la relación gas−condensado (RGC). ◊

Método Volumétrico Reservas de Gas = GOES*FRg ◊

Reservas de Condensado = COES*FRc

21

 

Para una presión de abandono de 500 lpca se tiene a partir de las correlaciones de Eaton y Jacoby:

Donde: RGCi: Relación gas condensado inicial, PCN/BN Pi: Presión inicial, lpca Tf: Temperatura del yacimiento, °F °API: Gravedad API del condensado del tanque

Método de Declinación de Presión (P/Z) Para un yacimiento de gas condensado con condensación retrógrada en el yacimiento y sin intrusión de agua se tiene: ◊

donde: G = GCOES: Gas condensado original en sitio, PCN

, PCN Z2f: Factor de compresibilidad bifásico, adimensional Este factor tiene en cuenta la compresibilidad de ambas fases considerando que la mezcla se comporta como un gas. La prueba PVT de gas condensado arroja estos valores. Si no se tiene una prueba PVT consistente, el valor de Z2f se puede estimar de la correlación de Rayes, Piper y McCain:

22

 

Válido para 0,7 < Psr < 20,0 y 0,1 < Psr < 2,1

Procedimiento: Determinar Z2f y Gpt a las diferentes presiones disponibles. ♦ Graficar P/Z2f vs Gpt. ♦ Interpolar una línea recta a través de los puntos. ♦ Extrapolar una línea recta hasta P/Z2f = 0. El punto de corte sobre el eje horizontal representa el gas condensado original en sitio (GCOES) como se ilustra en la figura 10. ♦

Fijar la presión de abandono (Pab) para el yacimiento y calcular Pab/Z2fab. Entrar con este valor y leer sobre el eje horizontal el valor de Gptab. ♦ Determinar las reservas de gas y condensado a partir del Gptab: ♦

Res. de Condensado =

Res. de Gas =

y

se obtienen extrapolando las curvas de vs Gpt y vs Gpt. (figuras 11 y 12). Se entra con Gptab obtenido de la figura 7 y se leen los valores

y al abandono.

FLUJO DE GAS REAL: PRUEBA PARA POZOS DE GAS La ecuación diferencial básica para flujo de fluido radial puede ser aproximadamente linealizada para flujo de gas real. Esto se logra usando la función de pseudo presión del gas 23

 

real:

y consecuentemente, todas las ecuaciones están expresadas en términos de la función m(p) en lugar de presiones reales. La solución de la constante de velocidad terminal de la ecuación radial de difusividad es entonces presentada en forma adimensional, equivalente a las funciones Pd para flujo líquido, y la solución es aplicada a los análisis de pruebas para pozos de gas. LINEALIZACIÓN Y SOLUCIÓN DE LA ECUACIÓN DIFERENCIAL PARA EL FLUJO RADIAL DE UN GAS REAL Asumiendo conservación de la masa, ley de Darcy y aplicando la definición de compresibilidad de un fluido, la ecuación básica para el flujo radial de fluido monofásico en un medio poroso fue derivada como:

(26) Esta ecuación fue linealizada para flujo líquido eliminando términos, asumiendo que: ◊

era independiente de la presión.

◊

era pequeña y por lo tanto era despreciable ◊ c era pequeña y constante así que cp