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SECCION 5

ASPECTOS DE DISEÑO

1. Procesos de Diseño 2. Fuentes de agua de inyección  Calidad  Compatibilidad  Reciclaje del agua producida 3. Requerimientos de (rata de inyección/volumen requerido) de agua 4. Tiempo óptimo 5. Nivel óptimo de presión de inyección 6. Saturación del fluido al inicio de la inyección de agua 7. Saturación residual de aceite al final de la inyección de agua 8. Diseño o modelo de pozo optimo 9. Filosofía de inyección 10. Requerimiento de pozo de inyección 11. Un proyecto piloto 12. Facilidades de superficie 13. Respuesta generalizada a un proceso de inyección de agua típico 14. Procedimiento de diseño en un proyecto de inyección de agua

1. PROCESOS DE DISEÑO La inyección de agua es muy simple en concepto: el agua a una presión más alta que la presión del yacimiento se inyecta a través de pozos de inyección ubicados adecuadamente con el objetivo de complementar la energía de presión natural en el sistema de depósito / acuífero.

PROJECT DESIRABILITY OIL TARGET SELECION CRITERIA

NO

YES

EOR

WATER SOURCE QUANTITY QUALITY

WHERE TO INJECT

PERIPHERAL

PATTERN

WHAT TO EXPECT

RECOVERY RATE PROFILE FACILITIES RETURNS ECONOMIC

RISKS INJECTIVITY ISSUES DISPLACEMENT EFF. AREAL CONTACT VERTICAL CONTACT PRODUCTIVITY ISSUES

¿PORQUE EL AGUA ES EL MEJOR FLUIDO DE INYECCION? Ventajas 

Fácilmente disponible y a un bajo costo.



La eficiencia de recuperación del proceso de inyección de agua generalmente es alta debido a:

-

Se logra una alta eficiencia de desplazamiento debido a la relación de movilidad favorable: el agua de baja movilidad tiende a desplazar de manera eficiente el aceite de alta movilidad dejando una saturación de aceite residual muy baja (𝑆𝑜𝑟𝑤 ) cuando la producción de WOR se vuelve antieconómica.

-

Se logra una alta eficiencia de barrido volumétrico debido a la relación de movilidad favorable entre el agua y el aceite, y la posibilidad de una inyección continua de un mayor volumen de agua.



La mayoría de las rocas del yacimiento están mojadas por agua

-

Las fuerzas capilares promueven la entrada de agua en los poros más pequeños.

-

La permeabilidad efectiva al agua es menor; por lo tanto, el movimiento del agua a través del yacimiento es más lento.



El agua proporciona la cabeza hidráulica por sí misma y, por lo tanto, proporciona una inyectividad suficiente en muchos yacimientos (pozos de inundación de descarga, por ejemplo).



El bombeo de agua para aumentar la presión de inyección por encima de la cabeza hidráulica es relativamente económico.



El factor volumétrico de formación del agua (RB / STB) es aproximadamente uno. Por lo tanto, el volumen de agua requerido para reemplazar la voidage del yacimiento es relativamente bajo.

Desventajas 

Ajustes en pozos e instalaciones debido a incompatibilidad de agua.



Taponamiento de pozos de inyección debido a sólidos suspendidos y aceite atrapado.



Corrosión en pozos e facilidades de superficie.



Producción, manejo, separación y eliminación de agua producida.

Si bien el proceso de diseño es bastante directo, requiere que el diseñador tenga una buena comprensión de factores tales como (1) ubicación del campo y su terreno, (2) caracterización del yacimiento, (3) mecanismos naturales de conducción y sus eficiencias de recuperación (4) el estado de los fluidos de yacimiento y su distribución antes de la inyección del agua, (5) la disponibilidad de la infraestructura en el área del proyecto, y (6) una serie de otras consideraciones secundarias. Un diseño eficiente honraría estas condiciones y limitaciones de gran tamaño. El proceso de diseño se puede dividir en tres pasos principales: 1. Planos conceptuales 2. Diseño preliminar 3. Diseño final Estos pasos se pueden ver desde el punto de vista de un embudo, como se muestra en la figura. DESIGN PROCESS FLOW

CONCEPTUAL PLANS • REGIONAL ANALOGS • FAC./COSTS ON REGIONAL BASIS

PRELIMINARY DESIGN • NEAREST ANALOG • FACT./COST ON LOCAL BASIS

TECHNICAL / FINANCIAL CONTROLS

FINAL DESIGN SITE SPECIFIC

INICIO SIMPLE AL PRINCIPIO AÑADIR SOFISTICACIÓN A MEDIDA QUE EL DISEÑO PROCEDE PLANIFICACION CONCEPTUAL Este paso comienza con la recopilación de los datos disponibles sobre el yacimiento y la información publicada / no publicada sobre los proyectos de inyección de agua en el área y la región. Recolección de datos 

Ubicación del campo (offshore, onshore, straddling)



Terreno de campo y accesibilidad



Forma del yacimiento



Volúmenes de hidrocarburos en sitio i. ii.



Inicialmente y en la actualidad Las saturaciones de aceite, gas, agua y sus distribuciones

Caracterización de yacimientos i. Propiedades de rocas y los fluidos ii. Variaciones verticales y areales iii. Continuidad de la zona, fracturas, fallas iv. Permeabilidad direccional v. Formación de buzamiento vi. Capa de gas & Aquifer: tamaño y conectividad vii. Rumbo de la región



Desarrollo de yacimientos previos i. Número y tipo de pozos ii. Productividad de pozos y completamientos iii. Ubicación de pozos iv. Instalaciones de recolección y separación v. Prácticas de producción - flujo natural o levantamiento vi. Historial de producción: petróleo, gas y agua vii. Problemas - yacimiento, ambiente, pozo relacionado viii. Estudios - Desarrollo y Economía relacionada

Información publicada / no publicada

Una fuente de información no utilizada es la literatura publicada y las opiniones / experiencias inéditas de profesionales en proyectos en la región o en entornos similares en otros lugares. No se puede enfatizar demasiado que una revisión crítica de esa información proporcionará una guía sobre (1) lo que funciona, (2) lo que falla y por qué, (3) los problemas exclusivos del área, (4) las tendencias de producción, (5) re - expectativas de coberturas, y (6) anfitriones de otras cositas pertinentes. Un análisis juicioso e interpretación de los datos/informaciones anteriores permitirá a un ingeniero enumerar: 1. Escenarios prometedores que necesitan una mirada más profunda 2. Requerimientos de datos faltantes y críticos 3. Requisitos de las instalaciones y sus costos (a nivel mundial o regional) 4. Análogos regionales que proporcionarán instrucciones y servirán como guías DISEÑOS PREÑIMINARES Los escenarios prometedores se vuelven a visitar con el objetivo de desarrollar diseños preliminares con suficientes detalles que puedan ser utilizados para la planificación del desarrollo, las especificaciones de las instalaciones y el análisis económico. Estos diseños proporcionarán la mayor parte de la siguiente información: 1. Desarrollo gradual o completo 2. Vida del proyecto 3. Tasa inicial de petróleo (consideraciones sobre la tasa de declinación) 4. Pronósticos de tasas de producción 5. Tasa de inyección de agua 6. Disposición de inyección de agua y espaciamiento de pozos 7. Fuentes de agua de inyección 8. Disposición del agua producida 9. Diseño preliminar de las facilidades 10. Estimaciones de CAPEX y OPEX 11. Análisis económico 12. Análisis de sensibilidad

13. Riesgos y planes de mitigación 14. Programas de monitoreo de pozos / yacimientos 15. Logística e Infraestructura 16. Requerimientos de datos adicionales En este sentido, se emplean muchas herramientas, dependiendo de los objetivos corporativos, la inclinación técnica y el modus operandi del operador, el tamaño del yacimiento y los beneficios potenciales. Estas herramientas en su orden de sofisticación se enumeran a continuación: 

Prácticas locales



Análogos



Técnicas convencionales



Tecnología de simulación de última generación



Combinación de los anteriores DISEÑO FINAL

Uno o dos escenarios "lo mejor de lo mejor" técnicamente factibles y económicamente atractivos se estudian en profundidad (utilizando los datos de ingeniería y costos más confiables) para seleccionar un plan de desarrollo óptimo que cumpla con los objetivos corporativos. Un diagrama de flujo para tal estudio se muestra en la figura. Una vez que los expertos técnicos / financieros y sus gerencias apoyan el plan, se presenta a la gerencia superior para su aprobación y financiamiento. Una vez aprobado, el plan está listo para la implementación del campo. Los componentes esenciales del plan de desarrollo son: 1. Pronóstico de la tasa de producción de petróleo, gas y agua 2. Pronóstico de la (s) tasa (s) de inyección 3. Devoluciones económicas 4. Cronogramas de implementación - Perforación de pozos y construcción de instalaciones 5. Gestión de la inyección de agua 

Programa de evaluación y mitigación de riesgos



Programa de monitoreo del desempeño



Necesidades de datos especiales y de rutina

6. Expectativa de recuperación 

Índices de rendimiento



Optimización del rendimiento



Mejora de la recuperación

7. Alternativas posteriores a la inyección PROCESO DE FLUJO PARA EL DISEÑO DE UN PROYECTO DE INYECCION

CONCEPTUAL PLANS

PRELIMINARY DESIGNS

STUDIES

LABORATORY

SOURCE SUPPLY SURFACE FACILITIES

GEOLOGICAL RESERVOIR ENGINEERING

CONVENTIONAL SIMULATION

SCALE-UP

ECONOMICS

FINAL DESIGN

PILOT

FIELDWIDE PROJECT

El plan de desarrollo está sujeto a cambios. Debe entenderse claramente que un plan de desarrollo, sin importar cuán bien se conciba, no está expresado en forma concreta. Requeriría modificaciones y alteraciones continuas, basadas en: 1. Desviaciones del rendimiento del campo de lo esperado 2. Cualquier resultado imprevisto e inesperado en el yacimiento o el comportamiento del pozo 3. Cambios en el clima económico 4. Implementación de una tecnología más nueva 5. Cambios globales en la oferta y la demanda La actualización y actualizaciones continuas para lograr un desarrollo óptimo del yacimiento que dé como resultado una recuperación económica máxima es la esencia de una buena gestión de la inyección de agua.

2. FUENTES DE AGUA DE INYECCION La disponibilidad suficiente de la cantidad de agua para una calidad aceptable y la compatibilidad con la roca/aceite/ agua de formación son consideraciones esenciales en un proyecto de WF. El agua puede llegar a ser un inconveniente si crea problemas con la productividad / productividad de los pozos y con la integridad mecánica de la distribución del agua, la inyección, el tratamiento y las instalaciones de eliminación. Las principales fuentes de agua son: 1. Acuíferos someros, particularmente si sus aguas no pueden ser utilizadas para el consumo doméstico o agrícola. 2. Agua superficial de un lago, río o mar 3. Agua producida

Ocean, Lake or River

Surface Treatment Equipment

Produced Water

Source Well

Injector

Los requisitos de calidad del agua para la inyección son: 1. Compatibilidad con la roca del yacimiento y agua de formación 2. Menos corrosivo para el inyector / productor / instalaciones 3. Favorable al medio ambiente COMPATIBILIDAD CON RESERVORIO ROCA Y FORMACIÓN DE AGUA

La incompatibilidad con la roca puede provocar hinchazón de la arcilla, desfloculación de la arcilla y alteración de la mica, los finos mientras se mueven se alojan en las gargantas de los poros y dan como resultado un deterioro de la inyectividad y un perfil de permeabilidad alterado. La incompatibilidad con el agua de formación puede dar como resultado la formación de precipitados al mezclarse y al desequilibrio químico debido a la presión, la temperatura o el cambio de pH. Estos precipitados tendrán poca consecuencia si se dejan llevar por la producción, pero podrían formar escamas cuando se adhieren a cualquier superficie en los sistemas de recolección, almacenamiento o eliminación de la producción. Las escalas comunes son:    

Carbonato de Calcio Sulfato de Calcio Sulfato de Estroncio Sulfato de Bario

Mitigación de escamas: la compresión de productos químicos es la solución más utilizada para eliminar escamas de Carbonato de Calcio y Sulfato de Calcio. Los sulfatos de bario y de estroncio son escamas muy desagradables (radiactivas) y su mitigación puede ser muy costosa. Dado que los inhibidores de incrustaciones son sustancias químicas muy agresivas, se están investigando nuevos métodos más seguros. Existen modelos de potencial de ajuste que pueden predecir la tendencia de desincrustación asociada con el tipo de inyección de agua y la metalurgia utilizada en las facilidades. La presencia de sólidos en suspensión impide la inyectividad del agua debido a: (1) llenado del pozo, (2) estrechamiento del pozo debido a la formación de la torta del filtro, (3) obstrucción profunda del yacimiento y (4) formación de piel en la cara del pozo. MENOS CORROSIVO La corrosión se produce en las instalaciones debido a la presencia de gases disueltos (oxígeno, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno) en el agua inyectada y producida. El agua de inyección se desgasifica primero y se purga con nitrógeno y se añaden los captadores de oxígeno (bisulfito de amonio, bisulfito de sodio, dióxido de azufre) para reducir aún más el oxígeno a menos de una parte por millón. Los productos son tratados rutinariamente con inhibidores de corrosión (filmando Aminas) para protegerlos internamente. Los productores y las instalaciones están protegidos externamente con dispositivos de protección catódica.

FAVORABLE AL MEDIO AMBIENTE La presencia de bacterias en el agua de inyección crea corrosión, suciedad y obstrucción del equipo. Los yacimientos dulces pueden convertirse en producción agria si se introducen bacterias reductoras de sulfato (SRB) en un yacimiento. NOTA: El pleno cumplimiento de lo anterior es exigente y costoso. Las soluciones rentables se desarrollan continuamente y cumplen con los requisitos anteriores. Los problemas resultantes de la falta de adherencia a lo anterior generalmente se tratan más tarde por medios químicos y mecánicos. El éxito de la inyección de agua depende de la calidad del agua de inyección 







Debe ingresar al espacio de poro del yacimiento sin obstruir ni obstruir físicamente la inyección. Los sólidos suspendidos se deben eliminar para cumplir con las restricciones de tamaño de poro. Los aceites suspendidos también deben eliminarse si es posible. Bacteria productora de lodo debe ser asesinada. No debe corroer los metales. Por lo tanto, los gases disueltos de oxígeno y ácido deben eliminarse por medios físico-químicos y recubrimientos, protección catódica y los productos químicos deben proteger los metales. No debe restringir (apretar o encoger) la tubería / revestimiento por deposición de incrustaciones. El adormecimiento químico es necesario para minimizar esta tendencia. No debe introducir bacterias dañinas (SRB, Bacteria de hierro) en el yacimiento. Ellos deben ser asesinados.

MÉTODOS PARA EVALUAR LOS PROBLEMAS CON LA INYECCIÓN DE AGUA Métodos de laboratorio: las pruebas simples de laboratorio pueden proporcionar la información necesaria. Estos son:    

Análisis químico de la formación y el agua de inyección Análisis mineralógico de la roca del yacimiento Mezcla de aguas bajo condiciones controladas de P y T Pruebas de inundación de núcleo en las que el agua de inyección fluye a través de un compuesto de núcleo representativo. El cambio del caudal a una presión constante diferencial o el cambio de presión diferencial a una velocidad de inyección constante es indicativo de obstrucción de la formación. Además, los cambios observados cuando la dirección del flujo se invierte son indicativos de la permanencia del daño.

Water injection Rate

Qi

Good Bad

Worst

Cumulative Water Injection

CONTROLES DE INYECCIÓN DE CALIDAD DEL AGUA CUESTIONES Corrosión

Gases Disueltos

Suspensión de Sólidos

Lodo y Bacteria

ENFOQUES Recubrimiento de superficies metálicas Protección catódica Inhibidor Squeeze Aireación Vacío Stripping contracorriente Carroñeros de oxígeno Filtración Flotación Sedimentación Centrifugando Ciclones Biocidas Aminas Bacteria

RECICLAJE DE AGUA PRODUCIDA Con el aumento de la producción de agua a medida que la inyección de agua madura y aumenta las dificultades / costos asociados con la eliminación del agua producida, el reciclaje del agua producida para inyección es una alternativa económica.

El tratamiento del agua producida es necesario para que sea aceptable para la inyección. Las propiedades físico-químicas deben ser modificadas hasta que cumplan con las especificaciones de inyección, discutidas anteriormente.  



Total, de sólidos suspendidos: la concentración y la distribución del tamaño de partícula deben cumplir los criterios. Hidrocarburos dispersos: incluso una pequeña cantidad de hidrocarburo dispersado (y las fracciones aromáticas) puede reducir la tasa de inyección de agua debido a su efecto sobre la permeabilidad relativa. Esto se agrava después de que se forma una torta de filtro. Además, el aceite puede generar baba debido a la actividad bacteriana. Total, de sólidos disueltos: la naturaleza de los cationes y aniones presentes determinará si la incrustación puede ser un problema debido a la mezcla con otras aguas de inyección en la superficie y las instalaciones subsuperficiales.

La permeabilidad del yacimiento en las proximidades del pozo dicta que el agua inyectada (de cualquier fuente) se puede inyectar sin dificultad.   

Los yacimientos de alta permeabilidad son menos sensibles a la concentración de TSS. Los depósitos de baja permeabilidad son más sensibles y, por lo tanto, requieren agua de mejor calidad para mantener la tasa de inyección. Los yacimientos apretados requieren un control riguroso de la calidad del agua. Sin embargo, algunos operadores prefieren crear pequeñas fracturas (proppant-fract o frac-pack) de longitudes limitadas alrededor del pozo, exponiendo así un área más grande para la inyección. Tales fracturas se controlan para que no crezcan y conecten inyectores directamente con los productores.

La reinyección de agua "sucia" producida en un acuífero no potable, en un yacimiento agotado, o como agua suplementaria en un yacimiento bajo inyección de agua, es una solución ambientalmente racional y económica para el problema de eliminación de agua. TRATAMIENTO CON LOS SÓLIDOS SUSPENDIDOS Los sólidos suspendidos son esencialmente productos de corrosión y biomasa. Al momento de la inyección, los sólidos rellenarán el pozo con el tiempo, se acumularán en la cara del inyector e invadirán el yacimiento a unas decenas de pies del pozo. En consecuencia, la capacidad de inyección disminuirá con el tiempo hasta que el pozo se tape por completo. El objetivo de inyección solo puede mantenerse a continuación: A. Perforar inyectores adicionales, en caso de que la presión de inyección del sistema sea fija.

B. Aumento de la presión de inyección, en caso de que los pozos adicionales no sean una opción.

Field Results

Water

Injection Pressure

Injection Rate

Pressure

Pressure Water

Injection Pressure

Injection Rate

Time

Time

Ambas opciones aumentan el costo de los proyectos de inyección de agua y reducen el atractivo económico; por lo tanto, dos métodos alternativos se han empleado con éxito en proyectos de inyección de agua en todo el mundo. 1. Hacer que el agua sea aceptable 2. Inyección AS-IS Agua sucia 1. INYECCIÓN DE AGUA SUCIA "TRATADA" DESPUÉS DE HACERLA ACEPTABLE. 

La inyección del agua tratada se realiza a un nivel de presión que está por debajo de la presión de separación de la formación. El agua inyectada se

desplaza radialmente hacia afuera desde el pozo hacia el yacimiento, como se muestra a continuación:

Water Bank Original Saturation

La disminución de la inyectividad dependerá de la distribución del tamaño de partícula en relación con los tamaños de garganta porosa y la diferencia entre la temperatura del agua de inyección y la temperatura del depósito. 

El tratamiento no está destinado a limpiar el agua totalmente (económicamente prohibitivo). Se trata lo suficiente como para cumplir con las especificaciones de calidad requeridas para asegurar una inyectividad sostenida (sin o con tratamientos de recuperación periódicos).



Las especificaciones de calidad se ocupan principalmente de la distribución del tamaño de partícula. Si los tamaños de partícula son más pequeños que 1/10 del diámetro de la garganta del poro, pasarán a través de ellos sin puentes y tapones. Si los tamaños de partícula están entre 1/3 y 1/10 del diámetro de la garganta del poro, puentearán y taparán la formación, en algún lugar del espacio de poro del yacimiento. Si los tamaños de partícula son más grandes que 1/3 del diámetro de la garganta del poro, se unirán y taponarán la formación formando una torta de filtración en el pozo o túneles de perforación.

Mean Hydraulic Diameter

Pore Throat Diameter



Se realizan muchas pruebas de laboratorio para determinar la distribución del tamaño de partícula, la composición química de la materia particulada y el impacto de las partículas en la inyectividad del agua (filtro Milli-pore y pruebas de inyección de núcleo).

-

Especificación de inyección, sitio específico, se establece sobre la base de tales pruebas. Por ejemplo, el proyecto de inyección de agua de mar de los años cuarenta requiere la eliminación del 100% de las partículas de más de 2 micrones de tamaño y del 95% de todas las partículas de más de 5 micrones. Tales especificaciones estrictas requieren la instalación de costosas unidades de coalescencia y filtración

-

2. Inyección AS-IS Agua sucia 

La inyección de agua sucia se realiza a un nivel de presión por encima de la presión de separación de la formación, creando intencionalmente fracturas inducidas en el yacimiento.

Water Bank

Original Saturation

ture

Frac Half



th

Leng

Se inician nuevas fracturas o las fracturas existentes se propagan debido a una reducción en el esfuerzo efectivo en el yacimiento. Esta reducción es provocada por dos factores:

1. Incremento de la presión de poro. Esfuerzo efectivo = Presión de sobrecarga - Presión de poro 2. Refrigeración térmica -

-

La formación de una región más fría (debido a la inyección de agua fría en un yacimiento caliente) alrededor del pozo reduce también el esfuerzo efectivo.  La magnitud de la reducción del estrés debido al efecto térmico para las piedras de arena consolidadas es típicamente de aproximadamente 15 psi/ ° F. Las fracturas tienden a iniciarse en las regiones más permeables, donde el enfriamiento es mayor.



El frente de fractura está muy por detrás del frente de inyección de agua. Se debe al hecho de que la refrigeración se debe principalmente a la convección. Dado que la capacidad de calor de la roca es aproximadamente el doble que la del agua, el área enfriada térmicamente avanza a aproximadamente un tercio de la tasa de avance del frente de agua.



La fractura inducida es una única fractura planar o un grupo de fracturas estrechas de longitud o altura similar. Su efecto sobre la inyectividad es más o menos el mismo.

Cap Rock

OWC

OWC



La fractura se diseña de manera que permanezca dentro del yacimiento, no atraviesa la roca de cobertura ni se propaga al acuífero subyacente. La experiencia de campo indica que las fracturas son típicamente de menor extensión vertical que el espesor del yacimiento.



Una indicación de si se ha producido una fractura inducida se obtiene utilizando un medidor de flujo o spinner survey data.



Una observación común es que varios volúmenes de fractura de sólidos pueden inyectarse en un pozo fracturado sin pérdida apreciable de inyectividad. Esto sugiere que el ancho de la fractura aumenta y / o la longitud de la fractura continúa creciendo con el tiempo (volumen de inyección).