El Yacimiento Virtual (Parte I)

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Las publicaciones “El Yacimiento Virtual” están dedicadas a fortalecer, desde el punto de vista conceptual, los artículos de “Mundo ECLIPSE100”. Estas publicaciones se irán realizando conjuntamente conforme se profundice en el material expuesto. Es de suma importancia destacar que “El Yacimiento Virtual” está basado enteramente en la publicación de Schlumberger “Mejoramiento de Yacimientos Virtuales”, siendo el presente un simple resumen de tal artículo, donde se extraen los items más importantes para el desarrollo de este blog. Adelante pues con la lectura.
La naturaleza de un yacimiento se asemeja bas­tante a los misterios de las estrellas; ambas cosas están distantes y accesibles sólo para la tec­nología de sensores remotos. Los astrónomos uti­lizan sus telescopios y conjuntos de antenas y, mediante el estudio detallado de las frecuencias ópticas, de radio y de rayos X captadas, caracteri­zan una pequeña proporción del espacio infinito, en su mayoría, características importantes como las galaxias y nebulosas, o las estrellas dentro de nuestra propia galaxia. La situación no es muy dis­tinta para los geocientíficos e ingenieros, que se basan en los sistemas de sensores remotos para comprender las características más importantes del subsuelo, como la formación de límites y fa­llas (Fig.1). Al igual que nuestros colegas que miran ha­cia arriba y envían cohetes al espacio para obtener datos detallados de una pequeñísima fracción del universo, en la industria del petróleo, obtenemos información detallada de las inmediaciones de los pozos en la profundidad del yacimiento.

Ya sea desde el espacio exterior o desde el subsuelo, los datos ofrecen un panorama limitado de los entornos remotos. Para comprender el cos­mos, los científicos diseñan modelos, simulacio­nes de la forma en que ellos piensan que se comporta el universo, y comparan dichos modelos con la realidad representada por la información recopilada. En nuestra industria, hacemos lo mis­mo, por ejemplo, el modelado de cuencas y yaci­mientos, y los modelos geomecánlcos. Cotejamos los modelos con los datos sísmicos, recortes y núcleos de rocas, registros de pozos y, en último término, con la producción de hidrocarburos.

En 1949, Morris Muskat dio a conocer que estaba trabajando en una simulación por computadora para determinar el espaciamiento óptimo entre los pozos. Los primeros simuladores de yacimientos simples aparecieron en la década de 1950 como soluciones de ecuaciones diferencia­les para el flujo de fluidos en un material homo­géneo con geometría sencilla. Más tarde, se programaron las computadoras para modelar los flujos a través de bloques del subsuelo. Durante la década de 1960, el avance en los algoritmos de cálculo permitió resolver las ecuaciones en forma más rápida y precisa. Los modelos se hicieron más grandes y más complejos con el aumento de la velocidad y la memoria de las computadoras, y con la mayor sofisticación de los algoritmos, Se agregaron más elementos físicos, extendiendo las soluciones del flujo monofásico hasta el flujo de tres fases—gas, petróleo y agua—que permi­tió entonces tomar en cuenta los cambios de la composición del gas y el petróleo debidos a la presión y la temperatura. Los métodos para solu­cionar las geometrías irregulares eliminaron la necesidad de modelar bloques de yacimientos con retículas (mallas, cuadriculas) rectangulares. Hasta hace poco, los simuladores resolvían el yacimiento en bloques de cientos de metros; significativamente más grandes que el equivalente a la resolución de la información sísmica y de regis­tros de pozos utilizada en el modelado geológico. En la actualidad, los simuladores de yacimientos pueden manejar muchos más bloques y modelar una geología más compleja, permitiendo una mayor consistencia con los modelos geológicos.

La incorporación de datos geológicos complejos permite tener un modelo de yacimiento más rea­lista, que se puede utilizar para comparar sus soluciones con datos históricos de producción, a fin de confirmar o mejorar el modelo geológico.

El programa de computación de simulación también ha cambiado con los avances en la tecno­logía de perforación. Los pozos multilaterales y de alcance extendido ofrecen más opciones para el drenaje de los yacimientos. Un pozo multilateral se bifurca en el subsuelo para drenar varios ho­rizontes o proporcionar varias entradas hacia la misma formación para mejorar su alcance espacial y su recuperación(Fig.2). Los ingenieros deben decidir el emplazamiento óptimo de estos pozos ra­mificados, por ello la capacidad de modelar estos yacimientos antes de la perforación resulta ex­tremadamente importante. Debido a que los hidrocarburos pueden provenir de diferentes zonas con propiedades de fluidos muy diferentes, los mo­delos deben también considerar estas dificultades. La capacidad actual de solucionar modelos complejos se debe en gran parte a la increíble su­peración de la velocidad de procesamiento de las computadoras. Un tiempo de ejecución máximo deseado para una simulación de un gran yacimien­to es “de una noche,” de modo que la velocidad mayor de las computadoras normalmente se tra­duce en modelos más grandes o cada vez más complejos, o ambos, en la medida en que el resul­tado esté listo a la mañana siguiente. Recientes avances en el procesamiento en paralelo han aumentado la velocidad de los simuladores; sin embargo, por lo general, el tiempo de ejecución no se reduce a la mitad duplicando la cantidad de procesadores.

Al principio de la era de la simulación, este era un tema solo para los especialistas que diseñaban los programas de computadora y ejecutaban los simuladores, y el desarrollo de los programas de computación se efectuaba principal­mente en las grandes compañías petroleras. El si­mulador normalmente se reprogramaba para cada nueva situación para representar las diferencias en los yacimientos. Las mejoras en un modelo ten­dían a estar relacionadas paralelamente con la estrategia de desarrollo de activos de la empresa: por ejemplo, los modelos de doble porosidad se desarrollaban sólo para los yacimientos grandes y fracturados. A medida que mejoró la tecnología, también lo hizo el equipo de especialistas, distin­guiéndose finalmente los que desarrollaban el có­digo del programa de aquéllos que ejecutaban los modelos. Generalmente las dos disciplinas mante­nían estrechas relaciones, y normalmente ambas se centralizaban en un grupo de soporte técnico.

Con el tiempo, la demanda de la simulación de yacimientos aumentó y las compañías comen­zaron a instalar copias de los simuladores fuera de las instalaciones centralizadas. Con los pro­gramas y usuarios lejos de los equipos de desa­rrollo, la documentación y la facilidad del uso de programas de computación adquirieron una importancia mucho mayor. Dado que los equipos de desarrollo de simuladores de yacimientos de las grandes compañías petroleras no tenían los conocimientos necesarios para producir interfaces de usuario, nació la era de los paquetes de programas de computación para la simulación de yacimientos suministrados por proveedores exter­nos. Si bien aún existen programas de modelado de yacimientos desarrollados en forma interna, la tendencia ha variado, de los simuladores propios y mantenidos por las diferentes compañías petro­leras a los simuladores adquiridos a proveedores de programas de computación extemos. En la actualidad, el objetivo es simplificar el uso del programa, con generación automática de retícu­las, importación fácil de datos geológicos, de flui­dos y de formaciones, y representación gráfica de los resultados que los usuarios requieren.

Actualmente, los dos principales simuladores comerciales son el modelo ECLIPSE de Schlumberger GeoQuest y el simulador VIP de Landmark Graphics. Ambos paquetes incluyen modelos para petróleo negro y composicional. Otros simuladores son poderosos en nichos específicos; el modelo STARS, de Computer Modelling Group, Ltd., simula procesos térmicos, como el desplazamiento con vapor.

En general, las entregas de “El Yacimiento Virtual” se dedicarán a presentar las formas en que un programa de computación de simulación puede crear, manejar y mostrar resultados de un yaci­miento virtual. Una tecnología de simuladores sin precedentes permite incluir pozos más realistas en el modelo cada uno con varios segmentos, co­mo los pozos con múltiples ramas laterales, termi­naciones complicadas y la inclusión de controles inteligentes en el fondo del pozo en la simulación. Los estudios de casos específicos ilustran los avances en la práctica actual de la ingeniería de yacimientos. Uno de los estudios de casos especí­ficos tiene un escenario computacional complejo; un modelo que utiliza la descripción de un fluido con muchos componentes que se ejecuta a través de un procesamiento en paralelo. Finalmente, describirán un tipo de simulador diferente que utiliza un método de seguimiento del frente de una fase, en lugar del método habitual de diferencia finita.
El entorno del yacimiento virtual

Imagínese que perfora un pozo en un yacimiento y lo pone en producción durante cinco anos, y luego se da cuenta que podría haber producido más cambiando el pozo a otro lugar. Vuelve al principio, perfora una segunda opción y comienza nuevamente a producir. Y tal vez una tercera tra­yectoria parezca prometedora.

El valor de la simulación de yacimientos está en la capacidad de investigar todas estas opcio­nes mucho antes que una barrena de perforación toque la tierra. Se pueden examinar muchos escenarios dentro del yacimiento virtual, cam­biando los emplazamientos de los pozos, la geo­logía del yacimiento, las limitaciones de la producción, o cualquier combinación de datos de entrada al modelo. Así como los cosmólogos observan la formación de las estrellas para mejo­rar sus modelos, lo cual permite predecir nuevos fenómenos, los ingenieros desarrollan yacimien­tos en etapas—comenzando con la exploración y terminando con el abandono del campo—con modelos basados en datos de una etapa que influyen en la etapa siguiente. En la fase de exploración, la geología del yaci­miento es incierta. En un simulador de yacimien­tos, se pueden incluir varias realizaciones geoestadísticas. Al tener suficientes realizacio­nes, se pueden examinar casos de producción alta, media y baja de gran significado estadístico para mostrar la variabilidad económica.

Durante el desarrollo se perforan varios pozos que incorporan más información acerca de la for­mación y que contribuyen a delinear el campo. Los resultados de producción de los primeros pozos se pueden utilizar para afinar el modelo de yacimien­to, disminuyendo además las dudas acerca de las propiedades del yacimiento. Las trayectorias de los pozos surgen de decisiones basadas en la in­formación adecuada. El modelo de yacimiento pro­porciona estimaciones de los hidrocarburos en sitio y de los hidrocarburos recuperables, las que se necesitan para la toma de decisiones y para informara los organismos reguladores. Cuando los contratos especifican requisitos de entrega para el suministro de gas, los modelos pueden incluir la naturaleza cíclica de la demanda de gas, incluidas las opciones de reinyección.
Más tarde en la vida del campo, los ingenie­ros de yacimientos utilizan modelos para estudiar en detalle los yacimientos candidatos a obtener una mayor recuperación. El yacimiento virtual es una forma rentable de examinar varias estrate­gias de perforación de pozos de relleno, escena­rios de inyecciones de agua o gas, y otros métodos, tal vez más exóticos, de recuperación.
Manejo del yacimiento virtual
El modelaje de yacimientos no es una ciencia exacta. Aún con la mejor interpretación geológica y años de datos de producción como referencia, hay muchos escenarios virtuales posibles que po­drían describir el yacimiento. Hasta hace poco, los ingenieros de yacimientos que operaban un modelo tenían que tener conocimientos es­peciales, incluidos el diseño de las retículas y el escalamiento (la conversión de un modelo geo­lógico de alta resolución a un modelo de yacimien­to con bloques más grandes, de menor resolución), el poblado de los bloques con los datos apro­piados, la modificación de los parámetros para ajustar la historia de producción, la programación de la perforación de pozos dentro del modelo, y el diseño de esquemas de agotamiento.
La necesidad de capacitación especializada restringió el modelado a yacimientos económica­mente importantes, dejando que muchos yaci­mientos más pequeños se manejaran con métodos de ingeniería menos sofisticados, En los últimos años, se han desarrollado nuevas herra­mientas para colocar los conocimientos de estos expertos en manos de usuarios de menor expe­riencia, incluso novatos. Nuevas herramientas de programas de computación amplían la base de usuarios de simulación de yacimientos, inclu­yendo geocientíficos, ingenieros de terminacio­nes e ingenieros de perforación.
El programa de computación ECLIPSE Office ofrece una interfaz simple para las herramientas que ayudan al usuario a diseñar y ejecutar una si­mulación de yacimientos. Los botones en la parte superior de la pantalla del Administrador de Ca­sos (Fig.3)

activan los subprogramas que ayudan a esta­blecer un modelo de yacimientos. Los módulos de programas, que se activan por los botones de la izquierda de la pantalla, guían a los usuarios a través del proceso de simulación.

El módulo Administrador de Datos de la gama de productos ECLIPSE Office permite el acceso a una serie de pantallas organizadas en torno a gru­pos de datos lógicamente relacionados. El pro­grama de computación de modelado geológico y de diseño de retículas de simulación GRID y el módulo FloGrid pueden ingresar datos de la geo­metría del modelo o bien el usuario puede crear­los en forma interactiva. El modulo FloGrid tiene además la capacidad de generar una retícula del yacimiento de menor resolución que mantiene las características importantes del modelo geológico, tales como las fallas, las capas o los canales.
Un bloque de la retícula del simulador de yacimientos puede contener varios bloques de la retícula del modelo geológico que proporcionan datos del yacimiento, como la porosidad y la permeabilidad. Aunque promediar los valores de porosidad es una forma razonable de escalamiento, promediar la permeabilidad puede traer consigo una complejidad geológica, como una dirección de flujo preferencial. El módulo FloGrid puede simular el flujo a través de los blo­ques del modelo geológico que componen un blo­que del simulador de yacimientos para determinar un tensor de permeabilidades escaladas.

Las propiedades de las rocas y de los fluidos para poblar los bloques del modelo se pueden generar a partir de datos de laboratorio mediante el uso de programas de computación especiales de manejo de análisis de núcleos SCAL, y el pro­grama de computación de análisis de presión, volumen y temperatura PVT respectivamente. En forma alternativa, se pueden obtener correlacio­nes de las propiedades de las rocas y de los flui­dos a través de los paneles correspondientes del modulo Administrador de Datos.

Por lo general, el simulador debe reproducir los datos de producción en condiciones de superficie, y no los datos en las condiciones del yacimiento. La conversión de la presión de fondo a la presión de boca de pozo de la tubería de producción depende de las condiciones de flujo en los pozos, las cuales pueden variar, El levantamiento artifi­cial por gas, las bombas de fondo del pozo, la compresión de gas y los estranguladores (orificios, reguladores) de superficie afectan el flujo, al igual que las secciones de pozos ondulatorias y no ver­ticales. Algunas restricciones del flujo provienen de las instalaciones de superficie, de modo que el simulador debe saber la forma en que tales pozos están conectados a dichas instalaciones y respe­tar tales restricciones. El programa de comporta­miento de flujo vertical (VTPi) simula el flujo desde el yacimiento hasta la boca de la tubería de pro­ducción. El programa de computación de transfor­mación de datos del pozo Schedule puede importar y manipular la historia de flujos y presión y definir agrupaciones de pozos.

Estas herramientas del programa de computa­ción ECLIPSE Office operan en conjunto para que los usuarios puedan crear grupos de datos, sin necesidad de conocer los aspectos específicos del formateo y organización de datos y palabras clave en los archivos de entrada de datos. La aplicación Administrador de Datos puede crear pantallas gráficas de datos en los formatos correspondien­tes, tales como mapas de curvas de contorno basados en las retículas o gráficas de líneas.

Si el campo ya ha producido, el ingeniero pue­de comparar las predicciones del simulador con la producción real, a una fecha dada, y ajustar los pa­rámetros para optimizar el modelo. Este proceso, llamado ajuste de la historia de producción, mejora la confianza en predicciones futuras del modelo. La rutina Administrador de Ejecución permita al usuario iniciar y detener el simulador mientras monito­rea los datos seleccionados. Por ejemplo, cuando se simula un piloto de inyección de agua, el corte de agua del productor debería monitorearse para asegurarse de que la irrupción del agua se pro­duzca en el momento correcto en relación con la historia del piloto. Si se produce demasiado pronto o demasiado tarde, el usuario puede abortar la eje­cución y restablecer los parámetros de entrada.

El módulo Administrador de Casos permite el registro contable visual de múltiples ejecuciones o casos. El usuario podría generar una jerarquía de casos para desarrollar un yacimiento con in­yectores de agua, inyectores de gas, o ambos operando en forma conjunta. En un yacimiento complejo, el ingeniero puede tener cientos de ca­sos que rastrear. El programa de computación Administrador de Casos altera sólo los archivos de datos que difieren entre los casos, para impe­dir la proliferación de archivos.
Otro módulo, el programa de computación de calibración de modelos SimOPT, puede ayudar en el proceso de ajuste de la historia de producción, al determinar los parámetros de entrada que más inciden en los resultados. Este módulo proporcio­na una interfaz para definir los rangos de varia­bles de entrada, ejecuta múltiples casos basados en las variables seleccionadas por el usuario, y despliega los resultados. El programa puede buscar automáticamente la mejor solución , o puede permitir al usuario controlar las variables que evaluará. Sí bien no puede encontrar la solución óptima, el programa SimOPT ayuda al usuario a determinar si es posible realizar un ajuste de la historia de producción dentro del rango de valo­res que el usuario considera creíbles.

Los simuladores generan predicciones de pre­sión, saturación y otros parámetros para cada uno de los bloques del modelo dinámico, las cuales pueden visualizarse en forma bidimensional o tri­dimensional, utilizando la rutina Visualizador de Resultados. El usuario puede consultar los valores de cualquier bloque en cualquier momento a través de la interfaz gráfica y obtener gráficas de presen­tación de los datos ejecutados. Algunos datos se visualizan mejor corno gráficas x-y, tales como la saturación de fos bloques, o la producción de agua, petróleo y gas en un pozo en función del tiempo.
Los resultados de las simulaciones deben documentarse. Para ello, el Generador de Informes crea resúmenes simplificados y arroja advertencias y mensajes de error en lenguaje inteligible, y los usuarios pueden personalizar los informes. Los resultados de las simulaciones se pueden exportar al programa de análisis econó­mico Peep, un paquete de manejo de activos estándar en la industria del petróleo.
La Calculadora—otra función de ECLIPSE Office—permite efectuar cálculos personaliza­dos con los parámetros del modelo. Los usuarios pueden definir sus propias condiciones, ampliando significativamente las posibilidades de resultados ilustrativos. Un botón vincula al usuario con el programa de computación de aná­lisis de pruebas de pozos Weltest 200, el cual uti­liza el poder de simulación de ECLIPSE para resolver numéricamente las pruebas de pozos, en lugar de basarse sólo en modelos analíticos.

En una proxima publicación de esta saga se continuará escudriñando en los yacimientos virtuales, tocando temas como: 1) Mejoramiento del modelado de pozos con segmentos, 2) Ejemplo de control de un pozo lateral doble y 3) Modelado de zonas aisladas. Hasta entonces.

Referencia: “Mejoramiento de Yacimientos Virtuales”. Schlumberger. 2001