Comportamiento de la roca reservorio antes y después del colapso del espacio poroso durante la producción

La determinación de las propiedades de roca y fluido y su variabilidad a lo largo de la vida de un yacimiento de petróleo se vuelve indispensable para cualquier estimación de su comportamiento en un momento dado, ya que constituyen la data de ingreso para cualquier simulación.

La variabilidad de los parámetros de roca: permeabilidad y porosidad que ocurre durante la producción antes y después del colapso de poro, puede ser considerada un fenómeno simple en el que ambas propiedades disminuyen a medida que la presión de poro declina y se intensifica el esfuerzo efectivo dentro del yacimiento.

Sin embargo, la variabilidad de la permeabilidad puede ser bastante errática durante la compactación y colapso del espacio poral, estando influenciada no sólo por el incremento del esfuerzo efectivo, sino también por otros factores tales como la trayectoria de esfuerzos, porosidad inicial y tamaño-distribución de los granos en la matriz.

La influencia de los parámetros comentados anteriormente fue monitoreada por Hadi Belhaj(1), a través de la ejecución de ensayos especiales de laboratorio (ensayo triaxial), realizados sobre núcleos de arenisca (sintética y de afloramiento).

ANTECEDENTES

Desde el año 1957 al 1979, los trabajos presentados por Hubbert y Willis(2), Voight(3), y Rosepiler(4) demostraron que el efecto del incremento del esfuerzo efectivo, inducido por la producción de los fluidos del yacimiento, sobre la porosidad y permeabilidad, no es sólo significativo cuando ambas propiedades son elevadas, sino que también debe ser considerado cuando estas tiene valores bajos; al mismo tiempo que concluyen acerca de la importancia de la trayectoria de esfuerzos sobre la permeabilidad vertical y horizontal y la porosidad.

De 1996 al 2001, bajo la conducción de un Modelo de Deformación Uniaxial Elástica, Ruistuen et al.(5) demostró que la relación entre el mínimo esfuerzo horizontal que induce un cambio en el esfuerzo vertical, y esfuerzo vertical (σmin,H/σV) es 0,53 en un yacimiento sometido a la extracción de fluidos o a cambios inducidos por la geología. A si mismo, Schutjens et al.(6) concluyó que en el rango elástico de deformaciones, la reducción de la permeabilidad es controlada principalmente por incrementos significativos del esfuerzo efectivo, y no por la trayectoria de esfuerzos.

Lawrence et al.(7) estudió el colapso del espacio poral utilizando esfuerzos calculados en base a presiones de cierre registradas en el campo Ekofisk durante una prueba de fracturamiento hidráulico. Estos esfuerzos fueron utilizados para simular la misma trayectoria de esfuerzos en el laboratorio concluyéndose que el mecanismo de falla de la formación era por corte y no por falla volumétrica (falla de poro). Sin embargo, en ese momento no se notó que las presiones inducidas por el fracturamiento hidráulico, superaban el esfuerzo mínimo de falla cerca del pozo, lugar en el cual la falla por corte tiene mayor probabilidad de ocurrencia.

Hamilton y Shafer(8) entre otros investigadores han realizado ensayos de laboratorio para determinar la presión de colapso de poro en muestras de formaciones donde la roca predominante es la diatomita, carbonatos, limolita, dolomita; obteniendo valores muy diversos para diferentes valores de porosidad.

La investigación fue realizada con el objeto de estudiar en formaciones de arenisca, el comportamiento de sus propiedades (permeabilidad y porosidad) durante la producción una vez que se generan las condiciones para que la trayectoria de esfuerzos se encuentre con la superficie de falla volumétrica dando lugar a la falla de espacio poral; evaluando el fenómeno para rangos de deformaciones elásticas y plásticas.

Conclusiones

Luego de los ensayos realizados en las muestras (núcleos) se concluyó que:

En ambos rangos de comportamiento plástico y elástico, el aumento del agotamiento y los esfuerzos inducen incrementos de la porosidad y permeabilidad.

La permeabilidad de las muestras puede cambiar significativamente producto del colapso de los poros, claramente en la fase de compactación ésta disminuye debido al taponamiento de los canales de flujo, mientras que al presentarse fallas de la formación en forma de fracturas las mismas contribuyen a su incremento.

Dentro del yacimiento, la condición de esfuerzo uniaxial determina la tendencia de los esfuerzos en el medio, en donde la deformación volumétrica y los mecanismos de falla son usualmente predominantes.

En la cara del pozo, el esfuerzo de corte y la dilatación del material después del esfuerzo cedente pueden mejorar significativamente la permeabilidad de la zona fallada.

Referencias Bibliográficas:

[1] Belhaj, H. " Reservoir Rock Behavior Pre and Post Pore Collapse during Production” International Petroleum Technology Conference. Paper IPTC 11657. Diciembre 2007.

[2] Hubbert, M.K., y Willis, D.G.: “Mechanics of hydraulic fracturing” American Institute of Mining, Metallurgical, and Engineers Petroleum Transactions, 1957, v. 210, p. 153-166. 1958.

[3] Voight, B.: “Stress History and Rock Stress” Proc., Third Intl. Congress of the Society of Rock Mechanics, Part A, 508-582(3), 1974.

[4] Rosepiler, M.J.: “Determination of Principal Stresses and Confinement of Hydrauluc Fractures in Cotton Valley”, paper SPE 8405, Nevada, 1979.

[5]Ruituen, H., Teufel, L.W., y Rhett, D.: “Influence of reservoir stress path on deformation and permeability of weakly cemented sandstone reservoir”, paper SPE 36535, 1996.

[6]Schutjens, P.M.T.M. et al.: “Completion-Induced Porosity/Permeability Reduction in Sandstone Reservoirs: Data and Model for Elasticity-Dominated Deformation”, paper SPE 71337, 2001.

[7]Lawrence, W.T., Douglas, Rhett W., Farrell, H.E.: “Effect of Reservoir Depletion and Pore Pressure Drawdown on In Situ Stress and Defiormation in the Ekofisk Field, North Sea”, Rock Mechanics and Multidisciplinary Science, Balkema, Rotterdom, 1991.

[8]Hamilton, J.M., Shafer, J.L.: “Measurment of Pore Compresibility Charachteristics in Rock Exhibiting Pore Collapse and Volumetric Creep”, SCA 9124, 1991.