INTEGRACIÓN DE LA HIDRAULICA DE POZOS, PROPIEDADES DE YACIMIENTO Y ANALISIS TÉRMICO TRANSITORIO PARA EL DISEÑO DE COMPLETACIÓN DE POZOS INYECTORES SAGD CON INSTRUMENTOS DE CONTROL DE SALIDA DE FLUJO MÚLTIPLE.

Resumen
El enfoque de la industria en diseño de completación de pozo inyector SAGD esta evolucionando en complejidad al aumentar la cantidad de puntos de distribución de salida de vapor a lo largo del pozo horizontal. Los principales impulsores de este proceso de evolución han mejorado la conformidad y el crecimiento uniforme de la camara de vapor. A pesar de esta tendencia, no hay muchos documentos técnicos que cubran los criterios para la selección de localizaciones de salida de vapor, la cantidad y la proporción de la tasa de flujo de vapor en cada punto de distribución.

Esta investigación describe un caso de estudio de un diseño de completación de un pozo inyector SAGD compuesto de dos sartas paralelas y múltiples instrumentos de control de salida de flujo colocados a lo largo de la longitud de la sarta del pozo.

El diseño de completación preliminar fue basado en los parametros de subsuelo que controlan el flujo de vapor en el yacimiento (es decir permeabilidad, espesor, saturación de bitumen, etc). Estos parametros fueron derivados de un modelo geológico actualizado basado en datos de núcleo, registros a hoyo abierto analisis de ripios. Al final de la fase de circulación del pozo una serie deregistros de caída de temperatura fueron obtenidos de planeados períodos de cierre. Conjuntos de datos de fibra óptica y temperatura de un termopar fueron usados ejecutar el analisis térmico transitorio, el cual permitió identificar la localización de las camaras de vapor local/preliminar y fenómeno de adedamiento. Este analisis diagnostico genero una revisión en el diseño de la completación preliminar del pozo y los parametros del yacimiento de salida de flujo de vapor. Un diseño final fue llevado a cabo usando datos de desempeño real del SAGD obtenidas del analisis termal transitorio. El objetivo de diseño era anular las características de crecimiento de la camara de vapor no representativas, desarrollado durante la fase de circulación, para promover desarrollo uniforme a lo largo del pozo. Esta investigación provee una metodología y criterio para diseño de completación de pozos inyectores SAGD que puede ser generalmente aplicada a través de la industria, integrando la hidraulica de pozos, propiedades de yacimiento y analisis térmico transcendental dentro de los procesos de diseño.

Introducción.

El proceso SAGD típicamente consiste de pozo horizontal inyectando vapor por encima de otro pozo horizontal que actúa como productor. La Figura 1 detalla el mecanismo principal del proceso. A medida que el vapor es inyectado este forma una camara saturada de vapor. En los bordes de la camara el vapor condensa,liberando su calor latente, por lo tanto movilizando el petróleo reduciendo su viscosidad. Por lo tanto, la gravedad se hace cargo, conduciendo el agua condensada e hidrocarburos para la producción del pozo en el fondo de la camara.

El proceso SAGD es llevado a cabo en tres distintas fases: inicio o circulación, operación de segregación gravitacional asistida por vapor y viento abajo (wind-down). La fase de circulación esta destinada en la movilización de bitumen cerca a los pozos y entre el inyector y productor para establecer comunicación hidraulica entre los pozos (en condiciones inalteradas el bitumen no tiene movilidad). El método mas ampliamente usado para el inicio es circulando vapor en ambos pozos por un periodo tan largo como 120 días. La operación de SAGD involucra la inyección de vapor y producir bitumen para formar la camara de vapor por encima de los pares de pozo. Esto provee acceso a la maxima cantidad de reservas recuperables en el area de drenaje. Esta fase dura tantos años como sea necesario, de modo que la cantidad maxima de hidrocarburos se recuperan a partir del volumen de drenaje. Por último, el viento abajo (wind-down) consiste de una serie de operaciones destinadas a reducir la cantidad de vapor inyectado y el uso de otros métodos mejorados para maximizar la recuperación.

Desde los primeros pozos SAGD fueron perforados por el AOSTRA’s (Alberta Oil Sands Technology Research Authority)Dover Underground Test Facility (UTF) el diseño de completación para pozos de inyección ha progresado desde su forma mas simple (es decir, inyección de un solo punto en el talón del pozo) hasta las mas complejas arquitecturas añadiendo los puntos de salida de flujo a lo largo del pozo horizontal. Esta nueva configuración permite pozos mas largos y aumentar la cantidad recuperable de los hidrocarburos por par de pozos.

La mayoría de los diseños de completación de pozos inyectores SAGD en Canada tiene dos sartas aterrizadas en el talón (heel) y dedo (toe) del pozo horizontal, de donde fluye el vapor dentro del yacimiento. Estas sartas de inyección pueden ser instaladas paralelo el uno al otro (figura 2) o concéntrico (figura 3).

Con los pozos volviendo mas largos la necesidad para una distribución uniforme a lo largo del pozo de inyección se ha hecho crítica debido a la extremadamente alta permeabilidad de la matriz y movilidad del vapor. Como resultado, un avance adicional en diseño de completación para pozos de inyección ha sido añadir aun mas puntos de salida de flujo (dispositivos de control de salida de flujo – OCD) a lo largo del pozo horizontal; mientras manteniendo el método de dos sartas o aun reduciendo a una sola sarta de inyección. (Figura 4)

Los OCDs usados en este proyecto uso una serie de orificios para regular el índice de flujo bajo un rango de caída de presión a través de losinstrumentos. Los OCDs actúan como choques en paralelo y son diseñados para operar en condiciones de flujo suscriticas. Sin embargo, condiciones de flujo critico pueden lograrse también sea alcanzada bajo ciertas circunstancias que involucran grandes caídas de presión a través del instrumento.


El principal reto para el diseño de estas completaciones complejas es decidir el número óptimo de OCDs, su ubicación a lo largo del pozo y la relación de tasa de flujo de vapor a través de cada dispositivo. El objetivo es conseguir un perfil distribución uniforme de vapor, de tal manera que la camara de vapor crecera en 'igual' tasa a lo largo de todo el pozo. Este crecimiento uniforme de la camara vapor es considerado uno de los factores de éxito mas importantes en el rendimiento de la SAGD, que va a maximizar la eficiencia del proceso de recuperación.

La importancia y métodos para el diseño típico de pozo de inyección SAGD diseñado han sido investigadas por diversos autores.

El trabajo de diseño se realiza con un simulador de pozo térmico / hidraulico que calcula la velocidad de flujo de vapor en el yacimiento, bajo diferentes escenarios de completación. El simulador esta acoplado a una serie de celdas de yacimiento a lo largo de la horizontal. Para llevar a cabo el diseño de la completación es necesario introducir propiedades de yacimiento que reflejen el 'mas realista' rendimiento de salida de flujo del pozo inyector.Muy a menudo tales propiedades de yacimiento son derivadas de las mediciones y los registros cuando los pozos son primero perforados y completado, es decir antes de cualquier inyección de vapor. Este es el reto principal de esta metodología de diseño, como el patrón de salida de vapor en el yacimiento puede ser alterado durante el incremento de calor cerca de la región del pozo durante la fase de circulación. En este proyecto, las propiedades del yacimiento se obtuvieron a partir de datos núcleo y registro, ademas del analisis térmico transitorio de los registros de temperatura tomados en la final de la fase de circulación.

Esta metodología permitió un diseño personalizado de completación esta dirigido a promover la distribución uniforme de vapor y crecimiento de la camara a lo largo del pozo horizontal.

Metodología de diseño de completación

El trabajo de diseño específico para esta investigación se llevó a cabo como parte de un proyecto de implementación de tecnología de Statoil para la instalación y evaluación tubos desplegados dispositivos de distribución de vapor en un pozo de inyección de SAGD y de su activo Leismer en Canada. El pozo propuesto fue visualizado a ser completado como se muestra en la Figura 6. El pozo tiene dos amplias sartas de inyección (corta y larga) con múltiples dispositivos de distribución de vapor instalados a lo largo de la sarta.

En este trabajo usamos un softwarecomercial Simulador Termal de Pozo (TWS). Este software de simula, bajo condiciones de estado estable, el desempeño termal e hidraulico de inyección de vapor en múltiples puntos localizados en las sartas de tubería, desplegadas en una configuración paralela o concéntrica.
El trabajo de completación para el pozo candidato seleccionado fue dividido en dos etapas. La primera fue un diseño preliminar, por concepto de selección, el cual uso solo propiedades de yacimiento estimadas de registros tomados durante la perforación real del pozo y analisis de datos/núcleos de pozos de control vertical. La segunda etapa, ingeniería detalla, incorpora data del rendimiento del yacimiento en el final de la fase de circulación del SAGD, estimada de analisis de temperatura transitorio de la medición de temperatura distribuida (DTS) de la corrida de registro antes de la conversión SAGD.

Diseño preliminar usando propiedades de yacimiento

El flujo de vapor en el yacimiento es una función del perfil de inyectividad a lo largo del pozo, lo cual puede ser estimado con las propiedades de la roca (permeabilidad vertical, saturación de fluido y geometría del yacimiento) y las propiedades del vapor en condiciones hoyo abajo (principalmente viscosidad, que para el vapor saturado de alta calidad es muy baja en contraste con el crudo pesado). Con estos valores un índice de inyectividad puede ser calculado para cada segmento de yacimiento a lolargo de el pozo horizontal. Esto es hecho automaticamente por el software.

Las propiedades de yacimiento para el pozo de inyección son resumidas en la tabla 1. La longitud del yacimiento de 670m fue dividida en 15 segmentos de igual longitud y las propiedades fueron promediadas a lo largo. Esto se hizo para facilitar la complejidad de computación y para simplificar el analisis de los resultados. Los datos muestran que en este pozo en particular, la permeabilidad vertical varía comenzando muy baja en el talón (heel), entonces incrementando hacia el centro del pozo y luego disminuyen sustancialmente en la región de punta (toe region). Ademas, el espesor del depósito (inferirse de la distancia desde el inyector al techo) es superior a 15m en el talón del pozo y se estrecha hacia la punta con valores por debajo de 5 m.

El trabajo de diseño y simulación requiere varias iteraciones para obtener el perfil de inyección de vapor mas uniforme. Estas iteraciones implican cambios en la ubicación de los puntos de distribución y proporción de la tasa de vapor. La figura 7 muestra los resultados finales de este proceso. La grafica muestra cuatro puntos de inflexión que representan cada uno en los lugares de distribución de vapor (heel, dispositivo # 1 y toe dispositivo # 2). La relación de las tasas de vapor para el diseño óptimo utilizando sólo las propiedades del yacimiento son 37 %: 12,5%: 37,5%: 12,5%, correspondienteal porcentaje de la tasa total de vapor inyectado en cada lugar desde el talón a la punta.

DISEÑO DETALLADO INCORPORANDO EL ANALISIS TERMICO TRANSITORIO
La metodología del analisis térmico transitorio (TTA) usada en este proyecto, es descrita por Duong en su trabajo sobre el analisis de la caída de la temperatura llevado a cabo en varios pozos horizontales SAGD. El calculo del tiempo de enfriamiento y difusividad térmica se utiliza para evaluar la eficacia del proceso de calentamiento de fondo del pozo durante la inyección y circulación de vapor.
Los datos para llevar a cabo la TTA son la caída de la temperatura y los registros tomados durante los periodos de cierre en ambos pozos (productor e inyector). El pozo productor esta equipado con pares térmicos (T/C) para el monitoreo continuo de temperatura de fondo del pozo. Ademas, durante cada periodo de cierre es distribuida una fibra óptica de registro de Detección de la temperatura (DTS) la cual se ejecuta dentro de una sarta de producción flexible en ambos pozos a diferentes tiempos. Figura 8, muestra datos de la temperatura en el fondo del pozo durante la circulación en el pozo productor. Planificada dos periodos de cierre de 48 horas (menos de 15 días entre sí) pueden ser identificadas en el grafico. El TTA se realizo sobre datos obtenidos durante estos dos periodos.

Figura 8: temperaturas permanentes T/C del fondo del pozo durante la fase decirculación en el pozo productor. La figura muestra los dos periodos de cierre, desde donde se obtuvo los datos transitorios térmicos.

Una porción de los datos de la caída de la temperatura de ambos pozos (primer cierre, 18 horas mas tarde del frenado de inyección) son presentados en la figura 9. El grafico muestra el perfil del cambio de la temperatura a lo largo del pozo horizontal a través del tiempo. La variable del tiempo esta representada por diferentes colores para cada conjunto de datos. También es importante tener en cuenta que los datos de origen y resolución en ambos pozos son diferentes; los datos del pozo inyector, desde fibra óptica DTS (puntos de datos cada 1 metro) y desde T/C en el pozo productor (7 puntos de datos a lo largo del pozo horizontal). Ademas, observe que la línea que une los puntos de datos T/C en el pozo productor no representan una verdadera tendencia de la temperatura; sino que se utilizan para ayudar visualmente en la comparación de ambos graficos. El rendimiento térmico de ambos pozos parece diferente; sin embargo, en la región de punta hay evidencia de decaimiento lento de la temperatura y alta concentración de energía en ambos pozos.

Figura 9: primer cierre, fibra óptica y temperatura T/C tomada en el mismo momento en el inyector así como en el productor respectivamente.

Figura 10: muestra los datos de la caída de la temperatura durante el segundo cierre horas mastarde de parar la inyección). Se puede ver como el perfil de la temperatura en el pozo productor a cambiado en comparación con el cierre #1. El pozo inyector es un similar mostrando una zona muy caliente cerca de la punta del pozo.

Figura 10: segundo cierre, fibra óptica y temperatura T/C tomada en el mismo momento en el inyector así como en el productor respectivamente.

Figura 11: muestra los datos de la caída de la temperatura durante el segundo cierre horas después de parar la inyección). La característica mas importante de este grafico son los datos del pozo productor. El registro de fibra óptica se ha ejecutado en paralelo con el T / C para obtener una comparación entre las fuentes y aumentar la resolución espacial del perfil de temperatura a lo largo del pozo. Los datos de ambas fuentes parecen coincidir muy bien a lo largo de todo el pozo, reconfortando la calidad de los datos de temperatura obtenidos. Estos graficos muestran la importancia critica de la alta resolución de las mediciones con fibra óptica. Durante el cierre de los dos pares térmicos para la punta del pozo, los datos de fibra óptica muestran un fuerte incremento de la temperatura de 100° C en menos de 50 metros. Estos fenómenos dinamicos que se desconocen si solo se utilizaban datos T/C, muestran el valor de la resolución de los datos obtenidos por la fibra óptica.

Figura 10: segundo cierre, fibra óptica y temperatura T/C tomadaen el mismo momento en el productor.
Los resultados del rendimiento de la TTA sobre ambos periodos de cierre son presentados en la figura 12 hasta la 15. Los perfiles del tiempo de enfriamiento y difusividad térmica a lo largo del pozo horizontal se muestran. La realización de estos calculos con precisión requiere una revisión exhaustiva de la calidad de los datos de la temperatura. El tiempo requerido para esta depuración limita la eficacia de la metodología. En este caso específico, se decidió utilizar los resultados cualitativos y evitar gastar demasiado tiempo en refinar los resultados.
Figura 12: perfil de difusividad térmica a lo largo del pozo horizontal en el pozo de inyección calculado desde los datos tomados de temperatura de fibra óptica durante el cierre del primer periodo.

La conclusión principal de la TTA es que pueden ser identificadas dos camaras de vapor durante el primer cierre local, una desde el tacón a 900 m, la otra en la región de la punta. El principal indicador local del fenómeno de la camara de vapor son el tiempo de enfriamiento y la difusividad térmica del rango. Durante el segundo cierre parece que la camara de vapor cerca del talón se ha disipado en favor de una ampliación local de la camara en la región de punta. Otra Interpretación mas profunda que incluye datos del pozo productor también sugieren un importante dedo de vapor entre los pozos ~ 1150m.

Figura 13: perfil deltiempo de enfriamiento a lo largo del pozo horizontal en el pozo inyector calculado de los datos de fibra óptica tomados durante el primer periodo de cierre.

Figura 14: perfil de difusividad térmica a lo largo del pozo horizontal en el pozo inyector calculada de los datos de fibra óptica tomados durante el segundo periodo de cierre.
Con los resultados de la TTA, se decidió rehacer el diseño de la terminación inicial teniendo en cuenta el rendimiento del pozo al final de la fase de circulación. El principal problema era evitar la alimentación de vapor en el local de camara formada en la punta del pozo y tratar de promover una distribución uniforme de energía a lo largo del resto del pozo. Para simular esta condición, se decidió modificar el perfil de inyectividad del pozo con un enfoque de sensibilidad. Una serie de inyecciones artificiales se usaban como entrada. El diseño final fue seleccionando la integración de las propiedades del yacimiento y los resultados de TTA. Figura 16: muestra una sensibilidad en los pares de los perfiles del flujo de vapor dentro del yacimiento, usando dos perfiles diferentes de inyectividad (azul y rojo) y un radio de la tasa de vapor para el diseño optimo 50%:20%:20%:10% que estaba finalmente seleccionado para el pozo

Figura 15: perfil del tiempo de enfriamiento a lo largo del pozo horizontal en el pozo inyector calculado de los datos de fibra óptica tomados durante el segundoperiodo de cierre.

Figura 16: Perfil del flujo de vapor dentro del yacimiento después que el diseño de la completacion a sido optimizado por distribución uniforme. La Integración TTA y las propiedades del yacimiento son base para el diseño.

Los resultados preliminares de esta aplicación tecnológica y metodológica son bastante alentadoras. Son evidencias tempranas (datos de temperatura) de mejor conformidad a lo largo del pozo horizontal y el crecimiento de la camara se ha visto frenado por su arrastre. Una evaluación final requerira mas analisis utilizando TTA y sísmica 4D y los resultados seran compartidos en el seguimiento de documentos técnicos.

CONCLUSIONES

El uso de un modelo de estado estacionario del pozo térmico / hidraulico junto con las células del yacimiento ha demostrado ser una eficaz y sencilla herramienta para el diseño del pozo inyector SAGD. El diseño de la completacion puede ser uniformemente adaptado, o incluso un específico perfil de distribución de vapor. La evaluación del desempeño de la fase de circulación a través de los analisis transitorios térmicos, es una herramienta valiosa para evaluar el comportamiento inicial del calentamiento de la camara de vapor y de los patrones de crecimiento. Permite el diseño de la completacion definitiva y personalizada para cada pozo, las tendencias iniciales de la distribución del crecimiento del vapor uniforme y la camara puede ser modificada.La cantidad de puntos de datos de temperatura a lo largo de la horizontal es fundamental para comprender plenamente la dinamica en el interior del pozo durante los periodos de cierre. La fibra óptica DTS proporciona la mayor parte una resolución mas alta que el T / C, lo que permite un mejor analisis de los datos de la caída de la temperatura fuera.
La integración de las propiedades inalteradas del yacimiento y el analisis térmico transitorio de datos de entrada para el modelado de las fuentes de los perfiles de inyección de vapor dentro del yacimiento con un simulador térmico / hidraulico ha demostrado ser un eficaz método de diseño de pozos de inyección SAGD. Esta metodología permite un uso mas eficiente de la energía, que promueve la recuperación acelerada de hidrocarburos y minimiza la relación de energía utilizada por barril de petróleo producido.

RECONOCIMIENTO

Los autores desean agradecer a Statoil el permiso para publicación de este trabajo y compartir conocimientos con la comunidad internacional de petróleo y con la comunidad técnica del gas.
Nos gustaría agradecer especialmente Scott Hobbs, de Weatherford Canada, que llevó a cabo todas las simulaciones de TWS necesaria para desarrollar este proyecto.
Por último, queremos dar las gracias al equipo de ingeniería del subsuelo del activo Leismer por su apoyo a los conocimientos técnicos, los esfuerzos de intercambio y recopilación de datos.