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Trazadores Segunda presentación teórica: Transporte de un trazador pasivo (conservativo) 2014

Trazadores 2

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Segunda Presentación técnica

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  • Trazadores

    Segunda presentacin terica:

    Transporte de un trazador pasivo (conservativo)

    2014

  • El proceso de transporte motorizante del movimiento de un trazador es la CONVECCION.El transporte convectivo del trazador ocurre simplemente porque el trazador se encuentra presente en una

    corriente fluida (por ej. agua de inyeccin). Simplemente el trazador se deja llevar por la corriente (como una

    hoja que cae desde un rbol, sobre el ro).

    Transporte de un trazador pasivo (conservativo)

    Se denomina densidad de flujo convectivo (Jc) al producto:

    vCJc Sus unidades son:

    segm

    gr

    seg

    m

    m

    gr

    **

    23

  • Sin embargo ocurren fenmenos a nivel poro que determinan que no todas las molculas de trazador se muevan de forma uniforme (con la misma velocidad).

    Si focalizamos nuestra atencin en los conductos (poros + gargantas porales) encontraremos que las velocidades son mayores en las zonas centrales que cerca de las paredes. Asumiendo un modelo de tubo,

    tendremos esquemticamente el siguiente mecanismo:

    Transporte de un trazador pasivo (conservativo)

  • Adems del proceso anterior (que adelanta molculas respecto a otras), encontraremos que los tubos se encuentran interconectados entre si, constituyendo redes tortuosas. Como consecuencia, molculas que ingresan juntas al medio poroso (por ej. un testigo de corona) podrn bifurcarse al presentarse caminos alternativos.

    Transporte de un trazador pasivo (conservativo)

    tubo

  • En consecuencia, si inyectamos un batch de trazador en la entrada del testigo (de concentracin Co),

    observaremos su avance por la conveccin, pero este avance no ser uniforme sino que habr molculas

    adelantadas respecto al promedio y otras atrasadas. Este fenmeno se conoce como DISPERSION

    HIDRODINAMICA y depende del grado de heterogeneidad que presenta la roca. Usualmente los parmetros

    asociados al ancho de la distribucin de concentracin del trazador se utilizan como medida de la intensidad del fenmeno de dispersin hidrodinmica.

    Transporte de un trazador pasivo (conservativo)

    2

    Parmetro indicativo

    del grado de dispersin:

    v.t

    Numerosos estudios de la dispersin

    hidrodinmica de trazadores en rocas petroleras

    avalan considerar a este fenmeno como una

    especie reforzada de difusin molecular. Es decir. la dispersin del trazador estara

    gobernada por la ley de Fick de la difusin

    molecular.

  • La nube de trazador (inicialmente rectangular o pulso cuadrado) avanzar por conveccin de manera que su centro de masa se habr desplazado una distancia:

    Transporte de un trazador pasivo (conservativo)

    2

    tvx .

    v.t

    Simultneamente, desde el centro de masa, las molculas

    experimentarn un proceso del tipo difusivo, por el cual

    algunas de ellas harn saltos difusivos hacia atrs y otras

    hacia delante, en acuerdo con la ley de Fick, esto es:

    tDL.2

    El otrora coeficiente de difusin molecular es ahora

    el coeficiente de dispersin hidrodinmica DL.

    Complementariamente, siguiendo las indicaciones

    de la ley de Fick, el flujo dispersivo ser:

    x

    CDJ Ld

    segm

    gr

    m

    m

    gr

    seg

    m

    **

    2

    32

    Nuevamente las unidades resultan:

  • Transporte de un trazador pasivo (conservativo)

    Considerando el ingreso y salida de los flujos

    convectivos y dispersivos en un elemento de volumen:

    Ax

    CD

    x

    L

    A

    x

    CD

    xx

    L

    xAV .

    AvCx

    AvCxx

    producirn una variacin temporal de la

    masa de trazador en tal elemento, dada por:

    t

    CxA

    ..

    x

    Considerando un elemento muy delgado y un

    intervalo de tiempo pequeo, de manera que

    los cocientes de incrementos finitos se

    puedan convertir en derivadas, se obtiene la

    ecuacin diferencial denominada CDE:

    2

    2

    i

    Lx

    CD

    x

    Cv

    t

    C

  • Resultados experimentales de dispersin sobre testigos

    vvd

    DL

    8.1

    Zona de inters petrolero

    Transporte de un trazador pasivo (conservativo)

    En la zona de inters:

    Se denomina dispersividad y es una escala de longitud para la cual se alcanza la homogeneidad

  • Acerca de la homogeneidad..

    Supongamos que deseamos calcular la densidad de un

    material compuesto de esferas de hierro (densidad 7.6

    g/cm3) y de plstico (densidad 0.7 g/cm3).

    Si tomamos una muestra pequea (dimetro d1) podra

    ocurrir que no incluya ninguna esfera de hierro o que

    incluya muchas en relacin a las de plstico. Ello depender de donde se site el tomamuestras.

    Si aumento el tamao de las muestras, lograr valores

    mas uniformes de densidad, independientemente de

    donde ubique el tomamuestras

    hierro plstico

    d1

    d2

  • Claramente la densidad mas representativa del material es 3.2 g/cm3.

    Pero evidentemente est involucrada una cuestin de escala

    d1 d2

  • En el caso de la dispersividad, el carcter dispersivo de la roca

    tambin depende del tamao de muestra analizada.

    Si estamos inyectando trazadores en testigos (bereas o roca real del

    reservorio) encontraremos una escala de algunos milmetros (la

    dispersividad) por sobre la cual muestras diferentes del mismo

    testigo, mostrarn el mismo carcter dispersivo. Es decir, el ancho de

    la nube de trazador crecer de acuerdo a:

    con

    siendo la escala medida.

    tDL.

    vDL

  • Dispersividades dependientes de la escala del ensayo

  • 22

    .ix

    Cv

    x

    Cv

    t

    C

    Incluyendo la ley empirica para DL resultar la CDE:

    O, en terminos de la velocidad de Darcy:

    2

    2

    .i

    DDx

    Cv

    x

    Cv

    t

    C

    La resolucin de esta ecuacin difererencial permitir obtener las concentraciones

    del trazador a lo largo del medio y su evolucion en el tiempo, esto es C(x,t)

    Por supuesto antes deber especificarse como se ha efectuado la inyeccion del

    trazador (lugar de inoculacin, forma, duracin, etc).

  • Si inyectamos una solucin trazadora de concentracion

    Co, en x=0 en forma continua a lo largo del tiempo (para

    t>0), en un testigo de corona por el cual est fluyendo un

    caudal de agua limpia (iw), resultarn perfiles de

    concentracion de trazador dados por la funcin:

    2

    2

    .i

    DDx

    Cv

    x

    Cv

    t

    C

    Testigo de corona

    C

    +x-x x=0

    tD

    tvxerfcCoC

    L

    tx4

    5.01),(

    Trazado durante el barrido de un testigo de corona

  • C(x,t)

    Co

    -x x=0 +x

    t=t1

    Un frente de solucin trazadora avanzar hacia la derecha

  • C(x,t)

    Co

    t

    Si se toman muestras en la salida del testigo de corona y

    se registran los valores de concentracion medidos en

    funcion del tiempo, obtendremos:

    t1

  • Cad(x,t)

    1

    VPI

    Es usual expresar el registro anterior graficarnodo la relacion C/Co, en funcion del volumen

    poral inyectado (referido al volumen poral del testigo)

    1

    Este experimento y esta forma de representacin son usuales para evaluar por ejemplo la retencin de polmeros en el diseo de tratamientos EOR.

  • -Co

    Una inyeccion de trazador tipo pulso cuadrado se obtiene inyectando la solucion trazadora de

    concentracion Co durante un tiempo acotado. Es decir, se inyecta agua limpia, luego solucion

    trazadora y finalmente agua limpia otra vez. La C(x,t) para una inyeccion de trazador tipo pulso

    cuadrado puede obtenerse de manera muy simple, restando dos soluciones del tipo:

    tD

    tvxerfcCoC

    L

    tx4

    5.01),(

    pero desfasadas en el tiempo!!

  • Interpretation of Interwell Tracers Tests

    Simulation

  • Interwell passive tracer tests are a powerful tool for the evaluation of the

    secondary recovery projects in oilfield reservoirs.

    In these projects, water injected in injection wells pushes the oil to the producing wells in which

    it is afterwards extracted.

    Heterogeneity, anisotropy, unfavorable mobility ratios, fractures and faults conspire to reach

    acceptable swept efficiencies.

    Channeling of water between injecting and producing wells is the most common problem.

    The interwell tracer tests permit us to detect these problems and then, as a consequence,

    they facilitate the corrective decisions.

    Also they permit us to determine some reservoir parameters, principally volumes, thickness

    and permeabilities of the watered layers.

    Obviously, for reaching the last objective it is necessary to assume a reservoir model.

    Introduction

  • Introduction

    In relation to the model choice we must consider that:

    1. We need to model a reservoir, which is practically unknown.

    2. We have only approximate values of thickness and permeabilities as references.

    3. We don't know about heterogeneity (shape and extension).

    4. Heterogeneity and unfavorable mobility relations cause unstable interfaces

    between water and oil.

    5. The dynamic conditions of the water injection can complicate the situation

    (i.e., unbalanced flow rates and pressures)

    For these reasons, we believe that it doesn't have sense to define a detailed

    model when the level of uncertainty is so high.

    So, a simple model contemplating the main features of the reservoir is appropriate.

    Also, a simple model facilitates the fitting of parameters by optimization

  • Transport of a passive tracerSimplifying assumptions

    1. Layered reservoir neglecting gravitational forces.

    2. One phase is flowing (water)

    3. Stationary pressures and velocities.

    4. Darcy law is valid.

    5. Superposition principle is valid.

  • 02

    2

    2

    2

    Y

    p

    X

    p

    Transport of a passive tracer

    Pressure and velocity fields

    For an homogeneous and isotropic layer,

    the pressure field satisfies:

    However, a great percentage of the oil reservoirs of Argentina are not isotropic.

    Many of they were dune fields in the past.

  • Dune fields show

    typical corded structures,

    perpendicular to the wind

    dominant direction.

    So the permeability must be

    bigger in the direction of the

    cords.

    Several tracer tests performed

    in aeolian oilfields of Argentina

    reveal this aspect.

    Transport of a passive tracer

    The reservoirs

  • We wanted to consider the above factors of reservoir anisotropy.

    So, we supposed two perpendicular directions, one for the Kmax

    and one for the Kmin, for which, the Laplace equation becomes:

    02

    2

    2

    2

    P

    MIN

    P

    MAXy

    pK

    x

    pK

    NP

    j

    wj

    j

    MIN

    MAXx

    C

    xxq

    K

    K

    hv

    12

    1

    NP

    j

    wj

    j

    MIN

    MAXy

    C

    yyq

    K

    K

    hv

    12

    1

    We obtained the velocity components:

    CosyySenoxxK

    KSenoyyCosxxC wjwj

    MIN

    MAXwjwj

    2

    With,

    Transport of a passive tracer

    Pressure and velocity fields

  • NLCisenryy

    rxx

    iwIwIi

    iwIwIi...,,2,1

    cos

    t

    yvand

    t

    xv yx

    Transport of a passive tracer

    Streamlines computation

    Being the velocities,

    NLCii

    2

    We can consider the coordinates of the starting points:

    NLCiyyxxr wPiwPiwP ...,,2,1,)()(22

    Later, we solve the Eqs.1 satisfying the condition:

    at the end of each streamline, in each producing well.

    (1)

    (2)

    (3)

  • Transport of a passive tracer

    Streamlines computation

    Balanced Regular Five Spot

    Isotropic case

  • Transport of a passive tracer

    Streamlines computation

    Balanced Regular Five Spot

    Non Isotropic case

    3MIN

    MAX

    K

    K

    o69

  • 40.0

    120

    200

    0 10 20 30 40 500

    10

    20

    30

    40

    50

    y (

    m)

    x (m)

    40.0

    120

    200

    0 10 20 30 40 500

    10

    20

    30

    40

    50

    y (

    m)

    x (m)

    Transport of a passive tracer

    Flux fronts

    Balanced Regular Five Spot

    Isotropic case

    Fronts for 40, 120, 200 days.

  • Transport of a passive tracer

    Mass transport

    We consider that the convection dispersion equation (CDE) is valid on eachstreamtube. So, considering an square pulse injection, with:

    2

    2

    2

    2

    1

    1

    0 22

    1

    22

    1,

    ssErfc

    ssErfc

    C

    tsC

    C(0,t) = C0, para 0 t tC(0,t) = 0, para t > tC(s,0) = 0, para s > 0

    s

    L dsv

    svs0

    2

    22 12

    We obtain the solution:

    In which the hydrodynamic dispersion and the divergent convergent character of each streamtube may be considered making:

    (4)

    (5)

  • Transport of a passive tracer

    Step and square pulse responses

    r

    i

    d

  • Factors influence

    on tracer records

  • The pattern: balanced five spot

    We take as example a balanced five spot pattern, in which the

    wells are distributed in an uniform way with identical flow rates.

    Also, no faults and no anisotropy are presents.

    P-1

    I-1

  • Layer thickness influence

    Well P-1

    We can see how the layer thickness

    controls the breakthrough, the pike

    position and the broadness of the

    tracer records.

    Here:

    qp = qi = 100 m3/d

    m20

    h = 1.0 m

    h = 0.5 m

    20.0

    00.1wS

  • Dispersivity influence

    Well P-1

    Dispersivity controls the breakthrough,

    the broadness and slightly the pike

    position of the tracer records.

    Here:

    qp = qi = 100 m3/d

    m5

    h = 1.0 m

    m10

    m20

    20.0

    00.1wS

  • Anisotropy influence

    Here, the pattern is a balanced five spot again,

    in which the wells are distributed in an uniform

    Way, with identical flow rates.

    But now, the water contribution from injectors

    along the 45 diagonal, it is more important

    that those along the other diagonal (135).

    o45

    0.2min

    max K

    K

    P-1

    I-1

  • h = 1.0 m

    m20

    o45

    0.2min

    max K

    K

    0.1min

    max K

    K

    Anisotropy influence

    Well P-1

    The anisotropy works in opposite way

    that the dispersivity.

    While increments of dispersivity anticipate

    the breakthrough and pike position, giving

    greater broadness, the anisotropy increments

    anticipate the breakthrough and

    pike position, but reducing the broadness.

  • Faults influence

    The fault works reinforcing the water assistance in the producers

    located in the same block of the injector, specially in those along the fault (i.e.: P-1).

    P-1

    I-1

    Sealing fault

  • Faults influence

    Well P-1

    Without fault

    With fault

    The above fault works in similar way

    that the anisotropy (on the well P-1).

    The fault existence anticipate the breakthrough

    and pike position, but reducing the broadness.

  • Fault + anisotropy: joint influence

    Fault: yes

    Anisotropy: no

    Fault: yes

    Anisotropy: yes

    Fault: no

    Anisotropy: no

    The joint action of anisotropy and fault

    (an often combination in the oilfields)

    can to anticipate strongly the breakthrough and

    pike position of the records.

  • Outside injectors influence

    P-1

    I-1

    Occasionally, the lack of tracer (or the scarce production of tracer)

    in a producer may be consequence of the outside injectors action.

    For example, here we have considered that the water flow rates

    of the injectors I-2, I-3 and I-4 are 200 m3/d, while the other

    injector water flow rates are only 100 m3/d.

  • Outside injectors influence

    Well P-1

    Balanced case

    unbalanced case

  • Validation of PORO outputs:

    Interpretation of tracer records

    from a laboratory scale experiment

    performed in the CEA (Grenoble, Fr)

  • 0.95

    1.60

    0.475

    0.475

    0.60

    The experimental arrange

    Overall dimensions

    Water saturated sand layer

    Overall dimensions:

    Length: 1.60 m

    Width: 0.95 m

    Height: 0.80 m

    Injector well in the centre

    Four producers

  • 0.27

    0.35

    0.320.32

    Well

    Well Well

    Well Well 1

    Well 2Well 3

    Well 4

    The experimental arrange

    Tracer, well coordinates and flow rates

    Layer thickness 0.80 m

    Porosity 35%

    Water saturation 100.00%

    3 tracer experiments - Tracer: Rhodamine WT

    Exp 1

    Flowrate @ Injection well 107 mL/min

    Flowrate @ each production well 26.8 mL/min

    Injected mass 0.041 g

  • 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00

    0.00

    0.05

    0.10

    0.15

    0.20

    0.25

    0.30

    recdia

    recdia

    recdia

    recdia

    day after injection

    Well 1

    Well 2

    Well 3

    Well 4

    Experimental tracer daily fractional recovery (TDFR)

    injtracer

    producerwatersampletracerrectracer

    injtracer m

    qC

    t

    m

    mTDFR

    .1

    Cumulative recoveries

    (at day 6.44):

    Well 1: 0.17733

    Well 2: 0.20178

    Well 3: 0.2249

    Well 4: 0.20657

    Mesh: 0.81058

  • Simulation

    In a first step, we obtained the simulated tracer records for the following conditions:

    1. Water saturation ( Sw = 1)

    2. Total layer thickness watered (h = 0.8 m )

    3. Reported porosity (0.35)

    4. Nominal water flow rates (injector: 107 mL/min and producers: 26.8 mL/min)

    5. 81.06 % tracer recovery

    6. No faults

    7. No anisotropy

    8. Potential flow conditions.

    9. Dispersivity (will be estimated)

  • Tracer daily fractional recovery (TDFR)

    Well 1 (experiment 1)

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

    0.00

    0.05

    0.10

    0.15

    0.20

    0.25

    0.30

    0.35

    0.40

    Days after injection

    measured

    simulated

    35.0

    005.0

    mWe observe a little advancement

    of the simulated record in relation

    to the experimental one.

    The same behavior was observed

    in the other wells.

  • Tracer daily fractional recovery (TDFR)

    Well 1 (experiment 1)

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

    0.00

    0.05

    0.10

    0.15

    0.20

    0.25

    0.30

    0.35

    0.40

    Days after injection

    measured

    simulated

    38.0

    006.0

    m The goodness of the fitting becameacceptable if we increase slightly

    the dispersivity and porosity.

    We consider that it may be possible

    certain flexibility in the porosity

    more that in the thickness

  • Tracer daily fractional recovery (TDFR)

    Well 2 (experiment 1)

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

    0.00

    0.05

    0.10

    0.15

    0.20

    0.25

    measured

    simulated

    day after injection

    38.0

    006.0

    m

  • Tracer daily fractional recovery (TDFR)

    Well 3 (experiment 1)

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

    0.00

    0.05

    0.10

    0.15

    0.20

    0.25

    0.30

    measured

    simulated

    day after injection

    38.0

    006.0

    m

  • Tracer daily fractional recovery (TDFR)

    Well 4 (experiment 1)

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

    0.00

    0.05

    0.10

    0.15

    0.20

    0.25

    0.30

    0.35

    measured

    simulated

    day after injection

    38.0

    006.0

    m

  • Comments

    The PORO simulator have some problems for fitting:

    1. The late breakthroughs of the tracer.

    2. The long tails of the experimental records.

    It may be consequence of the strongly diffusive character of the experimental tracer flux.

    So, molecular diffusion may transport tracer between streamlines, retarding it in the faster

    zones and also in the slower zones.

    In a real oilfield tracer test we expect convective dominant flows.

    Nevertheless, the PORO performance is acceptable in this lab scale experiment.