Fracturamiento Hidraulico

El fracturamiento hidráulico es una técnica aplicable en los trabajos de recuperación primaria y secundaria de petróleo y en la estimación de esfuerzos en profundidad.

La técnica concebida originalmente en el año de 1.947 para incrementar el área de drenaje en pozos petroleros, consiste en la inyección de fluido a presión desde la superficie a través de una perforación o pozo hasta una zonadeterminada del mismo, aislada por sellos , la cual sufrirá los efectos de la presión hidráulica fracturándose en la dirección del máximo esfuerzo principal de confinamiento en profundidad.1

Una fractura comienza a propagarse dentro del lecho rocoso y la presión del fluido decrece como consecuencia del aumento en el volumen que ocupa el fluido. Eventualmente, la presión ha decrecido tanto que nopuede abrir más la roca, en este punto el sistema entra en un equilibrio estacionario. La fractura obtenida produce un camino de alta permeabilidad que conecta el punto de extracción con zonas alejadas del reservorio2.

El objetivo de esta publicación es observar la importancia de la simulación de este proceso ya que por medio de un modelo de elementos discretos se obtiene información sobre laevolución de la presión del fluido y de la propagación de la fractura. Se ha desarrollado una simulación computacional del proceso de fracturamiento hidráulico en pozos petrolíferos. El modelo se describe de la siguiente manera: considera la roca como un conglomerado de polígonos irregulares unidos por fuerzas de cohesión proporcionales a sus constantes elásticas. El enlace entre dos polígonos serompe cuando la separación entre ellos se hace suficientemente grande. La roca se somete a la presión de un fluido fracturante que abre la fractura. Se muestra la fractura obtenida y la evolución de la presión fracturante en el tiempo2.

Las ecuaciones del modelo se resuelven de forma acoplada, discretizando la fractura en Volúmenes de control de igual longitud pero de altura variable ycalculando iterativamente la presión y tasa de flujo que cumplan con principios de conservación (conservación de masa y cantidad de movimiento), establecidas ciertas condiciones iniciales y de borde3.

La simulación requiere la modelación de las dos partes del problema: La roca y el fluido. Para modelar la roca, hemos utilizado la tesalización de Voronoi2 (Los Polígonos de Voronoi son una construccióngeométrica que permite construir una partición del plano euclídeo)4
Figura 1. Sistema de información geográfica de Polígonos de Voronoi4

En método el sólido es dividido en polígonos de configuración aleatoria. Dos polígonos sienten una fuerza de cohesión proporcional a sus constantes elásticas:

Fx = ESεl (1a)
Fy = GSεc (1b)

Donde el eje x es el paralelo al lado común de los dos polígonosy el y es perpendicular, E es el modulo de Young Tensil del material, G el módulo de cizalla, S la sección del lado que comparten los dos polígonos y εl y εc son las deformaciones tensil y de cizalla Respectivamente. La fractura se modela como una ausencia de estas fuerzas de cohesión una vez que el enlace se deforma por encima de cierto valor umbral2.

Luego se observa como la presión alcanzaun valor suficiente para romper la roca, el fluido puede ocupar un mayor volumen y la altura de la columna, y por tanto la presión, decrece. Cuando la presión es lo suficientemente baja para no poder romper más la roca, el sistema entra en equilibrio y la simulación se detiene2.

Figura 2. Fractura de equilibrio obtenida para un sólido conformado por 20x20 polígonosde Voronoi

Por lo quepodemos decir que un simulador es capaz de resolver el problema del flujo de fluidos y de la deformación elástica de la roca, asociado con la propagación de una fractura vertical inducida hidráulicamente dentro de una formación (homogénea e isotrópica) compuesta de tres capas con diferentes esfuerzos en sitio3.

Tomando en cuenta que el ancho de la fractura se obtiene asumiendo un estado de esfuerzo...