¿En qué se relaciona el concepto de permeabilidad con la explotación de petróleo y gas natural? // How does the concept of permeability relate to oil and natural gas development?

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Hola amigos de hive y de toda la comunidad STEM que siempre está atenta al contenido relacionado con la ciencia, tecnología ingeniería y matemática.

En esta oportunidad voy a desarrollar este contenido especialmente para explicar la relación que tiene el concepto de permeabilidad con la explotación de petróleo y gas natural de los yacimientos de hidrocarburos existentes en el mundo.

Empecemos realizando un breve análisis de cómo se comporta la naturaleza para la existencia de los acuíferos de agua.

La migración del agua en el planeta es un proceso dinámico que está muy relacionada con el ciclo que está sigue, sin embargo si no existiera un proceso llamado permeabilidad quizás mucho de este equilibrio natural del ciclo del agua se viera interrumpido.

Existen acuíferos subterráneos que se alimentaron por miles de millones de años por aguas superficiales, y todo gracias a esa capacidad del suelo y la roca de permitir el paso de los líquido, como en este caso es el agua. Para evitar su migración, una vez encontrado en el subsuelo se puede llegar a conseguir con trampas de rocas que son pocos permeable o prácticamente nulas en su permeabilidad.

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Esa forma que tiene la naturaleza para dejar fluir o entrampar algunos fluidos, ha servido para que la formación de hidrocarburos a través de los miles de millones de año que ha tenido en su formación sirva para que hoy por hoy encontramos yacimientos de petróleo y gas que puedan ser explotados comercialmente.

Si tomamos en cuenta de forma generalizada que los hidrocarburos se debieron haber formado hace miles de millones de años debido a la descomposición de materia orgánica animal y vegetal, y que la de quedar atrapados en subsuelo y al ser sometido a ciertos procesos de erosión, sedimentación, altas temperaturas y presiones se formará el petróleo y el gas natural.

También debemos tomar en cuenta que el petróleo y el gas natural son fluidos y que por ende en la naturaleza han tomado un comportamiento similar de migración que el del petróleo y gas natural. El petróleo sigue su ruta de migración hasta el momento que se encuentra con alguna falla geológica que lo entrampa, ya que está formada por rocas sellos de baja permeabilidad.

Sin embargo esa baja permeabilidad sólo es provechosa para que se generen los depósitos de hidrocarburos (petróleo y gas natural) tal y como los conocemos en la actualidad, pero que para que se puede extraer comercialmente desde el subsuelo hasta la superficie es necesario que se pueda mejorar esa permeabilidad, tal es el caso de tecnologías de fracturamiento hidráulico, inyección de vapor de agua, entre otras tecnologías que son vitales para la producción de petróleo y gas natural.

Conceptualización de la permeabilidad y su relación con la producción de hidrocarburos

La permeabilidad la podemos denotar con la letra k, en base a lo que se explicó en la introducción del post, podemos llegar a la conclusión de que la permeabilidad es capacidad o una habilidad que tiene el medio poroso para permitir que los fluidos pasen a través de él.

Existe algo clave y fundamental para la comprensión de la permeabilidad, si consideramos que la permeabilidad es una habilidad, entonces debemos admitir que puede ser mejorada mediante tecnologías que contemplan la ingeniería y la innovación.

Lo otro importante es el medio poroso, para este caso de la extracción y producción de petróleo y/o gas natural el medio poroso es la roca reservorio, llamado también yacimiento productor, el cual es una arena productora que va contar con un área y una altura, va a tener porosidad, la porosidad son los espacios vacíos que tiene l roca que es por donde va a pasar el fluido.

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En la imagen descrita anteriormente, se puede denotar que la parte derecha siendo ilusoria de un tipo de roca geológica tiene más espacios vacío, por lo tanto mayor porosidad se traduce en una mejor habilidad para que el fluido pase, es decir si por esos espacios va a fluir petróleo y gas, entonces es probable que tenga una mejor y mayor permeabilidad la roca de la derecha.

Cuando digo que es probable, es porque la permeabilidad no solo depende de la porosidad, sino que depende también de la viscosidad del fluido que esté atravesando, influye el área del medio poroso, influye también el caudal de flujo.

Es importante resaltar que hablar de permeabilidad no es lo mismo que hablar de porosidad, ya que la permeabilidad es una habilidad, mientras que la porosidad es una condición.

La permeabilidad se puede mejorar realizando fracturas a la formación litológica en el subsuelo, mientras que la porosidad no se puede modificar porque es una condición geológica de la roca en el subsuelo.

Aunque la filtración y la permeabilidad son procesos distintos, les voy a presentar una imagen que sirve de ilustración para dar un ejemplo distinto de la forma en cómo podemos percibir el concepto de permeabilidad:

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En la imagen podemos ver que las pelotas más pequeñas pasan por el medio poroso (filtro), mientras que las pelotas más grandes quedan atrapadas en los orificios del filtro. Entonces pudiéramos decir que cómo es posible que siendo el mismo medio poroso, tenga una mejor habilidad para dejar pasar las pelotas pequeñas en comparación a las pelotas grandes.

La respuesta es muy sencilla, es porque la permeabilidad también va a depender del fluido que esté pasando por el medio poroso, supongamos que en la imagen de la ilustración las pelotas grandes sea un fluido de mayor viscosidad, y las pelotas pequeñas sea un fluido de menor viscosidad

Aplicaciones de la permeabilidad en la extracción y producción de hidrocarburos

La permeabilidad es importante para determinar las características de flujo de los hidrocarburos en los yacimientos de petróleo y gas.

Dichas características de flujo tienen una mejor comprensión con el cálculo de permeabilidad, los ingenieros de producción están en la obligación de contemplar en sus planes de optimización en la producción de petróleo y gas natural los valores de permeabilidad.

Existe una ley llamada la ley de Darcy, en honor a su precursor (Henry Darcy). Esta ley es generalizada, pero en lo particular podemos partir de la ley generalizada y analizar las posibles variantes que pueden ocurrir cuando es aplicada en la ingeniería petrolera:

La ley generalizada de Darcy está dada por un ambiente en condiciones ideales, lo cual no ocurre en el subsuelo para que el petróleo y el gas migren y se puede extraer de forma comercial, por lo que resulta conveniente explicar primeramente cuáles son esas condiciones ideales, y cuáles son las condiciones en las que se puede aplicar la ley de Darcy en la ingeniería petrolera.

La ley de Darcy está dado para un sistema como el que muestra la siguiente imagen:

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En dicho sistema va a existir ausencia de fuerzas gravitatorias, lo cual no va a ocurrir en un yacimiento petrolífero.

La permeabilidad del medio poroso es un sistema homogéneo, mientras que el yacimiento petrolífero es imposible que exista esta condición homogénea, ya que la porosidad de la roca es una condición en la que se forma la roca hace miles de millones de años.

Como última condición ideal a resaltar es que este sistema está propuesto para que el fluido que circule por medio de él sea un fluido monofásico, es decir de una sola fase, mientras que en un yacimiento puede circular fluidos multifásicos como petróleo, agua y gas.

Definamos algunas variables del sistema ideal de la ley de Darcy:

A: es el área de la sección transversal por donde va a circular el fluido que va a estar sometido al paso por este medio poroso, medido en metros cuadrados.

Q: es el caudal de flujo del fluido sometido a pasar por el medio poroso, medido en metro cúbico por segundo.

L: es la longitud del cilindro por donde va a pasar el fluido, medido en metro.

Va existir una presión de entrada, que va disminuir a medida que pasa por el medio poroso, por lo que la presión registrada en la salida va a ser menor que la de inicio, por lo que va a existir una caída de presión (Delta p).

(Delta p): La caída de presión va a ser igual a: Presión en la salida - Presión inicial.

Mediante estas condiciones ideales la ley generalizada de Darcy se rige por la siguiente ecuación:

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Si deseamos calcular el caudal de flujo que está siendo sometido al medio poroso, simplemente debemos conocer su permeabilidad, el área del medio poroso, que para el caso de la producción de petróleo y/o gas natural tendría que ser el área del yacimiento productor.

Es necesario obtener la viscosidad dinámica del fluido medido en pascal por segundo, para conocer la caída de presión va a depender las características hidrostáticas de los fluidos del yacimiento.

Conclusión

Si el ingeniero de producción conoce los valores de permeabilidad del medio poroso (yacimiento productor), puede realizar estimaciones constante acerca del caudal de flujo multifásicos (petróleo y gas natural), de allí depende las decisiones de mejorar la permeabilidad del medio poroso mediante nuevas tecnologías, cada vez que se calcule y se vea que la el caudal ha disminuido es muy probable que el ingeniero de producción puede optimizar la producción.

Las limitantes de la ley generalizada de Darcy para ser aplicada en la ingeniería de petróleo son variadas, sin embargo la limitante más importante es la de no aplicar para flujo multifásicos, razón por la cual debe ser aplicada la ley de Darcy para el flujo multifásicos.

Referencias Bibliográficas

Permeabilidad
Ley de Darcy


Post in English

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Hello friends of hive and all the STEM community that is always attentive to the content related to science, technology, engineering and mathematics.

In this opportunity I am going to develop this content especially to explain the relationship that the concept of permeability has with the exploitation of oil and natural gas from existing hydrocarbon deposits in the world.

Let's start with a brief analysis of how nature behaves for the existence of water aquifers.

The migration of water on the planet is a dynamic process that is closely related to the cycle it follows; however, if a process called permeability did not exist, perhaps much of this natural balance of the water cycle would be interrupted.

There are subway aquifers that were fed for billions of years by surface water, and all thanks to the ability of soil and rock to allow the passage of liquids, as in this case is the water. To prevent its migration, once found in the subsoil can be achieved with rock traps that are little permeable or practically null in its permeability.

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This way that nature has to let some fluids flow or trap, has served for the formation of hydrocarbons through the billions of years that it has had in its formation, so that today we find oil and gas fields that can be commercially exploited.

If we take into account that hydrocarbons must have been formed billions of years ago due to the decomposition of animal and vegetable organic matter, and that after being trapped in the subsoil and subjected to certain processes of erosion, sedimentation, high temperatures and pressures, oil and natural gas will be formed.

We must also take into account that oil and natural gas are fluids and therefore in nature have taken a similar migration behavior as oil and natural gas. Oil follows its migration route until it encounters a geological fault that traps it, since it is formed by low permeability seal rocks.

However, this low permeability is only useful to generate hydrocarbon deposits (oil and natural gas) as we know them today, but in order to extract them commercially from the subsoil to the surface it is necessary to improve this permeability, such is the case of hydraulic fracturing technologies, steam injection, among other technologies that are vital for the production of oil and natural gas.

Conceptualization of permeability and its relation to hydrocarbon production.

Permeability can be denoted by the letter k, based on what was explained in the introduction of the post, we can conclude that permeability is a capacity or an ability of the porous medium to allow fluids to pass through it.

There is something key and fundamental to the understanding of permeability, if we consider that permeability is an ability, then we must admit that it can be improved by technologies that contemplate engineering and innovation.

The other important thing is the porous medium, for this case of extraction and production of oil and/or natural gas the porous medium is the reservoir rock, also called producing reservoir, which is a producing sand that will have an area and a height, it will have porosity, porosity are the empty spaces that the rock has, which is where the fluid will pass through.

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In the image described above, it can be seen that the right side being illusory of a type of geological rock has more empty spaces, therefore greater porosity translates into a better ability for the fluid to pass, i.e. if oil and gas will flow through those spaces, then it is likely that the rock on the right has a better and higher permeability.

When I say it is probable, it is because permeability not only depends on the porosity, but also on the viscosity of the fluid that is passing through, the area of the porous medium influences, the flow rate also influences.

It is important to emphasize that talking about permeability is not the same as talking about porosity, since permeability is an ability, while porosity is a condition.

Permeability can be improved by fracturing the lithological formation in the subsurface, while porosity cannot be modified because it is a geological condition of the rock in the subsurface.

Although seepage and permeability are different processes, I will present an image that serves as an illustration to give a different example of how we can perceive the concept of permeability:

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In the image we can see that the smaller balls pass through the porous medium (filter), while the larger balls are trapped in the holes of the filter. Then we could say that how is it possible that being the same porous medium, it has a better ability to let the small balls pass in comparison to the big balls.

The answer is very simple, it is because the permeability will also depend on the fluid that is passing through the porous medium, let's suppose that in the image of the illustration the large balls are a fluid of higher viscosity, and the small balls are a fluid of lower viscosity.

Applications of permeability in hydrocarbon extraction and production

Permeability is important in determining the flow characteristics of hydrocarbons in oil and gas reservoirs.

These flow characteristics are better understood with the permeability calculation, production engineers are obliged to consider permeability values in their oil and natural gas production optimization plans.

There is a law called Darcy's law, in honor of its precursor (Henry Darcy). This law is generalized, but in particular we can start from the generalized law and analyze the possible variants that can occur when it is applied in petroleum engineering.

The generalized Darcy's law is given for an environment in ideal conditions, which does not occur in the subsurface for oil and gas to migrate and can be extracted commercially, so it is convenient to explain first what these ideal conditions are, and what are the conditions under which Darcy's law can be applied in petroleum engineering.

Darcy's law is given for a system as shown in the following image:

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In such a system there will be an absence of gravitational forces, which will not occur in an oil reservoir.

The permeability of the porous medium is a homogeneous system, while in the oil field it is impossible for this homogeneous condition to exist, since the porosity of the rock is a condition in which the rock was formed billions of years ago.

The last ideal condition to highlight is that this system is proposed so that the fluid flowing through it is a single-phase fluid, that is, a single phase fluid, while in a reservoir multiphase fluids such as oil, water and gas can circulate.

Let us define some variables of the ideal system of Darcy's law:

A: is the cross-sectional area through which the fluid that will be subjected to flow through this porous medium will circulate, measured in square meters.

Q: is the flow rate of the fluid subjected to pass through the porous medium, measured in cubic meters per second.

L: is the length of the cylinder through which the fluid will pass, measured in meters.

There will be an inlet pressure, which will decrease as it passes through the porous medium, so the pressure recorded at the outlet will be lower than the initial pressure, so there will be a pressure drop (Delta p).

(Delta p): The pressure drop will be equal to: Pressure at the outlet - Initial pressure.

Under these ideal conditions Darcy's generalized law is governed by the following equation:

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If we want to calculate the flow rate that is being subjected to the porous medium, we simply need to know its permeability, the area of the porous medium, which in the case of oil and/or natural gas production would have to be the area of the producing reservoir.

It is necessary to obtain the dynamic viscosity of the fluid measured in pascal per second, to know the pressure drop will depend on the hydrostatic characteristics of the reservoir fluids.

Conclusion.

If the production engineer knows the permeability values of the porous medium (producing reservoir), he can make constant estimates about the multiphase flow rate (oil and natural gas), from there depends the decisions to improve the permeability of the porous medium through new technologies, every time it is calculated and it is seen that the flow rate has decreased it is very likely that the production engineer can optimize the production.

The limitations of the generalized Darcy's law to be applied in petroleum engineering are varied, however the most important limitation is that it does not apply to multiphase flow, which is why Darcy's law must be applied to multiphase flow.

Bibliographic references

Permeability

Darcy's Law



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I didnt know that permeability was linked to oil production!
!1UP


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Hello friend, permeability is closely linked to oil production, Darcy's law expresses how we can estimate oil production in terms of oil flow rate.

Greetings and thanks for the support.

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