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Capítulo 2

Exploración y producción

Arturo Diego Orozco Alma América Porres Luna Leonel Toledo Pérez

Exploración y producción Propósito El proyecto Prospectiva de la investigación y el desarrollo tecnológico del sector petrolero al año 2025 tiene como objetivo identificar oportunidades de I&DT y delinear acciones estratégicas de mediano y largo plazos para el sector petrolero, en el que la participación del IMP esté fundamentada por medio de la investigación, asimilación y desarrollo de nuevas tecnologías para mejorar la exploración y explotación de los yacimientos de hidrocarburos, para cumplir con las expectativas de desarrollo del país y, en consecuencia, tener un nivel competitivo internacional.

La necesidad de incorporar nuevas reservas de crudo y gas nos obligan a continuar explorando, no sólo las partes terrestre y marina somera, sino también explorar y explotar yacimientos en aguas profundas. En este sentido el Golfo de México cuenta con muchas probabilidades de éxito. Es importante hacer notar que la industria petrolera entrará en una etapa difícil, por lo que es necesario estar preparado para asumir tales retos. La localización y extracción de hidrocarburos necesitará nuevas tecnologías, además de buscar paralelamente fuentes alternas de energía, las cuales, al igual que los combustibles fósiles, deberán ajustarse a las restricciones para la protección ambiental.

1. Introducción 3. Etapas durante el desarrollo de un campo El actual crecimiento de la economía mundial demanda el uso de cada vez mayor cantidad de energía, y el petróleo es la más importante de ellas. Esta fuente de energía es la más utilizada, ya que cubre alrededor del 70% del consumo mundial. Al correlacionar las reservas mundiales de hidrocarburos con el consumo anual, se obtienen reservas para 41 años, pero si se considera la declinación natural en la producción que exhiben los yacimientos petrolíferos, puede afirmarse que el periodo real durante el cual pudiese ser satisfecha la demanda sería mucho menor. En consecuencia, se requiere incrementar las reservas, ya sea mediante el descubrimiento de nuevos yacimientos y/o mejorando sustancialmente la recuperación de los campos existentes [Moritis, 2000]. Debido a las restricciones impuestas para la protección ambiental, la tendencia actual y futura será el uso de combustibles cada vez más limpios y fuentes alternas de energía. Sin embargo, actualmente los aspectos económicos relacionados con estas últimas restringen su pleno desarrollo [Hopkins, 1999]. 2. Contexto y entorno actual El estado avanzado de explotación de los principales campos en México, aunado al incremento en la exportación de crudo, así como el incremento acelerado de la demanda de gas y crudo en el país, nos llevan a un punto en el que la exploración y la explotación son críticas e impostergables para satisfacer la demanda nacional [Pemex, 2000].

Dentro del desarrollo de un campo se toman en cuenta dos grandes etapas: la primera es la parte exploratoria y la segunda el área de producción (figura 1). Ambas incluyen subdivisiones importantes [Pemex,1993]. 3.1. Exploración El futuro de la exploración en México responde directamente a la demanda nacional e internacional de hidrocarburos. En consecuencia, la exploración se intensificará en los próximos años para satisfacer la demanda creciente. En el pasado, la exploración petrolera tuvo un gran auge a partir de la expropiación petrolera hasta los años 50, dominada por levantamientos de tipo gravimétricos y magnetométricos. Más tarde, en los 60 y 70, por levantamientos sísmicos bidimensionales; en los 90 por levantamientos tridimensionales, y recientemente por levantamientos de cable de fondo marino. Actualmente la fase exploratoria constituye la parte inicial y la base de todo esquema petrolero en el que, como paso inicial, se seleccionan zonas potenciales. Posteriormente se procede a realizar la evaluación de la cuenca, que se lleva a cabo en tres etapas. La primera consiste en evaluar el potencial petrolero de la misma utilizando modelado geoquímico para determinar el contenido de materia orgánica total por gramo de roca (c. c. o. t.), la calidad de la misma o tipo de kerógeno (I, II, III) y su madurez térmica. La segunda etapa consiste en la evaluación del play, apoyándose

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Figura 1. Esquema de un proyecto de inversión

en información sísmica y estructural, analizando tipos de aceite, roca, trampa y edad. Finalmente, en la tercera etapa se evalúa el prospecto para proponer la localización del pozo exploratorio. El siguiente paso es complementar la fase anterior con la prospección geofísica, en la cual se planean el o los métodos geofísicos a utilizar y que varían según el objetivo. Por lo general, se requieren levantamientos aeromagnéticos, gravimétricos y sísmicos convencionales.

Actualmente la gravimetría es considerada una tecnología madura que permite delimitar, con muy buena calidad, la forma y dimensión de cuerpos salinos, generalmente asociados a yacimientos o trampas petroleras de tipo estructural o estratigráficas. Sismología de exploración

Gravimetría

La sismología de exploración es, en la actualidad, la tecnología con la mayor inversión hacia objetivos de prospección. Su desarrollo va en aumento día con día, pero no es la sismología tradicional la única herramienta utilizable; su desarrollo va desde la adquisición de datos sísmicos, procesado e interpretación de los mismos, hasta procesos especiales con fines bien específicos, como podrían ser la localización de gas, fluidos o bien una imagen estructural o estratigráfica del subsuelo. El producto es generalmente una sección sísmica bidimensional hasta un volumen tridimensional de datos, los cuales son utilizados en la interpretación, así como en la delimitación de un yacimiento petrolero.

La gravimetría es el método geof ísico basado en la densidad de las rocas. Este método toma en cuenta el tipo de material, eventos geológicos, tectónica del área y geología estructural, con el fin de establecer la columna sedimentaria del área en cuestión.

Los avances más importantes en la exploración petrolera están fundamentados en la obtención de una imagen sísmica del subsuelo, por lo cual se espera un incremento importante en las tecnologías que utilizan datos sísmicos.

Magnetometría Es un método geofísico basado en la capacidad magnética de las rocas del subsuelo, el cual mediante levantamientos terrestres (generalmente aéreos para fines petroleros) o marinos, denota la presencia de zonas anómalas, lo que permite establecer el paquete sedimentario entre la superficie y el basamento.

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Modelado geológico El modelado geológico requiere métodos indirectos, tales como la sísmica para la definición de aspectos estratigráficos y estructurales, interpretados en la geología regional del área de estudio, que darán como resultado un modelo a utilizar en la caracterización de un yacimiento. Se han logrado avances en cuanto al desarrollo de técnicas para definir modelos geológicos, que consideran datos directos e indirectos de las formaciones en estudio, así como un enfoque multidisciplinario que cubre aspectos sedimentarios, diagenéticos, estratigráficos, estructurales y, en general, de todas las actividades que permiten establecer el potencial de las zonas con acumulación de hidrocarburos [Al-Hussaing et al., 1996]. Geoquímica La geoquímica tiene, actualmente, una aplicación muy importante, tanto en exploración como en producción, pues permite entender y conocer el origen, probables rutas de migración y entrampamiento de los hidrocarburos almacenados en el subsuelo. 3.2.Producción En la rama de explotación de hidrocarburos existen diversas tecnologías que deben ser consideradas para la incorporación de reservas y el mejoramiento de la producción. La tendencia va hacia la superación de las dificultades para localizar y evaluar nuevos yacimientos petrolíferos y para explotarlos eficientemente [Saher, 1994]. Actualmente se estima que los yacimientos que se consideran económicamente agotados contienen todavía alrededor de la tercera parte de su volumen original de hidrocarburos, y los nuevos o de reciente descubrimiento ofrecen dificultades para su explotación por su profundidad, complejidad geológica y tipos de fluidos. La explotación de yacimientos, desde el punto de vista rigurosamente técnico, puede considerarse como el conjunto de decisiones y operaciones mediante las cuales a un yacimiento petrolífero se le identifica, cuantifica, desarrolla, explota, monitorea y evalúa en todas sus etapas de producción; esto es, desde su descubrimiento, pasando por su explotación, hasta su abandono, aunque probablemente haya tantas definiciones como percepciones del proceso. Como ya se mencionó, el propósito básico de la explotación de hidrocarburos es controlar las operaciones

para obtener la máxima recuperación económica posible de un yacimiento, basado en hechos, información y conocimiento, donde consideramos las siguientes etapas: Evaluación de yacimientos En esta etapa se realiza el estudio de las propiedades de las rocas y su relación con los fluidos que contiene para cuantificar el volumen original de hidrocarburos existentes en los yacimientos petroleros, y establecer estrategias de explotación, tomando en cuenta los modelos de caracterización y simulación de yacimientos. Desarrollo de campos Consiste principalmente en la perforación y operación de pozos. Está condicionado por los tipos de fluidos y su comportamiento en el yacimiento. Aquéllos determinarán cuántos pozos y dónde se deberán perforar, y cómo deberán producir para aumentar las ganancias. Existe una variedad de pozos según la necesidad del yacimiento. Entre ellos podemos mencionar: pozos convencionales, direccionales, de alcance extendido, horizontales, de diámetro reducido, multilaterales y ramificados. Todos ellos tienen como objetivo principal optimar la extracción y aumentar las ganancias del hidrocarburo. Recuperación de hidrocarburos Tradicionalmente los métodos de producción por agotamiento primario y secundario permiten recuperar in situ una tercera parte del aceite de un yacimiento. En épocas pasadas esta situación no recibía mucha atención debido a que el aceite era relativamente fácil de encontrar y, en consecuencia, el costo de producción de un barril de aceite de un nuevo descubrimiento resultaba inferior al de un barril incorporado por métodos de recuperación terciaria o mejorada. Dada la declinación de reservas y la baja probabilidad de localizar nuevos campos importantes, los productores han buscado incrementar la recuperación final de hidrocarburos de campos abandonados o en estado avanzado de explotación. Asimismo, la caracterización computarizada de yacimientos constituye una de las herramientas más importantes en los procesos de recuperación mejorada de petróleo. De hecho, el éxito de estos procedimientos depende, prácticamente, de aplicar la energía mediante los fluidos inyectados en el lugar, tiempo y volumen correctos. También se puede realizar esta estrategia con un simulador de yacimientos adecuado.

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A futuro se considera que aquellos procesos que van más allá de una inyección de agua o gas simple, es decir, aquellas técnicas que involucren la recuperación de aceite mediante la inyección de algún fluido originalmente no encontrado en el yacimiento, serán los que ofrezcan mejores perspectivas para recuperar volúmenes adicionales de hidrocarburos. En términos generales, los tres principales métodos a utilizarse se agrupan en térmicos (aplicación de energía calorífica), desplazamiento miscible (mezclado del aceite del yacimiento con un solvente) y métodos químicos (inyección de sustancias químicas). De estos métodos, los que deben tener mayor desarrollo en el futuro son, en primer lugar, los miscibles, dado que la investigación al respecto debe hacerlos económicamente atractivos y, en segundo lugar, los químicos, pues deben desarrollarse polímeros más efectivos y económicos [Moritis,1999]. Sistemas e instalaciones de producción Esta etapa tiene una estrecha interrelación con el estudio de los fluidos y su interacción con las rocas, pero es el propio pozo y/o su diseño superficial el que determina la recuperación del aceite de forma optimizada, con la disposición de instalaciones superficiales adecuadas para futuras expansiones. A continuación se mencionan los sistemas más importantes: análisis nodal, manejo y acondicionamiento de gas, simulación y optimación de sistemas de producción, simulación dinámica de flujo multifásico en tuberías, sistemas artificiales en producción y, a futuro, los sistemas de producción en aguas profundas. 4. Necesidades y tecnologías El análisis de la capacidad de producción de crudo en México, con respecto de la exportación y el creciente consumo nacional, nos hace reflexionar acerca de la importancia de la exploración en la industria petrolera, ya que de no incorporar nuevas reservas, nuestra capacidad de producción actual (3.7 MMBD) se podría ver disminuida de una manera muy importante en los próximos 10 años (500 MBD). 4.1. Exploración La situación actual, así como la prevista sin nueva incorporación de reservas, llevan a la conclusión de que la exploración petrolera en México es crítica e impostergable. Para ello, se requerirá jerarquizar las necesidades exploratorias y mejorar e incorporar nuevas tecnologías en la búsqueda y explotación de

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hidrocarburos. En las actividades de exploración se requiere de manera prioritaria: Mejorar la resolución sísmica que nos permita tener una mejor imagen del subsuelo, que pueda visualizarse en dos o tres dimensiones, mostrando las trampas geológicas o estratigráficas susceptibles de acumulación de hidrocarburos. Para ello se requiere mejorar las tecnologías de sísmica 3D y 4D, migración antes y después de apilar, sísmica multicomponentes, tomografía, etcétera. Localizar y delimitar nuevos yacimientos de gas para satisfacer la creciente demanda. Es necesario realizar grandes esfuerzos en la exploración de estos yacimientos, que comprenden las provincias gasíferas de México ya conocidas, así como nuevas provincias potenciales, utilizando tecnologías maduras dentro de la industria, así como la incorporación de nuevas herramientas. Las tecnologías para cubrir esta necesidad van desde la utilización de sensores remotos, modelado geoquímico, gravimetría, magnetometría, sísmica 3D y 4D, multicomponentes, atributos sísmicos AVO y AVA hasta empleo del modelado geológico detallado. Explorar aguas profundas para la localización de nuevos yacimientos de hidrocarburos en tirantes de agua de más de 500 metros, lo cual implica nuevos y grandes retos para la industria mexicana. Las tecnologías a utilizar son: sensores remotos, modelado geoquímico, métodos potenciales, sísmica 3D y 4D, sísmica multicomponente, estudios de AVO y AVA, utilización de un mayor número de atributos sísmicos de la señal, y modelado geológico; sin olvidar áreas como la robótica para una mejor exploración de yacimientos a profundidades de más de mil metros de tirante de agua. Explorar depósitos de hidratos de metano como nueva fuente potencial de energía, presente en la plataforma de varios continentes y de profundidad somera (450 metros). Estados Unidos, India, México y Rusia son países con un gran potencial; países como Japón, Estados Unidos y Canadá cuentan ya con un programa de planeación para el estudio de dichos yacimientos, aunque no existe aún gran detalle sobre la forma de extracción. Esto nos podría situar en la misma línea de partida que cualquier otro país en el desarrollo de tecnologías para la localización y extracción de los depósitos de metano. Para ello se requerirá la utilización de sensores remotos, modelado geoquímico, métodos potenciales, sísmica 3D y 4D, multicomponente y modelado geológico.

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4.2. Explotación

Activación de campos marginales

De acuerdo con la situación actual de los yacimientos en México, se tendrá que avanzar en técnicas de recuperación terciaria o mejorada con tecnologías no convencionales mediante el empleo de herramientas analíticas, numéricas y la aplicación de técnicas de interpretación interactiva. Con esto se busca desarrollar un mejor conocimiento de los modelos geológicopetrofísicos y de los procesos fisicoquímicos que controlan el flujo de fluidos en el medio poroso, para generar nuevas ideas que permitan extender la vida productiva de los yacimientos. Esto es válido para los que se encuentran en una etapa avanzada de explotación, así como para los de reciente desarrollo, los que se localizan en aguas profundas, y aquellos que por el tipo de fluido o volumen de hidrocarburos han quedado marginados. Uno de los objetivos f undamentales de esta actividad es optimar la explotación de los yacimientos antes mencionados, al aumentar los factores de recuperación.

Para satisfacer esta necesidad se requiere jerarquizar la prioridad de los campos que presenten esta problemática, con el fin de generar estudios de caracterización y simulación numérica de yacimientos que nos permitan evaluar la potencialidad de estos campos y aplicar un proceso de reingeniería total en las actividades de explotación.

Otro aspecto de gran relevancia es acelerar de manera importante los tiempos de perf oración de pozos, para alcanzar nuevos objetivos y penetrar las f ormaciones de int erés sin causar daños irreversibles a las unidades y, en general, para abaratar el proceso y permitir el acceso a mayores profundidades. Las técnicas de perforación deben ser del tipo no convencional que favorezcan la recuperación de hidrocarburos al permitir un mejor enlace entre los yacimientos y las instalaciones de producción [Holstein et al., 1997].

Es necesario conocer el estado actual que guardan las bases de datos del sistema petrolero nacional con el propósito de disponer de manera precisa y oportuna del conocimiento generado a través del tiempo en los yacimientos petroleros.

En los próximos años se esperan grandes cambios derivados de nuevas tecnologías de perforación, principalmente en el caso de aguas profundas y en sistemas de largo alcance. Algunas necesidades que se requiere cubrir para mantener o incrementar la producción y reservas de hidrocarburos, son: Aplicación de técnicas en yacimientos en una etapa de explotación avanzada Estas técnicas requieren un programa intensivo de monitoreo del comportamiento de yacimientos, que incluye avance de los contactos de los fluidos, comportamiento de fluidos, toma de registro de presiones, etcétera. Dichas técnicas deben ser aplicadas de acuerdo con la problemática del yacimiento en particular.

Evaluación de yacimientos con complejidad geológica Para estos yacimientos es recomendable un monitoreo tecnológico en perforación, terminación y reparaciones de pozos, para adaptar técnicas que permitan incrementar la productividad de los pozos en este tipo de yacimientos. Para alcanzar lo anterior es indispensable contar con un modelo geológico y petrofísico detallado de las formaciones de interés. Sistemas inteligentes (geomática)

Explotación de campos en aguas profundas Definir la batimetría en la que se puedan ubicar los yacimientos e identificar el contenido probable de sus fluidos, con el fin de adaptar sistemas de explotación en aguas profundas. Evaluación de volumen de CO2 en el país para su uso en proyectos de recuperación mejorada Se deberá definir primero la fuente de CO2 y evaluar el volumen de este gas para ser utilizado en yacimientos que, por sus características particulares, sean susceptibles de la implantación de un proceso de recuperación mejorada por inyección de CO2, basándose en estudios geológicos, de simulación numérica y evaluación económica. Explotación de gas en yacimientos de carbón y en depósitos de hidratos de metano Se tendrá que recurrir ...