Proppants y la permeabilidad de fracturas: desvelando el impacto de la dispersión de tamaños
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La producción de petróleo y gas, especialmente en formaciones de baja permeabilidad, a menudo se ve dificultada. Para mejorarla, una práctica común es la estimulación hidráulica. Este proceso implica inyectar fluidos y agentes de apuntalamiento, conocidos como proppants, a alta presión en el pozo para formar fracturas en los yacimientos y acelerar la producción. Los materiales granulares actúan como proppants para evitar que las fracturas se cierren una vez que la presión hidráulica disminuye. La permeabilidad del lecho de proppant dentro de estas fracturas es crucial para el futuro éxito del pozo.
Seleccionar el material granular adecuado como proppant es una parte fundamental del proceso industrial. Por ello, se realizan pruebas exhaustivas, siendo la prueba de conductividad una de las más importantes. Esta prueba mide la capacidad de un lecho de proppant altamente confinado para permitir el flujo de fluidos a través de su estructura porosa. Sin embargo, la prueba de conductividad estándar ha mostrado una baja reproducibilidad, con valores que pueden dispersarse hasta un 20% en muestras del mismo material, e incluso hasta un 85% en pruebas interlaboratorio. Esta variabilidad dificulta la comparación precisa entre diferentes materiales de proppant.
El mito de la monodispersión: ¿importa la mezcla de tamaños?
Es ampliamente aceptado que el tamaño medio de las partículas es la variable principal que controla la conductividad del proppant. De hecho, la conductividad aumenta con el cuadrado del tamaño de la partícula. La creencia generalizada es que un material más cercano a la monodispersión (partículas de tamaño uniforme) tendrá una mayor conductividad. Esta idea se basa en que los materiales granulares polidispersos (mezcla de tamaños) tienden a presentar fracciones de volumen ocupado más altas, lo que reduce los espacios disponibles (porosidad) para el fluido. Sin embargo, esta “regla de oro” debe complementarse con una condición clave: la comparación debe hacerse entre sistemas monodispersos y polidispersos que tengan el mismo tamaño medio de partícula. Si el tamaño medio cambia, es probable que la conductividad se vea afectada principalmente por ese cambio, y no por la dispersión de tamaños en sí misma.
Estudios previos han investigado el efecto de la dispersión de tamaños, pero a menudo no lograron desvincular claramente el efecto de la dispersión de tamaños del efecto del tamaño medio de partícula. Por ejemplo, algunos trabajos mostraron caídas significativas en la permeabilidad al añadir pequeñas cantidades de arena de malla fina, pero estas pruebas correspondían a diferentes tamaños medios de partícula.
Simulaciones CFD-DEM: una nueva perspectiva
Para resolver esta ambigüedad, un equipo de investigadores compuesto por Federico G. Vega, C. Manuel Carlevaro, Mauro Baldini, Marcos A. Madrid y Luis A. Pugnaloni, llevó a cabo una serie de simulaciones numéricas utilizando un método acoplado de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) y el Método de Elementos Discretos (DEM). Este enfoque permitió simular el flujo de agua a través de lechos granulares binarios (mezclas de dos tamaños de partículas), manteniendo el tamaño medio de partícula constante en todas las muestras. Las simulaciones se realizaron a una presión de cierre de aproximadamente 6000 psi.
Los materiales utilizados en las simulaciones son representativos de proppants típicos, como la arena. La metodología CFD-DEM modela la fase fluida (agua) usando el Método de Volúmenes Finitos y las partículas de proppant con DEM, lo que permite un control preciso de las variables del sistema.
Hallazgos clave: conductividad y distribución de tensiones
Los resultados de este estudio son reveladores: - La dispersión del tamaño de las partículas no afecta significativamente la conductividad. Las simulaciones mostraron que tanto la permeabilidad como la conductividad se mantuvieron prácticamente constantes en el rango de dispersión explorado (hasta un 40% de dispersión o una relación de tamaño de partícula pequeña a grande, ds/db, superior a 0.6). La conductividad fluctuó menos del 2% en comparación con un proppant monosized (de un solo tamaño), una variación que no sería detectable en las pruebas de laboratorio estándar debido a su reproducibilidad limitada (al menos 15% de error).
Esto sugiere que la recomendación común de usar un proppant casi monodisperso puede relajarse, al menos en lo que respecta a la conductividad, siempre que la relación ds/db sea superior a 0.6.
- Distribución de tensiones: A pesar de que la conductividad no se vio afectada, las simulaciones revelaron un hallazgo importante sobre cómo se transmiten las tensiones dentro del lecho de proppant. En una mezcla binaria, las partículas grandes están sujetas a tensiones significativamente mayores (alrededor del doble) que las partículas en un sistema monodisperso. Por el contrario, las partículas pequeñas en la mezcla soportan presiones en promedio más bajas. Esto implica que, aunque la conductividad no cambie, los proppants monodispersos serían menos propensos al aplastamiento, un problema importante en la industria.
Conclusiones e implicaciones
Los autores concluyen que los proppants monodispersos no son inherentemente más conductivos que los proppants con dispersión de tamaño, siempre que el tamaño medio de las partículas de las muestras sea igual. Para aumentar la conductividad, el foco debería estar en incrementar el tamaño medio de las partículas, más que en reducir la dispersión de tamaños. Sin embargo, los proppants monodispersos sí ofrecen una ventaja crucial: al distribuir el estrés de manera más homogénea, reducen la probabilidad de aplastamiento.
Este trabajo, publicado en la revista Petroleum Science and Technology, proporciona una valiosa visión para la selección y optimización de proppants en la industria del petróleo y gas, desafiando viejas creencias y brindando nuevas directrices basadas en simulaciones precisas.