XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica, A.C. Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo Construcción de un modelo de distribución de facies litológicas utilizando una correlación litoestratigráfica de alta resolución. Building a model of lithologic facies distribution using a high-resolution stratigraphic correlation. Ing. Claudia Lizet Vázquez Bernal1, Dr. Héctor Jaime Mora López2 1SEPI-ESIA-UZ (Geotecnia), correo: [email protected] (Geotecnia), correo: [email protected] 2SEPI-ESIA-UZ RESUMEN: El objeto de este trabajo consiste en desarrollar una metodología para estimar la distribución espacial de la permeabilidad (K) en el entorno de un pozo de inyección/extracción, para procesos de recuperación de hidrocarburos en un suelo contaminado. La variación espacial de la permeabilidad es una variable que gobierna diferentes procesos. La metodología propuesta se considero realizarla en un campo experimental, donde se perforaron cinco pozos y se consideraron dos niveles de muestreo en cada sondeo, se construyo su columna litoestratigráfica; ya que a través de ella podemos evaluar el grado de heterogeneidad y anisotropía del sitio. Posteriormente se estimo la permeabilidad utilizando el software RETC; el cual pronostica un valor aproximado de permeabilidad. Después se muestra la representación grafica de las variaciones existentes de la permeabilidad al entorno del pozo. La integración de la información de la distribución de las permeabilidades, tanto en el plano horizontal como vertical, nos definirá un modelo de distribución de permeabilidades del sitio. ABSTRACT: The purpose of this paper is to develop a methodology to estimate the spatial distribution of permeability (K) in the environment of a well injection / extraction processes for recovery of hydrocarbons in contaminated soil. The spatial variation of permeability is a variable that governing different processes. The proposed methodology was considered do it in an experimental field where five wells were drilled and were considered two levels of sampling in each sounding, they built their lithostratigraphic column, since through it we can evaluate the degree of heterogeneity and anisotropy of the site. Later permeability was estimated using the RETC software, which predicts an approximate value of permeability. er showing the graphical representation of the variations of permeability around the well. Integrating the information of the distribution of permeabilities in both horizontal and vertical, we define a distribution model site permeabilities. 1 INTRODUCCIÓN El manejo inadecuado de los hidrocarburos, ha provocado un grave problema de contaminación en suelos y en las aguas subterráneas; lo que lleva a buscar procesos eficientes para reducir o eliminar los contaminantes hasta un nivel seguro para la salud y el ambiente. Debido a lo anterior surge la necesidad del desarrollo de un sistema de remediación in situ de aguas subterráneas y subsuelo, en el cual implican diversos aspectos fundamentales del conocimiento y la practica sobre la recuperación de hidrocarburos, dichos aspectos se encuentran relacionados con los escenarios geológicos que se pueden presentar en el sitio. Una etapa elemental de un sistema de remediación es la caracterización del sitio de extracción del hidrocarburo, ya que es uno de los procesos fundamentales del éxito de la remediación. La caracterización implica el conocimiento espacial de las diferentes variables que gobierna la recuperación de hidrocarburos en medios geológicos, donde la principal variable de interés para esta investigación es la permeabilidad. El conocimiento de la variación espacial de la permeabilidad del medio geológico es una de las mayores limitantes en el éxito de los sistemas de remediación. La estimación de la distribución espacial de la permeabilidad proporcionará una representación aproximada del área afectada; por lo tanto, lo novedoso y de lo cual no se tiene referencia es la metodología que se propone en este estudio para disminuir la incertidumbre asociada a la caracterización del sitio de remoción de hidrocarburos. La permeabilidad (K) es una propiedad del medio poroso la cual podemos definir la capacidad que tiene el suelo para que lo atraviese un fluido sin alterar su estructura interna, las utilidades de esta propiedad son demasiadas y de gran interés, de ahí SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. 2 Construcción de un modelo de distribución de facies litológicas utilizando una correlación litoestratigráfica de alta resolución la importancia de su estimación. Dentro de los beneficios de conocer la permeabilidad podemos resaltar que sirve para analizar los problemas hidrogeológicos en obras civiles, en presas y embalse, saneamiento del suelo, entre otros. ejemplo) que nos permita determinar con precisión la distribución espacial de las permeabilidades en su entorno. Si bien existen técnicas de campo y desarrollos matemáticos para conocer esta distribución, ninguna de ellas satisface la necesidad de conocer esta variable. La estimación de la permeabilidad es tema constante de investigación debido a que los métodos actuales de cálculo y medida arrojan grandes incertidumbres, cuyos métodos son puntuales. El valor de la permeabilidad varia ampliamente para diferentes suelos, por lo tanto no es fácil relacionar el valor de permeabilidad con las características del medio poroso, aunque se han propuesto varias formulas y métodos; por ejemplo, la ley de Darcy es válida para un amplio rango de suelos. El conocimiento de la distribución espacial de la permeabilidad es de suma importancia ya que es una variable que gobierna diferentes procesos; cuando se pretende inyectar o extraer fluido en un pozo de inyección y extracción el conocimiento de la permeabilidad es fundamental; específicamente en saneamiento de suelos y acuíferos ya que esta propiedad determina el buen conocimiento del comportamiento de los fluidos en el entorno del pozo. De acuerdo con lo anterior si se conoce con mayor detalle la distribución espacial de la permeabilidad en el entorno de un pozo de inyección/extracción de hidrocarburos, entonces es posible obtener un mayor porcentaje de recuperación de hidrocarburos en dicho pozo. 2 METODOLOGIA Para el desarrollo de la metodología se llevo a cabo en un campo experimental, donde se perforaron cinco pozos, uno para la inyección/extracción y cuatro de observación, de acuerdo con la figura 1; en ella se muestra la traza de dos secciones transversales (A-A´ y B-B´). Para efectos de mostrar el desarrollo metodológico se consideraron dos niveles de muestreo en cada uno de los sondeos, llamados Nivel 1 y Nivel 2, los cuales se muestran en la columna litológica de la figura 1. El objetivo de la construcción de las columnas litológicas en cada uno de los sondeos es para hacer una correlación litoestratigráfica de diversas variables hidrogeológicas, entre ellas la más importante es la permeabilidad, ya que a través de ella podemos evaluar el grado de heterogeneidad y anisotropía del medio geológico en estudio. Una de las metas de la correlación estratigráfica es construir un modelo de distribución de facies litológicas en el entorno del pozo 4 (para este LITOLOGIA P2 P1 ? Nivel 1 P4 ? P5 Nivel 2 A' Arenas mal graduadas con arcilla P8 Arenas bien graduadas SIMBOLOGIA 0 Pozo de observacion Pozo de inyeccion y extraccion 10 20 Escala aproximada en m. Figura 1. Vista en planta transversales del pozo 4. de las secciones La estimación de las permeabilidades en cada uno de los sondeos en el Nivel 1, estaría definiendo el grado de homogeneidad de ese nivel, lo mismo que la estimación espacial de permeabilidades para el nivel 2, ya que por definición, el cambio de permeabilidades en el plano horizontal, nos define la homogeneidad del medio geológico. La anisotropía del medio geológico está definida por el cambio de la permeabilidad en el plano vertical, por tanto, para estimar la anisotropía en nuestras secciones de estudio tendremos que hacer correlaciones de permeabilidades en un mismo sondeo entre sus niveles 1 y 2. 2.1 Cálculo de permeabilidades. La estimación de permeabilidad puede ser estimada tanto de una muestra de suelo en un nivel en particular, como estimada directamente en campo a través de pruebas de campo directamente en el pozo. Para este caso, las permeabilidades se estimaron a través de los datos granulométricos utilizando los porcentajes de arenas, limos y arcillas, así como los contenidos de humedad y densidad de sólidos (Joseph E. Bowles, 1980), utilizando el modelo RETC (van Genuchten 1991). Este software pronostica un valor aproximado de la permeabilidad, la cual describe la capacidad de un medio poroso para transportar un fluido. SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. Vázquez C. et al. Una vez estimadas las permeabilidades para cada muestra, se realizo una interpolación entre los valores de permeabilidades entre pozos. La figura 2, presenta una sección compuesta de la interpolación de las permeabilidades para el nivel 1, en el entorno del pozo 4, en ella se puede observar la distribución de la permeabilidad entre el pozo 4 y los pozos P2, P8, P5 y P1 que se encuentran a su alrededor. La sección muestra la distribución de valores sobre la distancia total de pozo a pozo (p. e. P4-P2), así como la distribución de valores para un rango de 7 metros. Al final de cada rango de distribución (distancia total de pozo a pozo, y a 7 metros), se tiene un promedio ponderado de la permeabilidad, el cual utilizo las ecuaciones sugeridas por Freeze y Cherry las cuales proporcionan valores para la permeabilidad horizontal (Kx) y permeabilidad vertical (Kz), ver ecuaciones 1 y 2. El análisis de la distribución de permeabilidades a 7 metros en el entorno del pozo de recuperación de hidrocarburos; obedece a que el radio de limpieza de una tecnología en cuanto a costo-beneficio a 7 metros se considera aceptable. La ecuación para estimar la permeabilidad horizontal: (1) Ecuación para estimar la permeabilidad horizontal: (2) 0m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 P4 Ks=1.29 m/dia P4 Ks=1.29 m/dia 1.65 2.02 2.38 2.74 Ksx=2.74 m/dia 3.10 3.47 3.83 4.19 4.55 4.92 5.28 5.64 6.01 6.37 6.73 7.09 Ks=7.17 m/dia P2 1.38 1.47 1.55 1.64 1.73 1.82 1.90 1.99 2.08 2.17 2.25 2.34 2.43 2.52 2.60 2.69 2.78 2.87 2.95 3.04 3.13 3.22 3.30 P8 14.53 m P4 Ks=1.29 m/dia P4 Ks=1.29 m/dia 1.24 1.18 1.13 1.07 Ksx=1.18 m/dia 1.02 0.96 0.91 0.85 0.80 0.74 0.69 0.63 0.58 0.52 0.47 0.41 Ks=0.40 m/dia Ksx=1.71 m/dia P5 1.28 1.26 1.25 1.24 Ksx=1.33 m/dia 1.23 1.21 1.20 1.19 1.17 1.16 1.15 1.14 1.12 1.11 1.10 1.08 Ks=1.08 m/dia P1 Ks=3.34 m/dia 22.27 m 16.20 m Figura 2. Sección compuesta de interpolación de permeabilidades en Nivel 1, en el entorno del Pozo 4. 2.2 Distribución geométrica de las permeabilidades. Una vez calculadas las permeabilidades se realiza una representación gráfica de las diferencias existentes en el promedio de las permeabilidades entre el P4 y los pozos adyacentes para el Nivel 1, se muestra en la Figura 3-a y 3-b. La gráfica muestra la geometría de la distribución de la permeabilidad, es evidente que la geometría de permeabilidades dista mucho de ser circular; tal y como se conceptualiza en la mayoría de los modelos conceptuales de recuperación de hidrocarburos (API, 2003). La geometría de la distribución de las permeabilidades es directamente proporcional con el patrón de 3 surfactante sobre la zona objetivo sometido a remediación. Con lo anterior, se podrá resolver el problema planteado por muchos investigadores, el cual implica que cuando la heterogeneidad no puede ser enteramente caracterizada, existe una incertidumbre significativa con respecto al alcance de los objetivos de limpieza y reducción del riesgo. Figura 3-a. Geometría de las conductividades hidráulicas con pozos a distancias reales: Nivel 1. Figura 3-b. Geometría de las conductividades hidráulicas con pozos a distancias de 7 metros: Nivel 1. La geometría del área de remediación tiene un impacto significativo sobre la optimización del número de pozos necesarios para la limpieza en un sitio en particular. Como se ha mencionado anteriormente, la geometría comúnmente considerada para evaluar la influencia de limpieza de cada pozo se considera circular (API, 2003), lo que da un arreglo geométrico entre pozos muy regular, al ser un arreglo en una serie de círculos que se tocan en su periferia. Con los resultados hasta ahora presentados será más complejo encontrar el arreglo óptimo de los pozos de remediación de sitios contaminados, lo que cambiara un paradigma en cuanto al costeo de los trabajos de remediación, sin considerar los problemas operativos que esto podría implicar. 3 RESULTADOS Uno de los aspectos más relevantes de este análisis se muestra en los resultados de los promedios de las permeabilidades (K en m/día) entre el P4 y los pozos adyacentes (P2, P8, P5 y P1). Como se puede observar, existen diferencias de más del doble entre algunos pozos, estos resultados son muy significativos para nuestra investigación; porque ello significa que los flujos de agentes de recuperación del entorno del pozo tendrán comportamientos SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. 4 Construcción de un modelo de distribución de facies litológicas utilizando una correlación litoestratigráfica de alta resolución distintos según la dirección espacial en la que fluyan. Esta es precisamente una de las grandes incertidumbres a la que muchos investigadores han hecho alusión, se sabe que estas variaciones espaciales de permeabilidad existían pero no se conocen procedimientos para medirlas de acuerdo a esta necesidad. La geometría de la distribución de las permeabilidades en el entorno de todos los pozos que constituyen las secciones A-A´ para el Nivel 1, se muestran en la Figura 4. Como se puede observar prácticamente todas las geometrías tienen una forma distinta, lo que nos evidencia un alto grado de heterogeneidad en el sitio de estudio, asimismo, el tamaño de la forma geométrica es diferente en todos los pozos. La relación forma y tamaño de la geometría de la permeabilidad en el entorno del pozo de sitios contaminados, parece ser una propiedad del grado de heterogeneidad, que requerirá ser analizada a profundidad. Como se ha mencionado estos resultados son nuevos para reducir la incertidumbre de datos en la caracterización de sitios contaminados con hidrocarburos, así como el éxito de su remediación. geométrica es diferente en todos presentados en estas secciones. los pozos Las Figuras 5-a y 5-b presentan las geometrías de las permeabilidades del Pozo 4 tanto para el Nivel 1 como para el Nivel 2. La comparación de las permeabilidades en los planos 1 y 2 nos lleva a observar sus cambios en el plano vertical, lo que por definición es la anisotropía de un medio geológico. Como puede observarse en las figuras 5-a y 5-b, también se puede ver la diferencia en patrones de permeabilidad entre el nivel 1 y nivel 2. Cabe mencionar que para este caso, la distancia entre niveles es realmente muy pequeña (1.5 metros), en comparación de la distancia entre pozos de la sección (15 metros en promedio), lo que en su momento nos definió el grado de heterogeneidad. Lo anterior es muy significativo ya que prueba que en pocos metros de profundidad podemos esperar cambios importantes de permeabilidades aun en un mismo estrato como es el caso. Figura 5-13a. Geometría de las conductividades hidráulicas en pozos a distancias de 7 metros: 5-13a. Geometría de las conductividades Nivel Figura 1. hidráulicas en pozos a distancias de 7 metros: Nivel 1. Figura 5-a. geometría de las permeabilidades en pozos a distancias de 7 metros: Nivel 1 Figura 5-13b. Geometría de las conductividades hidráulicas en pozos a distancias de 7 metros: Nivel Figura 2. 5-13b. Geometría de las conductividades hidráulicas en pozos a distancias de 7 metros: Nivel 2. Figura 5-b. geometría de las permeabilidades en pozos a distancias de 7 metros: Nivel 2. Figura 4. Geometría de la conductividad hidráulica horizontal de la relación de pozos del Nivel 1. De lo anterior podemos decir: para el Nivel 1 se puede observar que prácticamente todas las geometrías que presentan cada uno de los pozos adyacentes al P4, tiene una forma distinta, que nos evidencia también un alto grado de heterogeneidad en el sitio de estudio, asimismo el tamaño de forma La integración de la información de la distribución de las permeabilidades, tanto en el plano horizontal como vertical, nos definirá un modelo de distribución de permeabilidades del sitio. La Figura 6 presenta el arreglo isométrico tridimensional, de la relación de pozos, en la cual se daría la integración de permeabilidades de acuerdo al arreglo de pozos dentro de las secciones A-A´ y B-B´ previamente establecidas. En la figura 6 se observan los dos niveles analizados y su relación en cada uno de los pozos, así como la relación de pozos entre si, en el entorno del pozo 4. La construcción de un modelo geohidrológico de alta definición como el que puede construirse con la SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. Vázquez C. et al. información obtenida a través de la metodología, indudablemente contribuirá al desarrollo de tecnología de saneamientos de suelos. 5 Jackson, R.E. 2003. An Introduction to the Effect of Heterogeneities on the Characterization and Remediation of Alluvial Geosystems. Environmental & Ingineering Geosciencia, Vol. IX, N. 1, pp. 1-4. P2 0.0 m Juárez, B. E. y Rico, R. A., 2002, Mecánica de Suelos, Tomo I, Editorial Limusa S.A. de C.V., Grupo Noriega Editores, vigesimoquinta reimpresión de la tercera edición. 1.0 2.0 P1 0.0 m P4 3.0 0.0 m Joseph E. Bowles. (1980). Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil. Ed. McGRAW-HILL LATINOAMERICANA, pp. 35-68. 1.0 4.0 1.0 2.0 P8 0.0 m 2.0 3.0 1.0 3.0 P5 4.0 0.0 m 2.0 4.0 1.0 Lee, D.-H., Cody, R.D., Kim; D-J., Choi. 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