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
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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
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2.0
4.0
3.0
4.0
SIMBOLOGIA
Arena Arcillosa
Arena bien graduada con arcilla
Arena mal graduada
Figura 6. Isométrico de la relación de pozos.
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