Gestión avanzada del agua de fractura

Un oasis de oportunidades: sobre el uso eficiente del agua en operaciones no convencionales.

Un pozo requiere, aproximadamente, 24 piletas olímpicas de agua para ser completado. Captar, transportar e inyectar ese agua es el primer desafío que enfrentan las operaciones no convencionales respecto a este insumo clave. La disposición final, o eventualmente su reutilización, es el segundo de los desafíos y el que abordaremos con más profundidad en esta edición.

Como breve repaso de lo expuesto en nuestra edición anterior, para poder fracturar un pozo se requiere la inyección a presión de dos insumos: agua y arena. El agua inyectada, luego de un tiempo, vuelve a la superficie como agua de flowback y posteriormente se genera más agua que estaba contenida en la propia formación. Independientemente de su origen, el agua, actualmente, no se reutiliza para fracturas posteriores, sino que se transporta a disposición final en pozos sumideros mediante vehículos. Esto conlleva aproximadamente 600 viajes por pozo. En este sentido, vale destacar que la disposición final en pozos sumideros tiene varias desventajas:

• No se aprovecha esta agua, por la que en parte se pagó un canon a la provincia, para futuras operaciones.
• El transporte del agua es costoso ya que no se hace mediante acueductos, sino a través de rutas.
• La disposición final de agua en pozos sumideros suele mostrar una correlación con actividad sísmica en las zonas aledañas.

Es decir que hay una justificación desde los puntos de vista económico, operativo y medioambiental para reutilizar el agua de fractura. En este sentido, Nonlinear viene trabajando en el tema, y el año pasado presentamos un artículo en el 5º Congreso Latinoamericano de Perforación, Terminación e Intervención de Pozos.

Lo que publicamos y proponemos

En este trabajo mostramos cómo un modelo de optimización matemática podía soportar la toma de decisiones y el diseño de la red de suministros del agua en lazo cerrado. La idea es estudiar dónde habría que instalar plantas de tratamiento de agua de producción / flowback y cuál es el nivel óptimo de reutilización considerando los costos logísticos, de obtención de agua fresca y de tratamiento.

Para ello, con datos artificiales pero basados en la realidad, estudiamos el impacto económico de reutilizar el agua en un desarrollo no convencional. En la Figura 1 se puede ver la topología de la red estudiada.

Ubicándonos en el modelo, antes de que arranque cada campaña de fractura, alguien tiene que resolver un rompecabezas enorme: ya se saben cuántos pozos, dónde y cuándo se van a fracturar, y según ese mismo cronograma, cuánta agua de flowback y de producción irá apareciendo mes a mes. Con esos datos, hay algunas reglas innegociables: la satisfacción de la demanda de agua de cada pozo, el agua que no se trata va a disposición final en pozo sumidero, y la que sí se quiere reutilizar tiene que pasar por una planta de tratamiento.

Pero satisfacer esas reglas es apenas la base. Lo que realmente define si el plan es bueno o no, son las decisiones que el modelo tiene que tomar a la vez, considerando todos los pozos, todo el horizonte de evaluación. La toma de decisiones se reduce a seis preguntas:

• ¿Dónde y en qué momento conviene instalar plantas de tratamiento?
• ¿Qué topología debería tener la red de ductos que conecta los distintos nodos?
• ¿Qué flota de camiones hace falta contratar en cada período?
• ¿Cómo se mueve el agua entre nodos para que la oferta y la demanda se encuentren en el momento justo?
• Si tengo que ubicar nuevos pozos sumideros, ¿dónde hacerlo y cuándo?
• Finalmente, ¿cuánto termina costando la operación entre gastos corrientes e inversión?

Responder a esas seis preguntas, al mismo tiempo, es justamente diseñar desde cero la red de suministro del agua de una operación no convencional.

Escenario analizado

El escenario cuenta con 52 semanas, es decir, un año de evaluación. El número de pozos considerado asciende a 50, distribuidos en tres clusters (que podrían considerarse tres áreas de desarrollo distintas). Para el agua de flowback se consideró una devolución del agua de fractura en los cuatro períodos siguientes a la finalización de la fractura del pozo, y respecto al agua de producción se cuantificó a través de una curva de declino tipo Arps.

Resultados

En el ensayo inicial se le exigió al modelo alcanzar al menos un 10% de reutilización. La solución óptima elige abrir el Centro 1, el cual corresponde al cluster de mayor aglomeración de pozos. Un punto importante es que en este caso el modelo estaba obligado a alcanzar una reutilización del 10%, por lo que no podemos saber en este punto si una reutilización menor (0% por ejemplo) era más rentable.

Para estudiar el impacto de la reutilización se realizó un análisis tipo frente de Pareto en el que se analizó cómo se comportan los costos a medida que se le exige al sistema un mayor porcentaje de reutilización. La síntesis de dicho análisis se encuentra en la Figura 2. Lo que se encontró, basado en los datos utilizados, es interesante: el sistema no encuentra un óptimo con una reutilización total, sino que el punto de mínimo costo se encuentra aproximadamente en un 20%. Esto contesta la pregunta que nos hicimos un párrafo atrás, donde no sabíamos si una reutilización menor al 10% era más o menos rentable.

Lo que explica esa forma de “U” es el trade-off entre la reutilización del agua y el costo de la infraestructura necesaria para lograrla. En el tramo descendente, cada punto adicional de reutilización genera un beneficio: se evitan viajes de camión y canon de disposición, sin necesidad de nueva infraestructura. Pero pasado ese 20%, el modelo empieza a necesitar plantas, ductos y tanques que antes no hacían falta, y ese costo de infraestructura crece más rápido que el ahorro. De ahí que la curva vuelva a subir.

Otra variable de interés es la evolución del uso de agua fresca según el target de reutilización. Como se observa en la Figura 3, en el pico (cuando el sistema requiere mucha agua para fracturar) la diferencia entre las soluciones es escasa, pero pasado dicho pico los escenarios con mayor reutilización consumen mucha menos agua fresca. Esto tiene una consecuencia práctica: incluso ante la posibilidad de reutilización, un estrés hídrico podría ser inevitable si el ritmo de desarrollo de pozos sufre una rápida aceleración, puesto que el agua de retorno de estimulaciones previas es insuficiente (el problema es la coordinación).

El estado del arte

Queríamos dejar una breve, pero importante sección destinada a hablar de qué hay actualmente sobre reutilización del agua, tanto en términos de las operadoras de otros yacimientos en el mundo, como desde el punto de vista académico. En ese sentido, el National Energy Technology Laboratory (NETL) de los EE.UU. ha desarrollado, a través de su proyecto PARETO, una herramienta de diseño de redes de agua de estimulación mediante optimización matemática. También se destaca el artículo de Cafaro y Grossmann, dónde se estudia el diseño de topologías de redes de agua en desarrollos no convencionales, y su impacto al ser integradas al plan de desarrollo de pozos.

Desde el punto de vista de formaciones, como Permian o Appalachian, la reutilización del agua no es un proyecto sino una realidad. Según la fuente y el área, el porcentaje de reutilización varía desde el 20% al 90% (esto responde no sólo al punto de vista económico, sino también a la disponibilidad menor de agua fresca en ciertas regiones).

Conclusión

El objetivo de esta edición fue mostrar el rol que tiene el agua de fractura en las operaciones no convencionales y el interés que despierta este recurso esencial en Vaca Muerta desde el punto de vista económico, operativo y medioambiental. Además, se mostró cómo a través de un modelo de optimización puede analizarse y diseñarse una red de suministro de agua, y evaluar escenarios alternativos.

¿Lo que sigue? Analizar casos reales y complejizar el modelo para abarcar un horizonte de tiempo más largo, así como el seguimiento de la concentración de sólidos disueltos (TDS) a medida que se incrementa la reutilización.