Métodos convencionais de recuperação avançada

9/8/2013

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PTR-0402

Prof. Dr. Marcos Allyson Felipe Rodrigues

Métodos convencionais de recuperação suplementar

Introdução� As acumulações de petróleo possuem, na sua descoberta, uma

certa quantidade de energia, denominada energia primária;

� Durante a produção há uma dissipação da energia;

� Para minorar os efeitos da dissipação da energia primária, sãopraticadas duas linhas de ação:

� Suplementar com energia secundária;

� Reduzir as resistências viscosas e/ou capilares por meios demétodos especiais;

� A quantidade de óleo retirada de um reservatório unicamentedevido a suas energias naturais é chamada recuperação primária;

� Recuperação secundária é a quantidade adicional de óleo obtidapor suplementação da energia primária com energia secundária;

Introdução� Os métodos de recuperação foram desenvolvidos para se obter

uma produção maior de petróleo, além de acelerar a produção;

� As primeiras experiências buscavam fornecer pressão aoreservatório por meio da injeção de fluidos. Entretanto, nemsempre o aspecto mais crítico era a baixa pressão e, com isso,surgiram diversos processos que se conhecem atualmente.

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Métodos de recuperação avançada

Métodos Convencionais de Recuperação: injeção de água e injeção degás imiscível.

Métodos Especiais de Recuperação: processos mais complexos, cujastecnologias ainda não estão satisfatoriamente desenvolvidas.

“Manutenção de Pressão”: prática que consiste na injeção de águae/ou gás ainda no início da vida produtiva do reservatório, que tem porfinalidade manter a pressão em níveis elevados, preservando ascaracterísticas dos fluidos e do fluxo.


Incentivos à recuperação avançada

� Preço do petróleo

� Custo de exploração� Custo de desenvolvimento� Custo de produção� Avanços tecnológicos


Alternativas à recuperação avançada

� Exploração de reservas não convencionais;

� Estimulação de poços;� Uso de poços especiais;� Reestudo de áreas julgadas improdutivas ou antieconômicas.

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Métodos convencionais de recuperaçãoObjetivo: Deslocar o óleo para fora dos poros da rocha (comportamentomecânico), sem que os fluidos se misturem entre si ou interfiram narocha-reservatório.

�Óleo residual: óleo retido nos poros da zona invadida pela água.

�Fluido injetado (deslocante, ex. água) deve empurrar o óleo (fluidodeslocado), e ir ocupando o espaço deixado á medida que este vaisendo expulso.

�A eficiência de recuperação é em torno de 30 a 50%.

Métodos convencionais de recuperaçãoFatores que influenciam um projeto de injeção de água

�Mecanismos de produção do reservatório.

�Características da rocha.

�Características dos fluidos.

�Profundidade do reservatório.

�Conformação estrutural do reservatório.

Métodos convencionais de recuperaçãoFluidos de injeção: água ou gás natural

Água de injeção

- Água subterrânea;

- Água de superfície;

- Água do mar;

- Água produzida.

Gás natural Mesma composição da produção ou após ser processado.

Gás: simples agente mecânico de deslocamento

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Métodos convencionais de recuperaçãoProjetos de injeção

Aspectos que devem ser considerados:

� Viabilidade técnica e econômica;

� A maneira como os poços de injeção e de produção serãodistribuídos no campo de petróleo.

� Características físicas do meio poroso e dos fluidos envolvidos;

� Proporcionar alta produção de petróleo;

� Quantidade de poços novos a serem perfurados seja a menorpossível.

Métodos convencionais de recuperaçãoAspectos comuns a todos os projetos

� Quantidades e distribuição dos poços de injeção e de produção;

� Pressões e vazões de injeção;

� Estimativas das vazões de produção, e

� Volumes de fluidos a serem injetados e produzidos.

São dados necessários para:

� Dimensionamento de equipamentos;

� Viabilidade econômica do projeto.

Métodos convencionais de recuperaçãoEsquemas de injeção

Esquemas de injeção:

Injeção periférica

Injeção na base,

Injeção no topo e

Injeção em malhas.

Para reservatórios planos, horizontais e de pouca espessura, pelo fato denão existirem pontos preferenciais para injeção de fluidos, os poços deinjeção e produção são distribuídos de maneira homogênea em todo oreservatório.

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Métodos convencionais de recuperaçãoEsquemas de injeção - Injeção periférica

Métodos convencionais de recuperaçãoEsquemas de injeção - Injeção no topo

Métodos convencionais de recuperaçãoEsquemas de injeção - Injeção na base

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Métodos convencionais de recuperaçãoEsquemas de injeção - Injeção em malhas

� Injeção em linha direta

d é a distância entre as linhas;a é a distância entre os poços na linha.


� Injeção em linhas esconsas


� Malha five-spot

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� Malha seven-spot


� Malha nine-spot


� Malha seven-spot invertido

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� Malha nine-spot invertido

Métodos convencionais de recuperaçãoMobilidade e Razão de mobilidade

Para o deslocamento imiscível de um fluido por outro costuma-sedefinir as mobilidades dos fluidos e a razão de mobilidades.

A mobilidade é definida como:i

ii

k

µλ =

Razão de mobilidade:

o

DMλλ=

Se o fluido deslocante é a água:

o

wMλλ=

Métodos convencionais de recuperaçãoMobilidade e Razão de mobilidade

A eficiência de deslocamento depende das tensões interfaciais entre o fluidoinjetado e o do reservatório, propriedades rocha -fluido, e do volume injetado.

Razão de mobilidade:

O

WMλλ=

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Métodos convencionais de recuperaçãoInjetividade em malhas regulares� Em um projeto de injeção de água é necessário o conhecimento dos valores,pelo menos aproximados, das vazões e das pressões de injeção.

� Valores muito altos de pressões de injeção podem acarretar fraturas nasformações e prejudicar seriamente o deslocamento do óleo pela água.

� Por outro lado, é necessária uma boa injetividade para se obter uma boaprodutividade.

� Os valores de vazão e de pressão de injeção são necessários também para odimensionamento dos equipamentos de superfície a serem utilizados no projeto deinjeção.

�Estudos foram feitos, principalmente por Mustak (1941, 1981) e Deppe (1963),sobre injetividade para os vários tipos de geometria de injeção.

Considera-se que M = 1, saturação de gás inicial = 0 e regime permanente.

Métodos convencionais de recuperaçãoInjetividade em malhas regulares

� Linha direta (d/a ≥1)

]798,0)/(682,0)/[log(1

−+∆=

adra

PhkCq

wo

oinj µ

� Linha esconsa (d/a ≥1)

]798,0)/(682,0)/[log(1

−+∆=

adra

PhkCq

wo

oinj µ


� five spot

� seven spot

]2688,0)r/d[log(

PhkCq

wipo

o1inj −µ

∆=

]2472,0)/[log(2

−∆=

wipo

oinj rd

PhkCqµ

d ip é a distância entre os poços de injeção e produção

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� nine spot invertido

]1183,0)/[log(21

,1

−

++

∆=wo

cioinj

rdRR

PhkCq

µ

Onde é a diferença de pressão entre os poços i e c. R a razãoentre as vazões de produção dos poços localizados nos cantos damalha (poços c) e nas laterais ( poços s)

ciP ,∆


Defini-se injetividade ou condutividade como sendo a relação entre a vazão deinjeção medida em condições-padrão correspondente a diferença de pressãoentre os poços injetor e produtor:

P

QII inj

∆=

Quando a razão de mobilidade é diferente de 1, a injetividade varia com otempo. Denomina-se, então, a razão de condutividade :

0twinj

twinj

0tinj

tinj

)P/B/q(

)P/B/q(

)P/Q(

)P/Q(

==∆∆=∆

∆=γ


� A figura abaixo apresenta um gráfico da razão de condutividade em função darazão de mobilidade, obtido experimentalmente em uma malha de 5 pontos, paradiversos valores de volume de água injetado.

� O volume deslocável é definido por:)SS(VV oropDL −=

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Métodos convencionais de recuperaçãoEficiência de varrido horizontal

� Em qualquer projeto, independentemente do esquema escolhido, existe umaárea total definida que está sujeita à influência da injeção. Por ex., em umesquema five-spot essa área total é a área da malha base, ou seja, um quadrado.

� Eficiência de varrido horizontal é a relação entre a área invadida pelo fluidoinjetado e a área total do meio poroso:

tinvA A/AE =

Métodos convencionais de recuperaçãoEficiência de varrido horizontal - determinação

� Para um melhor entendimento do processo de deslocamento de um fluido poroutro, considere um ensaio hipotético para determinação da eficiência de varridohorizontal em um modelo físico que utiliza o esquema de injeção five-spotinvertido.

Métodos convencionais de recuperaçãoEficiência de varrido horizontal - determinação� Admitir que inicialmente o meio poroso contenha apenas água e óleo, estandoa água na forma de saturação irredutível. Nesse instante, o volume de óleocontido no meio poroso pode ser calculado por:

opoi SVV ⋅=

� Se fosse feita uma injeção de água por um tempo infinito restaria no meioporoso um volume residual de óleo, dado pela expressão:

orpor SVV ⋅=

� Devido aos efeitos de capilaridade, apenas uma parte do óleo pode serdeslocada. A essa parte dá-se o nome de volume deslocável ou óleo móvel ,dado pela expressão:

)SS(VV oropDL −=

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Métodos convencionais de recuperaçãoEficiência de varrido horizontal - determinação� Para determinar o volume de água que invadiu o meio poroso, é suficientesubtrair da água atualmente existente na região invadida a parcela que já seencontrava aí na forma de saturação de água conata, antes da injeção:

)( wiwpinvwinv SSVV −=

� Ao volume de água que invadiu o meio poroso corresponde igual volume deóleo deslocado e por conseqüência produzido:

)SS(VV wiwpinvD −=


� Admitindo que a água desloca todo o óleo da região invadida, com exceção doóleo residual:

orw S1S −=

� No início da injeção:

Logo: )SS(VV oropinvD −=

�O volume injetado é dada pela equação: tqV injwinj ⋅=

owi SS −=1


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Para determinar o volume injetado adimensional:

Para determinar o volume deslocado adimensional:

At

inv

orot

oroinv

DL

D EA

A

)SS(hA

)SS(hA

V

V ==−φ−φ=

cteV

V

DL

winj=


A produção acumulada de óleo nas condições padrão é dada pela expressão:

o

DLAp B

VEN =

O volume de água injetado nas condições nas condições padrão:

eloDL

winj

w

oropinj V

V

B

SSVW

mod

)(

−=


Quando existe uma saturação inicial de gás móvel,as equações devem sermodificadas:

O volume de enchimento do reservatório (fill-up):

O volume deslocável é dado por:

o

FUwinjDLAp B

VVEN

)(−=

)()( grgpFUwinj SSVV −=

( ) ( )[ ]grgorotDL SSSShAV −+−= φ

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A Figura abaixo mostra curvas de eficiência de varrido horizontal paradiferentes valores de razão de mobilidades:


Para o modelo five-spot:

ow

wwinj qq

qff

+==


As figuras abaixo apresentam gráficos de eficiência de varrido horizontal noinstante de breakthrough (EA)BT versus razão de mobilidades para os modelosde injeção em linha direta e em linha esconsa, respectivamente, para umarazão d/a igual a 1.

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Métodos convencionais de recuperação

Fazer Exercício 2 da lista de exercícios de sala

Métodos convencionais de recuperaçãoEficiência de varrido vertical e eficiência volumétrica

Eficiência de varrido vertical:

� Eficiência volumétrica:

ltransversaseçãodatotalverticalárea

águapelainvadidaverticaláreaEvv =

malhadatotalvolume

águapelainvadidovolumeEv =


Modelo de Stiles

�O fluxo é linear e as camadas são isoladas entre si;

�A razão de mobilidade é unitária (M=1);

�A velocidade de frente de avanço de água em qualquer camada é proporcionalà permeabilidade absoluta da camada e, para um diferencial de pressão entreos poços de injeção e de produção (∆P) constante, a velocidade é constante;

�O deslocamento é completo;

�Todas as camadas possuem a mesma porosidade,a mesma permeabilidaderelativa ao óleo na zona de óleo e á água atrás da frente de avanço, e todasapresentam a mesma variação na saturação de óleo (∆so=So-Sor) devida aodeslocamento pela água.

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Métodos convencionais de recuperaçãoEficiência de varrido vertical e eficiência volumétricaModelo de Stiles

Aplicado para um sistema estratificado com largura W e contendo n camadascom permeabilidades k1>k2>k3>...>kn e espessuras h1, h2, h3, ..., hn.

A eficiência volumétrica, em um determinado instante de tempo é:

t

iiv Lh

hXE ∑=

∑= it hh

é a posição da frente de avanço da água na camada i

Para uma camada i qualquer (i > j):

=

j

iji k

kXX


Modelo de Stiles

No instante do breakthrough da camada j, a posição da frente de avanço nascamadas superiores, ou seja, para i ≤ j, é igual à distância entre os poços injetor eprodutor: Xi = L.

Admitindo que os fluidos sejam praticamente incompressíveis, em uma camada jqualquer a vazão é dada, em condições de reservatório, por:

L

PAk

L

PAkqqq

o

jo

w

jwowj µµ

∆=

∆===

O fluxo fracionário, imediatamente após o breakthrough da camada j, é:

∑∑

=

=== n

ii

j

ii

t

ww

kh

kh

q

qf

1

1

)(

)(



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Modelo de Dykstra-Parsons

�As hipóteses são as mesmas do modelo de Stiles, exceto que a razão demobilidades não é necessariamente igual a 1.

�No instante do breakthrough da camada j a posição da frente de avanço daágua em uma camada i qualquer (i>j) é:

−−+−

=1

)1( 22

M

k

kMMM

LXj

i

i

A eficiência volumétrica, em um determinado instante de tempo é:

t

iiv Lh

hXE ∑=


Modelo de Dikstra-Parsons

)]([)(

iiw

rwiiinj XLMX

PAkkq

−+∆=

µ

A vazão de injeção é dada por:

Se a vazão for medida em condições-padrão:

)]([)(

iiww

rwiiinj XLMXB

PAkkQ

−+∆=

µ




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Métodos convencionais de recuperaçãoEficiência de deslocamento

É a medida da redução da saturação de óleo na região invadida pelo fluidodeslocante.

Modelos empregados

Deslocamento completo

Buckley-Leverett

Métodos convencionais de recuperaçãoEficiência de deslocamento – Deslocamento completo

Admite que somente o fluido deslocante se move na região do reservatóriopor ele invadida. Desse modo, o fluido deslocante ao penetrar no meio porosovai deslocando o fluido que aí se encontra como se fosse um pistão.

a) Distribuição no meio poroso

� Geralmente a Sg na região invadidapela água e no banco de óleo tende aser nula, pois parte da Sg existente noinício é deslocada pelo óleo e parte éredissolvida no óleo.

� Em muitos casos a injeção de água éiniciada a uma P > Ps e, nesse caso, aSgi é nula em todos os pontos.


�O banco de óleo formado à frente da região invadida pela água cresce à medidaque o volume de água injetado cresce. Quando esse banco atinge a extremidadede produção diz-se que houve o fill-up (enchimento) do reservatório.

�Quando a frente de avanço da água atinge a extremidade de produção diz-seque houve o breakthrough (erupção) da água.

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b) Posição da frente de avanço da água

O aumento do volume de água na região invadida deve ser igual aovolume acumulado de água injetada.


�A posição da frente de avanço da água, para fluxo linear é:

�A posição da frente de avanço da água, para fluxo radial é:

)SSS1(A

VX

wiorgr

winja −−−φ=

)1( wiorgr

winja SSSh

VR

−−−= φπ


c) Posição da frente de avanço do óleo

O decréscimo do volume de óleo na região invadida deve ser igual ao acréscimode volume do mesmo no banco de óleo. Logo, a posição da frente de avanço doóleo, para fluxo linear é:

−−−−+=

)SSS1

SS1XX

wiogr

oroao

d) Volume deslocável de óleo e eficiência de deslocamento

Volume deslocável – é o máximo volume de óleo que se pode produzir injetando-se na formação um fluido imiscível:

)1()( orwiporopDL SSVSSVV −−=−=

)11

wiogr

oroao SSS

SSRR

−−−

−+=

Fluxo radial

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oro

p

orop SSV

SSVED −=

−=

)(

Eficiência de deslocamento

wi

oro

wip

orop

S

SS

SV

SSVED −

−=−−=

1)1(

)(

ou

É a relação entre o VDL e o Vp.

É a relação entre o VDL e o N.


e) Pressão de injeção antes do fill-up

−+=∆ )1( MX

XM

Ak

XqP

o

a

w

owinjµFluxo linear

Fluxo radial

+

=∆

a

o

w

a

w

winj

R

RM

R

RLn

Ak

qP ln

2πµ


e) Pressão de injeção após o fill-up

A equação abaixo mostra que para uma vazão de injeção constante, a queda depressão (ou pressão de injeção) após o fill-up:- decresce com o aumento Xa quando M > 1.- cresce com Xa quando M < 1.

−+=∆ )1( ML

XM

Ak

LqP a

w

winjµFluxo linear

Fluxo radial

+

=∆

a

e

w

a

w

winj

R

RMLn

R

RLn

Ak

qP

πµ

2

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Fazer Exemplo 14.6 – pág.616

Métodos convencionais de recuperaçãoEficiência de deslocamento – Buckley-Leverett

� O fluido injetado ao penetrar no meio poroso age como se fosse um pistão comvazamento

�Considerações para a dedução de equações

�Fluxo acontece num meio poroso linear;

�Homogêneo;

�Isotrópico;

�Os fluidos considerados são incompressíveis;

�Não ocorre mudança de fase.


Equação do fluxo fracionário

w

w

o

ow

k

kf µ

µ+=

1

1

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Curva do fluxo fracionário de água


Equação da taxa de avanço frontal

SwSw

wwinjsw d

df

A

Bwx

= φ

Distância xsw do ponto deinjeção, o ponto que temsaturação Sw


Saturações médias

�A eficiência de um processo de deslocamento de um fluido por outro em ummeio poroso pode ser verificada a partir de saturação dentro das áreas que foraminvadidas pelo fluido injetado;

�O comportamento das saturações dos fluidos dentro da zona invadida é outroaspecto importante no estudo do deslocamento de fluidos;

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Frente de avanço

Zona atrás da frente de avanço

Saturação média atrás da frente de avanço

wf

wfwfwf f

fSS

'

1−+=



wf

wfwf SS

ff −

−=*

1'

'

1*

wf

wfwf f

fSS

−+=

Saturação média atrás da frente de avanço



Saturação residual de óleo média na região invadida:

wfor SS −=1

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Obtenção da saturação média graficamente:

)( wiwlpD SSVV −=

Saturação de água conata = SwiSaturação de água conata ≠ Swi

wjwf

wjwfwf SS

fff −

−='


Obtenção das curvas de fluxo fracionário a partir de dados de campo

o

wwo

o

t

oo

qqqq

q

q

qf

+=

+==

1

1

o

w

w

opp

p

qq

BBWNd

dNtg

+=

+=

1

1

)(β



−+=

11

1

1

βtgBo

Bwfo

−+−=−=

11

1

111

βtgBo

Bwff ow

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−+−=−=

11

1

111

βtgBo

Bwff ow

Os valores do fluxo fracionário de água, calculado pela equação acima,podem ser utilizados para se estimar os valores das razões entre aspermeabilidades efetivas ou relativas à água e ao óleo. Isso pode ser feitoexplicitando-se essa relação na definição de fluxo fracionário mostrado no slide 61.

w

w

o

ow

k

kf µ

µ+=

1

1

−

=

w

w

o

w

o

w

f

f

k

k

1µµ


Eficiência de deslocamento

Chama-se óleo móvel a diferença entre a saturação inicial e a irredutível(residual) de óleo.

A injeção de água por um tempo real conduz a uma saturação residualmédia de óleo de tal maneira que a saturação correspondente ao volumedeslocado é igual a:

A eficiência de deslocamento (ED) pode ser definida então como a relaçãoentre o óleo deslocado a um determinado tempo e o óleo móvel:

ordeslocadoo SSoS −=−

oro

oroD SS

SSE −

−=

ormóvelo SSoS −=−


Fazer Exemplo 14.7 – págs.639 e 640

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Influência dos parâmetros do sistema rocha-fluido na efici ência de deslocamento

�As propriedades do sistema rocha-fluido (permeabilidades relativas eviscosidades) determinam o tipo de deslocamento que ocorrerá durante umprocesso de recuperação secundária convencional;

�É comum admitir-se que as propriedades do óleo não são alteradas durante oprocesso, podendo-se no entanto injetar diferentes tipos de fluido, de tal maneira ase otimizar a recuperação de óleo existente no reservatório;

�Na equação de fluxo fracionário, reduzir a permeabilidade relativa à água ouaumentar sua viscosidade produz o mesmo efeito sobre a curva de fluxo fracionáriode água, reduzindo os valores de fw para uma determinada saturação de água;

�Mesmo que os pontos terminais da curva de fluxo fracionário não sejammodificados, variando o formato da curva pode-se alcançar uma antecipação daprodução de óleo que seria obtida até o final do projeto.

Métodos convencionais de recuperaçãoEficiência de recuperação – Buckley-Leverett

Eficiência de recuperação (ER) Pode ser definida como o produto entre aseficiências de varrido horizontal, de varrido vertical e de deslocamento.

Mas, sabendo que a eficiência de varrido horizontal multiplicada pelavertical, tem-se a eficiência volumétrica, logo:

DvvAR EEEE =

DvR EEE =

Métodos convencionais de recuperaçãoComportamento da RAO em reservatórios sujeitos ao influxode água ou à injeção de água

�Gerenciamento de reservatórios

�Em reservatórios de óleo sujeitos ao mecanismo de influxo de água ou aindatenha sido implantada um projeto de injeção de água, a tendência é haver umaumento gradativo da produção de água nos poços;

�A extrapolação da produção futura de água pode ser útil na avaliação detratamentos de poços que visem a redução da produção de água;

�Chan propôs uma nova técnica para se determinar os mecanismos responsáveispela produção excessiva de água: cone e canalização através de camadas maispermeáveis.

A previsão de comportamento futuro

Controle da produção de água em campos maduros

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Gráficos log-log da RAO versus tempo apresentavam diferentescaracterísticas para diferentes mecanismos;

breaktnrough

Depleção da camada em que ocorreu o breakthrough

Erupção em outra camada


Gráficos com as derivadas em relação ao tempo de RAO ou RGOpossibilitam distinguir se o poço está sob o efeito de cone de água ou de gás,canalização através de camadas mais permeáveis ou canalização nas imediaçõesdo poço. canalização cone


Obrigado!!!!

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