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Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera Jetzabeth Ramírez Sabag

Título de la obra original Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera D.R. © Jetzabeth Ramírez Sabag D.R. © Reverté Ediciones S.A. de C.V. Río Pánuco 141, Col. Cuauhtémoc, Del. Cuauhtémoc, C.P. 06500 México D.F. ISBN México: 978-607-7815-09-9 ISBN España: 978-84-291-7914-9 Primera edición 2013 Reimpresión digital 2014 DISEÑO DE CUBIERTA: SANTIAGO ROBLES DISEÑO Y FORMACIÓN DE INTERIORES: VÍCTOR M. MONTALVO CORRECCIÓN DE ESTILO: ARADAI PARDO MARTÍNEZ Reservados todos los derechos. No se permite la reproducción, total o parcial, de este libro, ni el almacenamiento en un sistema informático, ni la transmisión de cualquier forma o cualquier medio, electrónico, mecánico, fotocopia, registro u otros medios sin el permiso previo y por escrito de los titulares del copyright. Impreso en España - Printed in Spain DL B 12027-2014 Impreso por Arvato Services Iberia, S. A. # 1389

Índice

Prólogo Capítulo 1. Planteamiento matemático de problemas

1.1 Introducción al planteamiento matemático de problemas 1.1.1 Ejemplo 1. Cálculo de un tiempo determinado a partir del cambio de temperatura de un cuerpo inerte 1.1.2 Ejemplo 2. Problema de decaimiento radioactivo 1.2 Introducción a los modelos matemáticos 1.3 Ecuaciones diferenciales como modelos matemáticos 1.4 Ejemplos de planteamiento de un modelo matemático 1.4.1 Ejemplo 3. Problema de calentamiento de una esfera de hielo 1.4.2 Ejemplo 4. Determinación de la temperatura de un objeto sometido a una fuente de calor en un momento determinado 1.4.3 Ejemplo 5. Planteamiento de un problema cotidiano de un objeto sometido a una fuente de calor 1.5 Modelado de problemas por medio de ecuaciones diferenciales 1.5.1 Ejemplo 6. Cálculo de la concentración de sal en un tanque con entrada y salida de salmuera 1.5.2 Ejemplo 7. Modelado del flujo de calor en una barra por medio de una ecuación diferencial parcial de un objeto sometido a una fuente de calor 1.5.3 Modelado matemático de un experimento de flujo de calor 1.6 Esquema general del planteamiento matemático de un problema físico 1.7 Categorías de modelos matemáticos 1.8 Modelo conceptual: de la realidad a la idealidad

XIX 1 2 4 6 7 7 8 8 10 11 12 12 14 16 19 20 20

Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera

1.9 Modelado matemático de yacimientos 1.9.1 Procedimiento general del modelado matemático de problemas de ingeniería petrolera

23

Capítulo 2. Principios de los fenómenos de transporte

25 26 26 27 31 32 33 39 40 46 51 55

2.1 Conceptos fundamentales 2.1.1 Tendencias de estudio: molecular y del medio continuo 2.1.2 Sistemas termodinámicos 2.1.3 Tipos de procesos 2.2 Transporte de cantidad de movimiento (momentum) 2.2.1 Ley de Newton de la viscosidad 2.3 Transporte de calor 2.3.1 Principios básicos de termodinámica 2.3.2 Leyes fundamentales de la termodinámica 2.3.3 Transferencia de calor por conducción 2.3.4 Ejemplo 1. Flujo de calor a través de una tubería de acero 2.3.5 Ejemplo 2. Cálculo de la densidad de flujo de calor en un cilindro conductivo 2.4 Transporte de masa 2.4.1 Definiciones de concentraciones, velocidades y densidades de flujo de materia 2.4.2 Ley de Fick de difusión 2.4.3 Analogía entre los diferentes mecanismos de transporte 2.4.4 Ecuación de balance de materia 2.4.5 Ejemplo 3. Proceso de evaporación de agua en régimen permanente 2.4.6 Ejemplo 4. Determinación del coeficiente de difusión binario 2.5 Ecuaciones generales de conservación 2.5.1 Leyes fundamentales de conservación 2.5.2 Ecuación de continuidad (conservación de masa) 2.5.3 Ecuación generalizada de transporte de cantidad de movimiento 2.6 Ecuaciones de cambio para sistemas no isotérmicos 2.6.1 Ecuación general de la energía térmica

VI

24

57 58 59 62 63 64 68 73 74 75 80 83 87 87

Índice

Capítulo 3. Preliminares de las ecuaciones diferenciales parciales

3.1 Introducción a las ecuaciones diferenciales ordinarias 3.1.1 Ecuaciones lineales homogéneas 3.1.2 Ecuaciones diferenciales de primer orden 3.1.3 Ejemplo 1. Solución de una ecuación diferencial homogénea 3.1.4 Ecuaciones diferenciales de segundo orden 3.1.5 Principio de superposición 3.1.6 Coeficientes constantes 3.1.7 Ecuación de Cauchy-Euler 3.1.8 Otras ecuaciones diferenciales homogéneas 3.1.9 Ecuaciones diferenciales no homogéneas 3.1.10 Variación de parámetros 3.1.11 Ejemplo 2. Solución de una ecuación diferencial homogénea 3.1.12 Ejemplo 3. Solución de una ecuación diferencial no homogénea 3.2 Ecuaciones diferenciales parciales 3.2.1 Ecuación diferencial parcial de primer orden 3.2.2 Uso de un cambio de variable para reducir una ecuación diferencial parcial a una ecuación diferencial ordinaria. 3.2.3 Solución e interpretación de una ecuación diferencial parcial 3.2.4 Ecuaciones diferenciales parciales en física e ingeniería 3.2.5 Clasificación de las ecuaciones diferenciales parciales 3.3 Problemas de valores en la frontera 3.4 Problemas de valores iniciales y de frontera adimensionales 3.4.1 Ejemplo 4. Transformación del problema de difusión a su forma adimensional 3.4.2 Ejemplo 5. Transformación de un problema hiperbólico a su forma adimensional 3.5 Ecuaciones y funciones especiales 3.5.1 Ecuaciones y funciones Bessel 3.5.2 Series de Fourier

93 94 96 97 97 98 98 101 103 105 107 108 111 114 115 117 118 122 124 126 127 128 132 134 134 140

VII

Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera

Capítulo 4. Desarrollo de las ecuaciones diferenciales parciales que gobiernan el flujo de fluidos en los yacimientos petroleros

4.1 Introducción 4.2 Principios fundamentales del flujo del agua en medios porosos 4.3 La Ley de Darcy y el potencial de Hubbert 4.4 Experimento de Darcy 4.5 Ley de Darcy para medios porosos anisotrópicos 4.6 Derivación en coordenadas cartesianas de la ecuación de difusividad para el flujo de un fluido de una sola fase 4.6.1 Ecuación de continuidad 4.6.2 Ecuación de movimiento 4.6.3 Ecuación de estado para un fluido ligeramente incompresible 4.7 Ecuación de difusividad para gases 4.8 Derivación de la ecuación de Hagen-Poiseville para flujo a través de un tubo circular 4.9 Cálculo de parámetros importantes 4.10 Derivación de la ecuación de Hagen-Poiseville para flujo a través de una tubería horizontal, considerando un factor de resbalamiento ! 4.11 Flujo multifásico en yacimientos 4.11.1 Fundamentos de las fuerzas superficiales y capilares 4.12 Principales ecuaciones de flujo multifásico en yacimientos 4.13 Desplazamiento miscible ideal 4.13.1 Dispersión en medios porosos 4.13.2 Mecanismos de dispersión 4.13.3 Flujo de trazadores en yacimientos 4.13.4 Desarrollo de la ecuación fundamental de dispersión 4.14 Balance general de energía 4.14.1 Ecuación de energía para flujo en una fase 4.14.2 Ecuación de energía para flujo multifásico 4.14.3 Ecuaciones de transporte 4.14.4 Componentes de cada fase

VIII

155 156 157 163 167 170 172 173 178 179 183 187 192 "#$ 199 200 204 211 212 214 214 216 220 221 224 225 227

Índice

4.15 Introducción a la simulación numérica de yacimientos 4.15.1 Tipos de simuladores numéricos de yacimientos 4.15.2 Ecuaciones básicas del modelo de simulación numérica de yacimientos de tipo composicional 4.15.3 Análisis del problema 4.15.4 Ecuaciones básicas del modelo de simulación numérica de yacimientos tipo aceite negro

228 229

Capítulo 5. Aplicación del método de separación de variables

243 244

5.1 Introducción 5.2 Solución de ecuaciones diferenciales parciales con el método de separación de variables 5.2.1 Problema de conducción de calor en una varilla con temperatura de cero grados centígrados en los extremos 5.2.2 Valores y funciones característicos 5.2.3 El producto de soluciones, el principio de superposición y la ortogonalidad 5.2.4 Ejemplo 1. Formulación, solución e interpretación 5.2.5 Problema de conducción del calor en una varilla con extremos aislados 5.3 Aplicación del método de separación de variables a un problema de valores iniciales y de frontera de flujo de aceite hacia un pozo 5.3.1 Planteamiento físico del problema 5.4 Aplicación al problema de flujo lineal de un fluido ligeramente compresible y de viscosidad constante en un medio poroso homogéneo 5.4.1 Descripción física del problema de aplicación 5.4.2 Uso de variables adimensionales para evitar el problema de condiciones inhomogéneas 5.4.3 Aplicación del método 5.5 Aplicación del método de separación de variables a problemas de flujo con condiciones de frontera no homogéneas 5.5.1 Aplicación 1. Aplicación al problema de flujo lineal de un fluido ligeramente compresible con viscosidad constante en un medio poroso, con condiciones iniciales y de frontera no homogéneas.

232 236 237

245 245 249 256 262 267 269 269 277 277 279 281 289

290

IX

Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera

5.5.2 Aplicación 2. Flujo lineal de un fluido ligeramente compresible con viscosidad constante en un medio poroso, con condiciones iniciales y de frontera no homogéneas, tipo Neumann 5.5.3 Aplicación 3. Problema de distribución de presión para un sistema lineal cerrado 5.5.4 Problema de flujo de fluidos en un medio semiinfinito 5.6 Problemas de valores característicos, problemas de Sturn-Liouville 5.6.1 Introducción 5.6.2 Clasificación general 5.6.3 Problema Sturn-Liouville 5.7 Procedimiento general del método de separación de variables 5.8 Condición de frontera del tercer tipo (técnica gráfica) 5.8.1 Ejemplo 2. Solución de la función dependiente de x para los problemas de flujo de calor y cuerda vibrante 5.8.2 Ejemplo3. Problema de transferencia de calor con una condición de frontera del tercer tipo 5.9 Modelado de la ecuación de onda 5.9.1 Movimiento de una cuerda con extremos fijos 5.9.2 Ejemplo 3. Movimiento de una cuerda con extremos fijos Capítulo 6. Aplicación del método de transformada de Laplace

6.1 Conceptos fundamentales y propiedades de la transformada de Laplace 6.1.1 Definición de la transformada de Laplace 6.1.2 La existencia de la transformada de Laplace 6.1.3 La transformación de Laplace como operador lineal 6.1.4 La transformada inversa de Laplace 6.1.5 La existencia y unicidad de la transformada inversa de Laplace, L−1 6.1.6 Teorema de Lerch 6.1.7 Propiedades de las transformaciones L y L−1 6.1.8 Teorema de traslación en el dominio de Laplace s 6.1.9 Teorema de traslaciónen el dominio del tiempo t 6.1.10 Transformación de derivadas

X

295 300 303 306 306 307 308 309 310 311 315 320 320 324 327 328 329 333 340 343 346 348 348 349 351 353

Índice

6.1.11 Teorema de convolución 6.1.12 La transformada de Laplace y las ecuaciones diferenciales 6.1.13 La transformada de Laplace de una derivada parcial y las ecuaciones diferenciales 6.1.14 Ejemplo de aplicación: flujo de calor en un contenedor 6.1.15 Resumen del método y algunas observaciones 6.2 Aplicación del método de la transformada de Laplace al problema de flujo de un fluido incompresible hacia un pozo fluyendo a presión constante 6.2.1 Planteamiento del problema físico por resolver 6.2.2 Desarrollo de la ecuación de difusividad para flujo radial en variables adimensionales 6.2.3 Desarrollo de la ecuación de difusividad adimensional para flujo radial 6.2.4 Variables adimensionales utilizadas 6.2.5 Problema línea fuente 6.2.6 Solución línea fuente por medio de la transformación de Boltzman 6.2.7 Aplicación 1. Pozo que produce a gasto constante en un yacimiento infinito. Solución línea fuente 6.2.8 Aplicación 2. Pozo que produce a gasto constante en un yacimiento infinito. Solución fuente cilíndrica 6.29 Aplicación 3. Pozo que produce a gasto constante en un yacimiento finito 6.3 Aplicación del método de transformada de Laplace al problema de flujo de trazadores a través de yacimientos petroleros 6.3.1 Aplicaciones de los trazadores a la industria petrolera 6.3.2 Modelos matemáticos 6.3.3 Aplicación 4. Flujo lineal unidimensional de trazadores a través de yacimientos homogéneos 6.3.4 Aplicación 5. Flujo lineal unidimensional de trazadores a través de yacimientos homogéneos con condiciones mixtas Capítulo 7. Aplicación del método de funciones de Green

7.1 Introducción a las funciones de Green

355 357 359 361 366 368 369 370 372 380 382 383 388 404 408 426 427 428 430 435 443 444

XI

Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera

7.2 Operador diferencial adjunto %&' 7.3 Método de la expansión de las eigenfunciones para las funciones de Green 7.3.1 Ejemplo 1. Solución de la función dependiente de x del problema de flujo hacia unidimensional 7.4 La función delta de Dirac y su relación con las funciones de Green 7.5 Reciprocidad de Maxwell 7.6 Aplicación del método de las funciones de Green al problema de flujo unidimensional en régimen permanente 7.6.1 Ejemplo 2. Planteamiento del problema adjunto 7.6.2 Caso 1. Problema tipo Dirichlet 7.6.3 Caso 2. Problema tipo Neumann 7.7 Resumen del método de las funciones de Green 7.8 Introducción al método de las funciones de Green para ecuaciones diferenciales parciales 7.9 Aplicación del método de las funciones de Green a problemas bidimensionales en régimen permanente 7.10 Aplicación del método de las funciones de Green a problemas de flujo tridimensionales en régimen transitorio

448

Capítulo 8. Problema inverso

491

Por Oscar C. Valdiviezo Mijangos 8.1 Introducción al problema inverso 8.2 Problema inverso 8.3 Problema mal condicionado 8.4 Planteamientos de la función objetivo 8.5 Problema inverso lineal 8.6 Problema directo 8.6.1 Transporte de trazadores en medios porosos 8.6.2 Modelo de línea fuente para pruebas de presión 8.7 Métodos de optimización no lineal 8.8 Aplicaciones 8.8.1 Pruebas de presión 8.8.2 Pruebas de trazadores

XII

450

452 453 457 458 460 463 465 468 469 473 483

492 493 495 498 499 501 501 504 507 514 514 516

Índice

Apéndice A. Preliminares de ingeniería petrolera

A.1 Introducción a la productividad de pozos A.1.1 Sistema integral de producción A.1.2 Flujo del yacimiento al pozo A.1.3 Flujo en tuberías A.1.4 Flujo en estranguladores A.2 Conceptos básicos y propiedades relacionadas A.2.1 Tendencia del medio continuo en ingeniería petrolera A.2.2 Porosidad, una propiedad petrofísica estática A.2.3 Permeabilidad, una propiedad de flujo de un medio A.3 Conceptos relacionados con el flujo multifásico A.3.1 Saturación de fluidos A.3.2 Permeabilidades efectivas y relativas A.3.3 Solubilidad del gas A.3.4 Factor de volumen de formación del aceite, Bo A.3.5 Relación agua-aceite instantánea A.3.6 Densidad relativa y grados API A.3.7 Relación gas-aceite y gas-agua instantánea A.3.8 Flujo másico para cada fase A.4 Propiedades del gas A.4.1 Ley de los gases reales A.4.2 Densidad relativa del gas A.4.3 Densidad del gas A.4.4 Factor de compresibilidad del gas A.4.5 Viscosidad del gas A.4.6 Factor de volumen del gas A.4.7 Compresibilidad del gas A.4.8 Ejemplo de aplicación A.5 Comportamiento de las fases de fluidos del yacimiento y superficiales A.5.1 Diagrama de fases A.5.2 Clasificación de los yacimientos de acuerdo con el diagrama de fases A.6 Mecanismos de flujo y de desplazamiento en yacimientos petroleros

521 522 522 525 528 535 537 537 539 541 549 549 552 557 559 560 561 562 564 566 567 568 570 570 571 572 572 575 576 577 578 583

XIII

Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera

A.6.1 Mecanismos de flujo a través de yacimientos A.6.2 Mecanismos de desplazamiento A.7 Comportamiento de afluencia A.7.1 Ecuación de afluencia A.7.2 Geometrías de flujo A.7.3 Regímenes de flujo A.8 Procesos de recuperación adicional A.8.1 Métodos térmicos A.8.2 Métodos químicos A.8.3 Desplazamiento miscible Apéndice B. Flujo radial de trazadores a través de un yacimiento estratificado

B.1 Desarrollo de las ecuaciones fundamentales de flujo B.1.1 Ecuación de flujo en la fractura o región móvil B.1.2 Ecuación de flujo para la región inmóvil, estancada o matriz B.2 Solución del modelo matemático de flujo radial con fractura horizontal B.2.1 Modelo matemático expresado en variables adimensionales B.2.2 Solución de la ecuación para la región inmóvil B.2.3 Solución de la ecuación fundamental para la región móvil

583 589 593 594 595 603 616 618 623 625 629 630 630 634 636 636 639

Apéndice C. Tabla de las transformadas de Laplace utilizadas

645

Notación

649

Unidades

659

Bibliografía

675

XIV

Prólogo

El objetivo principal de esta obra es ofrecer un documento que sirva como libro de texto para el curso de Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera y que también pueda ser consultado como material de apoyo en diversas asignaturas de la carrera de ingeniería petrolera por aquellos que requieran conocer la aplicación de las ecuaciones diferenciales en el planteamiento y la solución de problemas relacionados con los fenómenos de transporte. Otro objetivo es familiarizar a los lectores de otras áreas con algunos de los fundamentos teóricos y prácticos del quehacer de los ingenieros petroleros. Cabe destacar que este libro no está dirigido a los matemáticos, sino a los ingenieros petroleros y a los estudiantes y profesionistas de otras áreas donde se privilegia la intuición física sobre el rigor matemático. Al examinar en retrospectiva los conocimientos adquiridos en un primer curso de matemáticas sustentado en escasos y simples principios físicos, muchos alumnos que estudian temas perceptibles del mundo físico y que emplean recursos matemáticos repetitivos que rayan en la monotonía, consideran que no siempre tienen la oportunidad de obtener una comprensión suficiente de varios de los conceptos como para llevar a cabo —con ciertas probabilidades de éxito— la solución de algunos problemas reales y prácticos con los métodos aprendidos. Esta problemática se debe, en gran medida, al rigor y a la extrema precisión con que debe definirse y tratarse cada uno de los conceptos básicos, a falta de una imagen física lo suficientemente gráfica o tangible, y al hecho de que la metodología recurre, con frecuencia, a restricciones que reducen la complejidad de los fenómenos naturales y que suelen requerir cierto grado de conocimiento físico que, desafortunadamente, los alumnos no obtendrán hasta cursar materias de años superiores en los distintos planes de estudios.

Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera

El presente texto es, por lo tanto, el resultado de un esfuerzo encaminado, esencialmente, a subsanar los aspectos principales de esta problemática. Los temas aquí expuestos buscan estimular el pensamiento intuitivo en torno a temas físicos, cuidando de no perder demasiada precisión matemática pues la combinación de temas de un alto nivel matemático con los fenómenos que ocurren en la naturaleza pueden ocasionar, al final, una comprensión parcial o incompleta por parte de muchos estudiantes de pregrado e, incluso, llegar a un punto donde ni al estudiante ni al profesor les sea factible el tratamiento matemático del problema. Es por ello que se ha intentado alcanzar un equilibrio entre estos dos extremos al describir, en primer término, la situación física del problema y, posteriormente, mediante la presentación de las herramientas matemáticas necesarias, algunas técnicas para plantear, formular y resolver el problema en cuestión, privilegiando siempre, como se ha mencionado, los aspectos físicos. La génesis de este libro emana de la necesidad de responder adecuadamente a los múltiples comentarios de mis alumnos, quienes, cada generación y de manera sistemática, solicitan referencias sobre los tópicos cubiertos en el curso. Esta insistente solicitud deriva del hecho de que prácticamente no existe una bibliografía que integre la física de los problemas de ingeniería petrolera con las técnicas matemáticas mínimas requeridas para resolverlo. Es decir, por un lado, se dispone de la bibliografía clásica sobre ecuaciones diferenciales destinada a científicos e ingenieros, en donde se revisan los métodos de solución aplicados a la transferencia de calor y a problemas de vibraciones de cuerda (ecuación de onda) y, por el otro, las referencias puramente técnicas de la industria petrolera, las cuales consisten en una serie de artículos que revisan los métodos tradicionales de solución de ecuaciones diferenciales pero que, no obstante, carecen generalmente de los detalles necesarios para que los estudiantes de pregrado los comprendan. Fue así como surgió el reto de satisfacer esta carencia intelectual por medio de un libro con las características del que aquí se presenta; esto es, enfocado al planteamiento y la solución de problemas de valores iniciales y de frontera de ingeniería petrolera, en el que se guarde un equilibrio entre la física del problema y las técnicas matemáticas necesarias para su solución analítica. La premisa básica de esta obra es unir la intuición del estudiante de aspectos

XX

Prólogo

físicos con los métodos matemáticos, lo cual se aspira lograr por medio de la derivación del modelo matemático para un problema determinado, el uso del razonamiento físico en el desarrollo matemático y la interpretación de los resultados matemáticos en términos físicos; es por ello que los modelos matemáticos se formulan aquí por medio del i) desarrollo de las ecuaciones que gobiernan los procesos físicos y ii) el planteamiento de las condiciones de frontera posibles en los problemas de interés. Esto abarca el conocimiento físico del problema, las leyes físicas que lo rigen y el planteamiento matemático que lo representa. En servicio de lo anterior, se discuten con detalle estos temas en el capítulo IV; en los capítulos posteriores se revisan las posibles condiciones de frontera y se incluye el planteamiento completo de un modelo matemático y su solución aplicados a los problemas de estudio. Cabe señalar que tanto los lectores no relacionados con el área como los estudiantes de la carrera requieren una base apropiada de conocimientos tanto de temas de la física involucrada en los problemas de estudio como de algunos elementos matemáticos, además de los tópicos propios de la ingeniería petrolera, por lo que se han incluido los primeros tres capítulos y el apéndice A, que abarcan los siguientes temas: planteamiento matemático de problemas físicos, principios de fenómenos de transporte, preliminares de ecuaciones diferenciales parciales y preliminares de ingeniería petrolera. La finalidad de estos capítulos es ofrecer una base para la comprensión óptima de los capítulos dedicados a los métodos clásicos de solución de ecuaciones diferenciales parciales y las aplicaciones que se discuten en este texto: separación de variables, transformada de Laplace y funciones de Green, así como la solución del problema inverso de dos aplicaciones importantes dentro de la ingeniería petrolera: el análisis de pruebas de variación de presión y las pruebas de trazadores, temas presentados en los capítulos V al VIII. El lector notará que el método de transformada de Laplace recibe mayor atención ya que su uso es el más frecuente en el área. Los capítulos V, VI y VII tienen esta estructura: i) explicación básica de los métodos de solución, ii) aplicación del método en algún ejemplo de transferencia de calor (con la intención de que el lector pueda consultar una referencia análoga en caso de así requerirlo) y iii) aplicación del método de solución a problemas específicos, como el flujo de fluidos hacia un pozo en un yacimiento petrolero.

XXI

Matemáticas aplicadas a la ingeniería petrolera

Este prólogo no estaría completo si no expresara mi profundo agradecimiento a todos aquellos que contribuyeron, de una u otra manera, a la realización de este libro; desde la motivación para aceptar el reto de elaborarlo (aproximadamente hace cinco años) hasta el cierre de esta tarea. He recibido comentarios y sugerencias muy valiosas de parte de colegas y amigos; sin embargo, no me es posible mencionarlos a todos como me gustaría hacerlo. En particular, agradezco a las ingenieras Martha Argüelles y Jimena González, a la licenciada Guadalupe Castro y a los maestros en ingeniería Mónica Meraz, Marisol Rojas, Abraham Ramírez y José Trejo por su colaboración en la edición de esta obra. Estoy en deuda con la Facultad de Ingeniería de la UNAM y, en específico, con el Departamento de Ingeniería Petrolera, porque me han conferido el honor de ser la profesora de este curso por más de quince años; igualmente, reconozco la enorme deuda que tengo con todos mis alumnos dado que de ellos deriva la formidable oportunidad de escribir este documento. Agradezco de forma especial al Dr. Oscar Valdiviezo Mijangos, autor del capítulo VIII, Problema inverso, por su interesante aportación a este texto. Hago un reconocimiento especial a la maestra en ingeniería María Cristina Avilés Alcántara, así como a la maestra y trabajadora social Blanca Estela Rangel Colchado, por el apoyo brindado para la publicación del presente libro. No olvido agradecer a la editorial Reverté por el interés mostrado en la edición de esta obra, en particular a las maestras Jimena Lascurain y Aradai Pardo por la inestimable colaboración recibida. Finalmente, señalo con mucho orgullo que parte intangible de este texto es mi familia, gracias al soporte y comprensión brindados durante el desarrollo del mismo. Apreciaré mucho cualquier sugerencia proveniente de estudiantes, profesores o colegas, así como de cualquier persona interesada en mejorar este libro. Favor de hacerlas llegar al siguiente correo electrónico: [email protected].

Jetzabeth Ramírez Sabag México D.F. a 26 de agosto de 2012

XXII

Capítulo 1

Planteamiento matemático de problemas

El enfoque que busca resolver problemas del mundo real con herramientas matemáticas es frecuentemente llamado modelado matemático o matemáticas aplicadas. Este enfoque o modelado consta de los siguientes pasos: 1. Identificar un problema procedente de un fenómeno del mundo real. De los fenómenos complicados del mundo real, hay que identificar y extraer sólo el problema físico que se desea estudiar y entender por completo la naturaleza del problema elegido. Se recomienda realizar esquemas con figuras. 2. Hacer la formulación matemática del problema: q Determinar un conjunto apropiado de variables e incógnitas relacionadas con el problema. q Especificar las leyes físicas y/o geométricas involucradas en el problema. 3. Establecer el modelo matemático. Derivar las ecuaciones que gobiernan el problema y determinar las condiciones adicionales con base en las leyes físicas o las restricciones geométricas. Este proceso conduce al llamado modelo matemático. 4. Realizar el análisis matemático. 5. Realizar la interpretación física de los resultados matemáticos. Discutir el comportamiento de la solución matemática, realizar esquemas con figuras y hacer su interpretación física. 6. Regresar al problema original del fenómeno del mundo real. Comparar los resultados de la solución matemática con experimentos físicos, encontrar los defectos del modelo matemático y modificar el modelo, y comenzar de nuevo el proceso.

Capítulo 1

En este capítulo se presentan, primero de forma intuitiva, los pasos a seguir en el planteamiento matemático de un problema físico, para lo cual se describen algunos problemas específicos muy sencillos. Después se incrementa gradualmente la dificultad de los problemas físicos hasta llegar, al final del capítulo, a la formulación de ecuaciones diferenciales parciales a partir de la descripción de un problema de transferencia de calor. Objetivo Mostrar cómo los problemas físicos y sus variaciones pueden ser explicados (modelados matemáticamente) por medio de un procedimiento basado en la identificación, formulación, solución e interpretación del problema.

1.1 Introducción al planteamiento matemático de problemas

En esta sección se discute la solución de algunos problemas elementales característicos de los diversos campos de la ciencia y de la ingeniería, que comprenden ecuaciones diferenciales parciales. Una ecuación diferencial parcial, o EDP, es una ecuación que contiene derivadas parciales; por ejemplo: ()*+,(--

En este caso, el estudio debería comenzar con la determinación de las funciones u(x,t) que satisfacen la ecuación anterior; sin embargo, dos razones llevan a considerar más conveniente empezar por investigar el problema físico: la primera es que se estima que el interés del lector por las ecuaciones diferenciales será mayor si comprende que estos métodos analizan problemas físicos. La segunda es el hecho de que las consideraciones físicas motivan muchos de los desarrollos matemáticos presentados en este texto. Muchos de los problemas de la ingeniería y las ciencias físicas son dominados por el estudio de las ecuaciones diferenciales parciales. Algunas de las áreas que dependen en alto grado del estudio de las ecuaciones diferenciales parciales son la acústica, la aerodinámica, la elasticidad, la electrodinámi-

2

Planteamiento matemático de problemas

ca, la dinámica de fluidos, la geofísica (propagación de onda), la transferencia de calor, la transferencia de masa, la meteorología, la oceanografía, la óptica, la física de plasmas (ionización de líquidos y gases), la mecánica cuántica y la ingeniería petrolera, objeto del presente libro. En este texto se sigue una filosofía de la aplicación de las matemáticas que analiza los problemas en tres etapas principales: 1. Formulación del problema. 2. Solución. 3. Interpretación o análisis de la solución. A continuación se presentan problemas específicos sencillos para ilustrar el planteamiento matemático de un problema físico. Para resolver el primer problema es importante hacer una introducción a los procesos de transferencia de calor por medio de una ecuación empírica que relacione la temperatura de enfriamiento de una cantidad de sustancia con el medio. Esta ecuación se conoce como Ley de enfriamiento de Newton y dice que la temperatura de un cuerpo cambia a una velocidad proporcional a la diferencia de las temperaturas entre el medio externo y el cuerpo. Suponiendo que la constante de proporcionalidad sea la misma independientemente de que la temperatura aumente o disminuya, la ecuación diferencial de la ley de enfriamiento será: '' Donde .: Temperatura de un cuerpo ' ): Tiempo ' ./: Temperatura del medio ambiente

Se soluciona la ecuación y se separan las variables: '

''''''0. ''*120)

3

Capítulo 1

Después, se integra cada miembro de la ecuación anterior: '

Y se obtiene:

Pero 34*5, por lo que finalmente se obtiene:

Ec.1.1

Si se define que'.678 *.7'9'5 * .7'1'./, entonces queda:

Ec. 1.2

1.1.1 Ejemplo 1. Cálculo de un tiempo determinado a partir del cambio de temperatura de un cuerpo inerte

Se requiere conocer la hora de deceso de una persona de edad muy avanzada cuyo cuerpo fue encontrado sin vida a las doce del día. 1. Identificación del problema q La persona murió en su casa en algún momento antes del medio día. q Al medio día, el cuerpo fue encontrado a una temperatura de 21.1 °C. q El cuerpo se enfrió otros 2.8 °C en las dos horas posteriores al medio día. q Se asume que la habitación se encontraba a una temperatura con tante de 15.5 °C. 2. Formulación matemática del problema

4

Planteamiento matemático de problemas

q

q

Introducción del conjunto de variables e incógnitas relacionadas con el problema. Se toma el medio día como ) * 7, se tiene que .7=21.1 :, .;=15.5 : y .2 () = 2 horas) =18.3 °C. Ley o leyes físicas que gobiernan el cambio de temperatura. La ley que rige este problema es la Ley de enfriamiento de Newton; entonces, aplicando la ecuación 1.2 a ) = 2 horas se tiene que: .,*./ (2)/2

Para determinar el momento del deceso se utiliza la ecuación 1.3 con la temperatura corporal humana normal de 37 °C y se plantea la siguiente ecuación: 37 − 15.5 = 5.6312) Esta ecuación se resuelve para ) y, finalmente, se encuentra el tiempo buscado:

)=−=>3.83/2 = −2=>3.83=>2

Ec. 1.4

) = −3.90 horas

Por lo que se concluye que el deceso ocurrió a las 12:00 menos tres horas 54 minutos; esto es, a las 8:06 a.m.

5

Capítulo 1

1.1.2 Ejemplo 2. Problema de decaimiento radioactivo

Una sustancia radioactiva decae a un ritmo proporcional a la cantidad de la sustancia presente. Si - es la cantidad al tiempo ), se tiene: Ec. 1.5

Donde 2 es una constante. La solución de la ED es:

Ec. 1.6

Si 5 es la vida media de la sustancia radioactiva, se tiene por definición: Donde % * =>6?8@5. Cabe señalar que la relación del radioisótopo y el átomo normal 125 es, y ha sido durante toda la historia del planeta, siempre la misma para toda criatura viviente y en la atmósfera, y que cuando los organismos mueren y cesa su metabolismo, inicia el proceso de decaimiento radioactivo de 145. A partir de los datos experimentales del isótopo 145 y 2=0.0001216/año, se puede determinar el momento en que un organismo murió al medir la concentración de 145 en un fósil y compararla con un organismo actualmente en vida. Esta técnica se llama datado con radiocarbono. Por ejemplo, asuma que:

Se tiene que:

6

Planteamiento matemático de problemas

1.2 Introducción a los modelos matemáticos

La mayoría de los sistemas o fenómenos físicos estudiados en las ciencias físicas y en las ingenierías se describen por medio de ecuaciones diferenciales. Esta descripción considera los cambios progresivos, tanto temporales como espaciales, de los sistemas o fenómenos físicos bajo observación. La relación entre las matemáticas y el mundo real se representa por medio de expresiones cuantitativas que constituyen leyes fenomenológicas. Dichas expresiones se conocen, generalmente, como ecuaciones diferenciales. Se considera que las ecuaciones diferenciales gobiernan el comportamiento de ciertos sistemas o fenómenos y, al ser resueltas, proporcionan una gran cantidad de información que permite conocer y analizar la historia, el presente y el futuro de los parámetros involucrados en los objetos de estudio. Es justamente este conocimiento sobre los parámetros lo que permite predecir el comportamiento de los fenómenos estudiados y lo que hace sustantivas a las ecuaciones diferenciales y a los métodos o técnicas que sirven para resolverlas. Estimar el comportamiento es difícil, especialmente cuando se trata de predicciones. Las metas generales del modelado matemático son: q La comprensión. Obtener una idea general de cómo ocurre un fenómeno, cuáles son sus causas y cómo se relaciona con otras partes del sistema natural al que pertenece. q La explicación. Intentar ir más allá al explicar por qué el fenómeno o el proceso en cuestión sucede de una manera u otra. q La predicción. Ser específico al establecer lo que le sucederá a un sistema bien definido en el futuro si se cumplen ciertas condiciones. q La retrodicción. En algunas áreas de la ingeniería se obtiene una “predicción del pasado” cuando se extraen conclusiones relativas a la historia todavía inexplorada de un proceso o fenómeno. 1.3 Ecuaciones diferenciales como modelos matemáticos

El modelo matemático es la ecuación o el conjunto de ecuaciones, usualmente en derivadas parciales, donde se plasma la teoría del modelo con7

Capítulo 1

ceptual. Dentro de la computadora, el modelo matemático constituye la entidad abstracta que sustenta numéricamente al comportamiento idealizado del sistema real, y si bien todo modelo es perfectible y su grado de dificultad puede elevarse teóricamente hasta el infinito, esa complejidad puede ser bloqueada en la práctica por la carencia de datos medidos y por las capacidades siempre limitadas de las computadoras, aun las más poderosas. Cabe señalar que las ecuaciones del modelo matemático son suposiciones en tanto que definen el comportamiento supuesto de un continuo ideal. Aunque matemáticamente toda hipótesis constitutiva presentada en forma de ecuación es una definición, en realidad se llega a ella por medio de evidencias físicas fortalecidas con mediciones experimentales. Es por esto que a las ecuaciones constitutivas del modelo se les considera leyes fenomenológicas, las cuales abarcan procesos de excitación y respuesta del sistema natural. Es importante indicar que es muy escasa la probabilidad de determinar todos los aspectos de alguna teoría sin recurrir a la praxis de la física. Como ya se mencionó, la formulación de un modelo matemático implica, en términos generales, tanto identificar los parámetros o variables de cambio en un sistema como establecer el conjunto de hipótesis razonables acerca del sistema en cuestión. Dichas hipótesis suelen consideran el ritmo del cambio de uno o más de los parámetros involucrados. El enunciado matemático de esas hipótesis lo constituyen una o más ecuaciones donde intervienen derivadas; es decir, ecuaciones diferenciales. El proceso de modelado sigue, en esencia, el siguiente orden: 1. Identificación de variables. Establecer la notación matemática. 2. Determinación de las leyes empíricas que se pueden aplicar. Establecer las hipótesis del sistema estudiado. 3. Planteamiento de las ecuaciones. 1.4 Ejemplos de planteamiento de un modelo matemático 1.4.1 Ejemplo 3. Problema de calentamiento de una esfera de hielo

Considere una esfera de hielo que se derrite a un ritmo proporcional al área

8

Planteamiento matemático de problemas

de su superficie. Hay que encontrar una expresión para el volumen de la esfera en cualquier unidad de tiempo. 1. Identificación de las variables: q Incógnita: volumen (eficacia del tiempo). q Notación matemática. 2. Las leyes empíricas que se pueden aplicar: q En los datos se indica que la esfera se derrite a un ritmo proporcional al área de su superficie; es decir, el volumen de la esfera cambia a un ritmo proporcional al área de su superficie. q El ritmo de cambio del volumen es la derivada de A con respecto al tiempo: q La expresión de la ley en notación matemática: es el radio de la esfera, B = constante. 3. Planteamiento de la ecuación con la incógnita'A. Se sabe que el volumen de la esfera es:

Entonces, resolver para B: Y al sustituir B en la derivada: Esta es la expresión que proporciona el cambio del volumen con respecto al tiempo; es decir, la ecuación diferencial que gobierna el comportamiento de la esfera y su reducción de volumen a un ritmo proporcional a su superficie. Durante el proceso de modelado se presentan frecuentemente condiciones adicionales que se deben añadir al problema planteado. El problema presentado a continuación ejemplifica dicha situación. 9

Capítulo 1

1.4.2 Ejemplo 4. Determinación de la temperatura de un objeto sometido a una fuente de calor en un momento determinado

Un termómetro marca la temperatura de un sistema en 80 °C; se mide también la temperatura del medio, la cual es de 20 °C. El sistema se empieza a enfriar y, tres minutos después, se encuentra que el termómetro marca 75 °C. Se desea predecir la lectura del termómetro para varios tiempos posteriores y, por lo tanto, se requiere determinar la ecuación del enfriamiento en función de los valores dados. 1. Identificación del problema: . C5. representa la temperatura marcada por el termómetro, los datos indican que cuando') = 0.0, . = 80.0, y cuando ) = 3.0 min, . = 75 °C. 2. Leyes empíricas que gobiernan el problema. De acuerdo con la ecuación de la Ley de enfriamiento de Newton, la velocidad de variación de la temperatura con el tiempo es directamente proporcional a la diferencia de las temperaturas, 3. Notación matemática: 0.@0) es proporcional a la diferencia de temperaturas (. − 20.0). Puesto que la temperatura que marca el termómetro está decreciendo, entonces (−2) resulta la constante de proporcionalidad. Así, . debe ser determinada a partir de la ecuación diferencial y, por lo tanto, necesitamos conocer las lecturas del termómetro en dos tiempos diferentes, dado que hay dos constantes a determinar: 2 de la ecuación de enfriamiento de Newton y la constante de integración que se encuentra en la solución de la misma. 4. Condiciones adicionales.

Y transcurrido cierto tiempo de enfriamiento,

Debido a que la temperatura ambiente es igual a 20 °C, de la ecuación 1.1 se sigue que:

10

Planteamiento matemático de problemas

Entonces, la condición indica que 80 = 20 + 5 y, por lo tanto, la constante de integración es 5 = 60, de modo que la ecuación anterior resulta:   El valor de 2 será determinado ahora usando la condición: para ) = 3.0, . = 75 °C, por lo que, con la ecuación anterior, se obtiene:  De esta ecuación se obtiene que 2 * 1 "@$ => 7D#"ED Por consiguiente:  

Entonces, sustituyendo 2 se obtiene la siguiente expresión:

Ecuación con la que se puede determinar la temperatura en un momento dado y, por consiguiente, al conocer la temperatura, también permite hallar el tiempo de enfriamiento transcurrido. 1.4.3 Ejemplo 5. Planteamiento de un problema cotidiano de un objeto sometido a una fuente de calor

Al sacar un pastel del horno, su temperatura es de 148 °C. Tres minutos después, su temperatura es de 93 °C. Se requiere conocer la temperatura del pastel a un tiempo determinado. Considere una temperatura ambiente de 21 °C. 1. Identificación de las variables: temperatura en función del tiempo. 2. Ley empírica: la ley de enfriamiento de Newton que señala que la ve-

11

Capítulo 1

locidad con que la temperatura cambia es proporcional a la diferencia entre la temperatura del cuerpo y la temperatura constante del medio que lo rodea. 3. Notación matemática: 0.@0)*26.1,78 4. Condiciones adicionales: .678 * $77F .6$8 *',77 1.5 Modelado de problemas por medio de ecuaciones diferenciales

En esta sección se presenta una introducción a la deducción de las ecuaciones diferenciales a partir de algunas situaciones físicas de sistemas o fenómenos físicos. Además, se revisan los pasos del modelado matemático para hacer un planteamiento matemático y obtener su solución, así como para realizar la interpretación física del resultado. Esta sección se orienta al modelado de problemas que conducen a ecuaciones diferenciales. 1.5.1 Ejemplo 6. Cálculo de la concentración de sal en un tanque con entrada y salida de salmuera

Un tanque se está llenando con salmuera a un ritmo de G unidades de volumen por segundo; al mismo tiempo, H unidades por segundo son bombeadas fuera del tanque. Se supone que la concentración de salmuera es 4 unidades de masa por unidad de volumen. A un tiempo )*)7, el volumen de salmuera del tanque es A7 y contiene I7 unidades de masa de sal. ¿Cuál es la cantidad de sal en el tanque en un tiempo determinado ), asumiendo que el contenido del tanque esté bien mezclado?

1. Definición de la notación: q Sea -6)8 la cantidad de sal en un tiempo determinado ). q Sea A6)8 el volumen de salmuera en un tiempo determinado ). 2. Las leyes físicas que gobiernan el problema: q Conservación de volumen de salmuera. q Conservación de masa de sal. 3. El balance de masa de sal en el tanque: q La sal que se tire por segundo: ac (unidades de masa unidades de tiempo).

12

Planteamiento matemático de problemas

q

La sal que contendrá el tanque será:

q

La conservación del volumen de salmuera:

q

La conservación de masa de sal. El cambio de la cantidad de sal con respecto al tiempo:

Al sustituir J6)8 en la ecuación anterior, se obtiene la siguiente ecuación lineal: Ec. 1.a En el caso particular de que el ritmo de entrada de salmuera por segundo fuera igual al ritmo de volumen de fluido de salida, G*H, la solución sería:

Ec. 1.b

La ecuación 1.a representa el modelo matemático del problema físico del tanque llenado con salmuera con una extracción determinada, mientras que la ecuación 1.b representa un caso particular del problema. Como un ejemplo numérico se tiene que si A7*"777 l, entonces -7*'7'K )7'*'7. Ec. 1.c

Ahora bien, si después de 100 minutos suponemos que del tanque se empieza a fugar un litro de salmuera adicional por minuto, determinemos cuánta sal permanecerá en el tanque doce horas después del inicio de la fuga. Se tiene que resolver una ecuación diferencial diferente, ahora con los parámetros H*,L G*4*"L A7*"777L')7*"77: 13

Capítulo 1

Ec. 1.d Y como se tiene ) *"77 como condición inicial, se sustituye en la ecuación 1.c: Ec. 1.e La solución general de la nueva ecuación es:

Con la condición inicial C.I,'-6"778*#MD"N se obtiene la constante 5: Y después de doce horas, ) *O,7 minutos. La solución se representa con una parábola con un máximo ) * )&*' M$ED$# -678 *1#PDO Q K6""778 *'7. Cuando ) * ""77, el tanque está vacío y la ecuación diferencial no constituye una descripción válida del proceso físico. La concentración en un tiempo "77'R') R ""77 es: La cual converge a 1 conforme ) S ""77.

1.5.2 Ejemplo 7. Modelado del flujo de calor en una barra por medio de una ecuación diferencial parcial de un objeto sometido a una fuente de calor

Considere que se tiene un experimento dividido en los siguientes pasos:

14

Planteamiento matemático de problemas

1. Se inicia con una barra de cobre de una longitud razonable (% *, T) de 2 cm de diámetro, cuyos lados laterales (pero no los extremos) están cubiertos con material aislante. En otras palabras, el flujo de calor puede entrar y salir de la barra por los extremos, pero no por la superficie lateral. 2. La barra se encuentra en un ambiente con una temperatura fija .7'(en °C) durante un tiempo suficientemente largo para que el comportamiento de la temperatura esté en un régimen permanente similar al ambiente. Por simplicidad, sea la temperatura del ambiente .7'=10 °C. 3. Se toma la barra y se coloca fuera del ambiente a un tiempo ) = 0 y se adhieren dos elementos de temperatura (termostatos) en los extremos de la barra. El propósito de estos elementos es mantener los extremos de la barra a temperaturas específicas ." y ., (sea ."'= 0 °C y .,'= 50 °C). En otras palabras, los termostatos monitorean constantemente la temperatura en los extremos de la barra y aseguran los valores de temperatura asignados en los extremos. El experimento se ilustra en la figura 1.1. 4. Se monitorea el perfil de temperatura de la barra en algún tipo de display. Elemento que asegura T1 la temperatura en el extremo izquierdo

Elemento que asegura la temperatura en el extremo derecho

T2

u T2 Estado estacionario

T0

T1

L

Figura 1.1 Diagrama esquemático del experimento

15

Capítulo 1

1.5.3 Modelado matemático de un experimento de flujo de calor

La descripción de este problema físico requiere tres tipos de ecuaciones: 1. Una ecuación diferencial parcial que describa el fenómeno físico del flujo de calor; esto es, la Ley de Fourier de flujo de calor por conducción. 2. Las condiciones de frontera que describan la naturaleza física del problema en los extremos. 3. La condición inicial que describa el fenómeno físico al inicio del experimento. La ecuación básica en una dimensión que describe el flujo de calor a través de la barra es: Ec. 1.f La cual relaciona las cantidades presentadas a continuación. (): Ritmo de cambio de la temperatura con respecto al tiempo, medido en grados/seg. (--: Concavidad del perfil de temperatura (6-L)8, la cual compara, esencialmente, la temperatura en un punto con la temperatura en los puntos vecinos. La derivación de esta ecuación se presentará en el capítulo II. Esta ecuación indica simplemente que la temperatura, (6-L)8, en algún punto de la barra - y G en algún momento ) se incrementa () ≥ 0 o disminuye () ≤ 0 de acuerdo con el valor, positivo o negativo, de la parcial (--. La figura 1.2 ilustra el cambio de temperatura a diferentes puntos a lo largo de la barra.

16

Planteamiento matemático de problemas

u

u(x,t)

u(x+ x,t)

Perfil de Temperatura al tiempo t

u(x- x,t) u(x- x,t)+u(x+ x,t) 2

Promedio de temperatura de 2 puntos vecinos

x Figura 1.2 Cambio de temperatura de acuerdo con (U'*'+ (xx ,'

Para ver como'(-- puede interpretarse para medir el flujo de calor, se supone una aproximación de (-- por la diferencia del cociente: Ec. 1.g Se tiene la siguiente interpretación de (--: 1. Si la temperatura (6-L)8 < que el promedio de la temperatura de dos puntos vecinos, entonces (-- > 0. Aquí el flujo neto de calor en - es positivo. 2. Si la temperatura (6-L)8 es igual al promedio de dos temperaturas correspondientes a puntos vecinos, entonces (-- = 0. En este caso, el flujo de calor en - es igual a cero. 3. Si la temperatura (6-L)8 > que el promedio de las temperaturas de dos puntos vecinos, entonces (-- < 0. En este caso, el flujo neto de calor en - es negativo. Esto se ilustra en la figura 1.2. 17

Capítulo 1

Es decir, si la temperatura en un punto - > que el promedio de la temperatura en dos puntos vecinos - 1 V- Q'-'< V-, entonces la temperatura en - decrecerá. Además, el ritmo exacto del decremento () es proporcional a esta diferencia. La constante de proporcionalidad +, es una propiedad del material que no se discutirá en este texto. En cuanto al tipo de ecuaciones llamadas condiciones de frontera, se puede decir que todos los problemas físicos tienen condiciones de frontera de algún tipo. Se tiene que describir matemáticamente lo que existe en los extremos para describir adecuadamente el problema físico. En el experimento referido, las condiciones de frontera, CFI y CFE, se pueden deducir fácilmente a partir de las temperaturas que quedaron fijas para todo ) W 7 en ." y ., en los dos extremos - * 7 y - * %; por lo que se puede escribir, Ec. 1.h Con relación a las condiciones iniciales, también se puede mencionar que todos los problemas físicos deben iniciar en un valor de tiempo, generalmente llamado tiempo inicial,') * 7. Es en este tiempo donde se tiene que especificar el problema físico. En el caso del experimento en cuestión, se inicia el monitoreo de la temperatura justo en el tiempo en el que la barra pierde su temperatura constante de .7. Entonces se puede escribir: Ec. 1.i

Ahora está descrito matemáticamente el experimento. Si se escriben las ecuaciones juntas, se tiene un problema de valores iniciales y de frontera, PVIF; es decir:

18

Planteamiento matemático de problemas

El conjunto de las cuatro ecuaciones (la ecuación que gobierna el flujo de calor, en este caso, las dos condiciones de frontera y la condición inicial) constituye la formulación matemática o planteamiento matemático del experimento y se le conoce como el problema de valores iniciales y de frontera, o PVIF, del experimento. Cabe señalar que sólo existe una función (6-L)8 que satisface el problema 1.5.2 y que esta función describe la temperatura de la barra. El problema después será encontrar la solución única (6-L)8. En los siguientes capítulos se revisarán los elementos necesarios para encontrar la solución única a este problema y a otros similares. 1.6 Esquema general del planteamiento matemático de un problema físico

Con la finalidad de ilustrar de forma sencilla los pasos a seguir en el planteamiento matemático de un problema del mundo real, a continuación se presenta un diagrama de bloques que representa el procedimiento de modelado matemático.

Concebir la forma !"#$%&'()&*+,-)(.%

/"0%-)($(+&"1*,"#$#,2("3& 4,.*#)%$#52&'()& 0+%0%.#(20,&'()& *+,-)(.%

6,+.1)%+&& .%0(.78$%.(20(& &&&&&()&*+,-)(.%

9(",):(+&.%0(.78$%.(20(& ()&*+,-)(.%

NO

Figura 1.3 Diagrama de bloques del procedimiento de modelado matemático

La ",)1$#52& ("& :7)#'%;

SÍ 6Ř s-8. Por otro lado, la condición de frontera r6%8 *'7 se satisface si r6%8 *'5,;3>6Ř sv8 = 0. Esta igualdad se cumple si 52 = 0, o bien si ;3>6Ř s%8 *'7. Si 52 = 0, entonces r6-8 _'7 ya que de la condición en = 0 se obtuvo 51 = 0. Así pues, se obtiene la solución trivial. La solución de interés busca los valores de s que satisfagan: De aquí, el argumento de la función seno, es decir, los valores de Ř sv, debe obligar a que la función seno sea cero para que las condiciones de frontera del problema de la ecuación 5.14 sean satisfechas. En el diagrama de la figura siguiente se muestra el comportamiento de la función seno. " /2 1

y y=sen (x)

x

"

2"

0

"/2

"

-1 3" /2

250

Figura 5.1 La función seno

3"/2

2"

Capítulo 6

Aplicación del método de transformada de Laplace En este capítulo se presentan, en primer término, algunos aspectos elementales de la transformada de Laplace, con el propósito de familiarizar al lector con los conceptos básicos. Cabe señalar que se han escrito libros enteros concernientes al uso de esta técnica de solución de ecuaciones diferenciales parciales, por lo que sólo se revisan de forma breve los conceptos básicos y sus aplicaciones en ingeniería petrolera. Principalmente, el capítulo se enfoca en las diferentes soluciones de dos importantes ecuaciones diferenciales parciales lineales que representan dos tipos de aplicaciones en ingeniería petrolera: la ecuación de difusividad y la ecuación de difusión-convección, ambas desarrolladas en el capítulo anterior. Las aplicaciones mencionadas en este capítulo corresponden a problemas sencillos de flujo y transporte en yacimientos, representados matemáticamente por estas dos ecuaciones y que pueden ser resueltas analíticamente para condiciones de frontera de interés. Note que la aplicación de estas soluciones, cuando existen ciertas condiciones en el yacimiento, ha demostrado su valor práctico. Gracias a la utilidad y simplicidad de estas ecuaciones, se puede decir que han establecido las bases para lo que comúnmente se conoce como la técnica de análisis de variación de presión y flujo de trazadores en yacimientos. Es importante señalar que debido a la complejidad de los yacimientos y los fenómenos que ocurren durante la producción de hidrocarburos, prácticamente todas las ecuaciones que han sido desarrolladas para describir este tipo de procesos son no lineales y no son fáciles de resolver, por lo que es necesario, en la mayoría de los casos, el uso de técnicas numéricas para su solución.

Capítulo 6

Objetivo Explicar y aplicar el método de transformada de Laplace a problemas transporte en yacimientos por medio del procedimiento presentado, hasta llegar a la inversión analítica de sencillos problemas de valores iniciales y de frontera de ingeniería petrolera. Es por medio de la solución de diferentes PVIF que se persigue el dominio de este método. Las aplicaciones consisten en dos tipos de problemas: flujo de fluidos en medios porosos representados por la ecuación de difusividad y flujo de trazadores en yacimientos, representados por la ecuación difusión-convección.

6.1 Conceptos fundamentales y propiedades de la transformada de Laplace

Anteriormente se abordó la técnica de separación de variables para resolver ecuaciones diferenciales parciales lineales en problemas con geometría simple; este método motiva el uso de las series de Fourier y sus generalizaciones. Otra técnica para resolver ecuaciones diferenciales parciales es el uso de la transformada de Laplace. La mayoría de los problemas en ecuaciones diferenciales parciales que pueden ser analizados con transformadas de Laplace, también pueden ser analizados con algún otro método y, por consecuencia, respuestas esencialmente equivalentes pueden ser obtenidas. Debido a que el método de transformada de Laplace es muy utilizado para resolver ecuaciones diferenciales parciales, y por consiguiente se emplea con mucha frecuencia en la solución de ecuaciones como la de difusividad y de difusión-convección en ciertos problemas de ingeniería petrolera, se considera necesario revisar con cierto detalle las definiciones y algunas demostraciones de sus propiedades. Por lo anterior, en esta sección se presentan, además de las definiciones y propiedades, ejemplos para familiarizar al lector con las aplicaciones que se presentan en la siguiente sección.

328

Aplicación del método de transformada de Laplace

6.1.1 Definición de la transformada de Laplace

Si A y ` son dos espacios vectoriales, una transformación .w A S'x con dominio en un subconjunto de y de'A se llama transformación lineal de A en ` si se cumplen las siguientes propiedades:

O bien:

En general, una trasformada es una función entre espacios vectoriales definidos sobre un mismo campo, que asigna mediante una cierta regla a cada elemento de A uno y sólo un elemento de `, esto es: Gráficamente se representa como: T:V

V

W

W

V1

W1

DOMINIO

CODOMINIO

Figura 6.1 Dominio y codominio o recorrido de una transformada

329

Capítulo 6

6.1.1.1 Ejemplo 1. Determinación de un elemento del codominio

Sea A"'*'%> -, - ≠ 0, donde A"'z'A y sea una transformación definida por la siguiente regla:

El elemento del recorrido correspondiente es:

En este ejemplo, al aplicar la transformación sobre una función real de variable real se obtuvo como imagen otra función real de la misma variable. 6.1.1.2 Ejemplo 2. Transformada de una función con una regla determinada

Sea A"'*'), y la transformada definida por la regla:

Ec. 6.1

Donde G y H son constantes, 7'R'G R H, y si'; es un parámetro, la imagen o transformada de A1 es: Ec. 6.2

En este caso, la transformación conduce a una imagen que no es función de ) (como lo es A1 ), sino función de ;. Las gráficas correspondientes a A" y `" se ilustran en las siguientes figuras:

330

Aplicación del método de transformada de Laplace

W1 (s)

V1(t)

T V1(t )= t

0

a

W1 (s)

2

b

t

=

4

4

b -a 4

s

0

s

Figura 6.2 Gráficas de V1(t) y W1(s) En general, si A *X6)8 z A y la transformación se define como:

Ec. 6.3

Entonces:

Definición de transformada de Laplace. Sea A un espacio vectorial de funciones X6)8 definidas para ) { 7. La transformación integral que aplica a cada'X6)8 de A en su imagen |6;8 de ` se llama transformación de Laplace y queda definida por la siguiente regla: Ec. 6.4 Para una función X6)8 se tiene: Ec. 6.5

331

Capítulo 6

Donde A es el conjunto de todas las funciones X6)8L )'{ 7, y ` es el conjunto de las funciones transformadas'|6;8 bajo }, es decir: A la regla de la definición anterior se le conoce con el nombre de la transformación unilateral de Laplace, para diferenciarla de la bilateral que se define como:

En la mayoría de los problemas donde se aplica la transformada de Laplace, la variable tiempo es mayor o igual a cero, por lo tanto, la transformada de Laplace que se estudia es unilateral. 6.1.1.3 Ejemplo 3. Transformada de Laplace de X6)8*"

Sea la función X6)8 = 1. La transformada de Laplace de X6)8 es la siguiente:

6.1.1.4 Ejemplo 4. Transformada de Laplace de X6)8 *'3G)

Sea la función X6)8 *'3G) definida para ) ≥ 0. La transformada de Laplace de X6)8 es:

332

Aplicación del método de transformada de Laplace

Hasta aquí, la única forma de verificar si la transformada de Laplace de una función existe, es resolver la integral que establece su definición y determinar los valores de ; para que la integral sea convergente. Este proceso puede ser laborioso para algunas funciones. Existe un teorema, aquí referido como teorema I, que establece las condiciones suficientes que debe satisfacer una función para que su transformada de Laplace exista, lo cual simplifica el laborioso proceso indicado anteriormente. 6.1.2 La existencia de la transformada de Laplace

Antes de establecer el teorema de existencia, se definirán dos conceptos relativos a las funciones que serán necesarias para determinar su transformabilidad: la continuidad seccional y el orden exponencial. El primero se define de la siguiente manera: una función X6)8 es seccionalmente continua en el intervalo'G Y ) Y'H, si este intervalo puede ser dividido en un número finito de subintervalos de tal manera que en cada uno de ellos X6)8 sea continua y X6)8 se aproxime a un límite a medida que ) se aproxime a cada uno de los dos extremos internos; es decir, que en un subintervalo 4 ≤ ) ≤ 0 existen: 6.1.2.1 Ejemplo 5. Verificación de la existencia de la transformada de Laplace de una función sencilla

Sea la función cuya gráfica se ilustra a continuación: f(t)

1

t π/2

Figura 6.3 Gráfica del ejemplo 5

333

Capítulo 6

En el interior de los subintervalos tinua; además, en el subintervalo

:

y

, la función es con-

Y en el subintervalo ) ≥ ~/2:

Por lo tanto, la función es seccionalmente continua en un intervalo (0, ∞). La función periódica que se muestra en la figura 6.4 es seccionalmente continua ya que en el interior de cada subintervalo >, > + 1, > = 0, 1, 2,… la función es continua y el límite existe en los extremos interiores de cada subintervalo. f(t)

1

0

1

2

3

t

Figura 6.4 Función periódica seccionalmente continua Cuando una función es seccionalmente continua en un intervalo dado, se garantiza la existencia de su integral en el mismo; esto es:

Donde GL G"L'G,L'G$,…, G>, b son los extremos de los > + 1 subintervalos donde la función es continua. 334

Capítulo 7

Aplicación del método de funciones de Green En este capítulo se revisa brevemente el método de solución de ecuaciones diferenciales, lineales, no homogéneas por medio de las funciones de Green, cuya técnica consiste en transformar el problema original en un problema llamado adjunto, el cual suele ser más sencillo y conduce a una solución tipo integral del problema original. En la ingeniería petrolera, las funciones de Green y las funciones fuente se usan para resolver problemas en dos y tres dimensiones que puedan resultar en geometrías complejas, tales como la penetración parcial, los pozos inclinados, los pozos hidráulicamente fracturados y los pozos horizontales. Antes de adentrarnos en el tema, conviene clarificar la terminología: aquí, una fuente es un punto, una línea, una superficie o un volumen por donde los fluidos abandonan el yacimiento; es decir, salen del sistema. Estrictamente hablando, el fluido que abandona el yacimiento debe ser tratado como un sumidero mientras que los fluidos que entran al sistema (en este caso inyectados) deben ser asociados con una fuente. No obstante, en la ingeniería petrolera, y por tanto en esta sección, el término fuente se usa en ambos casos, tanto para la producción como para la inyección de fluidos. Con la convención del signo negativo en el gasto se indica la inyección. Las funciones de Green y las funciones fuente están íntimamente relacionadas. Una función de Green es una ecuación diferencial con condiciones de frontera especificadas (para el caso de flujo de fluidos, flujo, gasto y opresión fija) y corresponde a una solución instantánea punto fuente. Por otro lado, una función fuente es la solución de la ecuación diferencial con

Capítulo 7

condiciones de frontera y geometría de las fuentes especificadas. Los detalles de la teoría y aplicación de las funciones de Green se encuentran en varias referencias. En esta sección tan sólo se revisan algunos de los conceptos fundamentales de estas técnicas, así como la introducción de la solución fundamental y los conceptos del punto fuente. Objetivo Introducir el método de las funciones de Green para resolver problemas de valores en la frontera no homogéneos. Esta técnica es importante porque resuelve el lado derecho de la ecuación (generalmente planteada como una fuente de algún tipo) en un continuo de impulsos (funciones delta o fuentes puntuales) en los diferentes puntos del dominio. Las respuestas a cada uno de estos impulsos es entonces encontrada (función de Green o función impulso respuesta), y la suma de todas ellas (una respuesta por impulso) corresponde a la solución completa o respuesta completa.

7.1 Introducción a las funciones de Green

Antes de desarrollar este tema es necesario revisar algunos preliminares matemáticos como la definición de las funciones de Green, el operador diferencial adjunto y la función delta de Dirac; a continuación se presentan los conceptos que, de acuerdo con la autora, son indispensables para una mejor comprensión del método de solución de ecuaciones diferenciales por medio de las funciones de Green. Partamos del siguiente problema de valores en la frontera: Ec. 7.1 Ec. 7.2

444

Aplicación del método de funciones de Green

Ec. 7.3 Donde + y ! son constantes arbitrarias y +[ y ![ no son las derivadas de + y !, sino que indican constantes arbitrarias y son los coeficientes de la derivadas de (. El problema dado por las ecuaciones 7.1 a 7.3 se puede resolver con el método de variación de parámetros (véase el capítulo III, apartado 3.9). Considere dos soluciones linealmente independientes de la ecuación homogénea asociada; esto es: Ec. 7.4 Sean ("6-8 y (,6-8 dos soluciones independientes de la ecuación 7.4. Para simplificar el álgebra, supongamos que la solución ("6-8 satisface la condición de frontera en -*G, y (,6-8 satisface la condición de frontera en - * H; es decir, ("6-8 satisface la ecuación 7.2 y (,6-8 la ecuación 7.3. Entonces, las condiciones de frontera son: Ec. 7.5 Ec. 7.6 La solución general de la ecuación 7.1 se puede escribir como: Ec. 7.7 Donde `6q8 es el wronskiano de (" y (,: Ec. 7.8 El cual no es cero dado que (" y (, son soluciones linealmente independientes. Ahora bien, es necesario conocer la derivada de la ecuación 7.7, la cual está dada por la Regla de Leibnitz. Entonces, la derivada de la ecuación 7.7 es: 445

Capítulo 7

Aplicando la condición de frontera de la ecuación 7.2 a la solución general se tiene: Ec. 7.9 Note que las integrales ( y ([ son cero en - * G. Ahora, dado que +("6G8 1 +[("[6G8 * 7, (condición de frontera de la ecuación 7.5), la ecuación 7.9 se reduce a: Ec. 7.10 De la ecuación 7.10 se concluye que 52 = 0. Aplicando la segunda condición de frontera en - * H a la solución general de la ecuación 7.7 se tiene:

Ec. 7.11 Con base en la ecuación 7.6, la condición de frontera en - * H, el término !(,6H8 < ![([,6H8 * 7 se puede eliminar; la integral queda como: Ec. 7.12 El factor común de !("6H8 < ![(["6H8 puede cancelarse en ambos términos; entonces, finalmente se obtiene que: Ec. 7.13

446

Aplicación del método de funciones de Green

Sustituyendo los valores de las constantes 5"'Q'5, en la solución general de la ecuación 7.7 se obtiene:

Ec. 7.14 Se divide el intervalo de integración en la primera integral de la siguiente forma: Ec. 7.15 Y, sustituyendo la ecuación anterior en la ecuación 7.14, se tiene:

Reduciendo términos se obtiene la solución buscada: Ec. 7.16 Finalmente, acoplando los intervalos, se define la función de Green para el problema de valores en la frontera definido en las ecuaciones 7.1 a 7.3 de la siguiente forma:

Ec. 7.17 Entonces, sustituyendo la función de Green de la ecuación 7.17 en la ecuación 7.16 se tiene, finalmente, que la solución del problema es:

447

Capítulo 7

Ec. 7.18 Resumiendo lo anterior se llega al teorema presentado a continuación. El problema de valores en la frontera dado por las ecuaciones:

Ec. 7.a Ec. 7.b Con 26-8, d6-8 y X6-8 continuas en el intervalo G Y - Y'H, se tiene una y sólo una solución; es decir, al menos existe una solución no trivial de la siguiente expresión que satisface las condiciones de frontera de las ecuaciones 7.a y 7.b cuando la solución única está dada por las ecuaciones 7.17 y 7.18:

7.2 Operador diferencial adjunto &

Una manera de introducir el operador diferencial adjunto %&, asociado con %, es por medio del producto J%( y la integral sobre el intervalo de interés por partes. El resultado se puede expresar de la siguiente forma: Ec. 7.19 Donde %& es una notación común para el operador adjunto del operador diferencial %. Aquí se considera que las funciones J y ( son arbitrarias. Para ilustrar el procedimiento, considere el operador diferencial lineal de segundo orden:

448

Aplicación del método de funciones de Green

Ec. 7.20 El producto J%( consta de tres términos; si se integra el primer término por partes dos veces, el segundo una vez y el tercero se integra directamente, se puede obtener la integral del producto J%(, dada por la siguiente expresión:

Pero

Sustituyendo y acoplando términos se obtiene:

Ec. 7.21 Al comparar la ecuación 7.17 con la 7.21 se puede observar que el operador adjunto, %&, es: 449

Capítulo 7

Ec. 7.22 O bien, con otra notación: Ec. 7.23 7.3 Método de la expansión de las eigenfunciones para las funciones de Green

En el capítulo III se revisó la solución de ecuaciones diferenciales parciales no homogéneas con el método de expansión de las eigenfunciones o funciones características; ahora se presenta cómo aplicar estas ideas a la ecuación ordinaria no homogénea conocida como la ecuación general SturnLiouville (véase el capítulo V sobre separación de variables); esto es, a partir de la ecuación siguiente sujeta a dos condiciones de frontera homogéneas. Ec. 7.24 Se introduce el problema de funciones características o eigenfunciones relacionado: Ec. 7.25 Sujeta a las mismas condiciones de frontera homogéneas, donde € es un factor de peso elegido arbitrariamente; sin embargo €6-8 es tal que la ecuación diferencial 7.24 es una ecuación conocida. Por ejemplo, si , conviene que € * " para obtener así funciones trigonométricas. En cambio, si , conviene que € * B, para obtener con ello las conocidas funciones Bessel. 450

Capítulo 8

Problema inverso por Oscar C. Valdiviezo Mijangos El problema inverso en ingeniería petrolera es de suma importancia porque por medio de su solución, y a partir de mediciones hechas en campo junto con modelos matemáticos que describen los principales fenómenos físicos involucrados, permite conocer propiedades físicas como la porosidad, la permeabilidad, ancho de fractura, etc. Las mediciones pueden hacerse por medio de pruebas de presión, pruebas de trazadores, etc. Las propiedades físicas que se obtienen son propiedades físicas macroscópicas que describen la respuesta del yacimiento en la zona donde se realizó la prueba, por lo que ésta es muy valiosa para caracterizar los yacimientos. Objetivo El objetivo de este capítulo es mostrar el procedimiento general para resolver problemas inversos en ingeniería petrolera. Definir lo qué es un problema inverso, las dificultades a las que el lector se enfrentaría, la manera de abordarlo partiendo primero del caso lineal, que es el más sencillo, y después del caso no lineal, para lo cual se requieren métodos de optimización no lineal. Se muestra la utilidad de realizar un análisis de sensibilidad del modelo que se esté usando con respecto a las variables físicas de interés.

Capítulo 8

8.1 Introducción al problema inverso

El problema inverso tiene una amplia área de aplicación dentro de las ciencias y la ingeniería y a continuación se presentará su aplicación en la ingeniería petrolera; sin embargo, también se presentará un panorama general del problema inverso con el fin de que el lector pueda comprender textos más avanzados si así lo desea. En esencia, para resolver un problema inverso hay que determinar las propiedades físicas que dieron origen a un cierto conjunto de datos medidos ya sea en laboratorio o en campo. Para ello se requiere un modelo matemático que considere los fenómenos físicos principales que se llevan a cabo, así como las condiciones iniciales y de frontera del problema estudiado. El principio básico para resolver un problema inverso es que tanto los datos medidos como el modelo matemático deben estar relacionados. Abordar el problema inverso también implica hablar del problema directo, el cual predice la evolución del sistema en el tiempo a partir de las condiciones iniciales, las condiciones de frontera y la física que describe la dinámica del fenómeno. El problema directo tiene una solución única, el problema inverso, no. Aquí radica una de las principales dificultades del problema inverso. En este capítulo se muestran dos ejemplos típicos del problema inverso relacionados directamente con la ingeniería petrolera: el primero está relacionado con las pruebas de presión y el segundo con las pruebas de trazadores. En el primer caso se considera el problema clásico de línea fuente mientras que el segundo comprende un trazador que se mueve dentro de un yacimiento petrolero y abarca, principalmente, los fenómenos de difusión y convección. El mal condicionamiento del problema inverso es un hecho ineludible cuando se intenta estimar los parámetros físicos a partir de un conjunto de datos medidos en laboratorio o en campo. Este mal condicionamiento se manifiesta de varias maneras: bien el problema no tiene solución, bien la solución no es única o bien los valores de las propiedades físicas varían considerablemente cuando los datos medidos cambian tan sólo un poco. Existe una gran variedad de formas para plantear una función objetivo con el fin de determinar los valores de los parámetros físicos desconocidos; aquí se

492

Problema inverso

usará la función objetivo en el sentido de mínimos cuadrados. De acuerdo con Tarantola (1996:xii), los primeros en plantear este tema fueron Laplace y Gauss. Los parámetros físicos óptimos se determinan minimizando una función, por lo general, no lineal; para ello se requiere un método de optimización no lineal. Uno de los métodos más utilizados es el de Levenberg-Marquardt, y otro que ha probado ser muy robusto es el de Nelder y Mead (1965). Hacia el final del capítulo se presentan dos ejemplos prácticos y los resultados obtenidos se analizan e interpretan. 8.2 Problema inverso

El problema inverso o inverse theory es un conjunto de técnicas matemáticas que se usa con el fin de obtener información valiosa a partir de un conjunto de medidas tomadas ya sea en campo o en laboratorio. A ese conjunto de medidas se le llama datos y lo que se busca son los valores numéricos de ciertas propiedades físicas del problema estudiado, conocidos como parámetros del modelo. Los términos problema inverso o inverse theory se usan en contraste con los términos problema directo o forward theory, cuyo concepto se define como un proceso de predicción de resultados medibles a partir de ciertos principios físicos en condiciones específicas del problema en estudio. Así, el problema inverso inicia con un conjunto de medidas tomadas (datos) y una ley general o modelo, a partir de los cuales se determinan los parámetros del modelo. Una comparación muy sencilla de un problema directo y un problema inverso es el fenómeno de la variación de la temperatura como función de la profundidad en el interior de la tierra. Come ejemplo de problema directo e inverso se considera que la temperatura se incrementa linealmente en relación a la profundidad en la tierra; es decir, .6?8 *'G? < H, donde G y H son constantes numéricas. Si se conoce el valor de G = 0.2 y H =18, entonces se puede resolver el problema directo con sólo evaluar la temperatura a cualquier profundidad ?. El problema inverso consistiría en determinar los valores de G Q H con base en mediciones hechas a diferentes profundidades, por ejemplo en un pozo. En este caso, al conjunto de mediciones de temperatura hechas a distintas profundidades se le llama datos, a la temperatura .6?8 se le llama modelo y, a G Q H, parámetros del modelo. 493

Capítulo 8

Note que la determinación de los parámetros G Q H se reduce a resolver el problema clásico de mínimos cuadrados lineales. El problema lineal es el más sencillo de resolver y esto se realiza obteniendo G Q H. En este caso, los parámetros G Q H se determinan de manera única, por lo que se trata de un problema bien condicionado. No se requiere ningún método de optimización no lineal; sin embargo, aunque esto constituye una excelente introducción al campo del problema inverso, los problemas prácticos a los que se enfrenta un ingeniero petrolero son mucho más complicados que la simple realización de ajustes con mínimos cuadrados lineales. La figura 8.1 muestra el concepto de problema inverso esquemáticamente. Cabe señalar que el objetivo de resolver un problema inverso no es ofrecer un modelo sino brindar información de los valores numéricos de los parámetros involucrados en el modelo. Se considera que el modelo físico ya está dado; es decir, que se obtuvo previamente por otro medio. Note que en este esquema no se hace diferencia entre un problema lineal y uno no lineal; no obstante, los métodos matemáticos para estimar los parámetros del modelo son completamente distintos. Por un lado, los parámetros lineales se valen de herramientas del álgebra lineal y, por otro, se usan métodos de optimización no lineal. Ambos temas serán tratados en apartados posteriores. Problema directo

Parámetros de modelo

Modelo

Predicción de datos

Problema inverso Modelo

Figura 8.1 Descripción esquemática del concepto de problema inverso

494

Datos

Estimación de los parámetros del modelo

Problema inverso

En esta figura se muestra que el resultado de resolver un problema inverso es la estimación de los parámetros del modelo y, como tales, no son los valores verdaderos de los parámetros buscados sino que constituyen una aproximación. Al resolver un problema inverso hay que tomar en cuenta que el resultado obtenido no es real ni mucho menos único; estos hechos están directamente relacionados con el mal condicionamiento del problema inverso. Estos temas se revisarán en la siguiente sección. 8.3 Problema mal condicionado

Un primer acercamiento a un problema mal condicionado en la teoría inversa requiere recordar el concepto de mal condicionamiento de una matriz de los cursos de álgebra lineal. Un sistema de ecuaciones lineales puede representarse como un sistema matricial de la siguiente manera: Ec. 8.1 Para que la ecuación 8.1 tenga una solución única, el 03)6a87. Si el determinante es cero hay dos opciones: o no tiene solución o bien tiene una infinidad de soluciones. Se dice que una matriz a no está bien condicionada si a pequeños cambios en K, los cambios en - son considerables. En la teoría inversa, se dice que el problema está mal condicionado, o que es un ill-posedness problem, si no tiene solución, si tiene una infinidad de soluciones o si a pequeños cambios en los datos hay cambios muy importantes en la solución (inestabilidad), la cual, en este caso, es la estimación de los parámetros del modelo. Los primeros en analizar estos conceptos fueron Isaacson y Keller (1966). En la práctica, según señalan tanto Yeh (1986:96) como Kool, Parker y Van Genuchten (1987:257), el mal condicionamiento de un problema inverso está relacionado bien con la inexistencia de la solución o bien con su inestabilidad. La no unicidad ocurre cuando hay varios conjuntos de vectores en los que los parámetros del modelo dan prácticamente el mismo valor de la función objetivo, de modo que es imposible determinar la solución correcta. La inestabilidad ocurre cuando los parámetros del modelo estimado son excesivamente sensibles a los datos. Errores relativamente pequeños en las medidas de los datos pueden conducir a errores significativos en los valores de los parámetros estimados. 495

Capítulo 8

La gran mayoría de los problemas inversos de las ciencias de la tierra están mal condicionados; sin embargo, esto no debe desalentar al lector ya que aun así es posible estimar los parámetros del modelo con cierto grado de confiabilidad. De hecho, cuando se hace una inversión, siempre se sabe que la solución es solamente una estimación de los parámetros y no la solución única del problema inverso. Existen algunas técnicas de regularización para reducir la inestabilidad de la solución pero se encuentran fuera del alcance de esta obra. El estudiante interesado podrá consultar Tikhonov, Goncharsky, Stepanov y Yagola (2010). A manera de ejemplo, se presenta el caso de una matriz mal condicionada que ayuda a comprender mejor el mal condicionamiento de un problema inverso. Considere el siguiente sistema de ecuaciones lineales:

La solución al sistema de ecuaciones lineales anteriores es i1 =(1.20, 3.64). Si se modifica ligeramente el término inhomogéneo de la primera ecuación en 0.1 se obtiene, como solución, i2 =(5.20, 2.54). La figura 8.2 ejemplifica gráficamente un problema mal condicionado en sistemas de ecuaciones lineales. Un pequeño cambio en el término inhomogéneo conduce a un cambio importante en su solución. De hecho, el cambio realizado en la primera ecuación es de 0.1 y la modificación en la solución es de 1.1 en el eje de ordenadas; es decir, un orden de magnitud. Se puede notar que las rectas que representan las dos ecuaciones son casi paralelas, lo cual implica un determinante cercano a cero. En cuanto más cercano a cero esté el determinante, peor condicionado estará el sistema de ecuaciones, y la diferencia entre un cambio en la ordenada al origen y la solución puede llegar a ser de varios órdenes de magnitud. Esto ocurre en un sistema de dos ecuaciones pero también cuando son más de dos y, en esos casos, incluso se agudiza. La analogía entre un problema inverso mal condicionado y un sistema de ecuaciones mal condicionado radica en que la inestabilidad se manifiesta cuando a pequeñas variaciones en el término independiente ocurren impor-

496

Problema inverso

tantes variaciones en su solución. En un problema inverso, cuando hay cambios pequeños en los datos de campo y aparecen cambios fuertes en los resultados, se dice que hay un problema de inestabilidad y, por lo tanto, que está mal condicionado. 4.2

y1 = -0.3x+4

4

y = -0.3x+4.1 2

y3 = -0.275x+3.97

3.8

Solución

3.6

y

3.4 3.2 3 2.8 2.6 2.4 2.2

0

1

2

3 x

4

5

6

Figura 8.2 Sistema de ecuaciones lineales mal condicionado. En la siguiente sección se plantea la función objetivo que se usará para resolver el problema inverso. 8.4 Planteamientos de la función objetivo

Una gran cantidad de problemas se pueden formular por medio de un problema de mínimos cuadrado pesados. Aquí se describe una función objetivo de la manera más general: Ec. 8.2 La función objetivo |‚6+8 es una función que depende de los parámetros del modelo +, los cuales son + * 6+"LƒL+/8.F'h&'*'„h"LƒLh>&….es el vector que contiene los datos medidos, que pueden ser de concentración o 497

Apéndice A

Preliminares de ingeniería petrolera Este apéndice fue escrito para aquellos ingenieros y estudiantes que deseen aprender, entender o revisar los principios básicos y varios aspectos prácticos de los métodos de ingeniería petrolera que, aunados a los capítulos I, II y III, donde se revisaron conceptos relacionados con el planteamiento matemático problema físicos, principios de fenómenos de transporte y preliminares matemáticos, ofrecen una base física y matemática apropiada. La idea general del presente apéndice es ofrecer material práctico y teórico del área de la ingeniería petrolera que garantice que el lector tenga los fundamentos en ingeniería petrolera necesarios para la comprensión de las aplicaciones presentadas en este texto. Para este propósito se revisarán conceptos que van desde el sistema integral de producción, el comportamiento de afluencia y los mecanismos de flujo y desplazamiento, hasta los procesos de recuperación adicional, necesarios cuando la presión del yacimiento declina y se requiere introducir energía al yacimiento. Se definen las variables correspondientes a los principales actores del proceso de producción de hidrocarburos de pozos en sus diferentes etapas de producción. Se analizan, con cierto detalle, las principales propiedades petrofísicas del sistema roca-fluidos, como son la porosidad y la permeabilidad, además de las principales fuerzas que actúan a favor o en contra del desplazamiento de los fluidos hacia el pozo, así como algunas propiedades del aceite y del gas de gran relevancia, tanto para el comportamiento del flujo en los yacimientos como para la productividad de pozos. Adicionalmente, se presentan conceptos relacionados con el flujo multifásico desde el enfoque del ingeniero petrolero.

Apéndice A

Objetivo El propósito de este apéndice es familiarizar al lector con los conceptos básicos relacionados con el flujo de fluidos en un yacimiento petrolero y con la productividad de pozos para comprender la naturaleza física y la variación de los parámetros principales involucrados en las ecuaciones que se desarrollan y aplican a problemas de yacimientos. A.1 Introducción a la productividad de pozos

Debido al auge mundial de la industria petrolera en las últimas décadas, el cual se estima continuará en el futuro, es indispensable contar con personal con pleno conocimiento de los conceptos y fundamentos para poder solventar los problemas asociados con la explotación de yacimientos petroleros de forma racional y rentable. El trabajo del ingeniero petrolero es garantizar que la recuperación de aceite y gas de un yacimiento se maximice y que el ritmo al cual producen los pozos también sea máximo. El control de la cantidad de agua y gas producidos con el aceite, la adecuada localización de los pozos, la correcta distancia entre los pozos y los procesos de inyección de fluidos con fines de recuperación son algunos de los aspectos a atender para maximizar la recuperación de hidrocarburos. A.1.1 Sistema integral de producción

La ingeniería de producción involucra dos sistemas distintos pero íntimamente relacionados: el yacimiento, un medio poroso con características únicas de almacenamiento de hidrocarburos y características de flujo, y las estructuras superficiales, que incluyen el pozo y las instalaciones superficiales. Básicamente, un sistema integral de producción es un conjunto de elementos que transporta los fluidos del yacimiento hacia la superficie, los separa en aceite, gas y agua y, finalmente, los envía a las instalaciones para su almacenamiento y comercialización. Además, un sistema integral de producción puede ser relativamente simple o incluir muchos componentes.

522

Preliminares de ingeniería petrolera

Los componentes básicos de un sistema integral de producción son los que se muestran de forma esquemática en la figura A.1, retomada de Economides (1994:11). 8 7

Gas

4

Aceite

Agua

3

5 Pwh

5 2

9

1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10)

Yacimiento Tubería de producción Estrangulador Separador Tanque de almacenamiento Válvula tormenta Cabeza del pozo p†‡ Gasoducto a refinación Presión de fondo fluyendo p†ˆ Presión de yacimiento'pK

10

1

Figura A.1 Sistema integral de producción Para tener pleno conocimiento del funcionamiento de un sistema integral de producción, se debe conocer el concepto de cada uno de sus componentes. A continuación se da una breve definición de los componentes considerados, retomados de Craft y Hawinks (1959: 4-15), Rodríguez (1980:20), Golan y Whitson, (1991:1-10), Economides (1994: 8-10) y Ramírez-Sabag et al. (2007:1-3); cabe señalar que lo que aquí se presenta sólo es una concisa y muy breve descripción de los conceptos, por lo que se recomienda al lector consultar las referencias citadas para ampliar los conceptos. Yacimiento. Se entiende por yacimiento la porción de una trampa geo-

523

Apéndice A

lógica que contiene hidrocarburos, la cual se comporta como un sistema intercomunicado hidráulicamente. Los hidrocarburos que ocupan los poros o huecos de la roca almacenante se encuentran a alta presión y temperatura debido a la profundidad en que se encuentra la zona productora. Pozo. Es un agujero que se hace a través de la roca hasta llegar al yacimiento; en él se instalan sistemas de tuberías y otros elementos con el fin de establecer un flujo de fluidos controlados entre la formación productora y la superficie. Tubería de descarga. Las tuberías son estructuras de acero cuya finalidad es transportar gas, aceite y, en algunos casos, agua, desde la cabeza del pozo hasta el tanque de almacenamiento. Los costos específicos del transporte tanto de aceite como de gas disminuyen cuando la capacidad de manejo aumenta; esto se logra si el aceite, el gas y el agua se transportan en tuberías con un diámetro óptimo para una capacidad determinada. Estrangulador. Es un aditamento que se instala en los pozos productores con el fin de restringir el flujo de fluidos; es decir, permite obtener el gasto deseado y prevenir la conificación del agua, la producción de arena y, sobre todo, aumentar la seguridad de las instalaciones superficiales. Separadores. Los separadores, como su nombre lo indica, son equipos que separan la mezcla de aceite y gas o, en algunos casos, aceite, gas y agua, que proviene directamente de los pozos. Los separadores pueden clasificarse de acuerdo con su forma o geometría en horizontales, verticales y esféricos, o por su finalidad: separador de dos fases (gas y líquido) o de tres (gas, aceite y agua). Tanque de almacenamiento. Son recipientes de gran capacidad para almacenar la producción de fluidos de uno o varios pozos. Los tanques de almacenamiento pueden ser estructuras cilíndricas de acero instaladas en tierra firme, o bien buque-tanques normalmente utilizados en pozos localizados costa afuera. En la industria petrolera, los tanques pueden tener una capacidad de almacenamiento que va desde 100 000 hasta 500 000 barriles. En México generalmente se cuenta con tanques de almacenamiento de 500 000 barriles. Antes de obtener una idea precisa del comportamiento del flujo del pozo productor es necesario analizar las tres áreas de flujo, de acuerdo con Nind (1964:75), las cuales tienen que estudiarse por separado y unirse después: q! Flujo del yacimiento al pozo.

524

Preliminares de ingeniería petrolera

Flujo en tuberías. q! Flujo en estranguladores. q!

En la siguiente sección se analizará cada una de las áreas de flujo. A.1.2 Flujo del yacimiento al pozo

Uno de los componentes más importantes de un sistema integral de producción es el yacimiento. El flujo hacia el pozo depende de la caída de la presión en el yacimiento hasta el fondo del pozo; es decir, la presión del yacimiento menos la presión de fondo fluyendo dK 1'd†X. La relación entre el gasto y la caída de presión ocurrida en el medio poroso es muy compleja y depende de parámetros tales como las propiedades de los fluidos, las propiedades de las rocas, la saturación de los fluidos contenidos en la roca, el daño a la formación, la turbulencia y los mecanismos de empuje. En la ingeniería petrolera se utiliza con mucha frecuencia la ley establecida por Henry Darcy en 1856 para describir el comportamiento de flujo en el yacimiento después de realizar un experimento relativamente simple mostrado en la figura A.2, retomada de Economides (1994.8): llenó un recipiente de arena e hizo fluir agua a través del empacamiento hasta saturarlo completamente. A

L Empacamiento de grava

h1

h2

Figura A.2 Experimento de Darcy. Flujo de agua a través de un empacamiento de arena

525

Apéndice B

Flujo radial de trazadores a través de un yacimiento estratificado Objetivo Este apéndice ilustra, por medio de ejemplos, el desarrollo y la solución completa de un modelo matemático, desde el planteamiento de las principales ecuaciones de flujo y el planteamiento del problema de valores iniciales y de frontera que se requieren resolver en términos de variables adimensionales, hasta su solución en el espacio de Laplace. Aquí se muestra, paso a paso, el planteamiento matemático de un problema físico y su solución. El lector observará que para este modelado matemático es necesario emplear muchos de los conceptos revisados a lo largo de este libro, como son la transferencia de masa, el balance de masa a través de un volumen de control, la Ley de Fick, los planteamientos matemáticos, los problemas de valores iniciales y de frontera, la solución de ecuaciones diferenciales parciales con el método de la transformada de Laplace y el uso de variables adimensionales, entre otros.

Apéndice B

B.1 Desarrollo de las ecuaciones fundamentales de flujo

Este modelo, presentado por Ramírez et al. (1995), es equivalente al de un yacimiento estratificado con estratos de alta y baja permeabilidad que corresponden, respectivamente, a las fracturas y a los bloques de matriz. El sistema idealizado está constituido por dos regiones: la móvil y la inmóvil; estas dos regiones están en contacto a través de una película delgada de fluido estancada cuyo espesor es ‰. Se considera un bloque de espesor Š repetitivo y una fractura de 2 ‹ de ancho, limitada en ambos extremos por un medio poroso. La región móvil tiene un ancho de 2 6‹1‰8. Esta película representa la resistencia que controla la transferencia de masa entre la región móvil y la inmóvil. Véase la figura B.1 al final del apéndice. B.1.1 Ecuación de flujo en la fractura o región móvil

Al aplicar un balance de materia a la región móvil (1) de la figura B.1 se obtiene:

Ec. B.1 Supongamos que la densidad de la especie sea A constante y que no se produzca mediante ningún tipo de reacción química dentro del volumen de control. Con base en estas suposiciones, la ecuación B.1 puede escribirse así: Ec. B.2 Donde Za.: masa total de la especie A. Œa: Velocidad másica total de la especie A. Œa?: Término de liga de las dos regiones expresado en función de la velocidad másica. Por otra parte, la masa total por unidad de volumen, Za. se expresa como: 630

Flujo radial de trazadores a través de un yacimiento estratificado

Ec. B.3 Donde Za X: Masa fluyente. ZaG0: Masa adsorbida. ZaB0: Masa perdida por decaimiento radioactivo.

Debido a que no existe adsorción en la región móvil, la velocidad de cambio de masa total se puede escribir así: Ec. B.4 Donde s es la constante de decaimiento radiactivo definida por la siguiente ecuación: Ec. B.5 Por otro lado, el término de densidad de flujo total está definido por la primera Ley de Fick y puede expresarse como: Ec. B.6 Esta ecuación indica que la densidad de flujo másico total'\a es la resultante de dos magnitudes vectoriales: el vector 4'5B" *'o"JB5B", que es la densidad de flujo másico de A que resulta del movimiento convectivo del fluido, y el vector \a *'1o"'yB''Ž5B", que es la densidad de flujo de A que resulta de la difusión superpuesta al flujo global. Entonces, la divergencia de la ecuación B.6 queda así: Ec. B.7

Ec. B.8

631

Apéndice B

Supongamos ahora que no existe componente de la velocidad en ?, '''= 0 y que no existe gradiente de concentraciones en dirección ?, . La ecuación B.8 se reduce entonces a: Ec. B.9 Tomando en cuenta que b * JBa, entonces:

Ec. B.10

Donde a * ,~B6,6‹1‰88 si se define:

Ec. B.11

La velocidad en la dirección B está dada por la siguiente ecuación:

Ec. B.12

Por otro lado, el coeficiente de dispersión yB está definido por:

Ec. B.13

Donde +: Coeficiente de dispersividad hidráulica. y&: Coeficiente de difusión molecular.

Considerando que el coeficiente de difusión molecular es muy pequeño en relación al coeficiente de difusión por efecto del movimiento global del fluido,'yB se puede expresar así: Ec. B.14

Sustituyendo las ecuaciones B.14 y B.12 en la ecuación B.9 se tiene que el término de flujo está dado por la siguiente expresión: Ec. B.15

632

Flujo radial de trazadores a través de un yacimiento estratificado

Ec. B.16 Supongamos que el volumen de la región móvil permanece constante. La ecuación B.16 es válida con la suposición anterior. Por otro lado, el término que liga las dos regiones, la móvil y la inmóvil, está dado por la transferencia de masa hacia la región estancada. Mediante el mecanismo de difusión en ? * ‹ 1'‰: Ec. B.17

Sustituyendo las ecuaciones B.4, B.16 y B.17 en la ecuación B.2, y suponiendo que el volumen de la región móvil permanece constante, se tiene:

Ec. B.18 El signo negativo para el término de liga en B.18 deriva de que se considera que la región móvil pierde concentración (–) hacia la región inmóvil. Dividiendo la ecuación B.18 entre o", y reordenando la ecuación, se obtiene la siguiente expresión: Ec. B.19 Tomando en cuenta que la porosidad de la fractura está dada por: Ec. B.20 Incluyendo las ecuaciones B.14, B.12 y B.20 en la ecuación B.19, se tiene finalmente la expresión que gobierna el flujo del trazador en la región móvil: Ec. B.21

633

Apéndice B

B.1.2 Ecuación de flujo para la región inmóvil, estancada o matriz

Al aplicar la ecuación B.1 a la región inmóvil o estancada de la figura B.1, y considerando que no existe producción de la especie A dentro del volumen de control, se tiene: Ec. B.22 Donde: Ec. B.23 Supongamos ahora que la adsorción se realiza por medio de una reacción de primer orden debido a las bajas concentraciones del trazador: Ec. B.24 Donde 20: Constante de equilibrio o de adsorción. p: Densidad de la roca.

Al considerar que una porción de la masa perdida por decaimiento radioactivo se adsorbe en la roca: Ec. B.25 Sustituyendo las ecuaciones B.24 y B.25 en la ecuación B.23:

Ec. B.26 El término de flujo está dado por: Ec. B.27

634

Flujo radial de trazadores a través de un yacimiento estratificado

Supongamos que no existe velocidad del trazador en la región inmóvil, 4 = 0 y que no existe difusión del trazador en dirección B, entonces, la divergencia de está dada sólo por la difusión molecular en dirección z: Ec. B.28 Sustituyendo las ecuaciones B.26 y B.28 en la ecuación B.22 se obtiene: Ec. B.29 Dividiendo la ecuación B.29 entre el coeficiente de términos:

y reordenando

Ec. B.30 La ecuación B.30 es la ecuación fundamental de flujo para la región estancada. Las ecuaciones B.21 y B.30 son las ecuaciones fundamentales de flujo del trazador para un sistema idealizado como el que se muestra en la figura B.1. Las condiciones iniciales y de frontera para las ecuaciones B.21 y B.30 son: Ec. B.31 Ec. B.32 Ec. B.33 Ec. B.34

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Apéndice C

Tablas de transformadas de Laplace utilizadas Objetivo La idea de este apéndice es ofrecerle al lector las fórmulas de la transformada de Laplace empleadas durante el desarrollo de los problemas del capítulo VI, sobre todo las de aplicación. Cabe señalar que las transformadas de esta lista fueron tomadas, principalmente, de Abramowitz y Stegun (1970:1020-28) y de Carslaw y Jeager (1959:495-497).

Tabla de Transformadas de Laplace

(Más utilizadas en el capítulo VI de este libro)

Apéndice C

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Tablas de transformadas de Laplace utilizadas

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Notación

Las dimensiones están expresadas en términos de masa (M), longitud (L), tiempo (t) y temperatura (T). Los símbolos no utilizados regularmente, o que aparecen únicamente en una sección, no se encuentran aquí listados. A:

Área, L2.

A:

Área total transversal al flujo, L2.

Ar:

Área de la sección transversal en dirección r, L2.

Ap:

Patrón de área, L2.

a:

Cambio de la temperatura con respecto a la profundidad, T/L.

B o:

Factor de volumen del aceite, adimensional.

Bg:

Factor de volumen del gas, adimensional.

B w:

Factor de volumen del agua, adimensional.

b:

Temperatura de referencia, T.

b1:

Valor de referencia de la función objetivo.

C:

Constante en unidades de campo (C=0.00708).

C:

Concentración molar total, moles/L3.

C:

Concentración del soluto en el solvente, M/L 3.

C:

Concentración del trazador in situ, M/L3.

Ci :

Concentración molar del compuesto i, moles/L3.

c:

Compresibilidad, t2L/M.

Notación

c:

Valor de referencia de la primera derivada de la función objetivo.

cf :

Compresibilidad de la formación, t2L/M.

co:

Compresibilidad del aceite, t2L/M.

c p:

Capacidad calorífica a presión constante, por unidad de masa, L2/ t2T.

ct:

Compresibilidad total, t2L/M.

c v:

Capacidad calorífica a volumen constante, por unidad de masa, L2/ t2T.

c w:

Compresibilidad del agua, t2L/M.

D:

Coeficiente de difusión, L2/t.

D:

Dispersión del soluto en el solvente, L2/t.

D:

Longitud característica utilizada en el análisis dimensional (diámetro de una esfera o cilindro), L.

D:

Diámetro interior de la tubería, L.

DAB :

Difusividad binaria para el sistema A-B, basada en la energía libre como fuerza impulsora, L2/t.

Dij:

Difusividad de la pareja i-j en un sistema de varios componentes, basada en la energía libre como fuerza impulsora, L2/t.

d:

Ruta de búsqueda, L.

dci:

Diámetro interior de la tubería, L.

di :

Datos de campo.

E:

Energía total del fluido, ML2/t2.

E:

Parámetro de escalamiento, M/L3.

E A:

Eficiencia del área de deslizamiento, fracción.

EOR: Enhanced oil recovery. Recuperación mejorada de hidrocarburos. ER :

Eficiencia de la recuperación, adimensional.

Er :

Error porcentual, adimensional.

EV :

Eficiencia volumétrica de deslizamiento, adimensional.

e:

Base de logaritmos neperianos (e= 2.7182...).

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