compactacion y subsidencia

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Compactacin y subsidencia

Dirk Doornhof Nederlandse AardolieMaatschappij (NAM) B.V.Assen, Pases Bajos

Tron Golder KristiansenBP NorwayStavanger, Noruega

Neal B. NagelConocoPhillipsHouston, Texas, EUA

Phillip D. PattilloBP AmricaHouston, Texas

Colin SayersHouston, Texas

Por su colaboracin en la preparacin de este artculo, seagradece a Olav Barkved, BP, Stavanger; Tom Bratton,Denver; Rob Marsden, Gatwick, Inglaterra; Frank Mitchum,BP, Houston; y Marc Thiercelin, Mosc. Uno de los autoresagradece la autorizacin para publicar este artculo aConocoPhillips Norge y sus socios, incluyendo TOTAL E&PNorge AS, Eni Norge AS, Norsk Hydro Produksjon a.s.,Statoil ASA y Petoro AS. Otro autor agradece laautorizacin para publicar este artculo a BP Norge AS ysus socios Hess Norge AS, Enterprise Oil Norge AS yTOTAL E&P Norge AS.ECLIPSE y Sonic Scanner son marcas de Schlumberger.CMI, Instrumento de Monitoreo de la Compactacin, esuna marca de Baker Atlas. FCMT, Herramienta deMonitoreo de la Compactacin de la Formacin, es unamarca de Halliburton. VISAGE es una marca de V.I.P.S.

La cada de presin de un campo productivo puede conducir a la compactacin

del yacimiento, al movimiento de los estratos de sobrecarga y a la subsidencia

de la su perficie que se encuentra por encima del yacimiento. Este proceso de

compac ta cin y subsidencia puede resultar costoso, tanto para las instalaciones

de produccin como para las instalaciones de superficie.

Venecia, la ciudad italiana conocida por elencanto legendario de sus canales, se est hun-diendo lentamente en su laguna circundante,debido fundamentalmente a causas naturales.Esto ha mejorado con respecto al pasado re -ciente ya que durante muchas dcadas del sigloXX, Venecia se hundi rpidamente en la laguna.Desde la dcada de 1940 hasta la dcada de1970, la extraccin de agua y gas natural dedepsitos que subyacen la ciudad incrementradicalmente la tasa de subsidencia.1

La subsidencia es un hundimiento de unasuperficie, tal como el nivel del terreno, con res-pecto a un punto de referencia estable. Seproduce naturalmente como resultado de la acti-vidad tectnica de las placas, por encima de lasfallas activas y en lugares en los que se expulsafluido de los sedimentos subyacentes. La expul-sin de fluidos es comn en los deltas fluviales,tales como el delta del Ro Po que rodea a Vene-cia. Este efecto, que se traduce en una tasa desubsidencia de algunos centmetros por siglo enVenecia, se opone al eustatismo, o cambio delnivel del mar, que da cuenta de una elevacin deaproximadamente 13 cm [5 pulgadas] por sigloen Venecia.

Luego de la Segunda Guerra Mundial, dosprcticas incrementaron la tasa de subsidenciade Venecia. En primer lugar, el volumen de aguaextrado de los acuferos que subyacen la ciudadse increment en forma significativa para

admitir una poblacin en crecimiento. Comoresultado, los niveles de agua de estos acuferosse redujeron sustancialmente. En segundo lugar,se extraa gas natural de una zona industrial delcontinente a travs de la laguna. La tasa de sub-sidencia medida entre 1968 y 1969 se habaincrementado, pasando de su nivel histrico bajoa 1.7 cm/ao [0.7 pulgada/ao], en la zonaindustrial, y a 1.4 cm/ao [0.6 pulgada/ao] enel centro de la ciudad.2

Esta tasa de subsidencia significativamentems alta fue causada por la compactacin, quees una reduccin del volumen de un yacimientoresultante de la reduccin de la presin y la pro-duccin de fluidos; en este caso, agua y gas. Lostrminos compactacin y subsidencia describendos procesos bien definidos. La compactacin esun cambio volumtrico producido en un yaci-miento, mientras que la subsidencia es uncambio del nivel de una superficie. Esa superfi-cie podra ser un tope de formacin, la lnea delodo en una zona submarina o una seccin de lasuperficie de la Tierra situada por encima de laformacin en proceso de compactacin, comosucede con Venecia.

Una inundacin rcord de 2 m [6.6 pies]sumergi a Venecia en noviembre de 1966.3 Des-pus de la inundacin, tanto la extraccin de gasnatural como la extraccin de agua se suspen-dieron bsicamente en torno a la ciudad paracontrolar la subsidencia. Los niveles de los acu-

Invierno de 2006/2007 51

feros se elevaron nuevamente, y el terreno expe-riment un rebote de algunos centmetros. Noobstante, ese rebote constituy slo una fraccindel cambio del nivel del terreno que se habaproducido durante la etapa de extraccin deagua y gas. Hoy en da, el proceso de subsidencianatural lento contina.

En la industria del petrleo y el gas, existenalgunos casos conocidos de subsidencia. ElCampo Goose Creek, al sur de Houston, fue unode los primeros campos estudiados exhaustiva-mente. La subsidencia de ese campo fueobservada por primera vez en 1918, alcanzandocon el tiempo ms de 0.9 m [3 pies] y sumer-giendo la Pennsula de Gaillard, que yace en elcentro del campo.4 El Campo Wilmington deCalifornia, EUAequivalente a varios camposdel Lago de Maracaibo en Venezuelay elCampo Groningen de los Pases Bajos, exhibie-ron tasas de subsidencia notables, quedemandaron tareas de remediacin porque lasuperficie encima de los yacimientos se encon-traba a nivel del mar o prxima al mismo.5 Loscampos de creta situados en el sector noruegodel Mar del Norte, particularmente los camposEkofisk, Eldfisk y Valhall, se han compactado y lasubsidencia resultante en la lnea de lodogener preocupacin en cuanto a la seguridadde las plataformas. Los yacimientos carbonata-dos de baja resistencia del Campo NorthwestJava, en Indonesia, y los campos del rea marinade Sarawak, en Malasia, tambin experimenta-ron procesos de subsidencia significativos.6 ElCampo Belridge en California y los campos dediatomita vecinos experimentaron fenmenos desubsidencia y numerosas fallas de pozos.7

Las consecuencias econmicas de la compac-tacin y subsidencia pueden ser enormes perono todas son negativas. La compactacin puedeser beneficiosa, ya que constituye un mecanismode empuje de la produccin potencialmenteintenso. En este artculo, examinamos losasuntos relacionados con la compactacin y sub-sidencia, y presentamos diferentes enfoques demanejo en yacimientos del Mar del Norte, losPases Bajos y el Golfo de Mxico.

1. Para obtener ms informacin sobre el efecto de lasubsidencia en Venecia, consulte: Brighenti G, Borgia GCy Mesini E: Subsidence Studies in Italy, en ChilingarianGV, Donaldson EC y Yen TF (eds): Subsidence Due toFluid Withdrawal, Developments in Petroleum Science 41.msterdam: Elsevier Science (1995): 248253.

2. Brighenti et al, referencia 1.3. Vase http://www-geology.ucdavis.edu/~cowen/~GEL115/115CHXXsubsidence.html (Se accedi el 17 deoctubre de 2006).

4. Pratt WE y Johnson DW: Local Subsidence of theGoose Creek Oil Field, Journal of Geology 34, no. 7Primera Parte (Octubre-Noviembre de 1926): 577590.

Para obtener ms informacin sobre el efecto de lasubsidencia en los campos del rea marina de Sarawak,consulte: Mah K-G y Draup A: Managing SubsidenceRisk in Gas Carbonate Fields Offshore Sarawak, artculode la SPE 88573, presentado en la Conferencia sobre elPetrleo y el Gas del Pacfico Asitico de la SPE, Perth,Australia, 18 al 20 de octubre de 2004.

7. Fredrich JT, Arguello JG, Thorne BJ, Wawersik WR,Deitrick GL, de Rouffignac EP, Myer LR y Bruno MS:Three-Dimensional Geomechanical Simulation ofReservoir Compaction and Implications for Well Failuresin the Belridge Diatomite, artculo de la SPE 36698,presentado en la Conferencia y Exhibicin Tcnica Anualde la SPE, Denver, 6 al 9 de octubre de 1996.

5. Para obtener ms informacin sobre el efecto de lasubsidencia en el Campo Wilmington y en los camposdel Lago de Maracaibo, consulte: Poland JF y Davis GH:Land Subsidence Due to Withdrawal of Fluids, enVarnes DJ: Reviews in Engineering Geology II. Boulder,Colorado, EUA: Sociedad Geolgica de Amrica (1969):187268.

6. Para obtener ms informacin sobre el CampoNorthwest Java, consulte: Susilo Y, Rahamanda Z,Wibowo W, Tjahyadi R y Silitonga FJ: Stimulation Effortsin Carbonate Gas Reservoir Experiencing Subsidence inOffshore North West Java FieldIndonesia, artculo dela SPE 82264, presentado en la Conferencia Europeasobre Dao de Formacin de la SPE, La Haya, 13 al 14 demayo de 2003.

10 m 50 mX5,000 X235

La fsica de la compactacinUn medio poroso, tal como una formacin pro-ductora de hidrocarburos, contiene fluidosdentro de su estructura slida. Esta observacinsimple posee implicaciones profundas si elmaterial es sometido a esfuerzo. Por ejemplo, elsedimento depositado debajo del agua puedeexhibir alta porosidad inmediatamente despusde la sedimentacin y puede comportarse mscomo un lquido con material slido en suspen-sin, que como un material slido que contienelquido. Conforme se acumula ms sedimento, lacapa original debe soportar el peso del materialnuevo. Siempre que existan trayectorias para elfluido, parte del lquido ser expulsado y la poro-sidad declinar.

Al incrementarse la profundidad de sepulta-miento de una capa de sedimentos, el peso delos sedimentos sobreyacentes aumenta, ten-diendo a hacer salir fluido de la capa y a reducirsu porosidad (arriba). La presin del fluido tam-bin aumenta con la profundidad. Si los estratossobreyacentes se vuelven impermeables al flujoy el fluido no puede escapar lateralmente, con-forme el proceso de sepultamiento adicionalcompacta el sedimento, la presin del fluido seincrementa ms all de la presin hidrosttica.8

Esta sobrepresin del fluido tambin puede pro-ducirse cuando las tasas de sedimentacinrpidas superan la tasa de expulsin del excesode fluido proveniente de la formacin.9

El resultado de tener un fluido presurizadoen un ambiente slido es que tanto el fluidocomo el slido soportan los esfuerzos sobre elmaterial. Este concepto es el principio delesfuerzo efectivo, que establece que el esfuerzoque afecta el comportamiento de un materialslido es el esfuerzo aplicado menos el soportede la presin del fluido intersticial.10 Cuando seproduce fluido desde un yacimiento, el peso delos estratos de sobrecarga no se reduce pero s lohace la presin de poros, lo que incrementa elesfuerzo efectivo vertical que acta sobre lamatriz slida. El grado de la compactacin resul-tante depende de la compresibilidad de la roca yde las condiciones de borde.

La compresibilidad relaciona los cambios devolumen con los cambios del esfuerzo aplicado.Existen muchas formas de expresar la compresi-bilidad de un medio poroso, pero comnmentese utilizan dos.11 La compresibilidad del volumende poros, Cpv, es una medida del cambio delvolumen poroso, causado por un cambio en elesfuerzo aplicado. La compresibilidad volum-trica, Cbv, es una medida del cambio del volumenaparente debido a un cambio en el esfuerzoaplicado ; es la inversa del mdulo de compresi-bilidad. Bajo la hiptesis de que los granos sonincompresibles, Cbv es el producto de la porosi-dad por Cpv. El valor de la compresibilidaddepende de la composicin de la roca y de la his-toria de sedimentacin y puede variar con lacomposicin cambiante del fluido intersticial.

Una arenisca granular competente habitual-mente posee un valor de Cpv de aproximadamen-te 5 x 10-4/MPa [3 x 10-6/lpc]; sin embargo, puedeexceder 15 x 10-4/MPa [100 x 10-6/lpc] para lascretas altamente compresibles del Mar del Norte(izquierda). El cemento que adhiere los granostiende a incrementar la rigidez de la roca, redu-ciendo su compresibilidad.

La historia de la sedimentacin es impor-tante porque la compactacin tiende a causarcambios irreversibles en la estructura de la roca.Los granos se desplazan; las partculas de arcillase deforman; las adherencias cementadas serompen; e incluso los granos pueden triturarsebajo los efectos de la carga. Dado que estos cam-bios son irreversibles, la roca exhibe histresis.Cuando el esfuerzo ejercido sobre la roca sereduce, lo que sucedera si parte del peso de losestratos de sobrecarga fuera erosionado o si seincrementara la presin de la formacin sinsedimentacin adicional, el material de des-carga es menos compresible que cuando secarg bajo el mismo esfuerzo. Adems, el mate-rial descargado es menos compresible durante larecarga hasta que se alcanza nuevamente la con-dicin de esfuerzo original (prxima pgina).12

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> Esfuerzo de los estratos de sobrecarga y presin de poros. El esfuerzo de losestratos de sobrecarga (flechas amarillas, a la derecha) sobre una formacin, seincrementa con la profundidad debido al peso adicional de los estratos de sobre -carga. El esfuerzo ejercido por estos estratos (curva amarilla, a la izquierda) sedetermina integrando la densidad de los mismos. La presin de poros (azul) tam -bin se incrementa con la profundidad, con un gradiente determinado por ladensidad de la salmuera. Debajo de un estrato impermeable (rojo), el fluido in -tersticial se sobrepresiona a medida que la formacin se compacta bajo el pesoadicional, sin poder liberar el fluido intersticial.

Presin de poros

Esfuerzo de los estratos de sobrecarga

Prof

undi

dad

Presin

> Estructuras de creta y arenisca. Las micrografas electrnicas de barrido de las muestras de aflo -ramientos muestran la creta de Stevns Klint, en Dinamarca (izquierda), y la arenisca de Berea, Ohio,EUA (derecha). La creta es una mezcla dbil de fragmentos de cocolitos sin cementar, mientras quela arenisca es un arreglo ms competente de granos cementados. Esta diferencia estructural ayudaa explicar la diferencia de compresibilidad extrema que existe entre estos materiales. Obsrvese laampliacin mucho mayor de la imagen de la creta.


Se han desarrollado diversas formulacionesmatemticas para modelar el comportamiento delas rocas bajo esfuerzo, pero hasta la fecha noexiste ninguna formulacin aceptada por laindustria en forma preferencial respecto de lasotras. El mejor de estos modelos posee mecanis-mos para las deformaciones elstica y plstica,los efectos termales y los efectos dependientesdel tiempo, o efectos del deslizamiento.13 Algunasrocas son ms dbiles cuando se encuentran satu-radas, al menos parcialmente, con agua en vez depetrleo. Si bien el mecanismo fsico de eseefecto no se comprende completamente, algunosmodelos incluyen algoritmos para representar elefecto de debilitamiento producido por el agua.

La fsica de la subsidenciaEs difcil observar la compactacin de un yaci-miento de hidrocarburos; sin embargo, suele serfcil visualizar la subsidencia en la superficie. Elagua invade la tierra previamente seca; una pla-taforma marina pierde el despeje que poseeentre las olas altas y la cubierta inferior; loscabezales de los pozos y la tubera de revesti-miento pueden sobresalir por encima de lasuperficie; o las estructuras de superficie pue-den hundirse. La subsidencia ha sido unindicador fundamental de la compactacin enlos campos petroleros desde que se observ porprimera vez en el Campo Goose Creek en 1918.14

El informe de ingeniera original referente alfenmeno de subsidencia en el Campo GooseCreek incluy un anlisis detallado de otras cau-sas sospechadas de la subsidencia local. Noobstante, el informe indic que el efecto no sedeba a la subsidencia general de la costa delGolfo; tampoco era ocasionado por un cambiodel nivel medio del mar; no era provocado por laerosin; ni se trataba de un sumidero causadopor la disolucin de la caliza, la sal o alguna otraformacin soluble. Los mapas de la subsidenciamostraron que una depresin segua el esquemageneral del campo. Segn el clculo aproximadode los autores, la cubeta de subsidencia repre-sentaba slo el 20% del petrleo, gas, agua yarena que haban sido removidos del campo. Noobstante, en la conclusin del artculo, los mis-mos autores indican que la compactacin seprodujo en las arcillas sobreyacentes, ms queen la formacin productora en s.

A lo largo de las dcadas, desde la ejecucin delestudio del Campo Goose Creek, la comprensindel fenmeno de subsidencia producido por la ex -traccin de fluido ha avanzado significativamente.Los estudios actuales de ese fenmeno implicanel anlisis geomecnico y de flujo de yacimientosdetallado, pero los principios generales puedenexplicarse sin recurrir a un modelo complejo.

Las formaciones que forman parte de esteproceso se dividen en cuatro partes: el volumencorrespondiente a la compactacin, los estratosde sobrecarga, los estratos de carga lateral y losestratos de carga subyacentes. Los dos ltimostrminos no se utilizan en general, salvo en geo-mecnica, pero se refieren a los materialesconectados lateralmente a la formacin en pro-ceso de compactacin y aquellos materiales quese encuentran debajo de dicha formacin y de lacarga lateral, respectivamente.

El volumen de compactacin puede incluirotros elementos adems de la formacin conhidrocarburos. Los acuferos que se encuentranal lado o debajo tambin se pueden compactarcuando se drenan, por lo que deberan mode-larse como parte de la formacin en proceso decompactacin, aunque con propiedades diferen-tes en muchos casos.

La reduccin de volumen causada por lacompactacin de una formacin sepultada setransmite usualmente a la superficie. La cubetade subsidencia es, en general, ms vasta que lazona compactada. La magnitud de su dispersindepende de las propiedades de los materiales delos estratos de sobrecarga y de la profundidad dela formacin en proceso de compactacin.Adems , si los estratos de sobrecarga no seexpanden, el volumen de la cubeta en la superfi-cie es igual al volumen de la compactacin enprofundidad.

Una cubeta de subsidencia tiende a seraproximadamente simtrica, aunque la compac-tacin en el volumen subyacente no lo sea. Dadoque la cubeta es una superposicin de la subsi-dencia que resulta de cada elemento en procesode compactacin, tiende a promediar lavariacin . La anisotropa de los estratos desobrecarga proveniente de las fallas o la aniso-tropa del material pueden restringir o modificarla forma de la cubeta; las fallas pueden permitirel desplazamiento, impidiendo la dispersin dela subsidencia.

Los estratos de sobrecarga tambin se pue-den expandir, aunque su expansin constituyeun efecto secundario para la mayora de susrocas. No obstante, este cambio de volumenpuede producir un efecto dependiente deltiempo a medida que la roca sobreyacente sedesliza lentamente, primero en la expansin yluego en la compactacin.

Cuando una formacin se compacta, la cargalateral a menudo no lo hace, ya sea porque esimpermeable, porque est separada de la forma-cin en proceso de compactacin por una falla queacta como sello y que en consecuencia no expe-rimenta un incremento del esfuerzo efectivo, osimplemente porque es un material ms resistente.

8. La presin hidrosttica es la magnitud de la presincausada por el peso de la columna de salmuerasobreyacente, que a menudo se obtiene mediante laintegracin de la densidad de la salmuera desde lasuperficie hasta el plano de referencia de laprofundidad.

9. Otros procesos geolgicos, tales como la diagnesisqumica, el levantamiento regional o el corrimiento haciaabajo, y la migracin de hidrocarburos, tambin puedengenerar condiciones de sobrepresin o subpresin.

10. La relacin tambin se denomina el principio delesfuerzo neto: = S P, donde es el esfuerzo neto oefectivo sobre el material slido, S es el esfuerzoaplicado al cuerpo, P es la presin de poros y, en slidoselsticos isotrpicos, = 1 Kb/Ks. Aqu, K es el mdulode compresibilidad, y este ltimo trmino es la relacinde los mdulos de compresibilidad de la roca (b) y losgranos minerales de la roca (s). En los materiales muyporosos y dbiles, el mdulo de granos es mucho msgrande que el mdulo de roca, de manera que esaproximadamente 1, y S P. Tanto como S sontensores, de modo que esta ecuacin es vlida en lastres direcciones principales.

11. Para obtener una definicin completa de los tipos decompresibilidades, consulte: Zimmerman R:Compressibility of Sandstones, Developments inPetroleum Science 29. msterdam: Elsevier ScientificPublishing Company, 1991.

12. Para acceder a un estudio de los esfuerzos de campocon ciclado por presin, consulte: Santarelli FJ, TronvollJT, Svennekjaer M, Skeie H, Henriksen R y Bratli RK:Reservoir Stress Path: The Depletion and theRebound, artculo de las SPE/ISRM 47350, presentadoen el Simposio Eurock 98 de las SPE/ISRM, Trondheim,Noruega, 8 al 10 de julio de 1998.

13. Una deformacin es elstica si, despus de un cambiode esfuerzos, un material retorna a su forma inicialcuando los esfuerzos vuelven a la condicin inicial. Lasdeformaciones que se traducen en cambios de formaspermanentes despus de un ciclo de presin como ese,se denominan plsticas o inelsticas. El deslizamientodescribe una deformacin que persiste despus dedetenerse el cambio de esfuerzos.

14. Pratt y Johnson, referencia 4.

> Histresis de la compactacin. El incremento delesfuerzo neto sobre un material en estado plsticoproduce una rpida reduccin del volumen (1). Siel material es descargado, el rebote del volumenno es tan grande como lo fue el colapso, y a me -nudo se aproxima a la respuesta elstica (2). Larecarga del material produce inicialmente unarespuesta cuasi-elstica, hasta que se alcanza elestado previo de esfuerzo neto alto (3). En esepunto, el material sigue nuevamente la lnea defalla plstica (azul).

1

3

2

Volu

men

por

oso

Esfuerzo neto

El peso de los estratos de sobrecarga que habasido soportado por la formacin en proceso decompactacin ahora puede ser soportado parcial-mente por la carga lateral. Esto crea lo que seconoce como arco de esfuerzos sobre la formacinen proceso de compactacin. El alcance y efecti-vidad del arco de esfuerzos relacionados con elsoporte de los estratos de sobrecarga son funcio-nes de los parmetros de los materiales de losestratos de sobrecarga y la carga lateral, delalcance lateral de la zona de compactacin y dela magnitud de la compactacin.

Si bien el movimiento predominante en unacubeta de subsidencia es vertical, tambin seproducen movimientos horizontales. El movi-miento horizontal es nulo en el centro y el bordeexterior de la cubeta y alcanza un grado dedesplazamiento interior mximo en la reginintermedia. Los movimientos horizontales gran-des pueden tener efectos devastadores sobre laslneas de conduccin y otras estructuras desuperficie extensivas, a menos que estn desti-nados a dar cabida a la deformacin.

Medicin de la compactacin y la subsidenciaLos mtodos de monitoreo de la subsidencia difie-ren segn se trate de reas marinas o terrestres.En tierra firme, los puntos acotados son herra-mientas comunes de los ingenieros civiles. Unpunto acotado es una seal georeferenciadaenuna posicin conocida y una cota medidaque seutiliza para determinar cambios en la cota conrespecto a otros puntos acotados. Los puntos aco-tados fuera de la cubeta de subsidencia proveenpuntos de referencia fijos.

La forma ms exacta de determinar unadiferencia de cota entre los puntos acotadosconsiste en conectar dos localizaciones a untubo lleno de lquido. El nivel hidrosttico serel mismo en los dos extremos del tubo, de modoque los cambios en la cota relativa puedendeterminarse con gran precisin. Sin embargo,la realizacin de este tipo de levantamiento enreas extensas puede ser prohibitivamente cara.La mayora de los levantamientos geodsicoscomparan la cota mediante la observacin a tra-vs de un teodolito o mediante la utilizacin deun lser, despus de nivelar cuidadosamente elinstrumento. Este mtodo tambin puedeemplearse para obtener cambios en la cota rela-tiva entre las plataformas de un complejo.

Los inclinmetrosdispositivos que son sen-sibles al cambio de ngulo en la superficie o enlos pozospueden proveer datos de subsidenciapara las localizaciones terrestres. Estos disposi-tivos se utilizan adems para monitorear elavance de una fractura inducida.15

Las estaciones con sistemas de posiciona-miento global (GPS) pueden ser utilizadas paraposiciones fijas, ya sea en reas marinas o en tie-rra firme. En condiciones ideales, las tcnicasGPS permiten detectar cambios de cota de apro-ximadamente 2 mm.

Otro mtodo que est siendo evaluado pordiversas compaas utiliza satlites para elmonitoreo de la subsidencia. El radar de aper-tura interferomtrica-sinttica (InSAR) se basaen la generacin repetida de imgenes de unaubicacin geogrfica dada, mediante pla ta -formas de radar areas o espaciales. Conmediciones complejasincluyendo la magnitudy la fasede las imgenes de radar de la mismarea, se puede construir un interferograma apartir de la diferencia de fase del retorno decada punto. Las diferencias de fase son sensiblesa la topografa y a cualquier cambio de posicinintrnseco de un reflector terrestre dado.

El cambio de distancia tiene lugar a lo largode la lnea de mira satelital, lo que impide que elsatlite distinga directamente el movimientovertical del horizontal. No obstante, en un yaci-miento en proceso de compactacin, situado enuna posicin sin otro movimiento tectnico, seasume que el cambio se debe a la subsidencia yes bsicamente vertical.

Se pueden establecer reflectores de refe renciapara InSAR, pero es posible obtener un conjuntode mediciones ms generalizado mediante la utili-zacin de los objetos existentes que dispersan laradiacin, tales como intersecciones de caminos otejados que apuntan en la direccin correcta.Cualquier movimiento de estos puntos dispersorespermanentes o per sistentes, que no est relacio-nado con la subsidencia en general se desconoce,pero la cantidad total de reflectores compensaesa deficiencia.

El mtodo InSAR posee limitaciones. El creci-miento de la vegetacin entre los pasos de lossatlites puede producir problemas de interpreta-cin en los campos abiertos. Los cambios de cotarpidos, tales como los que tienen lugar cerca delas fallas activas, son ms fciles de medir que lasubsidencia lenta. Las mediciones de distanciapueden obtenerse cuando el satlite asciende odesciende. Dado que el ngulo de reflexin esdiferente, las dos mediciones generalmenteimplican conjuntos de puntos dispersores diferen-tes. Es probable que las mediciones de lasubsidencia obtenidas durante el ascenso o des-censo no concuerden completamente.16

En reas marinas, no es tan fcil acceder a lacubeta de subsidencia. En general, la subsidenciaes monitoreada en las plataformas. No se tratade una mera conveniencia sino de una necesidad.

El despeje, o distancia existente entre el nivelmedio del mar y la estructura inferior extrema dela plataforma, tiene que mantenerse mayor quela altura de marea. Las compaas utilizan unvalor de altura de marea obtenido estadstica-mente que suele ser la altura de marea mximaesperada a lo largo de un perodo de 100 aos.

El despeje puede medirse utilizando diversosmtodos, la totalidad de los cuales se basa en unpunto acotado conocido de la plataforma. Lamedicin continua de la distancia hasta el aguapuede obtenerse acsticamente; como alter -nativa, un transductor de presin submarino,instalado en la pata de la plataforma, puedeindicar la altura de la columna de agua que seencuentra sobre el mismo. La interpretacin deestos dos mtodos exige conocer el nivel del maren el momento de la medicin, lo que significaque deben considerarse las mareas y las olasproducidas por el viento.

Actualmente, el mtodo ms comn paradeterminar la subsidencia de las plataformasimplica el uso del sistema GPS, como se hace entierra firme. Algunos mtodos de interpretacinrequieren una plataforma cercana que no estexperimentando un proceso de subsidencia,pero la metodologa est mejorando y ciertascompaas que proveen este servicio a la indus-tria ahora sostienen que su interpretacin norequiere un punto acotado fijo cercano.

La subsidencia afecta a las lneas de conduc-cin y a otras estructuras del lecho marino. Loslevantamientos batimtricos constituyen laforma ms directa de mapear el alcance de unacuenca de subsidencia submarina. El levanta-miento indica la profundidad del agua conrespecto al nivel del mar. Este valor se obtienegeneralmente haciendo rebotar una seal acs-tica desde la lnea de lodo y nuevamente hastaun receptor. La medicin del tiempo de trnsitodebe ser corregida por los efectos de la salinidady la temperatura del agua. Los levantamientosrepetidos permiten monitorear el desarrollo deuna cuenca de subsidencia.

La compactacin de una formacin es normal-mente ms difcil de medir que la sub sidencia. Lacompactacin somera que se traduce en un fen-meno de subsidencia en el terreno, a veces puedeverse directamente cuando los cabezales de lospozos someros sobresalen en forma creciente dela superficie. Esto sucede en la Ciudad de Mxico,donde los acuferos someros se han compactado yalgunas tuberas de revestimiento se encuentrana una altura aproximadamente 5 m [16 pies]superior a la altura de su instalacin.17

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El mtodo ms comn de medicin de lacompactacin en formaciones profundas es elempleo de balas o marcadores radioactivos(derecha). Con una pistola de disparo especial,las balas son disparadas en una formacin aintervalos conocidos, tales como 10 m [32.8 pies].Cada marcador contiene una fuente radioactivade larga duracin y baja resistencia, general-mente de cesio. Herramientas especiales deadquisicin de registros con cable, tales como laHerramienta de Monitoreo de la Subsidencia dela Formacin (FSMT) de Schlumberger, el Ins-trumento de Monitoreo de la Compactacin CMIde Baker Atlas o la Herramienta de Monitoreode la Compactacin de la Formacin FCMT deHalliburton, miden las posiciones relativas delmarcador radioactivo con precisin. Las herra-mientas de monitoreo de la compactacincontienen tres o cuatro detectores: dos en elextremo superior de la sonda y uno o dos en elextremo inferior. El espaciamiento medio entreel detector superior y el inferior es aproximada-mente el mismo que el espaciamiento entre losmarcadores. Esto minimiza los errores de dis -tancia debidos a cualquier movimiento de laherramienta producido por el estiramiento y lacontraccin del cable. Los levantamientosrepetidos indican el cambio producido en laseparacin de los marcadores.

El mejor lugar donde colocar los marcadoreses en un pozo de observacin vertical. Los pozosdesviados introducen errores en la posicin delmarcador, que dependen de la orientacin de lapistola cuando se disparan las balas. Los pozosproductores tambin pueden hacer fluir slidosde formacin, introduciendo cierta incertidum-bre acerca de la causa del movimiento delmarcador; ya sea compactacin o bien produc-cin de slidos.

En el pasado, se utilizaban otros mtodospara monitorear la compactacin pero en gene-ral se ha suspendido su aplicacin por falta de

precisin. Estos mtodos incluyen la tcnica derepeticin para la localizacin de los collarinesde la tubera de revestimiento y para los marca-dores petrofsicos. Los estudios ssmicos derepeticin tambin pueden utilizarse como herra-mientas para monitorear la subsidencia de lostopes de las formaciones subterrneas. Si biencomo mtodo suele ser demasiado impreciso parael monitoreo exacto de la compactacin, la cober-tura extensiva de los yacimientos provista por loslevantamientos ssmicos los hace tiles para lasoperaciones de manejo de yacimientos. El movi-miento subterrneo tambin puede ser indicadomediante el empleo de arreglos microssmicosque detectan y localizan el ruido generado por laroca deformable y en proceso de compactacin.

Las mediciones de ncleos tambin proveendatos vitales para los estudios de la compacta-cin. Una prensa de carga produce esfuerzo odeformacin sobre una muestra de ncleo ymide su respuesta, incluyendo los cambios delvolumen poroso, los cambios de la presin deporos, la longitud y el dimetro. Estas pruebastambin pueden examinar el efecto del cambiode los fluidos o de la temperatura sobre la defor-macin y la resistencia de las rocas. Se puedenaplicar condiciones de borde relacionadas con elesfuerzo o la deformacin, similares a las espe-radas en el campo.

Dos condiciones de laboratorio comunes sonlas condiciones de borde relacionadas con elesfuerzo hidrosttico y las relacionadas con ladeformacin uniaxial. En la condicin de esfuer-zos hidrostticos, los tres esfuerzos principalesson iguales. sta es la ms simple de las condi-ciones de compresibilidad a aplicar pero no esrepresentativa de las condiciones de camporeales . La condicin de deformacin uniaxialmantiene un rea constante de seccin transver-sal de la muestra, mientras que el esfuerzo axialcambia ya sea a travs de la carga axial o a tra-vs de la reduccin de la presin de poros en lamuestra. Si bien esta condicin se considerams prxima a las condiciones de borde presen-tes en algunos campos, los estudios de loscambios producidos en los esfuerzos horizonta-les como resultado del agotamiento en amboscampos de creta, Ekofisk y Valhall, indican quecorresponde a alguna otra condicin de borde.18

El impacto de las formaciones en proceso de compactacin A pesar de la necesidad de concentrar el enfoqueen el dao ocasionado a los pozos y las instala -ciones como resultado de la compactacin y

15. Bennett L, Le Calvez J, Sarver DR, Tanner K, Birk W,Waters G, Drew J, Michaud G, Primiero P, Eisner L,Jones R, Leslie D, Williams MJ, Govenlock J, Klem RC yTezuka K: La fuente para la caracterizacin defracturas hidrulicas, Oilfield Review 17, no. 4(Primavera de 2006): 4661.

16. El radar InSAR tambin ha sido utilizado con el fin demedir el levantamiento regional. Para obtenerinformacin sobre mediciones satelitales de ladeformacin terrestre alrededor de la caldera volcnicadel Parque Nacional de Yellowstone, en Wyoming, EUA,consulte: http://volcanoes.usgs.gov/yvo/2006/uplift.html(Se accedi el 29 de septiembre de 2006).

17. Poland y Davis, referencia 5.18. Goulty NR: Reservoir Stress Path During Depletion of

Norwegian Chalk Oilfields, Petroleum Geoscience 9, no. 3 (2003): 233241.

> Balas radioactivas de monitoreo. Una sonda concuatro detectores de rayos gamma minimiza elefecto del movimiento no intencionado de laherramienta mediante la deteccin casi simul t -nea de dos marcadores radioactivos (RM). Laseparacin de las balas, S1, S2 y S3, debera seraproximadamente igual a la separacin mediaentre los pares de detectores superior e inferior.

Detector 1

Detector 2

Detector 3

Detector 4

RM

RM

RM

RM

S1

S2

S3

subsidencia, no puede ignorarse el efecto posi -tivo que estos procesos producen sobre laproduccin. En las cretas dbiles y las diatomitasde California, el fenmeno denominado empujede la roca puede ser varias veces mayor que elempuje provocado por la expansin del fluido. Lapermeabilidad de la formacin puede incremen-tarse o reducirse, porque existe la posibilidad deque las fracturas abiertas se cierren o se generennuevas fracturas. La permeabilidad de la matrizgeneralmente se reduce conforme los volmenesporosos colapsan o los granos se rompen.

El material debilitado puede fluir hacia elinterior de un pozo, como se observ notable-mente en las primeras etapas de la historia de loscampos de creta de Noruega, en los que la cretafluy como crema dentfrica.19 La mejor compren-sin de la falla de la creta condujo al desarrollode mtodos de produccin mejorados que mitiga-ron este comportamiento. En las formaciones dearenisca, la produccin de arena puede ser unarespuesta comn de un material mecnicamentedbil durante la produccin. Adems puedenproducirse fenmenos de fracturamiento y ovali-zacin por ruptura de la pared del pozo.

El colapso de las tuberas de revestimientoha sido un problema progresivo en los camposcon alto grado de compactacin. Una formacinen proceso de compactacin extrae consigo latubera de revestimiento cementada, compri-miendo la dimensin axial de dicha tubera. Sinembargo, por encima de la formacin, el mate-rial sobreyacente habitualmente se alarga y latubera de revestimiento se estira. En cualquierade ambas situaciones, el esfuerzo producidosobre la tubera de revestimiento puede excedersu resistencia mecnica y provocar su colapso enla zona de compactacin o una falla en la ten-sin, en la zona de los estratos de sobrecarga.Adems, pueden producirse fallas por esfuerzode corte y aplastamiento de la tubera de reves-timiento. Las fallas de los estratos de sobrecargatambin pueden reactivarse debido al movimien -to diferencial y los planos de estratificacinpueden exhibir deslizamiento diferencial.

Ambos tipos de eventos pueden a su vez cizallarun pozo que se encuentra en un rea de movi-miento diferencial.

En la superficie, las operaciones de remedia-cin tambin pueden ser costosas. Desde 1987,se han invertido unos US$ 3,000 millones paracontrarrestar los efectos de la subsidencia en elCampo Ekofisk, primero elevando 6 m [19.7 pies]las plataformas y luego reemplazando el com-plejo de plataformas.

La cubeta formada por la subsidencia afectalas lneas de conduccin, los caminos y otrasestructuras. El movimiento lateral producidodentro de la cubeta puede provocar daos. Partedel dao puede ser mitigado por el diseo cons-tructivo, tal es el caso de los bucles de alivio detensiones de las lneas de conduccin. No obs-tante, una falla que se extiende hasta lasuperficie puede generar desplazamientos esca-lonados, ocasionando daos a las estructurasque cruzan la falla.

Los efectos de la subsidencia en la superficiepueden ser extensivos, particularmente en laszonas bajas cercanas a cuerpos de agua grandes.Por ejemplo, al aumentar el fenmeno de depre-sin en los campos del Lago de Maracaibo, seconstruyeron sistemas de diques que se amplia-ron repetidas veces.20 Los Pases Bajos cuentancon un sistema extensivo de diques y canales; enel Campo Groningen, el cual experimenta un pro-ceso de subsidencia, el nivel del terreno semonitorea y el sistema de diques se mejora segnlas necesidades. En Wilmington, California, seadopt un enfoque diferente, ya que se dispuso laejecucin de un proyecto de inyeccin de agua enel campo que subyace la ciudad que logr dete-ner con xito el fenmeno de subsidencia.

En el subsuelo, las prcticas de perforacin yterminacin de pozos deben considerar los efec-tos de la compactacin. La experiencia de campopuede indicar zonas, tales como las fallas, quedeberan evitarse en las trayectorias de los pozos.Esto puede ser tan simple como modificar leve-mente la trayectoria del pozo o tan complejo ycaro como agregar plataformas para acceder a loslugares remotos de un campo. Los tubulares deparedes gruesas pueden tolerar deformacionesadicionales pero a menudo requieren un anlisisde la relacin costo/beneficio para comparar suuso en funcin de la aceptacin de una vida pro-ductiva ms corta para el pozo.

En los desarrollos nuevos, muchas de estasdecisiones deben tomarse antes de disear lasinstalaciones. Para desarrollar modelos que asis-ten en estas decisiones, se utiliza informacinproveniente de las operaciones de perforacinexploratoria y de los pozos vecinos.

Estimulacin de un yacimiento en proceso de compactacinEl anlisis del comportamiento de un yacimientomecnicamente dinmico requiere tcnicas demodelado ms sofisticadas que el volumenporoso dependiente de la presin, que se incluyeen la mayora de los simuladores de flujo. Lasunidades de volumen pueden compactarse oestirarse y adems cambiar de forma.

Histricamente, las operaciones de simula-cin de flujo de yacimientos y simulacingeomecnica se han llevado a cabo por sepa-rado.21 No obstante, los parmetros fsicos,particularmente las presiones de poros, estnafectados tanto por la dinmica de flujo comopor la deformacin mecnica. Como primeraaproximacin, se corre un modelo y sus resulta-dos se utilizan luego como datos de entrada paraotro modelo. El primer modelo habitualmentecorresponde a una simulacin de flujo porque seejecuta ms rpido. Sin realimentacin para elprimer modelo, este enfoque se considera desa-coplado, y la salida resultante del mismoparmetro, por ejemplo, la presin de poros delos dos modelos puede ser divergente.

El nivel de modelado siguiente utiliza habi-tualmente un simulador de flujo para resolverprimero un intervalo de tiemponuevamenteporque corre ms rpidoe ingresa esos resul-tados en un simulador geomecnico. Si losvalores comparables de los dos modelos no con-cuerdan dentro de una tolerancia dada, al finaldel intervalo de tiempo, los parmetros se ajus-tan y las ecuaciones se resuelven para el mismointervalo de tiempo hasta que los parmetroscoinciden. Este mtodo se denomina dbilmenteacoplado. Requiere ms tiempo de computadorapero tambin genera resultados que concuerdanmejor entre los dos simuladores.

Tanto el modelado de flujo como el modeladomecnico son matemticamente complejos y lacombinacin de ambos en un simulador fue dif-cil de lograr. Hoy en da, algunos simuladorespueden llevar a la prctica soluciones de flujo ysoluciones geomecnicas simultneas, inclu-yendo el software de simulacin de yacimientosECLIPSE Geomechanics de Schlumberger, elsimulador multifsico de yacimientos depen-diente del esfuerzo VISAGE de V.I.P.S. y otrassoluciones desarrolladas internamente por com-paas petroleras, tales como ConocoPhillips, opor universidades. Este tipo de simulacin seconoce a menudo como completamente aco-plada. Estos modelos an no se corren comonorma, porque son ms lentos que los modelosdesacoplados y dbilmente acoplados.

56 Oilfield Review

19. Simon DE, Coulter GR, King G y Holman G: North SeaChalk CompletionsA Laboratory Study, Journal ofPetroleum Technology 34, no. 11 (Noviembre de 1982):25312536.

20. Poland y Davis, referencia 5: 214216.21. Aqu, para diferenciar la simulacin de yacimientos

convencional, que incluye procesos de dinmica de flujocomplejos y geomecnicos simples, de la simulacingeomecnica, que posee un nfasis opuesto, a la simu -lacin convencional se alude como simulacin de flujo.

22. Colazas XC y Strehle RW: Subsidence in the WilmingtonOil Field, Long Beach, California, USA, in ChilingarianGV, Donaldson EC y Yen TF (eds): Subsidence Due toFluid Withdrawal, Developments in Petroleum Science41. msterdam: Elsevier Science (1995): 285335.


Operaciones de inyeccin de agua para represurizar un campo de cretaEl mtodo de inyeccin de agua ha sido utilizadodurante muchos aos como mtodo de recupera-cin secundaria en el negocio de E&P, ya seapara desplazar los hidrocarburos o para mante-ner la presin necesaria para que el petrleo oel gas se conserven en una sola fase. Tambin hasido empleado para mitigar la subsidencia, comoen el caso del Campo Wilmington, que est si -tuado debajo del rea portuaria de Long Beach,en California. La subsidencia severa de estalocalizacin econmicamente importante,condujo a la implementacin de un programamasivo de inyeccin de agua en el campo, que setradujo en aproximadamente un pie de rebote.22

El mtodo de inyeccin de agua tambinresult exitoso en el Campo Ekofisk, una enormeestructura de creta dispuesta en forma de cortinasobre un domo salino, con aproximadamente1,000 millones de m3 [6,700 millones de bbl] depetrleo original en sitio. En 1969, PhillipsPetroleum, ahora ConocoPhillips, realiz el pri-mer descubrimiento en el sector noruego del Mardel Norte para los socios de Ekofisk. El campo anproduce ms de 47,700 m3/d [300,000 bbl/d] de pe -trleo y ms de 7 millones de m3/d [250 MMpc/d]de gas.

La cresta se encuentra a aproximadamente2,900 m [9,500 pies] por debajo del nivel delmar, en un tirante de agua (profundidad dellecho marino) de 78 m [256 pies]. La produccindel campo proviene de la Formacin Ekofisk,

que contiene dos tercios de las reservas, y de laFormacin Tor subyacente. Una creta impermea-ble delgada, conocida como la Zona Compacta,separa las dos formaciones.

La porosidad en ambas formaciones oscilaentre el 25% y ms del 40% en las reas produc-toras, y la zona productiva puede tener unespesor de hasta 150 m [490 pies] en la crestadel campo, en el que se ha encontrado creta conuna porosidad de hasta el 50%. La preservacinde un valor de porosidad tan alto en la profundi-dad del yacimiento se atribuye a un fenmenode sobrepresin significativo y a la acumulacintemprana de hidrocarburos.

Para el ao 1984, las plataformas del CampoEkofisk haban experimentado una subsidenciade varios metros y muchos pozos haban fallado.El operador comenz a monitorear la subsi -dencia de las plataformas y obtuvo nuevoslevantamientos batimtricos de la lnea del lodo.Los cientficos de la compaa realizaron estu-dios geomecnicos detallados de muestras dencleos y crearon modelos de campo. Descubrie-ron que la compactacin de la creta es extremaen este campo: una reduccin de la presin de laformacin por la que se pase del valor de descu-brimiento de 7,200 lpc [49.6 MPa] a unacondicin de abandono potencial, con una pre-sin de 3,200 lpc [22 MPa], se traducira, porejemplo, en una reduccin de la porosidad del38% al 33% aproximadamente (arriba).

El comportamiento de la creta depende delestado de los esfuerzos locales. Con esfuerzos de

confinamiento y corte bajos, la creta es elstica yuna reduccin pequea de la presin de forma-cin induce solamente un grado de deformacinelstica leve. Sin embargo, una reduccin signifi-cativa de la presin de formacin causa deforma-cin inelstica y un grado de tensin sustancial.El comienzo del comportamiento inelstico tienelugar en el endcap, una superficie en el espaciode esfuerzos que se conecta a la lnea de falla porcizalladura a altos esfuerzos de corte. No obstan-te, la compactacin inelstica altera la creta,desplazando la ubicacin del endcap a la condi-cin de esfuerzos efectivos ms altos.

Como resultado de la compactacin, la tasade subsidencia a mediados y fines de la dcadade 1980 fue de aproximadamente 30 cm/ao[1 pie/ao]. La prdida de despeje resultante ylos impactos potenciales sobre la seguridad delas plataformas pas a ser una preocupacinimportante. El incremento de 6 m en la alturade las plataformas se realiz en 1987 paraaumentar el despeje entre las cubiertas inferio-res y la altura de marea mxima esperada.

En 1980, el mtodo de inyeccin de agua nose consider inicialmente una opcin viable enel Campo Ekofisk porque las pruebas indicaronque la creta estaba humedecida con petrleo yagua, en el mejor de los casos, y humedecida conpetrleo, en el peor, lo que reduca la imbibicinen agua que contribuye a la eficiencia de la in -yeccin. No obstante, los socios de Ekofiskconsideraron que los incrementos de produccinpotenciales garantizaban la ejecucin de un

> Modelo de creta Ekofisk. El modelo de creta se ilustra en una grfica de esfuerzo de corte generalizado versus esfuerzo efectivo promedio (izquierda). Elmaterial no puede traspasar la lnea de falla por esfuerzo de corte, porque fallar por esfuerzo de corte. El endcap representa el lmite entre el compor ta -miento elstico (interior) y el comportamiento plstico (exterior). Si la condicin de esfuerzos tiene lugar en el endcap (en el Inicio), su incre men to desplazael endcap hacia afuera. La reduccin del esfuerzo (hasta el Fin) desplaza la condicin nuevamente a la zona elstica expandida. El comporta miento en elendcap puede verse en las curvas del tipo de creta correspondientes al campo, que muestran la reduccin de la porosidad con el incremen to del es fuerzoefectivo de sobrecarga (derecha). La creta se comporta inicialmente en forma casi-elstica, con una pequea reduccin de la porosidad. Cuando elmaterial cruza el endcap, la porosidad declina ms rpidamente. La localizacin inicial del endcap depende de la porosidad (lnea de guiones), teniendolas cretas de menor porosidad una regin elstica inicial ms grande.

Esfuerzo efectivo promedio, lpc

Esfu

erzo

de

corte

gen

eral

izado

, lpc

InicioFin

3,000

2,000

Falla poresfuerzode corte

Endcap

Compactacin

Elstico1,000

00 1,000 2,000 3,000

28

31

34

37

40

43

Esfuerzo efectivo de los estratos de sobrecarga, lpc

Poro

sida

d, %

0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000

proyecto piloto de inyeccin de agua pequeo,que se puso en marcha en 1981.23 Los resultadosdel proyecto piloto de inyeccin de agua indica-ron un buen desplazamiento de petrleo con unalimitada irrupcin prematura de agua.

En 1987, ConocoPhillips comenz a ampliarun proyecto de inyeccin de agua de campo com-pleto. El proyecto fue diseado como mecanismode mejoramiento de la produccin, alcanzndose

el perodo de re-llenado del volumen poroso en1994. A pesar de ese hecho, la tasa de subsidenciapermaneci casi constante mientras continuabael perodo de re-llenado, alcanzndose una tasamxima de 42 cm/ao [16.5 pulgadas/ao] en1998 (extremo superior).

Se instal un nuevo complejo de plataformas,tanto para tolerar la subsidencia permanentecomo para proveer ms instalaciones para

ampliar las actividades del campo.24 Durante latransicin del complejo de plataformas viejo alcomplejo Ekofisk II nuevo, a fines de 1998, elproceso de inyeccin de agua continu, mientrasque la produccin se interrumpi por variassemanas. Durante este perodo, y en forma con-tinua desde entonces, la tasa de subsidencia seredujo asombrosamente hasta alcanzar el valoractual de 15 cm/ao [5.9 pulgadas/ao] (iz -quierda, abajo). Si bien el operador habaconsiderado posible una reduccin de la subsi-dencia de ese grado, su magnitud fue inesperadateniendo en cuenta la historia de subsidenciadel campo.

El completo re-llenado del volumen porosoalcanzado a mediados de la dcada de 1990debera haber retardado la compactacin mec-nica, porque el esfuerzo efectivo no seguaincrementndose. Con el re-llenado y la pos te riorrepresurizacin, los cientficos de la compaaesperaban que las formaciones dejaran de com-pactarse en ese perodo, y que experimentaranquizs un rebote leve, pero eso no ocurri. Sibien el deslizamiento en los estratos de sobre-carga puede producir una reaccin retardadaentre la compactacin y la subsidencia, elretardo no implicara aos, como se observ conla reduccin de la tasa de subsidencia que final-mente comenz en 1998.

El comienzo de la reduccin de la tasa desubsidencia dependa de la interaccin entre lacreta y el agua. Se observ compactacin rpidaen un pozo de monitoreo de la compactacin delCampo Ekofisk, cuando el frente de agua sedesplaz a travs del rea (prxima pgina,arriba). En las pruebas de laboratorio, la cretase compacta ms cuando se satura con agua quecuando se satura con petrleo.25 Se produce unefecto an ms significativo cuando una muestrade creta sometida a esfuerzo, virtualmente sinsaturacin inicial de agua, se inunda con aguade mar. La muestra se compacta de inmediatoante el contacto con el frente de inyeccin y unfrente de compactacin sigue al frente de inyec-cin a travs del ncleo.26

El agua modifica las propiedades constituti-vas de la creta y la debilita mecnicamente. Lainteraccin entre la creta y el agua se modelacomo un movimiento del endcap que separa elcomportamiento elstico, que no produce com-pactacin, del comportamiento plstico que s lohace. El efecto del incremento de la saturacinde agua consiste en desplazar el endcap haciaun estado de esfuerzos ms bajos, lo que reduceel tamao de la regin elstica con un cambiomnimo en la condicin de esfuerzos. Se trata deuna condicin inestable, de manera que la cretase compacta conforme el endcap se desplaza

58 Oilfield Review

> Historia de produccin del Campo Ekofisk. El gasto (tasa de flujo, velocidad de flujo, caudal, rata) depetrleo (verde) declin hasta la puesta en marcha del proyecto de inyeccin de agua en gran escala(azul), a fines de la dcada de 1980. La presin promedio del yacimiento (curva de guiones) tambin seredujo hasta que la tasa de inyeccin de agua se increment en 1995. No obstante, la tasa de subsi den -cia (rojo), en la plataforma utilizada como hotel o alojamiento, no se redujo hasta que se interrumpila produccin durante la transicin a la implantacin del complejo Ekofisk II, en 1998.

Prod

ucci

n e

inye

cci

n, m

iles

de b

bl/d

500

400

700

600

900

800

100

01971 1975 1979 1983 1987 1991 1995 1999 2003 2007

300

200

Tasa

de

subs

iden

cia,

cm

/ao

Pres

in,

cie

ntos

de

lpc

50

40

70

60

90

80

10

Presin promedio del yacimiento

Inyeccin de agua

PetrleoPetrleo

0

30

20

Ao

Tasa desubsidencia

> Subsidencia y presiones en la zona de la cresta del Campo Ekofisk. Las mediciones de presin enlos pozos de la zona de la cresta siguen una tendencia (azul) con un incremento rpido, a mediadosde 1998, que corresponde exactamente al retardo de la tasa de subsidencia (rojo).

Pres

in,

lpc

7,500

7,000

6,500

6,000

5,500

5,000

4,500

4,000

3,500

3,0001974 1978 1982 1986 1990

Ao

Tasa desubsidencia

Presin

1994 1998 2002 2006

Tasa

de

subs

iden

cia,

cm

/ao

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0


para dar cabida a la condicin de esfuerzosimperante. Cuando la condicin de esfuerzosyace en el endcap, se alcanza un estado de equi-librio (izquierda). Si bien el mecanismo fsicopara este comportamiento no se comprendecompletamente, parece estar relacionado con elintercambio inico en los contactos intergranu-lares, lo que conduce a una reduccin de lacohesin de la creta.27

23. Thomas LK, Dixon TN, Evans CE y Vienot ME: EkofiskWaterflood Pilot, Journal of Petroleum Technology 39,no. 2 (Febrero de 1987): 221232. Originalmente, artculode la SPE 13120, presentado en la Conferencia yExhibicin Tcnica Anual de la SPE, Houston, 16 al 19 deseptiembre de 1984.

24. Para obtener ms informacin sobre el mejoramiento delcomplejo de plataformas del Campo Ekofisk, consulte:Ekofisk Phase II Looks to the Future, Journal ofOffshore Technology 5, no. 4 (Noviembre de 1997): 2729.

25. Sylte JE, Thomas LK, Rhett DW, Bruning DD y Nagel NB:Water Induced Compaction in the Ekofisk Field,artculo de la SPE 56426, presentado en la Conferencia yExhibicin Tcnica Anual de la SPE, Houston, 3 al 6 deoctubre de 1999.Para acceder a un anlisis detallado de los primerostrabajos sobre compactacin inducida por el agua,consulte: Andersen MA: Petroleum Research in NorthSea Chalk, Joint Chalk Research Monograph, RF-Rogaland Research, Stavanger, 1995.

26. Andersen MA: Enhanced Compaction of Stressed NorthSea Chalk During Waterflooding, presentado en elTercer Simposio Europeo sobre Analistas de Ncleos,Pars, 14 al 16 de septiembre de 1992.

27. Korsnes RI, Strand S, Hoff , Pedersen T, Madland MV yAustad T: Does the Chemical Interaction BetweenSeawater and Chalk Affect the Mechanical Properties ofChalk?, presentado en Eurock 2006, Lige, Blgica, 9 al12 de mayo de 2006.

0 10 20 30 40

9,600

9,7009,800

9,90010,000

10,100

10,200

10,30010,400

10,50010,60010,700

10,800

10,900

9,600

9,7009,800

9,90010,000

10,100

10,200

10,30010,400

10,50010,60010,700

10,800

10,900

Prof

undi

dad,

pie

s

Prof

undi

dad,

pie

s

FormacinEkofisk

FormacinTor

ZonaCompacta

Pozo 2/4C11A

0 10 20 30 40Tasa de compactacin, cm/aoTasa de compactacin, cm/ao

octubre de 1986 aseptiembre de 1992

junio de 1994 ajunio de 1996

> Compactacin de la creta inducida por el agua. La produccin de la zona de creta incre men ta elesfuerzo efectivo promedio (a partir del crculo rojo en Inicio) y desplaza la envolvente elstica haciaafuera. La operacin de inyeccin de agua altera el estado del material; si se permitiera modificar lacondicin de esfuerzos, el endcap se contraera (sombreado gris). No obstante, la condicin de es -fuerzos impuesta (crculo azul) no se ha modificado, de manera que el material se deforma a travsde su compactacin rpida, manteniendo bsicamente el endcap en su po sicin original. En unacurva de tipo porosidad-esfuerzo (inserto), este comportamiento inducido por la inyeccin de aguaaparece como una prdida de volumen con un esfuerzo constante, lo que constituye una desviacincon respecto al comportamiento sin inyeccin de agua (curva de guiones). El cambio de volumenpodra producirse a lo largo de un perodo de tiempo prolonga do, particularmente en la creta de bajapermeabilidad.

Esfu

erzo

de

corte

gen

eral

izado

, lpc

Esfuerzo efectivo promedio, lpc

Endcap contrado,inducido por el agua

1,000

2,000

3,000

00 1,000 2,000 3,000

Inicio

Compactacin

Endcap basado en la condicin de esfuerzos

Inyeccin de agua

Poro

sida

d

Esfuerzo efectivo

Inyeccin de agua

< Monitoreo de la compactacin dedicado en el Pozo 2/4C11A. Este pozo de lacresta (mapa de campo) fue diseado como pozo de observacin, provisto demarcadores radioactivos, y no produjo hidrocarburos. La compactacin se midedesde el extremo superior de los marcadores y se convierte en una tasa anual(extremo superior izquierdo y derecho). Dado que estas cifras son acumulati-vas, una pendiente verticaltal como en la Zona Compacta cercana a 10,100piesin dica falta de compactacin. Entre 1986 y 1992, tanto la Formacin Eko-fisk como la Formacin Tor se compactaron significativamente (izquierda).Cuando el frente de inyeccin de agua pas el pozo, en el perodo comprendidoentre 1994 y 1996 (derecha), la mayor parte de la compactacin se produjo den-tro de los 30 m [100 pies] de la Zona Compacta, mientras que las FormacionesEkofisk y Tor se compactaron lentamente, o incluso se estiraron levemente,como lo indica la pendiente orientada hacia la izquierda, con una profundidadpor debajo de 10,500 pies.

Esta explicacin atae al Campo Ekofisk,durante el perodo de re-llenado del proyecto deinyeccin de agua. El balance existente entre lacompactacin inducida por el agua y un incre-mento lento del soporte de la presin favorecila compactacin, de manera que la tasa de sub-sidencia se mantuvo elevada. El perodo deinyeccin sin extraccin de fluido durante la ins-talacin del complejo Ekofisk II en 1998posibilit un incremento de la presiny unareduccin del esfuerzo efectivosuficientespara desplazar la condicin de la formacin unadistancia suficiente, dentro del endcap, parahacer que el balance se modificara y la tasa desubsidencia declinara. La persistente compacta-cin del yacimiento, luego de un incremento depresin de varios miles de lpc, se atribuye albalance imperante entre el debilitamiento de lacreta debido al contacto con el agua de mar y lareduccin del esfuerzo efectivo, asociado con larepresurizacin del yacimiento (arriba).

ConocoPhillips compara las mediciones de lacompactacin y subsidencia del campo con losresultados de los modelos geomecnicos y deflujo dbilmente acoplados, desarrollados en lacompaa. La tasa de subsidencia actual, msbaja, genera inquietud en cuanto a la prdida dedespeje y su impacto sobre la seguridad de lasplataformas se ha mitigado en cierta medida.Adems, el nfasis puesto en el modelado se hadesplazado a la optimizacin del manejo delcampo; por ejemplo, utilizando los modelos paraayudar a colocar pozos nuevos. Algunas de estasnuevas localizaciones de pozos se determinan

mediante estudios ssmicos adquiridos con latcnica de repeticin que rastrean el frente deinyeccin de agua.

La naturaleza dinmica de los procesos demanejo de campos implica la utilizacincuidadosa de los modelos de subsidencia deter-ministas. Por ejemplo, el agregado de nuevasbocas de pozos en el complejo Ekofisk II, posibi-lita el drenaje adicional del campo, lo queinvalida los modelos de subsidencia ms anti-guos que suponan menos pozos. En una escalams pequea, las fallas en los pozos conducen a

prdidas de produccin y un pozo de reemplazopuede posicionarse en otra parte del campo,situaciones que afectan en ambos casos las pre-dicciones de la subsidencia.

ConocoPhillips corre una serie de modelosbasados en diferentes escenarios para obteneruna visin probabilstica del desempeo de losyacimientos, destacando los escenarios con 10%,50% y 90% de probabilidad, denominados P10,P50 y P90, respectivamente (abajo). Una de lasvariables principales de las simulaciones son losescenarios de manejo de los yacimientos, talescomo el tiempo del agotamiento secundario ovaciado rpido; cuando la inyeccin de agua seinterrumpe y se deja que la presin vuelva adeclinar. Adems de la influencia de las fallas delos pozos y los cambios en el nmero de pozosproductores ya mencionados, los usos poten -ciales de la inyeccin de CO2 o aire tambinafectan potencialmente las predicciones de lasubsidencia. Tendiendo en cuenta esta con -sideracin, el modelo de subsidencia debeactualizarse regularmente para reflejar los cam-bios imperantes en las prcticas de manejo delos yacimientos.

Monitoreo de la compactacin con la tcnica de repeticinEl Campo Valhall es un campo de creta grande,situado a unos 21 km [13 millas] al sur delCampo Ekofisk, en el sector noruego del Mar delNorte. Este campo tambin ha experimentadoun grado significativo de compactacin de losyacimientos y subsidencia del lecho marino. Laformacin productiva superior, la Formacin Tor,posee una porosidad original que excede el 50%

60 Oilfield Review

> Subsidencia a partir del agotamiento y del efecto del agua. Hasta 1989, todala subsidencia producida en el complejo que serva como hotel se debi alagotamiento de la presin. Despus de que la inyeccin de agua re-llenarael espacio poroso en 1994, la subsidencia se debi enteramente a la compac -tacin inducida por el agua. Ambos efectos sucedieron en el perodo com -prendido entre estos eventos.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Ao

Subs

iden

cia,

m

Combinacin del efectodel agua y el agotamiento

Agotamiento solamente

Efecto del aguasolamente

1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007

Inicio del proyectoextensivo de

inyeccin de agua

Inicio del perodo de re-llenado delespacio poroso

> Modelos probabilsticos para el Campo Ekofisk. Los resultados de la sub si -dencia dependen del plan de manejo de campos implementado para el campo,de manera que se corrieron mltiples modelos de subsidencia. Se muestranlos resultados de los modelos con probabilidades del 10%, 50% y 90% (P10,P50 y P90, respectivamente), representando el rea sombreada los otros re -sultados. El principal parmetro que genera la diferencia en estos modeloses la fecha de comienzo del agotamiento secundario, o vaciado rpido(diamantes).

Subs

iden

cia, m

P90

P50

P10

Ao

Inicio delagotamientosecundario

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030


en ciertos lugares, y la Formacin Hod, mscompetente, exhibe una porosidad que alcanzahasta el 40%. La produccin, a cargo de la com-paa operadora Amoco, ahora BP, comenz en1982, y la subsidencia del fondo marino en elcomplejo de plataformas situado en la porcincentral del campo ahora excede 5.6 m [18.4pies]. La tasa de subsidencia actual es de apro-ximadamente 20 cm/ao [7.8 pulgadas/ao]. Laproduccin hasta la fecha ha superado los 87millones de m3 [550 millones de bbl], con unvolumen aproximadamente equivalente de reser-vas remanentes en sitio.28

Las fallas producidas en los pozos fueron unproblema serio, particularmente en la dcada de1980, y se asociaron con la compactacin y sub-

sidencia de la formacin en los estratos desobrecarga. El operador ha recurrido a diversosmtodos de evaluaciones utilizando la tcnica derepeticin para comprender el comportamientodel campo.

En 1982 se perfor el primer pozo de desarro-llo, denominado 2/8-A1, directamente debajo delcomplejo de plataformas. En 1993, el pozo experi-ment fallas y fue reemplazado por otro pozovertical, el pozo 2/8-A1A, a aproximadamente 60m [200 pies] de distancia. El operador obtuvo unperfil ssmico vertical (VSP) durante la perfora-cin de cada uno de los pozos. La separacin de60 m es lo suficientemente estrecha para podercomparar los resultados (arriba).29 La diferenciaen el tiempo de trnsito, entre los levantamientos

de 1982 y 1993, indica una reduccin de la veloci-dad, que se incrementa con la profundidad hastael Mioceno Medio. Este cambio producido en eltiempo de trnsito es consistente con el estira-miento de las formaciones de lutita.

Tanto el Pozo A1 como el Pozo A1A fueronprovistos de marcadores radioactivos para moni-torear la deformacin de la formacin; el PozoA1A posee marcadores en varios intervalos de lalutita de los estratos de sobrecarga. Los resulta-dos en los estratos de sobrecarga, obtenidos apartir de las mediciones del Instrumento deMonitoreo de la Compactacin CMI, son consis-tentes con la deformacin extensional que esmayor por encima de la creta productiva ydeclina hacia arriba.

28. Barkved OI y Kristiansen T: Seismic Time-Lapse Effectsand Stress Changes: Examples from a CompactingReservoir, The Leading Edge 24, no. 12 (Diciembre de2005): 12441248.

Para acceder a una visin general del Campo Valhall,consulte: Barkved O, Heavey P, Kjelstadli R, Kleppan T yKristiansen TG: Valhall FieldStill on Plateau After 20Years of Production, artculo de la SPE 83957,presentado en la Conferencia del rea Marina deEuropa 2003 de la SPE, Aberdeen, 2 al 5 de septiembrede 2003.

29. Kristiansen TG, Barkved OI, Buer K y Bakke R:Production Induced Deformations Outside the Reservoirand Their Impact on 4D Seismic, artculo de la IPTC10818, presentado en la Conferencia Internacional sobreTecnologa del Petrleo, Doha, Qatar, 21 al 23 denoviembre de 2005.

> Estiramiento de los estratos de sobrecarga en el Campo Valhall. Los tiempos de trnsito de ida derivados de un perfil ssmico vertical(VSP) del pozo 2/8-A1, obtenido en 1982, fueron sustrados de mediciones similares obtenidas en el Pozo 2/8-A1A, en 1993, a 60 m dedistancia (derecha). Se considera que el incremento del tiempo de trnsito es causado por un estiramiento en los estratos de sobre -carga. Los marcadores radioactivos del Pozo 2/8-A1A muestran que el estiramiento contina desde 1993 hasta el levantamiento CMIms reciente, realizado en el ao 2002 (inserto, a la derecha). Un modelo geomecnico dbilmente acoplado, correspondiente al pero -do comprendido entre 1992 y 2002, confirma este comportamiento (izquierda). En este modelo, las sombras de rojo representan lacomprensin y las sombras de azul, la extensin. La seccin comprendida entre el Eoceno Medio y el tope del yacimiento puede estarexhibiendo un arco de esfuerzos local, donde el cambio del tiempo de trnsito se detiene y luego se invierte, y el resultado del modelogeomecnico muestra la compactacin.

2/8A1

2/8A1A

Tiempo de trnsito de ida, ms0 5 10

1,300

1,800

2,300

800

15 20

Mioceno Inferior(1,387)

Desplazamiento de tiempo 1982 a 1993

Eoceno Medio(2,135)

Yacimiento Superior(2,406)

Compresin Estiramiento

Estiramientoacumulativo, m

0 0.500.25

Acumulativo,1993 a2002

Profundidad, m

Zona 8

Cont

ribuc

in

de p

etr

leo,

%

0

10

20

30

40

50

60

Zona 7 Zona 6 Zona 5 Zona 4 Zonas 1,2 y 3

Tasa baja, PLTTasa alta, PLTPrediccin LoFS

La zona de la cresta del campo es altamenteproductiva. Tanto los resultados del modelo geo-mecnico como los del perfil VSP indican la

misma anomala en esta zona. Justo por encimadel yacimiento, alrededor del Pozo A1A, seobserva cierto grado de compactacin de losestratos de sobrecarga y aceleracin del tiempode trnsito, donde sera dable esperar una exten-sin de los estratos de sobrecarga y un retardo deltiempo de trnsito. ste podra ser el resultadodel proceso de drenaje de los estratos de sobre-carga o de una litologa ms rgida que no seestira tan fcilmente, sino que resulta muy proba-blemente del efecto de un arco de esfuerzos local.

El Campo Valhall es un mosaico de pilares yfosa tectnica, con creta delgada por encima delos pilares y creta espesa por encima de la fosa.30

La magnitud de la compactacin en cualquierzona est relacionada con el espesor de la creta,entre otros factores, de manera que el grado decompactacin a lo largo del campo tambin esun mosaico. Existe una respuesta similarmentecompleja en los resultados del modelo de losestratos de sobrecarga, incluyendo los arcos deesfuerzos locales (arriba).

El movimiento diferencial en los estratos desobrecarga puede reactivar las fallas existentes,causando potencialmente fallas de pozos. Loseventos microssmicos medidos se correlacionan

con las posiciones de estas fallas.31 Un estudioextensivo de las fallas de pozos en los estratosde sobrecarga condujo a la compaa operadoraBP a abandonar un programa de perforacin depozos de alcance extendido, basado en las plata-formas del centro del campo, para instalarplataformas satelitales automatizadas en losflancos norte y sur del mismo.32 Los pozos deestas plataformas pudieron evitar las fallas prin-cipales en la porcin central del campo, queexhibe un grado de compactacin intenso.

BP desarroll modelos de fsica de rocascomplejos para el Campo Valhall, en la creta yen los estratos de sobrecarga. El modelo geome-cnico de los estratos de sobrecarga incluyecriterios de fallas especficos de las lutitas y valo-

62 Oilfield Review

30. Las fosas tectnicas (graben) son bloques de fallas quese encuentran desplazadas hacia abajo con respecto asus adyacencias, y los pilares tectnicos (horsts) sonlos bloques levantados adyacentes. Una estructura detipo pilar y fosa tectnica se forma habitualmentemediante el desarrollo de fallas normales en reas derifting o de extensin.

31. Kristiansen TG, Barkved O y Pattillo PD: Use of PassiveSeismic Monitoring in Well and Casing Design in theCompacting and Subsiding Valhall Field, North Sea,artculo de la SPE 65134, presentado en la ConferenciaEuropea del Petrleo SPE 2000, Pars, 24 al 25 deoctubre de 2000.

32. Kristiansen TG: Drilling Wellbore Stability in theCompacting and Subsiding Valhall Field, artculo de lasIADC/SPE 87221, presentado en la Conferencia dePerforacin de las IADC/SPE 2004, Dallas, 2 al 4 de marzode 2004.

33. Sayers CM: Sensitivity of Time-Lapse Seismic toReservoir Stress Path, Geophysical Prospecting 56, no. 3 (Mayo de 2006): 369380.Sayers CM: Stress-Dependent Seismic Anisotropy ofShales, Geophysics 64, no. 1 (Enero-Febrero de 1999):9398.Holt RM, Bakk A, Fjr E y Stenebrten JF: StressSensitivity of Wave Velocities in Shale, ResmenesExpandidos, Exposicin Internacional y 75a ReuninAnual de la Sociedad de Geofsicos de Exploracin,Houston, 6 al 11 de noviembre de 2005: 15931596.

34. Kristiansen TG y Pattillo PD: Examples From 20 Years ofCoupled Geomechanics and Fluid Flow Simulation atValhall, artculo P06 presentado en el 12do Seminario deUn Da de Bergen, de la SPE, Bergen, Noruega, 20 deabril de 2005.

> Pilares (horsts) y fosa tectnica (graben). El Campo Valhall contiene es -truc turas del tipo pilares y fosas tectnicas que afectan los resultados delmo delo geomecnico. Esta imagen compuesta posee una seccin verticalpor encima de la lnea roja y una vista casi horizontal que sigue la cretasuperior por debajo de la lnea roja. La salida del modelo se muestra comocambios de velocidad; el incremento se indica en rojo y amarillo y lareduccin en azul. Estos colores corresponden adems a la compactacin(amarillo y rojo) y extensin (azul). La estructura del tipo pilar y fosatectnica del campo se traduce en zonas alternadas de compactacin yextensin, en la seccin vertical, debidas a la compactacin diferencial dela formacin y a la for ma cin de arcos en los estratos de sobrecarga.

2/8A8_A_T2

2/8A30_B

> Comparacin entre los levantamientos ssmi cosadquiridos con la tcnica de repeticin y los re -gistros de produccin. El levantamiento ssmicoadquirido con la tcnica de repeticin, con unintervalo de 18 meses (extremo inferior), ubicavarios pozos horizontales en esta porcin delcampo con agotamiento indicado por la dife ren -cia de impedancia acstica, que se relacionacon la compactacin (y se incrementa pasandodel naranja al amarillo y al verde). El pozo hori -zontal, cerca del extremo superior de esta imagen,posea varias zonas disparadas (crculos relle -nos). La mayor parte de la produccin provienede la punta del pozo, segn lo determinado conuna herramienta de adquisicin de registros deproduccin (PLT), con regmenes de flujo bajos(azul) y altos (rojo) (grfica de barras). Unaestimacin basada en el cambio de impedanciaacstica proyecta adems un valor razonable dela tasa de flujo (verde).


res de parmetros que varan segn la distanciaa la formacin en proceso de compactacin. Losparmetros de anisotropa, que varan en funcinde la trayectoria del esfuerzo, cambian debido ala descarga localizada que tiene lugar en la lutitacuando se forma un arco de esfuerzos.33

La respuesta dinmica del Campo Valhall a laproduccin, y el gran volumen de petrleo re -manente en sitio, condujo a BP a instalar unarreglo permanente de receptores ssmicos en ellecho marino en el ao 2003. Este proyecto dessmica de la vida productiva del campo (LoFS)permite a BP repetir los levantamientos ssmi-

cos varias veces por ao. La compaa puedeseguir los cambios producidos en la compacta-cin, en el yacimiento y sus alrededores, cadavarios meses.

La respuesta del proyecto LoFS tambinpuede utilizarse para monitorear la produccinen torno a determinados pozos horizontales. Porejemplo, se agreg un pozo horizontal en unazona que posea varios pozos productores exis-tentes y abandonados. Al cabo de un perodo de12 meses, los resultados de la ssmica de repeti-cin mostraron una zona de compactacinexpandida alrededor del pozo. La produccin

estimada proveniente de las zonas productivasde ese pozo se ajust razonablemente bien a larespuesta de una herramienta de adquisicin deregistros de produccin (pgina anterior, abajo).

Estos estudios ssmicos adquiridos con latcnica de repeticin mostraron adems la posi-ble formacin de un arco de esfuerzos cerca deun pozo horizontal. La compresin y la extensinobservadas en estas secciones transversalesreflejaron los resultados similares obtenidos porBP a partir de un modelo geomecnico y de flujocompletamente acoplado del Campo Valhall(arriba).34

> Formacin de un arco de esfuerzos y efectos de la presin en el Campo Valhall. Los ingenieros de yacimientos tuvieron dificultades para ajustar la de cli -nacin de la presin utilizando las tcnicas de modelado convencionales. Un modelo desacoplado, que utiliza un modelo de flujo ECLIPSE con un modelomecnico VISAGE, exhibi una declinacin de la presin ms rpida que la experimentada en el campo (extremo superior izquierdo). El acoplamiento dbilde estos modelos se tradujo en una declinacin de la presin ms lenta. Se corrieron dos versiones, utilizando 5 o bien 25 iteraciones del modelo de flujoentre cada intervalo del modelo geomecnico. Con el modelo completamente acoplado VISAGE VIRAGE, la declinacin de la presin fue an ms lenta yms consistente con la experimentada por el campo, utilizando una formulacin geomecnica tanto elstica (E) como plstica (P). Este modelo comple ta -mente acoplado permiti a BP comprender el proceso (extremo inferior). La disminucin del nivel de produccin compacta la creta en la regin vecina alpozo (A), estirando los estratos de sobrecarga que se encuentran encima (B). Se forma un arco de esfuerzos, desplazando el soporte para el peso de losestratos de sobrecarga ms someros lateralmente (C), lo que resulta en una compresin de los estratos de sobrecarga y de la formacin lejos del pozo(D). El modelo acoplado muestra que la creta comprimida (E) no puede drenar rpidamente en direccin hacia el pozo debido a su baja permeabilidad (F).Como resultado, la sobrepresin del fluido intersticial soporta parte de la carga del arco de esfuerzos. Los modelos desacoplados no tratan estos eventoscomo simultneos y por ende pierden la interaccin de la formacin del arco de esfuerzos y la transferencia de la presin de poros. En este campo se haobservado el fenmeno de formacin de un arco de esfuerzos de este tipo. Las imgenes ssmicas del campo muestran las diferencias entre un levan ta -miento ssmico de la vida productiva del campo (LoFS) adquirido antes de iniciarse la produccin, y cuatro meses (extremo superior central) y seis meses(extremo superior derecho) despus de iniciada, en un pozo horizontal (crculo blanco), dentro de la formacin productiva (limitada por los reflectoresoscuros). La trayectoria del pozo ingresa en el plano de estas imgenes. La extensin, asociada con el incremento del tiempo de trnsito (naranja), parecedesarrollarse dentro de ciertas capas que yacen por encima del pozo. A ambos lados del pozo, una reduccin del tiempo de trnsito (azul y verde oscuro),por encima y por debajo de la formacin, puede indicar los soportes de la compresin lateral de un arco de esfuerzos. El comportamiento dentro de laformacin no puede verse en las imgenes ssmicas obtenidas con la tcnica de repeticin.

Estratos de sobrecargaCreta

A

C

D

EF

B

2,300

2,200

Profundidad, m octubre de 2003 a junio de 2004octubre de 2003 a marzo de 2004

2,400

2,500

2,600

2,700

2,800

3 ms

0 ms

3 ms

DesacopladoDbilmente acoplado cada 5 iteraciones Dbilmente acoplado cada 25 iteraciones Completamente acoplado (P)Completamente acoplado (E)

Aos de produccin

Pres

in,

lpc

00

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

8,000

4 8 12

251960 1970 1980

Ao

Subs

iden

cia,

cm

Com

pact

aci

n, m

illistra

in

1990 2000

20

15

10

5

0

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

Subsidencia total

1984

1986

1993

1997

20052000

Subsidencia inducida

Compactacin (millistrain)

1.0250

Presin del yacimiento, bares

Com

pact

aci

n, m

illistra

in

100150200

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

ZUIDWENDIG OOST

USQUERT

WARFFUM

LAUWERSOOG-OOST

LAUWERSOOG-WESTLAUWERSOOG-C

MODDERGAT

NES

AMELAND-WESTGAT

AMELAND-OOST

OUDEPEKELA

KIELWINDEWEER

GRONINGEN

RODEWOLT

BEDUMFEERWERD

LEENS

SAAKSUM WEST

MUNNEKEZIJL

KOLLUMERLAND

EZUMAZIJL

KOLLUMKOLLUM NOORD

ENGWIERUM

ANJUM

OOSTRUM

BLIJA-ZUID OOSTBLIJAFERWERDERADEEL

RODEN

NORG

PASOP

EEN

ZEVENHUIZEN

BOERAKKER

MOLENPOLDER

SEBALDEBUREN

GRIJPSKERK

MARUMERLAGE

DONKERBROEK

GROOTEGAST

SURHUISTERVEEN

MARUM

URETERP

TIETJERKSTERADEELSUAWOUDE

BLIJHAMANNERVEEN

ASSEN

ELEVELDAPPELSCHA

VIERHUIZEN-OOST

VIERHUIZEN-WEST

KOMMERZIJL

VRIES ZUID

VRIES CENTRAAL

VRIES NOORD

NORG ZUID

OPENDEOOST

SAAKSUM OOST

Winschoten

ASSEN

VEENDAM

HEERENVEEN

DRACHTEN

Leek

GRONINGEN

Sappemeer

Delfzijl

LEEUWARDEN

Dokkum

0

0 6 millas

10 km

Los modelos del Campo Valhall predijeronuna declinacin de la presin ms rpida que laobservada habitualmente en el campo. No obs-tante, la presin de formacin del modelocompletamente acoplado se aproxim ms a lacada de presin lenta observada en el campo.BP detect ms arqueamiento local en elmodelo completamente acoplado, lo que ayuda aexplicar la diferencia entre el modelo acoplado yel modelo desacoplado.

La declinacin ms lenta de la presin es elresultado del proceso de drenaje lento que tienelugar en esta formacin de creta con una permea -

bilidad de matriz baja. Por encima de la creta enproceso de compactacin, como la que seencuentra cerca de un pozo productor, los estra-tos de sobrecarga se estiran y se forma un arcode esfuerzos, redistribuyndose los mismos late-ralmente hasta la creta, a cierta distancia delpozo. Esta carga agregada deforma esa creta dis-tante e incrementa su presin de poros, pero lacreta compacta acta como un orificio deestrangulacin que se encuentra slo parcial-mente abierto, lo que impide el drenaje rpidohacia el pozo. Esta determinacin simultnea dela presin, el cambio de volumen y la permeabi-

lidad requieren que se produzca el acoplamientocompleto en la simulacin. Los ingenieros de BPobservaron que este mecanismo tiene lugar enlas escalas ms pequeashasta los conjuntosde porosy en las escalas ms grandes, entrelas estructuras de tipo pilar (horst) y fosa tect-nica (graben). La compaa est buscandoformas de incorporar este comportamiento enlos modelos ms simples.

Estos ejemplos sealan la importancia queBP asigna a los resultados LoFS. La compaaoperadora considera que se necesita la integra-cin multidisciplinaria de los resultados ssmicoscon otros datos del subsuelo para captar el valorde estos resultados ssmicos frecuentes, obteni-dos con la tcnica de repeticin.35

Monitoreo del nivel del terrenoEl campo de gas Groningen se encuentra ubi-cado debajo de la llanura costera de los PasesBajos. Desde su descubrimiento en 1959, ha sidooperado por Nederlandse Aardolie MaatschappijB.V. (NAM), una unin transitoria entre Shell yExxonMobil. La formacin de arenisca poseeuna porosidad que oscila entre el 10% y el 20% yes competente, lo que significa que no experi-menta el tipo de colapso de poros que se observaen los campos Ekofisk y Valhall. No obstante, laformacin posee un espesor que flucta entre100 y 200 m [328 y 656 pies] aproximadamente,de manera que si bien su deformacin elsticaes pequea, el desplazamiento total de loslmites del yacimiento no lo es. La formacin po -see una profundidad de unos 3 km [9,840 pies].

64 Oilfield Review

> Mediciones de compactacin y subsidencia y la red de estaciones de monitoreo en el Campo Groningen. Una red extensiva de estaciones de monitoreode superficie (extremo superior) cubre varios campos (sombreado verde), incluyendo el Campo Groningen, de grandes dimensiones, en la porcin nor destede esta rea. Un punto acotado cercano al centro del campo (crculo rojo) se encuentra adems cerca de un pozo utilizado para el monitoreo de la com -pactacin. La subsidencia medida total (extremo inferior izquierdo, azul) abarca todos los efectos, incluyendo la produccin de gas. Se requiere el anlisisde deformacin geodsica, que utiliza datos de todas las estaciones, para obtener la subsidencia inducida solamente por la produccin de gas (rojo). Lacompactacin en un pozo de observacin cercano (negro) sigue la misma tendencia (obsrvese que las unidades son diferentes). La nueva represen ta -cin grfica de los datos del Campo Groningen indica que la compactacin se incrementa linealmente con la declinacin de la presin (extremo inferiorderecho).

50 k

m

85 km

8 mm/ao de subsidencia

8 a 7 mm/ao

7 a 6 mm/ao

6 a 5 mm/ao

5 a 4 mm/ao

4 a 3 mm/ao

3 a 2 mm/ao

2 a 1 mm/ao

1 a 0 mm/ao

0 a 1 mm/ao

1 a 2 mm/ao

2 mm/ao de elevacin

10 km

6 millas


Esta profundidad, en combinacin con la exten-sin areal del yacimientoun dimetro deaproximadamente 30 km [18.6 millas]implicaque la subsidencia en la porcin central delcampo es aproximadamente equivalente a lareduccin del espesor de la formacin.

En las reas bajas de los Pases Bajos, elmanejo del agua constituye una de las preocupa-ciones principales. La proteccin frente a laintrusin del agua puede requerir procedi -mientos de encauzamiento y refuerzo de losterraplenes, adems de la construccin deestructuras de control de agua o la instalacin deestaciones de bombeo. NAM provee fondoscuando es necesario implementar medidas adi-cionales para enfrentar las consecuencias de lasubsidencia inducida por la produccin de gas. Elconocimiento de la magnitud de la subsidencia ysu alcance final es crucial para este esfuerzo.

NAM opera varios campos de esta rea, queen su totalidad estn cubiertos por un programade monitoreo de la subsidencia. Adems de lasubsidencia producida en estos campos, losacuferos adyacentes tambin se agotan y secompactan. La subsidencia ha sido monitoreadaa travs de una serie de levantamientos topo -grficos, que comenzaron en 1963 (pginaanterior). Un contratista realiza los levanta-mientos siguiendo las directivas del gobiernoholands. Los levantamientos de nivelacinmiden la subsidencia total y se requiere el anli-sis de deformacin geodsica, que utiliza datosde todas las estaciones, para determinar la sub-sidencia inducida por la produccin de gas.

En los pozos del campo, tambin se llevan acabo otras operaciones de monitoreo. Medianteel uso de balas radioactivas se indica la compac-tacin de la formacin en varios pozos y existenadems numerosas localizaciones para el moni-toreo de la compactacin de los sedimentos desuperficie. Las localizaciones de las balas radio-activas son monitoreadas cada cinco aosutilizando la Herramienta de Monitoreo de laSubsidencia de la Formacin (FSMT). Desdeque se inici el monitoreo en 1983, la compacta-cin de la formacin se increment linealmentecon la declinacin de la presin.

La compactacin somera se monitorea enpozos de aproximadamente 400 m [1,312 pies] deprofundidad, mediante la medicin exacta delcambio producido en la distancia entre la super -ficie y el fondo del pozo. Las mediciones seobtuvieron en el Campo Groningen, entre 1970 y2003, en 14 pozos someros. Estas observaciones setradujeron en tendencias confiables, pero esastendencias son especficas de la localizacin y nopueden ser extrapoladas arealmente. El programade monitoreo de la compactacin somera del

Campo Groningen ha sido suspendido, pero conti-na vigente en algunos campos remotos, en losque el monitoreo comenz recin en 1992.

Los resultados de las mediciones de la sub -sidencia superficial y la compactacin de laformacin se incorporan en un modelo geomec-nico que se acopla dbilmente a un modelo de flujode yacimientos. Segn los resultados, la subsiden-cia mxima del Campo Groningen en el ao 2003fue de aproximadamente 24.5 cm [9.65 pulgadas].

NAM pronostica adems la subsidencia hastael ao 2050 y, con un intervalo de 95% de confia-bilidad, predice el desarrollo de una cubeta desubsidencia con una profundidad mxima osci-lante entre 38 y 48 cm [15 y 19 pulgadas], y unvalor ms probable de 42 cm [16.5 pulgadas]. Laprediccin finalizada en diciembre de 2005 nodifiere demasiado de la prediccin del ao 2000,centrndose mayormente las discrepancias enlas zonas de los acuferos, donde no se disponede control de pozos.

Previo a la produccin de hidrocarburos enestos campos, esta porcin de los Pases Bajos noposea registros de actividad ssmica. Desde 1986,se han producido varios temblores leves, algunosde los cuales ocasionaron daos materiales meno-res. NAM comenz a monitorear la sismicidad,cancelando reclamos con los terratenientes. En elao 2004, los Pases Bajos establecieron unanueva ley minera que describa sucintamente unprocedimiento formal de reclamos.

Velando por el futuro, NAM ha investigado lautilizacin de la tcnica InSAR con puntos disper-

sores permanentes (PS) en el Campo Groningen.En estrecha colaboracin con la Universidad deTecnologa de Delft, NAM investig la tcnica PS-InSAR para el Campo Groningen, obteniendo untotal de 104 interferogramas de los satlites ERS1y ERS2, en el perodo comprendido entre 1993 y2003. Aproximadamente dos tercios de esas medi-ciones se obtuvieron durante el descenso delsatlite hacia el horizonte. La densidad de lospuntos PS a lo largo del campo es menor que enel rea urbana, pero existen suficientes puntosdispersores para proveer una cobertura espacialadecuada de la cubeta de subsidencia (abajo).36

Si bien los resultados PS-InSAR reflejan laforma y el grado de subsidencia aproximados apartir de las determinaciones del levantamientode nivelacin, se observaron discrepancias entrelas mediciones obtenidas durante el ascenso ylas obtenidas durante el descenso. NAM con ti -na evaluando esta tecnologa, pero se necesitauna comprensin ms analtica antes de basarseen este mtodo para el Campo Groningen. Otrascompaas estn estudiando su utilizacin en

35. Barkved OI, Kommedal JH, Kristiansen TG, Buer K,Kjelstadli RM, Haller N, Ackers M, Sund G y Bakke R:Integrating Continuous 4D Seismic Data intoSubsurface Workflows, artculo C001, presentado en la67a Conferencia y Exhibicin de la EAGE, Madrid,Espaa, 13 al 16 de ju

compactacion y subsidencia

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