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Timestamp: 2019-07-22 12:59:26+00:00

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FALLAS QUE ACTUAN COMO SELLO OILFIELD REVIEW schlumberger
Transféré par Julian De Bedout Ordoñez
ARTICULO SOBRE EL ANALISIS DE LAS FALLAS COMO SELLOS PARA LAS ACUMULACIONES DE PETROLEO PUBLICADO POR LA EMPRESA schlumberger
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Informe Final Muñoz-Pardo
TEMA 1-MIGRACIÓN FLUIDOS A POZOS - UDABOL.pdf
Cerros Arrastre
Puntos de Yacimiento
2.3 Prop_Roca - Solo lectura.pdf
Folleto Intro
Análisis y Solución a Pérdidas de Circulación Severas en Formaciones Con Fracturas Naturales e Inducidas
Los yacimientos de petróleo y gas de formaciones siliciclásticas falladas son difíci- les de explotar. Mediante la integración de datos sísmicos, información detallada de núcleos y datos de pozos y de producción, los geocientíﬁcos ahora pueden modelar el comportamiento de las fallas e incorporar los resultados en simuladores de ﬂujo de ﬂuido de yacimientos. Este proceso integrado mejora la predicción del comporta- miento de las fallas y reduce la incertidumbre y el riesgo asociados con la presencia de trampas complejas.
Kip Cerveny
BP Alaska Anchorage, Alaska, EUA
Rock Deformation Research (RDR) USA Inc.
Rock Deformation Research Ltd.
Universidad de Leeds Leeds, Inglaterra
Por su colaboración en la preparación de este artículo, se agradece a Karen Dawe, Asociación Geológica de Canadá, St. John's, Terranova, Canadá; Jayne Harnett, RDR, Leeds, Inglaterra; y David McCormick, Cambridge, Massachusetts, EUA.
FMI (herramienta de generación de Imágenes Microeléctri- cas de Cobertura Total), MDT (Probador Modular de la Dinámica de la Formación, OBMI (herramienta de genera- ción de Imágenes Microeléctricas en Lodos Base Aceite), Petrel y RFT (Probador de Formación a Repetición) son mar- cas de Schlumberger.
Una falla puede ser un transmisor o una barrera para el flujo de fluido y la comunicación de la presión. La categorización del comportamiento de las fallas dentro de estos extremos es impor- tante para la perforación, exploración y desarrollo de hidrocarburos. Los modernos métodos de análisis de fallas que actúan como sello utilizan datos sísmicos, información estruc- tural y microestructural del análisis de núcleos de alta resolución, y datos de pozos y de produc- ción para predecir el comportamiento de las fallas y reducir la incertidumbre y el riesgo aso- ciados con la explotación de yacimientos siliciclásticos fallados. Las fallas que actúan como sello pueden constituir un control primario sobre la trampa en muchos yacimientos de hidrocarburos pero tam- bién pueden transformar un yacimiento relativamente grande y continuo en comparti- mentos que luego se comportan como un grupo de yacimientos más pequeños. Cada comparti- mento puede tener sus propias características de
presión y ﬂuido, lo que obstaculiza el desarrollo eficaz y efectivo de los campos petroleros y la subsiguiente recuperación de hidrocarburos. Las fallas que no forman sellos pueden impe- dir que se acumulen el petróleo y el gas en tanto los hidrocarburos se forman y migran a través de las estructuras presentes en el subsuelo. Las fallas abiertas y permeables de un yacimiento establecido también pueden causar problemas de pérdida de circulación graves durante las ope-
raciones de perforación. La pérdida de lodo de perforación puede resultar cara y peligrosa e incluso conducir al abandono de los pozos. Inde- pendientemente de que sean perjudiciales o beneficiosas, las fallas y su comportamiento deben ser comprendidos por los geólogos y los ingenieros para poder explorar y extraer las reservas de hidrocarburos en forma exitosa. Los desarrollos registrados recientemente en materia de predicción de sellos por fallas se han concentrado en dos aspectos independientes, aunque interrelacionados, de la formación de fallas: la arquitectura de las fallas y las propie- dades de las rocas de falla. La arquitectura de las fallas se reﬁere a la forma, tamaño, orienta- ción e interconectividad de las mismas. Además comprende la distribución del desplazamiento general de las fallas que forman subfallas múlti- ples. La longitud de las fallas horizontales puede oscilar entre unos pocos milímetros, en el caso de las microfallas, hasta cientos de kilómetros. Por ejemplo, la falla de San Andrés en Califor- nia, EUA, tiene más de 1,290 km [800 millas] de longitud. Los estudios detallados de núcleos y del subsuelo han demostrado que las fallas más largas normalmente comprenden fallas más cor- tas interconectadas. Los agrupamientos de fallas forman una zona de daño por fallas o un halo interconectado de fallas en un rango de escalas que puede tener un impacto acumulativo sig- nificativo sobre el comportamiento de los yacimientos. El desplazamiento de los segmen-
tos de fallas primarias y secundarias dentro del yacimiento se yuxtapone al yacimiento a lo largo de la falla contra litologías disímiles, lo que puede impactar el ﬂujo de ﬂuido. Las propiedades de las rocas que se encuen- tran dentro de las zonas de falla afectan la
capacidad de sello de una falla. Estas propieda- des a su vez se ven afectadas por las facies locales, los tipos y saturaciones de los ﬂuidos de yacimiento, las diferencias de presión registra- das a lo largo de las fallas, las arquitecturas de las zonas de falla, las historias de sepultamiento
y fallamiento, y la yuxtaposición de las litologías a través de las fallas. 1 Además, los cambios de presión y fase de los ﬂuidos producidos durante el desarrollo del yacimiento agravan la compleji- dad del análisis del comportamiento de los sellos por fallas. 2
1. Las designaciones de las facies representan las caracte- rísticas generales de una unidad de roca y reﬂejan su origen y diferencian la unidad de otras unidades adya- centes. Las facies se distinguen entre sí por la mineralogía y la fuente sedimentaria, el contenido en fósiles, las estructuras sedimentarias y la textura.
2. Davies RK y Handschy JW: “Introduction to AAPG Bulletin Thematic Issue on Fault Seals,” Boletín de la Asociación Americana de Geólogos de Petróleo 87, no. 3 (Marzo de 2003): 377–380.
Yielding G, Øverland JA y Byberg G: “Characterization of Fault Zones for Reservoir Modeling: An Example from the Gullfaks Field, Northern North Sea,” Boletín de la
Asociación Americana de Geólogos de Petróleo 83, no. 6 (Junio de 1999): 925–951.
Jev BI, Kaars-Sijpesteijn CH, Peters MPAM, Watts NL y Wilkie JT: “Akaso Field, Nigeria: Use of Integrated 3-D Seismic, Fault Slicing, Clay Smearing and RFT Pressure Data on Fault Trapping and Dynamic Leakage,” Boletín de la Asociación Americana de Geólogos de Petróleo 77, no. 8 (Agosto de 1993): 1389–1404.
Régimen de esfuerzo relacionado
con fallas normales
con fallas inversas
con fallas de desplazamiento
> Relación de los tipos de fallas con la orientación de los esfuerzos. La teoría Andersoniana explica los tres tipos de fallas principales relacionados con la orientación del esfuerzo principal. Éstos son el tipo de fallas normales, en las que σ 1 , el esfuerzo local más grande es vertical (extremo superior); el tipo de fallas inversas, en las que σ 1 es horizontal y σ 3 , el esfuerzo local más pequeño, es vertical (centro); y el tipo de fallas de desplazamiento en las que tanto σ 1 como σ 3 son horizontales (extremo inferior).
Los métodos modernos de análisis de sellos por fallas mejoran la predicción del comporta- miento de las fallas en el subsuelo y reducen la incertidumbre asociada con la explotación de yacimientos siliciclásticos fallados. Este artículo sintetiza los métodos de predicción de sellos por fallas y las incertidumbres asociadas. Una breve introducción a la teoría de fallas básica ayuda a deﬁnir las causas, tipos y características funda- mentales de las fallas antes de presentar una caracterización más detallada del comporta- miento y predicción de los sellos por fallas. Además se examinan las tecnologías de campos petroleros utilizadas para medir y predecir las características de las fallas. Algunos ejemplos de campo de Hibernia, Terranova, Canadá, y la Bahía de Prudhoe, Alaska, EUA, demuestran cómo una mejor comprensión de la formación de sellos por fallas mejora la simulación y el desarrollo de los yacimientos clásticos, reduciendo en consecuen- cia la incertidumbre y el riesgo asociados.
Mecánica, arquitectura y propiedades básicas de las fallas Cuando las rocas o las capas de rocas son someti- das a esfuerzos tectónicos, se curvan o se rompen o experimentan ambos fenómenos al mismo tiempo. En su forma más simple, una falla es una discontinuidad laminar, o una superﬁcie de rup- tura, generada en la roca a través de la cual se produce un desplazamiento o deslizamiento observable. La contracción y la extensión inducen la ruptura por cizalladura en las rocas. La direc- ción de los esfuerzos principales determina la orientación del plano de ruptura o de la falla. La resistencia de la roca controla la magnitud del esfuerzo de corte necesario para romper la roca. Aunque excesivamente simpliﬁcada, la teoría Andersoniana de formación de fallas, desarro- llada por el geólogo E.M. Anderson en el año 1951, sigue siendo ampliamente utilizada como base para describir los fundamentos de la orien- tación de las fallas según la discontinuidad. 3
Anderson describió tres tipos de fallas básicos— normal, inversa y de desplazamiento—relativos a las orientaciones de los esfuerzos regionales máximos. Esta teoría asume que uno de los esfuerzos principales—σ 1 , σ 2 o σ 3 en orden de magnitud decreciente—o la carga litostática, es
siempre vertical, y que los otros esfuerzos son
ortogonales y horizontales. Según esta teoría las fallas se forman como dos planos conjugados con las tres relaciones siguientes entre la orienta- ción de las fallas y los esfuerzos principales:
• las fallas se forman con un ángulo de ± 30° respecto de la dirección σ 1 • las fallas se forman con un ángulo de ± 60° respecto de la dirección σ 3 • la línea formada por la intersección de los pla-
nos de fallas conjugados será paralela a σ 2 .
Estas relaciones son signiﬁcativas porque si los geólogos conocen las direcciones de los esfuerzos principales, pueden predecir las orien- taciones de las fallas. Si además se conocen las magnitudes relativas de los esfuerzos principa- les, los geólogos pueden predecir los tipos de fallas (izquierda). No obstante, a escala del mapa sísmico, las fallas raramente son laminares debido a las per- turbaciones del campo de esfuerzos causadas por las heterogeneidades y la anisotropía de las rocas. Más comúnmente, las fallas están com- puestas de segmentos independientes con extremos característicos deﬁnidos por líneas de desplazamiento cero. Los enlaces pueden produ- cirse como enlaces completos donde los extremos de las fallas se conectan o como enla- ces incompletos donde la geometría de los extremos de las fallas es afectada por una falla adyacente que carece de una conexión física. 4 El desplazamiento de la estratigrafía a través de una falla varía en forma sistemática, pasando de un desplazamiento cero en los extremos de la falla a un desplazamiento máximo cerca del cen- tro de la falla. Las anomalías presentes en la distribución sistemática del rechazo vertical reﬂejan las complejidades en la litología y en los segmentos de fallas adyacentes. 5 Las complejida- des de las fallas impiden una interpretación simple de su orientación, geometría y arquitec- tura. Un paso fundamental en la evaluación del comportamiento de las fallas y de las propieda- des de sello es el mapeo de las fallas y la construcción de mapas del rechazo sobre el plano de falla y la yuxtaposición a escala sísmica (próxima página). 6 No obstante, los límites de la resolución sísmica introducen incertidumbre en lo que respecta al rechazo vertical mapeado a través de la falla y no permiten el mapeo de las
Contenido de arcilla, %
> Interpretación de fallas a partir de datos sísmicos y modelado mediante la utilización de herramientas de computación. La arqui- tectura de fallas complejas en los escenarios de exploración y desarrollo puede hacerse más comprensible con la utilización de programas poderosos de mapeo y generación de imágenes tales como la aplicación de las herramientas de secuencias de ta- reas Petrel. En este ejemplo, los intervalos estratigráﬁcos codiﬁcados en color, en la pared colgante (techo) y la pared de base (yacente), se yuxtaponen contra las superﬁcies de falla modeladas, en tres dimensiones.
fallas cuyo rechazo vertical es menor que la reso- lución sísmica. El rechazo mapeado total a través de una falla a escala sísmica también puede incluir los rechazos sumados de numero- sas fallas que son demasiado pequeñas para ser detectadas por separado a escala sísmica. El volumen de los segmentos de falla estrecha- mente espaciados se conoce como zona de daño por fallas.
3. Anderson EM: The Dynamics of Faulting and Dyke Formation with Applications to Britain. Edinburgo, Escocia: Oliver y Boyd (1951): 206. Para mayor información sobre la orientación del plano de falla, consulte: http://www.naturalfractures.com/1.1.3.htm (examinado el 15 de enero de 2005).
4. Walsh JJ y Watterson J: “Geometric and Kinematic Coherence and Scale Effects in Normal Fault Systems,” en Roberts AM, Yielding G y Freeman B (eds): The Geometry of Normal Faults, Sociedad Geológica de Londres, Publicación Especial 56. Bath, Inglaterra: The Geological Society Publishing House (1991): 193–203.
5. El rechazo vertical de una falla es la diferencia de eleva- ción generalizada de la misma capa en los lados opuestos de la falla o la componente vertical de desplazamiento. El desplazamiento de una falla es la distancia total a lo largo de la cual una capa se encuentra separada a ambos lados de la falla y se deﬁne como: desplazamiento = rechazo vertical/seno (echado del plano de falla).
6. Knipe RJ: “Juxtaposition and Seal Diagrams to Help Analyze Fault Seals in Hydrocarbon Reservoirs,” Boletín de la Asociación Americana de Geólogos de Petróleo 81, no. 2 (Febrero de 1997): 187–195.
7. Davies y Handschy, referencia 2.
El rechazo vertical mapeado a través de una falla a escala sísmica desplaza las capas de rocas sobre una falla unitaria o sobre un agrupamiento de fallas múltiples, cada una de las cuales se encuentra por debajo del nivel de resolución sís- mica. La separación incide en la capacidad de sello de la falla y en las propiedades de las rocas de falla dentro de la zona de falla. Se puede for- mar una falla que actúa como sello, por ejemplo,
si una falla que intersecta diferentes litologías
produce el emplazamiento de rocas permeables de calidad de yacimiento contra rocas menos permeables tales como las lutitas. Esto se conoce como sello por yuxtaposición. También
se puede formar un sello por falla si el yaci- miento permanece yuxtapuesto contra sí mismo—donde el rechazo vertical es menor que el espesor del yacimiento—o contra otro yaci-
miento. Esto se produce porque la roca existente dentro de la zona de falla puede desarrollar una permeabilidad más baja. Las diferentes rocas de falla se desarrollan bajo diferentes condiciones de deformación y
sus propiedades de sello están relacionadas con las condiciones de deformación y los factores litológicos, tales como el contenido de arcilla. 7
Las fallas que cortan areniscas porosas con bajo
contenido de arcilla—menos del 15%—pueden generar sellos de baja permeabilidad a partir de la reducción de la permeabilidad asociada con la trituración mecánica de los granos de cuarzo. Éstos se conocen con el nombre de bandas cata- clásticas o bandas de deformación. También pueden desarrollarse bandas de desagregación en areniscas limpias pero sin la reducción aso- ciada con la porosidad y la trituración de granos. Las fallas generadas en areniscas impuras forman rocas de falla con estructura de ﬁlosili- catos (PFFR, por sus siglas en inglés) con mayores contenidos de arcillas—entre 15 y 40%—que reducen la porosidad y la permeabili- dad mediante la compactación y la mezcla de las partículas de arcilla y los granos de cuarzo. Apa- recen pátinas arcillosas a lo largo de las fallas que cortan rocas con un contenido de arcillas superior al 40%. Las capas de arcilla o las lutitas son arrastradas y deformadas a lo largo del plano de falla formando una barrera de baja per- meabilidad para el flujo de fluido. También puede producirse cementación a lo largo de un plano de falla, formando barreras casi imperme- ables para el flujo. No obstante, estas zonas cementadas raramente son continuas a menos que se asocien con un cambio regional, tal como
ie d e
a r pát
Arcilitas,
impuras,
fal ie la r de
de roc as
a s c on
f il est
os de i Ser ructu licato
Pobremente litificado
Parcialmente litificado
Bien litificado
(ba ricas
d Serie ación)
Zona de de arcilla)
(pobre
(hidroplástica,
Zona intermedio)
de arcilla)
Protocataclasitas
(ricas
arcilla)
Ultracataclasitas
> Clasiﬁcación de rocas de falla que relaciona el contenido de arcilla, la fragmentación y la litiﬁcación. Las rocas almacén originales incluyen areniscas limpias con menos de 15% de contenido de arcilla, areniscas impuras con un contenido de arcilla que oscila entre 15 y 40% y arcilitas y lutitas con un contenido de arcilla superior al 40%. Los procesos de fragmentación y litiﬁcación tienen lugar a lo largo de toda la historia de una falla y producen uno de tres tipos de rocas de falla, a partir de cada una de las rocas almacén que se ilustran en la porción inferior del diagrama. Las fotografías del ex- tremo inferior muestran diferentes formas de rocas de falla, incluyendo rocas de falla (A) desagrega- das y cementadas (izquierda), (B) con estructura y pátinas de ﬁlosilicatos (centro) y (C) con pátinas arcillosas (derecha).
un aumento de la temperatura por encima de 90°C [194°F], temperatura a la que la tasa de precipitación del cuarzo aumenta (arriba). 8 Las fallas más comunes observadas en los campos de petróleo y gas son las fallas normales, que poseen en su mayor parte cierto compo- nente de movimiento oblicuo. Las geometrías de fallas tridimensionales (3D) complejas surgen a partir de la nucleación, crecimiento y enlace de las fallas y dan origen a zonas de daño. La com- prensión de las zonas de daño por fallas es
crucial para el modelado del comportamiento de las fallas y su impacto sobre el desempeño del yacimiento.
Características de la arquitectura de las zonas de falla
Es posible obtener una apreciación de la com- plejidad de una zona de daño por fallas a través de un estudio cuidadoso de las fallas en aﬂora- mientos. Las exposiciones superficiales permiten a los geocientíﬁcos observar la arqui-
tectura de las fallas en detalle y en un contexto y escala espacial 3D no proporcionados por la investigación del subsuelo. Es importante desta- car que gran parte de lo que determina las propiedades de sello de las fallas tiene lugar a escala subsísmica y dentro de la zona de daño por fallas. En consecuencia, el estudio de las zonas de daño en aﬂoramientos se ha vuelto cru- cial para el modelado de los sellos por fallas y la predicción de la forma en que afectan el ﬂujo de ﬂuido de superﬁcie.
Zona de daño por el extremo
daño externa
Zona de daño interna
> Clasiﬁcaciones de zonas de falla. Un diagrama conceptual 3D ilustra los volúmenes de daño internos y externos asociados con las fallas. El calco de la vista en plano de la propagación de la falla a través de las rocas almacén indica tres zonas caracterís- ticas que son la zona de daño por el extremo (rojo), la zona de daño por el enlace (azul claro) y la zona de daño por la pared (verde). Las líneas correspondientes a los extremos de la falla se muestran en negro.
La zona de daño es el volumen de rocas deformadas existentes en torno a una falla prin- cipal que se ha originado a partir de la iniciación, propagación, interacción y desarrollo del deslizamiento a lo largo de las fallas peque- ñas presentes entre bloques de fallas. 9 El volumen deformado que irradia desde un seg-
8. Fisher QJ y Knipe RJ: “Fault Sealing Processes in Siliciclastic Sediments,” en Jones G, Fisher QJ y Knipe RJ (eds): Faulting, Fault Sealing and Fluid Flow in Hydrocarbon Reservoirs: Publicación Especial de la Sociedad Geológica 147. Bath, Inglaterra: The Geological Society Publishing House (1998): 117–134.
9. Kim Y-S, Peacock DCP y Sanderson DJ: “Fault-Damage Zones,” Journal of Structural Geology 26 (2004): 503–517.
10. Kim et al, referencia 9.
mento de falla principal puede dividirse en una zona de daño interna y una zona de daño externa. La zona de daño interna consiste habitualmente de rocas de falla intensamente deformadas que resultan difíciles de mapear en forma discreta, mientras que la zona externa posee una alta den- sidad de fallas de escaso rechazo vertical que a
menudo mantienen una orientación similar al segmento de falla principal. La geometría de la zona de falla también puede ser definida a lo largo del rumbo de una falla, o fallas, como tres zonas características (arriba). La primera zona se denomina zona de daño por el extremo y se asocia con la concentra- ción de esfuerzos en el extremo del segmento de
la falla principal donde el desplazamiento se convierte en cero. La segunda zona se denomina zona de daño por enlace y se reﬁere al volumen afectado por la interacción entre dos segmentos de falla no coplanares subparalelos. La zona de daño por la pared, es decir la tercera zona, se ubica a lo largo de la superﬁcie de falla y consti- tuye el resultado del daño producido por el deslizamiento continuo de la falla o del daño ocasionado por los extremos de fallas abandona- das previamente al continuar el proceso de propagación de fallas a través del tiempo. 10 En las tres zonas pueden producirse fallas de escala subsísmica secundarias, fracturas naturales y cementación.
Área de mapeo detallado
de base l
Lugar ventajoso
de la foto superior
> Área de estudio Bartlett Wash, Moab, Utah, EUA. Una sección transversal fotográﬁca a lo largo de la falla Moab provee vistas que iluminan la arquitectura de la zona de falla compleja dentro del área de mapeo detallado (extremo superior). Una vista aérea (extremo inferior) que abarca desde la pared de base hasta la pared colgante muestra otra perspectiva del contacto neto forma- do por la falla Moab.
La investigación intensiva de las exposiciones de fallas, como la falla Moab del sudeste de Utah, EUA, ha permitido a los geocientíﬁcos caracteri- zar zonas de daño por fallas y efectuar analogías con las fallas principales existentes en el sub- suelo. La falla Moab ha sido extensivamente estudiada por los geocientíﬁcos, incluyendo cien- tíficos del Centro de Investigaciones Doll de Schlumberger (SDR) en Ridgeﬁeld, Connecticut, EUA, y del grupo Rock Deformation Research (RDR) Ltd., Leeds, Inglaterra. 11 Ubicada en la porción noreste de la Cuenca de Paradox, la falla Moab es una falla normal de aproximadamente 45 km [28 millas] de largo con rumbo noroeste a sudeste. Esta falla comprende varios segmentos enlazados. El segmento más largo tiene un rechazo vertical de 960 m [3,150 pies] al sur, como se observa a partir del desplazamiento en
superﬁcie y la erosión de las rocas sedimentarias de edad Pensilvaniano a Cretácico. 12 La falla Moab se mantuvo activa desde el período Triá- sico hasta mediados del Cretácico como mínimo. El paisaje de cañones que rodea a la falla Moab es ideal para mapear la exposición de la falla en tres dimensiones (arriba). Los cientíﬁcos de SDR y RDR comenzaron a almacenar datos de afloramientos detallados a lo largo de un segmento de la zona de daño de la falla Moab, en Bartlett Wash, como analogía con estructuras similares esperadas, aunque no representadas, en el subsuelo. Dentro del área de estudio, el rechazo vertical a lo largo del seg- mento de falla principal es de 210 m [690 pies]. El miembro Slick Rock Jurásico, más antiguo, correspondiente a la arenisca Entrada está bien expuesto en la pared de base (yacente) y exhibe
una densa red de fallas de escaso rechazo verti- cal en una zona angosta adyacente al segmento de falla principal. Los geocientíﬁcos emplearon una técnica de mapeo sofisticada, que utiliza un sistema de posicionamiento global (GPS, por sus siglas en inglés) de alta precisión y unidades remotas para mapear los rasgos discretos con precisión de 2 cm [0.8 pulgadas] (próxima página, abajo). Las coordenadas de los datos fueron identiﬁca- das con atributos geológicos clave en diversas estaciones para captar la complejidad y la escala de la zona de daño por fallas. También se regis- traron las posiciones y las geometrías de los elementos estructurales principales y secunda- rios, tales como fallas y fracturas naturales. Los científicos crearon un modelo geológico digital para utilizar como analogía para la interpreta-
> Mapeo de la zona de la falla Moab. En el sitio Bartlett Wash se mapearon más de 70,000 rasgos estructurales para poblar un mo- delo analógico de la zona de daño por fallas (izquierda). La densidad de las fallas pequeñas dentro de la zona de daño del segmen- to principal de la falla Moab disminuye al aumentar la distancia a la falla principal. Las trazas de fallas rojas se encuentran dentro de la zona de daño interna, mientras que los rasgos amarillos se ubican dentro de la zona de daño externa (derecha). Las pode- rosas herramientas de computación permiten a los geólogos utilizar técnicas innovadoras como las visitas de observación virtua- les, captando el conocimiento y las experiencias de los miembros de los equipos en el sitio.
ción de las fallas del subsuelo a ﬁn de facilitar la visualización a través de técnicas innovadoras, tales como visitas de observación virtuales, y uti- lizar la distribución de la población de fallas como datos de entrada para los modelos de ﬂujo (arriba).
> Mapeo de alta precisión de la zona de daño de la falla Moab. Se utilizaron sistemas de posicio- namiento global (GPS, por sus siglas en inglés) y unidades remotas, que determinan las ubicacio- nes exactas de los levantamientos, para registrar los rasgos discretos y ubicarlos con alta precisión. Los elementos estructurales secundarios, tales como fallas y fracturas, fueron identiﬁcados con atributos geológicos clave para captar la com- plejidad y escala del daño producido por la falla.
Si bien la geometría estática y las propieda- des de las rocas de falla constituyen los controles principales sobre el flujo de fallas transversales en el subsuelo, la reactivación de las fallas es otro fenómeno que incide en las pro- piedades de flujo a lo largo de la falla. Los
cambios producidos en los regímenes de esfuer-
zos tectónicos a través del tiempo geológico, por ejemplo, pueden reactivar una falla abriendo trayectorias que no existían previamente y per- mitiendo la ﬁltración de hidrocarburos. A escala de tiempo de producción del yacimiento, los cambios producidos en los regímenes de presión de poro como resultado de la producción o la inyección actual en los sistemas de fallas y sus adyacencias, pueden iniciar la reactivación de las fallas y causar la pérdida del sello. Los incrementos de la presión local produci- dos cerca o dentro del plano de falla como resultado de la inyección reducen el esfuerzo
normal efectivo, lo cual puede causar la reactiva- ción de la falla. 13 Además, los cambios de presión producidos en las rocas adyacentes a las fallas, por ejemplo a partir del agotamiento de un yaci- miento, alteran los esfuerzos locales que actúan sobre los planos de fallas y, dependiendo de la alineación de la falla respecto de los esfuerzos principales, pueden conducir a una reactivación con la subsiguiente ruptura del sello. Este com- portamiento ha sido documentado en áreas tales como el Mar del Norte, el Golfo de México y la Cuenca de Bight en Australia. 14 Estos cambios de presión tienen grandes implicaciones en lo que respecta a producción, recuperación mejorada de petróleo (EOR, por sus siglas en inglés) y mantenimiento de la presión, y en el almacenamiento subterráneo de gas, incluyendo el almacenamiento de dióxido de carbono [CO 2 ] para la reducción de las emisiones de gas de efecto invernadero. 15
11. Kaufman PS, McAllister E y Smallshire R: “Collection and Visualization of 3D Digital Geologic Data Sets: An Example from the Moab Fault Zone, UT,” presentado en la Reunión Anual de la Asociación Americana de Geólo- gos de Petróleo, Nueva Orleáns, 16 al 19 de abril de 2000. McAllister E, Smallshire R, Knipe R y Kaufman P: “Geometry of Fault-Damage Zones from High Resolution Mapping of the Moab Fault Zone, UT,” presentado en la Reunión Anual de la Asociación Americana de Geólogos de Petróleo, Nueva Orleáns, 16 al 19 de abril de 2000.
12. “Quantiﬁcation of Fault-Related Diagenetic Variation of Reservoir Properties at Outcrop,” http://www.faultanalysis-group.ucd.ie/Projects/ UTAH.html (examinado el 15 de enero de 2005).
13. Hsieh PA y Bredehoeft JD: “A Reservoir Analysis of the Denver Earthquakes: A Case of Induced Seismicity,” Journal of Geophysical Research 86 (1981): 903–920.
14. Wiprut D y Zoback MD: “Fault Reactivation and Fluid Flow Along a Previously Dormant Normal Fault in the Northern North Sea,” Geology 28, no. 7 (2001): 595–598. Zoback MD y Zinke JC: “Production-Induced Normal Faulting in the Valhall and Ekoﬁsk Oil Fields,”
http://www.geomi.com/images/PDFs/ MDZ-Zinke_PAG_2002.pdf (examinado el 15 de enero de 2005).
“Wetland Subsidence, Fault Reactivation, and Hydrocarbon Production in the U.S. Gulf Coast Region,” Hoja de Datos del USGS FS-091-01, http://pubs.usgs.gov/ fs/fs091-01/ (examinado el 15 de enero de 2005).
Hillis RR y Reynolds SD: “In Situ Stress Field, Fault Reactivation and Seal Integrity in the Bight Basin,”
http://ftp.petroleum.pir.sa.gov.au/products/data/rb2003_2.
pdf (examinado el 15 de enero de 2005).
15. Bennaceur K, Gupta N, Monea M, Ramakrishnan TS, Randen T, Sakurai S y Whittaker S: “Captación y almace- namiento de CO 2 : Una solución al alcance de la mano,”
Oilﬁeld Review 16, no. 3 (Invierno de 2004/2005): 48–65.
Hawkes CD, McLellan PJ, Zimmer U y Bachu S:
“Geomechanical Factors Affecting Geological Storage of
CO 2 in Depleted Oil and Gas Reservoirs,” artículo 2004–258, presentado en la 55a Reunión Técnica Anual de la Sociedad Canadiense del Petróleo, Calgary, 8 al 10 de junio de 2004.
La reactivación de las fallas que limitan el yaci- miento compromete los mecanismos de sello de las fallas, cizalla las tuberías de revestimiento de los pozos y genera compactación y subsi- dencia. La integración de las propiedades de resistencia de las rocas de falla, la geometría de las fallas y las condiciones de los esfuerzos loca- les, proporcionan valiosos datos de entrada para el modelado y la evaluación del riesgo de reac- tivación. 16 Las orientaciones de los esfuerzos locales son interpretadas con dispositivos de generación de imágenes de pozos, tales como la herramienta de generación de Imágenes Microe- léctricas de Cobertura Total FMI o la herramienta de generación de Imágenes Microe- léctricas en Lodos Base Aceite OBMI, y a partir de la adquisición de datos de presión de poro utilizando herramientas de medición y muestreo tales como el Probador Modular de la Dinámica de la Formación MDT o el Probador de Forma- ción a Repetición RFT.
Los roles de la presión y la secuencia cronológica en la formación de sellos por fallas
Un concepto importante para la estimación de la capacidad de sello de las fallas es el relacionado con la presión umbral (P t ). En rocas humedecidas con agua, P t es la presión capilar más baja (P c ) a la que los hidrocarburos forman una trayectoria continua a través de las gargantas de poros inter- conectadas más grandes de la roca de falla. 17 El conocimiento del valor de P t de las diferentes rocas de falla, generadas bajo diferentes condicio- nes, permite a los geocientíﬁcos calcular la altura máxima de la columna de petróleo (H t ) o la capa- cidad de sello de la roca de falla que impide la migración de hidrocarburos a través de la falla. La presión capilar de los hidrocarburos bajo condi- ciones hidrostáticas contra un sello por falla aumenta en sentido ascendente a partir de cero en el nivel de agua libre (FWL, por sus siglas en inglés), que se encuentra en la base de la colum- na de hidrocarburos. Un sello capilar o sello de membrana impide la migración de hidrocarburos a través de la falla para una altura de la columna de hidrocarburos medida desde el FWL hasta donde el valor de P c es igual al valor de P t . El sello de membrana se forma debido a la tensión super- ﬁcial entre el agua y el hidrocarburo, de manera que la permeabilidad efectiva al hidrocarburo es cero cuando P c es menor que P t (arriba). Una columna de hidrocarburos con un valor de P c mayor que el valor de P t de la roca de falla migrará lentamente a través de la falla. El ﬂujo es retardado por la capacidad de sello de resistencia hidráulica de la roca de falla. El sello de resisten- cia hidráulica se forma cuando la permeabilidad relativa al hidrocarburo es baja debido a la roca
P c = P t
S wirr
Presión capilar derivada de registros
mercurio fraccional [Hg]
> Diagrama de presión capilar. La gráﬁca de presión en función de la profun- didad (izquierda) muestra la presión capilar, P c , como la diferencia entre las presiones del agua y los hidrocarburos con la profundidad. El hidrocarburo tiene un gradiente de presión más pronunciado que el agua, de manera que la presión capilar se incrementa por encima del nivel de agua libre (FWL, por sus siglas en inglés) donde la misma es cero. La gráﬁca de la derecha mues- tra una curva típica de presión capilar por inyección de mercurio como se mide en el laboratorio. La presión de entrada, P e , es la presión a la cual los hidrocarburos ingresan primero en la muestra. Una altura de la columna de hidrocarburos, H t , puede ser entrampada por debajo de la presión capilar um- bral, P t , formando un sello de membrana. Las geometrías de la trampa quizás permitan que las columnas de hidrocarburos excedan esta altura. Es posible el ﬂujo de hidrocarburos a través del sello que se encuentra por encima de la altura H t a una velocidad que depende de la permeabilidad relativa del sello.
de falla humedecida con agua y al potencial de baja presión existente a través de la falla para columnas de hidrocarburo pequeñas. Los hidro- carburos pueden migrar lentamente pero el sello de resistencia hidráulica provee una obturación efectiva a lo largo del tiempo geológico. En la base de la zona de resistencia hidráulica, P c es igual a P t . La permeabilidad relativa a los hidro- carburos a esta altura es cero pero aumenta por encima de este punto en una zona de transición que pasa de un sello de membrana a una ﬁltra- ción geológicamente significativa debido al incremento de la permeabilidad relativa. Los geó- logos consideran signiﬁcativa la rotura del sello de resistencia hidráulica una vez que la tasa de fuga excede la tasa de carga de hidrocarburos, momento en el cual los hidrocarburos dejan de acumularse. Las diferencias de presión del agua presentes en el yacimiento a través de una falla o en el relleno de la falla inciden en la altura de la columna de hidrocarburos resultante. La presión de agua más alta existente en el acuífero, en la parte externa de la trampa, por ejemplo, conduce al ﬂujo de agua dentro del yacimiento si la satura- ción de hidrocarburos en la zona de falla es menor que la saturación de agua irreducible, S wirr . Estas condiciones mejoran el potencial de sellos por fallas y aumentan la altura de la
columna de hidrocarburos. Las presiones más bajas existentes en el acuífero, en el exterior de la trampa, y en el relleno de la falla a una satura- ción de agua irreducible conducirán a una reducción de las alturas de las columnas de hidrocarburos en la trampa. Estas interrelaciones entre fluidos, presiones y propiedades de las rocas constituyen controles importantes para la predicción del comportamiento de las fallas y las capacidades de sello. La arquitectura de las fallas, las distribuciones de los rechazos, las litologías, las distribuciones y propiedades de las rocas de falla en su totalidad inciden en las propiedades de ﬂujo de las fallas. No obstante, la historia de las fallas es igual- mente importante a la hora de considerar el potencial de sello de las trampas por fallas en exploración y producción. La historia de sepulta- miento, la distribución cronológica de la deformación y la historia de la carga de hidrocar- buros inciden en las propiedades de las rocas de falla y en su impacto sobre la capacidad de sello de las fallas. Las estrategias de desarrollo de yacimientos exitosas deben incorporar la historia de falla- miento y sepultamiento para predecir en forma más exacta el riesgo que plantean los sellos por fallas. Por ejemplo, los eventos tectónicos inde- pendientes crean fallas nuevas y reactivan las
fallas existentes. Las fracturas pueden pro- pagarse, modificando potencialmente las características de permeabilidad del yacimiento. Las propiedades de las rocas de falla también cambian con el sepultamiento y levantamiento. La permeabilidad a lo largo de las fallas y en las rocas adyacentes generalmente disminuye con la profundidad de sepultamiento (derecha). Los aumentos de la temperatura incrementan la tasa de precipitación del cuarzo, lo que puede redu- cir signiﬁcativamente la transmisividad a través de una falla. Los mapas de actividades de fallas que codi- fican en color la cronología geológica del desarrollo estructural ayudan a los equipos a cargo de los activos petroleros a cuantificar el riesgo de desarrollar un área prospectiva o de implementar los pasos de desarrollo subsiguien- tes, tal como la puesta en marcha de un proceso de EOR. El conocimiento de la historia geológica y su impacto también es importante a la hora de predecir las propiedades de sello de las fallas.
Métodos de análisis de sellos por fallas
Los métodos de análisis de sellos por fallas exi- tosos integran información fundamental sobre la arquitectura de la zona de falla, las propiedades de las rocas de falla y los datos de presión. Una herramienta importante para evaluar el poten- cial de ﬂujo a través de una falla es una vista del rumbo o mapa del plano de falla con las inter- secciones de la pared colgante y la pared de base superpuestas sobre la superficie de falla
modelada. 18 Los diagramas de Allan utilizan esta técnica para mostrar posibles trayectorias de migración de ﬂuidos, puntos de fuga o áreas de sello a través de la falla, y además han ayudado a explicar la ubicación de los contactos hidrocar- buro-agua en diversos campos petroleros de todo el mundo. Los diagramas de Allan habitual- mente utilizan los horizontes interpretados sísmicamente para deﬁnir la separación entre la pared colgante y la pared de base a través de la falla y la litología interpretada en base a los registros de pozos para identificar los cambios estratigráficos producidos entre los horizontes sísmicos. Las herramientas de mapeo sofistica- das permiten el desarrollo de los diagramas de Allan como modelos 3D. Estos modelos requie-
16. Jones RM y Hillis RR: “An Integrated, Quantitative Approach to Assessing Fault-Seal Risk,” Boletín de la Asociación Americana de Geólogos de Petróleo 87, no. 3 (Marzo de 2003): 507–524.
17. Brown A: “Capillary Effects on Fault-Fill Sealing,” Boletín de la Asociación Americana de Geólogos de Petróleo 87, no. 3 (Marzo de 2003): 381–395.
18. Allan US: “Model for Hydrocarbon Migration and Entrapment Within Faulted Structures,” Boletín de la Asociación Americana de Geólogos de Petróleo 73, no. 7 (Julio de 1989): 803–811.
Cuenca A - Influencia de la cementaci ón del
cuarzo a una profundidad > 3 km
Cuenca B - Cataclasis moderada
Cuenca C
- Cataclasis intensa
Profundidad de sepultamiento máxima, km
Permeabilidad promedio, mD
> Reducción de la permeabilidad en una zona de falla cataclástica con el aumento de la profundidad de sepultamiento en tres ejemplos de cuencas diferentes. La permeabilidad se reduce en las zonas de fallas cataclásticas debido principalmente a la trituración mecánica de los granos y al incremen- to de la cementación del cuarzo a mayor profundidad. En cuencas con gran- des esfuerzos efectivos medios, es probable el desarrollo de un proceso de cataclasis intenso en las zonas de falla (azul), con la consiguiente reducción de la permeabilidad al aumentar la profundidad de sepultamiento. En cuencas con esfuerzos efectivos medios menores, es factible que se produzca un pro- ceso de cataclasis moderada en las zonas de falla (rojo), que hace que la permeabilidad sea más alta en esas zonas de falla. Las cuencas con proce- sos de cementación de cuarzo en las zonas de falla (verde) exhiben permea- bilidades en las zonas de falla que aumentan a medida que las profundidades de sepultamiento se hacen más someras pero se vuelven muy impermeables por debajo de los 3 km [9,840 pies] de profundidad debido al aumento de la cementación del cuarzo. Otros factores, tales como la historia geológica y la litología de las rocas almacén, desempeñan un rol signiﬁcativo en lo que respecta a la determinación de los procesos que imponen la permeabilidad de la zona de falla.
Fuga potencial
> Diagrama de Allan. Basados en datos sísmicos e información de pozos, los diagramas de Allan demuestran las relaciones de yuxtaposición a través de un plano de falla. Estos diagramas se utilizan a menudo para identiﬁcar pun-
tos de fuga de petróleo potenciales (rojo) a lo largo del rumbo de una falla.
ren cantidades signiﬁcativas de datos y su desa- rrollo puede resultar lento aunque los nuevos
programas de computación, tales como la aplica- ción de las herramientas de secuencias de
tareas Petrel, han reducido sustancialmente el tiempo de procesamiento (arriba).
Una alternativa con respecto a la complicada evaluación de la distribución de la estratigrafía a través del plano de falla, que se utiliza en los diagramas de Allan, es un diagrama de triángu- los de yuxtaposición simpliﬁcado, que posibilita un examen inicial rápido y la predicción de la
Arenisca A
Rechazo vertical, m
Are nisc a A
Areni sca A
> Análisis de la yuxtaposición. Una diagrama de triángulos de yuxtaposición (izquierda) permite la evaluación simple y rápida de los escenarios de yuxtaposición estratigráﬁca; por ejemplo, cuando un yacimiento, la Arenisca A, se yuxtapone contra una lutita impermeable que provee un sello. Otro escenario podría identiﬁcar el emplazamiento de una arenisca contra otra arenisca que no logra proveer un sello adecuado para el entrampamiento de hidrocarburos. La litología se muestra a la izquierda; el eje horizontal muestra la magnitud del rechazo vertical y las ﬂechas de guiones diago- nales muestran el escenario de yuxtaposición en un rechazo y una capa especíﬁcos. El diagrama de bloques (derecha) se muestra para ilustrar una representación 3D.
capacidad de sello por fallas. Esta técnica permite representar la pared colgante y las yux- taposiciones para diversos rechazos verticales y posibilita una evaluación del los intervalos estra- tigráﬁcos yuxtapuestos para un rechazo vertical dado (arriba) . Estos diagramas simplifican el análisis de la yuxtaposición para un plano de falla unitario. Además, utilizando estos diagra- mas se pueden evaluar rápidamente los efectos de fallas múltiples con escasos rechazos vertica- les. La yuxtaposición se evalúa simplemente en los rechazos verticales más pequeños para cada falla. En el análisis inicial, los diagramas de triángulos muestran la yuxtaposición de la estra- tigrafía a través de la falla. Los yacimientos yuxtapuestos contra rocas de baja permeabili- dad, tales como las lutitas, tienden a actuar como sellos, mientras que las yuxtaposiciones entre yacimientos a través de la falla probable- mente produzcan fugas. Los diagramas de yuxtaposición también pueden ser utilizados para evaluar las rocas de falla presentes y sus propiedades asociadas que se desarrollan dentro de la zona de falla. Por ejemplo, se puede deter- minar la distribución de las pátinas arcillosas provenientes de las capas ricas en arcilla pre- sentes en la zona de falla y cuantificar sus efectos sobre el sello. Además, es posible evaluar los rechazos verticales críticos cuando las fallas cataclásticas de permeabilidad más alta pueden representar un riesgo para el flujo de fallas transversales. Esto se produce cuando dos yaci- mientos siliciclásticos permeables se yuxtaponen a través de la falla—uno en la pared colgante (HW, por sus siglas en inglés) y otro en
la pared de base (FW, por sus siglas en inglés) (próxima página). Se han desarrollado varios métodos para esti- mar la distribución de las rocas de falla dentro de una zona de falla. Dos de los métodos más aplicados son la relación lutita-jaboncillo (SGR, por sus siglas en inglés) y las pátinas arcillosas. 19 Además, los investigadores del RDR introduje- ron recientemente un método SGR modiﬁcado, o relación lutita-jaboncillo efectiva (ESGR, por sus siglas en inglés), que posibilita un mayor control sobre la arquitectura y distribución de las rocas de falla a lo largo de la superﬁcie de falla duran- te el análisis. El método SGR estima el porcentaje de arci- lla en base a la litología dominante mezclada con la zona de falla. El algoritmo calcula el con- tenido neto de arcilla dentro de la litología que es desplazada más allá de cada punto de la falla mediante el producto de la suma del espesor de la capa por el porcentaje de arcilla dividido por el rechazo vertical de la falla. Este cálculo se obtiene a través de una superﬁcie de falla mode- lada con una distribución de los rechazos verticales calculada y con estimaciones del por- centaje de arcilla derivadas de los registros de pozos. El método ESGR utiliza un SGR ponde- rado que permite una distribución no uniforme de las arcillas dentro de la sección arrastrada más allá de cada punto de la superﬁcie de falla para modelar un proceso más complejo de la zona de falla. Los estudios de afloramientos de zonas de falla también han demostrado que la presencia de pátinas arcillosas constituye un proceso común de la zona de falla en el que la arcilla
forma una pátina a lo largo de la zona de falla de acuerdo con la presencia de un banco arcilloso
local. El espesor de la pátina arcillosa a lo largo
de la falla aumenta con el espesor de la capa arci-
llosa original y disminuye con la distancia hasta
dicha capa. Múltiples capas arcillosas tienden a
combinarse para producir una pátina continua, lo
que mejora la capacidad de sello por falla. El método básico de modelado de las distri-
buciones de las rocas de falla consiste en
calcular la distribución de los rechazos vertica- les en una superﬁcie de falla grillada a partir de las intersecciones de los horizontes sobre la
falla, rellenando la estratigrafía detallada con los espesores y los contenidos de arcilla estimados y trazando las curvas de contorno correspondientes a las propiedades de los sellos por fallas obtenidas, sobre la superficie de la falla. Las curvas de contorno de la presión capi- lar medida a lo largo de la falla proporcionan una calibración con la capacidad de sello para las propiedades de las rocas de falla estimadas. Estos datos de presión suelen adquirirse a agu- jero descubierto utilizando herramientas de muestreo de la formación tales como las herra- mientas MDT o RFT. Si bien el cálculo del potencial de sellos por fallas presente a lo largo de una falla parece directo, quizás se trate de una simplificación excesiva. En base a estudios de aﬂoramientos y fallas exhumadas, los geocientíficos observan que las pátinas arcillosas no se distribuyen en forma uniforme en las zonas de falla sino que pueden ser interrumpidas creando múltiples dis- continuidades que reducen el efecto de sello a través de las escalas de tiempo geológico. Un estudio de la falla normal Calabacillas, situada en Nuevo México, EUA, demostró que las pátinas arcillosas tienden a ser continuas a lo largo de una distancia entre dos y seis veces superior al espesor de la capa de arcilla original, pero luego se adelgazan signiﬁcativamente al alejarse de la base de la capa de arcilla original en la pared de base. 20 Además, las pátinas son fracturadas fre- cuentemente por fallas de escaso rechazo vertical. En consecuencia, las técnicas de esti- mación de pátinas y calibración de sellos pueden sobrestimar el potencial de sellos por fallas, especialmente cerca de la base de una capa de arcilla original. La calibración de las curvas de contorno de la presión capilar y de las estimaciones de las pro- piedades de las rocas de falla sobre una superficie de falla es insuficiente si se utilizan los métodos descriptos. Un análisis más preciso debería incluir la calibración de las propiedades de las rocas de falla estimadas a partir de medi- ciones de núcleos. La presión umbral y la
Profundidad del núcleo, m
Litología de yacimiento en la pared colgante, m
Rechazo vertical de la falla, m
La zona de fuga ha sido sellada por
una pátina de filosilicato potencial
de la Unidad Yacimiento C
Yacimiento contra la
estratigrafía más
moderna en la pared
estratigrafía más antigua
en la pared de base
de filosilicatos
Porosidad del testigo, %
Tipo de roca de falla/sello
Sellos cataclásticos (arenisca sobre arenisca)
Neto/Total
Sellos cataclásticos (arenisca sobre arenisca más
allá de otras litologías)
Litología de la roca almacén
Sellos cataclásticos (arenisca de alta permeabilidad sobre
Arenisca de alta permeabilidad
arenisca de alta permeabilidad más allá de otras litologías)
Sellos cataclásticos sobre estructuras de filosilicatos
Litología de yacimiento en la pared de base
Alto potencial de sellos cataclásticos sobre estructuras de
filosilicatos en pátinas (areniscas impuras más allá de otras litologías)
Alto potencial de sello de cemento (sección cementada
más allá de otras litologías)
Filosilicatos en pátinas (unidades ricas en filosilicatos o
lutitas en FW o HW)
Alto potencial de filosilicatos en pátinas (unidades
ricas en filosilicatos más allá de otras litologías)
Arenisca impura
Rica en contenido de filosilicato
(incluyendo la lutita)
Arenisca cementada
en pátinas (areniscas impuras en FW o HW)
Sello de cemento (cementado en FW o HW)
> Análisis de la yuxtaposición. Una diagrama de triángulos de yuxtaposición (izquierda) permite la evaluación simple y rápida de los escenarios de yuxtaposición estratigráﬁca, por ejemplo, cuando un yacimiento, la Arenisca A, se yuxtapone contra una lutita impermeable que provee un sello. Otro escenario podría identiﬁcar el emplazamiento de una arenisca contra otra arenisca que no logra proveer un sello adecuado para el entrampamiento de hidrocarburos. La litología se muestra a la izquierda; el eje horizontal muestra la magnitud del rechazo vertical y las ﬂechas de guiones diagonales muestran el escenario de yuxtaposi- ción en un rechazo y una capa especíﬁcos. El diagrama de bloques (derecha) se muestra para ilustrar una representación 3D.
permeabilidad medidas a través de fallas peque- ñas en núcleos ayudan a predecir la capacidad de sello y las propiedades de ﬂujo de la distribu- ción de rocas de falla estimada. Las rocas de falla
19. Yielding G, Freeman B y Needham DT: “Quantitative Fault Seal Prediction,” Boletín de la Asociación Americana de Geólogos de Petróleo 81, no. 6 (Junio de 1997): 897–917. Bretan P, Yielding G y Jones H: “Using Calibrated Shale Gouge Ratio to Estimate Hydrocarbon Column Heights,” Boletín de la Asociación Americana de Geólogos de Petróleo 87, no. 3 (Marzo de 2003): 397–413. Yielding et al, referencia 2.
20. Doughty PT: “Clay Smear Seals and Fault Sealing Potential of an Exhumed Growth Fault, Rio Grande Rift, New Mexico,” Boletín de la Asociación Americana de Geólogos de Petróleo 87, no. 3 (Marzo de 2003): 427–444.
en núcleos también deﬁnen la gama de tipos de rocas de falla creadas por procesos tales como la cataclasis o la trituración de granos y permiten la evaluación del impacto de la historia geológica
y de la secuencia cronológica de las fallas.
Las bases de datos de rocas de falla corres- pondientes a determinadas cuencas son clave para la calibración del potencial de sello de las rocas de falla. Los datos de rocas de falla re- presentan una información crucial para la obtención de simulaciones de yacimientos exito-
sas que además utilizan datos de campo, incluyendo levantamientos sísmicos, registros de
pozos, registros y estudios de núcleos y datos de presión de campo. Estos datos también son importantes para reducir el riesgo asociado con un ambiente de exploración en donde puede haber mucha menos información disponible.
Más conocimiento, menos incertidumbre
Las fallas en núcleos no sólo posibilitan la cali- bración de las propiedades de las rocas de falla, tales como porosidad, permeabilidad y presiones umbrales, sino que proveen la distribución y la densidad de las fallas a una escala que está por debajo de la escala de resolución sísmica. Los
Echado hacia el NE
B-16 16
B-16 2
Echado hacia el O
B-16 4
Echado hacia el E
Echado hacia el SO
B-16 17
Falla Nautilus
> Mapa estructural del Campo Hibernia y ubica-
ción de dos pozos en los que se extrajeron nú-
cleos, el Pozo B-16 2 y el Pozo B-16 4, ubicados
en los Bloques Q y R, respectivamente.
Falla Murre
avances introducidos recientemente en los métodos de interpretación sísmica, tales como los programas de picado de fallas y mapeo de atributos automáticos, ayudan a los geofísicos a interpretar grandes volúmenes sísmicos en menos tiempo y con mayor detalle que los méto- dos manuales. Sin embargo, gran parte del detalle de las fallas todavía existe a una escala que está por debajo de la resolución sísmica, de modo que para la detección de estas fallas pequeñas se debe hacer uso de herramientas de generación de imágenes de pozo de alta resolu- ción y del estudio detallado de núcleos de diámetro completo. El Campo Hibernia altamente compartimen- talizado, situado en la Cuenca Jeanne d’Arc, en el área marina de Terranova, Canadá, demuestra la importancia de los exámenes de núcleos detallados. 21 El Campo Hibernia se encuentra ubicado en una cuenca sedimentaria contenida dentro de la Cuenca Jeanne d’Arc que ha experi- mentado múltiples eventos de rifting asociados con la separación del supercontinente Pangea y con la formación del Océano Atlántico que tuvie- ron lugar entre el Triásico tardío y el Cretácico temprano. Desde la primera producción que tuvo lugar en 1997, los geólogos e ingenieros de la compa- ñía Hibernia Management and Development Company supieron que los dos yacimientos prin-
cipales del Campo Hibernia se encontraban compartimentalizados por la presencia de fallas. A partir de las variaciones observadas en las alturas de los contactos de ﬂuidos y en las pre- siones, se identificó un total estimado de 30 bloques de fallas. A medida que se continuaba con el desarrollo del campo, se obtuvieron indi- caciones de que el mismo podría estar aún más compartimentalizado de lo que se pensaba origi- nalmente. 22 Sin embargo, el equipo a cargo de los activos de la compañía no estaba seguro acerca del grado en que las fallas estaban redu- ciendo la producción de los pozos individuales y el desempeño de la inyección. Para caracterizar la deformación y la ar- quitectura de la zona de falla, se extrajeron núcleos de diámetro completo del yacimiento inferior de la sección de pared colgante de dos pozos, el Pozo B-16 2 situado en el Bloque Q y el Pozo B-16 4 situado en el Bloque R, (arriba). Los núcleos fueron examinados a efectos de identiﬁ- car las estructuras geológicas y se tomaron muestras para el análisis de las propiedades microestructurales y petrofísicas. Las rocas de falla fueron clasiﬁcadas de acuerdo con el conte- nido de arcilla. Las rocas de falla con un contenido de arcilla inferior al 15% exhibían tanto bandas de desagre- gación, que son zonas localizadas de flujo de partículas con escaso fracturamiento de granos,
como bandas de deformación con filones cata- clásticos con magnitudes variables de reducción
del tamaño de los granos debido a su trituración
mecánica. A pesar de la ausencia de arcilla, estas
rocas de falla poseen una permeabilidad prome-
dio de 0.06 mD, lo que equivale a casi cinco
órdenes de magnitud menos que la permeabili-
dad de la roca almacén. Las rocas de falla que
contienen una cantidad intermedia de arcilla—
entre 15 y 40%—son clasiﬁcadas como rocas de
falla con estructura de ﬁlosilicatos y en este caso
exhibían permeabilidades aún más bajas que las de sus contrapartes con bajo contenido de arci- lla. Las rocas ricas en arcilla, caracterizadas por un contenido de arcilla superior al 40%, forma-
ban pátinas arcillosas. Estas rocas de falla
poseen típicamente permeabilidades de menos
de 0.001 mD, equivalentes a las propiedades de
las rocas almacén. El análisis de las rocas de
falla en núcleos demostró que los distintos tipos
de rocas de falla son capaces de reducir signiﬁca-
tivamente la permeabilidad a lo largo de las
fallas existentes en el Campo Hibernia.
Para evaluar el potencial de sello de las fallas
que compartimentalizan el yacimiento, los tipos y
las propiedades de las rocas de falla se integran
con las estimaciones de la distribución de las rocas de falla obtenidas de los diagramas de yux- taposición. Estos diagramas demuestran que cuando el rechazo vertical de la falla es menor que el espesor de las capas individuales y el yaci- miento se yuxtapone contra sí mismo, las propiedades de sello quedan determinadas por las propiedades de las rocas de falla cataclásticas. Contrariamente, cuando el rechazo vertical de la falla excede el espesor de las capas individuales el sello por yuxtaposición del yacimiento contra la roca no yacimiento constituye el sello principal. Un diagrama de triángulos de yuxtaposición de la Formación Hibernia en el Pozo B-16 2 demuestra las distribuciones de las rocas de falla pronosticadas y los efectos interpretados de las mismas sobre el ﬂujo de ﬂuido (próxima página). Este diagrama muestra que para rechazos verticales de menos de 30 m [98 pies], las rocas de falla son predominantemente cataclasitas o zonas de trituración de granos. Por el contrario,
21. Porter JR, McAllister E, Fisher QJ, Knipe RJ, Condliffe DM, Kay MA, Stylianides G y Sinclair IK: “Impact of Fault-Damage Zones on Reservoir Performance in the Hibernia Oilﬁeld (Cuenca Jeanne d’Arc, Terranova): An Analysis of Structural, Petrophysical and Dynamic Well Test Data,” artículo especial 43 en Hiscott R y Pulham A (eds): Petroleum Resources and Reservoirs of the Grand Banks, Eastern Canadian Margin. St. John’s, Terranova, Canadá: Asociación Geológica de Canadá (2004): 129–142.
22. Gormley JR, Andrews RJ, Baskin DK y Stokes R: “An Integrated Study of Reservoir Compartmentalization in the Hibernia Formation, Hibernia Field,” Resúmenes, Vol. 26. Asociación Geológica de Canadá, Reunión Anual de la Asociación Mineralógica de Canadá, St. John’s, Terranova (2001): 52–53.
Arenisca en FW y HW
Arenisca contra arenisca más allá de
otras litologías
Arenisca impura en FW y HW
Arenisca impura contra arenisca impura
más allá de otras litologías
Alto contenido de lutita en FW y HW
Alto contenido de lutita contra alto contenido
de lutita más allá de otras litologías
Lutita intermedia
Nota: Con un rechazo vertical de 75 m,
la arenisca de la Capa 2 se yuxtapuso
contra la arenisca basal de la Capa 3 Superior
Tipos de sellos por fallas (utilizando un factor de pátina arcillosa de 3.0)
(PFFR)
Alto potencial para PFFR (alto
contenido de lutita en FW y HW)
Litofacies (derivada de la lutita volumétrica)
Rocas de falla ricas en filosilicatos (pátinas arcillosas)
Alto potencial de rocas ricas en filosilicatos
Con predominio de arenisca
(pátinas arcillosas)
Heterolítica mixta
Con predominio de lutita/fangolita
Nota: Reducción del tamaño de
la ventana debido al potencial
de formación de pátinas de las
areniscas impuras y las lutitas
intermedias involucradas
> Diagramas de yuxtaposición (extremo superior) y de sellos por fallas (extremo inferior) correspondientes al Pozo B-16 2 del Campo Hibernia. El diagrama de yuxtaposición identiﬁca una yuxtaposición de tipo arenisca contra arenisca en un rechazo vertical de 75 m [246 pies]. En este escenario, una arenisca de la Capa 2 presente en la pared colgante (HW, por sus siglas en inglés) es arrastrada más allá de otras litologías—areniscas impuras y una lutita inter- media—presentes en la pared de base (FW, por sus siglas en inglés) y se yuxtapone contra la arenisca basal en el intervalo superior de la Capa 3. Ésta re- presenta una posible área de fuga. No obstante, cuando se toma en cuenta la pátina arcillosa, el área de fuga potencial predicha se reduce considerablemente.
cuando los rechazos verticales superan los 30 m, aparecen las rocas de falla ricas en ﬁlosilicatos y ricas en arcillas de permeabilidad más baja. Estos resultados indican que las rocas de falla presentes en el Campo Hibernia tienen el poten- cial de degradar el desempeño de los pozos de producción y de los pozos de inyección por igual.
Combinado con modelos de ajuste de la histo- ria de producción, que arrojan soluciones no únicas a partir de los diversos escenarios geoló- gicos posibles, el análisis de sellos por fallas calibrado con los datos de fallas obtenidos de núcleos apoyó la interpretación de la forma en que las fallas afectan el flujo de fluido en el
campo. Esto condujo a la perforación del pozo inyector B-16 21, que fue emplazado de manera tal de sortear las zonas de daño por fallas peli- grosas. El nuevo pozo inyector mejoró el barrido del yacimiento y proporcionó soporte de presión adicional para los pozos productores adyacentes.
Cantidad total de pies perforados, pies
Pérdida de circulación total, barriles
> Aumento de los problemas de pérdida de circulación en el Campo de la Bahía de Prudhoe. Junto con la declinación de la cantidad total de pies perforados (azul) acaecida en las dos últimas décadas, los problemas de pérdida de circulación (rojo) se agravaron y se volvieron más costosos. Al perforar bloques de fallas más pequeños utilizando pozos horizontales, se atravesaban más fallas que durante las primeras etapas de la perforación de desarrollo. Se observó que el incremento de la cantidad de pies horizon- tales perforados a ﬁnes de la década de 1990 se correlacionaba directa- mente con pérdidas de lodo, identiﬁcándose a las fallas como fuente predominante de los problemas de perforación.
El análisis de sellos por fallas asiste en las operaciones de perforación
Los sistemas de fallas conductivas abiertas pue- den ser tan desafiantes como las fallas que forman sellos para el desarrollo de un campo petrolero, especialmente donde esos sistemas plantean un peligro de perforación serio. Desde el comienzo de la perforación de desarrollo en el año 1970, el Campo de la Bahía de Prudhoe intensamente fallado, situado en Alaska, EUA, ha producido más de 10,000 millones de barriles [1,600 millones de m 3 ] de petróleo. A lo largo de toda la historia del campo, los problemas de pér- dida de circulación han sido comunes y han estado relacionados directamente con la canti- dad de fallas atravesadas durante la perforación de los pozos. Con el volumen sustancial de reser- vas recuperables remanentes, el desarrollo continuo por parte de BP y ConocoPhillips requiere que se perfore penetrando bloques de fallas más pequeños y atravesando más fallas con el consiguiente aumento dramático de los problemas de pérdida de circulación y la reduc- ción de la cantidad total de pies perforados registrada en los últimos años (arriba). Los problemas alcanzaron niveles críticos en el año 1998, cuando 66 de 120 pozos y re-entradas experimentaron problemas de pérdida de circula- ción, lo que se tradujo en un costo de más de US$ 10 millones. Los costos por tiempo insumido en resolver problemas incrementaron entre un 50% y un 100% los costos de construcción de pozos. En algunos casos, las tasas de pérdida superaron los
1000 bbl/h [159 m 3 /h], lo que suscitó serias preo-
cupaciones respecto de la seguridad y puso en riesgo la pérdida de los pozos. BP y ConocoPhi- llips, en ese momento Arco Alaska, consideraron diversas opciones para encarar los problemas de pérdida de circulación relacionados con la pre- sencia de fallas. El equipo a cargo de los activos del Campo de la Bahía de Prudhoe podía optar por no perforar los objetivos que planteaban ries- gos, reduciendo las opciones de desarrollo y las reservas recuperables, o bien emplear elevadas erogaciones imprevistas de perforación que habrían mitigado el problema pero a costa del conocimiento de su causa. Las compañías socias que operan el Campo de la Bahía de Prudhoe, junto con RDR, decidieron investigar la causa de los problemas de pérdida de circulación—las fallas que actúan como con- ductos para el lodo de perforación. En el Campo de la Bahía de Prudhoe, se han interpretado más de 5,400 fallas mediante levantamientos sísmicos. Las fallas oscilan en lo que respecta a longitud del rumbo entre 152 y 4,570 m [500 y 15,000 pies] con rechazos verticales que varían de 6 a 60 m [20 a 200 pies] (próxima página, extremo supe- rior). Primero se reprocesaron los datos sísmicos existentes para mejorar la interpretación de las fallas. Luego, se incorporaron las fallas mapeadas a una base de datos que incluía parámetros de fallas tales como orientación y longitud. Junto con los datos geológicos, se compilaron datos de perforación para todos los pozos del campo, inclu- yendo los volúmenes y las tasas de pérdida de circulación, y la ubicación de las pérdidas. Los datos de pozos y el ajuste de la historia de pro-
ducción también se utilizaron para adquirir un
mayor conocimiento del comportamiento de las
fallas, los ﬂuidos y los yacimientos. Si bien este
análisis ayudó a explicar el 80% de los problemas
de pérdida de circulación, también demostró que
se justiﬁcaba una exploración más detallada de
las propiedades de las rocas de falla a lo largo del
Campo de la Bahía de Prudhoe.
El análisis de distribuciones de fallas y pro-
piedades de rocas de falla basado en miles de
pies de núcleos extraídos de 14 pozos propor-
cionó la calibración necesaria para evaluar el
comportamiento de las fallas. La presencia de fracturas vacuolares abiertas en los núcleos per- mitió identiﬁcar zonas conductivas que podrían plantear riesgos de perforación potenciales. El modelado de campo completo y de los esfuerzos locales, integrado con la historia tectónica, mos- tró una orientación preferencial de las fallas conductivas paralelas a la dirección del esfuerzo local máximo. Una base de datos integrada de estilos y arquitectura de fallas, propiedades de rocas de falla y datos de pérdida de circulación facilitó el estudio de las zonas de daño por fallas y el análisis de los sellos por fallas. Las propiedades de la base de datos calibra- das con las yuxtaposiciones y las distribuciones de las rocas de falla basadas en el contenido de arcilla de las fallas individuales ayudaron a redu- cir el riesgo de perforar pozos de desarrollo en el Campo de la Bahía de Prudhoe. La planeación de pozos previa a las operaciones de perforación ahora incorpora los datos de la base de datos para evitar áreas de perforación peligrosas (próxima página, extremo inferior). Un año después de implementado este pro- yecto de caracterización de fallas integrado, se perforaron 65 pozos y re-entradas. La cantidad de pozos problemáticos, con más de 16 m 3 [100 bbl] de pérdida de ﬂuido de perforación, se redujo de un 32 a un 16% de los pozos totales. Las zonas de pérdida de circulación fueron anticipadas y expli- cadas, lo que redujo el tiempo insumido en la resolución de problemas y permitió bajar los cos- tos de perforación en 2 a 5 millones de dólares estadounidenses durante ese año. Sólo dos pozos experimentaron problemas signiﬁcativos. El cono- cimiento más acabado de las fallas presentes en el Campo de la Bahía de Prudhoe permitió redu- cir el riesgo de perforación, mejorar la planeación de pozos y aumentar la confianza del equipo a cargo de los activos en lo atinente a continuar con el desarrollo. La reducción sustancial del riesgo de perforación ha planteado objetivos de perfora- ción que alguna vez fueron considerados demasiado riesgosos, incrementando potencial- mente el volumen de reservas recuperables.
Mapa de fallas del Campo de la Bahía de Prudhoe
> La complejidad estructural del Campo de la Bahía de Prudhoe es
demostrada por un mapa de fallas que muestra un fallamiento
extensivo en gran parte del campo.
Problema complejo, respuesta simple
Las fallas y sus influencias sobre el flujo de fluido en los yacimientos constituyen una pro- blemática compleja. Los avances tecnológicos han mejorado nuestra capacidad de medir estas inﬂuencias, tanto directa como indirectamente. Las técnicas de ejecución de pruebas de pozos, el ajuste de la historia de producción y la inyec- ción de trazadores radioactivos, por ejemplo, ayudan a evaluar si existen compartimentos en el yacimiento y, en ese caso, si los compartimen- tos se encuentran comunicados o aislados. Además se utilizan herramientas de adquisición de registros de pozos y herramientas de mues- treo para evaluar rocas, fluidos y presiones de yacimiento a ﬁn de determinar la compartimen-
talización. Recientemente, los ingenieros logra- ron identificar con éxito las variaciones composicionales de los ﬂuidos relacionadas con la compartimentalización mediante la utiliza- ción la herramienta MDT de Schlumberger. 23 La evaluación, calibración y predicción de las fallas que compartimentalizan los yacimientos requie- ren un análisis sistemático que debe incluir la integración de conjuntos de datos de propieda- des medidas en núcleos convencionales con datos de pozos del subsuelo y datos de produc- ción, interpretaciones sísmicas y analogías en aﬂoramientos y en el subsuelo. Las complejidades de fallas del subsuelo pobremente resueltas pueden ser incorporadas en simuladores de ﬂujo de ﬂuido de yacimientos
de pozo previo
Falla transversal con una
relación lutita-jaboncillo alta
de la desviación
> Mejoramiento de la planeación de pozos. Con el mayor conocimiento del comportamiento de las fallas en el Campo de la Bahía de Prudhoe, las áreas con pérdidas considerables ahora pueden ser evitadas o previstas durante la perforación para alcanzar el objetivo. La información especíﬁca, tal como la relación lutita-jaboncillo a lo largo de fallas individuales, permite al equipo a cargo de los activos de las compañías identiﬁcar los puntos óptimos en los cuales atravesar las fallas para minimizar las pérdidas de lodo y reducir los costos de perforación.
utilizando los resultados de estudios detallados de analogías con aﬂoramientos. En los simulado- res, los efectos de las fallas son representados como factores de transmisividad efectiva a tra- vés de secciones definidas. La transmisividad relacionada con las fallas depende de la canti- dad de fallas, el espesor de las zonas de daño asociadas y las propiedades de las fallas, tales como la permeabilidad de las rocas de falla y las presiones umbrales. La incorporación de las propiedades de las rocas de falla provenientes de las bases de datos ha permitido mejorar el ajuste histórico y el modelado del flujo de fluido a lo largo de las fallas. 24 Estos resultados aún contienen riesgo e incertidumbre. En el análisis de sellos por fallas, siempre habrá cierta incertidumbre relacionada con la arquitectura interna de las fallas, las pro- piedades de las rocas almacén, la deﬁnición de las unidades estratigráﬁcas a partir de los levan- tamientos sísmicos, los efectos de la presión capilar y el alcance de la proyección del modelo dada la cantidad limitada de datos de pozos. Las bases de datos de propiedades de rocas de falla proveen el rango y la magnitud de la incertidum- bre que pueden incorporarse en el modelado del riesgo, por ejemplo, mediante la utilización de las técnicas de Monte Carlo. En el análisis de sellos por fallas se debe cap- turar y modelar la complejidad de las fallas, pero la respuesta ha de ser suficientemente simple como para ser utilizada efectivamente en las simulaciones de yacimientos y así reducir la incertidumbre asociada a la exploración y el desarrollo de yacimientos siliciclásticos fallados
—MGG
23. Mullins OC, Hashem M, Elshahawi H, Fujisawa G, Dong C, Betancourt S y Terabayashi T: “Hydrocarbon Compositional Analysis In Situ in Openhole Wireline Logging,” Transcripciones del 45° Simposio Anual de Adquisición de Registros de la SPWLA, Noordwijk, Países Bajos, 6 al 9 de junio de 2004, artículo FFF. Fujisawa G, Betancourt SS, Mullins OC, Torgerson T, O’Keefe M, Terabayashi T, Dong C y Eriksen KO: “Large Hydrocarbon Compositional Gradient Revealed by In-Situ Optical Spectroscopy,” artículo de la SPE 89704, presen- tado en la Conferencia y Exhibición Técnica Anual de la SPE, Houston, 26 al 29 de septiembre de 2004. Elshahawi H, Hashem M, Mullins OC, Fujisawa G, Dong C, Betancourt S y Hegeman P: “In-Situ Characterization of Formation Fluid Samples: Case Studies,” artículo de la SPE 90932, presentado en la Conferencia y Exhibición Técnica Anual de la SPE, Houston, 26 al 29 de septiembre de 2004. Betancourt S, Fujisawa G, Mullins O, Carnegie A, Dong C, Kurkjian A, Eriksen KO, Haggag M, Jaramillo AR y Terabayashi H: “Análisis de hidrocarburos en el pozo,” Oilﬁeld Review 15, no. 3 (Invierno de 2003/2004): 60–69.
24. Knai TA y Knipe RJ: “The Impact of Faults on Fluid Flow in the Heidrun Field,” en Jones G, Fisher QJ y Knipe RJ (eds): Faulting, Fault Sealing and Fluid Flow in Hydrocarbon Reservoirs: Publicación Especial de la Sociedad Geológica 147. Bath, Inglaterra: The Geological Society Publishing House (1998): 269–282.
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 artículo 2004
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