Modelado y análisis de la respuesta sísmica de medios poroelásticos fracturados

Abstract

La zona más superficial de la corteza terrestre está caracterizada por la presencia de fracturas de distintas escalas, desde fisuras en granos minerales hasta grandes fallas. Las fracturas modifican y controlan las propiedades mecánicas e hidráulicas del medio en donde se encuentran y por ello su estudio resulta de sumo interés en áreas como la hidrogeofísica, la búsqueda y explotación de reservorios hidrocarburíferos y la producción de energía geotérmica, entre otros. En este contexto, el método sísmico de prospección constituye una herramienta no invasiva de gran utilidad para la detección y caracterización in situ de fracturas en el subsuelo terrestre. Esto se debe a que la propagación de las ondas sísmicas se ve fuertemente afectada por la orientación, densidad y propiedades físicas y geométricas de las fracturas. Asimismo, al propagarse a través de un medio poroso saturado que contiene fracturas, las ondas sísmicas pueden perder energía por un proceso denominado flujo inducido por onda. Este mecanismo disipativo depende del intercambio de fluido entre las fracturas y su entorno en respuesta a la perturbación sísmica y, por lo tanto, una mejor comprensión del mismo permitiría obtener, a partir de los datos sísmicos, información de las propiedades efectivas tanto mecánicas como hidráulicas de los medios fracturados. Por este motivo es importante contar con nuevas metodologías que permitan obtener la respuesta sísmica de estos medios teniendo en cuenta dicho mecanismo y que incluyan modelos realistas de fracturas en rocas heterogéneas. El desarrollo y estudio de estas herramientas y modelos, y la comprensión de los procesos físicos involucrados constituyen los objetivos de la presente Tesis doctoral. El estudio numérico de la propagación de ondas sísmicas en medios fracturados demanda un elevado costo computacional debido a las escalas del problema y la discretización espacial requerida para su resolución. Para superar esta limitación suele emplearse una metodología conocida como "linear slip theory" en la cual la respuesta elástica de una fractura es representada a través de una discontinuidad en los desplazamientos generados por el paso de la onda sísmica. En el presente trabajo de Tesis, en primer lugar, se extendió esta metodología al caso poroelástico incluyendo los efectos producidos por flujo inducido. Para ello se emplearon ensayos numéricos oscilatorios de relajación en rocas porosas saturadas con fracturas planas paralelas y se calcularon los saltos en los valores del desplazamiento debidos a la presencia de las fracturas. En este marco, las fracturas fueron representadas como capas poroelásticas delgadas, con porosidad, permeabilidad y compresibilidad superiores a las de la roca circundante. La metodología propuesta mostró un muy buen acuerdo con simulaciones numéricas de propagación de ondas sísmicas empleando la teoría de Biot en medios con fracturas incluidas explícitamente. Dado que a través de la "linear slip theory" puede obtenerse además la respuesta sísmica anisótropa efectiva de un medio fracturado con la geometría previamente descripta, en segundo lugar se comparó esta respuesta con una obtenida considerando a las fracturas de forma explícita. A través del cálculo de la atenuación sísmica y la dispersión de velocidades se mostró que, dadas las características del flujo inducido para la geometría elegida, existen situaciones en las cuales la metodología basada en la "linear slip theory" no logra reproducir de forma precisa el comportamiento anisótropo efectivo del medio en cuestión. Como caso particular de estudio, luego se propuso un modelo que incluye regiones con elevado microfracturamiento en el entorno de las fracturas. Estas regiones, conocidas en la literatura como zonas de daño, fueron representadas como incrementos en los valores de porosidad, permeabilidad y compresibilidad de la roca circundante. A través de ensayos numéricos oscilatorios de relajación se mostró que su presencia tiende a incrementar la atenuación sísmica y la dispersión de velocidades por flujo inducido en el rango de las frecuencias sísmicas. Finalmente, dado que el aumento de permeabilidad que aportan las zonas de daño tiene un rol predominante en la respuesta sísmica, se propuso un modelo en el cual la permeabilidad varía exponencialmente en el entorno de las fracturas y se determinaron, de forma analítica, las propiedades sísmicas efectivas del medio fracturado resultante.