Modelado y análisis de la respuesta sísmica de rocas heterogéneas saturadas por fluidos inmiscibles

Abstract

En el marco de la Geofísica Aplicada y Ambiental, un gran número de actividades involucran la inyección o extracción de fluidos en la corteza terrestre, tales como, la explotación o recuperación secundaria de hidrocarburos, la remediación de acuíferos contaminados, o la captura de CO2 en repositorios geológicos. En este contexto, resulta de vital importancia el desarrollo de nuevas metodologías que permitan caracterizar la distribución espacial de los fluidos porales involucrados y monitorear su evolución temporal. El método sísmico de prospección tiene un gran potencial para lograr este objetivo debido a que las propiedades de las ondas sísmicas pueden ser sensibles a las características de los fluidos porales. En particular, cuando un campo de ondas sísmicas viaja a través de un medio saturado con distribuciones heterogéneas de fluidos inmiscibles, las ondas pueden perder energía debido a un mecanismo conocido como flujo inducido por onda. Este mecanismo de disipación está siendo ampliamente estudiado, ya que un mayor entendimiento del mismo podría permitir una caracterización detallada de la distribución de fluidos y de las propiedades hidromecánicas del subsuelo a partir del dato sísmico. Los modelos empleados para este propósito están basados en la teoría de la poroelasticidad y suelen considerar escenarios donde las rocas se encuentran saturadas por distribuciones binarias de fluidos inmiscibles. Este tipo de distribución de fluidos no responde a las leyes de flujo en medios porosos y, por ello, las firmas sísmicas derivadas pueden conducir a estimaciones erróneas de las propiedades de los medios estudiados. En consecuencia, es preciso generar modelos más realistas para evaluar el impacto y las características de este mecanismo de disipación en rocas parcialmente saturadas. En el presente trabajo de Tesis se estudia la atenuación y dispersión de las ondas sísmicas por flujo inducido en rocas saturadas por distribuciones realistas de fluidos. Para ello, es necesario modelar adecuadamente tanto la respuesta sísmica como los campos de saturación. Con este objetivo, en primer lugar, se presenta una metodología original para calcular la atenuación por flujo inducido que se encuentra completamente basada en la teoría de la poroelasticidad. Esta metodología permite validar la hipótesis de sólido viscoelástico equivalente, usualmente empleada en la literatura, y brinda herramientas para explorar la contribución local de las diferentes regiones del medio a la atenuación total. En segundo lugar, se estudia la atenuación y dispersión de ondas sísmicas en presencia de campos de saturación realistas. Para ello, se resuelven las ecuaciones de flujo bifásico en medios porosos mediante un método de elementos finitos. Como caso particular de estudio, se analiza la atenuación y dispersión durante un proceso de imbibición. Se observa que las firmas sísmicas son sensibles a los contrastes de compresibilidad generados por el frente de saturación y por ciertas zonas aisladas con alta saturación de agua rodeadas por mezclas de agua y gas. Asimismo, la tasa de inyección del proceso de imbibición afecta significativamente al comportamiento de la atenuación y la velocidad de las ondas sísmicas. Finalmente, se evalúa la capacidad de los modelos binarios de saturación, comúnmente empleados en la literatura, para representar la respuesta sísmica de medios parcialmente saturados. Se demuestra que las estimaciones obtenidas por medio de modelos binarios de saturación no son capaces de representar, de forma simultánea, los niveles de atenuación y dispersión, el nivel de saturación global, y la frecuencia crítica de la muestra saturada de forma realista. Los aportes realizados en este trabajo de Tesis muestran la importancia de considerar campos de saturación realistas al determinar los efectos de flujo inducido en rocas parcialmente saturadas. En particular, un modelado más realista de los procesos de flujo y de la respuesta sísmica asociada podrían permitir alcanzar algunos de los objetivos centrales de la Geofísica Aplicada y Ambiental, tales como, la determinación de la distribución espacial y de la evolución temporal de los fluidos alojados en el subsuelo.