Outcrop/Behind Outcrop (O/BO) characterization and modelling of highly heterogeneous reservoir analogues

Resumen

Desde principios del siglo XX el petróleo y el gas han sido las fuentes de energía más importantes para el desarrollo económico mundial. A medida que los yacimientos de hidrocarburos geológicamente más simples han estado produciendo progresivamente hasta su agotamiento, la demanda de hidrocarburos ha continuado en aumento, por lo que se hace cada vez más necesario identificar, evaluar y desarrollar yacimientos más complejos y heterogéneos. Más del 90% de estos yacimientos se encuentran en rocas sedimentarias, lo que contribuye al hecho de que la investigación focalizada en la caracterización sedimentológica de rocas almacén sea cada vez más importante, tanto para la exploración de nuevos yacimientos como para la ejecución de planes de desarrollo eficiente y gestión de los yacimientos ya conocidos. Por otro lado, el nuevo paradigma de política energética y el creciente interés por el desarrollo de técnicas de captura y almacenamiento geológico de CO2 imprime un nuevo impulso a la necesidad de comprensión y control de las rocas almacén. Para interpretar correctamente la evolución de un yacimiento, ya sea desde la perspectiva de la recuperación de hidrocarburos, para el secuestro subterráneo de CO2 o para la explotación de aguas subterráneas, se hace cada vez más necesario el conocimiento detallado, en 3 dimensiones, de las heterogeneidades que presenta la roca almacén. Establecer la heterogeneidad de un yacimiento se convierte en uno de los problemas más complejos a la hora de analizar formaciones no aflorantes, ya que ésta depende de un elenco de condiciones geológicas, tales como estructura, estratigrafía, litología y facies, que condicionan la distribución de las variables petrofísicas (porosidad y permeabilidad) en el reservorio. Todas estas variables contribuyen a la heterogeneidad de la roca almacén a diferentes escalas y, por tanto, condicionan el almacenamiento y el flujo de fluidos en un yacimiento. La descripción y cuantificación de geometrías, arquitectura y heterogeneidades son fundamentales para determinar el almacenamiento y el flujo de fluidos en los yacimientos ligados a rocas sedimentarias. Sin embargo, el nivel de precisión de nuestro conocimiento, en relación con las características tridimensionales de un yacimiento y sus heterogeneidades, dependerá en gran medida de la cantidad y calidad de los datos disponibles. En este sentido, los estudios de análogos aflorantes han demostrado ser una herramienta valiosa complementando los datos del subsuelo, que a menudo son escasos y/o dispersos, con observaciones directas sobre afloramientos. Las técnicas tradicionales de recopilación de datos en el estudio de análogos aflorantes (como son, por ejemplo, el levantamiento de columnas sedimentológicas, la elaboración de mapas de facies y el establecimiento de correlaciones estratigráficas) proporcionan un invaluable conocimiento con el que caracterizar las rocas almacén en el subsuelo. Sin embargo, a menudo es difícil extraer datos cuantitativos fiables sobre las geometrías y heterogeneidades de los cuerpos sedimentarios. En este sentido, los nuevos avances en las técnicas digitales y la captura de datos para el análisis de afloramientos, como son los modelos digitales de afloramiento (DOM), están cubriendo esta brecha permitiendo la adquisición y el análisis cuantitativo, perfectamente georreferenciado, de mediciones e interpretaciones de las características geológicas de los afloramientos. Adicionalmente, cuando el estudio de análogos aflorantes se completa con información del subsuelo (como, por ejemplo, testigos de roca y diagrafías), se obtiene un conjunto de datos completo que proporciona un control preciso de la distribución de las heterogeneidades en los análogos aflorantes mediante la validación directa de datos unidimensionales (testigo de roca y diagrafías) con datos tridimensionales (datos geométricos a partir de afloramientos). Esta metodología se conoce como caracterización Outcrop/Behind Outcrop (OBO). La caracterización OBO engloba un conjunto de metodologías con un enfoque multidisciplinar, integrando datos obtenidos en afloramiento con datos procedentes de información de subsuelo, obtenida mediante la perforación de pozos y adquisición de datos geofísicos en una posición inmediatamente trasera al afloramiento seleccionado. Este enfoque integrado, que combina información de afloramiento y subsuelo, contribuye significativamente a una mejor comprensión de las características de las rocas almacén y a la interpretación de los datos de subsuelo obtenidos en yacimientos reales, normalmente ubicados a miles de metros bajo la superficie. Por otro lado, la caracterización sedimentológica de yacimientos basada en mapas de facies y las correlaciones sedimentológicas entre pozos puede ser fiable en reservorios relativamente homogéneos, pero no consiguen representar con precisión la distribución de heterogeneidades en formaciones altamente heterogéneas. En este sentido, con los avances en las capacidades computacionales que existen hoy día, este problema puede ser abordado mediante la modelización geoestadística tridimensional de yacimientos. El modelado geoestadístico de yacimientos es un proceso de construcción de una representación digital de la arquitectura tridimensional de un yacimiento y sus propiedades, mediante la integración de datos geológicos e ingenieriles, tanto descriptivos como cuantitativos. Como disciplina de rápido crecimiento en los últimos años, el modelado geoestadístico de yacimientos se ha convertido en una parte esencial en la evaluación y desarrollo de un yacimiento, tanto en proyectos de desarrollo de gran envergadura como para proyectos de yacimientos de pequeña y mediana escala, ya que el modelado y simulación de yacimientos pueden ayudar a un desarrollo más eficiente de los mismos, tanto para planificar el agotamiento y mejorar la recuperación de hidrocarburos como para estimar el almacenamiento y controlar la inyección de CO2 en el subsuelo. La caracterización sedimentológica de rocas almacén siempre ha sido clave en el modelado de yacimientos, actuando de manera efectiva en el control de la predicción de las características de la roca almacén. En este sentido, los análogos aflorantes desempeñan un papel valioso para orientar a los modeladores hacia los niveles apropiados de detalle geológico que debe representar un modelo de yacimiento, proporcionando tanto datos geométricos y dimensionales de las rocas almacén como el conocimiento y comprensión de la dinámica de los ambientes sedimentarios que dieron lugar a la roca que alberga el yacimiento. En este contexto, este proyecto de Tesis tiene como objetivo proporcionar los conjuntos de datos necesarios a partir del estudio de análogos aflorantes para mejorar significativamente el conocimiento de las variables sedimentarias que condicionan la exploración y el desarrollo óptimo de reservorios altamente heterogéneos. Estos conjuntos de datos incluyen ejemplos análogos aflorantes de sistemas fluviales, de alta y baja sinuosidad, y un sistema costero mixto influenciado por las mareas y el oleaje. Este proyecto integra tanto datos de afloramiento como de subsuelo, proporcionando en última instancia flujos de trabajo de modelado de yacimientos para reproducir la distribución de heterogeneidades en este tipo de yacimientos. Los afloramientos seleccionados para este estudio corresponden a una sucesión Triásica expuesta en el sureste de España (el Triásico de Capas Rojas de la Cobertera Tabular de la Meseta Ibérica o TIBEM). La sucesión del TIBEM estudiada, ubicada en las inmediaciones del pueblo de Alcaraz (provincia de Albacete), comprende tanto depósitos sedimentarios fluviales como costeros. La sucesión sedimentaria, de casi 160 m de espesor en el área de estudio, se divide en cuatro unidades litoestratigráficas informales que, de base a techo, son: (i) unidad lutítico-arenosa (Unidad M-S), formada por sistemas fluviales de alta sinuosidad y sus depósitos de desbordamiento asociados embebidos en lutitas de llanura de inundación; (ii) unidad arenosa (Unidad S), caracterizada por un sistema fluvial de baja sinuosidad; unidad heterolítica (Unidad H), que comprende capas alternas de areniscas y lutitas depositadas en una zona de transición fluvio-marina; y (iv) unidad lutítico-evaporítica (Unidad M-E), caracterizada por depósitos de llanura costera rica en lutitas y evaporitas típicas de ambientes de sabkha intermareal. La sucesión del TIBEM seleccionada no es la más completa de esta formación, sin embargo, corresponde al que puede considerarse como un afloramiento análogo para varios reservorios subterráneos actualmente productivos, como es el caso del almacén TAGI (Trias Argilo-Gréseux Inférieur) en Argelia. Ambas formaciones resultan de la erosión de terrenos Paleozoicos graníticos y metamórficos durante el Triásico Medio-Superior y son depositados bajo unas condiciones climáticas, de nivel de base y tectónica similares. La arquitectura de cuenca, en ambos casos, muestra patrones de apilamiento de facies fluviales muy parecidos, que varían desde sistemas fluviales de alta sinuosidad hasta sistemas fluviales trenzados, evolucionando hacia el techo a depósitos marinos poco profundos (barras de mareas y depósitos costeros). El flujo de trabajo diseñado para el desarrollo de esta investigación comprende dos elementos clave: (1) la metodología Outcrop/Behind Outcrop (OBO) para la adquisición de datos y (2) el modelado geoestadístico de yacimientos a partir de estos datos que suman información de afloramiento y de subsuelo. A través de la aplicación de la metodología OBO se llevó a cabo un trabajo de campo clásico sobre los afloramientos seleccionados, basado en la identificación y descripción de los principales geocuerpos sedimentarios en términos de geometría, análisis de facies y relación vertical con otros geocuerpos. Además, se realizó la construcción de modelos digitales de los afloramientos (DOMs) a través de fotogrametría con RPAS (Remote Piloted Aircraft System, normalmente conocido como dron), con el objetivo de completar la información de campo, así como para poder georreferenciar todos los datos clave de los afloramientos estudiados. El estudio complementario del subsuelo consistió, principalmente, en la adquisición tanto de testigos de roca como de diagrafías (rayos gamma natural y espectral e imágenes óptica y acústica de las paredes del pozo) mediante la perforación de un total de 15 pozos ubicados directamente detrás de los afloramientos seleccionados. Adicionalmente, también se utilizaron técnicas geofísicas como GPR (Ground Penetrating Radar, Georradar) para proporcionar un conjunto de datos subterráneo más completo. A través de la integración de datos, tanto de afloramiento como del subsuelo (caracterización OBO), se establecieron las características clave, que ayudan a la identificación de los geocuerpos sedimentarios, así como a la distribución espacial de sus heterogeneidades, generando modelos conceptuales cuantitativos y mapas paleogeográficos que representan la distribución de los geocuerpos identificados. La caracterización OBO proporcionó los datos de entrada necesarios para el segundo elemento clave del estudio: el modelado geoestadístico de yacimientos. Este proceso de modelado incluyó la construcción de un modelo estratigráfico y la determinación de las distribuciones espaciales de facies mediante técnicas geoestadísticas. En este trabajo se utilizaron dos algoritmos de simulación estocástica para el modelado de facies: (1) modelado basado en objetos y (2) modelado basado en estadísticas multipunto. La primera parte de esta investigación se ha centrado en la caracterización OBO de la sucesión estudiada para tratar de extraer las propiedades geométricas y dimensionales de los geocuerpos sedimentarios que comprenden las Unidades lutítico-arenosa (Unidad M-S), arenosa (Unidad S) y heterolítica (Unidad H), reconocer la variabilidad lateral y vertical de las heterogeneidades a escala de litofacies, y generar modelos conceptuales cuantitativos y reconstrucciones paleogeográficas que representen la variabilidad lateral y vertical de las heterogeneidades que componen los geocuerpos sedimentarios identificados. Los resultados obtenidos a través de la caracterización OBO en la Unidad M-S muestran que esta unidad está compuesta por el apilamiento lateral y vertical de cuatro tipos de geocuerpos: (i) geocuerpos arenosos canalizados; (ii) geocuerpos arenosos sigmoidales; (iii) geocuerpos arenosos lobulares y (iv) geocuerpos lutíticos tabulares. Estos geocuerpos representan, respectivamente, los subambientes de canal meandriforme, point bar, crevasse-splay y llanura de inundación; dentro de un sistema fluvial de alta sinuosidad distal de bajo gradiente. La integración de los conjuntos de datos de afloramiento y subsuelo ha permitido la generación de un modelo conceptual robusto y con potencial predictivo ya que establece patrones de apilamiento tridimensional de facies, de distribución de heterogeneidades y de conectividad entre los geocuerpos de roca almacén, tanto los que son de interés primario (canal) como secundario (crevasse-splay) en este tipo de almacén de origen fluvial. En la Unidad S se identificaron dos tipos de geocuerpos: (i) canal y (ii) barra compuesta. Estos geocuerpos representan un sistema fluvial de baja sinuosidad (trenzado). A través de la integración de datos de afloramiento y subsuelo de esta unidad se propone una reconstrucción paleogeográfica detallada, que incluye las dimensiones y distribución espacial de los principales geocuerpos identificados, así como las características clave en testigo de roca, registro de rayos gamma y patrones de paleocorrientes que ayudan a identificar este tipo de yacimientos. Por último, la Unidad H está caracterizada por depósitos de un sistema costero mixto, influenciado por las mareas y el oleaje. En esta unidad se identificaron 3 tipos de geocuerpos almacén: (i) geocuerpos elongados, asociados con barras intermareales y submareales; (ii) geocuerpos sigmoidales, caracterizados por facies típicas de point bars mareales; y (iii) geocuerpos tabulares asociados con depósitos hiperpícnicos o con depósitos de shoreface. La integración de datos de afloramiento y subsuelo en esta unidad ha posibilitado la generación de un modelo conceptual predictivo, basado en el análisis de facies, que a través de su integración en un marco secuencial estratigráfico nos ha permitido determinar el desarrollo temporal del sistema, en respuesta al equilibrio cambiante entre los procesos de la costa y su impacto tanto en las geometrías de los geocuerpos resultantes de la dinámica litoral como en el potencial de la roca almacén a la que dan lugar. La segunda parte de esta investigación se ha centrado en el modelado geoestadístico de la Unidad M-S, caracterizada por un sistema fluvial de alta sinuosidad. Un elemento crítico en esta parte de la investigación fue el diseño de flujos de trabajo de modelado apropiados con el software específico PetrelTM capaces de reproducir con un alto grado de detalle, la distribución de heterogeneidades, tanto a escala de geocuerpos sedimentarios como a escala de litofacies, mediante el uso de técnicas de modelado basadas en objetos y cálculos de declaraciones lógicas. El flujo de trabajo a escala de geocuerpos sedimentarios diseñado se utilizó para la construcción de una imagen de entrenamiento tridimensional (Training Image – TI) de un yacimiento fluvial de alta sinuosidad, compuesto por un sistema de canales meandriformes y sus depósitos de desbordamiento asociados. Esta TI fue utilizada como patrón matemático para realizar la simulación mediante estadísticas multipunto (MPS), con el fin de establecer cómo esta TI puede ayudar en la predicción de los geocuerpos almacén, así como confirmar en qué medida esta predicción coincide con el afloramiento. Los resultados obtenidos a partir de las simulaciones MPS muestran unas buenas predicciones para los geocuerpos en todo el marco del modelo, con valores medios de coincidencia con el afloramiento que oscilan entre el 15% y el 44%. El flujo de trabajo de modelado a escala de litofacies fue utilizado para estimar la conectividad estática del yacimiento que representa la Unidad M-S. Los resultados revelan la importancia de considerar tanto los geocuerpos de point bar como los geocuerpos de crevasse-splay, adicionalmente al geocuerpo de canal, en la evaluación de la conectividad estática de un yacimiento de este tipo. El flujo de trabajo multidisciplinar desarrollado en esta Tesis pone de manifiesto la importancia de los estudios focalizados en la caracterización sedimentológica de análogos aflorantes para profundizar en el conocimiento de los yacimientos de hidrocarburos en rocas sedimentarias. Mediante el estudio integrado de datos derivados de afloramiento y subsuelo se han podido elaborar modelos conceptuales cuantitativos que han demostrado ser de gran utilidad en el modelado geoestadístico de yacimientos, especialmente a la hora de diseñar estrategias de modelado y de producir imágenes de entrenamiento exportables y que sirvan de entrada en el modelado de facies en yacimientos reales mediante la técnica MPS. Además, los avances técnicos recientes en la caracterización digital de afloramientos y la captura de datos han demostrado ser una herramienta eficaz que no solo permite extraer una información valiosa de los afloramientos, sino que también conduce a un análisis preciso de la incertidumbre de los resultados del modelado.