APEC-CFE Workshop for IntroducingCO2 Geological Storage in Earth Sciences Undergraduate Programs

27-28 June 2012Mexico City

APEC-CFE Workshop for IntroducingCO2 Geological Storage in Earth Sciences Undergraduate Programs

27-28 June 2012Mexico City

Geomecánica y Geofísica en sitios de almacenamiento geológico de

CO2Modesto Montoto/Oscar Jiménez

Ex-Director del Programa de Almacenamiento Geológico de CO2

Fundación Ciudad de la Energía (España)Prof. Honorario. Universidad de Oviedo (Oviedo, España)

OBJETIVO

2

• Aclaración de conceptos.• Elementos de geomecánica.• Principales métodos geofísicos.• Importancia de los estudios de sitio.

CONTENIDO• INTRODUCCIÓN

- Generalidades y conceptos básicos

• GEOMECÁNICA- Esfuerzos-deformación-fracturas-fallas- Presión de poro-Modelo geomecánico

• MÉTODOS GEOFÍSICOS- Microsismicidad -Eléctrico -Magnetotelúrico -Logging- Sísmica de reflexión -Gravimétrico -Radar de penetración

• CONCLUSIONES Y PREGUNTAS

3

ESLABONES DE ESTUDIO

4

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

5

ESCALAS DE TRABAJO Y NIVELES DE RESOLUCIÓN

ALMACÉN GEOLÓGICO – MODELO GEOLÓGICO-GEOFÍSICO

6

INTRODUCCIÓN

ALMACENAMIENTO GEOLÓGICO DE CO2

• n

ALMACENAMIENTO GEOLÓGICO DE CO2

El complejo almacén (antes y después)Características sismotectónicas, estructurales, litológicas,

físicas y químicas:Roca/s almacén y fluidosRoca/s selloDiscontinuidades de macizoMacizos rocosos “Dual porosity medium”Presión de confinamiento - Presión de poroTemperaturaCaracterísticas ambientales

7

INTRODUCCIÓN

LÍNEA BASE

• DOS PREGUNTAS:

• ¿Cómo se consigue inyectar CO2 en el reservorio?

• ¿Cómo reacciona el complejo almacén durante y después de la inyección de CO2?

• Esencialmente:• Deformaciones mecánicas• Reacciones geoquímicas

8

INTRODUCCIÓN

ANTE LA REACCIÓN DEL COMPLEJO ALMACÉN:

Las preguntas clave Los requisitos fundamentales

La garantía sobre:

Seguridad y eficiencia del reservorio

Estanqueidad y estabilidad mecánica

Inyectabilidad durante toda la etapa operativa

9

INTRODUCCIÓN

10

INTRODUCCIÓNLAS RESPUESTAS TECNOLÓGICAS:

¿Qué tipo de información interesa obtener permanentemente?

¿Cómo obtenerla?

¿Bajo qué principios científicos?

Monitorización

Técnicas de caracterización y de monitorización

Principios físicos más adecuados para obtener tal información

11

Investigaciones geomecánicas y

geofísicas: adquisición de diversos parámetros

físicosdel interior del

medio geológico.

La información que proporcionan esos

parámetros está condicionada por las

propiedades físicas de ese medio geológico.

La correcta interpretación de esa información,

permitirá caracterizar ese medio geológico.

INTERPRETACIÓN DEL MEDIO GEOLÓGICO: EL MODELO

INTRODUCCIÓN

12

GEOMECÁNICADisciplina que estudia las características mecánicas de los materialesgeológicos. Se basa en los conceptos y teorías de la mecánica de rocasy la mecánica de suelos.

Se trata de una relación de comportamiento entre el materialgeológico y los cambios de esfuerzo producidos por fenómenosnaturales y actividades humanas (por ejemplo, sismos, movimiento defluidos, operaciones petroleras de perforación, producción de pozos,inyección de fluidos, etcétera).

Los estudios de geomecánica son un combinado de resultadosprocedentes de la observación, la descripción, y los experimentos decampo y laboratorio conjuntamente con soluciones analíticas y demodelado que resuelven problemáticas particulares.

13

• Presencia de fallas y fracturas.

• Movimiento de fallas.• Sismicidad.• Tipo de estados de

esfuerzos.• Comportamiento

petrofísico de los materiales rocosos.

GEODINÁMICA

Heidback et. al., 2008

14

GEOMECÁNICALos materiales geológicos están compuestos por fases sólidas y fluidas, las cuales interactúancuando el macizo rocoso es sometido a esfuerzos extremos efectivos. Así, se producen, porejemplo, esfuerzos inter-granulares, presiones de poro, reacciones químicas, etc.

Los esfuerzos aplicados controlan el comportamiento mecánicode los materiales, el cual se expresa en cambios medibles decompresión, distorsión, resistencia, recristalización, cambios deporosidad y permeabilidad, entre otros más.

Es muy importante considerar que los materiales geológicos presentan característicasparticulares que no son constantes, pues dependen de la localidad geográfica y geológica,de la profundidad a la que se encuentren, del clima, del tiempo y frecuencia en la que hanestado sometidos a presiones y, desde luego, a su historia geológica pasada.

Los materiales geológicos no presentan un comportamientoúnico y lineal, por lo cual se requieren muestras que sonanalizadas por medio de una gran variedad de ensayos delaboratorio y pruebas de campo.

15

PRINCIPIOS DE LA FÍSICA TEÓRICA APLICADOS A LAS ROCAS: PROBLEMAS

No homogeneidadDiscontinuidades internasAnisotropíasLímites geométricos

HomogéneosContinuosIsótroposSin límites

Las rocas como materiales,se caracterizan por:

Difícil aplicación de losprincipios básicos de la

física teórica queconsidera materiales:

GEOMECÁNICA

16

CONSIDERACIONES PETROFÍSICAS BÁSICAS

AnisotropyInhomogeneity

distance (mm)

Property max.

min.

Different values in different zones

Different values along different directions

GEOMECÁNICA

17

HETEROGENEIDAD: variaciones de textura, composición de la roca, mineralogía, granulometría, etc.

GEOMECÁNICA

18

Altered and recrystallizedlimestone.

Oolithes removed by solution.Pathway followed by the first arrival

vE-R = 3.133m/s

Idealpathway

ER

dE-R = 20.5cmvE-R = 3.416m/s

Δv = 9 %

dE-R = 21cmvE-R = 3500m/sΔv = 12 %

Assumedpathways

E

R

dE-R = 18.8cm

tE-R = 60μs

GEOMECÁNICA

19

Ningún científico piensa con fórmulas.

Antes de que el físico comience a calcular,debe tener en su cerebro

el curso de los acontecimientos.

Estos últimos, en la mayoría de los casos,pueden ser expuestos con palabras claras y sencillas.

Los cálculos y las fórmulas constituyen el paso siguiente.Albert Einstein

GEOMECÁNICA

20

GEOMECÁNICAACONTECIMIENTOS de los macizos rocosos

de interés en Ingeniería del terreno:

Estructura y litología Discontinuidades de macizo Tipos Función hidráulica y mecánica Propiedades físicas

Circulación del agua Tensiones del terreno Propiedades físicas macizo/roca matriz

Escalas: macizo/roca matriz

21

EscalasEstudio

Experimentación

Métodos

Macizo“Intact rock” o “Roca matriz”

Directos - Indirectos

Destructivos - No destruct.

RealReducida

Obtencióninformación Modelos

teóricos

PROPIEDADES FÍSICAS DE MATERIALES GEOLÓGICOS PLANTEAMIENTO GENERAL

InhomogeneidadAnisotropías

DiscontinuidadesCarácter polifásico

Dificultad

GEOMECÁNICA

221

ADQUISICIÓN DE DATOS GEOLÓGICOS Y PETROFÍSICOS DE DIFERENTES FUENTES Y TÉCNICAS.

Compilación y compra de documentación en línea.

Geología de campo desde imágenes hasta …

Estudios microscópicos: evaluación del espacio poroso, rutas de flujo de agua, textura de la roca, composición mineralógica, grado de intemperismo.

GEOMECÁNICA

… análisis y muestreo directos en el terreno.

23231

Ejemplo de núcleo de roca(izquierda) y de las imágeneslog “unrolled” de las paredesdel pozo (óptica, centro yacústica, derecha).

Caracterización denúcleos de roca yperfiles petrofísicosen escala mm-cm.

Estudios preliminares en núcleosde roca a partir de imágenesacústicas y ópticas de los núcleos yparedes de los pozos perforados.

GEOMECÁNICA

24

GEOMECÁNICA

Rock discontinuities

Rock massif

Rock matrix

Two scales in Rock

Engineering

25

Pruebas destructivas y no-destructivas(non-destructive tests: NDT) (perfil ultrasónico a lo largo del núcleo de roca) para evaluar las propiedades

físicas de acuerdo a normas y procedimientos estándares.

1

5000

5200

5400

5600

5800

6000

6200

0 2 4 6 8 10 12

cm

Vp (m

/s)

EJE 1 EJE 2 EJE 3 EJE 4

FeO

Análisis microscópicos de barrido y geoquímicos que incluyen μ-mapeo de

elementos químicos.

LA COMPILACIÓN Y ANÁLISIS DE TODOS LOS DATOS ASÍ OBTENIDOS APORTA LA

GEOMECÁNICA

CARACTERIZACIÓN PETROFÍSICA DE LA MATRÍZ DEL MACIZO ROCOSO DEL SITIO CANDIDATO

26

GEOMECÁNICAPERFORACIÓN DE POZOS

27

POZOS DE PRUEBA SOBRE PARÁMETROS DE INYECCIÓN, GEOFÍSICA Y MUESTREO.

GEOMECÁNICA E INYECCIÓNINSTRUMENTACIÓN Y PRUEBA EN POZOS

28

GEOMECÁNICA e INYECCIÓN

29

MODELADO EN LABORATORIO DE PARÁMETROS DE INYECCIÓN.

GEOMECÁNICA e INYECCIÓN

30

GEOFÍSICA

+¿DESDE DÓNDE SE OBTIENE LA INFORMACIÓN?

Aeroportada, Barcos, Superficie, Profundidad, Campo próximo en las paredes de sondeos – Logging.

Estudio de la Tierra a partir de métodos cuantitativos físicos basados en la medición de campos naturales (gravitacional, magnéticos terrestres, eléctricos, entre otros), e inducidos por el hombre (eléctricos, sísmicos, etcétera).

+¿CÓMO SE OBTIENE?

Diferentes tipos y tamaños de arreglos (redes) según la técnica de análisis, la escala y de la profundidad del objeto de estudio.

+¿QUÉ TIPO DE “SEÑALES” SE OBTIENEN?

Generación - Transmisión - Recepción - Procesado

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Las principales técnicas utilizadas para eventos naturales e inducidos, son:

1.Métodos sísmicos tales como sismología de reflexión, sísmica de refracción y tomografía sísmica.2.Técnicas de sismicidad incluyendo sismicidad de temblores y sismicidad inducida.3.Técnicas magnéticas que incluyen estudios aeromagnéticos.4.Técnicas eléctricas como tomografía de resistividad eléctrica y polarización inducida.5.Técnicas electromagnéticas tales como magneto telúrico y radar de penetración terrestre.6.Técnica gravimétrica como gradiometría de gravedad.7. Registros geofísicos de pozo (“well logging”).8.Técnicas de Sensores Remotos incluyendo análisis hiperespectral.

Usos y aplicación:La exploración geofísica se encarga de hacer la cartografía de estructuras del subsuelo, la distribución espacial de las unidades de roca, detectar fallas, pliegues y cuerpos intrusivosde roca, detectar propiedades petrofísicas de materiales geológicos, entre otras más. Tienen una amplia aplicación en la industria petrolera, en la geotecnia, geohidrología y estudios de impacto ambiental. http://en.wikipedia.org/wiki/Exploration_geophysics

GEOFÍSICA

32

GEOFÍSICAGeological mapping

Geophysical survey

Ground penetrating radar cost

Magnetic cost

Gravity cost

Seismic cost

Boreholes & logging

Cross-hole - Tomography cost

Site investigationFieldwork

Geophysical surveys

Two main uses in site investigation Filling in detail between

boreholes after drilling

Searching a large area for anomalies before drilling

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GEOFÍSICA Y PETROFÍSICAMethod Measured parameter Operative

physical property

Seismic Travel times of reflected/refractedseismic waves

Density and elastic moduli, (which control the velocity

of seismic waves)

Gravity Spatial variations in the strength of the gravitational field of the Earth Density

Magnetic Spatial variations in the strength of the geomagnetic field

Magnetic susceptibility and remanence

Electrical

Resistivity Earth resistance Electrical conductivity

Electromagnetic Response to electromagnetic radiation

Electrical conductivity and inductance

Radar Travel times of reflected radar pulses Dielectric constant

34

GEOFÍSICA

SISMOLOGÍA. Método en el que se generan ondas sísmicas en el terreno. La velocidad de propagación de las ondas sísmicas depende de las características de deformación del terreno por donde pasan dichas ondas.

ALGUNOS EJEMPLOS DE MÉTODOS GEOFÍSICOS

35

Envío y recepción de señales sísmicasProcesado y visualización de las

señales sísmicas recibidas.Obtención de “imágenes sísmicas”

Inicio de la caracterización del medio geológico

M. Montoto - Universidad de Oviedo (España)

GEOFÍSICASISMOLOGÍA DE REFLEXIÓN

36

GEOFÍSICA

SISMOLOGÍA DE REFLEXIÓN

37

Cortesía: Prof. A. Pérez-Estaún y R. Carbonell. IJA CSIC (Barcelona, España)

EJEMPLO DE APLICACIÓN DE SÍSMICA DE REFLEXIÓN

Información de interés geológico que

aporta

¿Hay otras técnicas que puedan

proporcionar este tipo de información

geológica?

GEOFÍSICA

38

Cortesía: Prof. A. Pérez-Estaún y R. Carbonell. IJA CSIC (Barcelona, España)

¿Hay otras técnicas que puedan

proporcionar este tipo de información

geológica?

EJEMPLO DE APLICACIÓN DE SÍSMICA DE REFLEXIÓN

Evolución de la pluma de CO2

inyectado en Sleipner

GEOFÍSICA

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GEOFÍSICASISMICIDAD NATURAL Y SISMICIDAD INDUCIDA: Los sismos sonmovimientos convulsivos en el interior de la tierra los cuales generan unaliberación repentina de energía que se propaga en forma de ondas y provocanel movimiento del terreno.

Un sismograma es una gráfica que representa una liberación de energía potencial elástica acumulada por deformación gradual de las rocas contiguas, al superar el estado de equilibrio mecánico.

40

TRANSIT OF DEFORMATION THROUGH AN ELASTIC MEDIUMPropagation of ultrasonic waves

Alternatedsequences of:

CompressionExpansion

Shearing

P wavesCompressive

S wavesShearingM

. Mon

toto

-U

nive

rsid

ad d

e O

vied

o (E

spañ

a)GEOFÍSICA

41

GEOFÍSICASISMICIDAD NATURAL Y DEFORMACIÓN DE LA CORTEZA TERRESTRE

Heidback et. al., 2008

Y ESCTRUCTURAS PREEXISTENTES

42

GEOFÍSICASISMICIDAD INDUCIDA: Herramienta geofísica para caracterización y monitorización

Información de interés que aportan en

almacenamiento geológico de CO2

Si debido a la presión de inyección del CO2, se está produciendo fisuración o reactivación de fisuras preexistentes.

Posición espacial de tales fisuraciones.

Evolución del estado tensional en el seno del complejo almacén.

43

GEOFÍSICA

Actividad microsísmica

Deformación

Esfu

erzo

AE/MS

ε

σ

SISMICIDAD INDUCIDA =MICROSÍSMICAEsfuerzo - Deformación - Actividad

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GEOFÍSICA

Actividad microsísmica

Deformación

Esfu

erzo

AE/MS

ε

σ

Emisión Acústica / Actividad MicrosísmicaAcoustic Emission / Microseismic Activity (AE/MS)

FundamentalCorrecta “lectura petrofísica” de las

curvasEsfuerzo - deformación

Esfuerzo - AE/MSPermite entender y predecir la“cinética de fractura del medio

rocoso”

Esfuerzo - Deformación - Actividad Microsísmica

45

GEOFÍSICA

Actividad microsísmica

Deformación

Esfu

erzo

AE/MS

ε

σ

Emisión Acústica / Actividad Microsísmica

Fundamental

Correcta “lectura petrofísica” de las curvas Esfuerzo - deformación

Esfuerzo - AE/MS

Puede monitorizarse la evolución del estado tensional de fracturas problemáticas durante la inyección del CO2 y, como no, la aparición de

nuevas fracturas

Esfuerzo - Deformación - Actividad Microsísmica

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GEOFÍSICA“Seguimiento petrofísico”

de lacinética de fractura

en granito(“intact rock”)

medianteactividad microsísmica

AE/MS

2 4 6

5 10 15 20

20

80

60

40

AE

εT(-)

εL(+)

ε [μd x 103]

σ a (M

Pa)

AE/MS (counts x 104)

Montoto, M. et al., (1984)

Evolución del microfracturamiento de la

roca y de la emisión acústica

47

Time

Stra

in (μ

E)

0

200

400

600

800

0

500

1000

1500

5 10

e1eV

e2

(days)

Continental Deep Drilling Program (FGR)2231.5 m depth

Cum

ulat

ive

AE

coun

ts2000

Lamprophyre

Relajación tensional en testigos de sondeoDeformación y actividad microsísmica

(modified)After Wolter, 1990

Determinación de “stress relief cracks”

GEOFÍSICA

48

GEOFÍSICA

49

GEOFÍSICAMAGNETOMETRÍA: Método geofísico mediante el cual se mide lacomponente vertical del campo magnético terrestre, es usado en áreas deestructuras geológicas complejas, y ayuda a determinar la configuración delbasamento en el subsuelo.

50

GEOFÍSICAGRAVIMETRÍA : Una anomalía de gravedad se define como la variación de los valores medidos de la gravedad con respecto a la gravedad normal después de haber aplicado las correcciones necesarias.

51

GEOFÍSICAELÉCTRICA: los métodos geoeléctricos se basan en la conductividad o la resistividad eléctrica de las rocas, las cuales son propiedades de los materiales geológicos.

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GEOFÍSICARADAR DE PENETRACIÓN TERRESTRE: Es conocido comúnmente como GPR y se trata de un método electromagnético de alta frecuencia (de 50 a 1600 MHz) con capacidad de adquirir gran cantidad de información en un período corto de tiempo.

El sistema genera una imagen del subsuelo (radargrama) que a primera vista se asemeja a la obtenida por un sonar para determinar la profundidad del agua y/o bien a la de una sección sísmica obtenida mediante detonaciones impulsivas en superficie.

Sin embargo, el GPR utiliza como fuente transmisora una antena electromagnética emitiendo una señal a una frecuencia fija que puede penetrar sedimentos, roca, concreto, hielo u otros tipos de materiales naturales o artificiales, convirtiéndolo en un método de gran utilidad en aplicaciones geotécnicas y de estudios medio ambientales.

53

MAGNETOTELÚRICO: El método (MT) es una técnica que consiste en medir desde la superficie las fluctuaciones temporales de los campos electromagnéticos naturales de la Tierra (tormentas eléctricas, corrientes ionosféricas) y determinar la distribución de la resistividad eléctrica en función de la frecuencia (periodo) con respecto a la profundidad, desde los primeros metros hasta decenas de Kilómetros.

GEOFÍSICA

A partir de les relaciones lineales entre las componentes del campo eléctrico y magnético, se obtiene un modelo de resistividades eléctricas del subsuelo.

54

GEOFÍSICA

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GEOFÍSICA

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GEOFÍSICA

57

GEOFÍSICA

58

CONCLUSIONES

59

González de Vallejo, L. I., Ferrer, M., Ortuño, L., Oteo, C. (2002). "Ingeniería Geológica". Prentice Hall, ISBN 84- 205-3104-9.

Montoto, M. (2003)."Petrophysics at the rock matrix scale: hydraulic properties and petrographicinterpretation".Publicación Técnica nº 11/03. ENRESA (Madrid). ISSN: 1134- 380X

Arno, Zang y Ove. Stephansson (2008). Stress Field of the Earth's Crust. Springer, ISBN 978-1-4020-8443-0

REFERENCIAS

60

¡MUCHAS GRACIAS!

modesto.montoto@ciuden.es