Estimación de imágenes de anomalías de velocidad, dispersores y campo de esfuerzos locales a partir del análisis de sismicidad generada en yacimientos de hidrocarburos en Colombia

Abstract

La información producto del monitoreo sismológico de campos de hidrocarburos se ha convertido en una herramienta y fuente de información importante para determinar bajo qué circunstancias las operaciones de explotación de campos de hidrocarburos inciden en la alteración del estado natural de los parámetros elásticos de las rocas y el flujo de fluidos al interior de los yacimientos. En Colombia no ha existido una política que demande el monitoreo sismológico de campos de hidrocarburos, y el poco que ha podido ser realizado aún no ha sido ni procesado ni analizado en su totalidad. En este contexto hay un rezago respecto a la adquisición de data, análisis y apropiación de conocimiento sobre el subsuelo del país, y por ende un bajo entendimiento de los fenómenos físicos resultado de operaciones industriales. Esta tesis se convierte en un primer paso para llenar este vacío, al hacer uso de la información disponible de los terremotos registrados desde 1993 hasta 2018 por el Servicio Geológico Colombiano (SGC), para proponer un modelo geodinámico de la esquina NW de Sur América, el primer modelo a tomografía de anisotropía sísmica para la corteza de Colombia, la primera valoración de los posibles mecanismos de activación de sismicidad antropogénica producto de la inyección de agua en yacimientos disposal en el campo de mayor producción de crudo pesado del país, y finalmente la caracterización de estructuras disipadoras de energía sísmica en yacimientos de hidrocarburos. En el Capítulo 1 se describe en detalle el problema, su planteamiento, la justificación y la motivación de esta disertación. Igualmente se exponen los principios y antecedentes fundamentales bajo los cuales se ha venido construyendo el fundamento teórico asociado a la sismicidad antropogénica. En el Capítulo 2 se hace un estudio de sismicidad regional de la esquina NW de Sur América para estimar tomografías de velocidad de Vp y Vs de la corteza y el manto superior, distribución de anomalías Vp/Vs en al manto superior y el mapeo de vectores de anisotropía azimutal de onda P de la corteza. Este Capítulo ha sido sometido en la revista Seismological Research Letters (SRL). En el Capítulo 3 se analiza la causalidad entre la producción de crudo pesado y sismicidad registrada en inmediaciones de un campo de la Cuenca de los Llanos Orientales de Colombia. Se utilizó la información reportada de los eventos para calcular mecanismos focales y determinar el tipo de fallamiento. Se estimó la energía radiada de los eventos de mayor magnitud para caracterizar los procesos de ruptura y determinar las propiedades de las fracturas generadas, incluidas la orientación, trayectoria y velocidad. Este Capítulo fue publicado en la revista Journal of South American Earth Sciences. En el Capítulo 4 se determinó que la secuencia de eventos en el Campo de estudio (Capitulo 3) era el resultado de la liberación de la energía elástica almacenada en el yacimiento debido a la acción continua del trabajo ejercido por la inyección de agua en yacimientos disposal. Un análisis hidromecánico permitió determinar que la eficiencia energética del ciclo de inyección es baja en comparación con otras operaciones de inyección documentadas, permitiendo que la inyección a largo plazo de grandes volúmenes no haya dado lugar a eventos más importantes. Este Capítulo fue publicado en la revista Geophysical Journal International. En el capítulo 5, se hace una recopilación de los resultados más importantes de este trabajo en forma de conclusiones y se plantean algunas futuras recomendaciones de trabajo e investigación.

The information achieved by the seismological monitoring of hydrocarbon fields has become an important tool and source of information to determine under what circumstances the operations of exploitation of hydrocarbon fields affect the alteration of the natural state of the elastic parameters of the rocks and the fluid flow into the reservoirs. In Colombia there has not been a policy that requires seismological monitoring of hydrocarbon fields, and the little that has been done has not yet been processed or fully analyzed. In this context, there is a gap regarding the acquisition of data, analysis and appropriation of knowledge about the subsoil of the country, and therefore a low understanding of the physical phenomena resulting from industrial operations. This thesis is a first step to fill this gap, by making use of the information available from the earthquakes recorded from 1993 to 2018 by the Colombian Geological Service (SGC). To propose a geodynamic model of the NW corner of South America, the first seismic anisotropy tomography model for the crust of Colombia, the first assessment of the possible activation mechanisms of anthropogenic seismicity as a result of the injection of water into disposal reservoirs in the field with the highest production of heavy crude oil in the country, and finally the characterization of seismic energy dissipative structures in hydrocarbon reservoirs. Chapter 1 describes the problem in detail, its approach, the justification, and the motivation for this dissertation. Likewise, the fundamental principles and theorical background under which anthropogenic seismicity has been built are exposed. In Chapter 2 a regional seismicity study of the NW corner of South America is made to estimate velocity tomography of Vp and Vs of the crust and upper mantle, distribution of Vp / Vs anomalies in the upper mantle, and mapping of P wave azimuthal anisotropy vectors of the crust. This Chapter has been submitted in the Seismological Research Letters (SRL) journal. In Chapter 3 the causality between heavy crude production and seismicity recorded in the vicinity of a field in the Llanos Orientales Basin of Colombia is analyzed. The information reported from the events was used to calculate focal mechanisms and determine the type of failure. The radiated energy of the highest magnitude events was estimated to characterize the rupture processes and determine the properties of the generated fractures, including orientation, trajectory, and velocity. This Chapter was published in the South American Earth Sciences Journal. In Chapter 4, there is a description of the sequence of events in the oil field under study (Chapter 3) as the result of the release of the elastic energy stored in the reservoir due to the continuous action of the work exerted by the injection of water in disposal reservoirs. A hydromechanical analysis determined that the energy efficiency of the injection cycle is low compared to other documented injection operations, allowing the long-term injection of large volumes not to have led to more larger events. This Chapter was published in the Geophysical Journal International. In Chapter 5, a compilation of the most important results of this work is made in the form of conclusions and some future work and research recommendations are proposed.