Caracterización geoeléctrica del almacén geológico de CO2 de Hontomín
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Xénia Ogaya García
2011-B
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En este trabajo se ha puesto a punto el código x3d con el que se llevarán a cabo las simulaciones que permitirán evaluar el posible monitoreo del almacén geológico de Hontomín y se ha construido un primer modelo tridimensional (3D) sencillo de conductividades. El código ha sido testado invirtiendo las respuestas extraídas a lo largo de un perfil EW e invirtiendo las curvas de resistividad aparente y fase simuladas. Los resultados obtenidos evidencian la calidad del código y ponen de manifiesto carencias (georeferenciado y discretización) a subsanar.
Con el objetivo de obtener una primera imagen geoeléctrica de la estructura de Hontomín se ha llevado a cabo una campaña magnetotelúrica de dos semanas de duración en la que se ha adquirido un perfil de 22 sites orientado en la dirección NS de la formación, cruzando la estructura cercano al sondeo Hontomín-2. El modelo de resistividades obtenido constituye una de las principales aportaciones de este trabajo y es clave tanto para la caracterización geológica y geofísica como para la construcción de un modelo 3D de conductividades capaz de reproducir con máxima veracidad y fiabilidad la estructura del almacén geológico, imprescindible para el éxito de las simulaciones. El modelo obtenido aporta nuevas informaciones sobre la estructura de la región sur de la formación.
Finalmente, se ha llevado a cabo un estudio de viabilidad con los resultados obtenidos y se ha concluido afirmando que el monitoreo del reservorio mediante el método magnetotelúrico es posible. El aumento de resistividad del reservorio asociado a la inyección del dióxido de carbono (CO2) podrá ser cuantificado mediante un estudio del tensor de impedancias. Sin embargo, la presencia de ruido electromagnético en la zona ha quedado de manifiesto, haciendo imprescindible estudios de sensibilidad y resolución con distintos métodos electromagnéticos y configuraciones de fuentes y receptores.La simulación será clave en el monitoreo y el éxito de ésta, dependerá de lo realista que sea el modelo de conductividades.
Introducción
La captura y almacenamiento geológico de dióxido de carbono (CO2) constituye una de las soluciones tecnológicas propuestas ante el exceso actual de emisiones. El objetivo es capturar el CO2 e inyectarlo en el interior de una roca porosa muy permeable, de gran capacidad de almacenamient (roca almacén) y cubierta por otra roca totalmente impermeable (roca sello) que evita el retorno del gas a la superficie. En el caso de Hontomín, el principal reservorio es un acuífero salino profundo.
El monitoreo de estos lugares resulta imprescindible tanto para comprobar que el comportamiento de la pluma de CO2 coincide con el esperado, como para detectar y caracterizar rápidamente cualquier tipo de fuga. En este contexto, los métodos electromagnéticos con fuente controlada (CSEM) se presentan como métodos extremadamente apropiados para la caracterización y monitoreo de reservorios ya que responden al contraste de las propiedades físicas (conductores en el caso de acuíferos y resistentes en el caso de hidrocarburos). Recientemente, se han llevado a cabo diversos estudios sobre su viabilidad en Tierra: Wirianto et al. (2010), Streich et al. (2010) y Becken et al. (2010).
Estos trabajos se valen del problema directo electromagnético para simular numéricamente las respuestas observables en diferentes escenarios y llevar a cabo así análisis de sensibilidad y resolución con los que establecer las bases de estudios de monitoreo de reservorios.
Contexto geológico y geofísico
La estructura de Hontomín ha sido determinada a partir de estudios geológicos, hidrogeológicos e hidrogeoquímicos ya existentes en la zona, estudios estratigráficos y sedimentológicos y datos geofísicos: perfiles sísmicos y sondeos. El departamento de Estratigrafía y Paleontología de la Universidad del País Vasco ha llevado a cabo el estudio estratigráfico preliminar y el grupo GEOMODELS de la Universidad de Barcelona, ha construido un modelo estructural.
La estructura del área de estudio puede ser simplificada, al nivel del Jurásico, por un domo anticlinal limitado por dos fallas normales con una orientación aproximada EW, que forman un horst de unos 5 km2. A nivel del Cretácico y del Terciario estas fallas aparecen fosilizadas y la estructura anticlinal aparece suavizada en el Cretácico Inferior y desaparece en la base del Terciario.
Los distintos sondeos permiten situar las unidades reservorio y sello a profundidades comprendidas entre los 900 y los 1800 m. De los 4 pozos perforados en la zona, el sondeo Hontomín-2 resulta particularmente interesante por encontrarse en el centro del domo. El estudio del log de resistividades ha permitido obtener un modelo simplificado de 8 capas que ha hecho posible situar en profundidad las principales unidades reservorio y sello y asociar resistividades a cada una de ellas. Este modelo simplificado será punto de partida de todos los modelos, tanto unidimensionales (1D) como tridimensionales (3D), realizados en este trabajo.
Monitoreo de reservorios de CO2
Relacionar los parámetros geofísicos con parámetros petrofísicos del reservorio permite convertirlos en parámetros de monitoreo. El objetivo es llegar a inferir la distribución de las propiedades del reservorio (i.e., saturación de CO2) a partir de la distribución de los parámetros geofísicos (i.e., resistividad eléctrica).
La distribución de la saturación del agua puede relacionarse con la resistividad eléctrica de la formación utilizando modelos de resistividad empíricos, como por ejemplo, la ley de Archie. Esta aproximación parece especialmente relevante en el caso de acuíferos salinos donde la presencia de CO2 genera un fuerte aumento de la resistividad.
En una formación porosa de origen sedimentario con bajo contenido en arcillas, la conducción eléctrica está dominada por la migración iónica a través de los poros interconectados de la formación reservorio. De este modo, la presencia de CO2 en el interior de los poros comportará una reducción del volumen efectivo de agua disponible para la conducción iónica y ello se traducirá en una disminución de la conductividad eléctrica.
El objetivo de la simulación es construir un modelo 3D de resistividades realista del almacén geológico de Hontomín y calcular el problema directo para distintas configuraciones de receptores y fuentes. Se pretenden simular distintos escenarios tanto de preinyección, inyección y postinyección de CO2 como posibles fugas a través de fallas u otros mecanismos. La idea es realizar pruebas de resolución y sensibilidad para cada caso e ir integrando la información geológica y geofísica en términos de resistividad, así como la que resulte de las inversiones de los datos geoeléctricos de las distintas campañas de campo.
Las simulaciones numéricas se llevan a cabo mediante el código x3d, un algoritmo de cálculo que resuelve las ecuaciones de Maxwell en medios tridimensionales basándose en el método de la ecuación integral (Avdeev et al. (2002) y Avdeev et al. (1997)).
Trabajando con una estructura de domo y el modelo simplificado de resistividades extraído del sondeo Hontomín-2 se ha construido un primer modelo 3D de conductividades. Las respuestas de la simulación han sido extraídas a lo largo de un perfil de 14 km orientado en la dirección EW, cruzando el domo por el centro. Para evaluar la calidad de la simulación se ha invertido el perfil con el programa de Rodi y Mackie (2001) y se ha hecho una primera valoración del código x3d: el punto del georeferenciado y la discretización a lo largo de la dirección z son los puntos más conflictivos y que requieren una mayor comprensión.
Caracterización de reservorios de CO2
El proyecto de inyección de CO2 en el almacén geológico de Hontomín se encuentra en una primera fase de caracterización. Es importante conocer con detalle la estructura para que cualquier cambio que se produzca una vez iniciada la inyección pueda ser correctamente detectado y cuantificado, es decir, monitoreado.
La estructura de Hontomín es una estructura tridimensional pero a esperas de una campaña 3D, se ha realizado un primer perfil de magnetotelúrica a lo largo de la dirección NS de la formación, cruzando la parte central del domo (cercano al sondeo Hontomín-2). El objetivo de este perfil es proporcionar la primera imagen geoeléctrica de Hontomín y permitir en un futuro, refinar el modelo 3D de conductividades confeccionado.
El perfil magnetotelúrico fue adquirido entre los días 17 y 29 de mayo de 2010 y en él se realizaron un total de 22 sites más o menos equiespaciados a lo largo de 4 km de distancia. Se situó una estación remota entre Huidobro y Cubillo de Butrón, a unos 23 km del sondeo Hontomín-2 que registró entre los días 18 y 28 del mismo mes. Los equipos utilizados fueron dos estaciones de Metronix ADU06; dos, Metronix ADU07 y una estación Phoenix-V8.
El procesado de los datos se ha llevado a cabo mediante los programas Maprosof, SSMT2000 y MT-Editor y el código STRIKE de McNeice y Jones (2001) ha permitido realizar un análisis de la dimensionalidad. Los datos han sido rotados -4.1º dada la dirección del strike obtenida, 85.9ºE. De acuerdo con las estructuras, se ha identificado el modo TE con la polarización yx y el modo TM, con la polarización xy. Las curvas obtenidas han sido suavizadas con la función D+ y el static shift ha sido debidamente corregido.
Finalmente, se ha llevado a cabo una smooth inversion (Rodi y Mackie (2001)) donde las curvas suavizadas de los modos TE y TM han sido invertidas simultáneamente, tanto las correspondientes a la fase como las correspondientes a la resistividad aparente. El error floor impuesto ha sido de un 5% y se ha trabajado con periodos comprendidos entre los 0.001 s y los 10 s (4 décadas). El rms obtenido es de 1.2601.
La comparación entre los datos del sondeo y el modelo obtenido pone de manifiesto la validez de los valores de resistividad obtenidos y de las distintas capas detectadas. Comparando el modelo con el modelo estructural se observa como en la región norte (al norte del sondeo Hontomín-2)los techos del Cretácico Inferior y del Dogger definen los límites del cuerpo resistivo que se asocia al sello. Las fallas F1 y F2 podrían justificar los adelgazamientos que se aprecian en la capa, pudiéndose asociar a la circulación de fluidos en la zona de fractura.
Sin embargo, en la zona sur del perfil (al sur del sondeo Hontomín-2) no existe una correspondencia clara entre ambos modelos. En esta región, el número de perfiles sísmicos es escaso y en consecuencia, la calidad de la interpolación que ha dado lugar al modelo estructural es menor. Dado que el mapa geológico evidencia el afloramiento de materiales pertenecientes al Turoniense – Conaciense sobre los sites 17 y 18, una posible interpretación geológica lleva a situar las fallas F3 y F4. La primera justificaría el cambio de grosor tan radical de la capa y la segunda, más moderna, daría lugar al anticlinal, al plegamiento de las capas superiores.
Para poder explicar la existencia del cuerpo conductor situado bajo los sites 17, 21, 22 y 23 sería necesario consultar estudios hidrogeólogicos realizados en la zona.
Estudio de viabilidad
El código x3d se encuentra aún en una primera fase de puesta a punto en la que ciertos aspectos de la simulación deben ser comprendidos de forma más exhaustiva para poder alcanzar con éxito los objetivos planteados inicialmente. Ante esta situación, se ha realizado un estudio de sensibilidad sencillo con el programa Geotools.
Este primer estudio sobre la viabilidad de monitorear el reservorio mediante el método magnetotelúrico ha constado de dos partes: en una primera parte se ha trabajado sobre el modelo unidimensional (1D) construido a partir del log de resistividades del pozo Hontomín-2 y en una segunda parte, se ha trabajado extendiendo el modelo 1D a un modelo tridimensional (3D) de toda la formación. El objetivo básico en ambas partes ha sido analizar como afectaría un aumento de la resistividad del reservorio, asociada a la inyección de CO2, a las curvas de resistividad aparente y fase.
Tras simular dos posibles casos de postinyección, se ha concluido afirmando que los cambios de resistividad asociados a la inyección de CO2 pueden ser detectados a partir de los 0.03 s en las fases y a partir de los 0.1 s en las curvas de resistividad aparente.
Cuando se analizan las curvas de resistividad aparente y fase obtenidas en la campaña magnetotelúrica, se aprecia que la presencia de ruido es evidente a partir de los 10 s y en consecuencia, detectar la inyección es posible tanto mediante el análisis de las curvas de resistividad aparente como de las fases.
Se observa como el tensor de impedancias experimenta una variación del 10% entre la situación de preinyección (15 ohm·m) y la de postinyección de 60 ohm·m.
De este modo, se puede concluir afirmando que el monitoreo del reservorio de Hontomín es posible mediante el método magnetotelúrico pero un mayor control del ruido electromagnético es necesario. El código x3d permitirá simular distintas configuraciones de fuentes y receptores que ayudaran a controlar y minimizar el ruido de la zona a la vez que permitirán determinar las configuraciones óptimas para mejorar la resolución y sensibilidad de los métodos electromagnéticos. El monitoreo de la pluma de CO2 es, por lo tanto, posible.
Conclusiones
En este trabajo se ha puesto a punto el código x3d y se ha construido un primer modelo 3D de conductividades que ha permitido testar el código e identificar las carencias a subsanar (georeferenciado y discretización en z).
La realización de la campaña magnetotelúrica ha permitido obtener la primera imagen geoeléctrica de la estructura de Hontomín, aportando nuevas informaciones sobre la estructura de la región al sur del sondeo Hontomín-2 y planteando posibles correcciones del modelo estructural existente.
Así mismo, la realización de la campaña ha permitido familiarizarse con todo el proceso vinculado al método magnetotelúrico, desarrollando la capacidad de desenvolverse en cada una de las etapas y adquiriendo argumentos y criterios de trabajo.
Finalmente, del estudio de viabilidad se concluye que el monitoreo del reservorio de Hontomín es posible pero que un mayor control del ruido electromagnético es necesario.
Este trabajo ha permitido establecer las bases de un trabajo que deberá continuar en un futuro. El código x3d ha demostrado ser competente y adecuado para la simulación del problema directo, el éxito sin embargo, dependerá en gran medida del modelo 3D de conductividades diseñado. Éste deberá ser lo más realista y fiable posible y con este objetivo se llevará a cabo una segunda etapa de caracterización geoeléctrica de la formación de Hontomín. Se trata de una campaña de magnetotelúrica 3D que se iniciará en el mes de octubre de 2010.
En este trabajo se ha puesto a punto el código x3d (Avdeev et al., 2002 y Avdeev et al., 1997) con el que se llevarán a cabo las simulaciones que permitirán evaluar el posible monitoreo del almacén geológico de Hontomín y se ha construido un primer modelo tridimensional (3D) sencillo de conductividades. El código ha sido testado invirtiendo las respuestas extraídas a lo largo de un perfi l EW e invirtiendo las curvas de resistividad aparente y fase simuladas. Los resultados obtenidos evidencian la calidad del código y ponen de mani esto carencias (georeferenciado y discretización) a subsanar.
Con el objetivo de obtener una primera imagen geoeléctrica de la estructura de Hontomín se ha llevado a cabo una campaña magnetotelúrica de dos semanas de duración en la que se ha adquirido un perfi l de 22 sites orientado en la dirección NS de la formación, cruzando la estructura cercano al sondeo Hontomín-2. El modelo de resistividades obtenido constituye una de las principales aportaciones de este trabajo y es clave tanto para la caracterización geológica y geofísica como para la construcción de un modelo 3D de conductividades capaz de reproducir con máxima veracidad y fiabilidad la estructura del almacén geológico, imprescindible para el éxito de las simulaciones. El modelo obtenido aporta nuevas informaciones sobre la estructura de la región sur de la formación.
Finalmente, se ha llevado a cabo un estudio de viabilidad con los resultados obtenidos y se ha concluido afi rmando que el monitoreo del reservorio mediante el método magnetotelúrico es posible. El aumento de resistividad del reservorio asociado a la inyección del CO2 podrá ser cuanti cado mediante un estudio del tensor de impedancias. Sin embargo, la presencia de ruido electromagnético en la zona ha quedado de manifi esto, haciendo imprescindible estudios de sensibilidad y resolución con distintos métodos electromagnéticos y con figuraciones de fuentes y receptores. La simulación será clave en el monitoreo y el éxito de ésta, dependerá de lo realista que sea el modelo de conductividades.
Índice de figurasV
Índice de tablasVII
IntroducciÓn1
1. Contexto geológico y geofísico5
1.1. Contexto geológico6
1.1.1. Estructura7
1.2. Contexto geofísico13
2. Monitoreo de reservorios de CO221
2.1. Antecedentes y situación actual de los métodos EM21
2.2. Ley de Archie26
2.3. Objetivos de la simulación28
2.4. Modelado numérico del método EM en 3D29
2.4.1. Código x3d33
2.5. Primer modelo 3D del reservorio de Hontomín34
3. Método Magnetotelúrico39
3.1. Introducción al método39
3.2. Fundamentos teóricos40
3.3. Hipótesis del método42
3.4. Tensor de impedancias46
3.5. Fuentes magnetotelúricas46
4. Adquisición de datos51
4.1. Planificación de la campaña51
4.2. Instrumentación54
4.2.1. Sensores eléctricos: electrodos54
4.2.2. Sensores magnéticos: bobinas de inducción56
4.2.3. Antena GPS57
4.2.4. Data logger57
5. Procesado y análisis dimensional61
5.1. Procesado de los datos61
5.1.1. Procesado realizado y datos obtenidos65
5.1.2. Análisis de los resultados67
5.2. Análisis dimensional67
5.2.1. Determinación de la dirección del strike70
6. Modelización del perfil73
6.1. Preparación de los datos73
6.2. Construcción de la malla74
6.3. Proceso de modelización75
6.4. Análisis y descripción del modelo77
6.5. Interpretación geológica78
7. Primer estudio de viabilidad87
7.1. Estudio unidimensional88
7.2. Estudio tridimensional89
7.3. Conclusiones del estudio de viabilidad90
Conclusiones95
Agradecimientos99
Referencias101
A. Código x3d111
A.1. *.model111
A.2. *.project115
B. Características de cada site117
C. Curvas de resistividad aparente y fase121
En este proyecto final de máster titulado ‘Caracterización geoeléctrica del almacén geológico de CO2 de Hontomín’ se ha puesto a punto el código x3d con el que se llevarán a cabo las simulaciones que permitirán evaluar el posible monitoreo del reservorio una vez iniciada la inyección de CO2 y se ha construido un primer modelo 3D de conductividades.
Para testar el código se han extraído las respuestas de la simulación a lo largo un perfil orientado en la dirección EW del domo y se han invertido con el programa Geotools. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto la calidad del código y plantean carencias tales como el georeferenciado o la discretización, que deberán ser resueltas a través de una mejor comprensión del algoritmo.
Con el objetivo de obtener una primera imagen geoeléctrica de la estructura de Hontomín y la intención de poder refinar en un futuro el modelo 3D, se ha llevado a cabo una primera campaña magnetotelúrica en la que se ha adquirido un perfil de 22 sites orientado en la dirección NS de la formación, cruzando la estructura cercano al sondeo Hontomín-2.
Esta parte del trabajo ha permitido aprender y familiarizarse con todo el proceso vinculado al método magnetotelúrico, desde la planificación de la campaña, la adquisición de los datos, el procesado, el análisis de dimensionalidad y el modelado, hasta la interpretación del modelo. Se han aprendido a manejar una gran variedad de equipos magnetotelúricos y sus programas de procesado, así como a trabajar con el programa STRIKE y los principales programas de inversión y modelado, de los que se han revisado los algoritmos. Se ha desarrollado la capacidad de desenvolverse en cada una de las etapas y se han adquirido argumentos y criterios de trabajo.
El modelo 2D de resistividades obtenido ha proporcionado la primera imagen de la estructura geoeléctrica de la formación de Hontomín, una de las principales aportaciones de este trabajo, que es clave tanto para la caracterización geológica y geofísica 3D del reservorio como para las simulaciones de monitoreo.
El modelo es coherente con los estudios geológicos y geofísicos preexistentes de la zona y podría aportar nuevas informaciones de la región sur del sondeo Hontomín-2, en la que la menor densidad de perfiles sísmicos podría haber llevado a la construcción de un modelo estructural incompleto. El modelo de resistividades obtenido sugiere, en el margen sur de la estructura, un plegamiento de las capas y la posible existencia de fallas. La existencia de estas fallas podría ser importante en la evolución de la pluma de CO2 una vez iniciada la inyección y por lo tanto, sería necesaria una mayor caracterización.
Así mismo, existen ciertos estudios sobre el modelo que han quedado pendientes. Un análisis del gradiente de variación podría ser especialmente interesante en la región del reservorio y un mayor refinado de la malla podría traducirse en una mejora de la resolución.
Finalmente, se ha llevado a cabo un primer estudio sobre la viabilidad de monitorear el almacén geológico haciendo uso del método magnetotelúrico. Para ello, se han construido modelos 1D y 3D del reservorio a partir de la simplificación del log de resistividades obtenido en el sondeo Hontomín-2 y utilizando una estructura de domo. Los resultados obtenidos, considerando situaciones postinyección asociadas a aumentos de resistividad del reservorio a 30 y 60 ohm·m, han permitido concluir afirmando que el aumento podría ser detectable y mensurable. El aumento sería más perceptible en las fases y podría llegar a traducirse en variaciones del 10% del tensor de impedancias.
Analizando las curvas de resistividad aparente y fase se observa como los cambios de resistividad experimentados en el reservorio se detectan a partir de los 0.03 s en el caso de las fases y a partir de los 0.1 s en el caso de las curvas de resistividad aparente. Si se analizan las curvas obtenidas en la campaña realizada, la presencia de ruido enmascara la señal a partir de los 10 s y por lo tanto, los cambios podrían ser detectados tanto a partir de las fases como a partir de las curvas de resistividad aparente. Se puede entonces concluir afirmando, que será posible detectar las variaciones de resistividad asociadas a la inyección del CO2 a partir del tensor de impedancias del método magnetotelúrico.
Este trabajo ha permitido pues establecer las bases de un trabajo que deberá continuar en un futuro. Se ha comprobado que el monitoreo del reservorio es posible pero ha quedado de manifiesto que la presencia de ruido es importante en la zona y junto con las profundidades a las que se debe trabajar, supone una pérdida importante de la calidad de los datos. Por ello, resultan clave para el correcto monitoreo de la pluma de CO2, los estudios de sensibilidad y resolución de los diferentes métodos electromagnéticos incorporando fuentes y distintas configuraciones de electrodos.
El código x3d ha demostrado ser competente y adecuado para la simulación del problema directo, el éxito sin embargo, dependerá en gran medida del modelo 3D de conductividades diseñado. Éste deberá ser lo más realista y fiable posible y con este objetivo se llevará a cabo una segunda etapa de caracterización geoeléctrica de la formación de Hontomín. Se trata de una campaña de magnetotelúrica 3D que se iniciará en el mes de octubre de 2010.