Compactación y subsidencia
La subsidencia es el hundimiento progresivo de la superficie con respecto a un nivel de referencia estable, producido por causas naturales como la actividad tectónica, fallas activas y expulsión de fluidos en estratos subyacentes. Se puede incrementar la tasa de subsidencia con la extracción de fluidos como agua e hidrocarburos.
La compactación es la reducción del volumen en un yacimiento resultado del agotamiento de la presión y la producción de fluidos. Si el material posee una alta porosidad, inmediatamente Lugo de su sedimentación podría comportarse más como un medio líquido con partículas sólidas en suspensión en lugar de un sólido contenedor de líquido. Siempre que estos fluidos tengan una trayectoria, fracciones del líquido serán expulsadas a medida que la depositación de capas suprayacentemente aumenten el peso que debe ser soportado por el material original y también conlleva una reducción de la porosidad.
Junto con el aumento de la profundidad también aumenta la presión del fluido, pero si entre los estratos existe una capa impermeable que no permite la comunicación del fluido y éste no puede escapar lateralmente, entonces se producen sobrepresiones anormales mayores a lo que produciría el efecto hidrostático. Este efecto se encuentra también en los casos en que los procesos de sedimentación superan en velocidad a la expulsión del fluido excedente.
La presión hidrostática del fluido (azul) y el esferzo ejercido por los estratos (amarillo) aumenta con la profundidad. Pero en caso de existir un estrato impermeable (capa roja) y cuando el fluido no puede escapar lateralmente origina presiones anormales superiores al efecto hidrostático.
El principio del esfuerzo efectivo establece que cuando existe un fluido presurizado dentro de un material sólido, ambos soportan los esfuerzos que sobre ellos se ejerce. Por lo tanto cuando es producido el fluido el peso de los estratos suprayacentes no disminuye pero sí la presión de poros, incrementando el esfuerzo vertical que soporta la matriz sólida.
Es la compresibilidad la propiedad de la roca que relaciona los cambios de volumen con las variaciones en el esfuerzo aplicado sobre la matriz. Al considerarse incompresibles los granos, el cambio del volumen aparente de un cuerpo poroso es resultado cambio del volumen del espacio poroso. El valor de la compresibilidad depende de la composición mineralógica de la roca y la historia de sedimentación, así como de la composición del fluido intersticial, y el material cementante que se adhiere a los grano incrementa su rigidez.
Vemos que el esfuerzo predominante d subsidencia es vertical, pero también se originan esfuerzos horizontales, los cuales suelen ser nulos en el centro y los bordes, incrementándose hacia la región intermedia. Estos movimientos pueden tener efectos devastadores en las estructuras de superficie, sobretodo si la rigidez de la roca no permite la deformación en subsuelo.
Determinación de la compactación y subsidencia
Para monitorear estos fenómenos se utilizan distintos métodos y depende de la ubicación, si se trata de locaciones terrestres o marinas. Para casos de tierra firme, se pueden utilizar los puntos acotados como una herramienta que compara para puntos específicos en la zona la cota como una señal georeferenciada con respecto a otros puntos fijos fuera de la zona y se observa como varía la cota con el tiempo. Otra forma más exacta para determinar la diferencia de cota entre dos puntos es utilizando el principio de vasos comunicantes, conectando las localizaciones con un tubo lleno de líquido. En el nivel hidrostático será el mismo en los dos extremos del tubo, permitiendo medir cambios en la cota relativa. Sin embargo, para locaciones ampliamente distanciadas estas instalaciones pueden ser descartadas por el costo que implican. Otras herramientas de medición son los teodolitos, lásers cuidadosamente nivelados y los inclinómetros, dispositivos sensibles al cambio de ángulo en la superficie. Otro método que está siendo evaluado es la utilización de satélites que son sensibles a la topografía. Una de las técnicas más precisas implica el uso de los sistemas de posicionamiento global (GPS) y pueden ser utilizados tanto en locaciones terrestres como marinos. En condiciones ideales las técnicas GPS detectan cambios de cota de hasta 2 mm. En las áreas marinas el monitoreo se realiza desde las plataformas.
Impacto de la compactación
La compactación y subsidencia ocasiona daños a las instalaciones superficiales y a los pozos, pero no puede ignorarse el efecto positivo que tiene sobre la producción, ya que en algunos casos, el empuje de la roca puede superar al empuje por expansión de los fluidos.
La permeabilidad de la formación puede incrementarse debido a la generación de fracturas, o disminuir si las fracturas abiertas se cierran todo debido a los esfuerzos que actúan sobre el sistema. Por lo general, la permeabilidad tiende a reducirse a medida que el volumen poroso colapsa.
El colapso de la tubería de revestimiento resulta un problema frecuente en los campos que poseen alto grado de compactación, al aumentar o disminuir la dimensión axial de los revestidotes excediendo su resistencia mecánica y colapsando los dispositivos.
Las operaciones de contingencia en superficie pueden resultar costosas. Por ejemplo, al aumentar el fenómeno de depresión de la superficie en la cuenca del Lago de Maracaibo se tuvo que construir y ampliar repetidas veces los sistemas de diques.
Referencia: Oilfield Review, Autumn 2006. Compaction and subsidence.