Boundary condition fidelity for bottom-hole pressure and CO2 plume prediction in geological carbon storage

Resumen Técnico: Fidelidad de las Condiciones de Contorno para la Predicción de la Presión de Fondo de Pozo y la Pluma de CO2 en el Almacenamiento Geológico de Carbono

Planteamiento del Problema
La predicación precisa de la presión de fondo de pozo (BHP, por sus siglas en inglés) y la migración de la pluma de CO2 es crítica para el despliegue seguro y económico del almacenamiento geológico de carbono (GCS). Sin embargo, las simulaciones prácticas suelen depender de dominios truncados para gestionar los costes computacionales, lo que introduce fronteras artificiales que reflejan la presión hacia el pozo de inyección en lugar de permitir su disipación hacia el campo lejano. Esta reflexión eleva artificialmente la BHP simulada y distorsiona las trayectorias de la pluma al restringir los gradientes de presión que impulsan la migración lateral. Si bien se han propuesto diversos tratamientos de frontera basados en modificadores (por ejemplo, multiplicadores de volumen de poros y modificadores de transmisibilidad) para mitigar estos artefactos, los estudios existentes generalmente han evaluado el comportamiento de la presión o de la pluma de forma aislada. Además, el impacto específico de las celdas de esquina —donde dos bordes del dominio se encuentran y representan una porción desproporcionadamente grande del volumen de yacimiento faltante— no ha sido sistematizado a través de arquitecturas de yacimientos tanto homogéneas como heterogéneas.

Metodología
El estudio evalúa diez configuraciones distintas de condiciones de contorno frente a una simulación de referencia de dominio completo (rejilla de 501 × 501) utilizando dos modelos de yacimiento: un modelo homogéneo y un modelo heterogéneo generado mediante simulación gaussiana secuencial. Ambos modelos comparten la misma geometría, programas de inyección (2,500 toneladas/día durante 10 años, seguidos de 40 años de monitoreo) y propiedades físicas, asegurando que las diferencias en la BHP y el comportamiento de la pluma sean atribuibles únicamente a los tratamientos de frontera y a la heterogeneidad del yacimiento.

Los diez escenarios probados incluyen:

1. Tratamientos uniformes: Multiplicadores de volumen de poros (PVM) uniformes (V) y con modificadores de transmisibilidad (VT).
2. Tratamientos con ajuste de esquinas: PVM/TM uniformes con escalado adicional para las celdas de esquina para recuperar el volumen faltante (VA, VAT).
3. Tratamientos por capas: PVM y TM distribuidos en cuatro capas concéntricas (GhV, GhVT), adaptados de Ghomian et al. (2024), con ajustes de esquina.
4. Tratamientos graduales: Modificadores de potencia distribuidos que varían continuamente desde el punto medio del borde hasta las esquinas (VAG, VAGT), basados en el marco de Ramadhan & Hosseini (2026).

El rendimiento se cuantificó utilizando la desviación de la presión pico de la BHP, el Error Cuadrático Medio (RMSE), el RMSE Normalizado (NRMSE) y la métrica de Intersección sobre Unión (IoU) para la extensión de la pluma de CO2 (saturación de gas > 0.001).

Contribuciones Clave y Hallazgos

• La conservación del volumen de las esquinas es primordial: El hallazgo más significativo es que conservar el volumen de los poros de las celdas de esquina es el requisito principal para un modelado de dominio truncado preciso. Los tratamientos uniformes que descuidan el almacenamiento de las esquinas (V y VT) generan errores sustanciales. En el modelo homogéneo, estos esquemas produjeron valores de RMSE de BHP de 362–382 psi y valores de IoU de la pluma de ~0.80 (lo que indica que el 16–20% del área de la pluma está mal representada). En el modelo heterogéneo, los errores fueron similares (RMSE de 250–304 psi; IoU 0.82–0.84).
• La naturaleza dual de los modificadores de transmisibilidad: El estudio demuestra que la corrección de transmisibilidad no es universalmente beneficiosa.
  • En yacimientos homogéneos, añadir un modificador de transmisibilidad a un PVM ajustado por esquinas (VAT) mejora ligeramente la fidelidad de la BHP (reduciendo el RMSE de 139 a 108 psi) y el IoU de la pluma (0.978 a 0.991).
  • En yacimientos heterogéneos, aplicar un modificador de transmisibilidad uniforme (VAT) degrada significamente el rendimiento. Restringe en exceso las caras de frontera de alta permeabilidad y sub-restringe el flujo a través de las caras de baja permeabilidad, lo que provoca un efecto de estrangulamiento neto. Esto aumentó el error de la BHP (el NRMSE subió del 4.83% al 11.00%) y contrajo la pluma predicha (el IoU cayó de 0.9468 a 0.9408).
• Superioridad de las correcciones distribuidas: El modificador de potencia gradual con corrección de transmisibilidad (VAGT) y el esquema por capas con corrección de transmisibilidad (GhVT) proporcionaron el rendimiento más consistente en ambos tipos de yacimiento. Al distribuir las correcciones de forma suave o a través de múltiples capas, estos métodos evitan los contrastes de propiedades abruptos que amplifican los errores en entornos heterogéneos.
  • Homogéneo: VAGT logró un NRMSE de BHP < 3.6% y un IoU de la pluma > 0.99.
  • Heterogéneo: VAGT logró un NRMSE de BHP < 3.7% y un IoU de la pluma > 0.97.
• Efectos de la resolución de la rejilla: En yacimientos homogéneos, aumentar el tamaño de la rejilla de 101×101 a 251×251 ofreció ganancias de precisión insignificantes para el modificador gradual, ya que la difusión de presión ya estaba bien representada. En yacimientos heterogéneos, la rejilla más grande proporcionó una mejora modesta pero medible, ya que el mayor espaciamiento físico permitió que las fluctuaciones locales de presión se disiparan antes de alcanzar la frontera modificada.

Significancia e Implicaciones Prácticas
El artículo establece que la fidelidad de la condición de contorno es un problema acoplado que afecta tanto a las dimensiones de presión como espaciales del GCS. Los autores concluyen que para los flujos de trabajo prácticos de GCS:

1. El ajuste de esquinas es no negociable: Cualquier modelo truncado debe contabilizar el volumen de las esquinas faltante para evitar grandes errores sistemáticos.
2. Selección de modificadores dependiente del contexto: Mientras que los modificadores de transmisibilidad uniformes pueden ser suficientes para el cribado en entornos homogéneos, son perjudiciales en yacimientos heterogéneos.
3. Enfoque recomendado: Los autores proponen el PVM ajustado por esquinas (VA) como una base robusta y de baja complejidad para el cribado temprano. Para la caracterización detallada y el modelado de cumplimiento regulatorio —donde tanto la fidelidad de la BHP como la de la pluma de CO2 son críticas— recomiendan el modificador de potencia gradual con corrección de transmisibilidad (VAGT) como la estrategia por defecto.

Estos hallazgos proporcionan un camino directo para mejorar el diseño de la inyección, la delimitación del Área de Revisión (AoR) y las demostraciones de cumplimiento regulatorio, asegurando que los artefactos de simulación no provoquen ajustes innecesarios en la tasa de inyección o revisiones regulatorias.