Pressure transient analysis for detecting leakages along active and abandoned wells

Resumen Técnico: Análisis de Transitorios de Presión para la Detección de Fugas en Pozos Activos y Abandonados

Planteamiento del Problema
La integridad de los pozos subsuperficos es crítica para la seguridad ambiental y la eficiencia operativa, particularmente en proyectos de inyección geológica a gran escala, tales como la inyección de agua, la energía geotérmica y el Almacenamiento de Captura y Almacenamiento de Carbono (CCS). Un riesgo principal involucra fugas desde la formación objetivo hacia zonas someras o la atmósfera a través de una integridad de pozo comprometida. Las posibles vías de fuga incluyen fracturas inducidas que se propagan a través de las rocas de sello (caprocks), fallas en las interfaces entre la tubería de revestimiento-cemento o cemento-formación, y flujo cruzado en pozos heredados (de Plug-and-Abandonment, P&A). Si bien existen tecnologías de monitoreo como la fibra óptica y los levantamientos microsísmicos, estas suelen enfrentar limitaciones en cuanto a costo, complejidad de despliegue o sensibilidad ante microfugas. Además, los métodos existentes de Análisis de Transitorios de Presión (PTA) se han centrado principalmente en escenarios de fuga individuales en lugar de un enfoque integral capaz de diagnosticar múltiples vías de forma concurrente. Este estudio aborda la necesidad de una solución de monitoreo factible y rentable utilizando los Manómetros Permanentes de Fondo (PDG) ampliamente disponibles para detectar y caracterizar fugas tanto en pozos activos como abandonados.

Metodología
El estudio emplea un enfoque de modelado mecánico de pozo-reservorio basado en un reservorio de arenisca offshore noruego representativo. Las simulaciones de flujo de fluidos asumen un flujo de fluido monofásico, isotérmico y de baja compresibilidad (agua). La investigación se divide en dos partes investigativas primarias:

1. Fracturación Inducida y Fuga en la Roca de Sello (Caprock):

   • Modelado: Se utilizó un flujo de trabajo de pseudo-acoplamiento usando el simulador de reservorio Rubis para simular la apertura y propagación de fracturas inducidas por presión. Se aplicó una función de permeabilidad de fractura dependiente de la presión, $k_f(p)$, a los bloques de malla de la fractura para modelar la transición del flujo de matriz al flujo de fractura una vez alcanzada una presión de fracturación específica ($p_f$).
   • Escenario: Se simuló un inyector vertical en un sistema de tres capas (formación objetivo, roca de sello, formación somera). El modelo rastreó el crecimiento de la fractura desde la formación objetivo, a través de la roca de sello, hacia la capa somera.
   • Análisis: Se generaron Pruebas de Tasa de Paso (SRTs) sintéticas. Los datos fueron interpretados mediante un enfoque PTA-SRT mejorado con un concepto de Envolvente de Incertidumbre (UE). Se calculó la derivada de Bourdet de los transitorios de presión normalizados para cada paso de inyección. La UE se estableció basándose en una derivada de referencia (pre-fractura) para distinguir las firmas de fuga genuinas del ruido de medición.

2. Fuga Detrás del Revestimiento (Falla de Integridad Casing-Cemento-Roca):

   • Modelación: Se desarrolló un modelo de reservorio compuesto donde se asignó a la vaina de cemento detrás del revestimiento una permeabilidad efectiva distinta ($k_c$). Esto permitió la simulación de la migración de fluidos desde la formación objetivo hacia la formación somera a través de una zona de cemento comprometida sin inducción de fracturación.
   • Escenarios: Se simularon dos casos distintos:
     • Pozos Activos: Se realizó una prueba de inyección de tasa constante seguida de un periodo de cierre para analizar las respuestas de presión de flujo y de recuperación (build-up).
     • Pozos Abandonados (P&A): Se simuló un inyector activo cercano para inducir interferencia de presión en un pozo taponado. El pozo abandonado fue monitoreado mediante un manómetro de fondo inalámbrico simulado durante un largo periodo de cierre.
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   • Análisis: Se aplicó PTA a los datos de cierre y de flujo. Los gráficos log-log diagnósticos de presión y de derivadas de Bourdet se compararon contra límites de referencia que representan "sin fuga" (flujo de una sola formación) y "penetración total" (flujo de dos formaciones).

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio demuestra la viabilidad de utilizar datos de PDG combinados con métodos de PTA para detectar fugas en escenarios específicos:

• Detección de Fractura Inducida: El método PTA-SRT con una Envolvente de Incertidumbre detectó con éxito el inicio de la fracturación inducida. La firma de la apertura de la fractura se identificó como un desplazamiento descendente en la derivada de Bourdet. El método detectó la propagación de la fractura hacia la formación somera (fuga fuera de la zona) cuando la tasa de fuga alcanzó aproximadamente el 2% del volumen total inyectado. Por debajo de este umbral, las firmas de fuga fueron difíciles de distinguir del ruido en los casos simulados.
• Fuga Detrás del Revestimiento en Pozos Activos: El estudio mostró que el aumento de la permeabilidad efectiva del cemento ($k_c$) resultó en una tendencia decreciente en la derivada de presión durante el periodo de flujo. La fuga fue detectable cuando la permeabilidad relativa del cemento ($k_c/k_m$) se aproximaba a 0.1, lo que corresponde a un volumen de fuga de aproximadamente el 2%.
• Fuga Detrás del Revestimiento en Pozos Abandonados: El marco de PTA adaptado para pozos abandonados identificó con éxito las firmas de fuga durante los periodos de cierre inducidos por un inyector cercano. El método detectó la fuga cuando la permeabilidad del cemento era igual o mayor que la permeabilidad de la formación objetivo, con volúmenes de fuga superiores al 1% del volumen inyectado.
• Manejo de Ruido: La aplicación del concepto de Envolvente de Incertidumbre resultó efectiva para diferenciar las señales de fuga reales del ruido inherente de las mediciones de los PDG, siempre que la firma de la fuga superara la amplitud del ruido (por ejemplo, una desviación de >2 bar en la derivada frente a un ruido de <1 bar).

Significancia y Reivindicaciones
Los autores posicionan este trabajo como un estudio de viabilidad que establece una base conceptual para la aplicación de métodos PTA/PDG para la detección de fugas. La significancia del estudio radica en:

• Eficiencia Operativa: Los métodos propuestos utilizan la interpretación de transitorios de flujo (durante la inyección) y datos estándar de cierre, lo que potencialmente evita los costos y las pérdidas de producción asociados con pruebas de pozo dedicadas.
• Utilización de la Infraestructura Existente: El enfoque aprovecha los PDG, que ya están ampliamente desplegados en pozos activos y son cada vez más disponibles en pozos abandonados mediante tecnología inalámbrica, ofreciendo una alternativa escalable y potencialmente de menor costo frente a las encuestas de fibra óptica o microsísmicas.
• Monitoreo Complementario: El estudio sugiere que la detección de fugas basada en PTA puede servir como un complemento pragmático al monitoreo de Presión de la Cabecera del Revestimiento (SCP), ofreciendo capacidades de detección de profundidad específica que las mediciones superficiales carecen.

Limitaciones y Trabajo Futuro
El artículo establece explícitamente que los resultados son válidos únicamente para las suposiciones específicas realizadas: pozos verticales, reservorios de acción infinita homogéneos y flujo isotérmico monofásico. Los autores reconocen que el modelado de aproximación (proxy) de las fracturas (sin un acoplamiento geomecánico completo) y la suposición de una permeabilidad de cemento estática son simplificaciones. Enfatizan que la no unicidad de las interpretaciones de PTA requiere la integración con datos geológicos e historial operativo. Crucialmente, los autores concluyen que es necesario realizar más pruebas y validaciones utilizando datos de campo, así como la validación cruzada con otras tecnologías de monitoreo, como pasos necesarios para madurar la metodología hacia una aplicación industrial práctica.