2 Oilfield Review

Sismicidad en el campo petrolero

Vitaly V. Adushkin Vladimir N. Rodionov Sergey Turuntaev Instituto de la Dinámica de Geósferas de la Academia Rusa de Ciencias Moscú, Rusia

Alexander E. Yudin Ministerio de Combustibles y Energía de la Federación RusaMoscú, Rusia

La mayor parte de este artículo se presentó originalmenteen la versión rusa del Oilfield Review de Schlumberger,Neftegasovoye Obozreniye 5, no. 1 (Primavera de 2000): 4-15. Se agradece la colaboración en la preparación de laversión en Inglés (fuente de este documento) a DavidLeslie, Schlumberger Cambridge Research, Inglaterra; y aYefim Mogilevsky, Graphics International, Houston, Texas,EUA.Los resultados de este artículo se basaron en los datosobtenidos por la red sísmica local de la Stock JointCompany “Tatneft.” Los autores agradecen a I.A. Iskhakov,jefe de la tripulación de la embarcación sísmica TNGF, y aK.M. Mirzoev, jefe del estudio de sísmica de Tatarstán, queproporcionó el catálogo de eventos sísmicos y los datos delos volúmenes de fluidos inyectados y producidos. Seagradece el apoyo de “Tatneft” y de la Fundación Rusapara la Investigación Básica (Proyecto RFBR # 98-05-64547).

En algunas regiones, la producción de hidrocarburos puede generar actividad

sísmica. Para facilitar la comprensión de este fenómeno, se instaló una red de

registros en un campo en producción en Rusia. En un proyecto conjunto entre

Schlumberger y el Instituto de la Dinámica de Geósferas de la Academia Rusa

de Ciencias, los científicos analizan los datos registrados para ayudar a predecir

eventos sísmicos, conocer las propiedades de los yacimientos y monitorear la

inyección de agua.

Los científicos han observado que los sismospueden ser provocados por la acción del hombre.Se ha detectado sismicidad inducida o actividadsísmica provocada directamente por la actividaddel ser humano. Esta sismicidad aparece comoresultado de grandes acumulaciones de agua enla superficie, el desarrollo de cuencas de mine-rales, la explotación de recursos geotérmicos yde hidrocarburos, la inyección de residuos, lasexplosiones nucleares subterráneas y los proyec-tos de construcción a gran escala.1 Es importanteconocer las condiciones bajo las cuales puedeinducirse la sismicidad para que estas opera-ciones se efectúen en forma segura.

Este concepto no es nuevo. En la década de1870, las propuestas para estancar agua en lagosfabricados por el hombre en regiones del sur deCalifornia en los Estados Unidos, fueron rechaza-das debido a la preocupación de que esto podríaprovocar sismos.2 Los cientos de pequeños sis-mos detectados en 1936 inmediatamentedespués de rellenar la Presa Hoover en Nevada yArizona en los Estados Unidos, proporcionaron laprimera evidencia clara de tal efecto. Desdeentonces, se han reportado más de 100 casosdiferentes alrededor del mundo.3 En algunoscasos, la actividad sísmica resultante ha sidograve. Dentro de los cuatro años siguientes al tér-mino de la construcción de la Presa Koyna en1963, cerca de la costa oeste de la India, el área

circundante al yacimiento experimentó variossismos intensos; el más grande fue un eventoimportante con magnitud de 7.0.4 En el pobladovecino de Koynanagar, fueron destruidos edifi-cios de mampostería y murieron 200 personas.

A principios de la década de 1920, los geólo-gos en el sur de Texas notaron presencia de fa-llas, subsidencia y sismos en los alrededores delcampo petrolero Goose Creek. Las casas se cim-braron y la presencia de fallas ocasionaron el agrietamiento de la superficie de la tierra.5 Sesospechó una relación directa entre la extracciónde petróleo y el inicio de la subsidencia y la ac-tividad sísmica. En aquel momento, la subsiden-cia asociada con la extracción de hidrocarburosse consideró como extraña y se pensó que estecaso sería un evento único en la literatura geoló-gica. Más tarde se reportaron observaciones si-milares en el campo petrolero Wilmington enLong Beach, California, Estados Unidos deNorteamérica (EUA), en donde se produjeron seispequeños sismos entre 1947 y 1955 y la subsiden-cia de la superficie alcanzó 9 m [30 pies] en 1966después de 30 años de producción petrolera.6

Para la década de 1960, era claro que lainyección profunda de líquidos podría ocasionartambién sismicidad. A principios de 1962, elagua residual de los productos provenientes delArsenal de las Rocallosas cerca de Denver,Colorado, EUA, se inyectó en un pozo de

Otoño de 2000 3

descarga en las rocas precámbricas fracturadas auna profundidad de 12,000 pies [3660 m]. Los sis-mos con una magnitud de hasta 4.3 comenzarona ocurrir un mes más tarde y continuaron duranteel período de inyección que duró tres años. Lafrecuencia de la ocurrencia de los sismos se rela-cionó claramente con la tasa de inyección de losfluidos y la presión de inyección.7

Los sismólogos pensaron que si, a través deexperimentos de campo, fuese posible establecerclaramente las bases físicas para provocar sis-mos mediante la inyección de fluidos, entonces lainyección o extracción de líquidos podría sig-nificar un medio para controlar los sismos o paraprevenir actividad sísmica inadvertida.Geofísicos e hidrólogos diseñaron un experi-mento para probar la viabilidad de la generaciónde sismos controlados en el campo petroleroRangely al oeste de Colorado. El campo fue inun-

dado con agua en 1957 y un conjunto de seis sis-mógrafos instalados en 1962 en el estado vecinode Utah registraron pequeños sismos en elcampo desde su instalación. En 1967, se insta-laron en el campo varios sismógrafos portátiles.Estos comenzaron a registrar y a ubicar eventossísmicos a lo largo de una falla ubicada en el sub-suelo en dos áreas donde la inundación habíaproducido alta presión intersticial.8 El proyectofue todo un éxito. La inyección de mayor cantidadde agua provocó actividad sísmica y la produc-ción de una zona cercana a la falla interrumpió laactividad sísmica. El informe sugería que estatécnica podría ser útil para controlar la duración yel tamaño de los sismos de mayor intensidad ypara dar cuenta de que hasta ese momento, lainyección de líquidos para mejorar la recu-peración de petróleo no había provocado ningúnsismo perjudicial.

En todos estos casos, el resultado de la inter-ferencia del ser humano fue para modificar el es-tado de las tensiones en el volumen de tierracircundante. Si la modificación en el estado delas tensiones es suficiente, ésta puede causar unsismo, ya sea fracturando la masa de la roca (enel caso de las minas o de explosiones subterrá-neas) o provocando el deslizamiento de roca a lolargo de las zonas débiles existentes. La situa-ción de las regiones con extracción de hidrocar-buros no siempre es bien conocida, en algunoslugares la extracción de líquidos provoca sismici-dad; en otros, la inyección provoca sismicidad.En muchas áreas donde la roca no se encuentrabajo grandes tensiones tectónicas, la energíasísmica liberada durante eventos inducidos esbaja, normalmente de magnitud 0 a 3, y nisiquiera se siente en la superficie de la tierra. Sinembargo, si la masa de la roca se encuentra ya

Inducida por la extracción de petróleo y gas Inducida por la explotación de yacimientos mineralesInducida por las presas

1. Nikolaev NI: “On the State of Study of InducedEarthquakes, Related with Industrial Activity” en: An Influence of Industrial Activity on the SeismicRegime. Moscú, Rusia: Nauka, 1977 (en Ruso).Gupta H y Rastogi B: Dams and Earthquakes. Nueva York,Nueva York, EUA: Elsevier Scientific Publishing, 1976. Pasechnik IP: “Earthquakes Induced by UndergroundNuclear Explosions,” en: An Influence of IndustrialActivity on the Seismic Regime. Moscú, Rusia: Nauka (1977): 142-152 (en Ruso).Simpson DW: “Triggered Earthquakes,” Revisión anualde las notas científicas sobre la Tierra y el sistema pla-netario 14 (1986): 21-42. Nicholson C y Wesson RL: “Earthquake Hazard

Associated with Deep Well Injection—A Report to the USEnvironmental Protection Agency,” US GeologicalBulletin vol. 1951, 1990.Milne WG y Berry MJ: “Induced Seismicity in Canada,”Engineering Geology 10 (1976): 219-226.Grasso J-R: “Mechanics of Seismic Instabilities Inducedby the Recovery of Hydrocarbons,” Pure and AppliedGeophysics 139, no. 3/4 (1992): 507-534.

2. Bolt B: Earthquakes: A Primer. San Francisco, California, EUA: W.H. Freeman and Company, 1978.

3. Guha SK y Patil DN: “Large Water-Reservoir-RelatedInduced Seismicity,” en Knoll P (ed): Induced Seismicity.Rotterdam, Holanda: AA Balkema Publishers (1992): 243-266.

4. En este artículo, las magnitudes de los sismos provienende varias fuentes literarias. En general, se calculan apartir de la amplitud registrada de una onda sísmica defrecuencia específica y se calibran en función de la dis-tancia al sismo y la magnificación del sismógrafo.

5. Pratt WE y Johnson DW: “Local Subsidence of the Goose Creek Oil Field,” Journal of Geology 34, no. 7-part 1 (Octubre-Noviembre de 1926): 577-590.

6. Segall P: “Earthquakes Triggered by Fluid Extraction,”Geology 17, no.1 (Octubre de 1989): 942-946.

7. Evans DM: “Man-Made Earthquakes in Denver,”Geotimes 10, no. 9 (Mayo-Junio de 1966): 11-18.

8. Raleigh CB, Healy JH y Bredehoeft JD: “An Experiment inEarthquake Control at Rangely, Colorado,” Science 191, no. 4233 (Marzo de 1976): 1230-1237.

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4

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3

Espesor del yacimiento, m

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10-3

Dens

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Dens

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Dens

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de

la p

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10-3

Presión inicial del yacimiento, atm

Profundidad del yacimiento, km

Permeabilidad, mD Porosidad del yacimiento, %

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3

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1

000 2 4 6 8 10 20 40 60 80

Dens

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de

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10-4

K A Z A K S T A N

T U R K M E N I S T A N

U S B E K I S T A N

Gazli

R U S I A

P L A C A D E T U R Q U E S T A N

> Ubicación del campo de Gazli, Usbekistán

bajo grandes tensiones tectónicas, la energía agregada por los esfuerzos del hombre puede te-ner un efecto desestabilizador. Incluso accionesmenores pueden provocar gran sismicidad.9

La explotación de hidrocarburos a largo plazopuede alterar las condiciones alrededor de los ya-cimientos de petróleo y gas en varias formas, oca-sionando importantes cambios de tensión en losyacimientos y en las rocas circundantes. El líquidoinyectado puede propagarse o filtrarse por lasfisuras y ocasionar un incremento en la presión dellíquido alojado en los poros y en las fracturas, ac-tuando como lubricante en las zonas fracturadas.

Tres tipos de fuerzas ayudan a iniciar los sis-mos inducidos por filtración, así como tambiénotros sismos provocados por el hombre y sismostectónicos, provocando el movimiento de los blo-ques de roca a lo largo de las fallas. En primerlugar, las fuerzas poroelásticas pueden forzar eldesplazamiento a lo largo de una falla en la masade la roca circundante. En segundo lugar, lasfuerzas hidrostáticas pueden, a través de una fallau otra característica permeable, transferir la pre-sión intersticial de una zona de inyección a otrazona, preparándola para un sismo. La migracióndel líquido en este caso puede ser insignificante.

Finalmente, las diferencias en la presión puedenocasionar que los líquidos migren de las zonas deinyección a las zonas de inicio de sismos.

El desarrollo de campos de hidrocarburos siem-pre induce, por lo menos, cambios pequeños en elestado de tensiones de un yacimiento. En algunasocasiones, esto incrementa el nivel de pequeñoseventos sísmicos de trasfondo. La energía liberadadepende de las propiedades del yacimiento y delas rocas circundantes, del nivel de heterogenei-dad y de la tasa de deposición. Se conocen 40ejemplos en los cuales la producción delyacimiento ocasionó cambios importantes en laactividad sísmica de una región vecina. La com-paración de los datos de estos yacimientos con lasmediciones de otros 200 campos alrededor delmundo demuestran cuáles son las propiedadesque están relacionadas más íntimamente con lasismicidad inducida por la producción (izquierda).

La profundidad y el espesor promedio de unyacimiento parecen ser mayores para los camposde petróleo con sismicidad inducida en compara-ción con los valores de profundidad y espesorpromedio para otros campos de hidrocarburos queno presentan sismicidad. La porosidad y la

4 Oilfield Review

< Comparación de las distribuciones de laprobabilidad para algunas variables clave enyacimientos de hidrocarburos. La línea decolor negro representa los datos de 40 cam-pos de petróleo y gas con un incrementoobservado en la actividad sísmica causadopor la producción de hidrocarburos; la líneade color rojo corresponde a un muestreoaleatorio de 200 yacimientos ubicados en dis-tintas regiones alrededor del mundo.

Otoño de 2000 5

permeabilidad promedio son menores para loscampos de hidrocarburos con sismicidad inducidaque para aquellos que carecen de la misma. Lapresión inicial del yacimiento presenta la mismadistribución en ambos casos.

A pesar de que existen ejemplos de sismosimportantes relacionados con el desarrollo de ya-cimientos, y de que es razonable considerar lasismicidad provocada como una de las posiblesconsecuencias perjudiciales de la producción, espoco usual que el desarrollo de yacimientos pro-voque sismos lo suficientemente fuertes comopara ser detectados por la gente. Con mayor fre-cuencia, los eventos sísmicos inducidos sondébiles y pueden ser registrados únicamente conla ayuda de un sismómetro sensible.

Estos eventos sísmicos débiles inducidos, asícomo aquellos ocasionados por los procesos dedeformación natural, proporcionan informaciónimportante acerca de la ubicación de las zonas dedebilidad y de las fallas sísmicamente activas enla roca. Estos contienen también información

sobre los cambios temporales en el estado de lastensiones y otras propiedades de la formación. Lainterpretación de los registros de sismicidadinducida por la producción de hidrocarburos per-mite la identificación de fallas activas, la deli-neación de frentes con contraste de fluidos y elcálculo de las variaciones temporales de la per-meabilidad y la porosidad del yacimiento. A su vez,esta información, puede ayudar a optimizar la pro-gramación de la producción de hidrocarburos, lainyección de agua y las operaciones de recu-peración asistida.

En las siguientes secciones, examinamos la re-lación entre los eventos sísmicos registrados y la evolución de los parámetros de explotación de hi-drocarburos mediante el estudio de dos casos. Elprimero es un estudio sobre sismos en la región delcampo de gas Gazli en Usbekistán. El segundo esuna investigación sobre las características tempo-rales y espaciales de la sismicidad en la región delcampo petrolero Romashkino en Tatarstán, Rusia.

Sismos en GazliEl campo de gas Gazli está ubicado en AsiaCentral aproximadamente a 100 km [63 millas] alnoroeste de Bukhara, Usbekistán (página anterior,abajo). La estructura del campo consiste de for-maciones del período jurásico, cretáceo, delpaleoceno y neoceno, cubriendo basamentos delperíodo paleozoico en un anticlinal asimétrico condimensiones de 38 por 12 km [24 por 7.5 millas](arriba). El espesor de los sedimentos es de aproxi-madamente 1000 m [3300 pies], alcanzando unaprofundidad total de 1600 m [5200 pies].

El campo presenta 11 acumulaciones (10 degas y condensado y una de petróleo) todas ubi-cadas en los sedimentos del cretáceo. La forma-

420440

460

400

480500520

-560-580

Sección b

Sección c

500 Isogramas en metros

Pozos

Discontinuidades tectónicas

Límite del yacimiento de gas

Sección b

Prof

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Norte12 11 10 3

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Sección c

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400

600

800

1000

1200

Prof

undi

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m

Norte

Pozo N° Sur

Pozo N° Sur

1310118

35 23 14

5 km3 millas

5 km3 millas

5 km3 millas

< Mapa estructural (arriba) y seccionestransversales del campo de gas de Gazli.El mapa estructural muestra las ubica-ciones de los pozos, líneas de contornodel estrato más elevado en metros, lasdiscontinuidades tectónicas, las ubica-ciones de las secciones transversales y ellímite del yacimiento de gas. Las sec-ciones transversales muestran las capasde gas, petróleo, agua y arcilla. [Adap-tado de Zhabrev Ip (ed): Yacimientos deGas y Condensado, Moscú, Rusia: Nedra,1984 (en Ruso)].

9. Simpson, referencia 1.Sadovsky MA, Kocharyan GG y Rodionov VN: “On theMechanics of Block Rock Massif,” Reporte de laAcademia de Ciencias de la ex-Unión Soviética 302, no. 2 (1988): 193-197 (en Ruso).Rodionov VN, Sizov IA y Kocharyan GG: “On theModeling of Natural Objects in Geomechanics,”en:Discrete Properties of Geophysical Medium. Moscú,Rusia: Nauka (1989): 14-18 (en Ruso).

ción de estratos consiste de capas de arenisca yarcilla. La porosidad de la arenisca es alta y supromedio oscila entre 20 y 32%. La permeabilidadde todos los estratos productores, excepto uno,fluctúa entre 675 y 1457 mD. El gas producido estáformado principalmente de metano (93 a 97%) concondensado en los estratos más profundos (8 a17.2 g/m3 [67 a 144 lbm/gal]).

El campo de gas se descubrió en 1956 y la pro-ducción se inició en 1962. Durante los siguientes14 años, se inyectaron aproximadamente 600 x 106

m3 de agua ó 106 toneladas por km2. A pesar de lainyección de agua, se detectó subsidencia en lasuperficie. Las tasas de subsidencia promediaron10.0 mm/año [2.5 pulg/año] en el período com-prendido entre 1964 y 1968 y 19.2 mm/año [5 pulg/año] desde 1968 hasta 1974. Se observó que lasubsidencia estaba asociada con la reducción dela presión de formación: cuando la presión de for-mación descendió en 1 atm [101 kPa], la parte cen-tral del campo se hundió 2 mm.10

En 1976, se comenzó a registrar una serie denumerosos sismos. El primer sismo importanteocurrió el 8 de abril de 1976, a una distancia de 20km [12 millas] de los límites del campo de gasGazli. La magnitud del sismo fue de 6.8. Sólo 39días después, el 17 de mayo de 1976, ocurrió otrosismo grave a 27 km [17 millas] al oeste delprimero. La magnitud del segundo sismo fue de7.3. Ocho años después, el 20 de marzo de 1984,ocurrió un tercer sismo a 15 km [9 millas] al oestedel segundo sismo, con una magnitud de 7.2. Lasprofundidades de los tres hipocentros osciló entre25 y 30 km [16 y 18 millas], todos dentro de los 32km [20 millas] de espesor de la corteza terrestre.Las réplicas ocurrieron en un volumen rodeando

los tres hipocentros. Estos sismos son los másfuertes de todos los sismos conocidos en la plani-cie de Asia Central.

No existió una clara relación entre la ubica-ción de los hipocentros del sismo y cualquier es-tructura tectónicamente activa, conocida conanterioridad. Una investigación más a fondodemostró que los sismos habían creado nuevasfallas.11 El análisis de la estructura detallada de lazona de las réplicas, indicó un estado inicial deactivación tectónica.12 La orientación del plano dela falla, la dirección del desplazamiento del blo-que de la falla y la tendencia de la zona de las ré-plicas corresponde al campo de tensión regional ya la orientación de las fallas a escala regional.

Las mediciones geodésicas se efectuarondespués de cada gran sismo (abajo). Se encontróque el área que se había hundido previamente, sehabía hundido otros 230±8 mm [9 pulg] después

de los sismos de 1976 (arriba).13 En los alrede-dores de los epicentros de los sismos, se detectóun desplazamiento ascendente de la superficie:hasta 830 mm [33 pulg] cerca del epicentro delsismo de abril de 1976; hasta 763 mm [30 pulg]cerca del epicentro del sismo de mayo de 1976, yhasta 751 mm [29,5 pulg] cerca del epicentro delsismo de marzo de 1984. Se detectaron desplaza-mientos horizontales de hasta 1 m [3.3 pies] y seencontró que estarían orientados principalmentelejos de los epicentros.

Los datos acumulados indicaron que los sis-mos de Gazli fueron ocasionados por laexplotación del campo de gas.14 Es normal encon-trar altas tensiones tectónicas en las regionesfronterizas de plataformas jóvenes tales como laplaca de Turquestán. Estas tensiones provocan laacumulación de importante energía tectónica. Elagotamiento del campo de gas sirvió como undetonador para la liberación de la energía tec-tónica acumulada en la forma de eventos sísmi-cos importantes. El campo fue puesto enproducción sin considerar la posibilidad de la sis-micidad inducida por la producción. Algunosgeofísicos, incluyendo los autores de esteartículo, creen que si el régimen tectónico natu-ral hubiese sido tomado en cuenta durante laplaneación de la extracción de hidrocarburos, lossismos podrían haberse evitado.15

6 Oilfield Review

-100

+800+500 +600

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Gazli

+830

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Chorbakty

Karakyr

Desplazamiento vertical después de los sismos de 1976, en mmDesplazamiento vertical después de los sismos de 1984, en mmLímites de la acumulación de gasEpicentros de los sismos del 8 de abril y del 17 de mayo de 1976 y del 20 de marzo de 1984Fallas tectónicas

+100+300

-100

Posición del perfil del desplazamiento vertical de la superficie

+200

10 km6 millas

< Deformación de la superficie después de los sismos deGazli de 1976 y 1984. Los desplazamientos verticales máxi-mos se muestran como puntos negros y los epicentros delos sismos como puntos rojos. Las líneas punteadas marcanel desplazamiento vertical posterior a los eventos de 1976 ylas líneas continuas marcan el desplazamiento vertical pos-terior al evento de 1984. El campo de gas está sombreado enrojo tenue. Las fallas tectónicas se muestran con líneasnegras gruesas. La línea vertical roja marca la posición de lasección transversal exhibida (arriba). [Adaptada de Piskuliny Raizman, referencia 10].

0

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Norte

Falla de Gazli Falla deKarakyr

Distancia, km

1964 a 19681968 a 19741974 a 1976

Períodos de medición

800

> Pefil norte–sur del desplazamiento vertical posterior a los sismosde Gazli. La región entre la falla de Gazli y la falla de Karakyr sehundió, mientras que al norte de la falla de Karakyr, se midió undesplazamiento ascendente.

Otoño de 2000 7

El campo petrolero RomashkinoEl campo petrolero Romashkino es el campopetrolero más grande de Rusia (derecha). Tieneuna dimensión máxima de aproximadamente 70km [44 millas], una altura estructural de 50 a 60m [164 a 197 pies] y una profundidad delyacimiento de 1600 a 1800 m [5200 a 5900pies].16 El depósito es una sucesión de 10 a 30 m[33 a 100 pies] de espesor de areniscas y rocas decarbonato que contienen petróleo (abajo). La for-mación productiva principal contiene capas del-gadas de arenisca y arcilla. La permeabilidad delas capas de arenisca es de 200 a 420 mD, laporosidad varía entre 18.8 y 20.4% y la satu-ración de petróleo fluctúa entre 69.4 y 90.5%. Lapresión inicial del yacimiento fue de 160 a 180atm [16.2 a 18.2 Mpa].

La exploración geológica en esta región se inició en 1933. En 1947, se inició la perforación deexploración y en 1948 el campo Romashkino pro-dujo su primer petróleo.17 La inyección de agua seinició en 1954, pero durante los primeros años, lainyección no compensó la extracción de líquido.En 1958, por primera vez, el volumen del líquidoinyectado ese año sobrepasó el volumen delíquido extraído y, para 1963, se equilibraron losvolúmenes de los líquidos inyectados y extraídos.Para 1975, el volumen total del líquido inyectadoalcanzó 2.13 x 109 m3, ó 104.7% del líquido totalextraído. Las presiones máximas sugeridas parala extracción de agua fueron 200 a 250 atm [20.2a 25.3 MPa], pero las presiones de inyecciónreales en algunas ocasiones eran mayores.

Por motivos de conveniencia en la explota-ción, el campo petrolero Romashkino está divi-dido en más de veinte áreas. En estas áreas seutilizan distintos métodos de inyección: inyeccióna través de una línea de pozos, pozos de inyecciónlocal e inundación según patrones de inyección.En distintas áreas, la concentración de los pozoses de tres a cinco pozos por km2. No obstante, ladensidad de la cobertura de pozos y la geometríade la ubicación de los mismos parece ser el resul-tado del complicado desarrollo de una historiadefinida por algunos factores que respondían aobjetivos planteados y otros a factores aleato-rios.18 En numerosas áreas se utilizaron métodosno estacionarios de inyección. Es decir, se inyectóagua a través de una línea de inyección durante

10. Piskulin VA y Raizman AP: “Geodesic Investigations of the Earth Surface Deformation in Epicentral Zones of Gazli Earthquakes in 1976-1984,” Trabajos del 7˚Simposio Internacional sobre el Movimiento de la CrestaTerrestre. Tallinn, 1986.

11. Shteinberg VV, Grajzer VM y Ivanova TG: “Gazli Earthquakeon May 17, 1976,” Physics of the Earth 3 (1980): 3-12 (en Ruso).

12. Turuntaev SB y Gorbunova IV: “Characteristic Features ofMulti Fracturing in Epicentral Zone of Gazli Earthquakes,”Physics of the Earth 6 (1989): 72-78 (en Ruso).

13. Piskulin y Raizman, referencia 10.

K A Z A K S T A N

T U R K M E N I S T A N

U S B E K I S T A N

Campo Romashkino

R U S I A

> Ubicación del campo Romashkino, Rusia

1400

1450

1500

1550

1600

1650

Caliza

Arcilla

Yacimiento de petróleo

Basamento

140 4811-88 518 519 14-91 27 33 30 627 19-553 18-552 16-551 8-550Pozos

Arenisca

NO SE

Prof

undi

dad,

m

10 km

6 millas

> Perfil geológico del campo Romashkino. [Adaptado de Muslimov, referencia 17].

14. Akramhodzhaev AM y Sitdikov B: “Induced Nature of Gazli Earthquakes, a Forecast of Earthquakes of Gazli Type and Prevention Measures,” Compendio de lostalleres de trabajo sobre los estudios de los sismos enGazli. Tashkent, Uzbekistan: FAN (1985): 59-60 (en Ruso).Akramhodzhaev AM, Sitdikov BB y Begmetov EY: “AboutInduced Nature of Gazli Earthquakes in Uzbekistan,”Geological Journal of Uzbekistan 4 (1984): 17-19 (en Ruso).Volejsho VO: “Conditions of Gazli EarthquakesOccurrence,” Compendio de los talleres de trabajo sobre los estudios de los sismos en Gazli. Tashkent,Uzbekistan: FAN (1985): 65-66 (en Ruso).

Mavlyanov GA (ed): Gasli Earthquakes in 1976 and 1984.Tashkent, Uzbekistan: FAN, 1986 (en Ruso).

15. Akramhodzhaev et al, referencia 14.16. Bakirov AA (ed): Geological Conditions of Oil and Gas

Accumulation and Location. Moscú, Rusia: Nedra, 1982(en Ruso).

17. Muslimov RH: An Influence of Geological StructuresDistinguish Features on an Efficiency of Romashkino Oil Field Development. Kazan, Rusia: KSU, 1979 (en Ruso).

18. Muslimov, referencia 17.

un mes, posteriormente se cerró la primera líneay luego se inyectó agua a través de otra línea yasí sucesivamente. La velocidad de la migracióndel agua inyectada varía de 100 a 1500 m/año[330 a 4900 pies/ año].19

Características de la sismicidad del campoRomashkino De acuerdo a los mapas sísmicos dispuestos porzonas, la parte del sureste de Tatarstán en laregión del campo petrolero Romashkino es con-siderada un área sísmicamente tranquila. Pero en1982 y 1983, después de décadas de produccióne inyección, los ciudadanos de los alrededoresdel poblado de Almetjevsk, comenzaron apercibir eventos sísmicos moderados. En 1985, elservicio sísmico de "Tatneftegeophisica" instalóuna red sísmica local que registró numerososepicentros sísmicos en la región del campopetrolero Romashkino (izquierda arriba). Lamayor parte de éstos se encuentran en la parteoeste del campo sobre la depresión Altunino-Shunaksky, el límite estructural entre los campospetroleros Romashkino y Novo-Elkhovskoye.

Desde 1986 hasta 1992, la red registró 391sismos locales con magnitudes de hasta 4.0. Lostres intervalos de tiempo mostraron incrementosnotables en la actividad sísmica; a fines de 1986,a mediados de 1988 y a finales de 1991. Losepisodios más grandes se presentaron en elsismo del 23 de septiembre de 1986 con unamagnitud de 3.8 y el otro, con una magnitud de4.0 el 28 de octubre de 1991, en la región delpoblado de Almetjevsk.20

La actividad registrada puede examinarse endistintas formas para compararla con los paráme-tros del yacimiento. Un mapa de la actividad sís-mica en la región del campo petroleroRomashkino muestra las variaciones espacialesen el nivel de actividad (izquierda abajo). Se cal-culó una medida cuantitativa de la actividad sís-mica para cada km2 sumando las raíces cúbicasde las energías de todos los sismos que ocurrie-ron en el lugar durante el período de observaciónde 1986 a 1992.21 La mayor parte de la actividadsísmica cuantificada en esta forma se localizó a lolargo de la depresión Altunino–Shunaksky, conuna parte correspondiente a las fallas tectónicasrepresentadas en el mapa.22

8 Oilfield Review

10 km6 millas

Campo petroleroRomashkino

Almetjevks1

2

3

Leninogorks

Campo petrolero Novo-Elkhovskye4

5

Estaciones de registro sísmicoZonas de producción de AlmetyevneftBerezovskaja (área B)Severo-Almetyevskaja (área S)Almetyevskaja (área A)Minibayevskaja (área M)

Límites de los campos petrolerosRomashkino y Novo-ElkhovskoyeLíneas de isointensidad del sismodel 23 de septiembre de 1986Sección transversal

Leyenda

3

Estru

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de la

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sión

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Clasificación de la energía de loseventos sísmicos

5 10

> Actividad sísmica en la región del campo petrolero Romashkino. Las estaciones de registro sísmicose muestran como triángulos, los epicentros sísmicos como puntos o círculos cuyo tamaño depende dela cantidad de energía liberada. Las elipses en línea punteada roja indican los límites de la intensidaddel sismo de septiembre de 1986. La línea en color negro muestra la sección transversal exhibida(página anterior, abajo). Las cuatro áreas de producción del campo Romashkino que muestran la mayorsismicidad se delinean (B, S, A ,y M) y se tratan en secciones posteriores del artículo. [Adaptado deIskhakov et al, referencia 20].

N

1

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J /km21/3

Actividadsísmica

cuantificada,

10 km6 millas

< Distribución de la actividad sísmica cuantificada (codificado por colores) en la región del campo petrolero Romashkino. La actividadsísmica cuantificada es la suma de la raíz cúbica de la energía delevento sísmico que se presenta en un km2. La distribución de laactividad sísmica está relacionada con las fallas tectónicas (líneascontinuas en color púrpura) y la estructura de la depresiónAltunino–Shunaksky (líneas punteadas).

Otoño de 2000 9

Antes de que la actividad sísmica registradapueda utilizarse en forma más cuantitativa, debeevaluarse la calidad de la información. Las redesde registro sísmico presentan limitaciones desensibilidad en la magnitud y en la distancia delos eventos que pueden registrar. Los eventosextremadamente pequeños pueden ocurrir sin serdetectados, al igual que los eventos distantes.También, debido a que los eventos más grandesno ocurren con frecuencia, es menos probableque los intervalos de registro sísmico más cortosregistren los sismos más grandes. Para todos lossismos en una región dada, existe una relaciónlineal entre la magnitud de los eventos sísmicosregistrados en un intervalo de tiempo y el logarit-mo del número, o la frecuencia de los eventos deesa magnitud. Si la representación gráfica de fre-cuencia–magnitud muestra desviaciones de unatendencia lineal, los sismos representados gráfi-camente no son representativos de toda la activi-dad sísmica de la región. Una desviación de latendencia lineal en el extremo de magnitud bajaindica que la red sísmica no es lo suficientementesensible a los eventos débiles, mientras que unadesviación en el extremo de magnitud alta nor-malmente muestra que el período de observaciónno fue lo suficientemente largo.

En el caso de la actividad sísmica registrada,por la red del campo Romashkino, la repre-sentación gráfica de frecuencia–magnitud esprincipalmente lineal (arriba). Se representarongráficamente sólo aquellos eventos que se lis-taron en los catálogos de 1986 a 1995 acerca deeventos sísmicos registrados mediante instru-mentos. Los eventos más alejados con distanciasepicéntricas mayores a 70 km [44 millas] no seconsideraron. Durante el período de observación,diferentes catálogos utilizaron distintos métodosde interpretación de los sismogramas. Paragarantizar la consistencia, las relaciones frecuen-cia–magnitud se representaron gráficamente porseparado en tres diferentes intervalos de tiempo:de 1986 a 1987, 1988 a 1992 y 1992 a 1995.También se consideró un número anual promediode eventos para estos intervalos de tiempo.

Para el primer intervalo de tiempo, hasta 1987,sólo los eventos con magnitud mayor a dos sonrepresentativos para esta red sísmica en parti-

cular: no se registraron eventos suficientes demagnitudes menores. Después de 1987, debido aun cambio en la red sísmica, los eventos con mag-nitud de 1.5 llegaron a ser importantes y por lotanto pudieron incluirse en cálculos posteriores.

Para los tres intervalos de tiempo, las pen-dientes de las representaciones gráficas de fre-cuencia–magnitud varían de –1.02 a –1.3,considerablemente más negativos que el valorpara la sismicidad natural, el cual es de –0.75 a–0.9.23 Las pendientes de las gráficas del campoRomashkino alcanzan valores normales de sismi-cidad inducida y provocada de acuerdo a lomedido en cualquier parte del mundo.24

Variación de la actividad sísmica cuantifi-cada con el tiempoLa actividad sísmica cuantificada es uno de losparámetros más útiles para determinar la sismici-dad.25 Esto proporciona una forma para transfor-mar la visualización de eventos sísmicos de un

sistema discreto a un sistema continuo: la repre-sentación punto por punto de eventos sísmicosdescrita mediante 3 coordenadas espaciales másel tiempo del evento y la energía, convierten unarepresentación gráfica continua en un sistema decoordenadas diferente. La medida cuantitativaseleccionada de actividad, se describió primera-mente como la suma de las raíces cúbicas de lasenergías en todos los eventos que se presenta-ban en un km2. Para minimizar la influencia deuna selección arbitraria de la forma en la cual elárea es dividida en cuadrados y de la selecciónde un intervalo de tiempo de inicio, se calcularonlos valores de la actividad para áreas e intervalosde tiempo superpuestos. La cantidad de super-posición depende de la uniformidad de las dis-tribuciones obtenidas de la actividad.

Inicialmente, los componentes temporales yespaciales del cambio en la actividad se calcu-laron por separado. Se examinó la variación enfunción del tiempo sobre una base mensual,

19. Sultanov SA: A Control of Water Injection in OilReservoirs. Moscú, Rusia: Nedra, 1974 (en Ruso).

20. Iskhakov IA, Sergeev NS y Bulgakov VYu, A Study ofRelation Between Seismicity and Oil Fields Development.Un reporte de la OMP 50/81. Bugulma, Rusia:Tatneftegeophysica, 1992 (en Ruso).

21. La energía se calcula mediante una fórmula que se basaen el cuadrado de la amplitud de las ondas sísmicas deun específico contenido de frecuencia, medido a unadistancia estándar de la fuente.

22. Belousov TP, Muhamediev ShA, Turuntaev SB, Junga SL,Ischakov IA y Karakin AV: “Active Faults, Stresses State

> Relación entre el logaritmo del número de eventossísmicos y la magnitud de los eventos en la regióndel campo petrolero Romashkino.

Núm

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0.1

1

10

100

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Magnitud, M

1986 a 1987

1988 a 1992

1992 a 1995

and Seismicity of South-East Tatarstan,” Seismicity andSeismic Zones of Northern Part of Eurasia, part 2.Moscú, Rusia: Nauka (1994): 90-108 (en Ruso).

23. Sadovsky MA y Pissarenko VF: Seismic Process in BlockMedia. Moscú, Rusia: Nauka, 1991 (en Ruso).Isacks B y Oliver J: “Seismic Waves with Frequenciesfrom 1 to 100 Cycles Per Second Recorded in a DeepMine in Northern New Jersey,” Bulletin of the Seismo-logical Society of America 54, no. 6 (1964): 1941-1979.

24. Mirzoev KM, Negmatullaev SH y Dastury TYu: “AnInfluence of Mechanical Vibrations on CharacteristicFeatures of Seismic Energy Release in the Region of

Nurec Dam,” en Seismological Investigations in theRegions of Large Dam Constructions in Tajikstan.Dushanbe, Tajikstan: Donish (1987): 101-119 (en Ruso).Turuntaev SB: “An Application of the Weak SeismicityCatalog for Detection of Active Faults in Rock Massif,” en The Monitoring of Rock Massif State During Long-Time Exploitation of Large-Scale Underground Works.Appatity, Rusia: KFAS, 1993 (en Ruso).

25. Ponomaryov VS y Tejtelbaum UM: “DynamicsInteractions Between Earthquakes Focuses,” en:Regional Investigations of Seismic Regime. Kishinev,Moldova: Shtinitsa (1974): 79-92 (en Ruso).

Para una roca del subsuelo sometida a la pro-ducción de petróleo y a la inyección de agua, exis-te la posibilidad acrecentada de un gran sismo, sinconsiderar la liberación de la energía natural dedeformación tectónica en la forma de eventos sís-micos. Esto se debe a que la energía transmitida ala roca mediante la explotación de hidrocarburoscontinuará incrementándose. La existencia deoscilaciones cuasi-periódicas en el nivel de laactividad sísmica sugiere que la energía deentrada es más bien grande. El entendimiento dela relación entre la sismicidad y los regímenes deexplotación puede permitir que la sismicidad seacontrolada a través de una programación máscuidadosa de la producción y la inyección.

Características espaciales de la sismici-dad en el campo RomashkinoEl comportamiento sísmico del campo petroleroRomashkino presenta una característica interesan-te: un gran número de sismos ocurren en pares,con un corto intervalo entre los miembros de unpar. Por ejemplo, aproximadamente 60 eventos apareados con magnitudes menores a 1.0 o aproximadamente el 50% del número total de eventos con tal magnitud, ocurrieron dentro de las24 horas siguientes a la ocurrencia del primer evento. Puede suponerse que los eventos agrupa-dos en tiempo están de algún modo relacionadostambién en el espacio. Ejemplos de este tipo pue-den observarse en estudios de laboratorio de se-ñales sísmicas producidas durante el crecimientode una grieta en modelos de bloques de roca.26 Ba-jo determinadas condiciones de la formación deuna grieta, se genera un impulso sísmico cuando lagrieta llega a los límites del bloque. Las ubicacio-nes del par del evento definen los límites del mo-vimiento episódico a lo largo de la grieta o falla.

La relación entre los pares del epicentro en elcampo petrolero Romashkino, generalmentemuestran una alineación norte–sur con una ten-dencia hacia la depresión longitudinal Altunino–Shunaksky (página siguiente, arriba). Esta di-rección corresponde también al modelo regionaldel estado de tensiones del campo.27

Correlación de la actividad sísmica con laexplotación de hidrocarburosSiempre es difícil saber si la sismicidad es el resul-tado de modificaciones causadas por la actividaddel hombre en la región o si ésta es actividad sís-mica natural relacionada con los procesos tectó-nicos; la comparación a distintos tiempos podríaser la clave para conocer la diferencia. En general,la respuesta podría obtenerse si se instalara unared sísmica regional antes de la extracción dehidrocarburos, de la construcción de una presa ode la operación de una mina. La red sísmica podría

sumando las raíces cúbicas de las energías de loseventos que se presentaron durante un mes. Laserie temporal resultante se normalizó a travésdel valor promedio para ese intervalo de tiempo(arriba, parte superior). En esta representacióngráfica, se evidencian dos grandes picos yalgunos otros más pequeños, pero la perio-dicidad, si es que existe, no es obvia. La actividadsísmica también puede demostrarse de otrasmaneras a fin de tratar de extraer cualquier perio-dicidad importante. Estos métodos involucran latransformación a las coordenadas de fase (véase"Otra dimensión en la actividad sísmica," página12). Analizando los datos presentados en elnuevo sistema de coordenadas podemos obser-var los siguientes resultados.

A lo largo del período de observación, la acti-vidad sísmica en el campo petrolero Romashkinose desarrolló en dos ciclos. Ambos ciclos se ini-

ciaron con los sismos más fuertes para estaregión y cada ciclo tuvo una duración aproximadade cinco años. Los dos ciclos de variaciones de laactividad desde 1986 hasta 1990 y desde 1991hasta 1995 pueden suavizarse y superponerse demodo que sus primeros máximos coincidan(arriba, parte inferior). Se presenta una intrigantecoincidencia cualitativa de las curvas, mostrandoevidencia de cierto tipo de regularidad en lasoscilaciones de la actividad sísmica.

La existencia de un componente regular en lasecuencia de los eventos sísmicos proporciona in-formación relacionada con el estado de energía dela roca. Parece posible que cuando el nivel de ener-gía acumulada en la roca proveniente de fuentes na-turales y generada por actividades del ser humanoalcanza un determinado valor, la energía es liberadamediante eventos sísmicos que están estructuradosen espacio y tiempo. Este comportamiento es simi-lar al de un líquido que está siendo calentado: paradeterminados valores de la cantidad de energíasuministrada al líquido, su movimiento laminar cam-bia a un fluido caótico y posteriormente a un flujoregular con convección celular.

10 Oilfield Review

26. Turuntaev SB: “A Study of Various Model Waves Sourcesin Application to Seismology,” Tesis del Doctorado,Instituto de Física de la Tierra, Moscú, Rusia, 1985 (en Ruso).

27. Belousov et al, referencia 22. 28. Mirzoev et al, referencia 24.

> Variación de la actividad sísmica en la región del campoRomashkino. La amplitud se calculó mediante la suma de la raíz cúbicade las energías de todos los eventos que se presentaron en ese mes.

> Comparación de los dos ciclos de actividad sísmica en la región del campopetrolero Romashkino.

19860

3

6

9

Año

Activ

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sís

mic

a, n

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1988 1990 1992 1994 1996

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3

4

0 12 24 36 48 60Tiempo, meses

Activ

idad

sís

mic

a, n

orm

aliza

da

1991 a 19951986 a 1990

Otoño de 2000 11

registrar la sismicidad natural de trasfondo y cuan-tificar sus características. Si después del inicio dela actividad del hombre se registra un cambioimportante en el comportamiento de la sismicidad,éste podría interpretarse razonablemente comouna reacción sísmica de la roca del subsuelo a laintervención del hombre.

La instalación de redes de registro sísmico y laevaluación de la actividad sísmica de trasfondo,son ya una práctica común en las regiones donde elnivel de la sismicidad natural es alto.28 No obstan-te, en áreas estables, sin antecedentes de actividadsísmica natural y donde no se esperan sismosimportantes, normalmente no se realiza un estudioprevio de la actividad sísmica de trasfondo. Ante lafalta de un estudio previo, la cuestión puede resol-verse mediante dos métodos: el primero, consisteen comparar las características de la sismicidadobservada con aquellas de sismicidad natural cono-cida y con aquellas de actividad sísmica inducida; yel segundo es observar la correlación entre la activi-dad sísmica natural y la actividad del ser humano.

En el primer método, como se mostró anterior-mente, la pendiente del gráfico frecuen-cia–magnitud para la sismicidad en la región delcampo petrolero Romashkino presenta un valormás común de sismicidad inducida que de sismi-cidad natural. Pero el bajo número de eventosregistrados indica que este resultado puede notener una gran importancia estadística.

El segundo método implica la comparación de lasismicidad registrada con ritmo de explotación delcampo petrolero Romashkino. Los datos de produc-ción relevantes son los valores de los volúmenesmensuales de líquido extraído e inyectado desde1981 hasta 1992 para las cuatro áreas más sísmica-mente activas del campo petrolero Romashkino:Almetyevskaja (A), Severo–Almetyevskaja (S),Minivayevskaja (M) y Berezovskaja (B).

Con estos valores, se elaboró un seudo catá-logo para tabular los volúmenes extraídos e inyec-tados mensualmente y el desbalance de losvolúmenes, es decir la diferencia entre losvolúmenes de líquidos inyectados y extraídos. Aestos valores se les asignó una fecha (a mitad delmes), hora (a mitad del día), coordenadas (aproxi-madamente en el centro del área considerada), yprofundidad (1 km). La información de produccióndispuesta en este formato, reflejaba con mayorexactitud la forma estándar de los catálogos sísmi-cos, pero se listaba el volumen de líquido en lugarde la energía sísmica.

El procedimiento descrito anteriormente paracalcular la actividad sísmica cuantificada se aplicóa los volúmenes en el seudo catálogo, pero estavez se calculó la "actividad de explotación cuantifi-cada" (izquierda abajo).

N

1

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2000

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Actividadsísmica

cuantificada,

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0-60 -30 60 90-90 300

10 km6 millas

> Relación entre los pares de los eventos sísmi-cos del campo Romashkino. Las líneas en colornegro conectan los pares de los eventos, laslíneas en color púrpura son fallas representadasen el mapa. El recuadro muestra la distribuciónazimutal de las conexiones entre los pares de loseventos.

(continúa en página 14)

Activ

idad

sís

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Año

ProducciónInyecciónDesbalanceActividad sísmica

Activ

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sís

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1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993

1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993

Prod

ucci

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e, n

orm

aliza

dos

> Arriba: Comparación de los valores mensuales de la actividad sísmica (rojo) con varia-ciones en los volúmenes totales de inyección, producción y desbalance en las cuatro áreascentrales (combinadas) del campo Romashkino. Abajo: Comparación de los valores suaviza-dos de la actividad sísmica (rojo) con las variaciones en los volúmenes de inyección, produc-ción y el desbalance en las cuatro áreas centrales (combinadas) del campo Romashkino.

12 Oilfield Review

Para muchos procesos naturales, la periodicidades evidente a partir de una representación grá-fica simple de alguna observación versus eltiempo. Por ejemplo, las periodicidades de lasmareas del océano, las fases de la luna, las tem-peraturas de la superficie de la tierra, las horasdel día y otros fenómenos distintos, puedenreconocerse fácilmente a partir de observa-ciones o representaciones gráficas simples.

No obstante, algunos procesos pueden presen-tar tantas fuerzas trabajando en conjunto que laperiodicidad no es obvia. Una forma paraanalizar una observación que varía con el tiempollamada A(t) consiste en escribirla como lasuma de tres componentes.

A(t) = Ap (t) + Ar (t) + At (t)Donde Ap describe las oscilaciones aleatorias

de alta frecuencia de la actividad, Ar es el com-ponente regular y At representa las variacioneslentas o una tendencia.

Para encontrar un componente regular en elcomportamiento de la función A(t), podemosmodificar las coordenadas a partir de A(t) y lavariable t a coordenadas de fase A(t) y suderivada, dA(t)/dt. Las nuevas coordenadaspueden considerarse como la actividad y la tasao velocidad de variación de la actividad.

Para el ejemplo sísmico, un punto en el nuevosistema de coordenadas de fase define el estadodel proceso sísmico en algunos instantes detiempo y la velocidad de cambio de este estado.Un conjunto de puntos o una trayectoria, definenun cambio del sistema con el tiempo.

Es sabido que si el comportamiento de un sis-tema puede describirse con cierto tipo de ecua-ciones, entonces existen puntos especiales,líneas y áreas en las coordenadas de fase que"atraen" a las trayectorias vecinas. A estos pun-tos, líneas y áreas se les conoce como "factoresatrayentes."1

Si el sistema es uno de descenso monótono, alfactor atrayente correspondiente se le conocecomo nodo (abajo). Para cualquier momento deinicio, el sistema se mueve en línea recta haciaese nodo en el dominio de fase. En un sistemade oscilaciones moderadas, al factor atrayentese le conoce como el punto central hacia el cualse moverá el sistema. Un sistema de oscilacionescrecientes o decrecientes presentará un factoratrayente correspondiente a un ciclo límite y deforma elíptica en el dominio de fase. Las oscila-ciones altamente irregulares pueden aún pre-sentar cierta regularidad en el dominio de fase ytrazarse hacia múltiples factores atrayentes.

Cuando existe un cambio en los parámetrosque definen la evolución del sistema, el con-junto de soluciones posibles de las ecuacionescorrespondientes también puede cambiar. Estopuede resultar en un cambio en el tipo de losfactores atrayentes en el dominio de fase. A uncambio como tal en el tipo de factor atrayentese le conoce como bifurcación. Los ejemplosmás sencillos de bifurcación son de un nodo (opunto central) a dos nodos (o puntos centrales),una bifurcación del punto central al ciclo límite,o una bifurcación de un ciclo límite a dos cicloslímite.

La expresión de la actividad sísmica en térmi-nos de coordenadas de fase es útil por variasrazones: • Dos características básicas del proceso sís-

mico (su actividad y la tasa o velocidad devariación de la actividad) se consideran ytransforman como valores independientes.

• La representación gráfica de fase resultante oel mapa, son más sensibles a procedimientostales como el suavizado y la eliminación de latendencia, lo cual simplifica la selección de unintervalo de tiempo para el cálculo de laactividad, un tipo de suavizado o una transfor-mación adicional del sistema de coordenadas.

Otra dimensión en la actividad sísmica

A(t)

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tA(t) A(t)

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tA(t)

A(t)

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tA(t)A(t)

dA/dtc

tA(t)

> Funciones que varían con el tiempo (miembro izquierdo de cada par) y tipos correspondientes de fac-tores atrayentes (miembro derecho de cada par) en el dominio de fase, a) nodo; b) punto central; c) ciclolímite; d) ciclo límite con múltiples factores atrayentes.

Otoño de 2000 13

• El procedimiento estándar del análisis deFourier no es eficaz si se aplica a oscilacionescuasi-armónicas de frecuencia y amplitudvariables. En las coordenadas de fase, talesvariaciones pueden analizarse todavía en tér-minos de los factores atrayentes. Por ejemplo,un incremento en la amplitud de las oscilacio-nes hasta alcanzar un valor constante se ase-mejará a un ciclo límite creciente y, unadisminución en la amplitud hasta llegar a cerose asemejará a un factor atrayente de punto.

• Después de transformar la representación grá-fica de fase a una forma que permita una des-cripción matemática, se puede llevar a cabo latransformación inversa y obtener una descrip-ción matemática del componente regular delproceso sísmico original. Esto puede permitirel cálculo de la sismicidad futura. La importan-cia estadística de este pronóstico depende delvalor del componente aleatorio o impredeciblede la actividad sísmica y de la tasa o velocidadde variación de la actividad, y depende tambiénde la capacidad para reconocer los puntos de

bifurcación en las trayectorias de fase (puntosde cambio del tipo de régimen sísmico).

Características de fase de la actividad sís-mica del campo RomashkinoLa variación temporal en la actividad sísmicacuantificada en la región del campo petroleroRomashkino (arriba, parte a) puede describirsemediante una representación gráfica de fase(arriba, parte b). En primera instancia, la tra-yectoria del estado de actividad en las coordena-das de fase parece caótica. No obstante, elcomponente aleatorio puede eliminarse cam-biando el suavizado del gráfico y la tendenciapuede eliminarse mediante una transformaciónlineal similar al cambio y rotación de ejes(arriba, parte c).

La trayectoria de fase resultante (arriba,parte d) comienza en un punto inicial, posterior-mente se mueve en espiral hacia adentro; endeterminado momento, la trayectoria regresa ala parte exterior de la espiral y después nueva-mente se desplaza hacia adentro en espiral.

Todo el tiempo, la trayectoria permanece dentrode un área determinada.

Esta representación gráfica de fase se ase-meja al ciclo límite mostrado en la página ante-rior, parte c, para un oscilador bajo la acción deuna fuerza externa.

El movimiento hacia afuera de una trayecto-ria en espiral, generalmente corresponde a unincremento en la amplitud de las oscilacionesde la actividad sísmica, mientras que unmovimiento hacia adentro corresponde a unadisminución de las oscilaciones de la actividad.La forma y las dimensiones de los ciclosobtenidos pueden proporcionar información adi-cional sobre el proceso sísmico y deben estudiar-se con más profundidad. Una observacióndestacable es que las oscilaciones de la activi-dad sísmica no son estrictamente sinusoidales;el período tiende a oscilar en un valor promediocercano a los doce meses.

1. Haken H: Advanced Synergetics. Instability Hierarchiesof Self-Organizing Systems and Devices, Springer seriesin Synergetics. Vol 20. Nueva York, Nueva York, EUA:Springer-Verlag, 1983.

1986Año

1988 1990 1992 1994 1996Año

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Activ

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Actividad sísmica, normalizada

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Actividad sísmica, normalizada

Activ

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1986 a 19901991 a 1995

1986 1988 1990 1992 1994 1996

> Variaciones de la actividad sísmica en la región del campo Romashkino. La amplitud de la actividad sís-mica (arriba a la izquierda) se calculó sumando la raíz cúbica de las energías de todos los eventos que sepresentaron en ese mes. Estos datos se mostraron en las coordenadas de fase (abajo a la izquierda) paraverificar si podría identificarse la periodicidad. Los datos de la actividad sísmica se suavizaron y se elimi-nó la tendencia (arriba a la derecha) para extraer un componente regular. La representación gráfica defase (abajo a la derecha) del componente regular suavizado y sin tendencia muestra algunas similitudescon la representación gráfica de fase de un ciclo límite mostrada en la página anterior, parte c.

La actividad de explotación cuantificada tam-bién se analizó utilizando un promedio a lo largo deseis meses: se calcularon valores promedio de seismeses de extracción, inyección y desbalance, pos-teriormente el intervalo se desplazó un mes y secalculó nuevamente. Los resultados seestandarizaron mediante el promedio general.

Para las cuatro áreas más sísmicamente acti-vas se calculó la eficacia de una inyección, o la re-lación entre los volúmenes de líquido producido yagua inyectada (derecha). La comparación deestos valores con la actividad sísmica cuantificadaen la región del campo petrolero Romashkinoindica que existe una relación inversa entre lasoscilaciones de la actividad sísmica y la eficacia dela inyección. En 1986, momento en el cual la infor-mación de la actividad sísmica estuvo disponible yen el que se observa un marcado descenso, deextremadamente alto a bajo, el carácter de lavariación temporal de los parámetros de produc-ción cambia considerablemente.

En el área A, la eficacia de la inyeccióncomienza a oscilar con una amplitud importanteopuesta a las oscilaciones de la actividad sísmica.En el área S, también se observa el inicio de lasoscilaciones de la efectividad de la inyección, peroéstas están menos sincronizadas con las oscila-ciones de la actividad sísmica. En el área B, enforma aún más clara, se observan las oscilaciones cuasi-armónicas de la efectividad de la inyección

con un período cercano a los 12 meses y con unaamplitud regular. En el área M, una tendencia enla disminución de la efectividad de la inyeccióncambia en 1986 a un incremento en las oscila-ciones, drásticamente opuesto en signo a lasoscilaciones de la actividad sísmica.

En cierta medida, las características obser-vadas en las variaciones temporales de laefectividad de la inyección se relacionan con elcambio en 1986 a una nueva tecnología de inyec-ción de líquidos. Uno de los resultados de un cam-bio como tal, fue la disminución del volumeninyectado en verano. En invierno, se mantuvo lainyección a fin de evitar el congelamiento en laslíneas de flujo. Esto introdujo un componente esta-cional a la eficacia de las oscilaciones y, en gene-ral, una operación de inyección de agua máseconómica. Al mismo tiempo, es imposible afirmarque todas las variaciones se deben a diferenciasen la tecnología de inyección.

La eficacia de la inyección en las áreas A, S,M, y B puede compararse con la variación en laactividad sísmica cuantificada en cada área(izquierda). A los efectos de completar la com-paración, también se comparan los cambios en laactividad sísmica con los volúmenes de líquidoextraído e inyectado.

14 Oilfield Review

Efectividad de la inyección Efectividad de la inyección

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Actividad sísmica

Berezovskaja

Severo-Almetyevskaja Almetyevskaja

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Actividad sísmica Actividad sísmica

AñoAño

AñoAño1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993

1981 1983 1985 1987 1989 1991 19931981 1983 1985 1987 1989 1991 1993

> Comparación de la actividad sísmica general del campo Romashkino con las variaciones de laeficacia de la inyección para las cuatro áreas del campo. En cada uno de los casos, la escala deleje vertical izquierdo es la eficacia de la inyección y la escala del eje vertical derecho es la activi-dad sísmica normalizada.

Año1986 1988 1990 1992

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Año1986 1988 1990 1992

Efectividadde la inyección

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Actividad sísmicaAM

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> Comparación de las variaciones de la actividad sísmica (abajo izquierda) con la eficaciade la inyección (arriba izquierda), la producción y la inyección (arriba derecha) y el desba-lance de volúmenes (abajo derecha) para las cuatro áreas más sísmicamente activas delcampo Romashkino.

Otoño de 2000 15

Una característica notable es el incremento enlos volúmenes de inyección que se presentó cua-tro meses antes de la ocurrencia de los incremen-tos más importantes en la sismicidad, al principioy al final del período estudiado en el área A.También es importante el hecho de que la produc-ción disminuyó en estos períodos de incrementoen la actividad sísmica, aún cuando se incrementóla inyección. Más tarde, incluso los incrementosmás débiles en la actividad sísmica estuvieronsiempre acompañados por una disminución en laproducción total de líquido en el área A. Por otrolado, es interesante el hecho de que, por ejemplo,durante el incremento de la actividad sísmica de1991 a 1992 en el área M, tanto la inyección comola producción se incrementaron, pero, al mismotiempo, disminuyó la eficacia de la inyección.

El análisis de regresión muestra una relaciónestadísticamente importante entre las varia-ciones de la actividad sísmica en las cuatro áreasestudiadas y los regímenes de producción einyección para estas áreas. El nivel de confiabili-dad de la relación es del 99%.

Para ayudar a entender la relación entre laactividad sísmica en las cuatro áreas más sísmi-camente activas del campo petroleroRomashkino y algunas características quedescriben el proceso de explotación, se calcu-laron los coeficientes de correlación cruzada,tales como los volúmenes de líquido extraído einyectado, el desbalance y la eficacia de la inyec-ción. Durante el período de estudio, el volumende los líquidos inyectados y el volumen de loslíquidos producidos disminuyeron por razoneseconómicas. A los efectos de completar el análi-sis, se calcularon las correlaciones entre laactividad sísmica y los valores sin tendencia—eliminando la tendencia lineal de los valores—de los volúmenes inyectados y producidos.

Puede mostrarse gráficamente la correlaciónentre los parámetros de explotación en un área ylas actividades sísmicas en todas las áreas(derecha). La correlación con la actividad sísmicade cada región se encuentra representada comouna barra horizontal. Las barras más largas indi-can una mejor correlación y las barras a laizquierda muestran una correlación negativa.

Es sorprendente lo bien que se correlacionanlos parámetros de la actividad sísmica y laexplotación, no solamente dentro de un área,sino también entre las áreas. Los volúmenesinyectados y producidos en cada área y sus con-trapartes sin tendencia se correlacionan positiva-mente con la actividad sísmica en las cuatroáreas, con pocas excepciones (las correlacionesentre la actividad sísmica en el área A y la pro-

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Almetyevskaja

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Actividad de todaslas áreas

Severo-Almetyevskaja

Almetyevskaja

Berezovskaja

Minibayevskaja

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Minibayevskaja

Desbalance

Inyección sin tendencia

Producción sin tendencia

Producción/Inyecciónsin tendencia

Producción/Inyección

Producción

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Desbalance

Inyección sin tendencia

Producción sin tendencia

Producción/Inyecciónsin tendencia

Producción/Inyección

Producción

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Desbalance

Inyección sin tendencia

Producción sin tendencia

Producción/Inyecciónsin tendencia

Producción/Inyección

Producción

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Desbalance

Inyección sin tendencia

Producción sin tendencia

Producción/Inyecciónsin tendencia

Producción/Inyección

Producción

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> Correlación entre los parámetros de explotación y la actividad sísmica para los cuatro sec-tores de producción. Los parámetros de explotación se listan a la derecha. La correlación con laactividad sísmica en cada una de las cuatro áreas se muestra como una barra horizontal colo-reada. Por ejemplo, en la parte superior, el coeficiente de correlación entre la relación de pro-ducción/ inyección en el sector S y la actividad sísmica en el sector A (barra azul) es –0.12.

16 Oilfield Review

Actividad con inyección (sin tendencia)

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Actividad con eficacia de inyección

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Actividad con desbalance

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Area de Severo-Almetyevskaja

Area de Berezovskaja

Retardo, meses

Retardo, meses Retardo, meses

Retardo, meses Retardo, meses

Retardo, meses Retardo, meses

Actividad con inyección (sin tendencia) Actividad con producción (sin tendencia)

Actividad con eficacia de inyecciónActividad con desbalance

> Cambio en los coeficientes de correlación (entre la actividad sísmica y la producción y lainyección sin tendencia, el desbalance y la eficacia de la inyección) debido a un desplaza-miento relativo en los tiempos de la serie de datos. Un retardo positivo, como se observa en los casos de las áreas A y M, indica que los cambios en los parámetros de explotación delcampo preceden a los cambios en la actividad sísmica. Un retardo negativo indica que loscambios en la actividad sísmica preceden a los cambios en los parámetros de explotación.

ducción en cada área son negativas). La eficaciade la inyección (volumen producido/volumeninyectado) en cada área se correlaciona negativa-mente con la actividad sísmica en las cuatroáreas, mientras que los desbalances se correla-cionan positivamente. Los valores absolutos másaltos de correlación se observan entre la produc-ción sin tendencia en el área A y la actividad sís-mica en las áreas A y M (que se encuentra cercadel área A); y entre el desbalance en el área M yla actividad sísmica en las áreas S y B. Los valo-res absolutos de estos coeficientes correlativosson mayores a 0.7.

La correlación entre la actividad sísmica y laexplotación de hidrocarburos, significa que las dosestán relacionadas, pero esto no indica cuál es lacausa, cuál es el efecto y cuánto tiempo le toma ala causa crear el efecto. El desplazamiento relativoen los tiempos de la serie de datos, el nuevo cál-culo de la correlación y el rastreo del retardo queresulte en la mejor correlación, proporcionan elmejor cálculo estadístico del retardo entre la causay el efecto (derecha y página siguiente). Los retar-dos positivos corresponden a desplazamientos enlos tiempos positivos de la serie de datos de laactividad sísmica respecto de otra serie de datos.Las más interesantes son las representacionesgráficas para las áreas M y A, las cuales indicanque los cambios en los parámetros de explotaciónpreceden a los cambios en la actividad sísmica.Para estas áreas, se observa una correlación máxi-ma cuando los retardos son positivos y del ordende uno a dos meses. Los coeficientes de co-rrelación alcanzan 0.8 para el área M (correlaciónentre la actividad sísmica y la inyección) y 0.7 parael área A (correlación entre la actividad sísmica yel desbalance, y entre la actividad sísmica y la pro-ducción).

La correlación máxima para el área B co-rresponde a cero o a un desplazamiento insignifi-cante en el tiempo.

El hecho de que para el área S la correlaciónmáxima ocurra cuando los desplazamientos en lostiempos de la actividad sísmica respecto a la ma-yoría de los parámetros son negativos y del ordende seis a siete meses, fue una sorpresa. Esto sig-nifica que el cambio en la actividad sísmica pre-cede al cambio en los parámetros de explotación.

Explotación de la sismicidadPocas personas negarán que existe una relaciónentre la explotación de hidrocarburos y la activi-dad sísmica, pero todavía no se ha determinadocuán fuerte es la relación. Además, lo que puedeo debe hacerse, provoca otro debate.

Otoño de 2000 17

En regiones de energía potencial tectónicaalta, la producción de hidrocarburos puede oca-sionar drásticos incrementos en la actividad sís-mica y provocar fuertes sismos como en Gazli yUsbekistán. En regiones de tensión tectónicamás baja, sismos de esa magnitud son menosprobables, pero pueden presentarse sismos rela-tivamente débiles que dañen las estructuras desuperficie.

El análisis de los datos respecto a las carac-terísticas temporales y espaciales de la actividadsísmica pueden proporcionar información útil sobrelos procesos de deformación que se presentan enlos yacimientos y en las rocas circundantes. Sepueden delinear las zonas con presencia de fallasactivas que también presentan alta permeabilidad.Si se adquiere en suficientes períodos, esta infor-mación puede ayudar a pronosticar incrementospeligrosos en la actividad sísmica y evaluar losmétodos de extracción. Por ejemplo, en el campopetrolero Romashkino, la eficacia de la inyecciónde agua disminuyó durante los períodos en loscuales se incrementó la actividad sísmica y seincrementó durante los períodos de baja actividadsísmica. Esto podría deberse a que las fallas que seactivaron durante los períodos de actividad sísmicadesarrollaron también una mayor permeabilidad.Esto podría disminuir la eficacia de la inyección.

La instalación anticipada de una red sísmicalocal permanente ayuda a cuantificar la actividadsísmica de trasfondo de modo que puedan detec-tarse los cambios. Esto ayuda a aclarar los miste-rios de la relación entre la producción y la actividadsísmica. La experiencia demuestra que para calcu-lar los valores de los parámetros temporales yespaciales de los procesos de deformación sísmicaen la región de campos de hidrocarburos, es acon-sejable registrar la información durante uno o dosaños antes de iniciar cualquier producción. Sinembargo, un mayor registro y un mejor análisis pro-porcionan una mejor visión. Los resultados publica-dos en este artículo son los informes preliminaresdel proyecto conjunto entre Schlumberger y elInstituto de la Dinámica de Geóferas en Moscú.Otros grupos se encuentran fomentando tambiénactivamente el monitoreo en superficie de la activi-dad sísmica que pueda estar relacionada con laexplotación de hidrocarburos. Por ejemplo, elKoninklijk Nederlands Meteorologische Instituut(KNMI) cuenta con un programa para monitorear lasismicidad en los Países Bajos. Otros grupos seencuentran monitoreando la actividad sísmica consensores instalados en los pozos. Todos estosesfuerzos incrementarán el conocimiento de laindustria sobre los efectos de la producción ennuestros alrededores. —LS

Retardo, meses Retardo, meses

Retardo, meses Retardo, meses

Retardo, meses Retardo, meses

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Actividad con inyección (sin tendencia) Actividad con producción (sin tendencia)

Actividad con eficacia de inyecciónActividad con desbalance

Actividad con inyección (sin tendencia) Actividad con producción (sin tendencia)

Actividad con eficacia de inyecciónActividad con desbalance

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Area de Almetyevskaja

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