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COMPACTION AND PERMEABI LlTY OF CERRO PRIETO CORES:
A LABORATORY EVALUATION
A. S. Abou-Sayed, J. F. Schatz and K. M. Wolgemuth
Terra Tek, Inc.
420 Wakara Way
Salt Lake City, UTAH 84108
ABSTRACT
As part of the Lawrence Berkeley Laboratory Geother­
mal Subsidence Research Program, an experimental
program has been carried out to determine the mechani­
cal and physical response of cores from selected wells
at the Cerro Prieto Geothermal Field. In particular, the
effects of pore pressure reduction (due to reservoir
drawdown) on rock compaction and vertical perme­
ability are investigated.
Initially, a specimen is subjected to reservoir condi­
tions of temperature, confining pressure, and pore pres­
sure. Then pore pressure is reduced to simulate well
production and axial and transverse strain as well as
ejected fluid volume are measured as a function of time.
In some tests permeabilities are also measured. Both
short duration (. . . . 1 hour) and long duration (. . . . 8 hours)
tests have been performed. The short duration tests
indicate instantaneous response, while the long du­
ration. tests are intended to monitor creep compac­
tion.
The results of the study are related. to reservoir
engineering, well integrity and subsidence potential at
the Cerro Prieto field.
such an approach to understand surface subsidence
due to production. However, such an approach is inad­
equate for planning development strategy and evaluat­
ing the potential economic and environmental impact
of production in a virgin reservoir. On the other hand,
reservoir engineering by use of well testing has long been
established as a predictive tool for reservoir production
behavior. Well tests are used on a routine basis to deter­
mine reservoir permeability, resource in place, and well­
bore conditions (Ramey, 1977). However, these field
tools la~k the ability to predict changes in reservoir
parameters that effect production and recharge. It is there­
fore advisable, as part of an overall exploitation pro­
gram, to utilize laboratory simulations to investigate
the phenomena associated with reservoir behavior due
to production and injection. To generate a good reser­
voir model, more than just data collection is required.
It is also essential to understand the mechanisms of
short-term and long-term (creep) compaction. These
mechanisms· are probably a combination of simple me­
chanical deformation, crack growth and closure, and
chemical reaction effects which can in themselves cause
porosity (and permeability) reduction or enhance the
physical mechanisms of such reduction.
INTRODUCTION
Production of water, oil and gas from underground
formations can cause compaction of reservoir sands
due to pore pressure reduction. This compaction, if ex­
cessive, may in turn result in permeability loss, reser­
voir storage loss, well damage, and surface subsidence.
Compaction may be inelastic and irreversible, so attempts
at reservoir restoration by methods such as injection may
stop the occurence of additional adverse effects but
not return losses. Therefore, it is important to deter­
mine the reservoir pressure drawdown at which adverse
inelastic phenomena begin to predominate and what
magnitude their effects have. A complicating factor
is that some irreversible changes may be associated with
time-dependent creep mechanisms.
Long-term reservoir behavior can best be deter­
mined by long-term field observations. Lofgren (1978)
and Helm (1979) have shown examples of the use of
As part of the DOE/LBL Geothermal Subsidence
Research Management Program, laboratory and analyt­
ical studies have been undertaken at Terra Tek. The
experiments described in this paper are conducted with
Cerro Prieto reservoir core and reservoir fluid. Measure­
ments of compaction, permeability, and chemical effects
have been recorded in an attempt to elucidate the mechan­
ics of reservoir perfomance.
EXPERIMENTAL EQUIPMENT AND PROGRAM
Cores were obtained from nine (9) wells located mostly
in the eastern part of the geothermal field as shown in Fig­
ure 1. Sampling locations on an approximate SW·NE
cross-section of the field are shown in Figure 2. The
prinCipally eastward trend of increasing core depth is
consistent with the increasing reservoir depth in that
direction.
264 sand, and in fact, completely lost mechanical integrity
after the creep compaction test.)
c ......
NL-'
•
T-366
•
0-473
•
o
500
•
IOOOm '---'---' SCALE
CERRO
PRIETO GEOTHERMAL WELL LOCATIONS
Figure 1. Locations and designation of wells from which core
was obtained. Fluid sample was obtained from Well
M-25.
sw- NE
SECTION
Generally, the samples have porosities which are
typical of sandstones at these depths. Calcite content
of the cores was determined by a method adapted from
Prestley (1975). Samples of 1.0 g were reacted with
phosphoric acid and the CO 2 evolved was measured with
a manometer. The extraction system was carefully cali­
brated with weighed portions of oven-dried CaC03
and the results are considered good to ±0.3 percent.
The cores prepared for testing fall into three categories.
Five samples have essentially zero calcite «0.3 percent,
the detection limits of the extraction system), two have
approximately 1% calcite, and two have approximately
7% calcite. Elders et a!. (1979) have shown that the
calcite content of Cerro Prieto rock correlates quite well
with temperature boundaries in the hydrothermal reser­
voir. In the higher temperature part of the reservoir,
almost no calcite occurs since it has been previously de­
composed and replaced by hydrothermal alteration
minerals such as silica and epidote. At lower tempera­
tures, calcite appears. Its occurence can be either as ori­
ginal material, or in a form that has been redeposited
in the hydrothermal system from fluid that cools as it
passes through the formation. The tested cores with
high calcite content are probably rocks located near
the upper boundary of the reservoir. In terms of tem­
perature, the cores with zero calcite content are probably
from a zone of temperature well in excess of 250°C.
(APPROXIMATE)
To obtain fluid suitable for use with samples, a
!:i5-gallon drum of fluid was collected from Well M-25
in July, 1979. It was acidified to a pH of 2-3 with HN0 3 ,
a procedure confirmed by Manon (Comision Federal de
Electricidad) to prevent polymerization and precipita­
tion of silica. (The voluminous gel-like silica deposits
in the evaporation pond are ample evidence that this
occurs as produced fluid cools to ambient temperature).
'i
"
w
"
TABLE 1. PROPERTIES OF CERRO PRIETO SAMPLES
\
SANDSTONE-SHALE
Figure 2. Schematic cross-section showing approximate Jocations
of core.
Samples selected for testing have been analyzed
for porosity and calcite content. Results are given in
Table 1. The average porosity is 19± 3 percent with
the exception of the extremely high value of 39 per­
cent for M-93. (This sample was extremely friable com­
pared to the others, almost resembled an unconsolidated
WELL
M-I07
M-110
M-127
NL-l
T-366
M-7
0-473
M-93
M-129
DEPTH
POROSITY
(M)
en
2115
1664
1871
2735
2522
1410
1384
1566
1802
25
15
17
18
20
19
23
39
17
CALCITE
(%)
0
0
0
0
0
0.9
1.3
6.1
8.6
265
TABLE 2. CHEMISTRY OF COLLECTED CERRO PRIETO FLUID* ADJUSTED TO RESERVOIR CONDITION FOR CREEP TESTING pH Ca Na
C1
5.9
270 ppm
5,400 ppm
13.100 ppm
1,400 ppm
620 ppm
o ppm (since brine
was aCidified)
K
Si02
HC03
.. All values are as collected from Well M-25, with adjustment for
flashing in the separator.
In the laboratory, the water was analyzed for major
constituents. Results are given in Table 2. Figure 3 shows
schematically the sequence of handling the fluid from
collection through testing. Prior to use for saturation
of rock samples, it was dilluted by 1/3 with deionized
water to replace the fraction lost by flashing at the
wellhead.
The pH was adjusted to about 5.5 by addition of
NaOH and the fluid was injected to the heated specimens
as quickly as possible to prevent silica precipitation.
Once the tests were terminated, the fluid was flushed out
LABORATORY TESTING
---------------,,------------­
ADJUST
TO RESERVOIR
CONCENTRATION
PERMEABI LITY
AND
CREEP TESTS
pH = 5,9
DILUTE
f-­
SI02 Of 600
REACTIONS
ALTERATION f---­
EQU I LlBI'lI UM
I
STEAN
COLLECT &
ACIDIFY
pH
SI02
r-­
~ 2 (flN0 3 )
i
CA
NA
CI
K
SI02
HC0 3
S,E.M.
J
\
RESERVOIR
pH
THIN
SECTION
I
1.000 PPM!
ANALYZE
FLUID &
ROCK
FIELD
TESTING
pH ., 5,9 (cALC) SI02 ~ 600 PPN of the samples and analyzed for Si02 by the molybdate
method; HC03 by alkalinity titration; CI by specific ion
electrode; and Na, K, Ca and Mg by atomic absorption
spectrophotometry.
Most of the reported experiments have been perform­
ed in the Terra Tek creep system which is capable of sim­
ulating in-situ conditions of stress and pore pressure up to
1,000 bars and temperatures in excess of 300°C. Confining
pressure, load and pore pressure are maintained by gas­
backed temperature-stabilized accumulators. Confining
fluid is mineral oil. The base plug allows for fluid flow in
and out of the vessel. Since the heating is internal, no seals
or feed-through (electrical and high-pressure lines) are sub­
jected to high temperature. Strains are measured using
LVDT (l..:inear-Variable-Displacement Transformer) at­
tached rigidly to the sample end caps. Data acquisition is
carried out via a PDP-11 Series Computer. The ability
measurements (Ennis et aI., 1979) has capabilities to 500°C
and 2,000 bars. Samples are wrapped in elastomer-jackets
which have been proved reliable to 3000C.
Nine samples, 5 cm in diameter by 10 cm long,
were tested to determine permeability ,md compaction
as functions of pore pressure and time. At the start of
these compaction tests, axial load, confining pressure.
pore pressure and temperature were applied to simulate
in-situ conditions appropriate to the core depth. Axial
load, confining pressure and pore pressure have been
assumed at approximately 3.0 psi/meter depth, at 2.0
psi/meter depth and 1.5 psi/meter depth respectively.
Since in-situ temperatures 'are not known accurately,
the tests were run at 230°C-280°C as determined by
estimates from depth and calcite content. Permeability
. at simulated reservoir conditions was measured for each
sample. The pore pressure was held constant for periods
of two to ten hours. At the end of the creep interval,
permeability was measured again. Finally, pore pressure
was increased to its initial value while deformation and
permeability rebound were monitored.
Nine more samples were tested for permeability
only. These measured 2.5 cm in diameter by 5 cm long.
They were subjected to reservoir conditions of confining
pressure and pore pressure before the sample permeabil­
ity was measured at room temperature. The tempera­
ture was then increased to reservoir temperature and per­
meability was measured again. While sample tempera­
ture was held constant, the pore pressure was reduced by
1,000 psi, and permeability was measured. Then pore
pressure increased to its original value with a final perme­
ability measurement. No compaction measurements were
made in th is sequence of tests.
EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION
Figure 3.
Schematic of changes in fluid chemistry from the
reservoir through creep testing of cores.
A summary of the conditions and results of the perme­
266
TABLE 3. COMPACTION TEST RESULTS
(1000 psi pore pressure cycle)
WELL
M-l07
M-ll0
M-127+
NL-I
T-366+
M-7
0-473
M-93++
M-129
AXIAL
STRESS
6200
4900
5500
8100
7400
4200
4100
4600
5300
CONFINING
PRESSURE
4150
3250
3650
5400
4950
2800
2750
3050
3550
INITIAL
PORE
PRESSURE
3100
2450
2750
4050
3700
2100
2050
2300
2650
TEMP.
260
280
280
260
250
250
250
230
250
SHORT-TERM
COMPACTION
MODULUS·
10 6 psi
LONG-TERM
COMPACTION
MODULUS·
106 psi
2.2
3.0
1.3
2.0
2.0
2.8
3.7
0.85
6.3
(0.014 )
3.7
0.83
2.6
(0.013 )
4.8
DURATION
OF
CREEP
min
125
530
480
120
350
160
560
240
180
REBOUND
MODULUS·
10 6 psi
RATIO OF
LONG- TERM
COMPACTION
TO REBOUND
4.8
0.12
0.42
16.7 .
16.7
3.0
3.5
0.17
0.17
0.28
0.74
11.1
* Modulus is defined as ratio of pore pressure drop (1000 psi) to volume strain
+ F'uid in these specimens was inadvertently flashed during testing, thus contributing to spurious results
++
Rock yielded during test
ability and compaction tests is given in Table 3. The per­
meability tests were done on vertical cores subjected
to hydrostatic conditions at a hydrostatic pressure equal
to that in the axial stress column in Table 3.
Comparison of the long-term compaction moduli
to rebound (elastic) moduli indicates that most of the
compaction observed in these tests is irreversible, i. e.,
that pore pressure reduction, once it causes compaction,
cannot be compensated by subsequent pore pressure
increase. We also observe that the accumulated volume
compaction increases with time for a fixed set of loading
conditions. Therefore, a very long-term effective modulus
for compaction as measured in the laboratory may well
approach long-term moduli as estimated from field
data (Schatz et aI., 1978; Helm, 1979).
During the early phases of permeability testing it
became evident that the rocks containing calcite pro­
duced inconsistent results. Steady state permeabilities
could not be measured since permeability went up or
down erratically as a function of time. Such variation
probably resulted from the low CO 2 content of the fluid
used for these tests (as compared to reservoir values).
In these tests, calcite was dissolved causing either an
increase of permeability due to porosity increase or
core plugging due to fines released after the breakdown
of calcite cementation. The rocks containing no calcite,
howeve-r, showed more regular behavior. Therefore,
results from those five tests are presented. (Subsequent
tests, to be reported in the future, include more careful
control of carbonate chemistry.)
Table 4 gives the vertical permeability results for
low calcite material. A baseline value was established
at in-situ pressure and room temperature. Then four
additional measurements were successively madll after
the sample has been subjugated to the following: a) an
increase of temperature to reservoir temperature while
the pressures were held fixed; b) a reduction of pore
pressure by 1,000 psi with temperature, axial and con·
fining pressure held constant; c) creep compaction for
several hours with the reduced pore pressure and other
parameters kept unchanged, and c) an increase of pore
pressure back to reservoir conditions. The average base·
line val ue at high pressure and room temperature is 1.6
md. High temperature significantly reduces the average
permeability to 0.7 md. A reduction of pore pressure
does not significantly change average permeability.
TABLE 4. PERMEABILITY TEST RESUL TS*
WELL
ROOM
TE~IPERATURE
md
HIGH
TEMPERATURE
md
REDUCED
PORE
PRESSURE
md
AFTER
CREEP
md
RETURN
PRESSURE
md
.11
.46
.20
M-J07
.45
.45
.22
.50
.21
M-110
.99
.73
.80
.65
1.2
M-127
2.1
1.7
1.3
NL-1
3.0
.21
1.2
.34
1.2
.90
:74
.70
.91
.76
.37
.40
.74
.75
.46
.59
T-366
AVERAGE
1.64
.24
.92
.63
* For each well, the first row is the results of permeability tests,
only on 2.5 em x 5 em samples and the second row is combin­
ed compaction-permeability tests on 5 cm x 10 cm cores.
267
Short·term compaction moduli estimated from
pore pressure reduction tests average about 3 million
psi. These results imply that the reservoir rock is quite
stiff with respect to pore pressure reduction in its elas­
tic response. However, other compaction tests, not
reported in the present paper, where the samples were
subjected to confining pressure increase rather than
pore pressure decrease resulted in a range of compac­
tion moduli of 1 to 2 million psi. Therefore, the classi­
cal Terzaghi effective stress law does not hold in this
case. While the number of data points is small, it is be­
lieved that the results are significant. Furthermore,
this observation is in agreement with previous work by
Nur and Byerlee (1971) who established that the sim­
ple Terzaghi effective stress concepts do not exactly
apply to porous rock.
Creep compaction significantly reduces average perme­
ability further to 0.5 md. Recovery of pore pressure
back to reservoir pressure increases the average perme­
ability to 0.6 md but the final permeability is still less
than initial baseline value. The average values are re­
ported since they represent qualitatively identical behav­
ior to each sample.
Chemical data of fluid obtained from the creep
measurements are shown in Table 5. The results of Si0 2
analyses are especially interesting. Four of them have
Si0 2 of 2,300 - 3,300 ppm. These concentrations are
higher than the solubility of the temperature conditions
during testing, even for amorphous silica (Fournier,
1973). We believe this to be due to one of two possible
mechanisms. The first is the increase with pressure of
quartz solubility combined with stress concentrations
at grain asperities to cause pressure solution. With more
time, Si0 2 concentration decreases in the pore fluid as
equilibrium is approached from the supersaturated con­
ditions. The second possible mechanism is rapid disso­
lution of amorphous silica which was present in the
cores by precipitation for the pore fluid, where the kinet­
ics of silica dissolution cause an overshoot to supersat­
urated conditions for a period of time. Further inves­
tigation is needed to determine which of these mechanisms
was operative.
The reported work is the result of laboratory investiga­
tion of the effect of pore pressure reduction on the
behavior of cores from the Cerro Prieto Geothermal
Field. Th,e purpose is to investigate pore compaction and
its effects on permeability and reservoir subsidence.
Results indicate:
The reported laboratory-measured compaction mod­
uli may be used to assess reservoir behavior upon de­
pletion. The long-term compaction moduli for low calcite
rocks range approximately from 1 to 3 million psi with
an average of 2 million psi. These values may be used to
develop some bounds on surface subsidence. For exam­
pie, using a compaction modulus of 2 x 106 psi, one
estimates that a 500 psi pore pressure decrease in a
100 meter thick layer results in a total vertical elastic
compaction of about 2.5 centimeters.
1. Reservoir depletion (pore pressure reduction)
will cause substantial compaction and reduction in per­
meability.
2. Some part of the compaction and permeability
reduction is not returned upon restoration of pore pressure.
Longer term creep test may determine whether the perma­
nent reduction stabilizes or continues with time.
3. The laboratory-measured permeabilities of less
than 1 md, while reliable, are significantly less than the
reservoir permeabil itv 20 md or more estimated from actual
CONCLUDING REMARKS
TABLE 5. CHEMICAL ANALYSIS OF INPUT AND OUTPUT FLUID OF SPECIMENS USED FOR CREEP COMPACTION TESTS Test
Date
10-4
10-4
10-4
10-6
Test
r. D.
CP6,A
CP6,B
CP7,B
CP8,B
\10-8 CP9,A
•I 10-8 CP9,B
In
Na
Ca
pH
Out
In
Out
In
C2­
Out
5.9 7.5 270 660 5400 10,000
5.9 7.5 270 350 5400 8200
5.9 6.7 270 480 5400 7300
5.9 7.0 270 230 5400 6700
5.9 7.2 270 490 5400 7000
5.9 6.7 270 640 5400 6600
A. Detention time approximately 3 hours
B. Detention time approximateiy 8 hours
In
13,100
13,100
13,100
13,100
13,100
13,100
Out
14,300
13 ,700
12,100
12,100
10,200
In
Out
In
1100
1100
1100
1100
1100
1100
2200
1500
1900
1400
300
500
620
620
620
620
620
620
-
HC0 3
Si0 2
K
Out
In
--- 1--­
170
3100
3300
2500
590
2300
Out
_._---,
0 550
0 800
0 420
0 620
0 520
0 1550
%CaC0 3
---0
0
8
0
6
6
1
-~j
M107
M107
M129
NLl
1,193
M43
268 ACKNOWLEDGEMENTS
NO
COHESION
LOSS
\
0.15
>­
f-
iii
0
.
a:.
0.10
0
COHESION
LOSS
0.05
0
0
10
15
20
25
30
The authors would like to express their gratitude to Ing. Alfredo
Manon. General Supervisor of Research, Cerro Prieto Geothermal
Project and his competent staff for their cooperation in provid­
ing cores, brine and reservoir data used in this study. Mark Smith.
Scott Carlisle. Dic Van Buskirk and Fred Prater have contributed
substantially to the experimental efforts reported here. John
Noble. Technical Program Manager at LBL, has been a constant
source of help and encouragement.
This program was supported by the Lawrence Berkeley
Laboratory Geothermal Subsidence research program under
Contract No. 4500310.
TIME (YRS.J
Figure 4. Extrapolated porosity versus time from the laboratory
data.
reservoir data (Rivera et al., 1978; Schroeder et al., 1978).
Therefore, it seems likely that in the field there are either
a) permeable zones in the rock that have not been sampled
in the coring procedure or b) an extensive interconnected
system of fractures. This means that, although the fluid
storage in the reservoir is probably within the pore struc­
ture of the rocks, theftuid flow occurs in more permeable
channels than we can infer from these test.
4. Future testing for creep compaction and perme­
ability should use fluid with the carbonate chemistry
adjusted to in-situ conditions.
In summary, the long-term effects of reservoir
drawdown can be summarized as a loss of storage due
to compaction and loss of permeability. An example
of such effects is shown in Figure 4. The figure indi­
cates the long-term porosity-reduction that results from
reservoir depletion. These curves have been generated
using time-dependent spherical pore theory (Schatz et
aI., 1980). The solid curves are derived from an assump­
tion that the cohesion in the rock is eventually lost
with time which is an extreme case. At the other ex­
treme is the assumption that there is no long-term cohe­
sion loss in the rock. Instead, pore pressure reduction
causes the rock to respond by an instantaneous elastic
response followed by creep until the reduced porosity
is in equilibrium at the original cohesion. Curves are
shown for time constants of 3, 15 and 30 years. Presum­
ably there would also be equally targe or larger reduc­
tions in long-term permeability. Probably, the ultimate
result of this work wilt be an extrapolation that lies
somewhere between the extremes shown in Figure 4.
In any case (even with the assumption of no long-term
cohesion loss) the long-term porosity reduction is consid­
erably greater than one would derive from short-term
measurements.
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Como parte del LBL Geothermal Subsidence Research
Program, ha side lIevado a cabo un programa experimental
para determinar la respuesta mecimica V ffsica de nucleos
de pozos seleccionados en el campo geotermico de Cerro
Prieto. En particular, se investigan los efectos de la reduc­
cion de la presion de poro (debido al abatimiento de la
presion del vacimiento) sobre la compactacion de la roca
V la permeabilidad vertical.
Inicialmente, los especfmenes se someten a las con­
diciones de temperatura, presion de confinamiento V pre­
sion de poro del vacimiento. Luego, Se reduce la presion
de poro para simular la produccion del pozo. La deforma­
cion axil V transversal, as! como el volumen de fluido ex­
trafdo, se miden en funcion del tiempo. En algunas prue­
bas tambien se miden permeabilidades. Se lIevaron a cabo
pruebas de corta duracion n hora) V de larga duracion
(-8 horas). Las de corta duracion indican respuesta ins­
tantanea, mientras que las de larga duracion intentan mo­
nitorear la compactacion permanente (creep compaction).
Los resultados de este estudio se relacionan con la
ingenieria de vacimientos, la integridad del pozo V el po­
tencial de hundimiento del campo de Cerro Prieto.
INTRODUCCION
La extraccion de agua, petroleo V gas de formaciones sub­
terraneas, puede ocasionar compactacion .de las arenas del
vacimiento debido a la reduccion de la presion de por~.
Dicha compactacion, si fuera excesiva, puede a su vez cau­
sar disminucion de la permeabilidad V de la capacidad de
almacenamiento del Vacimiento, danos en los pozos V
hundimiento de la superficie. La compactacion puede ser
inelastica e irreversible, de modo que los intentos de res­
taurar el vacimiento p~r metod os como la inveccion
puede detener la ocurrencia de efectos adversos adiciona­
les pero no recuperar las perdidas. Por 10 tanto, es impor­
tante determinar el abatimiento de presion del vacimiento,
en que comienzan a predominar los fenomenos inelasticos
adversos, V la magnitud de sus efectos. Una complicaci6n
a tener en cuenta es que algunos cambios irreversibles pue­
den estar asociados con mecanismos de deformaci6n
permanente (creep) dependientes del tiempo.
Las observaciones de campo a largo plazo constitu­
yen el mejor metodo para determinar el comportamien­
to de un vacimiento a largo plazo. Lofgren (1978) V Helm
(1979) han mostrado ejemplos del uso de dicho enfoque
para comprender el hundimiento de la superficie debido
a la produccion. Sin embargo, dicho enfoque es inadecua­
do para planear la estrategia de desarrollo V evaluar el po­
tencial econ6mico V el impacto ambiental de la produccion
en un vacimiento virgen. Por otra parte, hace va tiempo
que las pruebas de pozo son consideradas como una he­
rramienta predictiva del comportamiento de vacimientos
en produccion. Las pruebas de pozo se usan rutinariamen­
tepara determinar la permeabilidad del vacimiento, mag­
nitud del recurso V condiciones de los pozos (Ramev,
1977). Sin embargo, estas herramientas de campo son in­
capaces de predecir cambios en los parametros del vaci­
miento que afectan la produccion V recarga. Por 10 tanto,
es aconsejable, como parte de un program a de explota­
cion completo, utilizar simulaciones de laboratorio para
investigar los fen6menos asociados con el comportamien­
to del vacimiento debido a la produccion e inveccion. Pa­
ra producir un buen modelo de vacimiento, se necesita
mas que una simple coJeccion de datos. Es esenciaJ tam­
bien entender los mecanismos de compactacion a corto
V largo plazo (creep). Tales mecanismos son probablemen­
te una combinaci6n de deformacion mecanica simple, cre­
cimiento V cerrado de fracturas V efectos de reacciones
qufmicas que pueden, por sf mismas, causar reduccion de
la porosidad (V permeabilidad) 0 realzar los mecanismos
ffsicos de dicha reducci6n.
Como parte del DOE/LBL Geothermal Subsidence
Research Management Program se han realizado estudios
de laboratorio y anal fticos en Terra Tek. Los experimentos
descritos en este trabajo fueron lIevados a cabo con nu·
cleos V fluidos del vacimiento de Cerro Prieto. En un in­
tento por elucidar la meciinica del funcionamiento del
yacimiento, se registraron medici ones de compactacion,
permeabilidad V efectos qufmicos.
EQUIPO Y PROGRAMA EXPERIMENTAL
Como se observa en la figura 1, los nucleos se obtuvieron
de nueve pozoslocalizados en su mayorfa en la zona orien­
tal del campo geotermico. En la figura 2 se yen localiza­
ciones de muestras en un corte transversal del campo de
direccion aproximada SO-NE. La tendencia de la profun­
didad de los nucleos a aumentar principal mente en direc­
cion al E es compatible con la mayor profundidad del va­
cimiento en dicha direccion.
270
Las muestras seleccionadas para las pruebas se ana­
lizaron para determinar su porosidad V contenido de cal­
cita. Los resultados aparecen en la tabla 1. La porosidad
promedio es 19± 3 % , con la excepcion de M-93 con un
valor extremadamente alto de 39%. (Comparada con las
otras, esta muestra resulto friable en extremo, casi pare­
cia arena no consolidada V, en efecto, perdio completa­
mente la integridad mecanica despues de la prueba de com­
pactacion permanente.)
En general, las muestras tienen porosidades que son
tipicas de areniscas a esas profundidades. EI contenido de
calcita de los nucleos se determine por un metodo adop­
tado de Prestlev (1975). Se hicieron reaccionar muestras,
de 1.0 9 con acido fosforico, V el C02 desprendido se mi­
dio con un manometro. EI sistema de extraccion se calibro
cuidadosamente con porciones pesadas de CaC0 3 secado
a horn~, V los resultados se consideran correctos dentro
del ±0.3 % . Los nucleos preparados para las pruebas se
distribuveron en 3 categorfas. Cinco muestras tienen esen­
cialmente cero calcita (0.3%, los Ifmites de deteccion del
sistema de extraccion), dos tienen alrededor de 1% de
calcita V los otros dos tienen mas 0 menos 7% de calcita.
Elders et at. (1979) mostraron que el contenido de calcita
de las rocas de Cerro Prieto correlaciona muv bien con
contornos de temperatura en el vacimiento hidrotermico.
En las partes de mayor temperatura del vacimiento no
se observa casi calcita puesto que se ha descompuesto pre­
viamente V ha side remplazada por minerales de altera­
cion hidrotermica como la sflice V el epidoto. La calcita
aparece a temperaturas mas bajas. Su ocurrencia puede
tener lugar va sea como material original 0 en una forma
que ha side redepositada en el sistema hidrotermico por
fluidos que se en.friaron al pasar a traves de la formacion.
Los nucleos con alto contenido de calcita examinados, pro­
bablemente provienen de rocas local izadas cerca del borde
superior del vacimiento. En relacion con la temperatura,
los nucleos con cero contenido de calcita probablemente
provienen de una zona cuva temperatura excede consi­
derablemente los 250°C.
Con el fin de obtener fluido adecuado para usar con
las muestras, se extrajo en julio de 1979, un tambor
de 55 galones de fluido del pozo M25. Se 10 acidifico a
un pH de 2-3 con HN0 3 , procedimiento confirmado por
Manon (Comision Federal de Electricidad) para prevenir
polimerizacion V precipitacion de sflice (los volumino­
sos depositos con apariencia de gel de sflice en la laguna
de evaporacion proveen amplia evidencia de que esto
ocurre cuando el fluido producido se enfrfa a tempera­
tura ambiente).
En ellaboratorio se analiza la salmuera para determi­
nar los componentes principales. Los resultados se dan en
la tabla 2. La figura 3 muestra esquematicamente la se­
cuencia de manipuleo del fluido entre la extraccion V las
pruebas. Antes de su utilizacion para saturar las muestras
de roca, se diluvo el fluido por 1/3 con agua deionizada
para remplazar la fraccion perdida por ebullicion en el ca­
bezal del pozo. EI pH se ajusto alrededor de 5.5 agregando
NaOH. Tan rapido como fue posible, el fluido se in­
vecto a los especimenes calentados, para evitar la preci­
pitacion de sflice. Una vez que las pruebas concluveron,
el fluido fue extraido de las muestras V analizado para
determinar el contenido de Si0 2 por el metoda del mo­
Ivbdato, de HC0 3 por titracion de alcalinidad, de CI por
electrodo de ion especifico V de Na, K, Ca V Mg por es­
pectrofotometrfa de observacion atomica.
La mayor parte de los experimentos descritos fue­
ron lIevados a cabo en el sistema creep de Terra Tek, que
es capaz de simular condiciones in situ de tension V pre­
sion de poro de hasta 1000 bars V temperaturas superio­
res a 300°C. La presion de confinamiento, la carga V !a
presion de poro se sostienen mediante acumuladores de
temperatura estabil izada mantenidos a gas; el fluido
de confinamiento es aceite mineral. EI tapon de la base
permite flujo de fluido en ambas direcciones. Debido a que
el calentamiento es interno, ni los sellos ni las conexiones
de entrada-salida (I ineas electricas V de alta presion) es­
tan sujetos a temperaturas elevadas. Las tensiones se mi­
den usando LCDT (transformador de desplazamiento va­
riable), asegurados rfgidamente a las tapas de la muestra.
La adquisicion de datos se lIeva a cabo mediante un com­
putador P DP-11. EI sistema de pruebas geoterm icas usado
para mediciones adicionales de permeabilidad (Ennis et at.,
1979) tiene capacidades de 500°C V 2000 bars. Las mues­
tras se envuelven en camisas elastomericas que son confia­
bles hasta 300°C.
Se probaron nueve muestras, de 5 cm de diametro
por 10 cm de largo, para determinar la permeabilidad V
la compactacion en funcion de la presion de poro V del
tiempo. AI comenzar estas pruebas de compactacion se
aplico carga axil, presion de confinamiento, presion de
poro V temperatura para simular las condiciones in situ
apropiadas a la profundidad del nucleo. La carga axil,
la presion de confinamiento V la presion de poro se cal­
cularon suponiendo gradientes de aproximadamente 3.0
psi/metro de profundidad, 2.0 psi/metro V 1.5 psi/metro,
respectivamente. Dado que las temperaturas in situ no se
conocen con precision, las pruebas se efectuaron a 230°C­
280°C, segun 10 indicado por estimaciones de profundidad
V contenido de calcita. En cada muestra se midio la per­
meabilidad en las condiciones simuladas del vacimiento.
La presion de poro se mantuvo constante por periodos de
2 a 10 horas. AI final del intervale de reptacion, se midio
nuevamente la permeabilidad. Luego, se elevo la presion
de poro a su valor inicial, mientras se monitoreaban los
rebotes de la deformacion V de la permeabilidad.
En otras nueve muestras se midio solo la permeabi­
271
lidad. Estas muestras medfan 2.5 cm de diametro y 5 cm
de largo. Antes de medir su permeabilidad a temperatura
ambiente, las muestras fueron sometidas a presiones de
confinamiento y de poro similares a las del yacimiento.
Luego se incremento la temperatura hasta alcanzar la tem­
peratura del yacimiento y se midio la permeabilidad nue­
vamente. Manteniendo la temperatura de la muestra cons­
tante, se redujo la presion de poro en 1000 psi y se midio
la permeabilidad. Luego se elevo la presion de poro hasta
alcanzar su valor original y se realizo una ultima medicion
de permeabil idad. En esta secuencia de pruebas no se rea­
lizaron mediciones de compactacion.
RESULTADOS EXPERIMENTALES Y ANALISIS
En la tabla 3 se ofrece un resumen de las condiciones y
resultados de las pruebas de permeabilidad y compacta­
cion. Las pruebas de permeabilidad se realizaron sobre
nuc\eos verticales sujetos a condiciones hidrostaticas y a
igual presion hidrostatica que la de la columna de tension
axil en la tabla 3.
La comparacion entre los modulos de compacta­
cion a largo plazo y los modulos de rebote (elasticos) in­
dica que la mayor parte de la compactacion observada en
estas pruebas es irreversible, es decir, que la reduceion de
la presion de poro, una vez que ocasiona la compactacion,
no puede ser compensada por el subsiguiente aumento de
la presion de por~. Tambien se observo que el volumen
de compactacion acumulado aumenta con el tiempo para
un conjunto fijo de condiciones de carga. Por 10 tanto, un
modulo de compactacion efectivo a muy largo plazo,
como el medido en el laboratorio, puede aproximar el
modulo de largo plazo estimado de los datos de campo
(Schatz et al., 1978; Helm, 1979).
Durante las primeras fases de las pruebas de permea­
bilidad se hizo eVidente que las rocas que contienen calci­
ta producfan resultados no uniformes. Las permeabilida·
des de estado estacionario no se pudieron medir puesto
que la permeabilidad aumentaba 0 disminufa erraticamen­
te en funcion del tiempo. Es probable que estas variacio­
nes ocurrieran por el bajo contenido de CO2 del fluido
utilizado en estas pruebas (en comparacion con los valo­
res del yacimiento). En dichas pruebas, la calcita se disol­
vio causando, ya sea un aumento de la permeabilidad debi­
do al aumento de la porosidad, 0 taponamiento del nucleo
debido a partfculas minerales liberadas al ceder la cemen­
tacion de la calcita. Sin embargo, las rocas que no conte­
nfan calcita mostraron un comportamiento mas regular.
Los resultados de estas pruebas se presentan aqu f (pruebas
posteriores, que se presentaran en el futuro, incluyen un
control mas cuidadoso de la qufmica de los carbonatos).
La tabla 4 muestra los resultados de la permeabili­
dad vertical para materiales de bajo contenido de calcita.
Se establecio un valor de Hnea de base a presion in situ y
temperatura ambiente. Luego se realizaron sucesivamente
cuatro medidones adicionales despues que la muestra fue
sometida a: a) un aumento de la temperatura hasta alcan­
zar la correspondiente al yacimiento mientras las presio­
nes se mantentan fijas; b) una reduccion de la presion de
poro de 1000 psi, manteniendo constantes la temperatu­
ra y las presiones axil y de confinamiento; c) compacta­
cion irreversible por varias horas con presion de poro
reducida y los otros parametros constantes, y d) un au­
mento de la presion de poro hasta alcanzar las condiciones
del yacimiento. EI valor promedio de Ifnea4ie base a alta
presion y temperatura ambiente es 1.6 md. La alta tempe­
ratura reduce significativamente la permeabilidad prome­
dio a 0.7 md. Una reduccion de la presion de poro no
cambia significativamente la permeabilidad promedio. La
compactacion irreversible reduce la permeabilidad pro me­
dio aun mas, hasta 0.5 md. La recuperacion de la presion
de poro hasta la presion de yacimiento aumenta la permea­
bilidad promedio a 0.6 md, pero la permeabilidad final es,
sin embargo, menor que el valor inicial de la tinea de base.
Se informan los valores promedios dado que los mismos
representan, cual itativamente, un comportamiento identi­
co para cada muestra.
En la tabla 5 se muestran los datos qufmicos del flui­
do obtenido de las mediciones de reptaciOn. En especial
son interesantes los resultados del analisis de Si02 • Cuatro
de ellos tienen Si0 2 de entre 2300-3300 ppm. Estas con­
centraciones son mas elevadas que la solubilidad corres­
pondiente a las condiciones de temperatura de la prueba,
aun para sflice amorfa (Fourmer, 1973). Se cree que esto
se debe a uno de dos mecanismos posibles. EI primero es
el aumento de la solubilidad del cuarzo con la presion,
combinado con las concentraciones de tension en los
granos de asperita que provocan solucion por presion. Con
mas tiempo, la concentracion de Si02 decrece en el fluido
de poro a medida que se alcanza el equilibrio desde las
condiciones de supersaturacion. EI segundo mecanismo
posible es la rapida disolucion de la sflice amorfa presente
en los nucleos debido a precipitacion del fluido de por~,
donde la cinetica de la disolucion de la sllice causa un re­
basamiento hasta condiciones de supersaturacion duran­
te un derto tiempo. Se necesita mayor informacion para
determinar cual de los mecanismos es mas adecuado.
EI modulo de compactacion medido en el laborato­
rio puede usarse para estimar el comportamiento del ya­
cimiento una vez agotado, EI modulo de compactacion
de largo plazo para rocas con bajo contenido de calcita
varia aproximadamente de 1 a 3 millones de psi, con un
promedio de 2 millones de psi. Pueden usarse estos valo­
res para derivar algunos I[mites de hundimiento de super­
fide. Por ejemplo, usando un modulo de compactacion
de 2 x 10 6 psi se estima que una reduccion de unas 500
psi en la presion de poro en una capa de 100 metros de
272
espesor, resulta en una compactacion elastica total verti­
cal de alrededor de 2.5 centimetros.
permeabilidad deber/an utilizar fluidos con la quimica
de carbonatos ajustada a las condiciones in situ.
Los modulos de compactacion de corto plazo esti­
mados a partir de la presion de poro promedian aproxi­
madamente 3 millones de psi. Estos resultados implican
que la roca del yacimiento es bastante rrgida respecto
a la reduccion de la presion de poro en su respuesta elas­
tica. Sin embargo, otras pruebas de compactacion, que no
se informan en el presente trabajo, y donde las muestras
fueron sometidas a aumentos de las presiones de confina­
miento en vez de a disminuciones de la presion de poro,
resultaron en una gama de 1 a 2 millones psi para el m6­
dulo de compactaci6n. Por 10 tanto, la clasica ley del es­
fuerzo efectivo de Terzaghi no se cumple en este caso. A
pesar de que es pequelia la cantidad de datos, se piensa
que los resultados son significativos. Ademas, esta observa­
cion concuerda con un trabajo previo de Nur y Byerlee
(1971), que establece que los simples conceptos de es­
fuerzo efectivo de Terzaghi no pueden aplicarse exacta­
mente a rocas porosas.
En resumen, los efectos a largo plazo del abatimien­
to de la presion del yacimiento pueden sintetizarse como
una perdida de almacenamiento debida a la compactacion
y a una perdida de permeabilidad. En la figura 4 se mues­
tra un ejemplo de dichos efectos. La figura indica la reduc­
ci6n de la porosidad a largo plazo como resultado del
agotamiento del yacimiento. Estas curvas se generaron
usando la teor(a de poros esfericos dependiente del tiempo
(Schatz et al., 1980). Las curvas Ifenas fueron derivadas
suponiendo que la cohesion en la roca eventual mente se
pierde con el tiempo, 10 que es un caso extremo. En el
otro extrema esta la suposicion de que no hay perdida
de cohesion en la roca a largo plazo. En cambio, la re­
duccion de la presion de poro ocasiona una respuesta
elastica instantfinea de la roca seguida de reptacion hasta
que la porosidad reducida vuelve a su equilibrio en la
cohesion original. Se muestran curvas para constantes de
tiempo de 3, 15 y 30 alios. Es posible que haya reduccio­
nes iguales 0 mas grandes en permeabilidad a largo plazo.
Probabtemente el resultado final de este trabajo sera
una extrapolacion que yace en algun lugar entre los ex­
tremos observados en la figura 4. En cualquier caso (aun
con la suposicionde que no haya perdidade cohesion a largo
plazo), la reduccion de la porosidad a largo plazo es con­
siderablemente mayor de 10 que uno podria calcular por
las mediciones a corto plazo.
CONCLUSIONES
EI trabajo presentado es el resultado de investigaciones
de laboratorio sobre los efectos de la reduccion de pre­
sion de poro. en el comportamiento de nucleos del campo
geotermico de Cerro Prieto. EI objetivo es investigar la
compactacion de poros y sus efectos sobre la per mea­
bilidad y la subsidencia del yacimiento. Los resultados
indican:
1. EI agotamiento del yacimiento (reduccion de
presion de poros) ocasionara compactacion sustancial
y reduccion de la·permeabilidad.
2. Parte de la compactacion y la reduccion de la
permeabilidad no se recobra despues de la restauracion de
la presion de poro. Pruebas de reptacion a largo plazo
pueden determinar si la reducci6n permanente se estabi­
liza 0 continua con el tiempo.
3. Las permeabilidades medidas en laboratorio, de
menos de 1 md, a pesar de ser confiables son significati­
vamente menores que la permeabilidad del yacimiento de
20 md 0 mas, estimada de los datos de yacimiento comu­
nes (Rivera et al., 1978; Schroeder et al., 1978). Por 10
tanto, parece probable que en el campo hay: a) zonas per­
meabtes en la roca que no han sido muestreadas en los
procedimientos de extraccion de testigos 0 b) un extenso
sistema de fracturas interconectado. Esto significa que,
aunque el almacenamiento de fluido en el yacimiento se
haifa probablemente dentro de la estructura de poros de
las rocas, el flujo de fluido tiene lugar por canales mas
permeables que los que nosotros podemos inferir de es­
tas pruebas.
AGRADECI MI ENTOS
Los autores desean expresar su agradecimiento al ingeniero Alfre­
do Manon, Supervisor General de Investigacion, Proyecto Geoter­
mico de Cerro Prieto V su competente personal por su coopera­
cion en la provision de·nucleos, salmueras y datos del vacimiento
utilizados en este trabajo. Mark Smith, Scott Carlisle, Die Van
Buskirk V Fred Prater han contribuido ineansablemente a los es­
fuerzos experimentales proporcionados aqui. John Noble, Tech­
nical Program Manager en el LB L, ha sido una fuente con stante
de ayuda y aliento.
Este trabajo tuvo el apoyo del Lawrence Berkeley Labora­
tory Geothermal Subsidence Research Program, bajo contrato
N° 4500310.
TlTULOS DE FIGURAS Y TAB LAS
Figura 1.
Figura 2.
Figura 3.
Figura 4.
4. Las pruebas subsiguientes de compactacion y
Ubicacion V designaci6n de los pozos de los cuales se
obtuvieron los nucleos. La muestra de fluido se extra­
jo del pozo M-25.
Corte transversal esquematicoque muestra las ubicacio­
nes aproximadas de los nucleos.
Esquema de cambios en la qufmica de los fluid05 des­
de el yacimiento hasta las pruebas de los nucle05.
Porosidad extrapolada versus tiempo, obtenida de da­
tos de laboratorio.
273 Tabla 1.
Tabla 2.
Tabla 3.
Propiedades de las muestras de Cerro Prieto.
Oufmiea del fluido obtenido en Cerro Prieto. * Ajusta­
da a las condiciones del yaeimiento para pruebas de
nucleos.
* Todos los valores corresponden al pozo M·25, pero
estan ajustados por ebullicion en el separador.
Resultados de las pruebas de compactacion.
Tabla 4.
Resultados de las pruebas de permeabilidad. *
* Para cada pozo la primera fila indica los resultados
Tabla 5.·
de las pruebas de permeabilidad en las muestras de
2.5 cm x 5 em, y la segunda fila indica las pruebas
combinadas de compactacion V permeabilidad sobre
los nucleos de 5 em x 10 cm.
Analisis qufmicos del fluido de entrada y salida de
espee(menes usados para las pruebas de eompactaci6n.