Métodos Geofísicos de Exploración Del Petróleo

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

GEOLOGIA DEL PETROLEO

MÉTODOS GEOFÍSICOS DE EXPLORACIÓN DEL PETRÓLEO Las rocas del subsuelo, las estructuras, los fluidos, los minerales, la temperatura, la radioactividad y otras características geológicas pueden ser estudiadas mediante la determinación indirecta (en la superficie o en pozos) de algunas propiedades físicas que se miden con instrumentos y sus resultados, interpretados con procedimientos matemáticos adecuados. Los métodos geofísicos de investigación del subsuelo son conjuntos de técnicas instrumentales de operación de campo y de interpretación de resultados. El objetivo que se persigue con su empleo es el de predecir la estructura geológica del subsuelo, ya sea para la exploración de sustancias de importancia económica (minerales sólidos y fluidos) o para la definición de situaciones que interesan a los proyectos de ingeniería. Las propiedades físicas de las rocas que usualmente se miden en geofísica son: densidad, susceptibilidad magnética, eléctricas (actividad electroquímica / electrocinética, conductividad, capacidad dieléctrica), elasticidad, radioactividad, temperatura. Para cada una de ellas han sido desarrolladas técnicas de medición, procesamiento de datos e interpretación. En exploración de petróleo los objetivos típicos regionales determinan que sean más utilizados los métodos de gran cobertura (aéreos) y aquellos que dependen de la estructura del subsuelo. Los estudios geofísicos, aunque a veces propensos a grandes ambigüedades o incertidumbres de interpretación, proporcionan medios relativamente rápidos y rentables para obtener información de lo que está distribuido realmente en la geología del subsuelo. En la exploración de los recursos del subsuelo, los métodos geofísicos son capaces de detectar y delinear los rasgos o características locales de interés potencial que no pudiesen ser descubiertos por algún programa realista de perforación.

1. LA GEOFISICA Y GEOLOGIA: Se le designa geofísica al estudio de la Tierra utilizando mediciones físicas en o sobre la superficie. Aunque no siempre es fácil establecer una frontera significativa entre geología y geofísica, la diferencia di ferencia radica principalmente en el tipo de data con el cual se inicia. La geología engloba el estudio de la Tierra mediante observaciones directas en rocas, ya sea por exhibición en la superficie o desde pozos, así como la deducción de su estructura, composición o historia a través del análisis de esas observaciones. La geofísica, por otro lado, involucra el estudio de aquellas partes de la Tierra ocultas a la visión directa mediante la medición de sus propiedades físicas, empleando los

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instrumentos apropiados, usualmente sobre o encima de la superficie. También considera la interpretación de las mediciones a los fines de obtener información útil en cuanto a la estructura y composición de zonas ocultas. La diferencia entre las dos ramas de las Ciencias de la Tierra no está muy clara. Los registros de pozos, por ejemplo, son ampliamente utilizados en estudios geológicos, aun cuando ellos presenten los resultados a partir de observaciones puramente experimentales. El término “geofísica de pozos” es ampliamen te usado para designar dichas mediciones. En un sentido más

amplio, la geofísica proporciona las herramientas para estudiar la estructura y composición del interior de la Tierra.

En la geología del petróleo, se combinan diversos métodos o técnicas explora torias para seleccionar las mejores oportunidades o los llamados “plays” (definidos por Oscar P intos

Rodríguez como un conjunto de prospecciones no perforadas y de yacimientos conocidos de petróleo, que en principio, se creen comparten un almacén común, un sello regional y un sistema de carga de petróleo) para encontrar hidroc arburos (petróleo y gas). Además, se busca que las rocas almacenadoras tengan buena porosidad y permeabilidad para permitir la acumulación y flujo de los fluidos y gases. Las rocas sello que sirven de trampas tienen la particularidad de ser impermeables y sirven para evitar el paso de los hidrocarburos a otras formaciones. Las estructuras ideales para la acumulación del petróleo son los llamados anticlinales, aunque es común encontrar acumulaciones en otro tipo de estructuras como fallas geológicas y en zonas relativamente planas en depósitos estratigráficos con estructuras muy l eves.

2. GEOLOGÍA EN LA EXPLORACIÓN PETROLERA: La secuencia exploratoria se inicia con el estudio de la información disponible del área que comprende: información geológica de las formaciones y estructuras presentes, la paleontología, la paleoecología, el estudio de mapas geológicos y geomorfológicos, estudio de los métodos geofísicos que se hayan empleado en el área como métodos potenciales (gravimetría, magnetometría, sondeos eléctricos o magneto telúricos), sismográfica y los resultados de las perforaciones exploratorias realizadas en el área.

En los análisis de la información geológica del área se observa el potencial de las rocas presentes en la zona de estudio para producir, almacenar y servir de trampas a los hidrocarburos. Las rocas productoras son rocas que contienen material orgánico FIGMM

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atrapado y que ha producido hidrocarburos por procesos de alta temperatura y presión dentro de la tierra.

La Exploración Geológica comprende: 

Exploración aérea.

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Métodos Indirectos: Afloramientos, mediciones de direcciones o rumbos en las inclinaciones.



Métodos Directos: perforación de pozos, examen de los fósiles que contienen la roca.

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Análisis de suelos para determinar su edad geológica.

3. METODOS GRAVIMETRICOS: Estudian las pequeñas alteraciones de la gravedad, producidas por la vecindad de grandes masas de rocas densas. El método gravimétrico fue aplicado inicialmente en la prospección petrolífera en los Estados Unidos y en el golfo de México con el objetivo de localizar domos de sales, que potencialmente albergan petróleo; luego se buscaron estructuras anticlinales. Este método aprovecha las diferencias de la gravedad en distintos sectores. Por medio de un instrumento especial llamado gravímetro se pueden registrar las variaciones de la aceleración de la gravedad en distintos puntos de la corteza terrestre. Se determina la aceleración de la gravedad (g) en puntos del terreno explorando lugares distantes 1.000 ó 5.000 metros entre sí. Los valores obtenidos se ubican en un mapa y se unen los puntos donde g es igual obteniéndose líneas isogravimétricas que revelan la posible estructura profunda. Así, la existencia de curvas isogravimétricas cerradas, señala la existencia de un anticlinal de extensión semejante al área que abarca esa curva.El valor g varía de acuerdo al achatamiento terrestre, fuerza centrífuga, altitud y densidad de la corteza terrestre. Por eso el gravímetro señala la presencia de masas densas de la corteza constituidas por anticlinales que han sido levantados por plegamientos y se hallan más próximos a la superficie de la Tierra.

En la prospección geofísica, lo que realmente interesa es poder definir contrastes de inhomogeneidades y densidades en la parte de la Tierra que se está investigando. La diferencia entre el valor de la gravedad corregida y el valor teórico de la gravedad en la

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estación se denomina anomalía gravitatoria. El mapa de anomalías de Bouguer muestra la suma de todos los efectos debidos a todas las masas presentes tanto en profundidad como en superficie. Una vez separadas las distintas anomalías, se tratan de definirlas en términos de posibles anticlinales, sinclinales, domos, masas de mayor o menor densidad que las rocas circundantes. En prospección petrolífera se trata de determinar el tamaño y la profundidad de las trampas. En prospección minera se trata de determinar la masa y la profundidad de una masa que produce una determinada anomalía.

4. EL METODO MAGNETICO: Es el método geofísico de prospección más antiguo aplicable en la prospección petrolífera, en las exploraciones mineras y de artefactos arqueológicos. En la prospección petrolífera el método magnético entrega informaciones acerca de la profundidad de las rocas pertenecientes al basamento. A partir de estos conocimientos se puede localizar y definir la extensión de las cuencas sedimentarias ubicadas encima del basamento, que posiblemente contienen reservas de petróleo. Registra las variaciones locales del campo magnético y según esto, puede determinarse la distribución de las rocas que contienen diferentes propiedades magnéticas.

Según P.J. Gunn, autor de “Application of Aeromagnetic Surveys to Sedimentary Basin Studies”, 1997, los datos aeromagnéticos de alta sensibilidad son una herramienta

valiosa en estudios de cuencas sedimentarias. P.J. Gunn, en su estudio, afirma que las anomalías magnéticas pueden ser el resultado de filtraciones de hidrocarburos, y los efectos de esta magnetización pueden detectarse como una serie de anomalías FIGMM

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irregulares de alta frecuencia. Los minerales magnéticos, magnetita o pirrotita, pueden formarse y la hematita puede ser disuelta o reemplazada. En consecuencia, la filtración de hidrocarburos puede resultar en una anomalía positiva o negativa, o en que no exista anomalía, dependiendo de la magnetización de la roca previa a la filtración. Mientras que las filtraciones de hidrocarburos pueden migrar verticalmente y formar minerales magnéticos directamente sobre fuentes de hidrocarburos, el flujo lateral de aguas subterráneas puede crear minerales magnéticos a ser depositados lejos de las acumulaciones de hidrocarburos de las cuales se originaron las filtraciones.

MÉTODOS ELÉCTRICOS En la exploración petrolera, estos métodos tienen su principal uso en la corrida de registros de pozos. Una vez que el pozo esta perforado, se procede a correr las herramientas de registro eléctrico dentro del pozo. Estas herramientas producen un pedazo de papel llamado “registro eléctrico” el cual muestra una descrip ción general de muchos tipos de registros, incluyendo el

SP (Potencial Espontáneo), Resistividad, Gamma-Ray, Caliper, Neutrón oDensidad, Porosidad. Si el registro eléctrico indica que el pozo contiene petróleo o gas, el geólogo ordena que el pozo esta completado. Los registros eléctricos nos proporcionan estimaciones indirectas de la c alidad de roca, porosidad y saturación de fluidos (agua, petróleo o gas). En cuanto a las pruebas de formación, éstas son útiles para estimar parámetros tales como presión de la formación, permeabilidad, daño de la formación, y para definir la productividad de un pozo. Los registros eléctricos son realizados con electrodos que se bajan a distintas profundidades de un pozo de exploración, para determinar la conductibilidad eléctrica de las distintas capas y sus probabilidades de contener petróleo

5. REGISTROS DE RESISTIVIDAD: Miden la resistividad de la roca, incluyendo el fluido que está dentro de ella. Las herramientas de resistividad miden la resistividad de las formaciones a una corriente eléctrica aplicada. Las formaciones de arcilla y arena con mayor salinidad tendrán baja resistividad, mientras que las arenas con agua dulce tendrán mayores

valores

de

resistividad.

Las

rocas

muy

compactadas y formaciones secas tienen los más altos valores de resistividad.

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6. REGISTROS DE POTENCIAL ESPONTÁNEO (SP): Es un registro de la diferencia de potencial entre el potencial eléctrico de un electrodo móvil en el pozo y el potencial eléctrico de electrodo fijo en la superficie en función de la profundidad. Enfrente de lutitas, la curva de SP por lo general, define una línea más o menos recta en el registro, que se llama línea base de lutitas. Enfrente de formaciones permeables, la línea muestra deflexiones con respecto a la línea base de lutitas; en las capas gruesas estas deflexiones tienden a alcanzar una deflexión esencialmente constante, definiendo así una línea de arenas. Ésta curva de potencial espontáneo es muy útil, ya que permite detectar capas permeables, correlación de capas, determinar la resistividad del agua de formación y una estimación aproximada del contenido de arcillas.

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MÉTODOS SÍSMICOS Consisten en hacer estallar cargas de dinamita en pozos de poca profundidad, normalmente entre 10 y 30 pies, registrando las ondas reflejadas en las napas profundas por medio de sismógrafos combinados con máquinas fotográficas. En la superficie se cubre un área determinada con dichos aparatos de alta sensibilidad llamados también "geófonos", los cuales van unidos entre sí por cables y conectados a una estación receptora. Las ondas producidas por la explosión atraviesan las capas subterráneas y regresan a la superficie. Los geófonos las captan y las envían a la estación receptora, donde mediante equipos especiales de cómputo, se va dibujando en interior de la tierra. Se puede medir el tiempo transcurrido entre el momento de la explosión y la llegada de las ondas reflejadas, pudiéndose determinar así la posición de los estratos y su profundidad, describiendo la ubicación de los anticlinales favorables para la acumulación del petróleo. 7. SÍSMICA DE REFRACCIÓN La sísmica de refracción realizó grandes aportaciones a la prospección sísmica en sus comienzos. Hasta la década de los 60 fue extremadamente popular, especialmente en la exploración de cuencas sedimentarias donde condujo al descubrimiento de grandes campos de petróleo; posteriormente quedó relegada por los avances del método de reflexión que proporcionaba una información más detallada [3]. Sin embargo, debido a su menor coste y al tipo de información que proporciona (campo de velocidades) la sísmica de refracción es un potente método que actualmente se emplea tanto en estudios de estructuras profundas de la corteza terrestre como en estudios del subsuelo más inmediato (ripabilidad, rellenos anisotrópicos, compactación de los materiales, etc.) El método se basa en la medición del tiempo de viaje de las ondas refractadas críticamente en las interfaces entre las capas con diferentes propiedades físicas; fundamentalmente por contraste entre impedancias acústicas (i = ρ.v; en donde ρ es la

densidad y v la velocidad de la capa). La energía sísmica se genera mediante un impacto controlado en superficie (o a una determinada profundidad) que va propagándose en forma de onda elástica a través del subsuelo interaccionando con las distintas capas, de manera que una parte de la energía se refleja y permanece en el mismo medio que la energía incidente, y el resto se transmite al otro medio con un fuerte cambio de la dirección de propagación debido al efecto de la interfase (refracción). De esta interacción, la sísmica de refracción solo considera las refracciones con ángulo crítico ya

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que son las únicas ondas refractadas que llegan a la superficie y pueden ser captadas por los geófonos.

La distancia desde los receptores al punto de tiro debe ser considerablemente grande comparada con la profundidad de los horizontes que se desean detectar, debido a que las ondas viajan grandes distancias horizontales antes de ser refractadas críticamente hacia la superficie; por ello también se suele llamar sísmica de gran ángulo. Estas largas trayectorias de propagación hacen que se disipe una mayor proporción de energía y, en particular se produzca una absorción de las frecuencias más altas, en consecuencia los datos de refracción son de bajas frecuencias comparados con los datos de reflexión y, a igualdad de fuente sísmica, se inspecciona menor profundidad. La sísmica de refracción es especialmente adecuada cuando se desean estudiar superficies de al ta velocidad, ya que brinda información de velocidades y profundidades en las cuales se propagan las ondas. También es posible inspeccionar áreas más grandes más rápidamente y de forma más económica que el método de reflexión; a pesar de presentar una significante perdida del detalle.

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8. SÍSMICA DE REFLEXIÓN El método sísmico de reflexión se basa en las reflexiones del frente de ondas sísmico sobre las distintas interfases del subsuelo. Estas interfases (reflectores) responden, al igual que en la refracción, a contrastes de impedancia que posteriormente se relacionaran con las distintas capas geológicas. Las reflexiones son detectadas por los receptores (geófonos) que se ubican en superficie y que están alineados con la fuente emisora. Dado que las distancias entre la fuente y los geófonos son pequeñas respecto a la profundidad de penetración que se alcanza el dispositivo experimental soporta que se esté operando en "corto ángulo"; asegurando así la obtención de reflexiones y, distinguiéndose de la sísmica de refracción o de "gran ángulo".

Con el fin de conseguir un mejor reconocimiento de la zona de estudio, se realiza un número de disparos mayor y se aumenta la cantidad de geófonos en comparación con los empleados en un perfil de refracción de longitud equivalente. El resultado es un grupo de trazas sísmicas procedentes de todos los tiros que se analizan, se procesan y luego se reordenan en conjuntos de “puntos reflectores comunes” (CMP), los cuales

contienen la información de todas las reflexiones halladas (Figura III.7-a). Una vez todas FIGMM

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las trazas de un mismo CMP se han agrupado, se suman y se obtiene una traza CMP. El conjunto de todas las trazas CMP constituye la denominada sección sísmica de reflexión que es el resultado final de este método. Una sección sísmica es una imagen del subsuelo en donde las reflexiones se ven en forma de lóbulos negros de mayor amplitud y definen las capas reflectoras que después se asociarán a las estructuras geológicas.

El tratamiento de los datos en sísmica de reflexión es más laborioso y delicado que el procesado de refracción3; donde uno de los retos más importantes es conseguir aislar de los registros las reflexiones, eliminando las otras ondas (onda directa, refracciones, ruido, etc.). Esta tarea implica la aplicación de tratamientos multiseñal (filtros, deconvoluciones, etc.) que, si no se hacen cuidadosamente, pueden crear artefactos y confundirse con falsos reflectores. Otro punto conflictivo del procesado es que en las secciones sísmicas de reflexión las capas reflectoras están en modo tiempo doble debido a que cada rayo reflejado ha hecho el viaje de ida (incidencia) y vuelta (rebote). A los interpretes que están acostumbrados a trabajar con secciones sísmicas les es fácil pasar

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mentalmente del tiempo doble en donde se detecta un reflector a la profundidad que le tocaría (profundidad equivalente), pero en muchos casos se facilita esta tarea automáticamente y se presentan las secciones sísmicas de reflexión convertidas a una profundidad aproximada. Este método es una de las técnicas de prospección geofísica más utilizada debido a que su resultado es una imagen denominada sección sísmica en donde se aprecia la geometría de las estructuras geológicas. La sísmica de reflexión de alta resolución se basa en los mismos principios que la sísmica profunda y, al igual que ella, persigue los mismos propósitos. La diferencia estriba en que las estructuras geológicas de interés de la sísmica son menores que las de la sísmica profunda, de manera que para conseguir la resolución necesaria debe trabajarse con geometrías más reducidas y rangos de frecuencias más altos; puesto que los primeros metros del subsuelo constituyen una zona caracterizada por ser más heterogénea y con contrastes de velocidades más elevados [6]. Ello produce que el registro sísmico de la propagación del frente de ondas se distinga por un número elevado de trenes de ondas que muy a menudo se interfieren y se superponen a las reflexiones superficiales. En la Figura III.10 se intenta establecer las diferencias entre un registro de sísmica de alta resolución y uno de sísmica profunda (tomado del Yilmaz).

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