exploración del petróleo

Exploración del petróleo: métodos geofísicos, geoquímica y costa afuera

Los métodos y equipos geofísicos empezaron a formar parte de los recursos técnicos disponibles para la exploración del petróleo en la segunda década del siglo XX.

Sus aplicaciones en la resolución de la posible presencia de estructuras favorables a la acumulación de petróleo en el subsuelo o yacimientos, han servido para completar el aporte de los estudios geológicos regionales de superficie.

Métodos geofísicos de exploración del petróleo

El gravímetro

El objetivo principal de los estudios de gravimetría es medir la atracción gravitacional que ejerce la Tierra sobre un cuerpo de masa determinada.

Pero como la Tierra no es una esfera perfecta, no está en reposo, ni es homogénea y tiene movimientos de rotación y de traslación. La fuerza de gravedad que ejerce no es constante.

Por tanto, las medidas gravimétricas en la exploración del petróleo son  representación de anomalías en las que entran la densidad de los diferentes tipos de rocas: sedimentos no consolidados, areniscas, calizas, granito, etc.

En representación esquemática, el instrumento consta de una masa metálica que, suspendida de un resorte muy sensible, registra la elongación del resorte. Ésto debido a la atracción producida por lo denso de la masa de las rocas subterráneas.

Las medidas son anotadas y posteriormente se confeccionan mapas que representan la configuración lograda. La unidad gravimétrica terrestre, en honor a Galileo Galilei, es el GAL, y se expresa en cm/seg/seg o cm/seg2.

El gravímetro de los tipos de balanza de torsión y péndulo se empezó a utilizar en la industria petrolera a principios del siglo XX. Se usa en la detección de domos salinos, fallas, intrusiones, estructuras del tipo anticlinal, rumbo y continuidad de las estructuras.

El magnómetro

Aprovechando la fuerza de atracción que tiene el campo magnético de la Tierra, es posible medir esa fuerza por medio de aparatos especialmente construidos. Por lo general portan magnetos o agujas magnéticas, magnetómetros, para detectar las propiedades magnéticas de las rocas.

La unidad de medida magnética es el Gauss, en honor al matemático alemán Karl Gauss. En la práctica se usa la gamma, medida que es 100.000 veces menor que el Gauss. Un Gauss es equivalente a la fuerza necesaria de una dina para mantener una unidad magnética polar en posición en un punto definido.

El levantamiento magnetométrico se hace tomando medidas de gammas en sitios dispuestos sobre el terreno. Luego las medidas son indicadas en un mapa y los puntos de igual intensidad son unidos por curvas isogamas que representan la configuración y detalles detectados.

Durante el proceso y desarrollo del equipo se ha logrado mucho perfeccionamiento en sus aplicaciones. El uso del magnetómetro aéreo ha facilitado la cobertura de grandes extensiones, mucho más rápidamente que el levantamiento hecho sobre el propio terreno. Además, el levantamiento magnetométrico aéreo no es afectado por campos magnéticos creados por instalaciones de líneas eléctricas, oleoductos y gasoductos y otras construcciones metálicas.

El sismógrafo

El sismógrafo es un aparato de variado diseño y construcción. Es empleado para medir y registrar las vibraciones terrestres a niveles someros o profundos que puedan producirse por hechos naturales como temblores y terremotos. También registra explosiones inducidas intencionalmente o por perturbaciones atmosféricas, como en el caso de disparos de artillería.

Su elemento principal consiste en un dispositivo muy bien balanceado y en suspensión que puede oscilar con gran sensibilidad bajo el impulso de vibraciones externas. En un extremo, el dispositivo lleva una pluma que marca sobre papel especial las oscilaciones. El papel va colocado sobre un elemento que gira accionado por un mecanismo de reloj.

Los estudios y aplicaciones del sismógrafo para medir la propagación de ondas artificiales en la investigación de las características de las rocas de la corteza terrestre se originaron a mediados del siglo XIX en Europa.

Científicos ingleses y alemanes fueron pioneros en medir la relación velocidadtiempo de las ondas y sus variaciones, con respecto a la profundidad de las rocas.

La adaptación de esta nueva tecnología a los estudios geológicos y exploración petrolera comenzó en la segunda década del siglo XX en Europa y Estados Unidos.

Para la década de los treinta, la sismología había ganado ya suficiente aceptación como técnica de exploración y su desarrollo. Alcances teóricos y prácticos han estado desde entonces hasta ahora en continua evolución.

La sismología de la refracción

El fundamento físico de funcionamiento de refracción sismológica está relacionado a la teoría óptica. La propagación de la onda cambia de dirección cuando hay un cambio de propiedades físicas en la masa que recorre.

La geometría de los rayos sigue las reglas que controlan la propagación de la luz, Hasta los años treinta se utilizó el sismógrafo de refracción con buen éxito en la detección, principalmente, de domos salinos, aunque también se aplicó para delinear anticlinales y fallas, pero poco a poco empezó a imponerse el método de reflexión.

La sismología de la reflexión

El principio básico de la sismología de reflexión semeja al cálculo de la distancia a que se encuentra un cañón. Se mide el tiempo en que se ve el fogonazo y se oye el sonido del disparo. Se toma como base para el cálculo la velocidad del sonido, 300 metros/seg.

Sin embargo, la semejanza se complica y conlleva dificultades técnicas. Ésto porque las ondas inducidas desde la superficie viajan a través de un medio complejo. Como por ejemplo las rocas y se reflejan como un eco al haber cambio de continuidad en los estratos.

No obstante, los adelantos técnicos han logrado que este método se haya refinado. Al extremo de proporcionar una mejor interpretación del subsuelo que cualquier otro método de prospección.

Se dispone de una fuente de ondas inducidas que se proyectan en profundidad y al rebotar son recogidas en la superficie por geófonos dispuestos a distancias críticas. Las señales son registradas en la superficie.

La relación velocidad-tiempo-profundidad es interpretada para deducir de la malla de líneas levantadas sobre el terreno las correlaciones obtenidas de las secciones y finalmente producir mapas del subsuelo.

Técnicas de exploración del petróleo

Originalmente, la propagación intencional de ondas sísmicas en la corteza terrestre se hacía mediante la detonación de cartuchos de dinamita que se explotaban en hoyos someros ubicados y abiertos para tales propósitos.

Adquirir, transportar y custodiar dinamita para tales trabajos requería cumplir con una variedad de tramitaciones ante las autoridades, además de las medidas de seguridad durante el uso en el campo.

Las detonaciones espantaban a la fauna terrestre y cuando se hacían levantamientos sísmicos en aguas, las detonaciones ocasionaban la muerte de muchos peces.

Después de la Segunda Guerra Mundial, el auge inusitado en la exploración petrolera promovió a lo largo de los años adelantos e innovaciones en las operaciones de campo.

Fue eliminada la dinamita y en su lugar se desarrolló la pistola para detonar aire comprimido. Se fabricó como parte integral de los nuevos vehículos automotores para trabajos de sismografía, un potente pistón que al caer sobre la superficie terrestre induce las ondas. Con ello podemos determinar después la profundidad de las formaciones, mediante las relaciones tiempo, velocidad del sonido y características/propiedades de las rocas.

Los nuevos equipos y técnicas de sismografía han sido rediseñados y han mejorado significativamente la adquisición, el procesamiento y la interpretación de datos. Haciendo que el factor tiempo y la calidad total de las tareas sean más efectivas, desde el comienzo del levantamiento hasta el informe final de los resultados.

Electrónica y computación en la exploración del petróleo

La electrónica y la computación, con su casi ilimitada capacidad de procesamiento de datos, permite que los resultados de los levantamientos sísmicos se tengan en muchísimo menor tiempo que lo acostumbrado en años atrás.

En otra época, geofísicos, geólogos e ingenieros requerían meses comparando,  verificando, correlacionando y ajustando datos. Utilizaban la regla de cálculo o calculadoras mecánicas manuales, para luego elaborar los planos o mapas del subsuelo de las áreas estudiadas.

Además, la nueva tecnología ha permitido reestudiar y reinterpretar información sismográfica antigua, en áreas que en el pasado no fueron catalogadas como atractivas y, en muchos casos, los nuevos resultados han sido sorprendentes.

Otra contribución técnica de nitidez y rapidez es la elaboración en blanco y negro o a color de los planos o mapas del subsuelo. Esto mediante las procesadoras o copiadoras electrónicas programadas específicamente para tales labores.

La idea de sobreponer información de los registros o perfiles petrofísicos a los datos sismográficos de los levantamientos o a la sísmica adquiridos específicamente en un pozo amplió la cobertura de correlación.

Los resultados de esta técnica han sido fructíferos, mediante la aplicación de procesos y programas computarizados. Sin embargo, cabe destacar que todas las técnicas y herramientas de exploración en la búsqueda de acumulaciones de hidrocarburos (reservas) no son infalibles.

La interpretación de los datos y de los resultados obtenidos conducen a predecir el grado de probabilidad (alto, medio, bajo) de las condiciones y características del subsuelo conducentes a la existencia de acumulaciones comerciales de hidrocarburos.

Métodos eléctricos de exploración del petróleo

En la búsqueda y aplicación de métodos para detectar las posibles acumulaciones de minerales e hidrocarburos, los científicos e investigadores no se detienen en sus estudios de las propiedades naturales de la Tierra.

Con este fin han investigado las corrientes telúricas, producto de variaciones magnéticas terrestres. O han inducido artificialmente en la tierra corrientes eléctricas, alternas o directas, para medir las propiedades físicas de las rocas.

De todos estos intentos, el de más éxito data de comienzos del siglo XX, realizado en Francia por los hermanos Conrad y Marcel Schlumberger, conocido hoy como registros eléctricos de pozos, que forman parte esencial de los estudios y evaluaciones de petrofísica, aplicables primordialmente durante la perforación y terminación de pozos.

Método Schlumberger

Básicamente el principio y sistema de registros de pozos originalmente propuesto por los Schlumberger consiste en introducir en el pozo una sonda que lleva tres electrodos (A, M, N).

Los electrodos superiores M y N están espaciados levemente y el tercero, A, que transmite corriente a la pared del hoyo, está ubicado a cierta distancia, hoyo abajo, de los otros dos.

Los electrodos cuelgan de un solo cable de tres elementos que va enrollado en un tambor. Éste sirve para introducir y extraer la sonda del pozo, y a la vez registrar las medidas de profundidad.

También las características de las formaciones, como por ejemplo, el potencial espontáneo que da idea de la porosidad y la resistividad que indica a su vez la presencia de fluidos en los poros de la roca.

La corriente eléctrica que sale de A se desplaza a través de las formaciones hacia un punto de tierra, que en este caso es la tubería (revestidor) que recubre la parte superior de la pared del pozo.

El potencial eléctrico entre los electrodos M y N es el producto de la corriente que fluye de A y la resistencia (R) entre los puntos M y N. La influencia del fluido de perforación que está en el hoyo varía según la distancia entre M y N.

Si la distancia es varias veces el diámetro del hoyo, la influencia queda mitigada y la resistividad medida; es en esencia la resistividad de la roca en la sección representada.

Como la conductividad eléctrica de las rocas depende de los fluidos electrolíticos que ellas contengan, entonces la resistividad depende de la porosidad de las rocas y de las características de los fluidos en los poros. Y muy particularmente de la sal disuelta en los fluidos.

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Si los poros de la roca contienen agua salada, la resistividad será baja; con agua dulce será alta, y si están llenos de petróleo será muy alta. Como podrá observarse, el registro eléctrico es una herramienta de investigación que requiere ser introducida en el hoyo.

El perfil y características de las formaciones atravesadas por la mecha de perforación pueden ser utilizados para estudios de correlaciones con perfiles de sismografía.

El pozo también puede ser utilizado, en casos requeridos. Para cotejar la velocidad de reflexión, de acuerdo a los tiempos de reflexión, desde la profundidad de los diferentes horizontes seleccionados como referencia.

Este tipo de cotejo se emplea para casos de correlación con el sismógrafo. El pozo puede utilizarse de dos maneras. La propagación de ondas generadas desde la superficie puede ser captada en el pozo o la propagación hecha desde el pozo  puede ser captada en la superficie.

Métodos petrofísicos de exploración del petróleo

El desarrollo y los adelantos hasta ahora logrados, tanto teóricos como prácticos, en la toma de registros de los pozos; han acrecentado de manera importante el poder de investigación de los geólogos, geofísicos e ingenieros de  petróleo.

De esta forma pueden interpretar las características de las rocas y los fluidos depositados en sus entrañas, desde el punto de vista cualitativo y cuantitativo.

Esta parte de la Geofísica, por sus  fundamentos científicos y tecnológicos, se ha convertido en una rama especializada denominada Petrofísica. Tiene aplicación en muchos aspectos de los estudios y trabajos de campo de exploración, perforación y producción.

La Petrofísica es la ciencia que se dedica a la descripción y medida directa y/o analógica de las propiedades físicas de las rocas. Incluyendo los efectos que puedan producir los fluidos contenidos en ellas o en sus alrededores”

La variedad de instrumentos disponibles para hacer perfiles o registros de pozos permite que puedan hacerse en hoyos desnudos. O en pozos entubados totalmente, gracias a que no sólo se dispone de los registros eléctricos sino también del tipo nuclear.

En resumen, la Petrofísica ofrece la posibilidad de estudios y verificación de una cantidad de datos fundamentales para las operaciones.  

Ejemplos:

  • Control de profundidad del pozo.
  • Verificación de velocidades de reflexión de los estratos.
  • Determinación del tope y base (espesor) de un estrato.
  • Medición del potencial espontáneo y resistividad de las rocas y fluidos.
  • Deducción de valores de porosidad, saturación y permeabilidad de las rocas.
  • Deducción de la presencia de fluidos en las rocas: gas, petróleo, agua.
  • Perfil de la circularidad del hoyo (diámetro).
  • Registros de temperatura.
  • Los registros de efectividad de la cementación de revestidores.
  • Registros de buzamiento.
  • Los registros de presiones.
  • Toma de muestras de formación.  Toma de muestras de fondo.
  • Registros de densidad.
  • La detección de fallas.
  • Las detecciones de discordancias.
  • Detecciones de fracturas.
  • Correlaciones pozo a pozo, local y regional (litología).
  • Control de dirección y profundidad desviada y vertical del pozo (perforación direccional u horizontal).

Geoquímica

El análisis químico de muestras del suelo, con el propósito de detectar la presencia de hidrocarburos, ha sido empleado como herramienta en la exploración del petróleo. La teoría se basa en que emanaciones de hidrocarburos no visibles en la superficie pueden manifestarse en concentraciones.

Éstas, aunque muy pequeñas, son susceptibles al análisis químico micrométrico para detectar gas (metano, etano, propano o butano) y residuos de hidrocarburos más pesados.

Con la información obtenida se preparan tablas, curvas y mapas de las concentraciones y residuos detectados.

Los especímenes de aguas, gases, betunes y suelos para tales fines son sometidos a análisis cualitativos y cuantitativos por medio de la fluorescencia, luminiscencia, espectrografía, geobotánica, hidrogeoquímica, bioquímica o bacteriología. Con el fin de indagar sobre la generación, migración, presencia, entrampamiento y acumulaciones petrolíferas en tierra o áreas submarinas.

Aunque la geoquímica no ha constituido un método preponderante de exploración, ha sido utilizado en ocasiones en la búsqueda de petróleo y ha dado resultados en algunos casos.

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Exploración costa afuera

Para la industria, los métodos de prospección geofísica usados en tierra pueden utilizarse en áreas de exploración del petróleo costa afuera. Entre los métodos disponibles, el más empleado ha sido el sismógrafo.

Naturalmente, trabajar en aguas llanas, semiprofundas o profundas, cerca o lejos de las costas o en mar abierto, conlleva enfrentarse a un medio ambiente distinto a tierra firme.

A través de los años, la ciencia y la tecnología para la exploración del petróleo costa afuera han evolucionado de acuerdo con las exigencias.

Los equipos para la adquisición de datos han sido objeto de innovaciones para ser instalados permanentemente en gabarras, lanchas o barcos especialmente construidos al efecto.

Los dispositivos para la propagación y captación de ondas son producto de técnicas avanzadas, inocuas a la vida marina.

En la exploración del petróleo costa afuera, no se emplean explosivos como en otras épocas, cuya detonación era perjudicial para los peces.

El procesamiento de datos y su interpretación se realizan por computadoras en el mismo barco y son transmitidos vía satélite a centros de mayor capacidad de resolución.

Sin embargo, la realización continua de operaciones de exploración del petróleo costa afuera siempre está sujeta a cambios del tiempo. Pero gracias también a los adelantos obtenidos en las técnicas meteorológicas, la programación de la navegación puede hacerse hoy en base a los boletines de pronóstico del tiempo, que emiten los centros y estaciones de observación ubicadas en tantas partes del mundo.

Por otra parte, el radar  permite que la navegación, aérea o marítima, sea más segura, ya que anticipadamente pueden verificarse las condiciones atmosféricas a distancia durante el viaje y tomar las precauciones del caso.

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