IV Fundamentos de la Exploración

Geología de Yacimientos IV Fundamentos de la Exploración Ing Marco Santiago González

4.1.- Generalidades Introducción: Exploración es el término utilizado en la industria petrolera para designar la búsqueda de petróleo o gas. Desde sus inicios hasta la actualidad se han desarrollado nuevas y complejas tecnologías. Sin embargo este avance, que ha permitido reducir algunos factores de riesgo, no ha logrado hallar un método que permita de manera indirecta definir la presencia de hidrocarburos. Es por ello que para comprobar la existencia de hidrocarburos se debe recurrir a la perforación de pozos exploratorios. Los métodos empleados son muy variados: desde el estudio geológico de las formaciones rocosas que están aflorando en superficie hasta la observación indirecta, a través de diversos instrumentos y técnicas de exploración. La exploración petrolera tiene como objetivo primordial la búsqueda y reconocimiento de estructuras geológicas (trampas) en las cuales pudieran haberse acumulado los hidrocarburos. La exploración se apoya en métodos que aportan la geología, la geofísica y la geoquímica. Con la información recolectada, los especialistas elaboran diferentes tipos de mapas de la zona examinada. Además de suministrar información acerca del espesor, inclinación, dirección y naturaleza de los estratos, sirven para decidir dónde conviene realizar la perforación de los pozos exploratorios, con los cuales se busca confirmar el modelo geológico y la existencia o no de hidrocarburos en dichas estructuras. Una vez confirmada la presencia de hidrocarburos, se realizan las estimaciones de sus volúmenes mediante procedimientos matemáticos. A esta cantidad de hidrocarburos se le denomina “Reservas Probadas”.

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Antecedentes: La primera empresa creada para perforar y buscar petróleo es la Pennsylvania Rock Oil Company, creada el 30 de diciembre de 1854 a cargo de su superintendente de operaciones Edwin L. Drake. Al principio las técnicas de exploración para ubicar los pozos se basaban en la creencia general de que el petróleo seguía el curso de las aguas. Por lo tanto, valles y lechos de riachuelos y ríos eran sitios favoritos para perforar. Esto se debió principalmente a la gran cantidad de petróleo que emanaba a la superficie y se encontraba flotando sobre el agua El auge exploratorio con taladros de perforación se vio fortalecido por la audacia de algunos exploradores que con éxito ubicaron sus pozos en sitios más altos y cimas de colinas. En 1860 el profesor canadiense Henry D. Rogers hizo observaciones sobre la posición estructural del pozo terminado por Drake. En 1861 otro canadiense, T. Sterry Hunt, presentó amplios y claros conceptos sobre la teoría anticlinal. El anticlinal es un pliegue arqueado de rocas estratificadas cuyos estratos se inclinan en direcciones opuestas desde la cresta o eje del pliegue para formar una estructura domal o bóveda. Durante la década de 1860, y a medida que los pozos se hacían más profundos, se empezó a complicar la interpretación de muestras de los sedimentos extraídos de los pozos, la correlación entre pozos y la determinación de factores que permitiesen tener mayor control sobre el pozo mismo y sus objetivos. Como se trabajaba y aplicaban conocimientos prácticos sobre la marcha, los estudiosos y expertos empezaron a ofrecer sus conocimientos y servicios. La teoría anticlinal rindió sus frutos al revelar las razones de los éxitos de la perforación en tierras altas. La Geología de Superficie fue la primera utilizada para ayudar a la naciente industria a interpretar las manifestaciones e indicaciones de la naturaleza sobre las posibilidades de encontrar depósitos petrolíferos. Por observaciones y estudios de la topografía del área se asentaban los rasgos remanentes de la erosión; el afloramiento de estratos y sus características; el curso y lecho de los ríos; la apariencia y tipos de rocas; descripción de fósiles recogidos; aspecto y variedad de la vegetación; rezumaderos petrolíferos y todo un sinnúmero de detalles que finalmente aparecían en láminas y mapas del informe de evaluación, preparado para los interesados. Toda esta información junto a la que se recogía de la perforación, servía entonces para correlacionar el suelo con el subsuelo y aplicar así conocimientos para proyectar futuras operaciones. Al correr de los años se expandió la aplicación de las diferentes ramas de la Geología a la exploración para esclarecer las incógnitas del subsuelo. Entraron a formar parte de las

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herramientas del explorador las geologías Física, Histórica y Estructural; la Paleontología, la Palinología, la Petrografía, la Geomorfología, la Mineralogía, la Sedimentología y la Estratigrafía. Durante el resto del siglo XIX, las geologías de Superficie y de Subsuelo sirvieron extensamente al explorador para la proyección de estudios locales y regionales en búsqueda de nuevos depósitos. De toda la información recopilada y estudios realizados, se llegó a apreciar cuánto podía saberse entonces acerca del subsuelo. Faltaba todavía la aplicación de otros métodos y conocimientos científicos que ofreciesen al explorador información anticipada acerca de las formaciones, su distribución, posición, profundidad, espesor y otros detalles que ayudarían a programar con más certeza las campañas de exploración. Es así como nace esta técnica complementaria llamada Geofísica, representada por la Gravimetría, la Magnetometría y la Reflexión Sísmica, la cual se desarrollaría muchos años más tarde, como también la Fotogeología Aérea, Geoquímica y la Computación y la Sismografía Digitalizada.

Todas estas técnicas son más efectivas gracias a mejores procedimientos de adquisición, procesamiento e interpretación de datos, los cuales son transmitidos con asombrosa velocidad y nitidez de un sitio a otro mediante modernos sistemas de comunicación.

4.2.- Planeación de la Exploración. Origen del Petróleo: No existe ninguna duda sobre el origen orgánico del petróleo. La geoquímica orgánica ha realizado grandes progresos demostrando que en su mayor parte procede de la acumulación de enormes cantidades de algas marinas microscópicas y unicelulares así como de animales microscópicos (el plancton marino). A esto hay que añadir los restos de peces que también contribuyen a su formación. Todos estos restos, animales y vegetales, acumulados en el fondo del mar, sobre todo en lagunas costeras, bahías, albuferas, etc constituyen un barro orgánico llamado sapropel que mezclado con arenas y arcillas y cubierto de margas ha originado lo que se llaman "las rocas madre del petróleo".

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La formación de lo que luego será petróleo se basa en una serie de transformaciones, empezando por la acción bacteriana sobre estas masas orgánicas y en las que la temperatura juega un factor determinante. La temperatura actúa sobre la mezcla del sapropel, ya convertido en roca con el paso del tiempo por la sucesiva acumulación de material orgánico e inorgánico, durante largos periodos de tiempo de millones de años de duración, produciendo una destilación de esa materia orgánica y su transformación final en petróleo. Este proceso es de baja temperatura de tal manera que se inicia hacia los70-100º C y termina a los 250º C donde el propio petróleo líquido se destila en gas. Esto quiere decir que, aquellas rocas madre que no alcancen los 100º C de temperatura no formarán petróleo, o las que pasen de los 300º C su petróleo se habrá convertido en gas y éste se habrá descompuesto -a su vez- en agua y CO2. En resumen, que hasta que una roca orgánica, apta para generar petróleo, no alcance una profundidad de enterramiento suficiente para que su temperatura llegue a los 100º C, no se generará petróleo. Las cuencas sedimentarias son el lugar idóneo para la formación de las rocas madre del petróleo.

Prospección del Petróleo: El petróleo puede encontrarse impregnando las mismas rocas madre en que se ha formado. Pero de ordinario ha emigrado, debido a las grandes presiones y a sus características fluidas, a ciertas rocas porosas (areniscas, margas y cretas) llamadas rocas almacenes, las cuales llevan encima otras rocas impermeables, rocas de cobertura, que impiden nuevas migraciones del petróleo. Al ser el petróleo de densidad muy baja, inferior a la del agua, tiende a desplazarse hacia la superficie y allí se erosiona, se oxida y se pierden sus componentes volátiles (se transforma en asfalto), de ahí la importancia de que exista una capa impermeable que evite su salida a la superficie.

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Lo que es el producto bruto -el petróleo en sí- es un líquido oleoso de color variable, desde el ámbar al negro, existiendo algunas variedades rojizas, pardas o anaranjadas. En las rocas-almacenes, el petróleo está siempre acompañado de aguas saladas y de gases. Si la roca está plegada el petróleo ocupa los anticlinales y el agua los sinclinales. El gas se sitúa en la parte alta del anticlinal. Debido a que el subsuelo puede estar formado por muchos pliegues, habrá por tanto numerosos anticlinales y sinclinales, por lo que resultará difícil coincidir con los primeros a la hora de hacer una perforación y pinchar en la bolsa de petróleo.

Toda investigación petrolífera deberá ir precedida de estudios geológicos en los que se determinen las características generales de la región, la posible existencia de rocas-madre, rocas-almacén, ...etc. Después se debe pasar a la prospección geofísica y al método sísmico para los estudios de detalle, pues aunque no permita diferenciar los tipos de roca, sí proporcionará la geometría de las capas del subsuelo y, en consecuencia, la presencia de anticlinales y fallas donde puede estar entonces retenido el petróleo. Una vez elegido el terreno mas adecuado, se hace un primer sondeo mecánico por rotación. Este sondeo consiste en introducir una serie de tubos de hierro huecos, por los que ascienden los vapores, el agua salada y los detritus. La incertidumbre de los resultados es grande, pues sólo uno de cada 12 sondeos encuentra petróleo o gas, y sólo uno de cada 30 lo encuentra en cantidades comerciales rentables. En su camino hacia el exterior, el petróleo se puede encontrar con una zona impermeable que le corte el paso para formar un yacimiento. La presencia de fallas y anticlinales hacen que el petróleo se concentre en determinados lugares de la estructura geológica. A éste conjunto se le llama "Trampa petrolífera". Trampas Estructurales: Son aquellas constituidas por la deformación de los estratos del subsuelo, causada por fallas (fracturas con desplazamiento) y plegamientos. En ellas la acumulación de hidrocarburos es debida a la geometría de los estratos: plegamientos y/o fallas.

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Trampa por Falla: Los hidrocarburos quedan Trampa por Pliegue Anticlinal: Las presiones acumulados en un alto estructural producto del impulsan los hidrocarburos hacia una formación anticlinal, donde quedan atrapados. fallamiento de la roca.

Trampas Estratigráficas: Son aquellas Trampas Mixtas: Son aquellas originadas por una originadas por cambios laterales y verticales en la combinación de pliegues y/o fallas con cambios de porosidad de la roca. Se forman generalmente porosidad de las rocas. cuando a desaparecido la continuidad de una roca porosa.

El petróleo no se encuentra distribuido de manera uniforme en el subsuelo hay que tener presencia de al menos cuatro condiciones básicas para que éste se acumule: 

Debe existir una roca permeable de forma tal que bajo presión el petróleo pueda moverse a través de los poros microscópicos de la roca.

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La presencia de una roca impermeable, que evite la fuga del aceite y gas hacia la superficie.

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El yacimiento debe comportarse como una trampa, ya que las rocas impermeables deben encontrarse dispuestas de tal forma que no existan movimientos laterales de fuga de hidrocarburos.

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Debe existir material orgánico suficiente y necesario para convertirse en petróleo por el efecto de la presión y temperatura que predomine en el yacimiento.

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4.3.- Métodos Geológicos Consisten en estudiar las rocas superficiales para buscar indicaciones directas como menes o manaderos de petróleo, asfalta y gas; y aplicar la geología de superficie para verificar la existencia de rocas asociadas al origen y almacenamiento de hidrocarburos, e interpretar la existen de trampas en el suelo mediante la observación y medición de sus efectos en el terreno. Con este fin también se utilizan las fotografías aéreas. Una de las herramientas más utilizadas en esta etapa son los mapas. Hay mapas de afloramientos (que muestran las rocas que hay en la superficie), mapas topográficos y los mapas del subsuelo.

Los estudios de geología de superficie requieren un levantamiento topográfico previo con el cual se obtiene un mapa de relieve. Sobre este mapa, los geólogos grafican los datos adquiridos y a partir de éstos interpretan el subsuelo y sus posibilidades petrolíferas. Aspectos de la Exploración Geológica - Exploración aérea. - Métodos Indirectos: Afloramientos, mediciones de direcciones o rumbos en las inclinaciones. - Métodos Directos: perforación de pozos, examen de los fósiles que contienen la roca. - Análisis de suelos para determinar su edad geológica.

4.4.- Métodos Geoquímicos Métodos de exploración en profundidad (geoquímicos) La geoquímica tiene, actualmente, una aplicación muy importante, tanto en exploración como en producción, pues permite entender y conocer el origen, probables rutas de migración y entrampamiento de los hidrocarburos almacenados en el subsuelo. Para aplicar estos métodos se requiere la perforación de pozos profundos. Por este medio se analizan las muestras del terreno a diferentes profundidades y se estudian las características de los terrenos atravesados por medio de instrumentos especiales.

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Los métodos de exploración en profundidad tienen por finalidad determinar la presencia de gas o de petróleo; son métodos directos en la búsqueda del petróleo. Si la exploración ha sido exitosa y se ha efectuado un descubrimiento comercial con un pozo, se inician los trabajos de delimitación del yacimiento descubierto con la perforación de otros nuevos (en muchos casos con una registración de sísmica de 3D o 2D previa), para efectuar luego la evaluación de las reservas. En la exploración petrolera los resultados no siempre son positivos. Muchas veces los pozos resultan secos o productores de agua. En cambio los costos son elevados, lo que hace de esta actividad una inversión de alto riesgo. Si a ello le sumamos el hecho de que desde el descubrimiento de un nuevo yacimiento hasta su total desarrollo pueden ser necesarios varios años de trabajos adicionales en lo que deben invertirse grandes sumas de dinero, podemos concluir que sólo las grandes organizaciones empresariales puedan afrontar estos costos.

Aspectos de la Exploración Geoquímica - Efectúan los análisis de las aguas de los manantiales, las emisiones de humos volcánicos, las descargas de gases y las aguas frías superficiales. - Tipo de roca relacionada con los fluidos termales a profundidad. - Posible existencia de fluidos ácidos.

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4.5.- Métodos Geofísicos.

En 1924 se descubrieron los primeros yacimientos petrolíferos utilizando métodos geofísicos como gravimetría con balanza de torsión y sísmica de refracción. Desde esa fecha hasta nuestros días, el auge de la geofísica ha ido en progresivo aumento hasta el punto de que hoy en día no se pueden localizar hidrocarburos sin recurrir a los métodos geofísicos, estos se debe a que los geólogos por sus propios medios no pueden determinar con precisión posibles depósitos petrolíferos en caso de: trampas estructurales, anticlinales, fallas y anticlinales fallados; si la serie que la cubre no es concordante con las capas de la estructura; si el eje de la estructura petrolífera no coincide con el eje estructural visto en superficie; si la falla que produce la trampa no es visible en superficie. O en otro tipo de trampas; cuando hay discordancia no visible en la superficie; cuando hay variaciones laterales en la estratificación o cuando existen arrecifes. En la explotación petrolífera, los métodos más empleados son: el método gravitacional, los métodos magnéticos , el y los métodos de reflexión y refracción sísmica.

Los métodos y equipos geofísicos forman parte de los recursos técnicos disponibles del explorador petrolero a partir de la segunda década del siglo XX, ya que complementan el aporte de los estudios geológicos regionales de superficie.

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Gravimetría: Como gravimetría se conoce mundialmente a un método de carácter analítico cuantitativo, mediante el cual se determina la cantidad de una determinada sustancia, siempre a través del proceso de medición de la misma, gracias a la acción de la gravedad. Asimismo, se trata de un sistema sumamente valioso en al área de búsqueda de los depósitos minerales, porque permite que se aprovechen al máximo todas las diferencias de gravedad que se suscitan en distintos sectores. Es decir, cuando se produce una gravitación, lo que se genera es una aceleración de un objeto que realiza una caída hasta dar con la superficie. De esta manera, se puede determinar cuál es la gravitación promedio en la tierra y la misma es de es 9,80665 m/s2. Por otro lado, muchos cuerpos grandes que se encuentran mineralizados pueden a su vez producir un aumento de la gravitación en una zona específica, justamente porque las rocas que son de mayor densidad tienen la capacidad innata de aumentar la aceleración. El equipo utilizado se llama gravímetro, cuyo objetivo principal es representar las anomalías o la variación de la fuerza gravitacional identificando la densidad de los diferentes tipos de rocas: sedimentos no consolidados, areniscas, sal gema, calizas, granito, etc. Basándose en los principios de los estudios de gravimetría, donde se mide la atracción gravitacional que ejerce la Tierra sobre un cuerpo de masa determinada. Pero como la Tierra no es una esfera perfecta y no está en reposo ni es homogénea y tiene movimientos de rotación y de traslación, la fuerza de gravedad que ejerce no es constante. En representación esquemática, el gravímetro consta de una masa metálica que, suspendida de un resorte híper sensible, registra la elongación del resorte 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.

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La unidad gravimétrica terrestre, en honor a Galileo Galilei, es el GAL, y se expresa en cm/s/s o cm/s2. El gravímetro de los tipos de balanza de torsión y péndulo se empezó a utilizar en la industria petrolera a principios del siglo XX para la detección de domos salinos, fallas, intrusiones, estructuras del tipo anticlinal, rumbo y continuidad de las estructuras. Magnetometría: Se funda en que el campo magnético terrestre varía con la latitud, pero también varía en forma irregular debido a la diferente permeabilidad magnética de las distintas rocas de la corteza terrestre. El método consiste en ir tomando cuidadosas lecturas en el área a explorar, que luego son llevadas a un mapa de la región y analizadas por el geofísico para verificar si existe suficiente variación en las lecturas para indicar la existencia de una estructura. El equipo utilizado en la Geofísica es el magnómetro el cual se emplea para detectar las propiedades magnéticas de la roca. La unidad medida que opera este equipo es el Gauss, en honor al matemático alemán Karl Friedrich 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 isogamias que representan la configuración y detalles detectados. El magnetómetro se ha utilizado ventajosamente para detectar estructuras, fallas e intrusiones.

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, la mensura magnetométrica aérea no es afectada por campos magnéticos creados por instalaciones de líneas eléctricas, oleoductos y gasoductos y otras construcciones metálicas.

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Sismografía de Reflexión: La sísmica de reflexión consiste en crear de manera artificial una onda sísmica mediante una explosión. La onda acústica es refractada (desviada) por determinado tipo de rocas, mientras que otras la reflejan (devuelven). A través de los geófonos colocados en la superficie, se registran las señales emitidas por las ondas. Con estos datos los expertos interpretan la relación velocidad del sonido-tiempo-profundidad de las formaciones para, según las características y propiedades de las rocas, elaborar los mapas del subsuelo. Los adelantos técnicos han permitido el perfeccionamiento de este método a tal punto que ha llegado a ser el más eficaz en la interpretación del subsuelo. Hoy en día ya no se realizan explosiones con dinamita, ya que las detonaciones dañan la fauna terrestre, y en el caso de los levantamientos sísmicos en el mar, se ocasiona la muerte de muchos peces. En lugar de ésta técnica tan riesgosa desde todo punto de vista, se ha desarrollado el método de la pistola para detonar aire comprimido. Los vehículos para trabajos de sismografía ya vienen con el equipamiento incorporado lo cual garantiza rapidez y precisión en el levantamiento del informe final de los resultados.

La adquisición de líneas sísmicas puede realizarse con un grillado 2D, es decir en dos dimensiones o con grillado 3D, en tres dimensiones. La ventaja de la sísmica en 3D radica en la enorme cantidad de información que proporciona con respecto a la 2D, con la cual se reducen al máximo las incertidumbres con respecto a la geometría y la posición de las capas en el subsuelo, su profundidad, al igual que anticlinales y fallas favorables a la acumulación de hidrocarburos. La desventaja son los costos (el costo de un kilómetro de sísmica 3D es tres o cuatro veces superior al de un kilómetro lineal de sísmica 2D).