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MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN
PERFILAJE RADIACTIVO DE POZOS
PERFILAJE RADIACTIVO
En este tipo de perfilaje se mide la radiactividad natural o inducida de las capas
atravesadas por una perforación. En el primer caso se mide la radiación gamma natural
40
emitida principalmente por los isótopos del torio (90Th), el uranio (92U) y el 19K , presentes en
las formaciones, mediante el desplazamiento de un detector a lo largo del pozo. En el segundo
se requiere una fuente de radiación (88Ra226, 55Cs137 o 27Co60) cuyo efecto sobre las
formaciones alrededor del pozo se registran. Este procedimiento requiere un cuidadoso y
responsable manejo de la fuente radiactiva, incluso cuando no es utilizada.
RADIACTIVIDAD
Ciertos elementos denominados radiactivos son inestables y sus átomos sufren
transformaciones espontáneas, convirtiéndose en átomos de elementos diferentes, que pueden
también ser radiactivos o no. En el primer caso el proceso de desintegración continuará hasta
obtener un elemento estable (tabla I) El nombre se debe a que el Radio (88Ra) fue uno de los
primeros elementos radiactivos estudiados por los esposos Curie. Las emisiones más comunes
en esta mutación son:
partículas alfa (α)
núcleos de helio (+2He++)
α)
partículas beta (β
electrones (-1e0), positrones (+1e0)
β −, β +)
radiación gamma (γγ)
radiación electromagnética (o corpuscular de masa y
carga nulas, en cuyo caso se denominan fotones)
neutrones (n)
son las únicas partículas (o radiaciones) que pueden
activar (convertir en radiactivos) núcleos que antes no lo
eran.
La radiación α es muy poco penetrante,
Tabla I: Desintegración de algunos isótopos
radiactivos
un vestido o una hoja de papel son suficientes
para detenerla. En su emisión, el núcleo emisor Isótopo
Isótopo
Radiación emitida
radiactivo
final
se transforma según:
A
A-4
α
β
γ
(estable)
+ 2He++ = Z-2YA-4 +α (239)
ZX → Z-2Y
238
206
U
Pb
8
6
9
La radiación β es más penetrante, pero
92
82
235
207
se la puede parar con una lámina de metal. Las
U
Pb
7
4
3
92
82
ecuaciones de transformación son:
232
208
Th
Pb
6
4
1
A
A
90
82
ZX → Z+1Y + e + ν
187
187
(240)
(241)
75
Re
76
Os
1
→ Z-1Y + e + ν
Lu
Hf
1
1
71
72
en el primer caso un neutrón muta a protón con
152
148
Sm
Nd
1
60
emisión de donde β − y un antineutrino (ν−) y 62 115
115
Sn
1
en el segundo un protón se transforma en un 49In
50
+
+
87
87
neutrón con emisión de β y un neutrino (ν ).
Rb
Sr
1
1
38
Los núcleos resultantes de los 37 40
40
K
Ca
1
1
decaimientos suelen quedar excitados, lo que
19
20
14
14
comúnmente provoca emisión de radiación γ,
C
N
1
6
7
3
3
que es muy penetrante. Para frenarla se
H
He
1
1
2
requieren, en casos extremos, planchas de
plomo muy gruesas.
Los neutrones no forman parte de las transformaciones espontáneas sino que se
producen en las reacciones de fisión, la que contribuyen a producir en el caso de núcleos
A
ZX
A
+
176
176
171
MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN
PERFILAJE RADIACTIVO DE POZOS
fisibles, que son aquellos que no son naturalmente fisionables pero cuya fisión puede ser
excitada, tal el caso del U235 y el Pu239. Los neutrones para usos científicos y aplicaciones
industriales que requieran grandes flujos se obtienen del núcleo de un reactor nuclear en tanto
que para aplicaciones industriales como detectores de humedad, perfilaje radiactivo de pozos,
etc. se utilizan fuentes selladas aprovechando la propiedad del berilio (4Be), que irradiado con
partículas alfa las absorbe emitiendo neutrones de alta energía (10000 a 12000 km/seg). Como
exitadores alfa se utilizan comúnmente el radio o (88Ra) y el americio (95Am), dando lugar a
las fuentes Ra-Be y Am-Be.
NÚCLEOS Y NÚCLIDOS O NUCLEÍDOS.
Los elementos fueron ordenados en la tabla periódica (Mendeleiev) por el número
atómico Z, número de protones que en el átomo neutro es igual al número de electrones y
define las propiedades químicas. La observación de que casi todos los pesos atómicos A eran
números no enteros llevó al descubrimiento del neutrón, que núcleos de un mismo elemento
pueden tener en distinto número, dando lugar a isótopos diferentes. Isótopos de un mismo
elemento tienen el mismo número atómico Z, pero distinto número de masa A. Es así como se
habla de 6C12, 6C13 ó 6C14 para diferenciar los isótopos de carbono. En el lenguaje de la física
nuclear cada uno de estos isótopos es un núclido o nucleído distinto, pues como no se tienen
en cuenta los electrones por su baja energía de enlace, como núcleos son especies diferentes,
por ejemplo el 6C14 es radiactivo y el 6C12 es estable.
Todos los elementos de la tabla periódica con número atómico superior a 83 son
radiactivos, pero como se observa en la tabla I, existen isótopos de elementos de número
inferior que también lo son. Los tres primeros casos de esta tabla constituyen las series de
desintegración conocidas como del uranio (fig. 242), del actinio y del torio.
Como se observa en las tablas I y II, la radiactividad es una propiedad que difiere de una
sustancia a otra, así por ejemplo, cada gr de 92U238 produce 18000 desintegraciones por
segundo o 18000 bequerelios (Bq), valor que asciende a 3.7*1010 en el 88Ra226. Este último
valor se suele también utilizar como unidad de desintegración con el nombre de curie (Ci)
1Ci = 3.7*1010Bq
Por tanto, mientras un gramo de 88Ra226 es suficiente para lograr un Ci, se necesitan dos
toneladas de 92U238 para obtener igual actividad.
Tabla II: Vida media de los isótopos
radiactivos de la serie del uranio
NÚMERO ATÓMICO (Z)
82
84
86
88
90
Th
92
Pa
U
238
U
234
226
Ra
222
Rn
218
Po
Pb
Bi
Po
Pb
Pb
Bi
Po
230
Desintegración α
Desintegración β−
Pb
214
210
206
Fig. 242: Serie de desintegración del Uranio
NÚMERO MÁSICO (A)
Th
Isótopo
U238
Th234
Pa234
U234
Th230
Ra226
Rn222
Po218
Pb214
Bi214
Po214
Pb210
Bi210
Po210
Pb206
Vida media
4,55 x 109 años
24,1 días
1,14 minutos
235.000 años
80.000 años
1.660 años
3,85 días
3,05 minutos
26,8 minutos
19,7 minutos
15 x 10-5 segundos
22,2 años
4,97 días
139 días
Estable
172
MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN
PERFILAJE RADIACTIVO DE POZOS
INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN
RADIACIÓN CON LA MATERIA
Al incidir esta radiación ionizante (la luz ultravioleta ya es ionizante aunque en menor
grado) sobre la materia en cualquiera de sus formas (sólida líquida o gaseosa), le transferirá
energía que terminará convirtiéndose en calor. Debido a que las partículas con carga (α y β)
tienen una gran capacidad de ionización transfieren gran cantidad de energía por unidad de
camino recorrido, por lo que su penetración es pequeña. En cambio la radiación gamma y los
neutrones, que no tienen carga, tienen menor probabilidad de interacción y son muy
penetrantes.
CONSTANTE DE DESINTEGRACIÓN
En 1902, Ernest Rutherford y Frederick Soddy sugirieron que el ritmo con que una
sustancia radiactiva emitía partículas radiactivas disminuía exponencialmente con el tiempo.
Aunque la desintegración es un proceso estocástico, la velocidad de desintegración es
proporcional al número de partículas, de modo que si No es el número de átomos de una
sustancia radiactiva en un instante to = 0, y N en un instante posterior t, será:
dN
= λN
dt
dN
−
= λdt
N
ln N = −λt + K
−
(242)
donde K= lnN0, por lo que:
ln N − ln N 0 = ln
N = N 0 e − λt
N
= −λ.t
N0
(243)
(244)
Que expresa la ley de desintegración de las sustancias radiactivas, λ es la constante de
desintegración que caracteriza a cada isótopo, y siendo el fenómeno de la radiactividad
aleatorio, sujeto a una cierta probabilidad de desintegración, λ es la probabilidad por unidad
de tiempo de que los núcleos pertenecientes a esa población se desintegren.
Si t = t1/2, es el tiempo necesario para que N = ½No, conforme la ec. 243, tendremos:
1
− λ.t 1 2 = ln( ) = −0.693
(245)
2
0.693
t1 2 =
(246)
λ
que es el denominado tiempo de semidesintegración.
En la tabla II se dan los valores t1/2, Tabla III: Vida media de los principales componentes
radiactivos de las rocas
para algunos isótopos radiactivos mientras
Tiempo de semidesintegración
que en la tabla III los correspondientes a los
Elemento
(en 109 años)
tres principales componentes radiactivos de
237
las rocas. Según ella y considerando la edad
Th
14
90
238
de la Tierra, aún queda casi todo el torio
U
4,55
92
radiactivo, la mitad del uranio y solo un 10%
40
K
1,4
del isótopo radiactivo del potasio.
19
173
MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN
log ε (eV)
LA RADIACIÓN GAMMA
Los rayos gamma son una forma de
radiación electromagnética de alta energía (fig.
243), la que es función de la frecuencia, según:
e = hν
PERFILAJE RADIACTIVO DE POZOS
log ν (Hz)
log λ (nm)
Rayos
gamma
-5
20
5
Rayos X
(247)
0
Rayos UV
-34
15
0
Espectro
visible
Rayos IR
5
microondas
10
-5
Ondas de radio
donde h = 6,6256*10 J.s, es la constante de
Planck.
Habitualmente la energía de la radiación
gamma se expresa en millones de
electronvoltios (Mev)1, y varía entre 0,1 y 10
Mev.
Al atravesar la materia, y debido a las
sucesivas colisiones con los átomos de las
formaciones, van perdiendo energía, siendo
finalmente absorbidos por ella.
-10
FM
10
AM
largas
5
Fig. 243: Espectro de la radiación
electromagnética
EL FACTOR DE ATENUACIÓN
La variación de la intensidad I de la radiación al atravesar una sustancia dependerá
tanto de I como de la naturaleza de la sustancia, por lo que:
dI
−
= µI
(248)
dx
µ es el denominado factor de atenuación y es una característica específica de cada sustancia
(tabla IV).
Aplicando a la ec. 248 un razonamiento similar al desarrollado entre las ec 242 y 244
tendremos que:
I
ln I − ln I 0 = ln = −µ.x
(249)
I0
I = I 0 e − µx
(250)
Tabla IV: Factor de atenuación de algunas
sustancias
Ecuación que expresa la ley de
atenuación de los rayos gamma. En los
Energía de
materiales pesados como el plomo µ es la radiación
grande, pero en materiales menos densos,
(Mev)
propios de los materiales del subsuelo,
0,1
como la caliza, la arena o el agua, los rayos
0,5
gamma tienen gran penetración.
1,0
Factor de atenuación
(cm-1)
Aire
Agua
Plomo
1,98*10
-4
0,172
5,99
1,11*10
-4
0,096
1,67
0,81*10
-4
0,070
0,75
Otra manera de expresar lo mismo es utilizando el denominado "espesor de atenuación
media " (EAM, tabla V), que es el espesor necesario de un material (x½) para que la radiación
inicial caiga a la mitad (I = ½Io), valor que a partir de la ec 249 puede expresarse en función
de µ:
1
un electrón voltio es la energía que adquiere un electrón acelerado en una diferencia de potencial de 1 voltio,
entonces: 1 eV = 1,6021 x 10-19 C x 1 J/C (1 eV=1,6021 x 10-19 J)
174
MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN
PERFILAJE RADIACTIVO DE POZOS
Tabla V: Espesor de atenuación media de algunos
materiales
1
− µ.x 1 2 = ln( ) = −0.693
2
x1 2 =
0.693
µ
(251)
Energía de
la
radiación
(Mev)
Espesor de atenuación media
(cm)
Piedra caliza
Agua
Hierro Plomo
compacta o arena
0,2
5
2,1
0,66
0,14
1,0
10
4,6
1,55
0,86
5,0
23
9,9
2,80
1,47
PERFIL DE RADIACION GAMMA
Toda roca en estado natural contiene un cierto porcentaje de material radiactivo, por lo
que normalmente tendrá una intensidad de radiación que dependerá de la concentración de
dicho material y de su radiactividad. De los muchos isótopos radiactivos naturales sólo unos
pocos están concentrados hasta el punto en que su radiación puede ser medida con
instrumentos comunes, de modo que como quedó dicho, virtualmente sólo la radiación γ de
isótopos del uranio, torio y sus derivados y del 19K40, constituyen la medida en una
perforación (El 19K40 es un elemento químico muy extendido en la naturaleza. Se encuentra en
la tierra, en el agua dulce, en el agua de mar, en los alimentos y en las personas mismas).
Las otras formas de radiación, rayos α y β, no son de interés debido a que sus efectos
no son detectados por los instrumentos de medición de la radiación gamma.
La radiación γ, al atravesar la materia, genera cargas eléctricas (efecto fotoeléctrico).
Siendo el coulomb (C = 1019 electrones) la unidad de carga eléctrica, la unidad de radiación,
el Röntgen (R), se define como la carga de iones liberada por unidad de masa de aire según:
1 C/kg = 3876 R
de donde:
1 R = 2.58*10-4 C/kg
(252)
El flujo de radiación γ detectada en el interior de un pozo depende tanto de la
concentración y actividad de cada uno de los isótopos diseminados en las formaciones que
rodean al pozo cómo de la densidad de estas últimas, ya que cuanto mayor sea ésta habrá
mayor absorción por la formación y menor llegada al orificio del pozo.
En perfilaje se utilizan instrumentos que miden la intensidad de la radiación por el
número de rayos que inciden en un detector. En consecuencia, tales mediciones deben
expresarse en unidades de flujo de radiación, o sea en C/kg seg o R/seg o R/h, siendo muy
difundido el uso del µR/h. En la práctica, las compañías especializadas emplean con
frecuencia unidades particulares. Cuestión de relativa importancia puesto que lo que interesa
casi exclusivamente son relaciones de radiactividad.
Como se observa en la tabla
Tabla VI: Radiactividad de algunas rocas comunes
VI, (Astier, 1975), las arcillas son
Radiactividad
Rocas
bastante más radiactivas que las
(unidades API)
arenas limpias, areniscas, calizas y Lavas
10 - 100
dolomías. Las arenas con algún Arenas y areniscas limpias
30 - 80
contenido de arcilla tienen
color
claro
30 - 70
Calizas y
radiactividad más elevada que las
dolomías
color
oscuro
o
negro
70 - 100
arenas limpias, de modo tal que a
color
claro
mayor contenido arcilloso mayor
150 - 300
Arcillas
gris
oscuro
a
negro
radiactividad y viceversa..
300 - 500
175
MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN
PERFILAJE RADIACTIVO DE POZOS
En una zona determinada, el nivel de radiactividad de las arcillas es casi constante, por
lo que el perfil de radiación gamma, se referencia generalmente a la radiación de éstas, tal
como se procede con el perfilaje de PE. No obstante, la radiactividad de arcillas y lutitas,
puede variar de una zona a otra y aun entre formaciones de distinta edad.
Por lo general la utilización del perfilaje de radiación γ está restringida a la diferenciación
cualitativa de la litología de las formaciones y a sus contactos. Es un valioso complemento de
los métodos eléctricos ya que no es afectado por las condiciones adversas del pozo como ser
lodos resistivos o muy conductivos, aunque sí lo es por los fluidos intersticiales que contienen
minerales radiactivos, como cuando las aguas de las formaciones contienen sales disueltas de
potasio (la proporción del isótopo radioactivo potasio 40 es del 0.0118 % del potasio natural).
MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN GAMMA
El instrumento más ampliamente utilizado para la obtención de perfiles de radiación
gamma es el centelleómetro, consistente en un cristal de yoduro de sodio con talio activado, el
que emite un destello luminoso cuando absorbe un rayo γ. Un tubo fotomultiplicador
convierte la energía luminosa en un impulso eléctrico el que es debidamente amplificado y
registrado en función de la profundidad.
profundidad
Como sería poco práctico registrar los
CT = 5 seg
pulsos individuales debido a que en
pequeños intervalos de tiempo y baja
55 PULSOS DETECTADOS
concentración el número de pulsaciones del
10 CPS
12 CPS
detector
puede
variar
ampliamente
CT = 2 seg
CT = 1 seg
(variaciones estadísticas fig. 244), un
11 CPS para una CT de 5 seg
circuito integrado registra los pulsos de
radiación recibidos en un intervalo de Fig. 244: Variación estadística y Constante de Tiempo.
Cada línea vertical representa una desintegración
tiempo, denominado constante de tiempo,
en función de la que se promedian los
impulsos recibidos.
A efectos de minimizar
las variaciones estadísticas, lo
aumento de la radiactividad
más conveniente sería utilizar
una constante de tiempo grande
(de algunos segundos), pero, si
se procediera de esta manera la
sonda debería correrse en el
interior del pozo a una velocidad
C T :6 s
C T :6 s
m
m
C T :6 s
demasiado baja para evitar las
V :3
V :6
m
m in
m in
V :1 5
distorsiones en los pases de
m in
formaciones poco radiactivas
d
(como las arenas limpias), y las
C T :1 5 s
C T :3 s
de mayor radiactividad (como
m
m
V :6
V :6
m in
las
arcillas),
lo
que
m in
arena
comprometería la economía de
arcilla
la operación, por lo que la
elección de estos dos factores
Fig. 245: Efectos de la constante de tiempo y la velocidad
debe
ser
debidamente
balanceada.
La fig. 245 ilustra esquemáticamente las curvas de radiactividad gamma que se
obtendrían en una alternancia de capas arenosas (la superior de espesor grande y la inferior,
176
MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN
PERFILAJE RADIACTIVO DE POZOS
Máx. Velocidad Recomendada (m/min)
profundidad
delgada) entre capas arcillosas, para distintas combinaciones de "constante de tiempovelocidad de la sonda" sin considerar las variaciones estadísticas (las dos primeras en
subida y la tercera en bajada).
Muchas
veces,
para
a u m e n to d e la r a d ia c tiv id a d
eliminar el efecto de tales
variaciones, es necesario aumentar
la constante de tiempo y reducir la
velocidad de la sonda. La fig. 246
muestra el efecto de tales
variaciones en perfiles obtenidos
C T :1 5 s
C T :6 s
C T :1 , 5 s
con diferentes valores de la
m
m
m
V
:
1
5
V
:3
V
:
1
5
constante de tiempo y la velocidad
m in
m in
m in
de la sonda. En ella puede
observarse que para obtener un
buen resultado hubo que aumentar
la constante de tiempo y reducir la
velocidad de la sonda a partir de
a ren a
a r c illa
valores que daban lugar a curvas
inservibles para la adecuada
Fig. 246: Efectos del ruido estadístico ante variaciones de la
constante de tiempo y la velocidad en un registro gamma
diferenciación de las capas
arenosas de interés.
Si antes de correr la sonda en el pozo, es conocido el mínimo espesor de las capas que
interesa diferenciar con el perfilaje radiactivo, pueden utilizarse ábacos como el de la fig. 247,
que facilita la elección de la velocidad máxima en función de la constante de tiempo para un
perfilador WIDCO.
18
De cualquier manera, la
profundidad a la que en los
15
registros radiactivos se registran los
cambios entre formaciones, está
12
6
desplazada en la dirección del
4,5
9
movimiento de la sonda, en una
3
valor que depende de la velocidad
0,9
6
1,5
de registro y la constante de tiempo.
Este
retardo
("lag")
es
0,6
3
aproximadamente igual a la
0
distancia que recorre la sonda
0
5
10
15
20
25
30
35
40
durante una constante de tiempo. Es
Constante de tiempo (seg)
común acondicionar ambos factores
Fig. 247: Máxima velocidad de la sonda para una buena
para conseguir que el retardo se
definición de capas delgadas (manual de WIDCO)
ajuste a un valor prefijado.
Por ejemplo, si se pretende un retardo de 30 cm, con una constante de tiempo de 2
segundos, la velocidad de registro tendrá que ser de 15 cm/seg (540 m/hora). Es práctica
habitual ubicar el punto dinámico de medición por debajo del contador a una distancia igual al
retardo, lo que hace que las anomalías se registren en la profundidad correcta.
Por otra parte, no deben confundirse las variaciones estadísticas con cambios
litológicos, por lo que el nivel de ruido producido por aquellas debe determinarse con
anterioridad a la operación de registro, lo que se consigue estacionando la sonda en un nivel
de baja radiactividad y registrando los cambios de radiación en función del tiempo y durante
dos minutos por lo menos (fig. 248). Para esta operación la sonda debe ubicarse cerca del
177
MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN
PERFILAJE RADIACTIVO DE POZOS
fondo del pozo, en lo posible por debajo de los 60 m para evitar la influencia de la radiación
cósmica.
Se puede igualmente detectar el nivel de ruido realizando una segunda corrida en un
intervalo corto del pozo, de 50 m por ejemplo, el un sector de baja radiactividad. Las
fluctuaciones estadísticas no se repiten exactamente por lo que el nivel de ruido puede ser
estimado comparando ambos registros.
Cuando es necesario localizar capas delgadas
µg Ra eq/tn
6
0
en zonas donde los cambios radiactivos son pequeños,
es muy recomendable obtener un par de registros a una
velocidad adecuada y compararlos para determinar las
Deflexión verdadera
capas buscadas. Este procedimiento generalmente
por grieta de arcilla
proporciona mejores resultados que correr un solo
perfil a muy baja velocidad.
Una gran ventaja del perfil de radiación γ radica
Fluctuación
ARCILLA
estadística
en que puede ser obtenido en perforaciones entubadas,
aun cuando el entubamiento haya sido hecho con
cañería de acero o hierro, dado que aun en este caso la
amortiguación de la radiación no supera el 25 % (fig.
249). En sondas calibradas para pozos sin entubar,
habrá que hacer correcciones para obtener
radiactividades verdaderas.
Verificación
Por otra parte, el lodo también tiene influencia
estadística
sobre el registro obtenido, puesto que absorbe un
pequeño porcentaje de la radiación, pero a menos que
el diámetro sea muy grande, mayor que 24", este efecto Fig. 248: Diferenciación entre deflexiones
verdaderas y variaciones estadísticas
puede ignorarse.
Por el contrario, el contenido arcilloso del lodo puede aumentar el nivel de
radiactividad, lo que no tendrá importancia si el lodo es uniforme a lo largo del pozo. Pero si
existen indicios de que las arcillas se concentran en el fondo del pozo, su efecto en el perfilaje
deberá ser considerado al interpretar el registro. Habitualmente el efecto del lodo sobre el
perfil de radiación gamma es despreciable y no depende de su grado de salinidad, por lo que
este registro es muy útil en pozos de lodo salado, donde los registros eléctricos son
generalmente de mala calidad.
178
MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN
- SP +
Aumento de la radiactividad
PERFILAJE RADIACTIVO DE POZOS
USOS DEL PERFIL DE RADIACIÓN GAMMA
40mV
9650
9700
Rad. gamma
pozo abierto
9750
9800
Perfil de
cuplas
Rad. gam ma
pozo entubado
9850
Fig. 249: Parte de un registro de radiación γ
1. Para la identificación de estratos arcillosos
cuando la curva de potencial espontáneo (PE)
es poco expresiva (formaciones muy
resistivas)
o
francamente
aplanada
(resistividad del lodo similar a la de la
formación) o cuando la curva de PE no se
puede registrar (lodos resistivos, pozo
entubados, pozos vacíos).
2. Detección y evaluación de minerales
radiactivos como el uranio.
3. Correlaciones entre pozos entubados,
4. En reacondicionamiento de pozos viejos
(entubados), en cuyo caso se registra
simultáneamente con un contador de cuplas
(fig. 249), lo que permite colocar con toda
precisión los cañones perforadores.
5. En operaciones con trazadores radiactivos.
PERFILAJE NEUTRÓNICO (O DE POROSIDAD)
Superficie del terreno
En primera instancia, este registro
responde a la cantidad de hidrógeno
presente en las formaciones y como el
agua
y
el
petróleo
contienen
prácticamente la misma cantidad de
hidrógeno por unidad de volumen, las
mediciones reflejan primordialmente la
cantidad del fluido que ocupa los poros,
de modo que en formaciones limpias y
saturadas, permite una determinación de
las variaciones de su porosidad.
DETECTORES
radiación gamma
NEUTRONES DE CAPTURA
Neutrones termales
(menos de 0,025 EV)
Neutrones epitermales
(0,1 - 100 EV)
NEUTRONES MODERADOS
FUENTE DE NEUTRONES
El método aprovecha que
neutrones de alta energía (neutrones
rápidos) son frenados más cerca de la
fuente cuanto más agua o petróleo tenga
la formación circundante.
POZO
El perfilaje neutrónico se usa
principalmente para evaluar la porosidad
de las formaciones.
Neutrones rápidos
(más de 106 EV)
Fig. 250: Esquema del perfilaje neutrónico
179
MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN
PERFILAJE RADIACTIVO DE POZOS
F U N DA M E N T O
• El 4Be bombardeado por partículas α
emitidas por el de 88Ra o el 95Am emite
neutrones de alta energía, con velocidades de
8500
10.000 a 12.000 km/s).
• Los neutrones, al penetrar en las formaciones
8600
circundantes al pozo, pierden energía
progresivamente hasta que su velocidad queda
reducida a la velocidad termal (≈ 2 km/s).
8700
• Esta pérdida de energía es más pronunciada
cuando el material circundante es rico en H, de
8800
masa equivalente a la de los neutrones.
• Los neutrones termales son absorbidos
8900
inmediatamente por núcleos de H, Cl, Na, Si,
principalmente, con emisión de radiación gamma
de alta energía (radiación gamma de captura)
9000
• Mediante un detector colocado en la misma
sonda se mide la cantidad de neutrones
9100
epitermales o termales (parte derecha de la fig.
Arena
Arena arcillosa
Arcilla 251) o la radiación gamma resultante. Aunque
algunos instrumentos modernos registran
Fig. 251: Parte de un registro de radiación
simultáneamente tanto la cantidad de neutrones
gamma y de neutrón - gamma
como la radiación gamma.
Los registros se presentan en escala lineal y van generalmente acompañados por un
registro de radiación gamma natural (fig. 251)
Un detector muy próximo a la fuente (< 15 cm, que es el caso de la fig. 251) acusará
mayor emisión cuanto mayor presencia de H (mayor porosidad).
Un detector alejado (> 30 cm, que es el caso del esquema de la fig. 252) en la misma
formación detectará menor emisión. Este es el caso en la mayor parte de los instrumentos
comerciales. Este esquema muestra también las influencias en el perfilaje radiactivo de las
variaciones del diámetro del pozo, la presencia del lodo y la cementación.
RAYOS GAMMA
µg eq Ra / tn
NEUTRÓNICA
Cuentas normales / seg
180 260 340 420 500
Determinación de Porosidad
Todo perfil neutrónico puede proporcionar valores de porosidad aparente siempre que se
hagan algunas suposiciones y correcciones. En formaciones no arcillosas son utilizadas
fórmulas como la siguiente (válida para perforaciones no entubadas):
logP = aN+b
P:
porosidad media
N:
radiactividad de neutrones
(253) a y b: coeficientes que dependen de la sonda y de la
perforación, por lo que cada fabricante provee
los ábacos necesarios para su estimación.
180
MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN
PERFILAJE RADIACTIVO DE POZOS
Los instrumentos modernos
proporcionan valores precalculados,
corregidos
automáticamente
por
litología,
contenido
de
arcilla,
salinidad,
arcilla
contenido contenido
temperatura y densidad del lodo y
en arcillas en agua
variaciones del diámetro del pozo. No
lodo
obstante, hay que tener presente que una
NF
interpretación basada sólo en el perfil
grava
neutrónico tiene algunas incertidumbres,
limpia
por lo que se obtendrán mejores
resultados combinándolo con perfiles
arcill.
Sónicos y/o de Densidad.
Si bien las sondas reflejan
marg.
primordialmente los espacios porales
llenos de líquido, hay que tener en
comp.
cuenta que en realidad responden a
todos los átomos de hidrógeno de la
porosa
formación que rodea al pozo, incluidos
porosa
los que forman parte de los materiales
comp.
constitutivos de las rocas. Así, si
* detector lejano asociada con arcillas y lutitas hay agua
confinada o irreductible, la calculada
Fig. 252: Registros radiactivos hipotéticos
será mayor que la porosidad efectiva.
Igual que cuando existe agua de cristalización en las sales disueltas en el agua (que
justifican las correcciones por salinidad), como en las formaciones con yeso (CaSO4+2H2O)
que muestran una “porosidad neutrónica” exagerada.
Si bien los hidrocarburos líquidos tienen índices de hidrógeno prácticamente iguales a
los del agua, el gas tiene una concentración mucho menor que además varía con la
temperatura y la presión, por lo que cuando existe gas en la zona investigada, las porosidades
obtenidas con el perfil neutrónico son menores a las reales. Lo que por otra parte permite,
utilizando además el perfil de Densidad, detectar estas zonas con gas.
rayos gamma neutrones *
lavas
calizas
arena
cemento
La investigación vertical es
aproximadamente igual a la distancia
fuente-detector cuando la sonda está
inmóvil y es algo mayor con la sonda
en movimiento.
En cambio, el radio de
investigación es función de la
porosidad, como muestra el gráfico de
la fig. 253, válido para una perforación
de 6”. A mayor porosidad de la
formación,
menor
radio
de
investigación.
L
L”
20
15
10
5
0
P (%)
10
20
30
Fig. 253: Radio de investigación en una perforación de 6"
PERFILAJE CON EMISIÓN DE RADIACIÓN GAMMA (O DE DENSIDAD)
La aplicación más importante de este tipo de registros reside en su utilidad para
estimar la densidad del terreno, pero también se lo utiliza como perfil de porosidad y para
181
MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN
PERFILAJE RADIACTIVO DE POZOS
otras aplicaciones como descubrimiento de gas, evaluación de arenas arcillosas y litologías
complejas y su correlación entre sondeos, entre otras.
F U N DA M E N T O
•
Una fuente radiactiva, como el 88Ra226,
137
, 27Co60, colocada en un patín blindado
55Cs
emite radiación gamma de mediana energía, la
que al chocar con la materia circundante se
dispersa (efecto Compton de dispersión)2 y
desaparece progresivamente.
• Esta pérdida de energía es proporcional a la
cantidad de electrones por unidad de volumen
de la materia circundante, por consiguiente, es
proporcional a su densidad.
• La radiación residual es medida con un
detector de radiación gamma (detector de
centelleo de INa con Tl activado) ubicada a
unos 50 cm de la fuente. El punto de atribución
es el punto medio entre emisor y detector.
FORMACIÓN
DETECTOR
espaciamiento
PANTALLA
ANTI
RADIACIÓN
FUENTE
Fotones gamma
dispersados
Colisión Compton
con los electrones
de la formación
Fotones gamma
emitidos por la
fuente
Fig. 254: Sonda de radiación gamma
En algunos instrumentos (como el FDC de Schlumberger), para corregir
automáticamente las influencias perturbadoras del lodo del sondeo, del revoque del lodo y de
las variaciones del diámetro del pozo se utilizan dos detectores (sonda compensada) ajustados
a la pared del pozo.
La variación de la intensidad I de la radiación emitida por la fuente depende tanto de I0
(intensidad de la fuente radiactiva) como de la densidad electrónica de la formación (σe,
número de electrones por cm3), pudiendo expresarse mediante la ecuación siguiente:
dI
= kσ e I
dx
donde k es una constante que depende de la geometría del equipo, la energía de los rayos
gamma emitidos por la fuente y las características del detector, separando variables e
integrando, se tendrá:
dI
− = kσ e dx ;
I
I
ln I − ln I 0 = ln = − kσ e x
I0
−
I = I 0 e − kσe x
(254)
Que da la intensidad de la radiación gamma detectada (en Bq) por un registrador
ubicado a una distancia x de la fuente. Es decir, lo que se mide está relacionado esencialmente
con la densidad de electrones (σe) de la formación, la que a su vez guarda relación directa con
la densidad total (σf, en gr/cm3) de la formación, función de la densidad de la matriz de la roca
(σm), de su porosidad y de la densidad de los fluidos que ocupan los poros (σw).
2
El efecto Compton se explica en términos de la interacción de la radiación electromagnética con electrones
libres: Cuando la radiación electromagnética pasa por una región en la que hay electrones libres, se observa que
además de la radiación incidente, aparece otra cuya frecuencia (menor que la incidente) depende de la dirección
de la dispersión.
182
MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN
PERFILAJE RADIACTIVO DE POZOS
Cuando se trata de una sola substancia la densidad electrónica es proporcional a la
densidad total según:
 2Z 
(255)
σe = σf 

A
donde σf es la densidad total, Z el No atómico (No de electrones por átomo) y A el peso
atómico. Y si la substancia es molecular:
 ∑ Zi 

(256)
σe = σf  2
 M 


donde ΣZi es la suma de los Nos atómicos de los átomos que forman la molécula (No de
electrones por molécula) y M es el peso molecular.
Para la mayoría de las substancias la cantidad entre paréntesis es muy próxima a la
unidad, por lo que habitualmente cuando se trata de areniscas, calizas y dolomías saturadas
con agua, la lectura del instrumento se toma como la densidad total. Para otras sustancias (sal,
anhidrita, yeso, carbón y formaciones gasíferas) es necesario hacer correcciones.
DE T E R M I N A C I ÓN DE L A P OR OSI DA D (E N P OZ OS N O E N T U B A DOS)
Evaluada la densidad σf, se puede determinar la porosidad P de las formaciones
acuíferas saturadas mediante fórmulas como las siguientes:
σf = P +(1-P)σm
en formaciones no arcillosas ni invadidas por lodo
σf = Pσb +(1-P)σm
en formaciones invadidas por el lodo (de densidad σb) y espesor
mayor que el radio de investigación
en formaciones con un porcentaje a de arcillas (de densidad σa)
y sin zona invadida
En ellas, σm es la densidad de la matriz que es del orden de los 2,65 para arenas,
areniscas y cuarcitas; de 2,68 para arenas calcáreas o calizas arenosas; de 2,71 para calizas y
de 2,87 para dolomías.
σf = P+aσa +(1-P)σm
En el segundo caso despejando P se tendrá:
P=
σm − σf
σm − σb
(257)
P%
O utilizando ábacos como el
de la fig. 255 para formaciones no
arcillosas ni invadidas por el lodo
Cuando la formación está
afectada por la presencia de arcillas
o lutitas, para la interpretación del
Perfil de Densidad deben hacerse
algunas
consideraciones
adicionales.
50
40
dolomías
30
20
Areniscas
y arenas
10
0
calizas
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
σ
Fig. 255: Ábaco para formaciones no arcillosas ni invadidas por
el lodo
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MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN
PERFILAJE RADIACTIVO DE POZOS
Ejemplo esquemático de un perfilaje en Hidrogeología
arena arcillosa
arenas y gravas
p = 20%
gravas
p = 40%
porosas
areniscas p=20%
o calizas compactas
areniscas margosas
1
2
+
ρ
(Ω.
Ω.m)
Ω.
NORMAL
LARGA
3
4
5
6
7
8
areniscas o calizas
p = 20%
arenas y gravas
p = 20%
gravas
p = 40%
9
10
arcilla
11
Agua dulce
de saturación
línea base de arcillas
arcilla
PE
40mV
NORMAL
CORTA
Agua salada
de saturación
Fig. 256: Ejemplo de interpretación
γ
En las condiciones actuales,
en prospección hidrogeológica sólo
son posibles los perfilajes de PE,
resistividad con NC y NL y gamma
natural, que son los mostradas en la
fig. 256 (adaptada de Astier) para un
modelo hipotético de capas gruesas
saturadas por agua dulce (de 20 Ω.m)
en la parte superior, agua salobre (de
3 Ω.m) en la parte inferior y lodo de
resistividad intermedia (10 Ω.m).
Considerando además que el
radio de investigación de la NC es
igual al radio exterior de la zona
invadida (ri)
En tales condiciones, los
niveles permeables de agua dulce
muestran: baja radiactividad, SP
positivo y ρNL > ρNC.
Ocurre muchas veces que el lodo de la perforación y el agua de las formaciones
atravesadas tienen la misma resistividad, sencillamente porque el agua que se utilizó en la
preparación de la inyección fue extraída de un pozo vecino que explota el mismo acuífero
perforado. En tal condición, las capas permeables prácticamente no producirán PE y tampoco
habrá diferencia entre ρNL, ρNC y sólo la curva de radiación gamma natural permitirá
diferenciar entre capas permeables (arenas y gravas) de las acuitardas (con diferentes grados
de arcillosidad), aunque sin discriminar sobre la salinidad del agua.
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