Oilfield Review

DEFINICIÓN DE LOS LEVANTAMIENTOS SÍSMICOS DE REFLEXIÓN
Una introducción a las reflexiones sísmicas
Richard Nolen-Hoeksema
Editor
En los comienzos de la industria del petróleo y el gas, la exploración se llevaba a cabo generalmente mediante el método de prueba y error. El conocimiento de las estructuras del subsuelo se limitaba al pozo que se estaba
perforando y a los pozos vecinos cercanos. Hoy, los geofísicos hacen retornar
o rebotar las ondas sísmicas desde los estratos presentes por debajo de la
superficie terrestre y registran las reflexiones sísmicas para crear imágenes del subsuelo de alta resolución.
Entre los diferentes tipos de ondas sísmicas se encuentran las ondas de
superficie que viajan a través de la superficie terrestre y las ondas volumétricas —ondas compresionales y ondas de cizalla (corte)— que se propagan a
través de la Tierra. Los levantamientos sísmicos de reflexión utilizan normalmente ondas compresionales, también denominadas ondas P. Las ondas P son las
más rápidas y las primeras en arribar y en ser registradas por los instrumentos.
Las ondas P son además ondas de presión; cada ciclo de ondas P contiene un
componente de compresión y de extensión. Las ondas acústicas son ejemplos
de ondas P.
Durante los levantamientos sísmicos de reflexión, las ondas sísmicas
son generadas en o cerca de la superficie terrestre utilizando una fuente sísmica; dinamita, martillo, vibrador, pistola (cañón) de aire, pistola hidráulica
o cualquier otro objeto que transmita energía al subsuelo. Las ondas sísmicas
se propagan desde la fuente y viajan a través de las capas geológicas. En la
interfaz existente entre un tipo de roca y otro, se produce un cambio en las
propiedades físicas: especialmente, en la densidad, en la velocidad sísmica
y en el resultado de su producto; es decir, la impedancia sísmica.
En las interfaces geológicas, una parte de la energía sísmica se refleja, o
hace eco, de regreso a la superficie. En la superficie, los receptores sísmicos,
que son dispositivos electromecánicos —micrófonos, geófonos, hidrófonos o acelerómetros— detectan la energía reflejada y la convierten en señales eléctricas.
Las señales son registradas y luego procesadas para generar imágenes del
subsuelo, que pueden ser interpretadas a los fines de la exploración, desarrollo y producción de los recursos de petróleo y gas. Los geocientíficos de E&P
utilizan estas imágenes para mapear y delinear los prospectos de exploración, planificar el posicionamiento de los pozos en las zonas prospectivas y
monitorear los cambios producidos en el yacimiento durante la producción
de hidrocarburos.
Reflexiones
Cuando las ondas P se propagan a través de las capas geológicas, sólo una
parte de la energía de las ondas se refleja desde las interfaces litológicas; el
resto, atraviesa las interfaces. Existen dos relaciones físicas que rigen la
reflexión y la transmisión de las ondas. Ambas relaciones son simplificaciones
de la ecuación de ondas, que describe el comportamiento del sonido, la radiación electromagnética y otros fenómenos asociados con las ondas. La primera
relación es la ley de Snell, que describe las direcciones que siguen las ondas
reflejadas y transmitidas desde una interfaz.
Traducción del artículo publicado en Oilfield Review Primavera de 2014: 26, no. 1.
Copyright © 2014 Schlumberger.
Por su colaboración en la preparación de este artículo, se agradece a Víctor Aarre,
Stavanger, Noruega; y a Lisa Stewart, Houston.
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Incidencia normal
(ángulo de cero grados)
Ángulos de
reflexión
Onda P incidente
Ángulo de
incidencia
θ1
Onda S reflejada
Onda P reflejada
δ1
θ’1
ρ1, VP1, VS1
Litología 1
Interfaz geológica
Litología 2
ρ2, VP2, VS2
θ2
δ2
Ángulos de
transmisión
Onda P transmitida
Onda S transmitida
sen θ1
VP1
=
sen θ’1
VP1
Ley de Snell
sen δ1 sen θ2 sen δ2
=
=
=
= constante
VS1
VP2
VS2
> Ley de Snell. En una interfaz geológica, la energía de una onda
compresional incidente (onda P) se separa en ondas P reflejadas y
transmitidas y en ondas de corte polarizadas verticalmente (ondas S).
La ley de Snell determina los ángulos de reflexión y de transmisión.
En lo que respecta a las propiedades del material, ρ y V se refieren a la
densidad volumétrica y la velocidad, respectivamente. Los subíndices
P y S indican las ondas P y S. Los subíndices 1 y 2 indican las propiedades
para las litologías 1 y 2.
Las ondas P incidentes chocan con una interfaz geológica y las ondas P
reflejadas se propagan lejos de la interfaz formando el mismo ángulo, de
manera análoga a una bola de billar que rebota en el borde de la mesa. En una
interfaz, las ondas P también pueden convertirse en ondas S reflejadas y
transmitidas. A través de una interfaz, las propiedades físicas cambian y las
ondas P y S transmitidas cruzan la interfaz y se curvan formando ángulos
que dependen de los contrastes de velocidad sísmica entre las diferentes
litologías (arriba).
Review
La segunda relaciónOilfield
corresponde
a las ecuaciones de Zoeppritz, un conjunto de ecuaciones queAUTUMN
describe 13
cómo la energía de las ondas incidentes
REFLEXSEIS Fig. 1
que encuentran una interfaz
se separa,
ORAUT
13-RFXSo 1se divide, entre ondas reflejadas y
ondas transmitidas. Esta partición es regida por los coeficientes de reflexión
y de transmisión, que dependen del contraste de impedancia que existe
entre las distintas interfaces y del ángulo de incidencia de la onda incidente.
Oilfield Review
Volumen 26, no.1
Rm
Reflector
CRP
0
0
X1
Xm
T0
Curvatura
Sm
Tiempo de viaje doble (ida y vuelta)
Desplazamiento
Xm
X1
S1 CMP R1
Profundidad
Desplazamiento
0
0
T0
X1
Xm
Tiempo de viaje doble (ida y vuelta)
Adquisición
Los datos sísmicos de reflexión pueden ser adquiridos en tierra o en el mar.
Durante la adquisición terrestre, los datos sísmicos son recolectados a partir de una serie de receptores sísmicos desplegados en el terreno formando
un reticulado o cuadrícula. La fuente sísmica es desplazada y disparada en
una configuración que se entrelaza con la cuadrícula de receptores.
En la adquisición marina, las fuentes y los cables sísmicos, que son
arreglos de receptores adosados a un cable, se despliegan desde la popa de
una embarcación que se desplaza lentamente y las fuentes sísmicas se
encuentran normalmente frente a los cables sísmicos. A medida que la
embarcación se desplaza, las fuentes son disparadas a intervalos regulares
y los receptores registran las señales. Generalmente, la embarcación atraviesa un diagrama de reticulado que cubre el área del levantamiento.
Tanto en tierra como en el mar, cada receptor registra una traza, que
representa la amplitud de la señal sísmica y el ruido recibido durante el
tiempo de registro. Dado que cuando se dispara la fuente se activan múltiples dispositivos de registro, se producen múltiples trazas.
Un registro sísmico es la colección de trazas registradas desde un solo
punto de emisión. Un registro es una sección, o un cubo, de datos en los que la
distancia o la localización geográfica es representada a lo largo del o de los
ejes horizontales y el tiempo de registro, a lo largo del eje vertical. Cada traza
se representa gráficamente en su localización de recepción, y sus desviaciones
positivas y negativas respecto de cero indican la variación de la amplitud.
Generalmente, el tiempo, en vez de la profundidad, se representa a lo largo
del eje vertical. El tiempo de registro es el tiempo de viaje doble (ida y
vuelta) (TWT) porque la señal debe propagarse desde la superficie hasta el
reflector y de regreso hasta el receptor emplazado en la superficie.
El contenido de alta frecuencia de las señales sísmicas que viajan a través de la Tierra experimenta una atenuación natural. Para la generación de
imágenes de los rasgos presentes en las profundidades del subsuelo, los geofísicos procuran registrar las frecuencias más bajas posibles, que son las menos
atenuadas y poseen una capacidad de penetración profunda. Para obtener
una resolución vertical precisa de los rasgos subterráneos, el levantamiento
también debe registrar las frecuencias más altas posibles, que se tornan
cada vez más débiles con la distancia. En consecuencia, los geofísicos diseñan las fuentes sísmicas, los sensores y los levantamientos para poder generar y registrar señales de banda ancha que contengan el rango de frecuencias
más amplio posible.
Clasificación y agrupamiento
Las trazas adquiridas pueden ser agrupadas para formar varios conjuntos
de datos. Una colección de trazas (gather) de fuente común es el agrupamiento de trazas sísmicas que poseen la misma posición de emisión. Otro
agrupamiento importante es la colección de trazas de punto medio común
(CMP) (abajo). Un punto medio es el punto en la superficie situado a mitad
Tiempo de viaje doble (ida y vuelta)
El coeficiente de reflexión es la relación entre la amplitud de la onda reflejada y la amplitud de la onda incidente. Cuando el coeficiente es cero, no
hay ninguna reflexión, y toda la energía incidente es transmitida a través de
la interfaz. El signo positivo o negativo del coeficiente de reflexión indica si
la onda incidente encuentra una litología de mayor o menor impedancia a
través de la interfaz. Los coeficientes de reflexión distintos de cero producen reflexiones y transmisiones parciales.
CMP
> Apilamiento de trazas de punto medio común (CMP). El punto medio común
(CMP, extremo superior izquierdo) es el punto en la superficie situado a mitad
de camino entre las fuentes (S) y los receptores (R), que es compartido por
numerosos pares de fuentes-receptores (m). Para las capas horizontales,
el CMP se encuentra situado directamente sobre el punto de reflejo común
o punto común de reflexión (CRP). La distancia X entre los pares de
fuentes-receptores es el desplazamiento. Una colección de trazas CMP
(extremo superior derecho) es un registro de las trazas de los pares de
fuentes-receptores que comparten un CMP. Es una gráfica del desplazamiento
en función del tiempo de viaje doble. A medida que se incrementa el
desplazamiento entre los pares de fuentes-receptores, también lo hace la
curvatura, o la diferencia en los tiempos de arribo, de una onda reflejada.
El tiempo T0 es el tiempo de desplazamiento cero para el arribo de una
reflexión cuando la fuente y el receptor ocupan el mismo punto. La corrección
de curvatura (extremo inferior izquierdo) elimina la variación en el tiempo de
arribo con el desplazamiento para agrupar todos los tiempos de arribo de la
sección de trazas CMP desde un reflector hasta T0. El apilamiento de CMP
(extremo inferior derecho) es la suma de todas las trazas de la colección de
trazas CMP a las que se les aplicó una corrección de curvatura. El ruido
aleatorio de las trazas individuales es atenuado durante este proceso, lo
que genera una imagen más clara.
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AUTUMN 13
REFLEXSEIS Fig. 2
ORAUT 13-RFXS 2
61
Am
Feeder channel
Sedimentary deposits
DEFINICIÓN DE LOS LEVANTAMIENTOS SÍSMICOS DE REFLEXIÓN
–
Horizon
de camino entre una fuente y un receptor. El número de trazas de una colección de trazas CMP es el apilamiento nominal. La distancia entre la fuente
y el receptor es el desplazamiento.
Los geofísicos realizan correcciones de curvatura para desplazar todas
las trazas de manera que las reflexiones de una colección de trazas CMP aparezcan horizontales en sus tiempos de desplazamiento cero. Luego, en un
proceso denominado apilamiento, suman las trazas de la colección de trazas
CMP para formar una sola traza, lo que se denomina apilamiento de CMP.
Los geofísicos reiteran este proceso para cada una de las secciones de trazas CMP del levantamiento. El resultado final es que muchos registros sísmicos de una línea del levantamiento se reducen a una sola línea sísmica, o
sección, que contiene las trazas de los apilamientos de CMP dispuestas en el
orden de su posición geográfica. Cuando se aplica a las reflexiones de los
estratos horizontales, la corrección de curvatura se denomina corrección de
sobretiempo normal debido a la oblicuidad o curvatura de la traza (NMO).
El proceso de apilamiento del CMP también ayuda a eliminar el ruido
aleatorio, o señal indeseada, que proviene del ambiente. Dicho ruido tiende
a no ser sistemático y puede suprimirse posteriormente mediante el procesamiento adicional de los datos.
En consecuencia, los geofísicos están revelando detalles acerca de las
estructuras geológicas y los estratos del subsuelo y están obteniendo datos
para la interpretación exacta de las áreas prospectivas de exploración y la
delineación de los objetivos de perforación.
Pasos adicionales
En las imágenes sísmicas, los rasgos interpretados no siempre aparecen en
su posición correcta porque la energía sísmica se curva, se dispersa y cambia de dirección en el subsuelo. La migración es una técnica de procesamiento sísmico de avanzada que reposiciona geométricamente los puntos
de las imágenes en una posición más exacta. Después de la operación de
migración, los rasgos inclinados son desplazados y la energía dispersada
regresa hacia su punto de origen. Como resultado, las imágenes son más
nítidas y revelan con mayor precisión la geología infrayacente.
La sismología de reflexión es una herramienta poderosa para generar imágenes de los estratos del subsuelo (derecha). Los geofísicos utilizan técnicas
de adquisición para obtener datos sísmicos desde diversos ángulos. Y utilizan
la migración y otros algoritmos avanzados de procesamiento de datos para
mejorar la identificación de los puntos de reflexión y la supresión del ruido.
Amplitud
62
Crossline
Inline
Horizonte
–
0
+
> Resultado de un levantamiento sísmico 3D por el método de reflexión.
Este conjunto de datos sísmicos 3D del área marina de Australia muestra
un sistema complejo de canales marinos y los depósitos sedimentarios
relacionados, que fluyen de E a O hacia el área de aguas profundas.
La línea sísmica paralela a la dirección de adquisición de los datos (inline)
que aparece en el fondo y la línea sísmica perpendicular a la dirección de
adquisición de los datos (crossline), a la derecha de la imagen, atraviesan
y muestran secciones perpendiculares a través del sistema de canales.
El horizonte es una superficie interpretada que se considera la base del
sistema depositacional. Los
colores
indican la intensidad espacialmente
Oilfield
Review
variable de las reflexiones,
lo que puede
AUTUMN
13 ser ocasionado por cambios locales
en la geología y la saturación
del espacio
y puede asociarse con la
REFLEXSEIS
Fig.poroso
3
presencia de fallas. (Conjunto
de datos
utilizado
ORAUT
13-RFXS
3 con autorización, cortesía
de Geoscience Australia.)
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