Serie de Articulos Introdutorios: Geofísica
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SERIE DE ARTÍCULOS INTRODUCTORIOS Geofísica Richard Coates Gerente de investigación y asesor científico La geofísica es el estudio de la física de la Tierra, la propagación de las ondas elásticas y el campo eléctrico, el campo gravitacional y el campo magnético presentes en la misma. Si bien los orígenes de la geofísica se remontan a la antigüedad, recién a comienzos del siglo XX los científicos comenzaron a aplicar los conceptos y las técnicas geofísicas para la búsqueda de hidrocarburos y minerales y la evaluación de los recursos geotérmicos. Hoy, la geofísica desempeña un rol crucial en la industria petrolera porque los datos geofísicos son utilizados por el personal de exploración y desarrollo para efectuar predicciones sobre la presencia, la naturaleza y el tamaño de las acumulaciones de hidrocarburos del subsuelo. Unificación de las características Los desafíos propios de la geofísica se plantean como un problema inverso, de manera tal que un conjunto de mediciones y leyes físicas conocidas permitirán al geofísico determinar la estructura y las características de la Tierra, que sean consistentes con esas mediciones. En la geofísica, las respuestas casi siempre no son únicas, lo cual significa que existe más de una solución posible que satisface las mediciones. Los geofísicos tratan de resolver esta ambigüedad por medio de la integración de los datos complementarios adquiridos con métodos disímiles o el agregado de conocimientos adicionales, tales como las mediciones de pozos, para determinar qué solución es la correcta. Además de la falta de unicidad, todos los métodos geofísicos exhiben una reducción del poder de resolución a medida que aumenta la distancia con respecto al equipo de medición. Este concepto es análogo a la dificultad de distinguir los objetos por medio de la vista a medida que se incrementan las distancias. Esta característica es más pronunciada para ciertos métodos de medición que para otros, pero el resultado es que cuanto más profundas son las estructuras subterráneas, menos precisas resultan las imágenes de esas estructuras. La prospección sísmica En el campo petrolero, el método predominante de adquisición de datos geofísicos es el levantamiento sísmico, cuya historia se remonta a comienzos de la década de 1920. En las operaciones de prospección sísmica se emplea una fuente —generalmente un cañón de aire (pistola de aire) o un camión vibrador— para generar vibraciones, u ondas sísmicas, que se propagan por la Tierra. Las ondas sísmicas son refractadas y reflejadas por las estructuras y los estratos subterráneos (Figura 1). Parte de esa energía retorna a la superficie, en donde es registrada por sensores, tales como los hidrófonos o los geófonos. Las distancias entre la fuente y el sensor pueden exceder los 15 km [9,3 mi]. Traducción del artículo publicado en Oilfield Review 28, no. 2 (Mayo de 2016). Copyright © 2016 Schlumberger. Volumen 28, no.2 Embarcación sísmica Superficie marina Arreglo de cañones de aire Cable sísmico marino con arreglos de sensores de hidrófonos, a una profundidad de 6 a 12 m Fondo marino Capas sedimentarias Figura 1. Adquisición sísmica marina. Un arreglo de cañones de aire (extremo superior) produce pulsos de energía sísmica (verde) que penetran en el subsuelo y se reflejan (rojo) desde el fondo marino y las interfaces entre las capas de rocas. Estas reflexiones son detectadas por los arreglos de hidrófonos remolcados por detrás de la embarcación sísmica. Los geofísicos invierten los datos registrados para construir una imagen 3D de las capas subterráneas. Los métodos modernos de adquisición sísmica (extremo inferior ) iluminan fajas 3D de la Tierra desde diversos ángulos. En una geometría común, cuatro embarcaciones navegan alineadas una al lado de la otra separadas por una distancia de aproximadamente 1,2 km [0,75 mi]. Cada embarcación remolca un arreglo de cañones de aire como fuentes (rectángulos rojos) situados a una corta distancia por detrás. Las embarcaciones más periféricas también remolcan cables sísmicos marinos (líneas negras), normalmente de 10 km [6 mi] de largo, que registran las reflexiones presentes debajo del fondo marino y dentro de un volumen de roca (tostado) ubicado por debajo y entre los dos conjuntos de cables sísmicos. 67 SERIE DE ARTÍCULOS INTRODUCTORIOS Aire (resistivo) Transmisor CSEM Campos magnetotelúricos de fuentes naturales Agua de mar (conductiva) Registradores del campo eléctrico y del campo magnético Petróleo y gas (resistivos) Fondo marino (conductividad variable) Sal, carbonatos y volcanitas (resistivos) Distancia 1 Resistividad, ohm.m Profundidad 10 Base de la sal derivada de las imágenes conjuntas Base de la sal derivada de los datos sísmicos 1 km 1 km Figura 2. Adquisición marina con los métodos electromagnético con fuente controlada (CSEM) y magnetotelúrico (MT). Para los estudios MT marinos (extremo superior) , se utilizan registradores eléctricos y magnéticos emplazados en el fondo marino que obtienen mediciones de tipo series de tiempo del campo magnético variable de la Tierra y el campo eléctrico inducido. Estas mediciones pueden ser interpretadas para inferir las estructuras geológicas profundas. El remolque de un transmisor CSEM, con receptores por detrás, cerca del fondo marino, permite a los geofísicos mapear las estructuras someras, incluidos los rasgos resistivos de poco espesor, tales como los yacimientos de hidrocarburos. La evaluación conjunta de múltiples mediciones geofísicas (extremo inferior) hace posible que los geofísicos obtengan una interpretación consistente de la base de la sal. La mejor interpretación basada exclusivamente en datos sísmicos mostró una sección de sal de gran espesor a la derecha de la porción central, cuya base se indica con la línea blanca. El agregado de los datos de resistividad MT (colores) proporciona significativa información nueva. La combinación de los datos MT con los datos sísmicos mejora las interpretaciones previas de la base de la sal y brinda a los intérpretes mayor confianza en su resultado (línea amarilla de guiones). 68 Los geofísicos procesan los datos de los levantamientos para formar una imagen y estimar las características físicas del subsuelo. Este procedimiento requiere dos pasos: desarrollar un conjunto, o volumen, de datos de velocidad 3D para generar una estimación satisfactoria de la velocidad espacialmente variable con la que se propagan las ondas sísmicas en la Tierra — proceso denominado tomografía— y posteriormente, con la ayuda de este conjunto de datos de velocidad, localizar las capas del subsuelo desde las cuales se reflejaron las ondas sísmicas, proceso que se denomina migración. La representación 3D de la Tierra resultante se denomina imagen, o volumen, estructural. Las superficies reflectoras son interpretadas como las interfaces entre las capas de rocas, algunas de las cuales pueden haberse plegado, fisurado, fallado o erosionado a lo largo del tiempo geológico. Esta representación puede cortarse verticalmente para obtener una sección transversal u horizontalmente para mapear las profundidades de las capas de rocas presentes por debajo del área del levantamiento. Y el operador puede utilizar estas interpretaciones para ayudar a determinar objetivos de perforación adecuados. Los levantamientos sísmicos modernos generan como rutina imágenes 3D detalladas de estas superficies reflectoras hasta profundidades de 10 km [6 mi]. La información adicional acerca de las características de las rocas puede ser extraída de los datos sísmicos. Por ejemplo, mediante el estudio del tamaño, o amplitud, de las reflexiones y de cómo cambia la amplitud con el ángulo con el que las ondas sísmicas chocan con los reflectores, los geofísicos pueden determinar si los poros de las rocas contienen gas, petróleo o agua. Este paso, conocido como variación de la amplitud con el desplazamiento (AVO), a menudo exhibe un mayor nivel de incertidumbre que la generación de imágenes estructurales. Si bien en la mayor parte del trabajo sísmico se utilizan fuentes activas diseñadas para crear ondas sísmicas, la detección de las ondas sísmicas débiles generadas durante las operaciones de fracturamiento hidráulico despierta cada vez más interés. Estas señales débiles son utilizadas para determinar las localizaciones de los eventos microsísmicos, que pueden indicar la posición y la extensión de las fracturas hidráulicas. Métodos electromagnéticos Para reducir la incertidumbre interpretacional que persiste después de las operaciones de prospección sísmica, los geofísicos pueden aplicar una de las diversas técnicas disponibles. Las más comunes son los métodos electromagnéticos (EM), que apalancan el hecho de que algunas formaciones subterráneas importantes exhiben caracteres electromagnéticos únicos de gran intensidad. Por ejemplo, las rocas saturadas con hidrocarburos a menudo poseen una resistividad eléctrica mucho más alta que las que contienen agua y ésta es la base de la adquisición de registros de resistividad Oilfield Review con herramientas operadas con cable. Los depósitos salinos poseen tanto una alta velocidad sísmica como una alta resistividad eléctrica. La alta velocidad de estos depósitos vuelve problemática la generación de imágenes sísmicas por debajo de los mismos, pero su alta resistividad eléctrica facilita su detección utilizando levantamientos EM. Los geofísicos cuentan con dos métodos diferentes para adquirir información acerca de las características eléctricas de las rocas a profundidad. Pueden utilizar una fuente EM de alta potencia o bien las fluctuaciones del campo magnético terrestre inducidas por el viento solar como fuente EM natural. En ambos casos, la respuesta de la Tierra es detectada por un arreglo de receptores desplegados en, o cerca de, la superficie. La primera técnica es el método electromagnético con fuente controlada (CSEM) desarrollado en la década de 1980. Este método se utiliza principalmente en ambientes marinos, en los que el ruido antropogénico, por ejemplo, las señales de radio o el ruido de las líneas de energía eléctrica, es menos problemático que en tierra firme. La segunda técnica EM, el método magnetotelúrico (MT), fue introducida en la década de 1950. Algunos sistemas modernos pueden adquirir datos CSEM y datos MT cuando la fuente controlada no se encuentra activa (Figura 2). Debido a la frecuencia de la señal EM y la geometría de adquisición, los levantamientos MT resultan más apropiados para los estudios a escala de cuenca, en tanto que los levantamientos CSEM son más adecuados para los objetivos detallados a escala de yacimiento y las anomalías de alta resistividad. En consecuencia, el método CSEM se utiliza habitualmente para investigar yacimientos de hidrocarburos potenciales sugeridos previamente en las imágenes sísmicas. Prospección magnética La prospección magnética es otro tipo de prospección del subsuelo. A diferencia de los métodos EM, basados en los campos que fluctúan rápidamente en el tiempo, la prospección magnética depende de las propiedades magnéticas permanentes de las rocas, cuya resistencia y orientación se establecen en el momento de su depositación y pueden contrastar con las de las rocas adyacentes. La medición de estas anomalías sutiles puede ayudar a los geofísicos a mapear las formaciones del subsuelo a lo largo de áreas extensas. La ventaja de la prospección magnética es que los datos pueden ser recolectados desde aeronaves o satélites, en tierra firme, o con embarcaciones. En consecuencia, los levantamientos magnéticos cubren en forma económica extensas áreas geográficas y sitios cuyo acceso resultaría dificultoso de otro modo. Dado que las anomalías más fuertes son producidas por formaciones volcánicas o metamórficas, los levantamientos magnéticos son ampliamente utilizados para la exploración minera. Volumen 28, no.2 Prospección gravimétrica Las mediciones gravimétricas se aplican en el campo petrolero desde la década de 1920. Esta técnica se basa en el registro de las variaciones espaciales del campo gravitacional terrestre, causadas por las diferencias producidas en la densidad de las rocas por debajo de la localización del levantamiento. La magnitud de estas variaciones en general es inferior a una cienmilésima parte del valor nominal del campo gravitacional terrestre, que es de aproximadamente 9,81 m/s2 [32,2 pies/s2]. La detección de estas variaciones tan pequeñas requiere el empleo de instrumentos extremadamente sensibles y la aplicación de múltiples correcciones. Por ejemplo, la corrección de Bouguer toma en cuenta las variaciones gravitacionales causadas por la topografía local y aplica correcciones por la influencia de la latitud y la altura de medición que, de lo contrario, podrían enmascarar la señal. Dado que la baja densidad de la sal genera una gran anomalía gravitacional, la aplicación más común de la prospección gravimétrica en el campo petrolero es como ayuda para delinear los domos salinos. Con frecuencia, los datos gravimétricos se adquieren utilizando aeronaves y satélites, si bien también es común la obtención de mediciones con embarcaciones. Variaciones y valor Los métodos geofísicos se aplican de distintas maneras. Por ejemplo, los receptores sísmicos a veces se despliegan en los pozos para generar imágenes detalladas de porciones pequeñas del subsuelo. Además, existen a disposición ciertas técnicas que tienen su nicho de mercado, tales como la generación de imágenes hiperespectrales, los métodos de potencial espontáneo y electrocinéticos —sismoeléctricos y electrosísmicos— cuyo uso no se ha generalizado aún. De todas las técnicas geofísicas, la prospección sísmica es sin dudas la más difundida. Debido a esta preponderancia, los términos “sísmica” y “geofísica” a menudo se utilizan indistintamente en la industria petrolera, aunque para los puristas esto constituye un error. No obstante, la utilización integrada de los métodos geofísicos complementarios proporciona información crítica acerca del subsuelo, que es utilizada por el personal de exploración y desarrollo para tomar las decisiones sobre dónde y cómo perforar. 69
