caracterizacion mediante métodos instrumentales del sello de

Anuario de la Sociedad Cubana de Geología, No 1, 2013, págs. 13-17, ISSN 2310-0060
CARACTERIZACION MEDIANTE MÉTODOS INSTRUMENTALES DEL SELLO DE YACIMIENTOS
PETROLEROS DE LA FRANJA NORTE DE CRUDOS PESADOS DE CUBA
CARLOS MORALES ECHEVARRIA1, EDGAR A. GEORGE DE ARMAS2, SILIO LÓPEZ GUERRA3 y DORA GARCÍA DELGADO4
Centro de Investigaciones y Desarrollo del Petróleo (Ceinpet)
Churruca No.481 e/ Vía Blanca y Washington, Cerro, La Habana 12000, Cuba.
Correo: (1) [email protected], (2) [email protected] , (3) [email protected], (4) [email protected]
RESUMEN
La Franja Norte de Crudos Pesados representa la fuente principal de hidrocarburos cubanos. Sobre los reservorios se reportan varios
espesores arcillosos. Tales secuencias de este tipo de rocas caracterizan sobre todo la base de la Formación Vega Alta, proporcionándole
características de sello. La citada formación se caracteriza por una deposición caótica, donde la matriz es mayormente arcillosa y
constituye una variedad de facies subordinadas, que se interdigitan con rápidos cambios laterales y longitudinales provocados por
las diferentes fases de la actividad tectónica. Para el estudio y evaluación de las rocas como sello, se propuso un procedimiento
que ofreciera un conocimiento integral sobre ellas y que permitiera la caracterización de la calidad del sello. Para la realización de
la investigación se utilizaron cortes de rocas obtenidas durante el proceso de perforación. El referido procedimiento incluye un
conjunto de técnicas que facilitaron la caracterización de las rocas, desde el punto de vista físico-químico. Entre las técnicas se citan:
Fluorescencia de Rayos X y Microscopia Electrónica de Barrido. Se utilizaron conjuntamente técnicas ópticas, como la microscopia
de luz polarizada, lo que facilitó la subdivisión en 10 facies del corte y su correlación en pozos con otras equivalentes en superficie.
ABSTRACT
The Heavy Oil North Belt of represents the main source of hydrocarbons in Cuba. Within the reservoirs occur several inter-bedded
claystone strata of various thickness. These beds are more characteristic at the base of Vega Alta Formation, providing a seal for the
reservoir. This formation corresponds to chaotic deposition, with an essentially clayed matrix and rapid lithological variations as a
result of the tectonic activity. In order to evaluate the sealing properties of these rocks using the rock sections obtained during the
drilling process, were applied x-ray fluorescence, scanning electron microscope (SEM), as well as polarized light microscopy. As a
conclusion the stratigraphic sections were subdivided into ten facies, correlated between the wells and the outcrops.
ANUARIO
de la Sociedad
Cubana
©
Sociedad Cubana
de Geología,
2013. de Geología, No1, 2013, págs.
, ISSN 2310-0060
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C. Morales Echevarría et al.
INTRODUCCIÓN
El sello petrolero está constituido por secuencias de rocas
impermeables, indispensable en la existencia de la trampa, la
cual impide al fluido escapar permitiendo la conservación del
mismo. Cuando estas rocas se localizan sobre rocas madres
maduras, en gran parte controlan la distribución regional de
hidrocarburos genéticamente relacionados, y se manifiestan
como sellos. Estas rocas impermeables se caracterizan por
porosidades y permeabilidades bajas lo cual provoca que
la presión de flotabilidad de los hidrocarburos no produzca
la invasión de sus espacios porales, y por lo tanto inhiben la
migración secundaria a través de los mismos.
Dichos sellos confinan la trampa evitando que los hidrocarburos
alojados en el reservorio se escapen del mismo. Para realizar una
valoración de la calidad del sello se toman en cuenta un conjunto
de parámetros entre los que se encuentran la caracterización
físico estructural y química de los minerales arcillosos.
También son imprescindibles otros parámetros tales como
laarcillosidad, espesor, hermeticidad y continuidad. Parámetros
que estudiados de manera integral posibilitan la valoración
de la calidad del sello (Viera, 2005). La formación Vega Alta
constituye el sello regional en la Franja Norte de Crudos Pesados
y la presencia de rocas arcillosas caracteriza generalmente dicha
formación, proporcionándole un carácter sellante (Morales,
2008). Tales rocas se manifiestan como una compleja familia de
aluminosilicatos cuyas propiedades principales se relacionan:
•
Morfología escamosa y fibrosa.
•
Pequeñez del tamaño de sus cristales, los cuales suelen
alcanzar escasos micrones.
•
Elevado grado de complejidad química por ejemplo (Al2O3,
x: SiO2, H2O + K2O, Na2O, CaO, MgO, Fe2O 3)
Desde el punto de vista macroscópico las arcillas presentan
semejanzas aunque sus características y propiedades difieren
de modo considerable. La difracción de rayos x: hademostrado
que las rocas arcillosas las constituyen predominantementeun
grupo de sustancias cristalinas denominadas minerales de la
arcilla y que son en esencia silicatos alumínicos hidratados. En
algunos de ellos el aluminio está parcialmente sustituido por
magnesio o hierro y los álcalinos y alcalinotérreos se presentan
como constituyentes esenciales. Aunque una arcilla puede estar
formada por un único mineral., por lo general ellas se manifiestan
mezcladas con otros minerales tales como feldespatos, cuarzo,
carbonatos y micas(Shvetsov, 1948).
La investigación de las rocas que caracterizan el sello a través
del microscopio de luz polarizada permitió la identificación
de la fracción no arcillosa. Un comentario sea quizás oportuno
respecto al empleo del microscopio petrográfico en el estudio
de las arcillas. Es aceptado que dichatécnica es útil en la
identificación de la fracción no arcillosa pero su aplicación es
limitada, particularmente en la identificación de minerales de
naturaleza arcillosa. Las finas diferencias entre ellos o la facilidad
con que se descomponen térmicamente, hidratan, absorben
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líquidos orgánicos o se transforman por efectos químicos o
mecánicos, nulifican en determinado grado las técnicas de
identificación petrográficas (Pablo, 1964). En el estudio de las
rocas arcillosas se requiere el conocimiento de los minerales
arcillosos que las componen, sus relaciones y características
estructurales, por lo que se impone la aplicación de técnicas
instrumentales de superior alcance.
MATERIALES Y MÉTODOS
Para la determinación de la composición química mediante
la Fluorescencia de Rayos x: (FRX) y Microscopía Electrónica
de Barrido con Microanalizador de Rayos x: (SEM), se tomaron
muestras correspondiente a las facies arcillosa, arcillosa
conglomerática y carbonatada silíceo arcillosa, tanto en
pozos como en superficie. Las técnicas citadas ofrecen datos
que garantizan la información de los compuestos químicos
presentes, con lo que se logran los resultados de composición y
propiedades físico químicas que complementan lainvestigación.
Para la selección de muestras de superficie se realizaron
campañas de campo en las provincias de Villa Clara y Sancti
Spíritus durante los años 2006 y 2007, de esta forma estudiar las
rocas que componen el sello en sus afloramientos típicos.
Mediante Fluorescencia de Rayos x: se analizaron 5 muestras.
Las muestras se tomaron fundamentalmente en la matriz
arcillosa de la Formación Vega Alta. La muestra Ase tomó en
un afloramientode la Formaciónen Placetas, Villa Clara. Las
muestras B y C pertenecen a los núcleos 35 y 36 del pozo Boca
de Jaruco 35. La muestra D y E se toman de cortes o muestras de
canal del pozo Boca de Jaruco 805. La muestra D, representa un
intervalo de naturaleza carbonatada arcillosa, mientras que al E
es de naturaleza arcillosa (Fig.1).
En el análisis de la Fluorescencia de Rayos X, se obtienen espectros
en cuyos gráficos, en el eje de las ordenadas, se reportan los
porcientos de las sustancias elementales presentes en las
muestras y en el eje de las abscisas, los valores correspondientes
a la dispersión de la energía propia a la espectrometría de
fluorescencia de rayos X.
Figura 1. Arcillas, muestra de canal del pozo Boca de Jaruco 35,
profundidad vertical 1240 m, 30x, muestra E.
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SELLO DE YACIMIENTOS PETROLEROS
Para el análisis de Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), se
seleccionan las muestras, C- núcleo 36, pozo Boca de Jaruco -35
y E- pozo Boca de Jaruco 805. Con la Microscopía electrónica
de Barrido en la actualidad se posibilita ir un paso más allá
del análisis de la sección delgada. El campo de observación se
amplía entre10 x: a 20,000 x. Con tales aumentos se indaga mejor
sobre la morfología de los minerales arcillosos y se examina la
distribución de los poros enellos.
El referido método de investigación se aplica con éxito en la
exploración petrolera y ayuda en la identificación de microfósiles
para determinar la edad y los paleoambientes. Así como
resuelve problemas vinculados con la evaluación de la calidad
de los reservorios a través de estudios diagenéticos. Resulta de
indiscutible importancia también en el estudio de minerales
arcillosos los cuales afectan la calidad de los reservorios.
La determinación de la calidad del sello exige reconocer las
especies arcillosas que lo componen. La aplicación de la citada
técnica permite la observación tridimensional de aspectos
texturales a elevados aumentos. El principio que caracteriza tal
método investigativo lo rige la comparación de las características
morfológicas de los minerales con su composición química
elemental determinada por la aplicación de la fluorescencia. Se
recomienda realizar conjuntamente siempre que sea necesario
la técnica de difracción de rayos x: lo cual permite con mayor
seguridad comprobar el diagnóstico.
RESULTADOS
En los espectros obtenidos a través de la aplicación de la
Fluorescencia de Rayos x: (FRX) se detecta la presencia de
Figura 2. Muestras A, B y, C, rocas de composición silicatada alumínica, de
naturaleza arcillosa.
silício (Si) como componente mayoritario que se adjudica a
las fases silicatadas. En orden decreciente se relacionan los
cationes de aluminio (Al), calcio (Ca), magnesio (Mg), sodio
(Na), potasio (K) e hierro (Fe). Los espectros corresponden a
las muestras de naturaleza arcillosa, la composición química
evidencia el carácter silicatadoalumínico donde los elementos
mayoritarios son: silíceo, aluminio, calcio y magnesio (figura.
2).Los contenidos de calcio justifican el carácter carbonatado de
los sedimentos arcillosos, aspecto que se manifiesta en mayor
o menor medida en tales rocas. Los elementos que se observan
en menor proporción son hierro, potasio, azufre, se consideran
no constituyentes en dichas arcillas y si contaminantes que se
vinculan frecuentemente con las rocas adyacentes.
El caso particular del azufre se asocia con hierro (pirita).Se
constata con los análisis realizados las semejanzas que existen
en la composición química tanto de las muestras de pozos
como las de superficie aspecto que permite correlacionar estos
sedimentos.
Se muestra un espectro patrón perteneciente a la variedad de
arcilla illita-smectita,obsérvese la similitud del espectro con los
obtenidos de las muestras analizadas (Fig. 3).
Se presentan los espectros de las muestras D y E (Fig. 4). La
muestra D, se sometió a varios análisis para caracterizar su
naturaleza, la cual respondió a cantidades variables de carbono
y silício, obteniéndose dos espectros D-1 y D-2. Las muestras D se
vincula a rocas de naturaleza carbonatada arcillosa. Se evidencia
en el espectro D-1 el predominio de loscomponentes calcio y
carbono y en el D-2 el predominio del silício. Esto caracteriza
la composición de dichas rocas, las cuales constituyen rocas
notablemente carbonatadas, algo arcillosas. La abundante
presencia de restos fósiles de radiolarios donde su masa
esquelética se compone principalmente de sílice, evidencia el
alto contenido de silicio en algunos sectores de las muestras. La
muestra E, evidencia en su composición su naturaleza arcillosa,
similar a las muestras A,B Y C.
Figura 3- Espectro de FRX de Illita –Smectita (E., Welton, J.1984).
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C. Morales Echevarría et al.
Figura 5. Micrografías-Illita-Smectita, muestra B
Figura. 4. Espectros de las muestras, D y E
Análisis de Microscopía Electrónica de Barrido
(SEM)
Las micrografías obtenidas de las muestrasB y E, con la
aplicación de esta técnica se obtuvieron con ampliación de 100
μm, (Figs. 5 y 6). Estas se comparan con micrografías patrones
para estas rocas, las cuales aparecen en “Petrology Atlas”, Wilson
1984, página 88 (Fig. 7). En el atlas de referencia se muestra la
micrografía perteneciente a arcillas del tipo illita-smectita. Se
evidencia la gran semejanza percibida entre las morfologías
caracterizadas por texturas que simulan vértebras o costillas. Tal
textura es típica de las citadas arcillas (Figs. 5 y 6). La micrografía
presentada en el atlas de referencia se ofrece en varias escalas
donde se aprecian con aumentos del orden de 2000 x: y 10 000
X, las capas de arcillas mezcladas (Figs. 8 y 9).
Figura 6. Micrografías-Illita-Smectita, muestra E-1240
DISCUSIÓN
Las rocas arcillosas presentes en la Formación Vega Alta
consLas rocas arcillosas presentes en la Formación Vega Alta
constituyen el objeto principal de esta investigación, estas
rocas se comportan como matrizaglutinando otros fragmentos
de rocas de composición variada. Generalmente la base de la
formación, sector más próximo a los reservorios presenta mayor
concentración de rocas arcillosas en ocasiones intercaladas con
silicitas y rocas de composición carbonatada arcillosa. Dada
su posición y características mineralógicas de estas rocas se
consideran la unidad sellante de la formación (Morales, 2008).
También se puedenobservar importantes volúmenes de arcillas,
actuando como matrizde los intervalos olistostrómicos. Los
intervalos donde este porciento de matriz se manifiesta de
forma elevada, también se pueden catalogar como intervalos
sellantes.
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Figura 7. Micrografía patrón, Illita-Smectita, según
Petrology Atlas, (Welton, 1984)
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SELLO DE YACIMIENTOS PETROLEROS
elevados pesos moleculares. Dada estas características se afirma
que las rocas arcillosas estudiadas constituyen barreras ante
estos petróleos de naturaleza pesada.
Figuras 8 y 9. Micrografías patrón,Illita-Smectitasegún Petrology Atlas,
escala 2000 x: y 10 000 x: (Welton, 1984)
En los análisis realizados se determinó la composición química
cualitativa y cuantitativa de las rocas en estudio, lo que permite
caracterizar la composición físico estructural de las arcillas en las
que determinó la fase fundamental, arcilla interestratificada del
tipo montmorillonita –illita. Las arcillas difieren en su mineralogía
aunque, por supuesto, difieren en otras propiedades, tamaño
de grano, capacidadde intercambio catiónico, plasticidad,
permeabilidad, compactibilidad, volúmenes en seco y en estado
húmedo, etc.
El tamaño del grano es la característica física más importante. El
orden de tamaño de las partículas arcillosas varía desde 0.004
mm hasta dimensiones coloidales, teniendo muchas especies
arcillosas un diámetro inferior a 0.0002 mm. La determinación
exacta del tamaño de grano en las arcillas, es compleja a causa
de la tendencia de éstas a agruparse o flocular.
El parámetro más importante a considerar para caracterizar la
calidad del sello en las arcillas estudiadas es la permeabilidad.
Las arcillas manifiestan baja permeabilidadlas aperturas
intergranulares son demasiado pequeñas para permitir una
circulación rápida (Morales 2008). En el caso que compete
corresponde a la montmorillonita, la que presenta un tamaño
de grano inferior en comparación con otros grupos de arcillas. El
orden de colocación que generalmente decrece con el tamaño
del grano es: caolinita >illita>montmorillonita, por lo que
corresponde a esta última aperturas intergranulares pequeñas
lo que las hace impermeables (Suárez, 2008).
En la práctica los sellos más efectivos lo constituyen las rocas
evaporíticas, los sedimentos clásticos de grano fino y las rocas
ricas en materia orgánica (Downey, 2002). El carácter sellante de
este grupo de arcillas se basa fundamentalmente en algunas de
sus propiedades características como son: su elevada superficie
específica, gran capacidad de hinchamiento, buena plasticidad
y lubricidad, alta impermeabilidad, baja compresibilidad. Los
petróleos con los cuales interaccionan tales rocas, se caracterizan
por que en su composición aparecen macro moléculas que
contienen nitrógeno y azufre. Son petróleos que por lo regular
estuvieron sometidos a procesos biodegradantes y separación
gravitacional. Desde el punto de vista químico posen elevado
contenido de asfalteno, sustancias resinosas y elevada tendencia
a la formación de coque lo que caracteriza a petróleos con
Otro parámetro importante a considerar es el área superficial
que se define como: el área de la superficie externa más la
perteneciente a la interna (caso de que exista) de las partículas
constituyentes, por unidad de masa, expresada en m2/g. El hecho
de que las arcillas posean una elevada superficie específica hace
que exista una mayor interacción sólido-fluido,esa interacción
propicia mayores cualidades sellantes al quedar retenido y
sin circulación parte de los fluidos interactuantes. Las arcillas
del tipo de la montmorillonita presentan altos valores de área
superficial entre 80-300 m2/g.Otras propiedades vinculadas
a su morfología laminar, tales como plasticidad, hidratación y
absorción hacen de las arcillas sustancias altamente reactivas lo
que de una forma u otra influye en sus potencialidades sellantes.
CONCLUSIONES
-Las técnicas experimentales permitieron determinar la
composición química de las rocas además se indicaron las
características morfológicas de los minerales presentes, lo que
evidencia la importancia de aplicación de las mismas en las
investigaciones de las rocas arcillosas.
-Los análisis determinaron que la fase fundamental es una
arcilla interestratificada del tipo montmorillonita –illita. La
montmorillonita presenta un tamaño de grano inferior al resto
de las arcillas, por lo que infiere en aperturas intergranulares
pequeñas, es lo que las hace impermeables. Dichas arcillas se
caracterizan también por una elevada superficie específica,
lo cual provoca que exista una interacción superior sólidofluido. Lo que propicia mayores cualidades sellantes al quedar
retenido y sin circulación parte de los fluidos interactuantes.
-La presencia del tipo de arcillas antes mencionado identifica la
capacidad sellantes de tales rocas ante petróleos de naturaleza
pesada y permite evaluar el sello regional de la franja norte de
crudos pesados como un sello de buena calidad.
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