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

acumulados en un alto estructural producto del

fallamiento de la roca.

Trampa por Pliegue Anticlinal: Las presiones impulsan los hidrocarburos hacia una formación anticlinal, donde quedan atrapados.

Trampas Estratigráficas: Son aquellas originadas por cambios laterales y verticales en la porosidad de la roca. Se forman generalmente cuando a desaparecido la continuidad de una roca porosa.

Trampas Mixtas: Son aquellas originadas por una combinación de pliegues y/o fallas con cambios de porosidad de las rocas.

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.

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

superficie.

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.

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).