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Guillermo Miró-Pagés Ciudad Universitaria “José Antonio Echeverría”, Marianao, La Habana, Cuba E-mail:gmiro@civil.cujae.edu.cu
Papel actual del método sísmico en la exploración de los hidrocarburos gaseosos
Guillermo Miró-Pagés
Ciudad Universitaria “José Antonio Echeverría”, Marianao, La Habana, Cuba E-mail:gmiro@civil.cujae.edu.cu
Recibido: julio 28, 2011 Aceptado: enero 23, 2012
RESUMEN
El presente artículo surge como resultado del trabajo de actualización de los contenidos de los programas de las asignaturas impartidas por el Departamento de Geociencias de la CUJAE, que está siendo realizado por el claustro de dicha institución, mostrándose el ejemplo específico de la asignatura “Prospección sísmica”. En lo concerniente a la misma, se concluyó entre otros aspectos, que su programa de estudios deberá priorizar la atención al tema de la búsqueda directa de hidrocarburos y en particular a la detección de gas, dadas las posibilidades actuales de este método para solucionar esta tarea sobre todo en áreas marinas, la trascendencia de este recurso energético y la jerarquía que tendrán las prospecciones en nuestra Zona Económica Exclusiva del Golfo de Méjico. Se exponen los principales resultados del trabajo referido, así como una muestra del estado del arte sobre la exploración sísmica de los hidrocarburos gaseosos a escala internacional.
Palabras clave: Anomalías, gas, geofísica, sísmica
Current state of the seismic method in the exploration of gassy hydrocarbons
ABSTRACT
The present article arises as a result of the work of bring up to date of the programs of study of subjects imparted by the Department of Geosciences of the CUJAE that is being carried out by the staff of this institution, being shown the example of the subject “Seismic prospecting." In the concerning to the same one, we have concluded among other aspects that this program will prioritize the attention to the topic of the direct search of hydrocarbons and in particular to the detection of gas, given the current possibilities of this method to solve this task mainly in marine areas, the transcendency of this energy resource and the hierarchy that will have the prospectings in our Economic Exclusive Zone of the Gulf of Mexico. In this publication the main results of the referred work are exposed, as well as a synthesis state of the art about the seismic exploration of the gassy hydrocarbons to international scale.
Key words: Anomalies, gas, geophysics, seismic
1. Introducción
Este trabajo surge como resultado de una revisión bibliográfica sobre las nuevas posibilidades del método sísmico, realizada con el objetivode definir y/o actualizar los contenidos de los programas de estudio de esta asignatura para el pregrado y el postgrado de Ingeniería Geofísica respectivamente.
Tradicionalmente este método ocupa el liderazgo en el campo de la geofísica aplicada, por la información que proporciona en la exploración de hidrocarburos. Últimamente, debido al aparente agotamiento progresivo que están experimentando las reservas mundiales de petróleo, se están explorando profundidades cada vez mayores en
condiciones de aguas profundas, áreas selváticas, desérticas, de congelación perpetua y otros ambientes considerados hasta hace unos años como inaccesibles.
Debido a lo anterior, el método sísmico experimenta un inusitado desarrollo tecnológico lo que obliga a realizar una constante actualización de los programas universitarios de esta asignatura, que es impartida en el marco de la enseñanza de pregrado y postgrado de las geociencias a escala internacional.
Desde su surgimiento, el método sísmico de prospección concentró su atención en la búsqueda de petróleo;
actualmente, junto a esta misión, la sísmica presta también una importante prioridad a la prospección de gas, la que adquiere creciente relevancia en el presente, cuando los yacimientos petroleros parecen comenzar a declinar en muchas regiones del mundo. Actualmente son publicados numerosos artículos que destacan la importancia perspectiva de esta fuente energética (Echevarría G., 2006).
Por ejemplo en (The Wall Street Journal, 2009) se expone textualmente: “Como combustible de reserva, el gas natural es también totalmente compatible con el desarrollo rápido de las energías eólica y solar, gracias a su flexibilidad y a su capacidad para ser combustible de reserva, a fin de cubrir las necesidades de generación en períodos de poca actividad eólica o solar. Es decir, un socio natural de las energías eólica y solar. Fuentes como la energía eólica y la solar son intermitentes. Cuando el viento no sopla y el sol no brilla, algo tiene que cubrir el faltante, y ese algo puede ser la generación eléctrica con gas natural”.
Para valorar las posibilidades existentes de detectar los gases naturales acumulados en el subsuelo, es menester referirnos inicialmente en forma breve a la naturaleza de éstos.
Por lo visto, no existe una explicación única acerca de cómo se forman los gases naturales. La mayoría de los yacimientos de hidrocarburos han sido descubiertos en cuencas sedimentarias y su génesis ha estado asociada a la deposición y posterior transformación a altas temperaturas de materia orgánica, lo que ha dado lugar a la formación de aquellos. Sin embargo según se reporta, éstos también pueden formarse a partir de otros procesos de transformación anaerobia de materia orgánica por diversas bacterias, a temperaturas relativamente bajas (gas biogénico) y a partir de compuestos de carbón sometidos a altas presiones y temperaturas. (Shurr G., et al., 2002).
Actualmente en la literatura técnica especializada se diferencia al gas convencional del que no lo es; este último se asocia con los gases naturales que se encuentran contenidos en formaciones rocosas “de difícil producción”, es decir que requieren técnicas de estimulación y/o producción especiales para extraer el recurso. El gas natural proveniente del carbón, junto a las arenas compactas, los gases de esquistos y los hidratos de gas, son todos ejemplos de gases no convencionales (CSUG, 2011).
El trabajo “Sistemas petroleros no convencionales” (Law B.E., et. al., 2002) constituye una excelente compilación de artículos dedicados a este tema.
En todo caso, es un hecho reconocido, que la mayoría de las cuencas petroleras en todo el mundo, localizadas tanto en áreas terrestres como marinas, se “expresan” mediante emanaciones gaseosas que llegan a la superficie o través de distintos tipos de anomalías sísmicas, lo que confiere a la identificación e interpretación de éstas una gran importancia para la exploración.
2. Desarrollo
2.1 Los hidrocarburos gaseosos y sus indicadores sísmicos
Con el objetivo de definir y/o actualizar los contenidos de los programas de estudio del método sísmico para el pregrado y el postgrado de Ingeniería Geofísica se realizó una amplia revisión bibliográfica.
Inicialmente nos referiremos brevemente a los principales tipos de hidrocarburos gaseosos y a continuación, a las posibilidades modernas del método sísmico para la prospección de éstos, que son reportadas en la literatura internacional.
2.1.1 Hidrocarburos gaseosos Gas biogénico
Hoy en día se estima que el gas biogénico representa el 20% o más de todo el gas confinado en el subsuelo terrestre.
Los sistemas someros de gas biogénico, por lo visto, constituyen un recurso inapreciable actualmente, en la medida que las demandas de gas natural aumentan. Los pozos que cortan acumulaciones biogénicas de gas, tienen muchas veces bajas tasas de aprovechamiento, lo que resulta poco estimulante; sin embargo, no es menos cierto que la poca profundidad requerida para éstos, abarata considerablemente este tipo de exploración. Consecuentemente, los sistemas someros de gas biogénico, pueden resultar ideales para operadores domésticos “pequeños” y para contribuir al desarrollo de países emergentes.
En contraste con los sistemas gasíferos profundos asociados a los centros de las cuencas, los sistemas someros de gas biogénico vinculados generalmente a los bordes de éstas, han sido relativamente poco investigados.
Según se ha establecido (Shurr G et al., 2002), los sistemas de gas natural se asocian a diferentes niveles de profundidad:
¨ El nivel más profundo, corresponde con la denominada “cocina”, que es el sector donde los gases termogénicos son generados.
¨ El nivel más somero, es donde los gases biogénicos son generados por “colonias bacterianas” anaerobias a partir de materia orgánica.
¨ El nivel intermedio, presenta gases que migran hacia arriba desde las profundidades procedentes de las cocinas termogénicas y/o gases biogénicos que han descendido gradualmente.
Las acumulaciones someras de gas biogénico, se observan en reservorios análogos a los que acumulan gas termogénico en la misma cuenca. Por ejemplo en la cuenca de Alberta, rocas clásticas colectoras de baja permeabilidad acumulan gas biogénico en el margen sureste mientras que las mismas rocas son ricas en gas termogénico en el centro profundo de la cuenca (Masters J., 1984).
Los gases biogénicos no están vinculados a los procesos de formación de petróleo. Como resultado, si se concluye que una manifestación de gas es de origen bacterial, la misma no nos informará nada sobre la posibilidad de existencia de un sistema petrolero profundo en la región dada.
Actualmente se considera, que si bien las acumulaciones convencionales de gas se manifiestan generalmente asociadas a distintas trampas estructurales o estratigráficas, las no convencionales pueden aparecer independientes de tales tipos de trampas (Law B. E., et al., 2002).
Entre las acumulaciones no convencionales de gas deben resaltarse a los hidratos, que son sustancias similares al hielo que se forman cuando los gases se combinan con agua a baja temperatura y alta presión; actualmente se considera que los hidratos de gas son la fuente más grande del mundo de combustibles sin explotar aun (CSUG, 2011).
Algunos autores estiman que el costo de las campañas de sísmica 3D en tierra firme es demasiado elevado para abordar la exploración de profundidades someras a fin de hallar gas biogénico (Shurr G., et al., 2002), por lo que se considera mas apropiado para este fin, la realización de pozos someros o el aprovechamiento de los que son perforados con fines hidráulicos.
Gas termogénico
Aparentemente existen controversias acerca de la génesis del “gas profundo”; algunos especialistas consideran que la mayor parte del metano existente en los subsuelos del mundo, es de origen inorgánico y que existen vastas reservas de él, aun no descubiertas, a profundidades mayores de 5000 m.
Por su parte (Floodgage, et. al., 1992) como la mayoría de los investigadores que estudian este tema, sustentan el origen orgánico del metano y refieren que los gases naturales pueden ser hallados a todas las profundidades pero que la mayor parte de ellos se forman principalmente en rocas sometidas a altas presiones y temperaturas durante un prolongado período de tiempo; en su artículo, estos investigadores sostienen que los dos tipos de metano que son formados a partir de la materia orgánica son el biogénico, derivado de la actividad bacteriana en sedimentos someros y el termogénico que se origina a mayores profundidades y temperaturas dentro de rocas sedimentarias (transformación térmica).
2.2 Indicadores sísmicos de la existencia de gases en el subsuelo
En relación al desarrollo alcanzado por el método sísmico, su enseñanza universitaria actual (Sandoval J., 2010;
Rocha R., 2008; Rodríguez A., 2005; Arellano J., 2009; Braile L., 2009 ) prioriza el estudio de las técnicas de recubrimiento múltiple, del registro multicomponente y el procesamiento digital de la información procedente de miles de canales tanto en tierra como en el mar, de la sísmica 3D y 4D, de la sismoestratigrafía, del procesamiento e interpretación en las estaciones de trabajo, del pronóstico de las zonas de altas presiones en los cortes y de las técnicas de búsqueda directa de hidrocarburos las que constituyen uno de los logros mas relevantes del método en los últimos años y sobre las que concentraremos nuestra atención mas adelante en este propio artículo.
En los últimos años han sido detectados numerosos yacimientos de hidrocarburos en diferentes regiones del mundo gracias a la manifestación de distintos tipos de anomalías de gas; por ejemplo, según ha sido estimado, mas del 75% de todas las cuencas petrolíferas del mundo presentan en su superficie manifestaciones de este tipo.
La identificación de las emanaciones gaseosas se lleva a cabo con distintas técnicas entre las que predominan las de teledetección, en particular el RADARSAT en el mar, y las de exploración sísmica a las que nos referiremos especialmente a continuación.
El objetivo principal del método sísmico ha sido desde su surgimiento, ubicar en el subsuelo la presencia de
como muestra la experiencia, muchas veces se hallan estrechamente relacionadas con importantes horizontes geológicos.
En diferentes fuentes bibliográficas básicas concernientes al método sísmico (Sheriff R. et. al, 1995; Dobrin M.
et. al., 1988; Gurvich I. et. al., 1980) se han expuesto importantes consideraciones respecto al comportamiento de las velocidades y de las fronteras sísmicas asociadas principalmente a las variaciones de éstas.
Es conocido que el parámetro que determina la amplitud de la señal sísmica reflejada, es el Coeficiente de Reflexión (K), que viene dado, para el caso del rayo que incida según la normal a la frontera, por el contraste de las Impedancia Acústicas (g ) de las capas separadas por la discontinuidad en cuestión, según la expresión (1):
K = (g 2 -g 1) / (g 2 +g 1) = Ar / Ai (1)
Dondeg =V.r;V : Velocidad sísmica en la capa, r: Densidad de la capa, Ar: Amplitud de la onda reflejada, A
i: Amplitud de la onda incidente. Sin embargo como muestra la experiencia, generalmente las variaciones de r son muy pequeñas en comparación con las de V por lo que con frecuencia, se considera que es la variación de este último parámetro la que determina la respuesta de reflexión.
Durante muchos años, la mayoría de los investigadores dedicados a la prospección sísmica, consideraron que las variaciones de velocidades asociadas a los cambios de litología entre capas que yacían consecutivamente, eran la causa de la formación de las reflexiones sísmicas dentro de los medios geológicos; hoy en día sin embargo, también se reconoce el importante papel que juegan otros factores en la formación de éstas.
Históricamente la sísmica concentró su atención, en la detección indirecta de eventuales acumulaciones de hidrocarburos vinculadas principalmente con altos estructurales; actualmente el desarrollo tecnológico alcanzado por el método permite a éste detectar directamente los hidrocarburos en el subsuelo (Brown A., 2004; Per A. et. al., 2005;
Beicip F., 2007; Hinds R., et. al., 2011; Gadallah M., et., al., 2009; Veeken P., 2007) en base a las posibilidades que existen hoy en día de registrar reflexiones sutiles procedentes de fronteras asociadas a variaciones de velocidades vinculadas a cambios de los tipos de fluidos confinados en los espacios porales de las rocas sedimentarias.
Actualmente es conocido que las fronteras que separan arcillas de arenas subyacentes saturadas con gas, con frecuencia provocan una fuerte reflexión con polaridad negativa cuya detección constituye el objetivo del Método del Punto Brillante (identificado en idioma ingles como Bright Spot) y que el contacto horizontal gas-agua salada o gas- petróleo inmerso en un paquete de rocas terrígenas como las areniscas, a veces se expresa en las secciones sísmicas de ondas P como una frontera reflectora aproximadamente plana (Ver Fig. 1), detectable hoy en día mediante el llamado Método del Punto Plano (identificado en idioma ingles como Flat Spot).
También ha sido confirmada, la efectividad de la técnica sísmica A.V.O. (Amplitud Versus Offset), la que permite detectar capas saturadas de gas, en base al análisis de las variaciones de las amplitudes de las reflexiones sísmicas asociadas a los cambios del coeficiente de Poisson (s) a lo largo de las fronteras investigadas (Castagna J. et. al., 1994).
Las anomalías sísmicas mencionadas, han sido registradas en numerosas áreas de todo el mundo, asociadas a distintas profundidades y referidas tanto a gases termogénicos (a mayores profundidades) como a biogénicos (a profundidades mas someras). Según se ha considerado, “cuando los Flat spots son identificables, resultan el indicador mas definitivo e informativo sobre la existencia de hidrocarburos en el subsuelo” (Sheriff R. et. al.., 1995);
en relación a los Bright spots sin embargo, se estima que muchos de ellos expresan concentraciones de gas sin valor comercial u otras circunstancias geológicas. Los efectos de estas anomalías, han sido observados principalmente en cuencas de rocas clásticas del Terciario fundamentalmente en áreas marinas, lo que se atribuye a que generalmente los datos sísmicos marinos tienen mejor calidad que los terrestres.
Fig. 1: Imagen sísmica de un Bright spot y de un Flat spot presumiblemente provocado por un reservorio de gas en el Golfo de Méjico
En muchos artículos sobre sísmica marina, se hace referencia a la frontera de velocidades asociada a los hidratos de gas (Paull, et. al., 2001; Sassan R, 1997), la que se expresa mediante un horizonte que “simula” la geometría del fondo ubicado por debajo de éste (Ver Fig. 2) y que subyace a un tramo mudo (“blanqueado”) de reflexiones; este horizonte (Thakur N. K., 2010) es identificado con las siglas BSR (Bottom Simulating Reflector).
Tal horizonte sísmico, se considera asociado a la base de la zona de los hidratos de gas localizada bajo el fondo del mar; este tipo de frontera se observa en varios sectores del Golfo de Méjico y en muchas otras áreas marinas y polares del mundo. Actualmente se considera que estos gases podrían representar una importantísima fuente de energía para la humanidad en el futuro.
Hace unos años (Riaza C. et al., 2003), identificaron relaciones entre vúgulos y montículos yacentes en los fondos marinos al norte de La Habana con facies sísmicas profundas, lo que según estos investigadores, sugiere la existencia de chimeneas de gas y episodios de destrucción y formación de hidratos de gas.
Fig. 2: La zona “blanqueada” observada en este perfil sísmico adquirido en un área del norte del océano Atlántico sugiere la existencia de hidratos de gas en ese intervalo
En la figura 3 se aprecian algunas de las áreas a las que se les atribuye mayor interés actualmente para la exploración gasífera en Cuba (Otero Marrero R. et. al., 2007).
En algunas líneas sísmicas adquiridas en Cuba, han sido observadas diversas anomalías análogas a las anteriormente referidas. En la Cuenca del Cauto, situada en el extremo oriental de Cuba, por ejemplo, fue identificada, asociada a la cúpula del pliegue anticlinal “Caoba”, una anomalía (ver Fig. 4) bastante similar a un “Flat spot” (Miro G., 1993) y al norte de la propia región oriental, también han sido identificadas aparentes “Chimeneas de gas” (Sosa C., 2000).
Fig. 3: Áreas con interés potencial para la exploración de gas en Cuba
Es de suponer que el procesamiento especializado de las líneas sísmicas que están siendo obtenidas en los últimos años en tierra y sobre todo en el mar, donde la relación señal / ruido es mas elevada, pudiera permitir, donde existan las premisas geológicas requeridas para ello, la localización de diversas anomalías vinculadas a la presencia directa de gases y en general de hidrocarburos.
La detección de sedimentos someros cargados de gas se realiza a menudo también mediante métodos sísmicos de alta resolución. Los perfiles de reflexión sísmica detectan las zonas cargadas de gas como áreas difusas de reflexiones incoherentes. El gas presente en los sedimentos, dispersa o atenúa la energía acústica limitando su penetración; este efecto es denominado en ocasiones “apantallamiento acústico” (Hovland et. al., 1988).
Fig. 4: Anomalía sísmica de tipo “Flat spot” identificada en la Cuenca del Cauto
En la figura 5 aparece el ejemplo de una anomalía acústica atribuida a emanaciones gaseosas observada en la Bahía de Cárdenas al norte de Cuba (Alfonso et. al., 1999). Esta anomalía inicialmente fue interpretada como un ruido no definido en el registro, pero posteriormente durante el procesamiento de los datos, se concluyó que estos supuestos ruidos constituían en realidad emanaciones gaseosas posiblemente asociadas a zonas de debilidad tectónica existentes en el corte geológico de la región, constituyendo un indicio para la búsqueda de yacimientos gasopetrolíferos en la misma.
Fig. 5. Ejemplo de columna acústica ubicada hacia el centro de la imagen detectada mediante sísmica de alta resolución en la Bahía de Cárdenas
Conclusiones
1. Los programas de estudio de la asignatura “Prospección sísmica” correspondientes tanto al postgrado como al pregrado de Ingeniería Geofísica, deberán abordar las posibilidades de este método geofísico para la detección de yacimientos de gas, atendiendo sobre todo a la jerarquía que tienen y tendrán las prospecciones en nuestra Zona Económica Exclusiva del Golfo de Méjico.
2. En Cuba se han observado diferentes anomalías sísmicas presumiblemente asociadas a la existencia de gas tanto en tierra firme como en el mar, sin emplear ninguna estrategia dirigida a revelar las mismas, por lo que puede suponerse que procesando especialmente los cortes sísmicos que tengan la calidad requerida para ello en las zonas en que existan premisas geológicas favorables para la existencia de estas acumulaciones, puedan ser ubicados posibles yacimientos gasíferos de significación económica en el futuro para la Nación.
Referencias
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