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Petrofísica

La petrofísica (del griego πέτρα, petra , "roca" y φύσις, physis , "naturaleza") es el estudio de las propiedades físicas y químicas de las rocas y sus interacciones con los flu...

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La petrofísica (del griego πέτρα, petra , "roca" y φύσις, physis , "naturaleza") es el estudio de las propiedades físicas y químicas de las rocas y sus interacciones con los fluidos . [ 1 ]

Una aplicación importante de la petrofísica es el estudio de yacimientos para la industria de hidrocarburos . Los petrofísicos trabajan junto con ingenieros de yacimientos y geocientíficos para comprender las propiedades de los medios porosos del yacimiento. En particular, cómo se interconectan los poros en el subsuelo, controlando la acumulación y migración de hidrocarburos . [ 1 ] Algunas propiedades petrofísicas fundamentales que se determinan son la litología , la porosidad , la saturación de agua , la permeabilidad y la presión capilar . [ 1 ]

El flujo de trabajo de los petrofísicos mide y evalúa estas propiedades petrofísicas mediante la interpretación de registros de pozos (es decir, condiciones del yacimiento in situ) y el análisis de núcleos en el laboratorio. Durante la perforación del pozo , se utilizan diferentes herramientas de registro para medir las propiedades petrofísicas y mineralógicas mediante tecnologías de radiactividad y sísmicas en el pozo. [ 2 ] Además, se toman muestras de núcleos del pozo como muestras de pared lateral o muestras de núcleo completo. Estos estudios se combinan con estudios geológicos, geofísicos y de ingeniería de yacimientos para modelar el yacimiento y determinar su viabilidad económica.

Si bien la mayoría de los petrofísicos trabajan en la industria de los hidrocarburos, algunos también lo hacen en las industrias de la minería , los recursos hídricos , la energía geotérmica y la captura y almacenamiento de carbono . La petrofísica forma parte de las geociencias , y sus estudios son utilizados por la ingeniería petrolera , la geología , la geoquímica , la geofísica de exploración y otras disciplinas. [ 3 ]

Propiedades petrofísicas fundamentales

Las siguientes son las propiedades petrofísicas fundamentales que se utilizan para caracterizar un yacimiento:

  • Litología : Descripción de las características físicas de la roca, como el tamaño del grano , la composición y la textura . [ 4 ] Al estudiar la litología de afloramientos geológicos localesy muestras de núcleos , los geocientíficos pueden utilizar una combinación de mediciones de registros, como rayos gamma naturales , neutrones , densidad y resistividad , [ 2 ] para determinar la litología en el fondo del pozo.
  • Porosidad : La porción del volumen del espacio poroso relacionada con el volumen total de la roca, simbolizada comoϕ{\displaystyle \phi }[ 5 ] Normalmente se calcula utilizando datos de un instrumento que mide la reacción de la roca al bombardeo de neutrones o rayos gamma , pero también puede derivarse de registros sónicos y de RMN . [ 2 ] Un porosímetro de helio es la técnica principal para medir el volumen de grano y la porosidad en el laboratorio. [ 6 ]
  • Saturación de agua : La fracción del espacio poroso ocupada por agua. [ 7 ] Normalmente se calcula utilizando datos de un instrumento que mide la resistividad de la roca y aplicando modelos de saturación de agua empíricos o teóricos; el más utilizado a nivel mundial es el modelo de Archie (1942). [ 8 ] Se conoce con el símboloSw{\displaystyle S_{w}}.
  • Permeabilidad : Cantidad de fluido (agua o hidrocarburo) que puede fluir a través de una roca en función del tiempo y la presión, relacionada con la interconexión de los poros, y se conoce con el símbolok{\displaystyle k}[ 1 ] Las pruebas de formación son la única herramienta que puede medir directamente la permeabilidad de una formación rocosa en un pozo. [ 9 ] En caso de su ausencia, que es común en la mayoría de los casos, se puede obtener una estimación de la permeabilidad a partir de relaciones empíricas con otras mediciones como la porosidad , la RMN y el registro sónico. La ley de Darcy [ 10 ] se aplica en el laboratorio para medir la permeabilidad del núcleo con un gas o líquido inerte (es decir, que no reacciona con la roca). [ 6 ]
  • Espesor de la formación (h) de roca con suficiente permeabilidad para suministrar fluidos a un pozo; esta propiedad se suele denominar " roca reservorio neta ". En la industria del petróleo y el gas, se calcula otra magnitud, la " capa productiva neta ", que es el espesor de roca que puede suministrar hidrocarburos al pozo a un ritmo rentable. [ 11 ]

Propiedades mecánicas de las rocas

Las propiedades mecánicas o geomecánicas de la roca también se utilizan en petrofísica para determinar la resistencia del yacimiento , las propiedades elásticas , la dureza , el comportamiento ultrasónico , las características índice y las tensiones in situ . [ 6 ]

Los petrofísicos utilizan mediciones acústicas y de densidad de las rocas para calcular sus propiedades mecánicas y resistencia . Miden la velocidad de la onda de compresión (P) del sonido a través de la roca y la velocidad de la onda de corte (S) , y las utilizan junto con la densidad de la roca para calcular la resistencia a la compresión de la roca , que es la tensión de compresión que provoca la fractura de la roca, y la flexibilidad de las rocas , que es la relación entre la tensión y la deformación de una roca. [ 12 ] El análisis de ondas convertidas también determina la litología y la porosidad del subsuelo. [ 13 ]

Las mediciones geomecánicas son útiles para la evaluación de la perforabilidad, el diseño de estabilidad de pozos y pozos abiertos, las correlaciones de resistencia y tensión de registros, y la caracterización de la formación y su resistencia. [ 6 ] Estas mediciones también se utilizan para diseñar presas, carreteras, cimientos de edificios y muchos otros proyectos de construcción de gran envergadura. [ 14 ] Asimismo, pueden ayudar a interpretar las señales sísmicas de la Tierra, ya sean señales sísmicas artificiales o las de terremotos. [ 15 ]

Métodos de análisis petrofísico

Análisis central

Las muestras de núcleo son fragmentos de roca extraídos de una formación subterránea durante las operaciones de perforación, para estudiar en detalle las propiedades físicas y mecánicas de la formación. Proporcionan la única evidencia directa de la estructura de la roca de la formación del yacimiento. El análisis de núcleos es la información de referencia medida en un laboratorio para determinar las características petrofísicas clave de la roca in situ. En la industria petrolera, las muestras de roca se extraen del subsuelo y se analizan en los laboratorios de núcleos de las compañías petroleras o de servicios. Este proceso es laborioso y costoso; por lo tanto, solo se puede aplicar a algunos de los pozos perforados en un campo. Además, un diseño, planificación y supervisión adecuados reducen la redundancia y la incertidumbre de los datos. Los equipos del cliente y del laboratorio deben trabajar en conjunto para optimizar el proceso de análisis de núcleos. [ 6 ]

Registro de pozos

Figura 1

El registro geofísico de pozos es un método relativamente económico para obtener propiedades petrofísicas en el fondo del pozo. Las herramientas de medición se transportan al fondo del pozo mediante el método de cable o LWD . [ 2 ]

En la Figura 1 se muestra un ejemplo de registros geofísicos de cable. La primera "trayectoria" muestra el nivel de radiación gamma natural de la roca. El registro del nivel de radiación gamma muestra un aumento de la radiación hacia la derecha y una disminución hacia la izquierda. Las rocas que emiten menos radiación presentan un sombreado más amarillo. El detector es muy sensible y la cantidad de radiación es muy baja. En formaciones rocosas clásticas, las rocas con menor cantidad de radiación tienden a tener granos más gruesos y mayor espacio poroso, mientras que las rocas con mayor cantidad de radiación tienden a tener granos más finos y menor espacio poroso. [ 16 ]

La segunda pista del gráfico registra la profundidad por debajo del punto de referencia, generalmente el arbusto de Kelly o la mesa giratoria, en pies, por lo que estas formaciones rocosas se encuentran a 11.900 pies por debajo de la superficie terrestre.

En la tercera pista, se presenta la resistividad eléctrica de la roca. El agua en esta roca es salada. Los electrolitos que fluyen dentro del espacio poroso del agua conducen la electricidad, lo que resulta en una menor resistividad de la roca. Esto también indica una mayor saturación de agua y una menor saturación de hidrocarburos. [ 17 ]

La cuarta pista muestra la saturación de agua calculada, tanto el agua “total” (incluida el agua ligada a la roca) en magenta como el agua “efectiva” o agua que fluye libremente en negro. Ambas cantidades se expresan como una fracción del espacio poroso total.

La quinta pista muestra la fracción de la roca total que corresponde al espacio poroso lleno de fluidos (es decir, la porosidad). El espacio poroso se representa en verde, donde el petróleo se encuentra en azul, y el agua móvil en azul. La línea negra muestra la fracción del espacio poroso que contiene agua u petróleo que puede moverse o liberarse (es decir, la porosidad efectiva). La línea magenta indica la porosidad toral, que incluye el agua que está permanentemente unida a la roca.

La última pista representa la litología de la roca, dividida en arenisca y lutita. El patrón amarillo representa la fracción de la roca (excluyendo los fluidos) compuesta de arenisca de grano grueso. El patrón gris representa la fracción de la roca compuesta de grano fino, es decir, lutita. La arenisca es la parte de la roca que contiene los hidrocarburos y el agua que se pueden extraer.

Modelado

Los ingenieros de yacimientos construyen modelos de reservorios con software especializado, utilizando el conjunto de datos petrofísicos elaborado por el petrofísico para estimar la cantidad de hidrocarburos presentes en el reservorio, la tasa a la que se pueden extraer a la superficie terrestre mediante pozos y el flujo de fluidos en las rocas. [ 3 ] Modelos similares en la industria de recursos hídricos calculan cuánta agua se puede extraer a la superficie durante largos períodos sin agotar el acuífero . [ 18 ]

Modelo volumétrico de roca para formación de arena arcillosa

La arena arcillosa es un término que se refiere a una mezcla de lutita o arcilla y arenisca. Por lo tanto, una porción significativa de minerales arcillosos y partículas de limo da como resultado una arenisca de grano fino con mayor densidad y complejidad de la roca. [ 19 ]

El volumen de lutita/arcilla es un parámetro petrofísico esencial para estimar, ya que contribuye al volumen total de la roca, y para una correcta porosidad y saturación de agua, su evaluación debe definirse correctamente. Como se muestra en la Figura 2, para modelar formaciones rocosas clásticas, existen cuatro componentes cuyas definiciones son típicas para arenas arcillosas o lutíticas: la matriz rocosa (granos), la porción de arcilla que rodea los granos, el agua y los hidrocarburos. Estos dos fluidos se almacenan únicamente en el espacio poroso de la matriz rocosa.

Componentes de un modelo petrofísico de una roca reservorio humedecida por agua.

Debido a la compleja microestructura, para una roca hidrófila, los siguientes términos conforman una formación de yacimiento clástico:

V ma = volumen de los granos de la matriz.

V dcl = volumen de arcilla seca.

V cbw = volumen de agua ligada a la arcilla.

V cl = volumen de arcilla húmeda ( V dcl + V cbw ).

V cap = volumen de agua ligada capilarmente.

V fw = volumen de agua libre.

V hidr = volumen de hidrocarburo.

Φ T = Porosidad total (PHIT), que incluye los cuellos de poro conectados y no conectados.

Φ e = Porosidad efectiva que incluye solo los cuellos de poro interconectados.

V b = volumen aparente de la roca.

Ecuaciones clave:

V ma + V cl + V fw + V hid = 1

Volumen de la matriz rocosa + volumen de arcilla húmeda + volumen libre de agua + volumen de hidrocarburos = volumen total de la roca [ 20 ]

Sociedades académicas

La Sociedad de Petrofísicos y Analistas de Registros de Pozos (SPWLA) es una organización cuya misión es aumentar el conocimiento de las mejores prácticas en petrofísica, evaluación de formaciones y registro de pozos en la industria del petróleo y el gas y en la comunidad científica en general. [ 21 ]

Véase también

  • Ley de Archie : Relación entre la conductividad eléctrica de una roca y su porosidad. 
  • Evaluación de formaciones : evaluación de la producción de pozos perforados para la extracción de petróleo o gas. 
  • Relación de Gardner : ecuación que relaciona la velocidad de las ondas P sísmicas con la densidad aparente de la litología. 
  • Petrología – Estudio de las rocas en geología 

Referencias

  1. ^ Tiabb, D. y Donaldson, CE (2004 ) . Petrofísica . Oxford: Elsevier. pag. 1.ISBN​  0-7506-7711-2.
  2. 1 2 3 4 Serra, Oberto; Serra, Lorenzo (2004). Registro de pozos : adquisición de datos y aplicaciones . Méry Corbon, Francia. ISBN  978-1-62198-787-1OCLC 860900113​​ {{cite book}}: CS1 mantenimiento: falta el editor de ubicación ( enlace )
  3. 1 2 Chen, Andrew; Pagan, Ronald (1 de junio de 2013). "Descubre una carrera: Petrofísica" . The Way Ahead . 09 (2): 19– 21. doi : 10.2118/0213-019-twa . Recuperado el 14 de abril de 2023 .
  4. ↑ "Litología" . Glosario de terremotos . Servicio Geológico de los Estados Unidos . Consultado el 29 de octubre de 2010 .
  5. ↑ "Porosidad" . Glosario de yacimientos petrolíferos de Schlumberger . Consultado el 12 de octubre de 2018 .
  6. 1 2 3 4 5 Colin McPhee; Jules Reed; Izaskun Zubizarreta, eds. (2015). Análisis central : una guía de buenas prácticas . Ámsterdam, Países Bajos. ISBN  978-0-444-63657-7OCLC 932016705​​ {{cite book}}: CS1 mantenimiento: falta el editor de ubicación ( enlace )
  7. ↑ "Saturación de agua" . Glosario de campos petrolíferos de Schlumberger . Consultado el 12 de octubre de 2018 .
  8. ↑ Archie, GR (diciembre de 1942). "El registro de resistividad eléctrica como ayuda para determinar algunas características del yacimiento" . Transactions of the AIME . 01 : 54–62 . doi : 10.2118/942054-G .
  9. ↑ Erdle, James C. (septiembre de 1984). Prácticas actuales de pruebas de vástagos de perforación: diseño, realización e interpretación . Conferencia y exposición técnica anual de la SPE, 16-18 de septiembre de 1984, Houston, Texas. doi : 10.2118/13182-MS .
  10. ^ Darcy, H. (1856). Les fontaines publiques de la ville de Dijon . París: Dalton.
  11. ↑ Worthington, Paul F. (octubre de 2010). "Net Pay — ¿Qué es? ¿Qué hace? ¿Cómo lo cuantificamos? ¿Cómo lo utilizamos?". SPE Reservoir Evaluation & Engineering . 13 (5): 812– 822. doi : 10.2118/123561-pa . ISSN 1094-6470 . 
  12. ↑ Jaeger, JC; Cook, Neville GW; Zimmerman, Robert Wayne (2007). Fundamentos de mecánica de rocas (4.ª ed.). Malden, MA: Blackwell Pub. ISBN  978-1-4443-0891-4OCLC 430954955​​ 
  13. ↑ Chopra, Satinder; Castagna, John P. (2014). AVO . Sociedad de Geofísicos de Exploración. doi : 10.1190/1.9781560803201 . ISBN 978-1-56080-319-5.
  14. ↑ Chen, WF; Liew, JY Richard, eds. (2002). The Civil Engineering Handbook (2.ª ed.). Boca: CRC Press. doi : 10.1201/9781420041217 . hdl : 10216/134011 . ISBN  9781420041217.
  15. ↑ Atkinson, John (2007). Mecánica de suelos y cimentaciones (2.ª ed.). Londres: CRC Press. doi : 10.1201/9781315273549 . ISBN  9781315273549.
  16. ^ Poupon, A.; Clavier, C.; Dumanoir, J.; Gaymard, R.; Misk, A. (julio de 1970). "Análisis de registros de secuencias de areniscas y lutitas: un enfoque sistemático" . Revista de tecnología del petróleo . 22 (7): 867– 881. doi : 10.2118/2897-PA .
  17. ↑ Brown, GA (junio de 1986). Una comparación matemática de ecuaciones de saturación comunes . Vigésimo séptimo simposio anual de tala de SPWLA. 1986-T.
  18. ↑ Pérez-Martín, Miguel A.; Estrella, Teodoro; Andreu, Joaquín; Ferrer, Javier (1 de septiembre de 2014). «Modelización de recursos hídricos e interacción río-acuífero en la cuenca del río Júcar, España» . Gestión de Recursos Hídricos . 28 (12): 4337– 4358. doi : 10.1007/s11269-014-0755-3 . hdl : 10251/52278 . ISSN 1573-1650 . S2CID 154772994 .  
  19. ↑ "shaly" . glossary.slb.com . Consultado el 24 de mayo de 2023 .
  20. ↑ Hook, JR "Una introducción a la porosidad". Petrofísica . 44 (3): 205– 212 – vía OnePetro.
  21. ↑ "SPWLA" . www.spwla.org . Consultado el 29 de julio de 2023 .

Lecturas adicionales

  • Guéguen, Yves; Palciauskas, Victor (1994), Introducción a la física de las rocas , Princeton University Press, ISBN 978-0-691-03452-2
  • Mavko, Gary ; Mukerji, Tapan; Dvorkin, Jack (2003), The Rock Physics Handbook , Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-54344-6
  • Santamarina, J. Carlos; Klein, Katherine A.; Fam, Moheb A. (2001), Suelos y olas: Comportamiento, caracterización y monitorización de procesos de materiales particulados , John Wiley & Sons, Ltd., ISBN 978-0-471-49058-6
  • Tiab, Djebbar; Donaldson, Erle C. (2012). Petrofísica: Teoría y práctica de la medición de las propiedades de transporte de fluidos y rocas reservorio (3.ª  ed.). Oxford: Gulf Professional Pub. ISBN 978-0-12-383848-3.
  • Raquel, S.; Benítez, G.; Molina, L.; Pedroza, C. (2016). "Redes neuronales para definir la variación espacial de las propiedades de las rocas en medios escasamente instrumentados" (PDF) . Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana . vol.  553 . Consultado el 12 de octubre de 2018 .
  • Manual de petrofísica de Crain
  • Físicos de rocas
  • Sociedad de Petrofísicos y Analistas de Registros de Pozos (SPWLA)