En las formaciones geológicas donde se encuentran emplazados

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1 75 Boletín IIE, julio-septiembre del 2007 Importancia de las actividades de planificación, corte, manejo y análisis de los núcleos de perforación de pozos petroleros Enrique A. Contreras L. y Pablo García M. Se aborda la relevancia que tienen las actividades de corte, manejo y análisis de laboratorio, de los núcleos de perforación de pozos petroleros para la evaluación de las formaciones geológicas, en relación con la caracterización, la evaluación y el aprovechamiento de los yacimientos petroleros. Introducción La ejecución de una amplia variedad de actividades relacionadas con las etapas de exploración, localización, evaluación y desarrollo de los yacimientos petroleros, depende fuertemente de que se tenga un buen conocimiento de la magnitud y de la variabilidad espacial de estas propiedades. Tanto la factibilidad técnica como la económica de desarrollar un prospecto de yacimiento petrolero, dependen de que las rocas que intervienen exhiban una combinación adecuada de sus propiedades, para así constituir una estructura geológica confinante y almacenadora de hidrocarburos, que sea factible de desarrollarse técnicamente, a la vez que tenga el potencial de redituar un beneficio económico. En este contexto, desde la plataforma de experiencia que se tiene sobre el tema en el Laboratorio de Yacimientos del IIE, en el presente artículo se aborda la relevancia que tienen las actividades de corte, manejo y análisis de laboratorio de los núcleos de perforación de pozos petroleros, para la evaluación de las formaciones geológicas, en relación con la caracterización, la evaluación y el aprovechamiento de los yacimientos petroleros. En las formaciones geológicas donde se encuentran emplazados los yacimientos petroleros, diversos tipos de rocas desempeñan funciones como elementos estructurales, recipientes de almacenamiento de hidrocarburos, agua y energía calorífica, así como barreras impermeables y medios de transporte de la energía y de los fluidos. Entre las propiedades más importantes que se utilizan para describir estas funciones se encuentran la porosidad, la permeabilidad, la compresibilidad del volumen de poros, el factor de resistividad de la formación, el exponente de saturación, la velocidad de las ondas acústicas P y S, las permeabilidades relativas, las presiones capilares, las constantes elásticas y otras propiedades mecánicas, el coeficiente de dilatación térmica, la conductividad térmica, la difusividad térmica y el calor específico.

2 Actividades de investigación 76 La evaluación de formaciones y la petrofísica La exploración para localizar hidrocarburos se inicia con un entendimiento de la geología regional, lo cual se complementa con la interpretación sísmica detallada de la zona para proporcionar el modelo conceptual de un yacimiento potencial, es decir, de una estructura geológica en la cual pudieran existir hidrocarburos. A continuación se perforan pozos exploratorios y las preguntas que surgen inmediatamente son: Hay hidrocarburos presentes? Los hidrocarburos son aceite, gas o ambos? Cuál es el volumen de los hidrocarburos? En qué porcentaje podrán ser producidos? Cuáles son los riesgos técnicos y financieros asociados con el desarrollo del campo? Cuáles son las posibilidades reales de lograr el éxito comercial? Un elemento básico para poder dar respuestas fundamentadas a estas preguntas, consiste en cuantificar las propiedades relevantes tanto de las rocas, como de los fluidos que éstas contienen, además de integrar e interpretar los datos resultantes en términos de la viabilidad técnica y financiera del proyecto de desarrollo. A esta labor se le designa en forma abreviada como Evaluación de Formaciones, y a la disciplina que se encarga de ello se le conoce actualmente en forma genérica como Petrofísica. Más formalmente, el término Evaluación de Formaciones aplicado a un yacimiento petrolero puede enunciarse como La práctica de usar información obtenida del barreno (borehole) y de muestras de roca y de fluido que se extraen del mismo, para determinar la extensión areal, el espesor, la litología, la porosidad, la saturación de hidrocarburos y la permeabilidad del yacimiento. En forma más genérica y a la vez abreviada, la evaluación de formaciones puede ser definida como la práctica de determinar las propiedades físicas y químicas de las rocas y de los fluidos contenidos en ellas. Por otra parte, para poner en contexto el significado del término petrofísica, la literatura especializada ha adoptado en forma unánime dos definiciones que son atribuidas a Archie (Archie, G. 1950; Archie, G. 1960), y que se citan a continuación en el idioma inglés, en el que originalmente fueron expresadas:...a term to express the physics of rocks should be related to petrology as much as geophysics is related to geology. Petrophysics is suggested as the term pertaining to the physics of particular rock types This subject is a study of the physical properties of rock which are related to the pore and fluid distribution Petrophysics is the science wherein the physicochemical and the petrological relationships of rocks and their geological significance are studied. En forma abreviada, puede decirse que la petrofísica es la ciencia y el arte de medir y estudiar las propiedades físicas y químicas de las rocas y de sus interacciones con gases, hidrocarburos líquidos y soluciones acuosas, por consiguiente, la petrofísica es la ciencia o disciplina de la evaluación de formaciones. En las etapas iniciales del desarrollo de un campo, la información preliminar de que se dispone acerca de un yacimiento potencial, se refina mediante la incorporación de datos petrofísicos en un modelo del yacimiento, mediante el cual se cuantifica el tamaño del mismo, se define la distribución de los hidrocarburos y se predice la recuperación potencial de éstos. El profesional de la petrofísica tiene a su cargo planificar e implementar la adquisición oportuna de datos, para cuantificar las propiedades de la formación. La determinación exacta de estas propiedades, reduce la incertidumbre en el desarrollo del campo, e incrementa la confianza de que el desarrollo será exitoso comercialmente. Sin embargo, las aplicaciones petrofísicas no están limitadas solamente a la evaluación inicial del recurso, sino que se adquieren y analizan datos adicionales del pozo a través de toda la vida del campo, dado que las propiedades de la formación cambian con el tiempo. Esta información adicional ayuda a refinar la predicción acerca del comportamiento del campo y conduce a mejores oportunidades de desarrollo para los hidrocarburos remanentes. El profesional en petrofísica está involucrado con cada disciplina de la tecnología del subsuelo y trabaja muy de cerca con geofísicos exploradores e ingenieros petroleros, como parte de un grupo integrado que administra yacimientos de aceite y de gas. El grupo de trabajo incluye también a geólogos, quienes formalizan la estructura del yacimiento; a ingenieros de yacimientos, quienes evalúan los posibles escenarios para la producción de los hidrocarburos; y a tecnólogos en producción, quienes se encargan de asegurar el buen desarrollo de los pozos durante la vida del yacimiento. La meta del grupo multidisciplinario de trabajo es maximizar la recuperación de hidrocarburos a niveles favorables de costo.

3 77 Boletín IIE, julio-septiembre del 2007 La petrofísica no es solamente una disciplina en contacto con el yacimiento, sino también en contacto con otras disciplinas de la exploración y la producción. Los procesos de negocios de la evaluación de yacimientos y de la planificación del desarrollo de campos son altamente multidisciplinarios, y requieren una estrecha cooperación de otras áreas tecnológicas. La contribución de esta disciplina en la cuantificación de los parámetros de la formación que son relevantes para la industria petrolera es muy crítica y requiere una extensa colección de herramientas y técnicas. Las fuentes de datos petrofísicos para la evaluación de formaciones Los modelos de las formaciones que potencialmente constituyen yacimientos de hidrocarburos, se desarrollan sobre la base de datos sísmicos y geológicos. Inicialmente hay incertidumbre en el modelo y aún no se sabe si la formación contiene hidrocarburos. Aunque los avances actuales que se tienen en la adquisición y procesamiento de datos sísmicos, hacen posible obtener información detallada acerca del subsuelo, la perforación de un pozo exploratorio continúa siendo la única manera de confirmar la presencia de aceite y de gas. Una vez que se perfora un pozo exploratorio, el profesional en petrofísica puede cuantificar e integrar las propiedades de la formación, a partir de la siguiente variedad de fuentes de información, que son posibilitadas precisamente por la disponibilidad del pozo: Registros de operaciones de perforación (Mudlogging) Análisis de recortes de perforación. Detección de gases producidos. Registro de datos de la perforación. Registros de pozo (Wireline Logging) Registro de rayos gama naturales (K, U, Torio). Registro de rayos gama emitidos (densidad total). Registro de neutrones (porosidad). Registro de resistividad eléctrica (saturación de fluidos). Registro sónico (Vp, Vs, porosidad, litología, impedancia acústica). Registro de imagen del agujero (identificación de espesor y litología de capas). Análisis de núcleos Análisis básicos o rutinarios en muestras tapón y de diámetro completo. Análisis especiales en muestras tapón y de diámetro completo. Análisis básicos en muestras de pared. Análisis geológicos: petrografía, mineralogía, sedimentología, rayos-x. Pruebas de producción El análisis de núcleos en la evaluación de formaciones La recuperación y el análisis de núcleos son solamente algunas de las muchas partes integrantes de la evaluación de formaciones, por lo que el término petrofísica tiene un significado mucho más amplio que el concepto análisis de núcleos, el cual debe limitarse en su empleo para referirse exclusivamente a las mediciones y estudios de laboratorio que se efectúan en muestras de roca. Dentro del ámbito de la evaluación de formaciones, se utiliza más apropiadamente el término caracterización de rocas, para referirse exclusivamente a la ciencia y el arte de obtener datos acerca de las propiedades físicas y químicas de éstas, ya sea secas o saturadas total o parcialmente con fluidos, a partir de mediciones directas de laboratorio que se efectúan en muestras de diversos tipos, como pueden ser muestras tapón y de diámetro completo que se extraen de los núcleos de perforación, o bien muestras de pared y recortes de perforación que se obtienen de diferente manera. El análisis de núcleos continúa siendo hoy en día, la piedra angular sobre la que descansa la evaluación de formaciones en su conjunto, ya que proporciona información relevante, cuya obtención no es posible por ningún otro medio. De esta manera, las mediciones de laboratorio en muestras de roca ofrecen los medios más directos y tangibles para determinar los parámetros críticos del yacimiento. Los datos acerca de las propiedades de las rocas que se obtienen mediante el análisis de núcleos, son utilizados principalmente para dos aplicaciones: En primer lugar, para calibrar y refinar la interpretación de los registros de pozos. Un gran número de

4 Actividades de investigación 78 parámetros que son determinados a partir de estos registros, tales como la densidad total, la porosidad, la resistividad eléctrica y la velocidad de las ondas acústicas P y S, también pueden medirse en el laboratorio bajo condiciones muy bien controladas en muestras tomadas de un núcleo, generándose así datos de muy alta calidad, con los cuales pueden calibrarse los registros de pozo. En segundo lugar, los análisis de laboratorio en muestras de núcleos de perforación, se emplean para determinar propiedades y parámetros de la formación que no pueden obtenerse mediante los registros de pozo, ni por ningún otro medio. En este grupo se encuentran, por ejemplo, la permeabilidad, las presiones capilares, las permeabilidades relativas, el exponente de saturación, la eficiencia de la recuperación de hidrocarburos, la mojabilidad, la compresibilidad del volumen de poros y varios parámetros relativos al comportamiento mecánico de la formación. El análisis de núcleos constituye una fuente mayor de información para los exploradores y los ingenieros petroleros en los estudios de localización, evaluación y desarrollo de los yacimientos. Los datos que se obtienen de este análisis, proporcionan evidencia concluyente y positiva de la existencia de hidrocarburos, de la capacidad de la formación en su función de recipiente de almacenamiento de los fluidos (porosidad), así como de su capacidad para permitir el flujo de los fluidos bajo un gradiente de presión aplicado (permeabilidad, conductividad hidráulica). Asimismo, los datos de saturación residual de los fluidos que se miden una vez que el núcleo se tiene en superficie, permiten hacer predicciones de la probable producción de aceite, gas o agua. Los resultados del análisis de núcleos son sumamente útiles para entender el comportamiento del yacimiento, evaluar la respuesta de los pozos a diferentes tipos de tratamientos, calibrar los registros de pozo, establecer una base robusta para modelar el yacimiento y estimar su potencial, así como para definir estrategias efectivas para su desarrollo. Los núcleos son una muestra continua de roca, que se obtiene de la formación mediante perforación con una barrena especial hueca, la cual es capaz de cortar tramos de roca de hasta 20 m de longitud con un diámetro máximo de 20 cm. Estos tramos cilíndricos son llevados a la superficie para su posterior análisis. Una de las muchas ventajas de los núcleos es que permiten efectuar la caracterización geológica continua de la formación. Dependiendo del grado de heterogeneidad del núcleo, puede optarse por efectuar las mediciones en muestras cuyo diámetro es el mismo del núcleo (muestras de diámetro completo), o en muestras de menor tamaño que se extraen del núcleo mediante barrenas, usualmente con orientaciones diferentes al eje de éste (muestras tapón). La información que puede obtenerse del análisis de núcleos incluye: extensión areal del yacimiento, definición de estructuras geológicas, capacidad de almacenamiento, transmisividad hidráulica, contenido de fluidos, litología, variación espacial de los parámetros críticos del yacimiento, definición del grado de heterogeneidad del yacimiento, parámetros de las ecuaciones de Archie, presiones capilares, distribución de los fluidos, datos para calibrar los registros de pozos, permeabilidades relativas y mojabilidad preferencial. Objetivos fundamentales de la recuperación y del análisis de núcleos El objetivo fundamental de la recuperación de núcleos es obtener la mayor cantidad de muestras de roca para efectuar análisis de laboratorio, que sean representativas de las formaciones del yacimiento y preserven, según las aplicaciones a que se van a destinar, sus características nativas de mojabilidad y su contenido de fluidos, al menor costo posible. El objetivo fundamental de los análisis de núcleos es obtener, mediante mediciones directas de laboratorio, datos representativos de las propiedades in-situ de las rocas y de los fluidos del yacimiento, para asistir en la optimización de la evaluación de reservas y en la recuperación de los hidrocarburos. En conjunto, el objetivo fundamental de un programa de corte y análisis de núcleos debe ser obtener información sobre las propiedades físicas y químicas de la formación y de los fluidos que ésta contiene, que pueda conducir a una o más de las siguientes metas: 1. refinar la evaluación de reservas; 2. descubrir nuevos yacimientos y 3. aumentar la eficiencia de la producción en los yacimientos que ya se encuentren bajo explotación.

5 79 Boletín IIE, julio-septiembre del 2007 Planificación de las operaciones de corte y análisis de núcleos Un programa de obtención y análisis de núcleos es similar a muchos proyectos de ingeniería; inicia con la premisa de que una inversión redituará en un beneficio. El programa progresa a través de una fase de exploración de fuentes alternativas de información: pruebas de pozo, perfiles (logs), núcleos previos de localidades afines y recortes de perforación o muestras de pared. La toma y el análisis de núcleos está compuesta de muchas subdisciplinas, al grado que se considera que muy pocos individuos tienen experiencia en todas las áreas, siendo así que la ejecución de un simple programa requiere de un alto nivel de pericia y de dirección continua por parte de un supervisor muy experimentado. Los objetivos de un programa de toma de núcleos deben establecerse en una etapa muy temprana del programa de perforación. Asimismo, los objetivos del análisis de los núcleos a obtenerse, deberían definirse cuidadosamente desde antes que comience la operación de corte de los mismos. En teoría, un grupo bien estructurado de profesionales que representan las disciplinas de petrofísica, geología, ingeniería de yacimientos, producción, así como de perforación y terminación de pozos, se reúnen y discuten los objetivos comunes, así como los requerimientos individuales del programa, los cuales con mucha frecuencia no son compatibles, o bien no son posibles de satisfacerse en un mismo núcleo. Al discutirse los objetivos, toda erogación económica que deba hacerse deberá conducir finalmente a la producción de más aceite o gas, a un costo unitario menor. Las constricciones de tipo presupuestal y de localización del sitio del pozo, así como las de tiempo, deberán considerarse en el programa. La planificación de un programa de corte y análisis de núcleos es un proceso interactivo en donde se obtiene un consenso y se formulan los detalles del propio programa, teniendo siempre presente que el objetivo es reducir la incertidumbre en la evaluación de los yacimientos, mediante la aportación de datos representativos de la formación a condiciones in-situ. La comunicación y la planificación son los ingredientes fundamentales de los cuales depende el éxito de un programa de toma y análisis de núcleos. El claro establecimiento de los objetivos del programa es esencial para poder satisfacer, en el mayor grado posible, todas las expectativas y las metas planteadas para el mismo. En la práctica pueden presentarse algunos inconvenientes que contribuyen a que sea difícil que un programa de obtención y análisis de núcleos sea totalmente exitoso, como por ejemplo, problemas de comunicación entre las partes involucradas, recuperaciones de núcleo muy pobres, preservación inadecuada de los núcleos y protocolos de laboratorio pobremente diseñados. Muchos programas de corte y análisis de núcleos se planifican en forma deficiente y esto puede conducir a problemas en el laboratorio y al detrimento de la calidad de los datos que puedan obtenerse. La necesidad de tomar núcleos puede ser traída a contexto por un número de tecnólogos involucrados con la industria petrolera: geocientíficos, ingenieros de yacimientos, geólogos, ingenieros de perforación y terminación de pozos, así como especialistas en producción. La decisión concerniente a cuándo tomar núcleos, debería basarse en la premisa de que una inversión en esta tecnología proporcionará beneficios en la exploración y ofrecerá una más eficiente producción de hidrocarburos. Los análisis de núcleos nunca deberían ser tratados como una tecnología aislada o independiente. La integración con registros de pozos, datos geofísicos, resultados de pruebas de pozos y otras herramientas de evaluación de yacimientos, hace que se incremente el valor de cualquier análisis de laboratorio. La planificación de un programa de toma y análisis de núcleos para un yacimiento particular, estará influenciada por el tamaño potencial del yacimiento, sus actuales y posibles mecanismos de producción, su nivel de desarrollo y el estado del programa de evaluación integral del yacimiento. Generalmente, en la planificación de un programa adecuado para cualquier yacimiento se recomienda adoptar las siguientes etapas: 1. Establecer los objetivos específicos del programa; 2. Determinar el tipo de pruebas mediante las cuales se pretende cumplir con los objetivos del programa; 3. Seleccionar las localidades de las cuales se van a extraer los núcleos; 4. Seleccionar los procedimientos para el corte y el manejo de los núcleos y 5. Revisar el programa de obtención y análisis de los núcleos, para asegurarse que existe compatibilidad con todas las partes del programa de evaluación integral del yacimiento.

6 Actividades de investigación 80 Con el fin de garantizar que de un programa de recuperación de núcleos se pueda derivar la máxima cantidad de información posible, es necesario observar las siguientes medidas: Tomar los núcleos lo más pronto posible en el programa de perforación. Tomar núcleos en una sección transversal de pozos. Tomar núcleos en uno o más pozos, usando aceite o un fluido en base de aceite. Tomar núcleos en uno o más pozos, para determinar la mojabilidad de la roca. Analizar cuidadosamente en el laboratorio el material de los núcleos recuperados para obtener los datos requeridos, tanto de las pruebas de caracterización básica como de los análisis especiales. Preservar y almacenar adecuadamente las muestras utilizadas y el material sobrante de los núcleos, para posibles análisis futuros. En términos generales, los objetivos de un programa de toma y análisis de núcleos incluyen: 1. Determinación de la porosidad, la permeabilidad y la saturación residual de fluidos; definición de la litología y predicción de la posible producción de gas, aceite o agua. 2. Definición de los cambios areales en la porosidad, la permeabilidad y la litología, lo que se requiere para caracterizar el yacimiento en cuanto a la estimación de reservas y el modelado del yacimiento. 3. Determinación de la saturación de agua irreducible. 4. Hasta donde sea factible, recuperar núcleos en estado inalterado de mojabilidad y de saturación, para efectuar en ellos análisis especiales como determinación del tipo de mojabilidad preferencial, medición de presiones capilares, determinación del exponente de saturación, obtención de permeabilidades relativas, etc. 5. Efectuar estudios de permeabilidad direccional. 6. Obtención de información para calibrar los registros de pozos o para mejorar su interpretación. 7. Determinación de las saturaciones de aceite residual del yacimiento, para la evaluación de proyectos de recuperación mejorada. 8. Determinación de ambientes de depósito. 9. Evaluación de daños en la formación y diseñar estrategias de control. Los objetivos del programa de toma y análisis de núcleos influenciarán: El tipo de núcleo a ser cortado. El tamaño del núcleo. El manejo y la preservación del núcleo y en general los procedimientos a llevarse a cabo en el sitio del pozo. El tipo de fluido de perforación a usarse en lo general y durante el corte del núcleo. El conjunto de pruebas a realizarse en el núcleo. El orden, el cronograma y la secuencia de las pruebas. La necesidad de llevar a cabo un programa de toma y análisis de núcleos, puede expresarse en términos del estado que guarda el desarrollo de un campo petrolero. El alcance y la extensión que deben tener los programas de análisis de núcleos cambian durante las etapas de exploración, evaluación y desarrollo de un campo, para poder satisfacer los también cambiantes objetivos geocientíficos y de ingeniería que se requieran. Durante la etapa de exploración, cuando la información disponible es poca o nula y el riesgo es alto, los núcleos se cortan con la finalidad de examinar el potencial del yacimiento y describir la estratigrafía, y pueden ser usados para establecer una base petrofísica para la calibración de herramientas indirectas de evaluación del yacimiento, como los registros de pozo y los datos sísmicos.

7 81 Boletín IIE, julio-septiembre del 2007 Durante la evaluación del yacimiento, el tema en contexto no es ya el de si hay o no hidrocarburos presentes, sino el de cuánto aceite recuperable está presente, cómo será recuperado económicamente y cómo está espacialmente distribuido. Cuando un proyecto entra en la fase de evaluación, se cortan núcleos adicionales para pruebas avanzadas de laboratorio, como la determinación de permeabilidades relativas y la medición de presiones capilares. Cuando se ha determinado que un proyecto es económicamente viable, el riesgo es un factor menor y los geocientíficos e ingenieros tratan ya con los aspectos de desarrollo y producción del campo. En esta etapa pueden usarse los resultados de pruebas de desplazamiento realizadas en el laboratorio, para examinar el potencial de la recuperación secundaria y también para examinar la viabilidad técnica y económica de diversas alternativas de recuperación mejorada. Las diversas etapas del desarrollo de un campo y el ciclo de vida del programa de toma y análisis de núcleos, evolucionan de una manera que es específica de cada campo, lo que da como resultado que no haya dos programas iguales. En todo proyecto, el valor de los datos de evaluación del yacimiento derivados del análisis de núcleos se maximiza cuando los datos se adquieren en una etapa temprana y se integran con otros conjuntos de datos. Procedimientos adecuados en la extracción de núcleos y su manejo en el sitio del pozo: la primera etapa hacia los análisis de núcleos confiables El corte de los núcleos en la formación y su posterior manejo en el sitio del pozo deberán seguir las mejores prácticas posibles, debido a que el valor de todo el análisis de los núcleos está limitado por estas operaciones iniciales (American Petroleum Institute, 1998). Los objetivos de cualquier programa de obtención y preservación de núcleos, deberían ser los de obtener una roca representativa de la formación, a la vez que se minimiza la alteración de la misma durante las operaciones de corte del núcleo en la formación y su manejo en la superficie. El análisis de núcleos es una componente importante en la evaluación de formaciones y es especialmente ventajosa cuando se van a desarrollar yacimientos complejos. Los mayores problemas que se encuentran durante el corte, el manejo y la preservación de las rocas de un yacimiento son: 1. diseñar el ensamble adecuado del muestreador de fondo del pozo y el programa del fluido de perforación, con el fin de minimizar la invasión del lodo y maximizar los parámetros de la perforación; 2. seleccionar un material de preservación del núcleo que no sea reactivo, así como un método para prevenir las pérdidas de fluidos o la absorción de contaminantes (por ejemplo, componentes del fluido de perforación que tienen el potencial de alterar la mojabilidad) y 3. aplicar métodos de manejo y preservación del núcleo, basados en el tipo de roca y en su grado de consolidación, así como en el tipo de fluidos que contiene. Diferentes tipos de rocas pueden requerir precauciones adicionales, para que del análisis del núcleo puedan obtenerse datos representativos. Los barriles de doble tubo han reemplazado efectivamente, a los métodos de toma de núcleos con manga de hule para rocas fracturadas y no consolidadas. Los barriles internos desechables hechos de fibra de vidrio o de aluminio, trabajan mejor debido a su bajo coeficiente de fricción y a su habilidad para prevenir trabaduras. Los sistemas de colección del núcleo de cierre total, han contribuido a la obtención de mejores recuperaciones de núcleos de roca en formaciones no consolidadas. La tecnología de toma de núcleos ha avanzado significativamente en los últimos años, lo cual ha permitido maximizar los índices de recuperación en la mayoría de los tipos de rocas, al tiempo que se minimiza el daño causado al núcleo. Los equipos de baja invasión para el corte de núcleos están ampliamente disponibles en la actualidad y han probado su valía en situaciones críticas, cuando se van a conducir estudios avanzados del yacimiento para propósitos petrofísicos y de ingeniería de yacimientos (por ejemplo, medición de propiedades eléctricas, determinación de permeabilidades relativas y cuantificación de presiones capilares). No existe un método mejor para el manejo y la preservación de núcleos, sobre todo esto último, que no es otra cosa que un intento de mantener los núcleos previamente a su análisis, en la misma condición en la que estaban cuando fueron removidos del barril del muestreador. En el proceso de corte, recuperación y traída del núcleo a la superficie, el contenido de los fluidos de la roca se altera, debido a los inevitables cambios en la presión y la temperatura, efectos que en ocasiones se intenta minimizar mediante la obtención de núcleos con retención de presión. Solamente la experiencia puede ayudar a determinar el método de preservación más satisfactorio para el tipo de roca en cuestión, el cual dependerá de la composición, del grado de consolidación y de las otras características distintivas que la roca ostente. Las técnicas requeridas para preservar los núcleos a fin de que sean adecuados para ensayos posteriores, pueden depender del tiempo que conlleva la transportación, del período de tiempo que estarán almacenados, de las condiciones mismas del almacenaje y de la naturaleza de las pruebas a ser realizadas.

8 Actividades de investigación 82 Los tipos de rocas que requieren procedimientos especiales para cortarlas de la formación y preservarlas en el sitio del pozo, son las rocas no consolidadas que contienen aceite ya sea muy pesado o muy ligero, rocas carbonatadas vugulares, evaporitas, rocas fracturadas, rocas ricas en minerales arcillosos, lutitas, rocas de muy baja permeabilidad, carbón y diatomita. Los métodos preferidos para preservar núcleos para análisis de laboratorio incluyen la estabilización mecánica, la preservación controlada ambientalmente mediante disminución de la temperatura, congelamiento, el control regulado de humedad, el almacenamiento en telas o en bolsas plásticas que se sellan mediante calor, el uso de fluidos de inmersión o de recubrimientos, el sellado en barriles internos desechables y el confinamiento en dispositivos especiales sellados, tales como frascos anaeróbicos. Las rocas totalmente no consolidadas se manejan mejor en estado de congelamiento, debido a que la alteración mecánica es bastante probable durante el manejo y la preparación previa al análisis. El efecto completo del congelamiento sobre las propiedades petrofísicas de un núcleo es desconocido; sin embargo, la preparación de muestras tapón de roca no consolidada sin congelar está plagada de muchas dificultades. Las rocas consolidadas nunca deberían ser congeladas, porque el congelamiento puede causar daños estructurales irreversibles al núcleo. El objetivo fundamental de los análisis de núcleos es obtener datos representativos de las propiedades de las rocas del yacimiento a condiciones in-situ. La toma, el manejo y la preservación del núcleo deberían llevarse a cabo de manera que se prevengan tanto la pérdida de fluidos intersticiales, como la contaminación con fluidos extraños. Para obtener datos confiables de los análisis de núcleos es esencial la rapidez en la remoción, tendido, etiquetado y preservación de éstos. La toma de muestras del núcleo en el sitio del pozo debería limitarse si acaso, a la obtención de tapones para estudios de invasión y de mojabilidad; el núcleo nunca debería ser lavado y debe ser protegido de temperaturas extremas, de la humedad del ambiente y de la deshidratación. Debe constituirse un grupo multidisciplinario para asegurarse que los resultados que se obtienen de los análisis de núcleos sean representativos. Este grupo debería incluir ingenieros de perforación, ingenieros de yacimientos, geocientíficos y otros profesionales involucrados con el trabajo de laboratorio. Deben adoptarse protocolos experimentales y de adquisición de datos adecuados, con el fin de arribar a la obtención de datos significativos. Un programa de toma y análisis de núcleos diseñado adecuadamente, beneficiará no solamente al usuario de corto plazo, sino también a futuros usuarios. Aseguramiento de la calidad de los análisis petrofísicos Las mediciones de laboratorio en muestras de rocas y de fluidos del yacimiento se requieren para muchas aplicaciones, incluyendo la determinación de reservas, simulación del yacimiento, diseño de estimulación, evaluación de daños a la formación y monitoreo de la recuperación. Los costos de obtener y analizar las muestras de rocas y de fluidos son significativos, por lo que debe hacerse todo intento para maximizar el valor agregado de la labor de realizar mediciones de laboratorio, y mientras que los costos de dichas mediciones son pequeños comparados con el costo total del desarrollo de un campo, el impacto financiero no lo es. Las decisiones basadas en la interpretación de los resultados de pruebas de laboratorio, pueden hacer la diferencia entre el éxito y el fracaso de un proyecto de desarrollo de un prospecto petrolero. Antes de que los núcleos sean cortados de la formación, deben definirse las metas del programa de mediciones y también se deben tener respuestas claras a las siguientes cuestiones: Cuáles son los objetivos de negocios relacionados con la realización de esas mediciones? Cuáles serían las consecuencias de no hacer dichas mediciones? Cuáles decisiones de negocios resultarán influenciadas por las mediciones? Qué alternativas existen para la obtención de las mediciones? Cuáles son las consecuencias de hacer estas mediciones incorrectamente? La precisión y la solidez de las mediciones comúnmente disponibles, deben ser conocidas para determinar la naturaleza del programa de adquisición de datos. Siempre debe establecerse un compromiso entre el número de mediciones y la exactitud deseada para las mismas. Las tolerancias innecesarias muy estrechas en la exactitud de las mediciones, incrementan el costo de cada etapa del programa de adquisición de datos. El objetivo puede alcanzarse de una manera más efectiva en costo con un número grande de mediciones cualitativas, que con unas pocas mediciones de alta exactitud. Si es adecuado que las tolerancias de las mediciones sean amplias, los valores de reglas empíricas pueden ser adecuados, y la generación de nuevos valores mediante pruebas de laboratorio pasa a ser más bien un lujo que una necesidad. En el

9 83 Boletín IIE, julio-septiembre del 2007 otro extremo, pequeñas diferencias en el resultado de las mediciones pueden afectar en forma muy crítica cierto tipo de decisiones. En tal caso, puede ser necesario implementar mejoras en los procedimientos de pruebas existentes e incluso desarrollar nuevos métodos. Por consiguiente, debe tenerse muy en cuenta la diferencia entre el valor de los datos y su respectivo costo. La exactitud puede no ser constante en todo el intervalo de las mediciones. Por ejemplo, las mediciones de permeabilidad menores que 1 milidarcy y mayores que 1000 milidarcys son significativamente menos exactas que las mediciones de permeabilidad intermedias. Por ello, al diseñarse un programa experimental, siempre es recomendable considerar los valores anticipados para las propiedades que van a medirse. Las pruebas que pueden ser exactas en una roca con una permeabilidad de varios cientos de milidarcys y 20% de porosidad, pueden ser altamente erróneas en una muestra con una permeabilidad menor que 1 milidarcy y 5% de porosidad. Las varianzas entre los resultados de mediciones de las propiedades petrofísicas básicas en diferentes laboratorios, son con frecuencia más grandes que lo que comúnmente se supone. Si no se utilizan muestras de verificación para averiguar la exactitud de las mediciones, pueden citarse límites muy estrechos de exactitud que no son realistas. Si la competencia argumenta poder alcanzar mejor exactitud, los laboratorios temerán perder la oportunidad de hacer su negocio. Los estudios de comparación de mediciones de laboratorio en muestras que cubren el rango de valores esperado para las propiedades que van a medirse, son sumamente importantes en la evaluación de la exactitud de éstas. Las mediciones repetidas de una propiedad que se realizan por un solo laboratorio evalúan la precisión. En cambio, el empleo repetido de un conjunto determinado de muestras de verificación para evaluar muchos laboratorios, permite la comparación con una base de datos que conduce a detectar sesgos en los resultados de las mediciones. La exactitud absoluta es elusiva, debido a que no existen muestras estándar para el análisis de las propiedades de los yacimientos. Las mediciones de laboratorio son frecuentemente ajustadas a las condiciones del yacimiento mediante correlaciones. Si estos datos ajustados son cruciales para las decisiones de negocios, es imprescindible conocer la robustez de dichas correlaciones. Si las decisiones de negocios son sensibles a pequeños cambios en el ajuste de los datos, una mejor práctica es colectar los datos necesarios para generar una correlación con la exactitud apropiada. El aseguramiento de la calidad debe comenzarse mucho antes de que un laboratorio sea seleccionado, para lo cual los laboratorios que potencialmente pueden realizar las mediciones programadas deben revisarse en las siguientes tres formas: 1. Reunirse con el personal del laboratorio para comunicarles los objetivos del programa de adquisición de datos. Si este personal ignora los objetivos del usuario, cómo pueden ellos satisfacer dichos objetivos? Si la confidencialidad es importante, debe usarse un laboratorio interno, o bien camuflar la fuente de las muestras, pero nunca disimular los objetivos del programa. Los procedimientos experimentales del laboratorio deben revisarse cuidadosamente, aun si existen lineamientos avalados o expedidos por la industria. 2. Inspeccionar el laboratorio e identificar al personal que realmente estará realizando el trabajo. Hay un considerable componente de arte en la ciencia de las mediciones de laboratorio, por lo que sí es importante saber y tener en cuenta quién realiza las pruebas. El técnico que está en la línea del frente realizando directamente las mediciones, debe ser un individuo altamente comprometido con la calidad y asumir la responsabilidad que le corresponde en cuanto a la validez de las mediciones que realiza. 3. Usar muestras de verificación para confirmar la exactitud de pruebas simples y poco costosas, y verificar los componentes básicos de las pruebas más complejas. La duplicación de mediciones especiales de alta complejidad no siempre es factible, debido a la escasez de material o por el alto costo de las mismas. Sin embargo, las mediciones simples (como la porosidad), que quedan incorporadas dentro de las mediciones más complejas, pueden ser fuentes de errores sustanciales.

10 Actividades de investigación 84 Las muestras de verificación son importantes en el proceso de aseguramiento de la calidad. Usando estas muestras, pueden encontrarse problemas de medición sustanciales en laboratorios aparentemente conocedores y bien organizados. En general, la experiencia que se tiene es que los laboratorios se desempeñan mejor si saben que están siendo monitoreados y evaluados. También se sabe que los laboratorios no necesariamente se desempeñan mejor en revisiones anunciadas de control de calidad y en algunos casos se ha detectado lo contrario. Por consiguiente, no es necesario disimular las muestras de verificación que se le puedan entregar al laboratorio junto con el material de trabajo ordinario. Las revisiones regulares del trabajo en progreso facilitan el control y la corrección de los daños que puede causar la aplicación de procedimientos experimentales erróneos, o las deficiencias en la organización del laboratorio. Mientras más pronto se pueda identificar la existencia de un problema, será mucho mejor para el programa de pruebas en conjunto, y si existen mediciones previas realizadas en muestras similares, los resultados del trabajo en progreso deben compararse con éstas. Si se observan diferencias mayores que no pueden explicarse claramente, será menester investigar el origen de ellas. Es mucho más fácil confirmar si las diferencias observadas son reales cuando el programa de pruebas todavía está en proceso. El descubrir durante la revisión de un informe de laboratorio que los datos son erróneos, es la forma más inadecuada de pretender validarlos. Cuando el informe ha sido entregado, puede ya no haber suficiente tiempo o material del núcleo para repetir las mediciones. Se debe estar alerta a la tendencia de los laboratorios de atribuir discrepancias en los datos a un muestreo no representativo. En el campo de los análisis de núcleos, la heterogeneidad, la mojabilidad, el daño mecánico y la inconsistencia de las muestras, son argumentos muy usados para explicar las discrepancias en muchos conjuntos de datos. Estos factores pueden causar problemas, pero también son utilizados excesivamente como excusas. La calidad tiene un costo, pero en sus intentos por reducirlo, las compañías operadoras de los campos petroleros pueden estar forzando a los laboratorios comerciales a sacrificar la calidad. La relación del operador con el laboratorio debe ser de cooperación y no de rivalidad. Es importante entender la necesidad de hacer negocio del laboratorio, de generar una utilidad para los propietarios mediante el suministro de servicios de análisis. La razón de la existencia del laboratorio no es primariamente el suministro de servicios de análisis, sino generar una ganancia económica. Si los laboratorios se seleccionan sobre la base de ofertas bajas, es difícil construir una relación que pueda satisfacer al mismo tiempo las necesidades de negocio del operador (datos de alta calidad), y las necesidades de negocio de los laboratorios (utilidades). Si las compañías operadoras buscan invariablemente al oferente de más bajo precio, la calidad se degrada. Es decir, si se enfocan en el concepto de costo más que en el concepto de valor, dichas compañías se convierten a sí mismas en sus peores enemigos. Para poder trabajar dentro de las constricciones de precios no realistas de una oferta muy baja y satisfacer a la vez sus propias necesidades de negocios, un laboratorio debe acortar el tiempo dedicado a realizar y verificar las pruebas, y emplear técnicos a los que se asigna más trabajo del que pueden realizar con calidad, o bien emplear personal que no está debidamente capacitado. Conclusiones Una amplia variedad de actividades relativas a las etapas de exploración, localización, evaluación y desarrollo de los yacimientos petroleros, dependen fuertemente de que se tenga un buen conocimiento de la magnitud y de la variación espacial de las propiedades ingenieriles aplicables de las rocas donde se encuentran emplazados dichos yacimientos. Este conocimiento se obtiene mediante el proceso llamado evaluación de formaciones. La recuperación y el análisis de núcleos son una parte integrante de este proceso. Tanto la factibilidad técnica como la económica de desarrollar un prospecto de yacimiento petrolero, dependen de que las rocas que intervienen exhiban una combinación adecuada de sus propiedades, para así constituir una estructura geológica confinante y almacenadora de hidrocarburos, que sea factible de desarrollarse técnicamente, a la vez que tenga el potencial de redituar un beneficio económico. El análisis de núcleos continúa siendo hoy en día la piedra angular sobre la que descansa la evaluación de formaciones en su conjunto, ya que proporciona información relevante cuya obtención no es posible por ningún otro medio. Las mediciones de laboratorio en muestras de roca, ofrecen los medios más directos y tangibles para determinar los parámetros críticos del yacimiento. Entre otros beneficios, el análisis de núcleos representa una fuente de mayor información para los exploradores y los ingenieros petroleros, en los estudios de localización, evaluación y desarrollo de los yacimientos. Los datos que se obtienen del análisis de núcleos proporcionan evidencia concluyente y positiva de la existencia de hidrocarburos, de la capacidad de la formación en su función de recipiente de almacenamiento de los fluidos (porosidad), así como de su capacidad para permitir el flujo de los fluidos bajo un gradiente de presión aplicado (permeabilidad, conductividad hidráulica). Asimismo, los datos de saturación residual de los fluidos que se miden una vez que el núcleo se tiene en superficie, permiten hacer interpretaciones de la probable producción de aceite, gas o agua. Los resultados del análisis de núcleos son sumamente útiles para entender el comportamiento del yacimiento, evaluar la respuesta de los pozos a diferentes tipos de intervenciones, calibrar los registros de pozo, establecer una base

11 85 Boletín IIE, julio-septiembre del 2007 robusta para modelar el yacimiento y estimar su potencial, así como para definir estrategias efectivas para su desarrollo. La planificación de un programa de toma y análisis de núcleos para un yacimiento en particular está influenciada por el tamaño potencial de dicho yacimiento, por sus actuales y posibles mecanismos de producción, así como por su grado de desarrollo y el estado del programa de evaluación integral del mismo. Las varias etapas del desarrollo de un campo y el ciclo de vida del programa de toma y análisis de núcleos, evolucionan de una manera que es específica de cada campo, de lo que resulta que no hay dos programas iguales. En todo proyecto, el valor de los datos de evaluación del yacimiento derivados del análisis de núcleos, se maximiza cuando los datos se adquieren en una etapa temprana y se integran con otros conjuntos de datos. El corte de los núcleos en la formación y su posterior manejo en el sitio del pozo, deberán seguir las mejores prácticas posibles, debido a que el valor de todo el análisis de los núcleos está determinado por estas operaciones iniciales. Los objetivos de cualquier programa de obtención y preservación de núcleos deben ser el obtener roca representativa de la formación, a la vez que se minimiza la alteración de ésta durante las operaciones de corte del núcleo y su manejo en la superficie. Los costos de obtener los núcleos y analizar las muestras de roca en el laboratorio son significativas, por lo que debe hacerse todo intento para maximizar el valor agregado de la labor de realizar mediciones de laboratorio, así como para el aseguramiento de la calidad de dichas mediciones. Mientras que los costos de las mediciones de laboratorio son pequeños comparados con el costo total del desarrollo de un campo, el impacto financiero de éstas no lo es. Las decisiones basadas en la interpretación de los resultados de pruebas petrofísicas de laboratorio, pueden hacer la diferencia entre el éxito o el fracaso de un proyecto de desarrollo de un prospecto petrolero. Referencias Archie, G.E.; Introduction to Petrophysics of Reservoir Rocks, Bull. AAPG (1950) 34, pp Archie. G.E.; Forward, Geophysics, (1960) 25, pp American Petroleum Institute Recommended Practices For Core Analysis. Recommended Practice 40. Second Edition; February Sections 1-3. Enrique Contreras López Investigador de la Gerencia de Geotermia, con 28 años de antigüedad como investigador líder de las disciplinas de Petrofísica y Geomecánica, y responsable técnico del Laboratorio de Yacimientos. Es Ingeniero Mecánico egresado de la Universidad de Guadalajara y Maestro en Ingeniería Mecánica con especialidad en Termociencias, por la División de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacioanl Autónoma de México (UNAM), grado que obtuvo con otorgamiento de la medalla Gabino Barreda al Mérito Universitario. Entre 1971 y 1975 fue profesor de asignatura en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Guadalajara. De 1975 a 1980 fue profesor de carrera de tiempo completo, en la sección de Ingeniería Térmica de la Facultad de Ingeniería de la UNAM. De 1980 a 1981, realizó un curso de especialización de en Análisis Petrofìsicos y Geomecánicos de núcleos, en la compañía TerraTek. Ha realizado numerosas estancias cortas de actualización en diversas instituciones, como el National Institute of Standards de E.U.A., la compañía Terratek, la Universidad de California y la Universidad de Utah. Ha asistido a varios cursos industriales de capacitación, impartidos por la compañía OGCI y el Imperial College, en las áreas de Análisis de Núcleos, Interpretación de Registros de Pozos, Mecánica de Rocas Aplicada a la Industria Petrolera y Análisis Especiales de Núcleos de Perforación. En 1980 ingresó al Departamento de Geotermia del IIE, teniendo a su cargo el desarrollo de las disciplinas de Petrofísica y Mecánica de Rocas hasta la fecha. Como jefe de proyecto ha tenido a su cargo 20 proyectos de investigación aplicada y de desarrollo de infraestructura experimental y también ha sido responsable de una considerable cantidad de proyectos de investigación y de suministro de servicios especializados para los sectores eléctrico y petrolero. Es autor o co-autor de 34 artículos extensos sobre Petrofísica y Mecánica de Rocas, los cuales se han publicado en revistas nacionales e internacionales con arbitraje y en actas de congresos, así como de más de 80 informes técnicos de proyectos, tanto de infraestructura como contratados por clientes externos. Desde 1994 ha tenido a su cargo una gran variedad de estudios y servicios de caracterización petrofísica básica y avanzada de núcleos de perforación, para la industria petrolera nacional, bajo contrato, con varios de los más importantes activos de Producción de PEMEX. Fue el director de una tesis de licenciatura que ganó el primer lugar a nivel nacional, en la disciplina de Diseño Mecánico. El Instituto de Investigaciones Eléctricas le otorgó en 1994 y 1997, el reconocimiento al Desempeño Extraordinario. ecl@iie.org.mx Pablo García M. Ingeniero Mecánico, egresado del Instituto Tecnológico del Istmo en Recibió el grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica, con la especialidad de Sistemas Térmicos, en el Cenidet en Obtuvo experiencia en el área petrolera, laborando con el Activo Ek-Balam en el año de Laboró en el Instituto Mexicano del Petróleo en el área de Exploración y Producción. Ingresó a la Gerencia de Geotermia del IIE en 1999 y ha publicado varios artículos sobre Medición de Propiedades Termofísicas y Petrofísicas. Su área de especialidad actual es la Planeación y Ejecución de Pruebas de Petrofísica en el Laboratorio de Yacimientos, así como la instrumentación de pruebas especiales para PEMEX y CFE. pggarcia@iie.org.mx