PERFILAJE RADIACTIVO En este tipo de perfilaje se ide la radiactividad natural o inducida de las capas atravesadas por una perforación. En el prier caso se ide la radiación gaa natural eitida principalente por los isótopos del torio ( 9 Th), el uranio ( 92 U) y el 19 K 4, presentes en las foraciones, ediante el desplazaiento de un detector a lo largo del pozo. En el segundo se requiere una fuente de radiación ( 88 Ra 226, 55 Cs 137 o 27 Co 6 ) cuyo efecto sobre las foraciones alrededor del pozo se registran. Este procediiento requiere un cuidadoso y responsable anejo de la fuente radiactiva, incluso cuando no es utilizada. RADIACTIVIDAD Ciertos eleentos denoinados radiactivos son inestables y sus átoos sufren transforaciones espontáneas, convirtiéndose en átoos de eleentos diferentes, que pueden tabién ser radiactivos o no. En el prier caso el proceso de desintegración continuará hasta obtener un eleento estable (tabla I) El nobre se debe a que el Radio ( 88 Ra) fue uno de los prieros eleentos radiactivos estudiados por los esposos Curie. Las eisiones ás counes en esta utación son: partículas alfa (α) núcleos de helio ( +2 He ++ ) partículas beta (β, β + ) electrones ( -1 e ), positrones ( +1 e ) radiación gaa (γ) neutrones (n) La radiación α es uy poco penetrante, un vestido o una hoja de papel son suficientes para detenerla. En su eisión, el núcleo eisor se transfora según: ZX A Z-2 Y A-4 + 2 H e ++ = Z-2 Y A-4 +α (239) La radiación β es ás penetrante, pero se la puede parar con una láina de etal. Las ecuaciones de transforación son: radiación electroagnética (o corpuscular de asa y carga nulas, en cuyo caso se denoinan fotones) son las únicas partículas (o radiaciones) que pueden activar (convertir en radiactivos) núcleos que antes no lo eran. Tabla I: Desintegración de algunos isótopos radiactivos Isótopo radiactivo Isótopo final (estable) Radiación eitida α β γ 92 U238 82 Pb26 8 6 9 92 U235 82 Pb27 7 4 3 ZX A Z+1 Y A + e - + ν - (24) ZX A Z-1 Y A + e + 75 Re187 76 Os187 1 + ν (241) 71 en el prier caso un neutrón uta a protón con Lu176 72 Hf176 1 1 eisión de donde β y un antineutrino (ν ) y 62 S152 6 Nd148 1 en el segundo un protón se transfora en un neutrón con eisión de β + y un neutrino (ν + 49 In115 5 Sn115 1 ). 37 Los núcleos resultantes de los Rb87 38 Sr87 1 1 decaiientos suelen quedar excitados, lo que 19 K4 2 Ca4 1 1 coúnente provoca eisión de radiación γ, 6 C14 7 N14 1 que es uy penetrante. Para frenarla se requieren, en casos extreos, planchas de 1 H3 2 He3 1 ploo uy gruesas. Los neutrones no foran parte de las transforaciones espontáneas sino que se producen en las reacciones de fisión, la que contribuyen a producir en el caso de núcleos 9 Th232 82 Pb28 6 4 1 171
fisibles, que son aquellos que no son naturalente fisionables pero cuya fisión puede ser excitada, tal el caso del U 235 y el Pu 239. Los neutrones para usos científicos y aplicaciones industriales que requieran grandes flujos se obtienen del núcleo de un reactor nuclear en tanto que para aplicaciones industriales coo detectores de huedad, perfilaje radiactivo de pozos, etc. se utilizan fuentes selladas aprovechando la propiedad del berilio ( 4 Be), que irradiado con partículas alfa las absorbe eitiendo neutrones de alta energía (1 a 12 k/seg). Coo exitadores alfa se utilizan coúnente el radio o ( 88 Ra) y el aericio ( 95 A), dando lugar a las fuentes Ra-Be y A-Be. NÚCLEOS Y NÚCLIDOS O NUCLEÍDOS. Los eleentos fueron ordenados en la tabla periódica (Mendeleiev) por el núero atóico Z, núero de protones que en el átoo neutro es igual al núero de electrones y define las propiedades quíicas. La observación de que casi todos los pesos atóicos A eran núeros no enteros llevó al descubriiento del neutrón, que núcleos de un iso eleento pueden tener en distinto núero, dando lugar a isótopos diferentes. Isótopos de un iso eleento tienen el iso núero atóico Z, pero distinto núero de asa A. Es así coo se habla de 6 C 12, 6 C 13 ó 6 C 14 para diferenciar los isótopos de carbono. En el lenguaje de la física nuclear cada uno de estos isótopos es un núclido o nucleído distinto, pues coo no se tienen en cuenta los electrones por su baja energía de enlace, coo núcleos son especies diferentes, por ejeplo el 6 C 14 es radiactivo y el 6 C 12 es estable. Todos los eleentos de la tabla periódica con núero atóico superior a 83 son radiactivos, pero coo se observa en la tabla I, existen isótopos de eleentos de núero inferior que tabién lo son. Los tres prieros casos de esta tabla constituyen las series de desintegración conocidas coo del uranio (fig. 242), del actinio y del torio. Coo se observa en las tablas I y II, la radiactividad es una propiedad que difiere de una sustancia a otra, así por ejeplo, cada gr de 92 U 238 produce 18 desintegraciones por segundo o 18 bequerelios (Bq), valor que asciende a 3.7*1 1 en el 88 Ra 226. Este últio valor se suele tabién utilizar coo unidad de desintegración con el nobre de curie (Ci) 1Ci = 3.7*1 1 Bq Por tanto, ientras un grao de 88 Ra 226 es suficiente para lograr un Ci, se necesitan dos toneladas de 92 U 238 para obtener igual actividad. 82 Pb Pb Pb Bi Bi 84 86 88 9 Po Po Pb Po NÚMERO ATÓMICO (Z) Rn Ra Th Th Pa Desintegración α Desintegración β 92 Fig. 242: Serie de desintegración del Uranio U 238 U 234 23 226 222 218 214 21 26 NÚMERO MÁSICO (A) Tabla II: Vida edia de los isótopos radiactivos de la serie del uranio Isótopo Vida edia U 238 4,55 x 1 9 años Th 234 24,1 días Pa 234 1,14 inutos U 234 235. años Th 23 8. años Ra 226 1.66 años Rn 222 3,85 días Po 218 3,5 inutos Pb 214 26,8 inutos Bi 214 19,7 inutos Po 214 15 x 1-5 segundos Pb 21 22,2 años Bi 21 4,97 días Po 21 139 días Pb 26 Estable 172
INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA Al incidir esta radiación ionizante (la luz ultravioleta ya es ionizante aunque en enor grado) sobre la ateria en cualquiera de sus foras (sólida líquida o gaseosa), le transferirá energía que terinará convirtiéndose en calor. Debido a que las partículas con carga (α y β) tienen una gran capacidad de ionización transfieren gran cantidad de energía por unidad de caino recorrido, por lo que su penetración es pequeña. En cabio la radiación gaa y los neutrones, que no tienen carga, tienen enor probabilidad de interacción y son uy penetrantes. CONSTANTE DE DESINTEGRACIÓN En 192, Ernest Rutherford y Frederick Soddy sugirieron que el rito con que una sustancia radiactiva eitía partículas radiactivas disinuía exponencialente con el tiepo. Aunque la desintegración es un proceso estocástico, la velocidad de desintegración es proporcional al núero de partículas, de odo que si No es el núero de átoos de una sustancia radiactiva en un instante to =, y N en un instante posterior t, será: dn = λ N (242) dt dn = λ dt N ln N = λt + K donde K= lnn, por lo que: N ln N ln N = ln = λ.t (243) N N N e λt = (244) Que expresa la ley de desintegración de las sustancias radiactivas, λ es la constante de desintegración que caracteriza a cada isótopo, y siendo el fenóeno de la radiactividad aleatorio, sujeto a una cierta probabilidad de desintegración, λ es la probabilidad por unidad de tiepo de que los núcleos pertenecientes a esa población se desintegren. Si t = t 1/2, es el tiepo necesario para que N = ½N o, confore la ec. 243, tendreos: 1 λ. t1 2 = ln( ) =.693 2 (245) t = 693 1 2 λ (246) que es el denoinado tiepo de seidesintegración. En la tabla II se dan los valores t 1/2, para algunos isótopos radiactivos ientras que en la tabla III los correspondientes a los tres principales coponentes radiactivos de las rocas. Según ella y considerando la edad de la Tierra, aún queda casi todo el torio radiactivo, la itad del uranio y solo un 1% del isótopo radiactivo del potasio. Tabla III: Vida edia de los principales coponentes radiactivos de las rocas Eleento Tiepo de seidesintegración (en 1 9 años) 9 Th237 14 92 U238 4,55 19 K4 1,4 173
LA RADIACIÓN GAMMA Los rayos gaa son una fora de radiación electroagnética de alta energía (fig. 243), la que es función de la frecuencia, según: e = hν (247) donde h = 6,6256*1-34 J.s, es la constante de Planck. Habitualente la energía de la radiación gaa se expresa en illones de electronvoltios (Mev) 1, y varía entre,1 y 1 Mev. Al atravesar la ateria, y debido a las sucesivas colisiones con los átoos de las foraciones, van perdiendo energía, siendo finalente absorbidos por ella. EL FACTOR DE ATENUACIÓN log ε (ev) 5-5 -1 Rayos gaa Rayos X Rayos UV Rayos IR icroondas Ondas de radio log ν (Hz) largas 2 15 1 5 log λ (n) -5 5 Espectro visible FM 1 AM Fig. 243: Espectro de la radiación electroagnética La variación de la intensidad I de la radiación al atravesar una sustancia dependerá tanto de I coo de la naturaleza de la sustancia, por lo que: di = µ I (248) dx µ es el denoinado factor de atenuación y es una característica específica de cada sustancia (tabla IV). Aplicando a la ec. 248 un razonaiento siilar al desarrollado entre las ec 242 y 244 tendreos que: Ecuación que expresa la ley de atenuación de los rayos gaa. En los ateriales pesados coo el ploo µ es grande, pero en ateriales enos densos, propios de los ateriales del subsuelo, coo la caliza, la arena o el agua, los rayos gaa tienen gran penetración. I ln I ln I = ln = µ.x (249) I µ x I = I e (25) Tabla IV: Factor de atenuación de algunas sustancias Energía de la radiación (Mev) Factor de atenuación (c -1 ) Aire Agua Ploo,1 1,98*1-4,172 5,99,5 1,11*1-4,96 1,67 1,,81*1-4,7,75 Otra anera de expresar lo iso es utilizando el denoinado "espesor de atenuación edia " (EAM, tabla V), que es el espesor necesario de un aterial (x½) para que la radiación inicial caiga a la itad (I = ½I o ), valor que a partir de la ec 249 puede expresarse en función de µ: 1 un electrón voltio es la energía que adquiere un electrón acelerado en una diferencia de potencial de 1 voltio, entonces: 1 ev = 1,621 x 1-19 C x 1 J/C (1 ev=1,621 x 1-19 J) 174
µ. x 2 1 = ln( ) = 2 1.693 =. 693 1 (251) µ x 2 Tabla V: Espesor de atenuación edia de algunos ateriales Energía de la radiación (Mev) Agua Espesor de atenuación edia (c) Piedra caliza copacta o arena Hierro Ploo,2 5 2,1,66,14 1, 1 4,6 1,55,86 5, 23 9,9 2,8 1,47 PERFIL DE RADIACION GAMMA Toda roca en estado natural contiene un cierto porcentaje de aterial radiactivo, por lo que noralente tendrá una intensidad de radiación que dependerá de la concentración de dicho aterial y de su radiactividad. De los uchos isótopos radiactivos naturales sólo unos pocos están concentrados hasta el punto en que su radiación puede ser edida con instruentos counes, de odo que coo quedó dicho, virtualente sólo la radiación γ de isótopos del uranio, torio y sus derivados y del 19 K 4, constituyen la edida en una perforación (El 19 K 4 es un eleento quíico uy extendido en la naturaleza. Se encuentra en la tierra, en el agua dulce, en el agua de ar, en los alientos y en las personas isas). Las otras foras de radiación, rayos α y β, no son de interés debido a que sus efectos no son detectados por los instruentos de edición de la radiación gaa. La radiación γ, al atravesar la ateria, genera cargas eléctricas (efecto fotoeléctrico). Siendo el coulob (C = 1 19 electrones) la unidad de carga eléctrica, la unidad de radiación, el Röntgen (R), se define coo la carga de iones liberada por unidad de asa de aire según: 1 C/kg = 3876 R de donde: 1 R = 2.58*1-4 C/kg (252) El flujo de radiación γ detectada en el interior de un pozo depende tanto de la concentración y actividad de cada uno de los isótopos diseinados en las foraciones que rodean al pozo cóo de la densidad de estas últias, ya que cuanto ayor sea ésta habrá ayor absorción por la foración y enor llegada al orificio del pozo. En perfilaje se utilizan instruentos que iden la intensidad de la radiación por el núero de rayos que inciden en un detector. En consecuencia, tales ediciones deben expresarse en unidades de flujo de radiación, o sea en C/kg seg o R/seg o R/h, siendo uy difundido el uso del µr/h. En la práctica, las copañías especializadas eplean con frecuencia unidades particulares. Cuestión de relativa iportancia puesto que lo que interesa casi exclusivaente son relaciones de radiactividad. Coo se observa en la tabla VI, (Astier, 1975), las arcillas son bastante ás radiactivas que las arenas lipias, areniscas, calizas y doloías. Las arenas con algún contenido de arcilla tienen radiactividad ás elevada que las arenas lipias, de odo tal que a ayor contenido arcilloso ayor radiactividad y viceversa.. Tabla VI: Radiactividad de algunas rocas counes Radiactividad Rocas (unidades API) Lavas 1-1 Arenas y areniscas lipias 3-8 Calizas y color claro 3-7 doloías color oscuro o negro 7-1 Arcillas color claro 15-3 gris oscuro a negro 3-5 175
En una zona deterinada, el nivel de radiactividad de las arcillas es casi constante, por lo que el perfil de radiación gaa, se referencia generalente a la radiación de éstas, tal coo se procede con el perfilaje de PE. No obstante, la radiactividad de arcillas y lutitas, puede variar de una zona a otra y aun entre foraciones de distinta edad. Por lo general la utilización del perfilaje de radiación γ está restringida a la diferenciación cualitativa de la litología de las foraciones y a sus contactos. Es un valioso copleento de los étodos eléctricos ya que no es afectado por las condiciones adversas del pozo coo ser lodos resistivos o uy conductivos, aunque sí lo es por los fluidos intersticiales que contienen inerales radiactivos, coo cuando las aguas de las foraciones contienen sales disueltas de potasio (la proporción del isótopo radioactivo potasio 4 es del.118 % del potasio natural). MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN GAMMA El instruento ás apliaente utilizado para la obtención de perfiles de radiación gaa es el centelleóetro, consistente en un cristal de yoduro de sodio con talio activado, el que eite un destello luinoso cuando absorbe un rayo γ. Un tubo fotoultiplicador convierte la energía luinosa en un ipulso eléctrico el que es debidaente aplificado y registrado en función de la profundidad. Coo sería poco práctico registrar los pulsos individuales debido a que en pequeños intervalos de tiepo y baja concentración el núero de pulsaciones del detector puede variar apliaente (variaciones estadísticas fig. 244), un circuito integrado registra los pulsos de radiación recibidos en un intervalo de tiepo, denoinado constante de tiepo, en función de la que se proedian los ipulsos recibidos. arena d arcilla profundidad C T : 6 s V : 6 i n auento de la radiactividad C T : 6 s V : 3 i n C T : 3 s V : 6 i n 1 CPS CT = 2 seg CT = 5 seg 55 PULSOS DETECTADOS 11 CPS para una CT de 5 seg 12 CPS CT = 1 seg Fig. 244: Variación estadística y Constante de Tiepo. Cada línea vertical representa una desintegración C T : 6 s V : 1 5 i n C T : 1 5 s V : 6 i n Fig. 245: Efectos de la constante de tiepo y la velocidad A efectos de iniizar las variaciones estadísticas, lo ás conveniente sería utilizar una constante de tiepo grande (de algunos segundos), pero, si se procediera de esta anera la sonda debería correrse en el interior del pozo a una velocidad deasiado baja para evitar las distorsiones en los pases de foraciones poco radiactivas (coo las arenas lipias), y las de ayor radiactividad (coo las arcillas), lo que coproetería la econoía de la operación, por lo que la elección de estos dos factores debe ser debidaente balanceada. La fig. 245 ilustra esqueáticaente las curvas de radiactividad gaa que se obtendrían en una alternancia de capas arenosas (la superior de espesor grande y la inferior, 176
delgada) entre capas arcillosas, para distintas cobinaciones de "constante de tiepovelocidad de la sonda" sin considerar las variaciones estadísticas (las dos prieras en subida y la tercera en bajada). Muchas veces, para a u e n t o d e l a r a d i a c t i v i d a d eliinar el efecto de tales variaciones, es necesario auentar la constante de tiepo y reducir la velocidad de la sonda. La fig. 246 uestra el efecto de tales variaciones en perfiles obtenidos con diferentes valores de la constante de tiepo y la velocidad de la sonda. En ella puede observarse que para obtener un buen resultado hubo que auentar la constante de tiepo y reducir la velocidad de la sonda a partir de valores que daban lugar a curvas inservibles para la adecuada diferenciación de las capas arenosas de interés. a r e n a C T : 1, 5 s V : 1 5 i n profundidad a r c i l l a C T : 6 s V : 1 5 i n C T : 1 5 s V : 3 i n Fig. 246: Efectos del ruido estadístico ante variaciones de la constante de tiepo y la velocidad en un registro gaa Si antes de correr la sonda en el pozo, es conocido el ínio espesor de las capas que interesa diferenciar con el perfilaje radiactivo, pueden utilizarse ábacos coo el de la fig. 247, que facilita la elección de la velocidad áxia en función de la constante de tiepo para un perfilador WIDCO. De cualquier anera, la profundidad a la que en los registros radiactivos se registran los cabios entre foraciones, está desplazada en la dirección del oviiento de la sonda, en una valor que depende de la velocidad de registro y la constante de tiepo. Este retardo ("lag") es aproxiadaente igual a la distancia que recorre la sonda durante una constante de tiepo. Es coún acondicionar abos factores para conseguir que el retardo se ajuste a un valor prefijado. Máx. Velocidad Recoendada (/in) 18 15 12 9 6 3,9,6 1,5 3 4,5 6 5 1 15 2 25 3 35 4 Constante de tiepo (seg) Fig. 247: Máxia velocidad de la sonda para una buena definición de capas delgadas (anual de WIDCO) Por ejeplo, si se pretende un retardo de 3 c, con una constante de tiepo de 2 segundos, la velocidad de registro tendrá que ser de 15 c/seg (54 /hora). Es práctica habitual ubicar el punto dináico de edición por debajo del contador a una distancia igual al retardo, lo que hace que las anoalías se registren en la profundidad correcta. Por otra parte, no deben confundirse las variaciones estadísticas con cabios litológicos, por lo que el nivel de ruido producido por aquellas debe deterinarse con anterioridad a la operación de registro, lo que se consigue estacionando la sonda en un nivel de baja radiactividad y registrando los cabios de radiación en función del tiepo y durante dos inutos por lo enos (fig. 248). Para esta operación la sonda debe ubicarse cerca del 177
fondo del pozo, en lo posible por debajo de los 6 para evitar la influencia de la radiación cósica. Se puede igualente detectar el nivel de ruido realizando una segunda corrida en un intervalo corto del pozo, de 5 por ejeplo, el un sector de baja radiactividad. Las fluctuaciones estadísticas no se repiten exactaente por lo que el nivel de ruido puede ser estiado coparando abos registros. Cuando es necesario localizar capas delgadas en zonas donde los cabios radiactivos son pequeños, es uy recoendable obtener un par de registros a una velocidad adecuada y copararlos para deterinar las capas buscadas. Este procediiento generalente proporciona ejores resultados que correr un solo perfil a uy baja velocidad. Una gran ventaja del perfil de radiación γ radica en que puede ser obtenido en perforaciones entubadas, aun cuando el entubaiento haya sido hecho con cañería de acero o hierro, dado que aun en este caso la aortiguación de la radiación no supera el 25 % (fig. 249). En sondas calibradas para pozos sin entubar, habrá que hacer correcciones para obtener radiactividades verdaderas. Por otra parte, el lodo tabién tiene influencia sobre el registro obtenido, puesto que absorbe un pequeño porcentaje de la radiación, pero a enos que el diáetro sea uy grande, ayor que 24", este efecto puede ignorarse. µg Ra eq/tn 6 ARCILLA Verificación estadística Deflexión verdadera por grieta de arcilla Fluctuación estadística Fig. 248: Diferenciación entre deflexiones verdaderas y variaciones estadísticas Por el contrario, el contenido arcilloso del lodo puede auentar el nivel de radiactividad, lo que no tendrá iportancia si el lodo es unifore a lo largo del pozo. Pero si existen indicios de que las arcillas se concentran en el fondo del pozo, su efecto en el perfilaje deberá ser considerado al interpretar el registro. Habitualente el efecto del lodo sobre el perfil de radiación gaa es despreciable y no depende de su grado de salinidad, por lo que este registro es uy útil en pozos de lodo salado, donde los registros eléctricos son generalente de ala calidad. 178
- SP + Auento de la radiactividad 4V 965 97 Rad. gaa pozo abierto 975 98 985 Perfil de cuplas Rad. gaa pozo entubado Fig. 249: Parte de un registro de radiación γ USOS DEL PERFIL DE RADIACIÓN GAMMA 1. Para la identificación de estratos arcillosos cuando la curva de potencial espontáneo (PE) es poco expresiva (foraciones uy resistivas) o francaente aplanada (resistividad del lodo siilar a la de la foración) o cuando la curva de PE no se puede registrar (lodos resistivos, pozo entubados, pozos vacíos). 2. Detección y evaluación de inerales radiactivos coo el uranio. 3. Correlaciones entre pozos entubados, 4. En reacondicionaiento de pozos viejos (entubados), en cuyo caso se registra siultáneaente con un contador de cuplas (fig. 249), lo que perite colocar con toda precisión los cañones perforadores. 5. En operaciones con trazadores radiactivos. PERFILAJE NEUTRÓNICO (O DE POROSIDAD) El perfilaje neutrónico se usa principalente para evaluar la porosidad de las foraciones. El étodo aprovecha que neutrones de alta energía (neutrones rápidos) son frenados ás cerca de la fuente cuanto ás agua o petróleo tenga la foración circundante. En priera instancia, este registro responde a la cantidad de hidrógeno presente en las foraciones y coo el agua y el petróleo contienen prácticaente la isa cantidad de hidrógeno por unidad de voluen, las ediciones reflejan priordialente la cantidad del fluido que ocupa los poros, de odo que en foraciones lipias y saturadas, perite una deterinación de las variaciones de su porosidad. DETECTORES FUENTE DE NEUTRONES POZO Superficie del terreno radiación gaa Neutrones rápidos (ás de 1 6 EV) NEUTRONES DE CAPTURA Neutrones terales (enos de,25 EV) Neutrones epiterales (,1-1 EV) NEUTRONES MODERADOS Fig. 25: Esquea del perfilaje neutrónico 179
RAYOS GAMMA µg eq Ra / tn Arena NEUTRÓNICA Cuentas norales / seg 18 26 34 42 5 Arena arcillosa 85 86 87 88 89 9 91 Arcilla Fig. 251: Parte de un registro de radiación gaa y de neutrón - gaa FUNDAMENTO El 4Be bobardeado por partículas α eitidas por el de 88Ra o el 95A eite neutrones de alta energía, con velocidades de 1. a 12. k/s). Los neutrones, al penetrar en las foraciones circundantes al pozo, pierden energía progresivaente hasta que su velocidad queda reducida a la velocidad teral ( 2 k/s). Esta pérdida de energía es ás pronunciada cuando el aterial circundante es rico en H, de asa equivalente a la de los neutrones. Los neutrones terales son absorbidos inediataente por núcleos de H, Cl, Na, Si, principalente, con eisión de radiación gaa de alta energía (radiación gaa de captura) Mediante un detector colocado en la isa sonda se ide la cantidad de neutrones epiterales o terales (parte derecha de la fig. 251) o la radiación gaa resultante. Aunque algunos instruentos odernos registran siultáneaente tanto la cantidad de neutrones coo la radiación gaa. Los registros se presentan en escala lineal y van generalente acopañados por un registro de radiación gaa natural (fig. 251) Un detector uy próxio a la fuente (< 15 c, que es el caso de la fig. 251) acusará ayor eisión cuanto ayor presencia de H (ayor porosidad). Un detector alejado (> 3 c, que es el caso del esquea de la fig. 252) en la isa foración detectará enor eisión. Este es el caso en la ayor parte de los instruentos coerciales. Este esquea uestra tabién las influencias en el perfilaje radiactivo de las variaciones del diáetro del pozo, la presencia del lodo y la ceentación. Deterinación de Porosidad Todo perfil neutrónico puede proporcionar valores de porosidad aparente siepre que se hagan algunas suposiciones y correcciones. En foraciones no arcillosas son utilizadas fórulas coo la siguiente (válida para perforaciones no entubadas): logp = an+b (253) P: porosidad edia N: radiactividad de neutrones a y b: coeficientes que dependen de la sonda y de la perforación, por lo que cada fabricante provee los ábacos necesarios para su estiación. 18
arcilla grava arena calizas lavas arcill. arg. ceento lipia cop. porosa porosa cop. lodo NF rayos gaa neutrones * contenido en arcillas contenido en agua * detector lejano Fig. 252: Registros radiactivos hipotéticos Los instruentos odernos proporcionan valores precalculados, corregidos autoáticaente por litología, contenido de arcilla, salinidad, teperatura y densidad del lodo y variaciones del diáetro del pozo. No obstante, hay que tener presente que una interpretación basada sólo en el perfil neutrónico tiene algunas incertidubres, por lo que se obtendrán ejores resultados cobinándolo con perfiles Sónicos y/o de Densidad. Si bien las sondas reflejan priordialente los espacios porales llenos de líquido, hay que tener en cuenta que en realidad responden a todos los átoos de hidrógeno de la foración que rodea al pozo, incluidos los que foran parte de los ateriales constitutivos de las rocas. Así, si asociada con arcillas y lutitas hay agua confinada o irreductible, la calculada será ayor que la porosidad efectiva. Igual que cuando existe agua de cristalización en las sales disueltas en el agua (que justifican las correcciones por salinidad), coo en las foraciones con yeso (CaSO 4 +2H 2 O) que uestran una porosidad neutrónica exagerada. Si bien los hidrocarburos líquidos tienen índices de hidrógeno prácticaente iguales a los del agua, el gas tiene una concentración ucho enor que adeás varía con la teperatura y la presión, por lo que cuando existe gas en la zona investigada, las porosidades obtenidas con el perfil neutrónico son enores a las reales. Lo que por otra parte perite, utilizando adeás el perfil de Densidad, detectar estas zonas con gas. La investigación vertical es aproxiadaente igual a la distancia fuente-detector cuando la sonda está inóvil y es algo ayor con la sonda en oviiento. En cabio, el radio de investigación es función de la porosidad, coo uestra el gráfico de la fig. 253, válido para una perforación de 6. A ayor porosidad de la foración, enor radio de investigación. L L 2 15 1 5 P (%) 1 2 3 Fig. 253: Radio de investigación en una perforación de 6" PERFILAJE CON EMISIÓN DE RADIACIÓN GAMMA (O DE DENSIDAD) La aplicación ás iportante de este tipo de registros reside en su utilidad para estiar la densidad del terreno, pero tabién se lo utiliza coo perfil de porosidad y para 181
otras aplicaciones coo descubriiento de gas, evaluación de arenas arcillosas y litologías coplejas y su correlación entre sondeos, entre otras. FUNDAMENTO Una fuente radiactiva, coo el 88 Ra 226, 55Cs 137, 27 Co 6, colocada en un patín blindado eite radiación gaa de ediana energía, la que al chocar con la ateria circundante se dispersa (efecto Copton de dispersión) 2 y desaparece progresivaente. Esta pérdida de energía es proporcional a la cantidad de electrones por unidad de voluen de la ateria circundante, por consiguiente, es proporcional a su densidad. La radiación residual es edida con un detector de radiación gaa (detector de centelleo de INa con Tl activado) ubicada a unos 5 c de la fuente. El punto de atribución es el punto edio entre eisor y detector. espaciaiento DETECTOR PANTALLA ANTI RADIACIÓN FUENTE FORMACIÓN Fotones gaa dispersados Fotones gaa eitidos por la fuente Colisión Copton con los electrones de la foración Fig. 254: Sonda de radiación gaa En algunos instruentos (coo el FDC de Schluberger), para corregir autoáticaente las influencias perturbadoras del lodo del sondeo, del revoque del lodo y de las variaciones del diáetro del pozo se utilizan dos detectores (sonda copensada) ajustados a la pared del pozo. La variación de la intensidad I de la radiación eitida por la fuente depende tanto de I (intensidad de la fuente radiactiva) coo de la densidad electrónica de la foración (σ e, núero de electrones por c 3 ), pudiendo expresarse ediante la ecuación siguiente: di dx = k σ e I donde k es una constante que depende de la geoetría del equipo, la energía de los rayos gaa eitidos por la fuente y las características del detector, separando variables e integrando, se tendrá: di = kσ e dx ; I I ln I ln I = ln = kσ I kσex e x I = I e (254) Que da la intensidad de la radiación gaa detectada (en Bq) por un registrador ubicado a una distancia x de la fuente. Es decir, lo que se ide está relacionado esencialente con la densidad de electrones (σ e ) de la foración, la que a su vez guarda relación directa con la densidad total (σ f, en gr/c 3 ) de la foración, función de la densidad de la atriz de la roca (σ ), de su porosidad y de la densidad de los fluidos que ocupan los poros (σ w ). 2 El efecto Copton se explica en térinos de la interacción de la radiación electroagnética con electrones libres: Cuando la radiación electroagnética pasa por una región en la que hay electrones libres, se observa que adeás de la radiación incidente, aparece otra cuya frecuencia (enor que la incidente) depende de la dirección de la dispersión. 182
Cuando se trata de una sola substancia la densidad electrónica es proporcional a la densidad total según: 2Z σe = σf (255) A donde σ f es la densidad total, Z el N o atóico (N o de electrones por átoo) y A el peso atóico. Y si la substancia es olecular: Zi σ e = σf 2 (256) M donde ΣZi es la sua de los N os atóicos de los átoos que foran la olécula (N o de electrones por olécula) y M es el peso olecular. Para la ayoría de las substancias la cantidad entre paréntesis es uy próxia a la unidad, por lo que habitualente cuando se trata de areniscas, calizas y doloías saturadas con agua, la lectura del instruento se toa coo la densidad total. Para otras sustancias (sal, anhidrita, yeso, carbón y foraciones gasíferas) es necesario hacer correcciones. DETERMINACIÓN DE LA POROSIDAD (EN POZOS NO ENTUBADOS) Evaluada la densidad σ f, se puede deterinar la porosidad P de las foraciones acuíferas saturadas ediante fórulas coo las siguientes: σ f = P +(1-P)σ σ f = Pσ b +(1-P)σ en foraciones no arcillosas ni invadidas por lodo en foraciones invadidas por el lodo (de densidad σ b ) y espesor ayor que el radio de investigación en foraciones con un porcentaje a de arcillas (de densidad σ a ) σ f = P+aσ a +(1-P)σ y sin zona invadida En ellas, σ es la densidad de la atriz que es del orden de los 2,65 para arenas, areniscas y cuarcitas; de 2,68 para arenas calcáreas o calizas arenosas; de 2,71 para calizas y de 2,87 para doloías. En el segundo caso despejando P se tendrá: O utilizando ábacos coo el de la fig. 255 para foraciones no arcillosas ni invadidas por el lodo Cuando la foración está afectada por la presencia de arcillas o lutitas, para la interpretación del Perfil de Densidad deben hacerse algunas consideraciones σ σf P = (257) σ σ P % 5 4 3 2 1 calizas adicionales. 2, σ b Areniscas y arenas doloías 2,2 2,4 2,6 2,8 3, Fig. 255: Ábaco para foraciones no arcillosas ni invadidas por el lodo 183
Ejeplo esqueático de un perfilaje en Hidrogeología arcilla arena arcillosa arenas y gravas p = 2% gravas p = 4% areniscas o calizas porosas p=2% copactas areniscas argosas areniscas o calizas p = 2% arenas y gravas p = 2% gravas p = 4% arcilla 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 Agua dulce de saturación - PE 4V línea base de arcillas + ρ (Ω. Ω.) NORMAL LARGA NORMAL CORTA Agua salada de saturación Fig. 256: Ejeplo de interpretación γ En las condiciones actuales, en prospección hidrogeológica sólo son posibles los perfilajes de PE, resistividad con NC y NL y gaa natural, que son los ostradas en la fig. 256 (adaptada de Astier) para un odelo hipotético de capas gruesas saturadas por agua dulce (de 2 Ω.) en la parte superior, agua salobre (de 3 Ω.) en la parte inferior y lodo de resistividad interedia (1 Ω.). Considerando adeás que el radio de investigación de la NC es igual al radio exterior de la zona invadida (r i ) En tales condiciones, los niveles pereables de agua dulce uestran: baja radiactividad, SP positivo y ρ NL > ρ NC. Ocurre uchas veces que el lodo de la perforación y el agua de las foraciones atravesadas tienen la isa resistividad, sencillaente porque el agua que se utilizó en la preparación de la inyección fue extraída de un pozo vecino que explota el iso acuífero perforado. En tal condición, las capas pereables prácticaente no producirán PE y tapoco habrá diferencia entre ρ NL, ρ NC y sólo la curva de radiación gaa natural peritirá diferenciar entre capas pereables (arenas y gravas) de las acuitardas (con diferentes grados de arcillosidad), aunque sin discriinar sobre la salinidad del agua. 184