Análisis de estudios de núcleos

I. INTRODUCCIÓN

Los diversos tipos de rocas que conforman las formaciones geológicas y los yacimientos petrolíferos desempeñan varias funciones, como, elementos estructurales, recipientes de almacenamiento de hidrocarburos o agua, energía calorífica, barreras impermeables, y medios de transporte de energía y de fluidos. Dichas funciones son estudiadas y descritas a partir de ciertas propiedades, entre ellas, la porosidad, compresibilidad del volumen de poros, resistividad, saturación, permeabilidad, entre otras propiedades. La práctica de una variedad de actividades, que tienen que ver con las etapas de exploración, localización y desarrollo de los yacimientos petrolíferos, dependen directamente de que se pueda obtener un conocimiento detallado de la magnitud y de la variabilidad espacial de dichas propiedades, resaltando, que la factibilidad económica y técnica, para el inicio de un proyecto de desarrollo, se encuentra asociada a una adecuada combinación de las propiedades de las rocas, que constituyen una estructura geológica confinante y almacenadora de hidrocarburos.

Durante la caracterización petrofísica de un yacimiento se manejan ciertas técnicas como lo son los registros geofísicos de los pozos, en los que se utilizan las propiedades eléctricas, radioactivas o de densidad para poder determinar de manera indirecta alguna propiedad, sin embargo, al ser indirectas pueden registrar cierto margen de error en sus resultados, por lo cual, una forma más directa, es a través de la obtención de una fracción de roca, comúnmente denominado núcleo.

II. EVALUACIÓN DE FORMACIONES A TRAVÉS DE NÚCLEOS

Los núcleos consisten en una muestra de roca recolectada del pozo, a una profundidad específica, a través de medios especiales, preservando así, su estructura geológica y sus características físico-químicas, con el fin de realizar análisis petrofísicos y geológicos, es decir, proporcionan datos significativos para la exploración, evaluación y producción de yacimientos petrolíferos, permitiendo el estudio directo de las secuencias deposicionales penetradas durante la perforación del pozo. Además, aportan información directa sobre la presencia, distribución y capacidad de producción de los hidrocarburos, revelando las variaciones y características del yacimiento, que no pudieron ser detectadas mediante las mediciones obtenidas de los registros de fondo.

En base a la muestra de núcleos, se pueden caracterizar, más a detalle, los sistemas porosos de las rocas y modelar con mayor precisión el comportamiento de los yacimientos para la optimización de la producción, por medio de la medición y análisis de la porosidad, permeabilidad, la saturación del fluido, densidad del grano, litología y textura. El análisis rutinario de núcleos (SCA), es indispensable para determinar las propiedades de la matriz de las rocas y constituye una parte importante en la caracterización de formaciones.

En general los núcleos permiten obtener información sobre:

Adicionalmente, algunos laboratorios, ofrecen perfilaje (rayos gamma) de núcleos, para correlacionar la profundidad, tomografías computadas, que permiten la caracterización de la heterogeneidad de la roca, entre otros. En caso de yacimientos complejos, existen análisis especiales de núcleos (SCALs), para la obtención de medidas más detalladas de propiedades específicas (presión capilar, permeabilidad relativa, propiedades eléctricas, daño de formación, factor de recuperación, mojabilidad). Estos estudios especiales de núcleos son, además, empleados para la caracterización de yacimientos, en proyectos de recuperación mejorada, en el análisis de flujo multifásico y en la interacción roca-fluido.

A pesar de todos los beneficios que ofrecen las muestras de núcleos de roca, también representan ciertas complicaciones. Para extraer los núcleos es necesario suspender las operaciones de perforación, conllevando, a la elevación de los costos del proceso, por lo cual, se ha ido trabajando en la reducción máxima de los tiempos de corte. Además, una vez que se obtiene el núcleo, el cuidado con que se maneje, es esencial, para la confiabilidad de los resultados alcanzados, en otras palabras, la confiabilidad de las propiedades petrofísicas o cualquier parámetro resultante a partir del núcleo, se encuentra estrechamente relacionado, con el cuidado que se tuvo durante el corte, su manipulación posterior, de su preservación y análisis.

III. PROCESO DE TOMA DE MUESTRAS DE NÚCLEOS

La planeación para la obtención de una muestra de núcleo, inicia determinando los objetivos del programa, por lo cual es importante contar con la participación de un equipo multidisciplinario constituido por ingenieros de yacimiento, petrofísicos, geólogos, ingenieros de perforación y de producción. Permitiendo de esta forma, considerar las limitaciones en recursos, localización y tiempo, además de otros aspectos como, tamaño del pozo, ángulo de inclinación, temperatura, presión y tipo de roca, y de contemplar los siguientes objetivos:

Tabla 1. Objetivos del diseño del programa de corte de núcleos

Los mayores inconvenientes que se pueden originar durante el corte, manejo y preservación de las rocas, se asocian al diseño del ensamblaje, ya que, debe ser adecuado al muestreador, con la finalidad de minimizar la invasión de fluido de perforación, sin que se alteraren las propiedades físico-química de la muestra. Por otra parte, la selección del material de preservación del núcleo no debe poseer cualidades reactivas, o que permitan la absorción de contaminantes. Los métodos de manejo y preservación de núcleos, se deben aplicar, en base al tipo de roca, en su grado de consolidación y en el tipo de fluido que contiene.

1. Profundidad de selección del núcleo:

La profundidad seleccionada para el corte del núcleo depende del tipo de pozo, si es exploratorio, de desarrollo o avanzada, así como del tipo de información requerida. En el caso de los pozos exploratorios, es necesaria la evaluación de los horizontes que por correlación tienen la posibilidad de ser productores, por su parte en el caso de pozos de desarrollo, la información requerida se encuentra relacionada a los antecedentes de producción de pozos de correlación.

La toma de núcleos puede ejercerse de manera continua, en el cual, el taladro se detiene solamente para repasar el hoyo, o en forma alterna, es decir, tomando núcleos en los intervalos de interés, pero ello va a depender de los siguientes criterios:

2. Herramientas de corte y tamaño de los núcleos:

Los núcleos son obtenidos, normalmente, a través de la perforación de secciones de la formación, con el uso de un taladro rotatorio, caracterizado por tener la sección transversal hueca, o mediante herramientas de corte con cable. Consiguiendo así, muestras de forma cilíndrica de más de 10 m de longitud y aproximadamente 11 cm de diámetro. La información extraída del núcleo depende en gran parte al volumen y tamaño de este. Sin embargo, en la localización, los núcleos enteros, comúnmente son divididos en segmentos más pequeños, para facilitar su transporte y luego en el laboratorio pueden ser cortados y submuestrados para facilitar su estudio.

Figura 1. Núcleos divididos o segmentados

Según el método de corte, los núcleos pueden ser clasificados en núcleos de fondo y de pared o laterales. La escogencia de alguno de estos dos tipos, va a depender de la profundidad del pozo, el costo de la operación, las condiciones del agujero, así como del porcentaje de recuperación

En el caso de los núcleos de fondo, también conocidos como núcleos convencionales, son obtenidos durante los procedimientos de perforación, generalmente en formaciones consolidadas, a través de una barrena especial, conformada por un barril exterior, en muchos casos de acero, y un barril interior, el cual permanece fijo, y además contiene el núcleo, mientras el exterior va girando. Los barriles convencionales oscilan entre los 10 y 18 metros de largo, correspondiente a la longitud del tubo extractor y variando de acuerdo a la inclinación, tamaño del pozo, esfuerzo sobre la roca y litología.

Figura 2. Barrena y catcher utilizada para la toma de núcleos convencionales

Existen además otras herramientas, especiales tipo liner, en las que el tubo interno que contiene el núcleo, es elaborado de Cloruro de Polivinilo (PVC), fibra de vidrio o aluminio, empleado sobre todo en formaciones fracturadas, quebradizas o semi consolidadas, el cual permite un manejo más fácil, y con menor riesgo de que las muestras se disgreguen.

Para el caso de toma de núcleos en formaciones semi consolidadas y no consolidadas, existe una herramienta en el que el tubo interno está conformado por una junta de expansión, un gato mecánico, una válvula con flujo de un solo sentido, una manga de goma, junto con el retenedor de núcleos. Esta manga de goma, permite recubrir el núcleo, con un mínimo de disturbio.

Otro sistema importante a mencionar, son los barriles de núcleo presurizados, los cuales fueron diseñados, para mantener los núcleos lo más cerca posible de las condiciones originales, composición y propiedades representativas del yacimiento. Al ser cortado el núcleo, a través, de medios mecánicos, se presuriza el barril tanto en la parte superior como inferior y se compensan los cambios de presión por enfriamiento, mediante una cámara de N2 a presión regular.

Para la identificación de la orientación de las fracturas, determinar el campo de esfuerzo, la inclinación y las rutas de permeabilidad, de cualquier litología, se presentan las herramientas de corte para núcleos orientados, en los que un barril de núcleo convencional es modificado y ajustado con un sistema especial, conformado por un equipo de agarre y otro para registrar la orientación con respecto al norte magnético.

En el caso de las muestras de núcleo de pared o laterales, se obtienen pequeñas muestras, tras las formaciones ya perforadas, a una determinada profundidad, y a través de una pistola con cable, que dispara las cámaras de recuperación. Cada herramienta puede llegar a recuperar de 30 a 50 muestras, en diferentes paredes del agujero y profundidades. Este método comúnmente se practica luego de haber analizado los registros.

Para la recuperación de muestras de pared normalmente se utilizan dos técnicas, percusión y rotación. En el método de percusión, se dispara una bala cilíndrica hueca y recuperable, en la pared del pozo, accionada en superficie a través de impulsos eléctricos. Las muestras recolectadas (hasta 66 muestras), miden aproximadamente 3cm de diámetro y 5 cm de longitud. Las balas (barril de núcleo) están diseñadas para diferentes configuraciones litológicas, ya sea para formaciones, consolidadas, medias o no consolidadas. Por otra parte, en la técnica de rotación, se utilizan herramientas con barrenas de diamante que permiten obtener hasta 30 muestras de 2.4 cm de diámetro y 4.5 cm de longitud, en un mismo viaje, y es utilizada mayormente en formaciones consolidadas.

3. Manipulación de las muestras de núcleos:

La metodología para la manipulación y preservación de núcleos, debe alcanzar las mejores prácticas, ya que de ello depende la confiabilidad de los resultados obtenidos. Según las normas API, se deben lograr dos objetivos, el primero es que se pueda obtener una muestra suficientemente representativa de la formación, y, en segundo lugar, que se reduzca al mínimo cualquier alteración física de la roca, al momento de la manipulación y almacenamiento. Toda muestra de roca, debe ser preservada inmediatamente, a las condiciones del yacimiento, evitando la exposición a las condiciones atmosféricas o algún otro factor que pueda alterar sus propiedades originales.

La manipulación de las muestras va a depender en gran medida, del método y herramienta utilizada al momento del corte, por ejemplo, en caso de que se haya realizado una toma de muestra con un barril interno convencional, al alcanzar la superficie, este debe ser removido y almacenado inmediatamente, para minimizar, la imbibición con el fluido de perforación, ya que puede ser motivo de causa para realizar cambios en la saturación de los fluidos, solubilidad del gas, mojabilidad, movilización de minerales de grano fino o arcilla intersticial.

Durante el etiquetado y registro del núcleo, se debe conservar la orientación y la secuencia correcta de las piezas. El núcleo debe mantenerse protegido de las temperaturas extremas, humedad o deshidratación, por lo cual todos los materiales y el equipo de preservación, se deben encontrar muy cerca del área de manipulación, para realizar el procedimiento los más rápido posible. En cuanto al registro de datos, estos tienen que ser lo más preciso posible, describiendo los parámetros de perforación (tiempo, torque, razón de penetración, presión de bombeo), las condiciones generales del núcleo (fracturas inducidas, continuidad, secciones rotas), profundidades del núcleo (base, cima).

4. Preservación:

La preservación y empacado del núcleo, luego del proceso de corte, recuperación, y traslado a la superficie, va a depender del tipo de estudio que se vaya a realizar, la distancia al laboratorio, el tiempo de almacenamiento y la disponibilidad para realizar las pruebas. Cualquier método de preservación empleado, para posterior un análisis en el laboratorio, debe incluir los siguientes aspectos:

IV. ANÁLISIS DE DATOS DE NÚCLEOS

El estudio de las muestras inicia con la generación de imágenes preliminares, para luego llegar a la preparación y análisis. Dependiendo del tipo de núcleo, el proceso es diferente, en el caso de las muestras convencionales de núcleos enteros, se requiere mayor procesamiento inicial, que en muestras laterales.

Una vez preparada la muestra, se realizan mediciones de rayos gamma y gamma espectral de los núcleos, a lo largo de toda su extensión, las cuales, son comparadas con los registros de rayos gamma LWD o con alguna otra herramienta de perfilaje, para ser correlacionados y de esta manera poder ajustar las profundidades del núcleo e identificar la existencia de alguna perdida, o daño en alguna sección, así como del tipo de arcilla existente en la formación y de la capacidad de intercambio de cationes.

Parte del estudio de núcleos, incluye también, realizar ciertos cortes en sentido paralelo al eje del núcleo, mediante sierras especiales y láminas impregnadas de diamante. Las láminas obtenidas luego del corte, son preparadas para ser fotografiadas, por equipos digitales a color y de alta resolución, radiografías de rayos x, fluoroscopía, tomografía computarizada e imágenes de resonancia magnética, a partir de los cuales, se pueden obtener una serie de imágenes, que permiten realizar una evaluación más detallada de las zonas de interés, y de los rasgos internos, destacando de forma visual, las características geológicas y petrofísicas importantes (litologías, estratificación, fracturas, contactos, porosidad, variaciones sedimentológicas), las cuales, además, pueden ser reservadas para estudios posteriores. Así mismo, existen equipos que realizan fotografías con luz ultravioleta y luz blanca, y que logran captar ciertos tipos de minerales presentes en la muestra, realzando el contraste entre las zonas no prospectivas y las petrolíferas. Este tipo de evaluación, no necesita de mucha preparación, y al ser poco invasivo, puede ser aplicado a cualquier tipo de núcleo.

Para determinar la porosidad y permeabilidad de los núcleos, entre otras propiedades, primero es necesario, remover por completo los fluidos contenidos en los espacios porosos de las rocas. La limpieza de estos fluidos es un proceso delicado, ya que se debe poder llegar a remover las fracciones pesadas de hidrocarburos, sin afectar los componentes minerales de la roca y sin crear espacios porosos adicionales. Uno de los métodos comúnmente utilizado para ello, consiste en la inyección de un solvente o varios solventes a cierta presión (10 a 1000 psi), con el fin de extraer los hidrocarburos y la salmuera de la roca (flushing - desplazamiento). Otro proceso de limpiado del núcleo, es el proceso de centrifugado, en donde se inyecta un solvente limpio y caliente, y luego pasa hacia una centrífuga especial, permitiendo el desplazamiento del solvente a través de la muestra y a su vez se produce la extracción del aceite y agua. Existe también otro procedimiento en el que el núcleo se somete a empuje de gas, usualmente dióxido de carbono, junto con disolventes, en ciclos repetitivos. Posteriormente a estos procesos, la roca, pasa por una fase de secado, en el que la muestra es expuesta a elevadas temperaturas, en hornos especiales, por más de 4 horas.

Tabla 1. Métodos de secado de núcleos

Una vez que la muestra de núcleo haya culminado la fase de secado, se proceden a realizar pruebas y análisis para determinar sus propiedades. El peso de las muestras secas es comparado con el inicial, la diferencia entre ambos, hace referencia al peso de los fluidos extraídos. A través de un tubo colector calibrado se mide el volumen de agua residual extraída y el fluido restante, es atribuido al volumen de hidrocarburo. Posteriormente se puede obtener la densidad de los granos, mediante la medición directa del volumen de granos utilizando un porosímetro de helio. El análisis granulométrico, es realizado en muestras de rocas no consolidadas, que pueden ser disgregadas sin alterar la integridad del grano, en el que se utilizan una serie de tamices de varios tamaños, obteniendo la distribución de los tamaños de los granos.

Una vez determinado tanto, el volumen de los fluidos como el volumen poroso, se puede proceder a realizar los cálculos para determinar la saturación.

Existen dos mediciones claves, que indican como producirá un yacimiento, para así, calcular con mayor precisión el petróleo original en sitio y la eficiencia de extracción a través de varios mecanismos de empuje, estas mediciones se refieren a la porosidad y la permeabilidad. La porosidad puede ser calculada mediante la obtención del volumen de granos, el volumen poroso y el volumen aparente, sólo se necesitan dos de estos volúmenes para la obtención de esta propiedad. Estos datos provienen de mediciones simuladas de esfuerzos de sobrecarga, mediciones físicas de peso, longitud, volumen o presión y en otros casos del análisis del desplazamiento de los fluidos.

En cuanto a la permeabilidad, el proceso realizado en el laboratorio, permite el cálculo de la caída de presión resultante que se produce en un núcleo, de longitud y diámetro conocido, al hacer fluir un fluido a una tasa conocida y una viscosidad conocida, generalmente aire, nitrógeno o helio, lo cual va a depender del tipo de parámetro utilizado.

En el método para determinar la permeabilidad, la muestra de núcleo es confinada en una camisa de elástomero, y a través de un permeámetro estable, el gas es presurizado y forzado a través del núcleo, obteniendo de esta manera el diferencial de presión y la tasa de flujo a la salida. Otro método empleado, se basa en el mismo proceso, solo que el equipo está conformado por válvulas de apertura y cierre, en donde el gas atraviesa la muestra, mientras declina la presión, en un estado inestable o de presiones transitorias, logrando obtener la permeabilidad basándose en la tasa de cambios de presión y la tasa de flujo del efluente.

Figura 3. Medidor de permeabilidad al gas (Cámara de Hassler)

Al finalizar los cálculos realizados, los especialistas deben aplicar correcciones que constituyan un balance entre las condiciones de laboratorio y las condiciones de fondo de pozo. Las diferencias entre ambas condiciones, pueden notarse mediante la aplicación de un esfuerzo confinante en muestras representativas de núcleos, determinando el efecto de los esfuerzos sobre la permeabilidad. Para luego aplicar el factor de corrección por confinamiento del yacimiento a las demás medidas rutinarias de permeabilidad. Esto se debe a que el flujo de gas a través de los poros, difiere con respecto al líquido, que presenta mayor resistencia al flujo, por lo cual se lleva el gas hasta el punto de presión infinita en el cual se asume que el gas se comporta como un líquido (corrección de Klinkenberg). Así mismo, la reacción de aceleración y desaceleración que experimenta el gas al ingresar por los poros, es determinada y corregida en el laboratorio (corrección de Forchheimer). Ambas correcciones en muchos casos pueden ser calculada de manera automatizada, mediante los permeámetros de estado inestable.

Además de los análisis rutinarios en los que se estudian las propiedades básicas de los núcleos, que constituyen solo una parte de la información que puede extraerse de las muestras, estos se complementan con mediciones petrográficas. Estas mediciones involucran la inspección de las topografías de la superficie de los núcleos, a través de microscopía, con la que se puede explorar y producir a escala nanométrica y con un enfoque de alta resolución, imágenes basadas en las interacciones entre un haz electrónico y el ejemplar. Las aplicaciones de la petrología son amplias, permitiendo el estudio de los procesos de diagénesis de rocas sedimentarias, origen de los materiales de rocas clásticas, evaluación de estructuras internas de los fósiles, visualización de fracturas internas, distribución y composición de las fases.

BIBLIOGRAFÍA

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• Christian Pillado. “Tecnologías para el corte, manipulación, preservación y análisis de núcleos”, 2016.

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