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PERFORACIÓN Y MANTENIMIENTO DE POZOS SUBGERENCIA DE INGENIERÍA GEOLOGÍA ELABORADO POR: ESTHER ROMERO TERÁN ¿QUÉ ES GEOLOGÍA? Estudio de la composición, historia y estructura de la Tierra. La relación que la geología guarda con la industria petrolera es directa, debido a que los yacimientos de petróleo y gas están contenidos en las rocas que son perforadas con las barrenas ¿CÓMO SE ESTUDIÓ LA ESTRUCTURA DE LA TIERRA? La investigación del interior de la Tierra, la determinación de su estructura y probable composición química, se realiza en base a la interpretación de datos indirectos obtenidos por métodos geofísicos. Dependiendo de la variable obtenida para realizar el estudio se pueden emplear distintos métodos. Los más empleados por el tipo y valor de la información que suministran sobre la constitución del interior de la Tierra, son los sísmicos, gravimétricos y magnéticos. Sísmicos Permite obtener datos de todo el interior de la Tierra, ya que las ondas sísmicas, de las que obtiene su información, la atraviesan en su totalidad. Gravimétricos Mediciones del valor de la gravedad en distintas zonas de la Tierra permiten deducir las densidades de las rocas. Magnéticos.Estudia el valor del magnetismo en distintas zonas. Éste indica cuáles son las rocas que tienen un elevado magnetismo (alto contenido en hierro), mientras que otras lo presentan muy bajo o nulo. ESTRUCTURA DE LA TIERRA Estructura mecánica o dinámica: muestran la estructura interna de acuerdo con los cambios de estado físico que experimentan sus constituyentes. ESTRUCTURA DE LA TIERRA Estructura química o estática: estructura interna de la Tierra atendiendo a los cambios de composición química que experimentan sus componentes. Corteza Capa más superficial de la Tierra. Representa sólo el 1,6 % del volumen total de la misma. Tiene una densidad media de 2,8 gr/cm3 Su espesor varía entre 6 (Corteza oceánica) y 80 km (Corteza continental). Manto Representa el 82 % del volumen total de la Tierra. Desidad media de 5,6 gr/cm3 Núcleo Capa más interna de la Tierra. Representa el 16 % del volumen total de la Tierra. En su zona más profunda la desindad alcanza un valor próximo a los 14 gr/cm3 Está formado fundamentalmente por dos metales: hierro (78%) y níquel (10 %), con un porcentaje importante de otros elementos más ligeros (silicio, 6 %; oxígeno, 4 %; azufre, 2 %). Se divide en núcleo externo e interno. Antes de la Tectónica de Placas @ La teoría vigente antes de la Tectónica de Placas explicaba la formación de los océanos y de las montañas por el efecto del enfriamiento de la capa mas externa de la Tierra y/o por efecto de una convección al interior de esta. @ En 1885 y basándose en la distribución de floras fósiles y de sedimentos de origen glacial, el geólogo suizo Suess propuso la existencia de un supercontinente que incluía India, África y Madagascar, posteriormente añadiendo a Australia y a Sudamérica. A este supercontinente le denominó Gondwana. Teoría de la Tectónica de Placas @J. Tuzo Wilson unifica en 1968 toda una serie de conceptos para llegar a esta teoría: @ La tectónica de placas debe ser vista como una teoría compuesta por una variedad de ideas que explican el movimiento observado en la litosfera terrestre, por medio de los mecanismos de subducción y expansión del fondo oceánico, que, a su ves, generan los principales rasgos geológicos de la Tierra, entre ellos los continentes y las cuencas oceánicas. Elementos básicos: @Litósfera: la capa mas externa y rígida de la Tierra. @Astenósfera: la capa fluida que subyace a la litósfera. @Placa: bloque no deformable de litósfera con un perímetro constituido por uno de los siguientes tipos de márgenes: @Cresta. Margen donde dos placas divergen. El magma que proviene de la astenósfera va rellenando las fracturas y forma nueva litósfera de manera simétrica. @Fosa. Margen donde dos placas convergen. Una placa se hunde por debajo de la otra y desciende en el manto. @Falla transformante. Margen donde dos placas se mueven paralelamente una con respecto a la otra. GUERRERO OCEANO PACIFICO Zona de convergencia Dorsal del Pacífico Este, en el límite entre la placa de Cocos y Pacífica, que se separan “rápidamente” a razón de 120mm/año. La imagen cubre 1000 km de largo. Zona de Divergencia ¿QUÉ SON LAS ROCAS? Roca. Es un conjunto de minerales Un mineral es un conjunto (natural formado) de elementos químicos. El nombre de la roca depende de su orígen y del contenido en minerales. COMPOSICIÓN MEDIA DE LAS ROCAS Simbolo Nombre % O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti H Oxigeno Silicio Alumino Hierro Calcio Sodio Potasio Magnesio Titanio Hidrógen0. 46.71 27.69 8.07 5.05 3.65 2.75 2.58 2.08 0.62 14 EL CICLO DE LAS ROCAS Cementación Presión Calor Presión Rocas sedimentarias Erosión sedimentos Erosión La Tierra se formo a partir de una concentración de material cósmico, el cual con el tiempo geológico se solidifico el material fusionado (magma) que al enfriarse dio origen a las rocas ígneas que formaron la corteza terrestre. Por las condiciones de enfriamiento se liberaron masas de vapor y gases dando origen a la atmosfera, generando lluvias torrenciales erosionando las rocas ya existentes. El efecto de las lluvias, temperatura y del viento fragmentan a la roca generando partículas (sedimentos) que al ser transportadas se acumulan en las partes más bajas (proceso de sedimentación), que al compactarse y cementarse dan origen a las rocas sedimentarias, posteriormente al ser sepultadas; y por efectos de presión y temperatura las rocas ya sean ígenas o sedientarias dan origen a las rocas metamorficas. Erosión Rocas metamorficas Rocas igneas Magma Ciclo evolutivo de las rocas De acuerdo a su origen las rocas se clasifican: Rocas ígneas. Cuyo origen esta en la cristalización de un magma (material fundido). Ejemplo:Son aquellas que tienen su origen al hacer erupción un volcán. Al salir el magma a la superficie, se le conoce con el nombre de lava, la cual al contacto con el aire comienza a enfriarse y endurecerse formando capas o montañas de roca. Ejemplo la zona sur de la ciudad de México, las islas Hawai. Rocas sedimentarias. Se forman de rocas ya existentes (rocas ígneas, sedimentarias y metamorficas) que se rompen (meteorización) y se erosionan (transportan) por lluvia y viento principalmente, depositandose en las partes bajas. Rocas metamorficas. Son aquellas rocas que se forman como consecuencia de un incremento de prersión (carga litostática) y temperatura (actividad ígnea) que producen un cambio en la compocisión mineralógica de las rocas (igneas, sedimentarias y metamorficas) que van quedando sepultadas por nuevos paquetes de rocas. ROCAS SEDIMENTARIAS Para la industria del petróleo estas rocas son las más importantes , ya que en ellas ocurre el origen, migración y acumulación de depósitos de hidrocarburos. Estas rocas se clasifican a su vez en : Clásticas, detríticas o terrígenas. Están formadas por fragmentos de rocas o minerales procedentes de rocas ya existentes que han quedado expuestas a la acción de los agentes atmosféricos. Ejem. conglomerado, arenisca, etc. Químicas. Son rocas formadas por precipitación de sales en disolución. Existen dos grupos principales las rocas carbonatadas( calizas, dolomitas) y las evaporitas(halita). Orgánicas. Son rocas formadas por la acumulación de materiales generados mediante procesos orgánicos. Por ejemplo, acumulación de conchas, restos vegetales, etc. CLÁSTICAS conglomerados areniscas limolitas QUÍMICAS calizas dolomitas yeso sal ORGÁNICAS Turba carbon ¿QUE ES UN FOSIL? Los esqueletos conservados de organismos que alguna vez estuvieron vivos o aquella evidencia indirecta, también llamada "fósil traza", son los elementos que relatan la variedad de vida y las actividades realizadas por estos organismos del pasado.Ejemplos: huesos, dientes , conchas, impresiones de hojas, etc. Insecto en ambar Con el nombre de fósiles característicos (fósiles índice o fósiles guía) se denominan a los fósiles que pueden ser utilizados para delimitar intervalos de tiempo geológico relativamente cortos y que, por tanto, pueden usarse como criterio de correlación estratigráfica precisa. Fosiles.- material esquelético en general. CLASIFICACIÓN DE CALIZAS En el campo las rocas carbonatadas, tanto en muestras de canal como en secciones delgadas se usa la clasificación de R. Dunham que esta basada en la textura de los sedimentos, para lo que se consideran util tres características de textura: Textura.Consiste en la dimensión, forma y la disposición de los elementos de una roca sedimentaria. mudstone.- roca carbonatada lodosa que contiene menos del 10 % de granos, calcilutita y micrita. mudstone es sinónimo de wackestone.- roca carbonatada con soporte de lodo, que contiene mas del 10 % de granos, mezcla de lodo con granos, wackestone es sinónimo de caliza calcarenitica. packstone.- roca carbonatada lodosa con soporte de granos en contacto, granos empaquetados con lodo calcáreo, packstone son sinónimo de calcarenitas, calcirrudita. grainstone.- roca carbonatada libre de lodo, con soporte de granos y ocupando los espacios libres entre los granos una calcita espatica, grainstone es sinónimo de calcarenita espatica, calcirrudita espatica. bounstone.- roca carbonatada con señales de haber sido ligada sinónimo de carbonato arrecifal, biolitita, coquina. durante su deposito, bounstone es PROPIEDADES IMPORTANTES DE LAS ROCAS SEDIMENTARIAS SON: Porosidad: es el porcentaje o la fracción del volumen total ocupado por poros o espacios vacíos en una roca; es una propiedad importante de la roca almacenadora, la porosidad puede ser primaria ó secundaria. Porosidad absoluta 0= poros Vol. Poros Vol. Roca =% granos Porosidad Primaria: (original), es aquella que se desarrolla durante el proceso de deposito de los sedimentos. fractura Porosidad secundaria: Es aquella que resulta de cualquier tipo de actividad geológica después de que los sedimentos han sido convertidos en roca (disolución, fracturamiento, etc.,). Permeabilidad: es la capacidad que tiene la roca de permitir el paso de los fluidos, a través de ella, es decir es la facilidad de una roca para dejar pasar fluidos a través de ella. Matriz Clasto Dolomita Estilolitas - - - El objetivo de la perforacion de un pozo, es comunicar el yacimiento a la superficie para obtener los hidrocarburos contenidos en la roca porosa y permeable. RECUPERACIÓN DE UN NÚCLEO Del barril muestrero, se recupera el núcleo en funda de aluminio o de pvc, se limpia, se orienta con una raya roja a la derecha y otra negra a la izquierda ( sirve para diferenciar la parte superior y la parte inferior ), se corta en tramos de un metro cada uno, se enumera en orden ascendente cada fragmento a partir de la parte inferior del núcleo hasta el ultimo fragmento de la parte superior del mismo, se seleccionan fragmentos de la parte inferior, parte media y parte superior respectivamente, se analizan al microscopio estereoscópico y se hace una descripción litológica de campo o una descripción petrografica de campo si es que se cuenta con todo el equipo para hacer el procesado de secciones delgadas. una vez hecho el análisis y la descripción litológica de campo del núcleo, se guarda en cajas de madera o de plástico previamente rotuladas con el nombre del pozo, intervalo nucleado, y parte a la que corresponde cada caja (p.i, p.m. y p.s. del núcleo), se embarca y se manda al departamento de paleontologia cd. del carmen, camp.;para que se le haga su análisis, se le determina el contenido de gas corte, cromatografia, fluorescencia, solubilidad, salinidad, ph,etc. Descripción de campo de un núcleo: Fecha: 05 de julio de 1996 Pozo: “manix-1” Número de núcleo: 1 Intervalo nucleado: 3511-3519 m Recuperación: 2.40 m, (2.60 %) Edo. de la muestra: bueno Porosidad: ± 4-6 % secundaria intercristalina, en fracturas, intergranular y en cavidades de disolución Impregnación: regular de aceite Fluorescencia: trazas amarillo verdoso Fauna: en la matriz de la roca, frag. de rudistas, de moluscos, placas de equinodermo, globotruncanas sp. Estructuras: fracturas, lineas estiloliticas Echado: no se observa Edad: cretácico superior (maestrichtiano-campaniano) Diagenisis: compactación, dolomitización, silicificación Ambiente: talud LA ADQUISICIÓN SÍSMICA MARINA Para obtener estos datos se envía energía sonora a la tierra y se recoge el sonido con receptores especiales. Es decir, la energía sonora se produce mediante cañones de aire colocados en el agua junto con los cables (streamers) que contienen receptores denominados hidrófonos. En tierra firme, el receptor recibe el nombre de geófono y el sonido se produce utilizando explosivos y vibradores. También es necesario saber dónde colocar los equipos, para lo cual nos valemos del Sistema de Posicionamiento Global (GPS, por sus siglas en inglés). 1 1.- BARCO ESPECIAL CON SISTEMA DE NAVEGACION VIA SATELITE. 3 2 4 2.- PISTON DE AIRE 5 3.- RECEPTOR DE MULTICANAL LECHO MARINO 4.- SISTEMA BATIMETRICO LODOS 5.- PERFILADOR SOMERO LIMOS ARENAS ARRECIFE ARCILLAS EMANACIONES NATURALES PROFUNDIDAD (metros) Los datos son procesados para determinar el tipo de estructura de la roca que se encuentra en el subsuelo. Analizando los coeficientes de reflectividad determinados por la velocidad del sonido a través de la roca, podemos determinar dónde conviene perforar para encontrar petróleo. BTPKS-1787 m. ¿CÓMO SE FORMA UNA MONTAÑA? Las montañas son, a menudo, estructuras que se elevan por encima del terreno circundante. Algunas aparecen como masas aisladas individuales, mientras otros picos forman parte de extensos cinturones montañosos. Los principales cinturones montañosos muestran signos de enormes fuerzas horizontales que han deformado, plegando y afallado, grandes segmentos de la corteza continental. GEOLOGIA ESTRUCTURAL La geología estructural estudia la deformación de las rocas cuando estas han sido sometidas a esfuerzos. Los yacimientos de hidrocarburos se encuentran en rocas sedimentarias a cientos de metros debajo del suelo (continental o marino), las cuales forman estructuras muy complejas como son: pliegues, domos (salinos o ígneos), fallas, anticlinales, sinclinales, cabalgaduras debido a los esfuerzos a los cuales han sido sometidos la corteza terrestre. Los principales cinturones montañosos muestran signos de enormes fuerzas horizontales que han deformado, plegando y afallado, grandes segmentos de la corteza continental Clasificación de las estructuras geológicas en términos de su forma, es decir, su morfología. En primer lugar analizaremos las fallas y la fracturas, para finalizar con el plegamiento. UN PLIEGUE @Un pliegue es una estructura producida cuando una superficie originalmente plana, cono un capa sedimentaria, es inclinada o curveada como resultado de la deformación. @En la Naturaleza, los pliegues aparecen en una gran variedad de tamaños y configuraciones. @Más allá de las diferencias en tamaño, la mayoría de los pliegues se producen como consecuencia de esfuerzos compresivos que provocan el acortamiento y engrosamiento de la corteza. PLIEGUES ANTICLINALES Y SINCLINALES Roca más joven anticlinal siniclinal Roca más joven Roca más vieja En los anticlinales el núcleo tiene roca más antiguas, mientras que los sinclinales tienen núcleo más jóvenes. CUENCA Depresión oval o circular , de fondo plano o cóncavo, y de gran anchura, con flancos de reducida pendiente y dimensiones muy variables (desde un kilómetro a varios miles de kilómetros, que es o ha sido un medio de sedimentación. Ejemplo: Cuenca de Toluca DOMOS domo Esta masa salina de baja densidad y alta plasticidad que al ascender perfora los estratos suprayacentes y se extiende sobre ellos produciendo una estructura en forma de cúpula o domo. FALLAS Y FRACTURAS LAS ROCAS FRACTURAS SON: @ Rompimientos a lo largo de una roca cuyos elementos están soldados entre sí y se registra como planos o superficies de discontinuidad. @ Donde se aprecia un desplazamiento a lo largo del plano de fractura, esto es, donde la roca a tenido un movimiento relativo a lo largo del plano de la fractura, es llamada falla. @ Esta distinción es un tanto artificial y depende de la escala de observación; en la práctica la mayoría de la fracturas no muestran, o es insignificante, desplazamiento y son clasificadas como juntas o diaclasas. UNA FALLA @ Falla: Es una estructura planar a través de la cual existe un desplazamiento en un dirección que es generalmente paralela al plano de fractura. 4 3 4 5 POZO-1 21 3 4 5 POZO-2 POZO-3 1 2 3 4 5 CLASIFICACIÓN DE LAS FALLAS Tipos de fallas: (a) Normal y (b) Inversa, ambas de desplazamiento en la dirección del echado, (c) lateral izquierda, de desplazamiento en la dirección del rumbo y (d) de desplazamiento oblicuo. Graben Horst Graben Horst Son estructuras que se encuentra limitadas por fallas normales, que pueden tener o no una expresión geomorfológica. CABALGADURA N CAMPO CANTARELL BLOQUE ALOCTONO BLOQUE AUTOCTONO Una cabalgadura básicamente es una falla inversa con un plano de falla de bajo ángulo. ESCALA DE TIEMPO GEOLÓGICO El tiempo que abarca desde la formación de la Tierra hasta la actualidad se denomina tiempo geológico. Es una escala ordenada de eventos y materiales. Considerando que la Tierra se formó hace más o menos 4,600 millones de años. La historia geológica de la corteza se ha dividido en distintas unidades (las rocas se apilan unas sobre otras formando la corteza terrestre), que de mayor a menor orden, son: Eras (períodos en que hubo formación de montañas) Periodos o sistema (definidos principalmente contenido faunístico, etc) Epocas o series (definidos principalmente por contenido faunístico y cambios litológicos significativos) Las rocas más antiguas de la tierra (4,030 millones de años) se encontraron en Acasta Gneisses (noroeste del Canada). Escala de los tiempos geológicos Intervalo (Millones de años) Eón Era Período Cuaternario Cenozoico Terciario Fanerozoico Mesozoico Paleozoico Precámbrico Proterozoico Duración (Millones de años) Época Holoceno - 0.01 0.01 Pleistoceno 0.01 - 1.8 1.79 Plioceno 1.8 - 5 3.2 Mioceno 5 - 23 18 Oligoceno 23 - 37 14 Eoceno 37 - 55 18 Paleoceno 55 - 65 10 Cretácico 65 - 140 75 Jurásico 140 - 210 70 Triásico 210 - 250 40 Pérmico 250 - 290 40 Carbonífero 290 - 360 70 Devónico 360 - 410 50 Silúrico 410 - 440 30 Ordovícico 440 - 500 60 Cámbrico 500 - 590 90 Superior 590 - 900 310 Medio 900 - 1600 700 Inferior 1600 - 2500 900 Vamos a comparar el tiempo transcurrido desde la formación de la Tierra hasta la actualidad, con la duración de un día. •Hace 4,500 mill. de años se estima que terminó la formación de la Tierra por acumulación de impactos de meteoritos. Son las 0 horas. •Hace 4,000 mill. de años aparecen las formas más elementales de vida. A las 2:40 horas. •Hace 2,100 mill. de años aparecen los primeros organismos pluricelulares conocidos. Son las 12:48 horas del mediodía. •Hace 600 mill. de años aparecieron los primeros invertebrados seguidos de una explosión de formas de vida. Son las 20:48 horas. •Hace 500 mill. de años aparecieron los primeros vertebrados, en forma de peces. Son ya las 21:20 horas. •Hace 230 mill. de años aparecen los dinosaurios y los mamíferos más primitivos. Y estamos ya a las 22:45 horas. •Hace 65 mill. de años se extinguen los dinosaurios y comienza la expansión de los mamíferos. Son las 23:40 horas. •Hace 5 mill. de años aparecen los primeros homínidos. Todavía son simios pero ya tienen alguna característica humana. Y esto sucede un minuto y medio antes de la medianoche. •Hace 200,000 años que aparecio el Homo sapiens, escasamente 3 segundos antes de concluir el día. ORIGEN DEL PETRÓLEO PETRÓLEO (del latín petra:roca,oleum:aceite), ¿CÓMO SE FORMÓ EL PETRÓLEO? EXISTEN varias teorías sobre la formación del petróleo. Sin embargo, la más aceptada es la teoría orgánica que supone que se originó por la descomposición de los restos de animales y algas microscópicas acumuladas en el fondo de las lagunas y en el curso inferior de los ríos. Esta materia orgánica se cubrió paulatinamente con capas cada vez más gruesas de sedimentos, al abrigo de las cuales, en determinadas condiciones de presión, temperatura y tiempo, se transformó lentamente en hidrocarburos (compuestos formados de carbón e hidrógeno), con pequeñas cantidades de azufre, oxígeno, nitrógeno, y trazas de metales como fierro, cromo, níquel y vanadio, cuya mezcla constituye el petróleo crudo. Estas conclusiones se fundamentan en la localización de los yacimientos petroleros, ya que todos se encuentran en terrenos sedimentarios. Además los compuestos que forman los elementos antes mencionados son característicos de los organismos vivientes. Hidrocarburo. Es una mezcla de hidrógeno y carbono(hidrocarburo), acompañados con pequeñas cantiades de Oxígeno, Nitrógeno y Azufre; puede presentarse en fase sólida, líquida o gaseosa. Yacimiento. Es un receptáculo poroso y permeable que se forma en la roca sedimentaria a traves del tiempo geológico. En este receptáculo se acumulan el aceite y el gas a altas presiones y temperaturas dependiendo de la profundidad a la cual se encuentre la acumulación; a mayor profundidad, mayor sera la presión y temperatura de los fluidos en el yacimiento. CONDICIONES PARA QUE SE ACUMULE EL PETRÓLEO El petróleo no se encuentra distribuido de manera uniforme en el subsuelo hay que tener presencia de al menos cuatro condiciones básicas para que éste se acumule: • Roca generadora (madre) Es aquella donde existir material orgánico ( platas y animales) suficiente y necesario para convertirse en hidrocarburos por el efecto de la presión y temperatura que predomine en el yacimiento y con el tiempo geológico se forman los hidrocarburos (aceite y gas) y que posteriormente migran. Las rocas más comunes son: Areniscas, arenas, calizas y dolomías. •Roca almacenadora. Es una roca porosa y permeable de forma tal que bajo presión el petróleo pueda moverse a través de los poros microscópicos de la roca en donde se van acumular los hidrocarburos despúes de formarse en la roca generadora. Las rocas más comunes son: Areniscas, arenas, calizas y dolomías. •Roca sello. La presencia de una roca impermeable, que evite la fuga del aceite y gas hacia la superficie o hacia otras rocas. La roca sello puede ser lutita, sal o anhidrita. •Trampa. Es un receptáculo natural cerrado, con una geometría que permite la concentración de los hidrocarburos, los mantiene en condiciones hidrodinámicas propicias e impide que estos escapen; El yacimiento debe comportarse como una trampa, ya que las rocas impermeables deben encontrarse dispuestas de tal forma que no existan movimientos laterales de fuga de hidrocarburos es una estructura geológica que permite que el petróleo en migración se acumule y conserve durante un cierto período de tiempo. Estructura geológica que guarda el petróleo TRAMPA Materia orgánica que forma los hidrocarburos ROCA GENERADORA Roca en donde se acumulan los hidrocarburos ROCA ALMACENADORA Roca que evita la fuga de hidrocarburos ROCA SELLO MIGRACIÓN ROCA SELLO ROCA ALMACENADORA MIGRACIÓN ROCA GENERADORA Migración. Se refiere al movimiento de líquidos y gases del área donde se formaron y van hacia la roca almacenadora. EMANACIONES NATURALES NIVEL DEL MAR 0m9m- FONDO MARINO FONDO MARINO 300m- 1,300m- 4,500m- CAPA DE SEDIMENTOS NO CONSOLIDADOS PRINCIPALES ESTRUCTURAS GEOLÓGICAS CAPACES DE CONTENER HIDROCARBUROS SE CLASIFICAN EN: ANTICLINAL POR FALLA ESTRATIGRAFIA DOMO SALINO ESTRATIGRAFÍA REGIONAL DE LA SONDA DE CAMPECHE LUTITA. CAFÉ ROJIZO DOLOMIA. GRIS Y CAFÉ OSCURO DURA,COMPACTA. CALIZA: DURA CON TRAZAS DE PEDERNAL Y FRACTURAS SELLADAS CON CALCITA. ARENISCA. ROJIZA, FIRME DE GRANO FINO, CONSOLIDAD Y POROSA