MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN DE GASES EN LA EXPLORACIÓN Y BUSOUEDA DE ACEITE Y GAS *

GEORGE V. CHILINGAR ** y MOSTAFÁ KARIM ***

I N V E S T I G A C I O N E S D E G A S E S E N L A S P E R F O R A C I O N E S

Las investigaciones de gases consisten en la determinación de la cantidad y tipo de hidrocarburos y otros gases en fluidos de perforación y / o núcleos. El contenido de gas de una muestra de fluido de perforación se extrae en primer lugar y después se procede a su análisis. Los núcleos y fragmentos recupera­dos también pueden analizarse simultáneamente para investigar su contenido gaseoso, por ejemplo, hidrocarburos, CO^, y N g . Debido a la viscosidad relativamente alta de los fluidos de perforación, los gases permanecen gene­ralmente en la misma porción del fluido de perforación donde fueron intro­ducidos. Obviamente, el fluido de perforación debería desgasificarse antes de ser recirculado.

Las características físico-químicas de los fluidos de perforación (princi­palmente la viscosidad, gravedad específica, temperatura y la cantidad y naturaleza de agentes químicos de tratamiento) afectan los resultados de una investigación de gases y por lo tanto, deberían permanecer más o menos cons­tantes durante la investigación a fin de lograr resultados mejores y más pre­cisos. A. M. Levit (1953, en Cherkinskaya y Mogilevsky, 1960, pág. 9 ) de­mostró que la solubilidad del gas en solución decrece con el incremento de la viscosidad de la solución y que el desprendimiento de los gases disueltos es más rápido en soluciones menos viscosas. Consecuentemente, la investigación de gases rinde mejores resultados al perforar con lodos que tienen viscosidad media (27 a .30 mi i i . ) . Levit (1955, ibidem) también probó que la presencia de NaOH en los lodos se traduce en una solubilidad inferior de los gases de los hidrocarburos y que la velocidad de desprendimiento o escape aumenta.

Pa ra el análisis de las perforaciones sísmicas sobre el terreno, las muestras de los fluidos de perforación se toman, al perforar, cada 5 m ; mientras que en perforaciones exploratorias (y en especial al acercarse a los horizontes pe-

* Original recibido en Agosto de 1961 y traducido del inglés por Jenaro González Reyna.

** Profesor, Departamento de Ingeniería Petrolera, Universidad del Sur de Califor­nia, E.U.A.

*** Estudiante de la Escuela de Graduados, Universidad del Sur de California, ha­ciendo su Doctorado en Filosofía.

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trolífcros) se hace cada 1 o 2 m. L a tarea del muestreo y análisis continuo se lleva a cabo por estaciones automáticas y semi-automáticas de investigación de gases (las lecturas se toman cada 25 cm al per forar ) .

Al perforar pozos profundos es necesario considerar el tiempo requerido por el lodo para alcanzar la superficie. El tiempo T en segundos, necesarios para la circulación de un ciclo de fluido de perforación, puede determinarse mediante la fórmula siguiente:

T = H - ^ (d\< —d\< +d%<)

en la que H representa la profundidad de la perforación en M, W la capacidad del bombeo en cmVseg. dj el diámetro de la perforación (diámetro de la co­rona) en cm, d, el diámetro exterior de la tubería en cm y d^ el diámetro interior de la tubería en cm. Considerando una capacidad constante de bomba (W) y un diámetro constante del pozo, la fórmula anterior puede expresarse como: T = K.H, donde una constante

^ = ' ' ^

Consecuentemente, puede usarse una solución gráfica sencilla para T. Los resultados experimentales mediante el empleo de colorantes, etc., vinieron a probar la exactitud de la formulo aproximada antes indicada (Cherkinskaya y Mogilevsky, 1960, pág. 1 1 ) . Aparentemtne la viscosidad de la fluidos de perforación y otros factores, tales como las condiciones cavernosas en las per­foraciones, son de importancia secundaria. De acuerdo con B . P . Yasenev (co­municación personal en Moscú) , los rusos han desarrollado una técnica para determinar la localización exacta de escapes de gas y fragmentos.

El aparato de escape más efectivo (de los fluidos de perforación, agua y núcleos) usado por los rusos es el aparato G B E (F ig . 1 ) , que es un aparato de termovacío. El vacío es igual a 100 mm Hg al final del desprendimiento o escape y la muestra se calienta de 40 a 6 0 ° C . Los tubos de vidrio del aparato de escape se conectan con tubos de hule de vacío. Como líquido sellador en las botellas se emplea una solución salina saturada, de desprendimiento o es­cape; en las trampas de lodo se usa agua de desprendimiento.

Un período de desprendimiento de 20 a 30 minutos es suficiente para una extracción casi completa del gas contenido en la muestra. El grado de escape de los gases de los hidrocarburos contenidos en el agua, después de 20 minutos y a una temperatura de 6 0 ° C es como s igue: metano 9 6 % , etano 9 8 % , pro-pano 9 3 % y butano 9 4 % (Karpov, en Mogilevsky, 1960, págs . 19-21) de­mostró que para efectuar una extracción casi completa de los gases hidrocar-burados contenidos en los fluidos de perforación se necesita una temperatura de 5 0 ° C y la presión residual de 100 mm de Hg. En solamente 3 0 % de COg (Figs . 2 y 3 ) . A 6 0 ° C se puede extraer el 5 6 . 5 % del CO^; sin embargo, entre 40 y 5 0 ° C los bicarbonatos comienzan a descomponerse.

INVESTIGACIÓN DE GASES

El aparato G B E de escape tiene las siguientes ventajas: 1) alto grado de escape y buena reproductibilidad de los resultados, 2 ) ausencia de partes me­tálicas en contacto con el agua y 3) portabilidad y simplicidad de operación. Sin embargo, con el aparato G B E de escape solamente se pueden hacer de 20 a 22 determinaciones por día.

L a composición de los gases desprendidos puede determinarse por medio del análisis de Orsat (Chilingar y Beeson, 1957, págs . 34-37) : gases ácidos, Og, H o , y gases inertes, así como el total de hidrocarburos. L a s cantidades de los diversos hidrocarburos, por otra parte, pueden determinarse siguiendo técnicas cromatográficas.

Antonov (1956, en Mogilevsky, 1960, pág . 16) clasifica el gas escapado de las rocas en las siguientes categorías: a ) gas que se escapa simplemente apli­cando vacío, b ) gas escapado o desprendido por técnicas de termovacío y c)

F i g . 1 . — A p a r a t o d e e s c a p e G B E d e g a s , u s a d o e n l o s l a b o r a t o r i o s d e M o g i l e v s k y ( e n C h e r k i n s k a y a y M o g i l e v s k y , 1 9 6 0 , p á g . 1 2 , F i g . 1 ) .

1 . — T r a m p a s d e l o d o , 2 . — b o t e l l a s , 3 . — b u r e t a s g r a d u a d a s p a r a m e d i r e l g a s e s c a p a d o , 4 . — t r a m p a ; 5 . — m a n ó m e t r o , 6 . — s a l i d a p a r a m u e s t r a s d e g a s d e s p r e n d i d o , 7 . — c o n e x i ó n a l a b o t e l l a d e p r e s i ó n c o n s o l u c i ó n s a l i n a , d o n d e e l g a s e s c a p a d o s e c o m p r i m e a p r e s i ó n a t m o s f é r i c a y e s p o s t e r i o r m e n t e m e d i d o v o l u m é t r i c a m e n t e , 8 . — c o n e x i o n e s l a t e r a l e s d e l a s t r a m p a s d e l o d o a l a b o t e l l a d e p r e s i ó n , 9 . — e s c a p e i n f e r i o r d e l a t r a m p a d e l o d o y 1 0 . — b o t e l l a s c o n m u e s t r a s q u e s e e s t á n a n a l i z a n d o .

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gas que puede escaparse solamente después de moler las rocas (destrucción total) (Mogilevsky, 1960, pág . 1 6 ) .

Por otra parte y con miras prácticas, subdivide los gases en: 1) fácilmente liberados ( l ibres) , 2 ) escapados o desprendidos. Mogilevsky (1960, págs . 17 y 23) llama la atención a que los núcleos pierden una cantidad considerable de gas durante el proceso de su extracción y consecuentemente, se deja sentir la necesidad de tener mejores técnicas de extracción o recuperación. Algunos núcleos de rocas carbonatadas masivas, sin embargo, muestran una concen­tración más alta de gases de hidrocarburos que el fluido de perforación aso­ciado. Mogilevsky (1960, pág. 25, F ig . 4 ) muestra un diagrama esquemático de un núcleo que permite tomar muestras de gases durante los procesos de perforación (F ig . 4 ) .

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-\ O 10 20 30 CO iO

F i g . 2 . — R e l a c i ó n e n t r e e s c a p e o d e s p r e n ­d i m i e n t o c o m p l e t o y t i e m p o ( s e g ú n M o ­g i l e v s k y , 1 9 6 0 , p á g . 2 1 ) . E l p o r c i e n t o d e e s c a p e s e r e p r e s e n t a e n l a s o r d e n a d a s , e n t a n t o q u e e l t i e m p o , e n m i n u t o s , s e r e ­p r e s e n t a e n l a s a b s c i s a s . 1 . h i d r o c a r b u ­

r o s y 2 . C O . , .

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F i g . 3 . — R e l a c i ó n e n t r e e l e s c a p e o d e s ­p r e n d i m i e n t o c o m p l e t o y l a t e m p e r a t u r a ( s e g ú n M o g i l e v s k y , 1 9 6 0 , p á g . 2 1 , F i g . 2 ) . E l p o r c i e n t o d e e s c a p e o d e s p r e n d i m i e n t o s e r e p r e s e n t a e n l a s o r d e n a d a s , m i e n t r a s q u e l a t e m p e r a t u r a , e n g r a d o s c e n t í g r a d o s , q u e d a r e p r e s e n t a d a e n l a s a b c i s a s . 1 ) h i ­

d r o c a r b u r o s y 2 ) C O ^ .

E L MÉTODO D E INVESTIGACIÓN D E G A S E S COMO U N MÉTODO GEOQUÍMICO D E E X P L O R A C I Ó N

El método de investigación de gases ha sido usado ventajosamente en la exploración de yacimientos de aceite y gas. Este método invo ucra el análisis de los gases que se encuentran presentes en las capas superficiales de sedimentos.

Los científicos rusos han desarrollado muchas técnicas para recoger esos gases. Uno de los primeros aparatos de muestreo consistía en un tamborete metálico con diámetro aproximado de 40 cm y altura de 8 cm, con un tubo de corta longitud en la parte superior que servía como una salida para el aire del terreno. Los gases se extraían del terreno mediante una bomba de des-

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INVESTIGACIÓN DE GASES

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F i g . 4 . — P e r f o r a d o r a p a r a i n v e s l i g a c i o n e s g a s e o ­s a s ( s e g ú n M o g i l e v s k y , 1 9 6 0 , p á g . 2 5 , f i g . 4 ) . 1 . — v á l v u l a s c ó n i c a s , 2 . — p i s t ó n c o n a b e r t u r a s p a r a e l m u e s t r e o d e g a s , 3 . — m u e l l e s ( r e s o r ­t e s ) , 4 . — t u b o i n t e r i o r ; 5 . — t o r n i l l o t u b u l a r q u e a s p i r a e l p o r t a - b o l a s , 6 . — c a j a d e r e l l e n o , 7 . — t u b o e x t e r i o r , 8 - 9 . — p i s t o n e s , e s t o s ú l t i m o s t i e n e n a b e r t u r a s d e e s c a p e , 1 0 . — t u b o d e a c e r o c o n e c ­t a n d o l o s r e c i p i e n t e s p o r m e d i o d e u n i o n e s h u e ­c a s , 1 1 . — a p a r a t o d e c i e r r e , 1 2 . — r e c i p i e n t e d e v a c í o , 1 3 . — v á l v u l o p a r a l a e v a c u a c i ó n d e l a i r e , 1 4 . — c u b i e r t a d e s e g u r i d a d , 1 5 . — v á l v u l a d e e n t r a d a , 1 6 . — a p a r a t o c ó n i c o i n f e r i o r d e c i e r r e , 1 7 . — r e c i p i e n t e c o n t u b o s d e a c c e s o e n f o r m a d e U p a r a l a a d m i s i ó n d e g a s , 1 8 . — j u n t a s d e e s l a b ó n , 1 9 . — u n i o n e s h u e c a s , 2 0 . — a b e r t u r a s p a r a e l p a s o d e l a i r e , 2 1 . — c u e l l o c o n .

c u e r d a y 2 2 . — e x t r a c t o r d e n ú c l e o s .

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plazamiento. Esta técnica, sin embargo, demostró no ser satisfactoria y ya no se emplea en la actualidad. Como miembro generalmente dominante de los gases de hidrocarburos, asociado con petróleo, está el metano (gas de pan­tano) ; sin embargo, también puede generarse mediante la descomposición de la materia orgánica que se encuentra en la superficie del terreno. Así , pues, puede conducir a resultados equivocados. Por lo mismo, a fin de evitar esa contaminación, se han desarrollado técnicas pa ra recoger muestras de gas pro­cedentes de horizontes más profundos.

Una investigación modelo de gas requiere la perforación de pozos poco profundos (3 a 4 metros) con perforadores de núcleos con tamaño " A " , (aproximadamente 1 pulgada de diámetro) . Entonces se introduce en el pozo el muestreador de gas . Los muestreadores consisten en un tubo metálico con una abertura en el fondo que sirve para la extracción de los gases del terreno y un tipo de empaque pneumático o de hule para tapar o sellar el horizonte que se está muestreando. También puede usarse, para los propósitos de sella-miento, una columna de fluido de perforación colocada en la parte superior. L a Figura 5 representa un diagrama esquemático simplificado de un mues­treador pneumático de gas .

Sin embargo, a fin de obtener resultados más dignos de confianza, es ne­cesario tomar muestras de horizontes más profundos. Un muestreador de pozo profundo (20 a 25 cm) parece dar resultados satisfactorios (Kartsev et al., 1954, pág . 9 7 ) . Este muestreador se inserta en la perforación mediante su alambre. Como antes se mencionó, en las investigaciones de gases de los nú­cleos se ha encontrado que rinden mucho mejor resultado, porque permiten colectar muestras de gas procedentes de horizontes más profundos. Los gases absorbidos se extraen bajo vacío de los núcleos que se obtienen de las perfo­raciones, mentras que los gases libres solamente se obtienen empaendo mues­treadores de gas .

Otra versión de la investigación de gases es el método agua-gas , que fue primeramente estudiado por el famoso hombre de ciencia soviético G. A. Mo­gilevsky. Según Mogilevsky (comunicación personal en M o s c ú ) , dicho método se ha empleado con éxito en la U . R . S . S . L a investigación agua-gas puede em­plearse en conexión con el método hidroquímico y con estudios geológicos y geofísicos de la región y podría ser de gran ayuda para descubrir la presen­cia de yacimientos petrolíferos. Es importante hacer notar aquí que con la base en una investigación completa, los autores creen que los métodos geo­químicos de exploración tienen un promedio de éxito de 2 7 % .

En su camino hacia la superficie, los gases asociados con un yacimiento petrolífero frecuentemente encuentran agua subterránea. Así , pues, algunos de estos gases aparecen disueltos en el agua y se notan en las muestras de aguas obtenidas de pozos de agua, manantiales y en pozos perforados con fines exploratorios. Consecuentemente, la investigación agua-gas requiere la identi­ficación de gases de hidrocarburos contenidos en las muestras de agua. Los gases se extraen de las muestras de agua empleando el vacío y luego se pro­cede a su análisis buscando la presencia de hidrocarburos.

En las aguas que contienen gases de hidrocarburos, generalmente se encuen­tran microorganismos que utilizan a los hidrocarburos como elementos de vida y dichos microorganismos pueden emplearse para descubrir la presencia de aquellos gases. Una técnica empleada por Mogilevsky (comunicación personal

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A B O M B A

D E G A S

M A N Ó M E T R O

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11

E M P A Q U E

P N E U M A T I C O

F i g . 5 . — M u e s t r e a d o r p n e u m á t i c o d e g a s p a r a p o z o s p o c o p r o f u n d o s ( m o d i f i c a d o s e g ú n K a r t s e v , 1 9 5 4 , p á g . 9 5 , F i g . 1 4 ) .

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en Moscú) requiere la filtración del agua a través de un ultra-filtro y después la incubación de esas muestras concentradas de bacterias en atmósferas de diversos hidrocarburos (tales como metano, etano, propano y butano) . En caso de que las liacterias muestren crecimiento en lui período de dos semanas, la presencia de los gases de los hidrocarburos respectivos queda denotada en el agua contenida en el terreno. L a s muestras de agua también pueden em­plearse directamente sin recurrir a los procesos de filtración. El análisis agua-gas es un método muy económico y se recomienda en las investigaciones re­gionales de gas (1960, comunicación personal de Mogilevsky en M o s c ú ) .

I N T E R P R E T A C I Ó N D E L A S A N O M A L Í A S E N L A S I N V E S T I G A C I O N E S D E G A S E S S O B R E L O S Y A C I M I E N T O S P E T R O L Í F E R O S

A primera vista, una anomalía de gases con la más alta concentración de hidrocarburos en su porción central debería formarse directamente sobre un yacimiento petrolífero. Resultados de investigaciones de campo, sin embargo, indican la formación de anomalías tipo halo (en forina de anillo) que rodean la proyección superficial de la estructura. Para explicar estas anomalías, .se han propuesto muchas hipótesis (Mogilevsky, 1959, pág . 26.3; Soli, 1957) . Si se supone que la concentración de hidrocarburos es máxima directamente sobre el yacimiento (con valores decrecientes hacia la per i fer ia) , habrá un punto donde la concentración de los hidrocarburos sea suficiente para man­tener a bacterias específicas. En consecuencia, la cantidad de los gases de hi­drocarburos siempre se conserva en proporciones menores en la porción cen­tral del campo debido a la actividad de las bacterias (Soli, 1957, pág . 1 3 7 ) .

Si se considera que la permeabilidad sobre la estructura queda disminuida como consecuencia de la reducción de los sulfatos a sulfuros debido a la ac­ción de las bacterias reductoras de sulfatos, que por lo regular se encuentran presentes sobre los yacimientos petrolíferos, entonces los gases tienen que se­guir el camino de menor resistencia y causar anomalías con forma de halo. Las anomalías en forma de anillo podrían explicarse también mediante la presencia de más fracturas rodeando la estructura plegada que encima de la misma estructura, como queda indicado por diques anulares.

L a hipótesis de Mogilevsky (1959, págs . 264-265) se basa en el hecho de que junto con los gases de hidrocarburos generalmente se encuentran pre­sentes N., y CO., y en que la concentración del bióxido de carbono en exceso del 1 0 % tiende a deprimir la actividad de la micro-flora de los hidrocarburos. Y a que cercana a la periferia de la estructura generalmente se encuentra presente una concentración mayor de bióxido de carbono, donde tiende a disminuir la actividad bacteriana, entonces la concentración de hidrocarbu­ros es mayor en la periferia. Por otra parte, en la porción central de la es­tructura, donde la concentración de gases no-combustibles está al mínimo, los hidrocarburos son oxidados por la acción de las bacterias .Así, pues, en el centro, se presenta una concentración mínima de hidrocarburos y las inves­tigaciones de gas producen anomalías gaseosas del tipo de halo (en forma de anillos) (véase Fig. 6) . El mismo tipo de anomalías se obtiene también al usar el método de análisis de tierras, con el cual se mide la concentración del bi-tumen en las tierras.

INVESTIGACIÓN DE GASES

F i g . 6 . — E x p l i c a c i ó n d e M o g i l e v s k y p a r a l a s a n o m a l í a s d e g a s e s e n f o r m a d e h a l o ( M o ­g i l e v s k y , 1 9 5 9 , F i g . 7 ) 1 ) a g u a , 2 ) a c e i t e , 3 ) g a s y 4 ) " f i l t r o " b a c t e r i a l .

lado a otro debido a la migración no uniforme de los gases a lo largo de fallas y zonas de fracturamiento. El movimiento de las aguas subterráneas también es capaz de hacer cambiar a los gases siguiendo el buzamiento; estas anoma­lías que han cambiado de lugar se clasifican como indirectas. Así, pues, para la interpretación correcta de las investigaciones de gases, los estudios geoló­gicos y geofísicos del área en cuestión deben correlacionarse con las anoma­lías de gases.

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ME.XICAN.\ DE GEÓLOGOS PETROLEROS 2 7 7

Las investigaciones de gases indican también otros tipos de anomalías, tales como discontinuas, en manchas y fragmentadas. Si estas anomalías se sitúan directamente sobre una estructura petrolífera, se las llama anomalías directas. Algunas veces, sin embargo, las anomalías de gases cambian de un

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BOLETÍN DE LA ASOCIACIÓN

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