Caracterizacion Mediante Métodos Instrumentales Del Sello De

Transcript

Anuario de la Sociedad Cubana de Geología, No 1, 2013, págs. 13-17, ISSN 2310-0060 CARACTERIZACION MEDIANTE MÉTODOS INSTRUMENTALES DEL SELLO DE YACIMIENTOS PETROLEROS DE LA FRANJA NORTE DE CRUDOS PESADOS DE CUBA CARLOS MORALES ECHEVARRIA1, EDGAR A. GEORGE DE ARMAS2, SILIO LÓPEZ GUERRA3 y DORA GARCÍA DELGADO4 Centro de Investigaciones y Desarrollo del Petróleo (Ceinpet) Churruca No.481 e/ Vía Blanca y Washington, Cerro, La Habana 12000, Cuba. Correo: (1) [email protected], (2) [email protected] , (3) [email protected], (4) [email protected] RESUMEN La Franja Norte de Crudos Pesados representa la fuente principal de hidrocarburos cubanos. Sobre los reservorios se reportan varios espesores arcillosos. Tales secuencias de este tipo de rocas caracterizan sobre todo la base de la Formación Vega Alta, proporcionándole características de sello. La citada formación se caracteriza por una deposición caótica, donde la matriz es mayormente arcillosa y constituye una variedad de facies subordinadas, que se interdigitan con rápidos cambios laterales y longitudinales provocados por las diferentes fases de la actividad tectónica. Para el estudio y evaluación de las rocas como sello, se propuso un procedimiento que ofreciera un conocimiento integral sobre ellas y que permitiera la caracterización de la calidad del sello. Para la realización de la investigación se utilizaron cortes de rocas obtenidas durante el proceso de perforación. El referido procedimiento incluye un conjunto de técnicas que facilitaron la caracterización de las rocas, desde el punto de vista físico-químico. Entre las técnicas se citan: Fluorescencia de Rayos X y Microscopia Electrónica de Barrido. Se utilizaron conjuntamente técnicas ópticas, como la microscopia de luz polarizada, lo que facilitó la subdivisión en 10 facies del corte y su correlación en pozos con otras equivalentes en superficie. ABSTRACT The Heavy Oil North Belt of represents the main source of hydrocarbons in Cuba. Within the reservoirs occur several inter-bedded claystone strata of various thickness. These beds are more characteristic at the base of Vega Alta Formation, providing a seal for the reservoir. This formation corresponds to chaotic deposition, with an essentially clayed matrix and rapid lithological variations as a result of the tectonic activity. In order to evaluate the sealing properties of these rocks using the rock sections obtained during the drilling process, were applied x-ray fluorescence, scanning electron microscope (SEM), as well as polarized light microscopy. As a conclusion the stratigraphic sections were subdivided into ten facies, correlated between the wells and the outcrops. ANUARIO de la Sociedad Cubana © Sociedad Cubana de Geología, 2013. de Geología, No1, 2013, págs. , ISSN 2310-0060 13 C. Morales Echevarría et al. INTRODUCCIÓN El sello petrolero está constituido por secuencias de rocas impermeables, indispensable en la existencia de la trampa, la cual impide al fluido escapar permitiendo la conservación del mismo. Cuando estas rocas se localizan sobre rocas madres maduras, en gran parte controlan la distribución regional de hidrocarburos genéticamente relacionados, y se manifiestan como sellos. Estas rocas impermeables se caracterizan por porosidades y permeabilidades bajas lo cual provoca que la presión de flotabilidad de los hidrocarburos no produzca la invasión de sus espacios porales, y por lo tanto inhiben la migración secundaria a través de los mismos. Dichos sellos confinan la trampa evitando que los hidrocarburos alojados en el reservorio se escapen del mismo. Para realizar una valoración de la calidad del sello se toman en cuenta un conjunto de parámetros entre los que se encuentran la caracterización físico estructural y química de los minerales arcillosos. También son imprescindibles otros parámetros tales como laarcillosidad, espesor, hermeticidad y continuidad. Parámetros que estudiados de manera integral posibilitan la valoración de la calidad del sello (Viera, 2005). La formación Vega Alta constituye el sello regional en la Franja Norte de Crudos Pesados y la presencia de rocas arcillosas caracteriza generalmente dicha formación, proporcionándole un carácter sellante (Morales, 2008). Tales rocas se manifiestan como una compleja familia de aluminosilicatos cuyas propiedades principales se relacionan: • Morfología escamosa y fibrosa. • Pequeñez del tamaño de sus cristales, los cuales suelen alcanzar escasos micrones. • Elevado grado de complejidad química por ejemplo (Al2O3, x: SiO2, H2O + K2O, Na2O, CaO, MgO, Fe2O 3) Desde el punto de vista macroscópico las arcillas presentan semejanzas aunque sus características y propiedades difieren de modo considerable. La difracción de rayos x: hademostrado que las rocas arcillosas las constituyen predominantementeun grupo de sustancias cristalinas denominadas minerales de la arcilla y que son en esencia silicatos alumínicos hidratados. En algunos de ellos el aluminio está parcialmente sustituido por magnesio o hierro y los álcalinos y alcalinotérreos se presentan como constituyentes esenciales. Aunque una arcilla puede estar formada por un único mineral., por lo general ellas se manifiestan mezcladas con otros minerales tales como feldespatos, cuarzo, carbonatos y micas(Shvetsov, 1948). La investigación de las rocas que caracterizan el sello a través del microscopio de luz polarizada permitió la identificación de la fracción no arcillosa. Un comentario sea quizás oportuno respecto al empleo del microscopio petrográfico en el estudio de las arcillas. Es aceptado que dichatécnica es útil en la identificación de la fracción no arcillosa pero su aplicación es limitada, particularmente en la identificación de minerales de naturaleza arcillosa. Las finas diferencias entre ellos o la facilidad con que se descomponen térmicamente, hidratan, absorben 14 líquidos orgánicos o se transforman por efectos químicos o mecánicos, nulifican en determinado grado las técnicas de identificación petrográficas (Pablo, 1964). En el estudio de las rocas arcillosas se requiere el conocimiento de los minerales arcillosos que las componen, sus relaciones y características estructurales, por lo que se impone la aplicación de técnicas instrumentales de superior alcance. MATERIALES Y MÉTODOS Para la determinación de la composición química mediante la Fluorescencia de Rayos x: (FRX) y Microscopía Electrónica de Barrido con Microanalizador de Rayos x: (SEM), se tomaron muestras correspondiente a las facies arcillosa, arcillosa conglomerática y carbonatada silíceo arcillosa, tanto en pozos como en superficie. Las técnicas citadas ofrecen datos que garantizan la información de los compuestos químicos presentes, con lo que se logran los resultados de composición y propiedades físico químicas que complementan lainvestigación. Para la selección de muestras de superficie se realizaron campañas de campo en las provincias de Villa Clara y Sancti Spíritus durante los años 2006 y 2007, de esta forma estudiar las rocas que componen el sello en sus afloramientos típicos. Mediante Fluorescencia de Rayos x: se analizaron 5 muestras. Las muestras se tomaron fundamentalmente en la matriz arcillosa de la Formación Vega Alta. La muestra Ase tomó en un afloramientode la Formaciónen Placetas, Villa Clara. Las muestras B y C pertenecen a los núcleos 35 y 36 del pozo Boca de Jaruco 35. La muestra D y E se toman de cortes o muestras de canal del pozo Boca de Jaruco 805. La muestra D, representa un intervalo de naturaleza carbonatada arcillosa, mientras que al E es de naturaleza arcillosa (Fig.1). En el análisis de la Fluorescencia de Rayos X, se obtienen espectros en cuyos gráficos, en el eje de las ordenadas, se reportan los porcientos de las sustancias elementales presentes en las muestras y en el eje de las abscisas, los valores correspondientes a la dispersión de la energía propia a la espectrometría de fluorescencia de rayos X. Figura 1. Arcillas, muestra de canal del pozo Boca de Jaruco 35, profundidad vertical 1240 m, 30x, muestra E. ANUARIO de la Sociedad Cubana de Geología, No1, 2013, págs. 13-17 , ISSN 2310-0060 SELLO DE YACIMIENTOS PETROLEROS Para el análisis de Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), se seleccionan las muestras, C- núcleo 36, pozo Boca de Jaruco -35 y E- pozo Boca de Jaruco 805. Con la Microscopía electrónica de Barrido en la actualidad se posibilita ir un paso más allá del análisis de la sección delgada. El campo de observación se amplía entre10 x: a 20,000 x. Con tales aumentos se indaga mejor sobre la morfología de los minerales arcillosos y se examina la distribución de los poros enellos. El referido método de investigación se aplica con éxito en la exploración petrolera y ayuda en la identificación de microfósiles para determinar la edad y los paleoambientes. Así como resuelve problemas vinculados con la evaluación de la calidad de los reservorios a través de estudios diagenéticos. Resulta de indiscutible importancia también en el estudio de minerales arcillosos los cuales afectan la calidad de los reservorios. La determinación de la calidad del sello exige reconocer las especies arcillosas que lo componen. La aplicación de la citada técnica permite la observación tridimensional de aspectos texturales a elevados aumentos. El principio que caracteriza tal método investigativo lo rige la comparación de las características morfológicas de los minerales con su composición química elemental determinada por la aplicación de la fluorescencia. Se recomienda realizar conjuntamente siempre que sea necesario la técnica de difracción de rayos x: lo cual permite con mayor seguridad comprobar el diagnóstico. RESULTADOS En los espectros obtenidos a través de la aplicación de la Fluorescencia de Rayos x: (FRX) se detecta la presencia de Figura 2. Muestras A, B y, C, rocas de composición silicatada alumínica, de naturaleza arcillosa. silício (Si) como componente mayoritario que se adjudica a las fases silicatadas. En orden decreciente se relacionan los cationes de aluminio (Al), calcio (Ca), magnesio (Mg), sodio (Na), potasio (K) e hierro (Fe). Los espectros corresponden a las muestras de naturaleza arcillosa, la composición química evidencia el carácter silicatadoalumínico donde los elementos mayoritarios son: silíceo, aluminio, calcio y magnesio (figura. 2).Los contenidos de calcio justifican el carácter carbonatado de los sedimentos arcillosos, aspecto que se manifiesta en mayor o menor medida en tales rocas. Los elementos que se observan en menor proporción son hierro, potasio, azufre, se consideran no constituyentes en dichas arcillas y si contaminantes que se vinculan frecuentemente con las rocas adyacentes. El caso particular del azufre se asocia con hierro (pirita).Se constata con los análisis realizados las semejanzas que existen en la composición química tanto de las muestras de pozos como las de superficie aspecto que permite correlacionar estos sedimentos. Se muestra un espectro patrón perteneciente a la variedad de arcilla illita-smectita,obsérvese la similitud del espectro con los obtenidos de las muestras analizadas (Fig. 3). Se presentan los espectros de las muestras D y E (Fig. 4). La muestra D, se sometió a varios análisis para caracterizar su naturaleza, la cual respondió a cantidades variables de carbono y silício, obteniéndose dos espectros D-1 y D-2. Las muestras D se vincula a rocas de naturaleza carbonatada arcillosa. Se evidencia en el espectro D-1 el predominio de loscomponentes calcio y carbono y en el D-2 el predominio del silício. Esto caracteriza la composición de dichas rocas, las cuales constituyen rocas notablemente carbonatadas, algo arcillosas. La abundante presencia de restos fósiles de radiolarios donde su masa esquelética se compone principalmente de sílice, evidencia el alto contenido de silicio en algunos sectores de las muestras. La muestra E, evidencia en su composición su naturaleza arcillosa, similar a las muestras A,B Y C. Figura 3- Espectro de FRX de Illita –Smectita (E., Welton, J.1984). ANUARIO de la Sociedad Cubana de Geología, No1, 2013, págs. 13-17 , ISSN 2310-0060 15 C. Morales Echevarría et al. Figura 5. Micrografías-Illita-Smectita, muestra B Figura. 4. Espectros de las muestras, D y E Análisis de Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) Las micrografías obtenidas de las muestrasB y E, con la aplicación de esta técnica se obtuvieron con ampliación de 100 μm, (Figs. 5 y 6). Estas se comparan con micrografías patrones para estas rocas, las cuales aparecen en “Petrology Atlas”, Wilson 1984, página 88 (Fig. 7). En el atlas de referencia se muestra la micrografía perteneciente a arcillas del tipo illita-smectita. Se evidencia la gran semejanza percibida entre las morfologías caracterizadas por texturas que simulan vértebras o costillas. Tal textura es típica de las citadas arcillas (Figs. 5 y 6). La micrografía presentada en el atlas de referencia se ofrece en varias escalas donde se aprecian con aumentos del orden de 2000 x: y 10 000 X, las capas de arcillas mezcladas (Figs. 8 y 9). Figura 6. Micrografías-Illita-Smectita, muestra E-1240 DISCUSIÓN Las rocas arcillosas presentes en la Formación Vega Alta consLas rocas arcillosas presentes en la Formación Vega Alta constituyen el objeto principal de esta investigación, estas rocas se comportan como matrizaglutinando otros fragmentos de rocas de composición variada. Generalmente la base de la formación, sector más próximo a los reservorios presenta mayor concentración de rocas arcillosas en ocasiones intercaladas con silicitas y rocas de composición carbonatada arcillosa. Dada su posición y características mineralógicas de estas rocas se consideran la unidad sellante de la formación (Morales, 2008). También se puedenobservar importantes volúmenes de arcillas, actuando como matrizde los intervalos olistostrómicos. Los intervalos donde este porciento de matriz se manifiesta de forma elevada, también se pueden catalogar como intervalos sellantes. 16 Figura 7. Micrografía patrón, Illita-Smectita, según Petrology Atlas, (Welton, 1984) ANUARIO de la Sociedad Cubana de Geología, No1, 2013, págs. 13-17 , ISSN 2310-0060 SELLO DE YACIMIENTOS PETROLEROS elevados pesos moleculares. Dada estas características se afirma que las rocas arcillosas estudiadas constituyen barreras ante estos petróleos de naturaleza pesada. Figuras 8 y 9. Micrografías patrón,Illita-Smectitasegún Petrology Atlas, escala 2000 x: y 10 000 x: (Welton, 1984) En los análisis realizados se determinó la composición química cualitativa y cuantitativa de las rocas en estudio, lo que permite caracterizar la composición físico estructural de las arcillas en las que determinó la fase fundamental, arcilla interestratificada del tipo montmorillonita –illita. Las arcillas difieren en su mineralogía aunque, por supuesto, difieren en otras propiedades, tamaño de grano, capacidadde intercambio catiónico, plasticidad, permeabilidad, compactibilidad, volúmenes en seco y en estado húmedo, etc. El tamaño del grano es la característica física más importante. El orden de tamaño de las partículas arcillosas varía desde 0.004 mm hasta dimensiones coloidales, teniendo muchas especies arcillosas un diámetro inferior a 0.0002 mm. La determinación exacta del tamaño de grano en las arcillas, es compleja a causa de la tendencia de éstas a agruparse o flocular. El parámetro más importante a considerar para caracterizar la calidad del sello en las arcillas estudiadas es la permeabilidad. Las arcillas manifiestan baja permeabilidadlas aperturas intergranulares son demasiado pequeñas para permitir una circulación rápida (Morales 2008). En el caso que compete corresponde a la montmorillonita, la que presenta un tamaño de grano inferior en comparación con otros grupos de arcillas. El orden de colocación que generalmente decrece con el tamaño del grano es: caolinita >illita>montmorillonita, por lo que corresponde a esta última aperturas intergranulares pequeñas lo que las hace impermeables (Suárez, 2008). En la práctica los sellos más efectivos lo constituyen las rocas evaporíticas, los sedimentos clásticos de grano fino y las rocas ricas en materia orgánica (Downey, 2002). El carácter sellante de este grupo de arcillas se basa fundamentalmente en algunas de sus propiedades características como son: su elevada superficie específica, gran capacidad de hinchamiento, buena plasticidad y lubricidad, alta impermeabilidad, baja compresibilidad. Los petróleos con los cuales interaccionan tales rocas, se caracterizan por que en su composición aparecen macro moléculas que contienen nitrógeno y azufre. Son petróleos que por lo regular estuvieron sometidos a procesos biodegradantes y separación gravitacional. Desde el punto de vista químico posen elevado contenido de asfalteno, sustancias resinosas y elevada tendencia a la formación de coque lo que caracteriza a petróleos con Otro parámetro importante a considerar es el área superficial que se define como: el área de la superficie externa más la perteneciente a la interna (caso de que exista) de las partículas constituyentes, por unidad de masa, expresada en m2/g. El hecho de que las arcillas posean una elevada superficie específica hace que exista una mayor interacción sólido-fluido,esa interacción propicia mayores cualidades sellantes al quedar retenido y sin circulación parte de los fluidos interactuantes. Las arcillas del tipo de la montmorillonita presentan altos valores de área superficial entre 80-300 m2/g.Otras propiedades vinculadas a su morfología laminar, tales como plasticidad, hidratación y absorción hacen de las arcillas sustancias altamente reactivas lo que de una forma u otra influye en sus potencialidades sellantes. CONCLUSIONES -Las técnicas experimentales permitieron determinar la composición química de las rocas además se indicaron las características morfológicas de los minerales presentes, lo que evidencia la importancia de aplicación de las mismas en las investigaciones de las rocas arcillosas. -Los análisis determinaron que la fase fundamental es una arcilla interestratificada del tipo montmorillonita –illita. La montmorillonita presenta un tamaño de grano inferior al resto de las arcillas, por lo que infiere en aperturas intergranulares pequeñas, es lo que las hace impermeables. Dichas arcillas se caracterizan también por una elevada superficie específica, lo cual provoca que exista una interacción superior sólidofluido. Lo que propicia mayores cualidades sellantes al quedar retenido y sin circulación parte de los fluidos interactuantes. -La presencia del tipo de arcillas antes mencionado identifica la capacidad sellantes de tales rocas ante petróleos de naturaleza pesada y permite evaluar el sello regional de la franja norte de crudos pesados como un sello de buena calidad. BIBLIOGRAFÍA Downey, W., 2002. Hydrocarbon seal rocks: AAPG memoir 60, Edited by Leslie B. Magoon and Wallace G. Dow, 159 – 163. Morales, C., 2008. Estudio litólogo facial del sello en la Franja Norte de crudos pesados. Tesis presentada en opción al Título Académico de Maestría en Geología, Departamento de Geología, Universidad de Pinar del Río, 114 p. Pablo, L., 1964. Las arcillas clasificaciones, identificación, usos y especificaciones industriales: Boletín Sociedad Geológica Mexicana, número 2, 49-64. Shvetsov, M.S., 1948. Petrografía de Rocas Sedimentarias. Editorial Estatal de literatura geológica, – 386 p. Welton, Joann E., 1984. SEM Petrology Atlas. The American of Petroleum Geologists.1 ed. Tulsa, 237 p. Viera, M., R., García, 2005. Sedimentos sinorogénicos asociados a la FN de Cuba ysu relación con los sellos y reservorios. Memorias. I Convención Cubana de Ciencias de la Tierra; ISBN 959-7117-03-7. Suárez, M., 2008. Las Arcillas: Propiedades y uso: http://www.3.usa1.es/ ANUARIO de la Sociedad Cubana de Geología, No1, 2013, págs. 13-17 , ISSN 2310-0060 17