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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA CIENCIAS DE LA TIERRA UNIDAD TICOMAN APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO PETROLERO PRESENTA: LUISA ANAHI NORIEGA INFANTE. ASESOR: ING. A. ENRIQUE MORFIN FAURE. MÉXICO, DF MAYO 2010 AGRADECIMIENTOS A mis padres: Sin duda alguna este trabajo es dedicado a ustedes con todo mi amor y gratitud por ser la razón de mi existir porque sin su apoyo, comprensión y amor hoy no estaría aquí, ya que con sus esfuerzos y sacrificios hoy obtenemos un logro más en nuestras vidas. Gracias por creer en mí, por amarme, por existir, pero sobre todo por ayudarme a conservar la fe cuando la tenía perdida. Los amo padres! “Una casa será fuerte e indestructible cuando esté sostenida por estas cuatro columnas: padre valiente, madre prudente, hijo obediente y hermano complaciente”. A mi hermano: Tú también eres parte fundamental de esto, gracias por el apoyo y cariño que siempre me has brindado, esta es una prueba de que cuando uno lucha y quiere se puede! Estoy segura que pronto lo lograrás. Te amo hermano! A mis amigos: Tere, Pame, Rocío, Jesús, Quique, Franz, Hiram, Otto, Roberto, Didhier, Juan, por compartir buenos y malos momentos, pero sobre todo por su amistad,gracias por hacerme sentir como en casa aun cuando siempre estuve (estuvimos) a kilómetros de ella. A mi profesor y asesor Ing. Enrique Morfin Faure: Gracias por todo el apoyo y paciencia que siempre demostró. A mi alma máter: Gracias por recibirme cuando yo ya había comenzado y darme la oportunidad de crecer, aprender, independizarme, valorar y darme cuenta que al final del camino siempre llega la recompensa. Orgullosamente Politécnico! ¡Huélum, huélum, gloria A la cachi cachi porra A la cachi cachi porra Pim pom porra Pim pom porra Politécnico, Politécnico Gloria! CONTENIDO Objetivo Resumen Abstract Introducción Capítulo 1. Principios Físicos 1.1.‐Descripción de Partículas Atómicas 1.2.‐Radioactividad 1.2.1.‐Exposiciones y Fuentes de Radiación 1.2.2.‐Tipos de Radiación 1.3.‐ Mecanismos de Interacción 1.3.1.‐Factor Fotoeléctrico 1.3.2.‐Efecto Compton 1.3.3.‐Producción de Pares 1.4.‐ Naturaleza de la radioactividad Capítulo 2.Configuración de Herramientas 2.1.‐ Rayos Gama (GR) 2.1.1.‐Descripción General 2.1.2.‐Configuración de la Sonda 2.1.3.‐Especificaciones Técnicas 2.2.‐ Espectroscopía de Rayos Gama (NGT) 2.2.1.‐Descripción General 2.2.2.‐ Configuración de la Sonda 2.2.3.‐Especificaciones Técnicas 2.3.‐ Neutrón Compensado (CNL) 2.3.1.‐Descripción General 2.3.2.‐Especificaciones Técnicas 2.4.‐ Litodensidad (LDT) 2.4.1.‐Descripción General 2.4.2.‐Configuración del Patín 2.4.3.‐Específicaciones Técnicas Capítulo 3.Principio de Medición 3.1.‐Herramienta Rayos Gama 3.2.‐Herramienta Espectroscopia de Rayos Gama 3.3.‐Herrameinta Neutrón Compensado 3.4.‐Herramienta Litodensidad Capítulo 4.Presentacion del Registro 4.1.‐ Herramienta Rayos Gama 4.2.‐ Herramienta Espectroscopia de Rayos Gama 4.3.‐ Herramienta Neutrón Compensado 4.4.‐ Herramienta Litodensidad 1 2 4 5 8 9 10 10 11 13 13 14 15 16 18 19 19 19 21 22 22 22 24 25 25 26 27 27 28 29 30 31 33 35 37 38 39 41 43 45 Capítulo 5.Ventajas y Desventajas 5.1.‐ Herramienta Rayos Gama 5.2.‐ Herramienta Espectroscopia de Rayos Gama 5.3.‐ Herramienta Neutrón Compensado 5.4.‐ Herramienta Litodensidad Capítulo 6.Ejemplos de Aplicación Ejemplo 1 Ejemplo 2 Ejemplo 3 Ejemplo 4 Ejemplo 5 Ejemplo 6 Capítulo 7.Conclusiones y Recomendaciones Glosario de Sistemas de Registros Glosario de Términos Listado de Figuras Bibliografía 47 48 49 50 51 53 54 56 58 60 62 64 66 69 70 72 74 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 1 OBJETIVO El objetivo principal de este trabajo es la recopilación, integración y análisis de la información contenida en diversos libros y artículos técnicos, para saber cada una de las funciones de las herramientas de rayos gama, litodensidad, espectroscopía de rayos gama naturales y neutrón compensado. Así como las ventajas que se obtienen al utilizar cada sistema, y que a través de los ejemplos de aplicación se comprenda la importancia de los elementos básicos que un ingeniero petrolero debe tener para analizar e identificar las acumulaciones de hidrocarburos a través de los registros geofísicos. Se proporciona también 6 ejemplos prácticos para que los alumnos de Ingeniería Petrolera que cursen la materia de registros geofísicos puedan aprender a interpretar. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 2 RESUMEN Capítulo 1.-Principios Físicos Los principios físicos son la base para comprender el funcionamiento de los registros radioactivos que se toman en agujero descubierto y entubado. En este capítulo se analiza lo correspondiente a la respuesta en condiciones de agujero entubado. Capítulo 2.- Configuración de Herramientas Cada herramienta tiene una configuración de acuerdo al sistema comprendido de sensores y sistemas electrónicos, así como la telemetría bajo la cual se analiza cada señal medida y enviada al sistema de superficie. Capítulo 3.- Principio de Medición De acuerdo al modelo de herramienta radioactiva es el principio de medición, bajo el cual estos sistemas operan y miden las características petrofísicas de las rocas para su posterior transcripción al registro y su correspondiente análisis. Capítulo 4.- Presentación del registro Los registros de cada sistema consideran los diferentes parámetros de acuerdo al objetivo y al análisis petrofísico que se tiene que efectuar de acuerdo a las condiciones que guardan el pozo-formación. Capítulo 5.- Ventajas y desventajas Las herramientas radioactivas, de acuerdo a su aplicación en los pozos petroleros, presentan ventajas y desventajas, las cuales el ingeniero petrolero deberá considerar para su análisis correspondiente. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 3 Capítulo 6.- Ejemplos de aplicación Se proporciona información referente a la presentación de los registros así como su interpretación. Capítulo 7.- Conclusiones y Recomendaciones Comentarios referentes al desarrollo del trabajo, así como su análisis para mejorar la elaboración de este trabajo. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 4 ABSTRACT Chapter 1.- Physical Principles. The basic physical principles are the base to understand the performance of radioactive logs that are applied in open and cased hole. In chapter one we analyze the answer concerning to cased hole. Chapter 2.- Configuration Systems. In the second one each tool has a configuration according to the systems including sensors, electronic systems, telecommutingwhich it is analyzed each signal and it is sent to surface. Chapter 3.- Measuring Principles. According to the radioactive tool model, it is the measuring principles under which the system operates and measure the petrophysical characteristics and later to transcript to logs and analyzed. Chapter 4.- Logs Presentation. The logs in each system takes in consideration different parameters according to the objective and petrophysical analysis that we have to do according to the conditions of the reservoir. Chapter 5.- Advantages and Disadvantages. Radioactive tools according to the application in oil wells, have advantages and disadvantages, which the Petroleum Engineer must considerer to analyze. Chapter 6.-Example Logs. In this chapter we present and analyze some example logs. Chapter 7.- Comments and Recommendations. In this chapter we comment and recommend some aspects referring to radioactive logs. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 5 INTRODUCCIÓN Un médico se apoya en la radiología para estudiar alguna estructura a través de una imagen; de igual manera el ingeniero petrolero recurre a los registros geofísicos, que han llegado a ser tan indispensables, que sin ellos, la industria petrolera seguramente no existiría. Los registros geofísicos fueron introducidos a la industria petrolera hace más de medio siglo. Desde entonces muchos dispositivos se han desarrollado, así como la especialidad de registros geofísicos avanzó, así también la manera de interpretar sus datos. En la actualidad el análisis detallado de los registros proporcionan valores exactos de la saturación de agua o hidrocarburos, porosidad, litología del yacimiento, si son interpretados de manera correcta. En la presente tesis se habla de los registros radioactivos más utilizados en la industria petrolera, la cual a pesar de su constante desarrollo tecnológico, siempre ha recurrido a la operación de alguna herramienta radioactiva. Hay que tener en cuenta que los registros son un valioso apoyo para conocer las condiciones generales del pozo y el tipo de formación que se desea evaluar. Y que para el ingeniero los registros son sus ojos dentro del pozo y que como tales, cada detalle que se presente es importante para la operación y vida del pozo. Por lo tanto la toma de registros es el medio más empleado para la obtención de la información que se requiere para la explotación de los yacimientos, permitiendo definir los intervalos donde se encuentran los hidrocarburos. La información adquirida a través de los registros permite realizar un análisis económico, con los que se pueden llegar a realizar pozos más costeables y productivos. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 6 HISTORIA DE LAS HERRAMIENTAS DE REGISTROS Las diversas herramientas de registros geofísicos han ido apareciendo a través del tiempo como a continuación se menciona: 1927: Toma del primer registro eléctrico por los hermanos Schlumberger. 1930.-Se combinan las mediciones Potencial Natural (SP), Normal Corta, Normal Larga y Lateral. Se toman muestras de núcleos (Core Sample Taker) 1940.-Medición de Rayos Gama Neutrón, Echados con tres brazos SP, mediciones eléctricas, y el registro de inducción. 1950.- Introducción de herramientas de Microresistividad, Lateral Prueba de Formación. 1960.-Introducción de la herramienta de Densidad de Formación. Actualmente se utiliza la herramienta de Litodensidad, la cual da una idea de la litología. 1970.- Generación de los equipos Neutrón de Doble Espaciamiento, Echado de cuatro Brazos, Sistemas superficiales computarizados, Propagación Electromagnética y Pruebas Repetidas. 1980.- Aparición de las herramientas de Imágenes Resistivas Sónicas Avanzadas, herramienta de Espectroscopía de Rayos Gama Naturales (NGT). 1990.- Se introducen las herramientas de Imágenes de Inducción, Lateral Azimutal, Imágenes Ultrasónicas, Porosidad Epitermal y Resonancia Magnética. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 7 APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 8 CAPÍTULO 1 PRINCIPIOS FÍSICOS INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 9 1.1.- Descripción de Partículas Atómicas Básicamente los electrones (e), protones (p) y neutrones (n) son las partículas del modelo atómico (Fig.1). El núcleo es la parte central del átomo la cual tiene una carga positiva y es en la que se encuentra concentrada casi toda su masa. Está formado por neutrones y protones. La cantidad de protones es llamada número atómico y es determinante del comportamiento químico del elemento al que el átomo pertenece, mientras que la suma de ambos tipos de partículas se denomina número de masa. El protón tiene carga igual al del electrón, pero de signo opuesto y su masa es aproximadamente 2000 veces más grande que la del electrón. Un solo protón comprende el núcleo del hidrógeno. Los protones por su carga y gran masa tienen poca penetración. El neutrón es una partícula sin carga cuya masa es igual a la del protón. El hecho de no poseer carga le da la propiedad de poder penetrar profundamente, lo que lo hace ideal para su empleo en registros. El electrón es una partícula elemental ligeramente estable que tiene carga eléctrica negativa, debido a esto es detenido por materiales de pocos centímetros de espesor. El fotón es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación. El fotón tiene una masa invariante cero y viaja en el vacío con una velocidad constante. Figura 1.-Modelo atómico. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 10 1.2.- Radioactividad La radioactividad tiene su origen en el núcleo de los átomos. La causa de este fenómeno es la defectuosa relación que en muchos núcleos existe entre el número de neutrones y de protones, estos núcleos son inestables. Estos núcleos inestables se estabilizan emitiendo partículas que modifican el número de protones o de neutrones hasta alcanzar una relación entre ellos que sea estable, de este modo se transforman en otro núcleo de un elemento distinto, a estos núcleos se les llama radioactivos. 1.2.1.- Exposiciones y Fuentes de Radiación Como no se perciben con los sentidos, las radiaciones se miden por los efectos que producen en el medio que atraviesan. Para medir la radiación se utilizan instrumentos electrónicos muy sensibles que detectan pequeñas cantidades de radiación. Los materiales radioactivos emiten radiación ionizante penetrante que puede dañar los tejidos vivos. La unidad que suele emplearse para medir la dosis de radiación equivalente en los seres humanos es el milisievert. Un ser vivo puede estar sometido a radiaciones originadas en fuentes externas, es decir materiales con los que no se tiene contacto físico, o en fuentes internas, debido a la ingestión e inhalación de materiales radioactivos como consecuencia del pasaje de los mismos a la atmósfera o a las cadenas alimenticias. El 88% de la dosis efectiva recibida por un individuo procede de fuentes naturales. Del 92% correspondiente a las fuentes artificiales, el 94.5% son consecuencia de aplicaciones médicas y el 5.5% restante son ocasionadas por otras fuentes (lluvia radioactiva, centrales nucleares, industrias, bienes de consumo).De estas cifras surge la importancia de estudiar con detenimiento los efectos de las radiaciones de origen nuclear sobre el ser humano, ya que esto es particularmente importante para los trabajadores de algunas industrias tales como las del petróleo y gas. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 11 1.2.2.-Tipos de Radiación La radioactividad se define como la desintegración espontánea de átomos acompañada por la emisión de radiación, que puede ser de partículas Alfa (α), Beta (β) y Gama (γ). Rayos α.- Se caracterizan por su carga positiva, constituidos por dos protones y dos neutrones. La utilidad de estos en los registros ha sido limitada debido a que son absorbidos fácilmente por la formación (Fig.2). Rayos β.- Son electrones emitidos cuando un neutrón decae convirtiéndose en protón, por lo tanto poseen carga negativa, su empleo también está limitado en los registros (Fig.3). Rayos γ.- Ondas electromagnéticas de alta frecuencia las cuales viajan a la velocidad de la luz, también llamadas fotones. Este tipo de radiación es el de mayor penetración, es por esto que su aplicación en los registros radioactivos es de gran importancia (Fig.4). Pueden ser absorbidos por tres mecanismos que están relacionados con la energía del rayo gamma y del número atómico. • Efecto Fotoeléctrico. • Efecto Compton. • Producción de Pares. Figura 2.- Generación de partículas α y su interacción con el medio. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 12 Figura 3.- Generación de partículas β y su interacción con el medio. Figura 4.- Generación de partículas γ y su interacción con el medio. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 13 1.3.-Mecanismos de Interacción 1.3.1.- Factor Fotoeléctrico Se presenta a energías relativamente bajas, menores a 100 KeV, cuando un rayo γ puede transmitir toda su energía a los electrones de un átomo y como resultado el fotón desaparece y el electrón es expulsado de su órbita (Fig.5). En estas condiciones el electrón recibe el nombre de fotoelectrón. La sección de absorción fotoeléctrica (Pef), depende del número atómico de los átomos de la formación, por lo que la absorción fotoeléctrica es útil como identificador de litología. La absorción de los rayos γ por efecto fotoeléctrico es mayor mientras mayor sea el número atómico de los elementos absorbentes. A mayor sección de captura fotoeléctrica del átomo, mayor probabilidad de que ocurra el fenómeno fotoeléctrico. Figura 5.- Efecto Fotoeléctrico. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 14 1.3.2.- Efecto Compton Los rayos γ en un rango de energía de 75KeV-2MeV, interactúan con la materia básicamente a través de una dispersión. Aquí el fotón transfiere solamente parte de su energía a uno de los electrones del átomo, los electrones son rechazados de su órbita, y los fotones surgen con una pérdida de energía y una trayectoria desviada (Fig.6). Estas reacciones pueden ser consideradas como choques elásticos. El efecto Compton es una función de la densidad electrónica (ρe) y disminuye cuando se incrementa la energía pero mucho más lentamente que con la absorción fotoeléctrica. Figura 6.- Efecto Compton. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 15 1.3.3.- Producción de Pares Como se ha observado, un fotón puede ceder toda o parte de su energía a un electrón. Pero también es posible que un fotón se materialice en un electrón y un positrón, proceso en el que la energía electromagnética se transforma en energía en reproceso, es decir, que en este proceso la energía se convierte en masa. Se produce cuando un fotón en virtud de su alta energía, penetra al material a mayor profundidad antes de chocar; al ocurrir la colisión se genera un par de partículas en la vecindad del núcleo que son un positrón y un electrón. La producción de un par no puede ocurrir si la energía del fotón incidente es menor a 2 MeV, por lo anterior que este mecanismo de absorción se presenta cuando los niveles de energía de los rayos γ son altos (Fig.7). Figura 7.-Producción de Pares. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 16 1.4.- Naturaleza de la radioactividad La mayoría de los núcleos que existen en forma natural son estables y conservan su estructura por tiempo indefinido, no obstante algunos de ellos no son estables y se dice que son radioactivos. Algunos elementos como el Uranio y Radio tienen la propiedad de irradiar energía espontáneamente sin excitación externa, por tal motivo se les denomina elementos radioactivos naturales. Se ha observado que todas las rocas en particular las sedimentarias, presentan cierta radioactividad natural en cantidades variables. Los elementos de las tres familias radioactivas que se presentan con mayor frecuencia son: • Torio. • Uranio. • Potasio. Estos son los únicos isótopos inestables que por su degradación producen una apreciable cantidad de rayos gama y cuya vida media es suficientemente larga. En la tabla 1, se presentan las propiedades químicas, transporte y ocurrencia de las tres principales familias radioactivas. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 17 Elemento Isotopos Propiedades Químicas Transporte Ocurrencia K K39 • Valencia 1+ • Es soluble • En solución (grandes distancias) • Feldespatos y minerales micáceos en suspensión • Sedimentos detríticos. • En sedimentos inmaduros • En arcillas micáceas • Sedimentos químicos • En evaporitas Th Th232 • Valencia 4+ • Es insoluble • Únicamente en suspensión • Solamente en sedimentos detríticos • En minerales arcillosos y pesados • En cenizas volcánicas U U239 • Valencia 4+ y 6+ • U4+ es insoluble • Dependiendo del pH y en el ion UO2+ se combina con sulfatos, carbonatos o materiales orgánicos. • En solución • En suspensión • Sedimentos, detríticos • En minerales arcillosos, pesados. • En cenizas volcánicas • Sedimentos químicos • En carbonatos • En fosfatos • En materia orgánica Tabla 1.- Propiedades Químicas de los Elementos Radioactivos. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 18 CAPÍTULO 2 CONFIGURACIÓN DE HERRAMIENTA INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 19 2.1.- Rayos Gama (GR) 2.1.1.- Descripción General El registro de rayos gama (GR) es una medición de la radioactividad natural de las formaciones. Es la única medida pasiva, es decir que la formación no es alterada de ninguna forma por el método de medición o por la invasión. 2.1.2.- Configuración de la Sonda La sonda de de Rayos Gama está compuesta por: ‐ Detector tipo centelleo, contenido en un cristal de Yoduro de Sodio y un tubo fotomultiplicador. ‐ Cartucho electrónico: preamplificadores de impulsos, amplificador, analizador de amplitud. ‐ Equipo auxiliar: cable, accesorios. El cartucho se encarga de recibir y procesar las señales que son mandadas por el detector, posteriormente se presentan en el registro en el rango que el operador seleccione, de acuerdo a la figura 8. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 20 Figura 8.- Configuraciónde la sonda de rayos gama. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 21 2.1.3.- Especificaciones Técnicas Algunas de sus especificaciones son: ‐ Velocidad de desplazamiento 20 m/min. ‐ Presión Máxima 2000 psi. ‐ Temperatura Máxima 350° F. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 22 2.2.- Espectroscopía de Rayos Gama Naturales (NGT) 2.2.1 Descripción General Los rayos gama están conformados por las contribuciones variables de los elementos de las tres series naturales. Como su magnitud depende de diversos factores geológicos, tales como el ambiente de depósito, el conocimiento de los rayos gama de acuerdo a su espectro permite un mejor entendimiento del yacimiento, lo que hace que este tipo de mediciones brinde mucha más información que los registros convencionales. 2.2.2.- Configuración de la Sonda La herramienta NGT se compone de: -Sistema de telemetría. -Cabeza adaptadora. -Cartucho electrónico. -Detector tipo centelleo. -Nariz de hule. Con el fin de correr el NGT descentralizado, es necesario el uso de un adaptador y un sistema excentralizador para pegar la herramienta a la pared del agujero. (Fig. 9) INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 23 Figura 9.- Configuración de la Sonda del NGT. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 24 2.2.3.- Especificaciones Técnicas Algunas de las especificaciones técnicas del sistema NGT son: ‐ Presión máxima 20000 psi. ‐ Temperatura máxima 300°F (149°C). ‐ Velocidad máxima de registro 900 pies /hora. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 25 2.3.- Neutrón Compensado (CNL) 2.3.1 Descripción General El sistema está constituido por dos detectores de centelleo (detector cercano y lejano) y una fuente radioactiva generadora de neutrones de Americio-Berilio, así como la electrónica correspondiente para procesar las mediciones, también cuenta con un brazo excentralizador cuya función es operar el sistema pegado a la pared de pozo (Fig.10). Así mismo se compone de una sonda hidráulica y un sistema electrónico. Figura.10 Configuración del Sistema CNL. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 26 2.3.2 Especificaciones Técnicas Algunas de las especificaciones técnicas de la herramienta CNL son: ‐ Presión máxima 20000 psi. ‐ Temperatura máxima 350°F ‐ Combinabilidad Se combina con las herramientas de litodensidad, rayos gama, espectroscopía de rayos gama naturales y coples. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 27 2. 4.- Litodensidad (LDT) 2.4.1.- Descripción General El sistema de litodensidad está constituido por una sonda, cartucho electrónico, sensores denominados detectores de centelleo, fuente radioactiva de Cesio 137, sistema de telemetría y un patín (Fig.11). Figura 11.- Configuración del sistema de litodensidad. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 28 2.4.2.- Configuración del patín La sonda mantiene el patín apoyado contra la pared y produce una señal constante que es función del diámetro del pozo. Los detectores se encuentran en el patín, y están acoplados a un cristal y un tubo fotomultiplicador, los cuales están protegidos por el efecto de temperatura. También contiene módulos electrónicos, dos fuentes de alta tensión independientes y dos amplificadores de pulsos (Fig. 12). Cuando se pretende efectuar una medida, se coloca la fuente de Cesio 137 de 1.5 Curie en una cavidad en la parte inferior del patín. Un blindaje pesado de Tungsteno impide prácticamente radiación lateral y hacia atrás. Figura 12.- Patín PDH-L. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 29 2.4.3 Especificaciones Técnicas Algunas de las especificaciones de la herramienta LDT son: ‐ Presión Máxima 20000 lb/pulg2. ‐ Temperatura Máxima 350°F. ‐ Combinabilidad Se combina con neutrón compensado, rayos gama y espectroscopía de rayos gama naturales. ‐ Velocidad de Registro 1800 pies/hora. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 30 CAPÍTULO 3 PRINCIPIO DE MEDICIÓN INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 31 3.1.- Rayos Gama (GR) Es un sistema que mide la radioactividad natural de la formación en forma espontánea de acuerdo al tipo de roca. Las formaciones son radioactivas y la herramienta mide este fenómeno natural para conocer el tipo de formación en la que se encuentra el pozo. La herramienta opera en forma centralizada o excentralizada, para que los detectores midan la radiación natural de la formación. Los rayos gama actúan con algunos cristales para producir rayos de diferente intensidad el cual se convierte en luz visible. Los electrones se trasladan al fotocátodo con la cual se forma una señal electrónica denominada impulso por el tubo fotomultiplicador, el cual procede a amplificar dicha señal. El cristal utilizado normalmente es a base de Yoduro de Sodio (NaI) (Fig. 13). Figura 13.- Principio de medición de la herramienta de rayos gama. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 32 En su paso por la formación los rayos gamma pierden energía por colisiones, fenómeno denominado efecto compton, y son absorbidos por los átomos de la formación liberando electrones, fenómeno denominado efecto fotoeléctrico. El grado de absorción varía con la densidad de la formación. De dos formaciones con la misma cantidad de material radioactivo por unidad de volumen pero de diferente densidad, la menos densa se mostrará como más radioactiva en el perfil de rayos gama. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 33 3.2.- Espectroscopía de Rayos Gama (NGT) El sistema utiliza un detector de centelleo de Yoduro de Sodio para medir los rayos gama emitidos por la formación. Son dispersados y pierden energía por medio de tres interacciones posibles con la formación: el efecto fotoeléctrico, la efecto compton, y la producción de pares debido a estas interacciones y a la respuesta del detector de centelleo de Yoduro de Sodio los picos originales de los espectros (Fig. 14); se convierten en los espectros (Fig.15). La parte de alta energía del espectro detectado se divide en tres ventanas de energía, Wl, W2 y W3; cada una de las cuales cubre un pico característico de las tres series de radioactividad. Conociendo la respuesta de la herramienta y el número de conteos en cada ventana es posible determinar las cantidades de Torio 232, Uranio 238 y Potasio 40 en la formación. En el rango de alta energía hay relativamente pocos conteos, dado que a través de un sistema electrónico llamado discriminador se eliminan las mediciones sujetas a variaciones estadísticas, aún con bajas velocidades de registro. Al incluir en lasmediciones una contribución de la parte baja del espectro del rango de energía, el cual tiene una alta velocidad de conteo (ventanas W4 y W5), se reducen estas variaciones estadísticas en las ventanas de alta energía por un factor de 1.5 a 2,utilizando una técnica de filtrado que compara los conteos a una profundidad particular con los valores correspondientes a profundidades anteriores, de tal manera que los cambios irrelevantes (ruido) se eliminen y al mismo tiempo se retengan los efectos de los cambios en la formación. Normalmente se presentan en la película los datos finales filtrados, aunque los datos primarios sin filtrar siempre se registran en forma posterior. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 34 Figura 14.- Espectros de emisión de los rayos gama Figura 15.- Respuesta de las curvas de K, Th, U, controladas por varias ventanas que seleccionan la intensidad radioactiva de cada elemento. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 35 3.3- Neutrón Compensado (CNL) La herramienta de Neutrón compensado utiliza una fuente radiactiva (emisor de neutrones rápidos) y dos detectores, su medición se basa en la relación de conteos de estos dos detectores, esta relación refleja la forma en la cual la densidad de neutrones decrece con respecto a la distancia de la fuente y esto depende del fluido (Índice de hidrógeno) contenido en los poros de la roca y por lo tanto de la porosidad. La fuente radioactiva en la sonda emite constantemente neutrones de alta energía (rápidos), estos neutrones chocan con los núcleos de los materiales de la formación en lo que podría considerarse como colisiones elásticas, con cada colisión, el neutrón pierde algo de su energía (Fig. 16). Figura 16-. Representación de los choques. La cantidad de energía perdida en cada colisión, depende de la masa relativa del núcleo con el que choca el neutrón. La mayor pérdida de energía ocurre cuando el neutrón golpea un núcleo con una masa prácticamente igual, es decir un núcleo de Hidrógeno. Las colisiones con núcleos pesados no desaceleran mucho al neutrón. Por lo tanto, la desaceleración de neutrones depende en gran parte de la cantidad de Hidrógeno de la formación. Debido a las colisiones sucesivas, en unos cuantos microsegundos los neutrones han disminuido su velocidad a un nivel térmico correspondiente a energías cercanas a 0.025 eV. Entonces se difunden aleatoriamente, sin perder más energía, hasta que son capturados por los núcleos de átomos como el Cloro, Hidrógeno o Silicio. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 36 El núcleo que hace la captura, se excita intensamente y emite un rayo gama de captura de alta energía. Dependiendo del tipo de herramienta de neutrones, un detector en la sonda capta estos rayos gama de captura o los neutrones mismos. Cuando la concentración de hidrógeno del material que rodea a la fuente de neutrones es alta, la mayoría de estos son desacelerados y capturados a una corta distancia de la fuente; por el contrario, si hay poca concentración de hidrógeno, los neutrones se alejarán de la fuente antes de ser capturados y de acuerdo con esto, la tasa de conteo en el detector aumentará para bajas concentraciones de hidrógeno y viceversa. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 37 3.4. Litodensidad (LDT) El principio físico de la herramienta LDT, es la interacción con la formación de los rayos gama, esta interacción se debe principalmente a la dispersión Compton con los electrones orbítales. El número de dispersiones que ocurre está directamente relacionado con el número de electrones en la formación, por lo que la respuesta del sistema depende de la densidad electrónica (ρe) de la formación por lo que se obtiene una relación entre la densidad electrónica y la densidad verdadera. Para la obtención de la densidad se mide el conteo de rayos gamma que llegan a los detectores después de interactuar con el material entre ellos. Ya que el conteo obtenido es función del número de electrones por cm3 y este se relaciona con la densidad real del material, es posible la determinación de la densidad. La identificación de la litología se hace por medio de la medición del “índice de absorción fotoeléctrica”, el cual es una cuantificación de la capacidad del material de la formación para absorber radiación electromagnética mediante el mecanismo de absorción fotoeléctrica. (Fig. 17). Figura 17.- Indicadores del efecto compton y el efecto fotoeléctrico. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 38 CAPÍTULO 4 PRESENTACIÓN DEL REGISTRO INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 39 4.1.- Rayos Gama (GR) Presentación del Registro combinado AIT+GR (Fig.18). Carril 1 Unidades GR (Rayos Gama) API Caliper (Diámetro del pozo) Pulg Velocidad de desplazamiento de la herramienta mts/min Carril de Profundidad Unidades Profundidad Mts Tensión del cable Psi Carril 3 y 4 Unidades Curva 10 pulg. Ohm-m Curva 20 pulg. Ohm-m Curva 30 pulg. Ohm-m Curva 60 pulg. Ohm-m Curva 90 pulg. Ohm-m INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 40 Figura 18.- Presentación del Registro combinado AIT + GR. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 41 4.2.- Espectroscopía de Rayos Gama (NGT) En la figura 19, se presenta el registro NGT, con la siguiente descripción: En el Carril 1 las curvas de rayos gama GR 1 y GR 2, Caliper. Carril 1 Unidades GR 1 API GR 2 API Caliper (Diámetro del pozo) Pulg Carril de Profundidad Unidades Profundidad mts Tensión del Cable psi Carril 2 Unidades Torio (Th) ppm Carril 3 Unidades Potasio (K) % Uranio (U) ppm INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 42 Figura 19.- Presentación del registro de espectroscopía de rayos gama. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 43 4.3.- Neutrón Compensado (CNL) La figura 20, corresponde a la presentación del registro CNL que a continuación se describe. Carril 1 Unidades GR (Rayos Gama) API Caliper (Diámetro del pozo) Pulg Bit Size (Diámetro de barrena) Pulg Velocidad de desplazamiento mts/min Carril de profundidad Unidades Profundidad mts Tensión del Cable psi Carril 2 y 3 Unidades (Porosidad densidad) u.p (Porosidad neutrón) u.p INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 44 Figura 20.- Presentación del registro de neutrón compensado. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 45 4.4.- Litodensidad (LDT) Se describe la presentación del registro LDT el cuál se aprecia en la figura 21. Carril 1 Unidades GR (Rayos Gama) API Caliper (Diámetro del pozo) pulg Bit Size (Diámetro de la barrena) pulg Velocidad de desplazamiento mts/min Carril de Profundidad Unidades Profundidad mts Tensión del Cable psi Carril 2 Unidades Factor fotoeléctrico bar/e Carril 3 Unidades ∆ gr/cc Carril 4 Unidades Densidad de la formación gr/cc Porosidad neutrón up INSTITUTOPOLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 46 Figura 21.- Presentación del registro de litodensidad. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 47 CAPÍTULO 5 VENTAJAS Y DESVENTAJAS INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 48 5.1.- Rayos Gama (GR) Ventajas ‐ Combinable con otras herramientas. ‐ Operable en agujero entubado o descubierto. ‐ Operable con cualquier tipo de lodo. ‐ Determina el volumen de arcilla. ‐ Determina litología. ‐ Mide la radioactividad generada por la formación. ‐ Determina presencia de lutitas. ‐ Determina presencia de formaciones limpias. ‐ Aplicable para cualquier litología. ‐ Operable en cualquier tipo de pozo. ‐ Operable actualmente. Desventajas ‐ Afectada si la presión de la columna hidrostática es mayor a 20,000 psi. ‐ Se afecta cuando la temperatura de la formación es mayor a 350°F. ‐ Afectada por presencia de cavernas o derrumbes. ‐ Afectada si se opera a través de dos tuberías. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 49 5.2.- Espectroscopía de Rayos Gamma (NGT) Ventajas ‐ Operable en forma combinada. ‐ Operable en agujero entubado o descubierto. ‐ Operable en cualquier tipo de lodo. ‐ Mide la radioactividad natural de la formación. ‐ Calcula el volumen de U, Th, K contenido en la formación. ‐ Identifica zonas arcillosas. ‐ Determina el volumen de arcilla. ‐ Determina el tipo de arcilla. ‐ Operable en forma excentralizada. ‐ Se puede correlacionar con toda la gama de registros. ‐ Operable en pozos verticales y subverticales. ‐ Identificación de Litología. ‐ Estudios de ambientes deposicionales. ‐ Identificación de fracturas. Desventajas ‐ Medición afectada por cavernas, derrumbes. ‐ Afectada cuando la presión es mayor a 20,000 psi. ‐ Afectada cuando la temperatura de la formación es mayor a 350°F. ‐ Los datos obtenidos en el registro no son confiables cuando la herramienta se corre a través de dos tuberías. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 50 5.3.- Neutrón Compensado (CNL) Ventajas ‐ Determina la porosidad de la formación. ‐ Mide el contenido de hidrógeno en la formación. ‐ Medición confiable en altas y bajas porosidades. ‐ Determina el volumen de arcilla. ‐ Determina el avance de fluidos en la formación. ‐ Determina litología. ‐ Determina la presencia de fluidos (gas, agua). ‐ Operable en forma combinada. ‐ Operable en cualquier tipo de lodo. ‐ Operable en agujero entubado o descubierto. ‐ Operable en forma centralizada. ‐ Para una mayor precisión al determinar la porosidad y la saturación de gas en zonas de gas, el registro de neutrones debe corregirse para efecto de excavación. Desventajas ‐ Afectada cuando la temperatura de la formación es mayor a 350°F. ‐ Afectada si la presión es mayor a 20,000 psi. ‐ Medición afectada por la presencia de cavernas y derrumbes. ‐ Inoperable en forma excentralizada. ‐ No es confiable al operarse a través de dos tuberías. ‐ Diámetro del pozo 20 pulgadas. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 51 5.4.- Litodensidad (LDT) Ventajas ‐ Operable solo en agujero descubierto. ‐ Determina presencia de fracturas. ‐ Operable en cualquier tipo de lodo. ‐ Operable en forma combinada. ‐ Mide la densidad de la formación. ‐ Determina la porosidad. ‐ Mide el diámetro del pozo y el efecto fotoeléctrico. ‐ Determina presencia de contactos y cambios litológicos. ‐ Determina presencia de gas y agua en la formación. ‐ Operable en pozos verticales y subverticales. ‐ Operable en forma excentralizada o centralizada. ‐ Determina el volumen de arcillas. ‐ Mediante algoritmos puede determinar zonas de alta presión. ‐ Determina cuerpos de espesores menores a 1 ft. ‐ El parámetro del Factor fotoeléctrico no se afecta por cambios de porosidad. ‐ El registro de litodensidad permite hacer evaluaciones más precisas, especialmente en los casos siguientes: *Formaciones Gasíferas. *Litologías Complejas. *Detección de Minerales Pesados. *Formación de baja porosidad. *Detección de Fracturas. *Mineralogía de Arcilla. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 52 Desventajas ‐ Inoperable en agujero entubado. ‐ La medición del Factor Fotoeléctrico en lodos base barita es afectada. ‐ Afectada por la presencia de cavernas, rugosidad en la pared del pozo y derrumbes. ‐ La densidad medida es afectada por cambios en la porosidad. ‐ Afectada cuando la presión de la columna es mayor a 20,000 psi. ‐ La herramienta no debe correrse a una velocidad mayor de 12 mts/min. ‐ Su radio de investigación es de 4 a 5 pulgadas. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 53 CAPÍTULO 6 EJEMPLOS DE APLICACIÓN INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 54 EJEMPLO 1 Figura 22.- Registro de espectroscopia de rayos gama naturales. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 55 EJEMPLO 1 (Fig.22) Herramienta Carril Explicación N G T Carril 1 Se guarda un paralelismo en las curvas de rayos gama, lo cual indica presencia de lutitas. Carril 2 A la profundidad de 1410 metros a 1430 metros la curva de uranio tiende a aumentar al igual que las 2 de rayos gama tienden a separarse, lo cual representa una formación con alto contenido de uranio, así mismo de torio por el comportamiento similar. Carril 3 La curva de potasio tiende a disminuir a lo largo del registro; este último intervalo reviste importancia, el cual deberá de correlacionarse con los registros en agujero descubierto para analizar la probabilidad de contener hidrocarburos. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 56 EJEMPLO 2 Figura 23.- Registro de espectroscopia de rayos gama naturales. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 57 EJEMPLO 2 (Fig.23) Herramienta Carril Explicación N G T. Carril 1 Las curvas GR y GR* en un rango de 0 a 150 unidades API de 3200 a 3680 pies presenta una tendencia a aumentar y un paralelismo lo cual indica presencia de lutitas, sin embargo de 3680 a 3760 se tiene una tendencia disminuir en las curvas de gama. Carril 4 y 5 De 3200 metros a 3680 metros se certifica la presencia de lutitas con el incremento en la curva del Torio y la disminución de la de Potasio, mientras que de 3680 metros a 3760 metros disminuyen las curvas de torio y potasio. 3750 pies hacia abajo localiza el basamento. Como es de esperar la concentración de potasio en el basamento es muy alta debido a la presencia de feldespatos y micas; además su influencia en la radioactividad total es tan importante en este caso como la influencia del Torio. Carril 3 La relación Torio entre Potasio indica que las formaciones por encima del basamento corresponden a la formación Oligoceno-Mioceno.Este registro se correlacionó con un doble inducción con potencial natural el cual no se presenta en este ejemplo pero nos ayuda a determinar el contacto mencionado con anterioridad. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 58 EJEMPLO 3 Figura 24.- Registro combinado de litodensidad, neutrón compensado y rayos gama. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 59 EJEMPLO 3 (Fig.24) Herramienta Carril Explicación R eg is tr o co m bi na do d e R ay os G am a, C N L y LD T. Carril 1 A la profundidad de 4630 a 4700 metros se observa un aumento en los rayos gama, así también de 4770 a 4810metros aunque de 4700 a 4730metros se presenta una disminución de los rayos gama. Carril 2 y 3 De la correlación a la profundidad de 4630 a 4700metros se observa una tendencia a aumentar porosidad neutrón, así como la rhob a disminuir y el factor fotoeléctrico en un valor de 3 barns/electrón; las curvas de calibrador y corrección a la densidad presentan un desarrollo confiable dado que no denota cavernas ni rugosidad en la pared del pozo;de 4700 a 4730 metros se presenta una disminución. densidad de la formación, porosidad neutrón y el factor fotoeléctrico con tendencia a aumentar a 3.5 barns/electrón lo cual denota un cambio litológico en la formación de 4770 a 4810 metros se tiene un incremento. porosidad neutrón, aumento en la densidad; en ningún caso se observa la tendencia al cruce entre la densidad y la porosidad neutrón, es decir no se tiene presencia de hidrocarburos, de acuerdo al comportamiento y variación del factor fotoeléctrico este se presenta como un buen indicador de la litología, así mismo se observa a lo largo del registro la tendencia alta en la curva de porosidad neutrón , denotando una variación en la presencia de lutita. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 60 EJEMPLO 4 Figura 25.- Registro combinado de Neutrón Compensado, Potencial Espontáneo y Rayos gama. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 61 EJEMPLO 4 (Fig.25) Herramientas Curvas Explicación R eg is tr o co m bi na do C N L, S P G R y R es is tiv id ad . Carril 1 Se considera el intervalo de 3110 a 3145 metros de interés ya que la curva de rayos gama tiende a disminuir y el potencial natural como un indicador de un cuerpo permeable. Carril 2 Las resistividades aumentan hasta 3ohms-metro en el intervalo de 3110 a 3145 metros. Carril 3 La curva de porosidad neutrón- densidad presenta una tendencia al cruce; lo cual representa un posible intervalo de interés de acuerdo al comportamiento. Indicador de Cavernas Presenta una tendencia a aumentar tanto arriba y debajo de la zona de interés se observa lutitas de acuerdo al comportamiento del potencial natural con tendencia a moverse a la línea de lutitas, aumento del rayos gama, tendencia a traslaparse las curvas de resistividad y aumento en la curva de porosidad neutrón; se concluye tener una zona con posible presencia de hidrocarburos de acuerdo al análisis anterior con una matriz de arena arcillosa. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 62 EJEMPLO 5 Figura 26.- Registro combinado y cálculo de litología. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 63 EJEMPLO 5 (Fig.26) Herramientas Curvas Explicación R eg is tr o de R es is tiv id ad , G r, C N L, L D T y cá lc ul o de li to lo gí a. Carril 1 La curva de Rayos gama para la profundidad de 2835 a 2865 metros denota una tendencia a disminuir, lo cual indica una presencia posible de hidrocarburos. Para el cálculo de la litología se registran rayos gama con variación de 25 a 75 unidades API. Carril 2 De 2832 a 2865 metros se presentan resistividades en 20 ohms-metro aunque para el cálculo de litología se registran la resistividades con tendencia de 10 a 1000 ohms-metro. Carril 3 En el intervalo de 2832 a 2865 metros denota una tendencia al cruce entre densidad y porosidad neutrón con indicación en color amarillo. Litología En el cálculo de litología la matriz es caliza lutítica en bajo porcentaje; a lo largo del registro la matriz que predomina es caliza con lutita en porcentaje variable. Es importante resaltar que en cada registro que se tenga se debe efectuar el control de calidad correspondiente para tener seguridad en los resultados por obtener, el cálculo de matriz caliza y lutita se correlaciona con los valores de resistividad, rayos gama y porosidad neutrón y concuerdan con los valores considerados de dicha matriz. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 64 EJEMPLO 6 Figura 27.- Registro combinado y cálculo de la litología. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 65 EJEMPLO 6 (Fig.27) Herramientas Curvas Explicación R eg is tr o co m bi na do G R , C N L, D H C , L D T . Carril 1 La curva de calibrador denota condiciones confiables de agujero a lo largo del registro; como zona posible de hidrocarburos se tiene de 2340 a 2345 metros disminución de rayos gama. Carril 2 De 2340 a 2345 metros, se tiene incremento de resistividad. Carril 5 y 6 La tendencia al cruce de phiD respecto a phiN y phiS así como una disminución del volumen de arcillosidad e indicación de matriz arena con intercalaciones de caliza; de 2350 metros al fondo se observa que el volumen de arcillosidad tiende a aumentar respecto al volumen de arena, el volumen de agua tiende a aumentar y la disminución de hidrocarburos es mayor; la porosidad neutrón es mayor que la porosidad densidad debido al efecto de contenido de arcilla. Se concluye que la combinación de todos los registros en agujero descubierto y los procesamientos para el cálculo de los volúmenes considerados siempre se debe de efectuar , así como tener cuidado en la selección de la curva de porosidad seleccionada para los cálculos correspondientes, se observa que en presencia de arcilla la curva confiable es la de porosidad densidad y para efecto de hidrocarburos se tiene que hacer uso de las porosidades de densidad y neutrón, sin embargo para el cálculo correspondiente de volumen de minerales se consideran todos los registros en agujero descubierto así como la condición que guarda el diámetro del pozo a través de la curva de calibrador, en este ejemplo no se presenta curva de factor fotoeléctrico, ni las de uranio, torio y potasio. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 66 CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 67 CONCLUSIONES ‐ Los registros de rayos gama, espectroscopía de rayos gama natural, neutrón compensado y litodensidad se pueden aplicar en pozos exploratorios, desarrollo, terminación, de acuerdo a las condiciones para los cuales fueron tomados. ‐ Los sistemas radioactivos se usan durante la perforación de pozos verticales, direccionales, horizontales y de alcance extendido. ‐ La información obtenida de estos registros ayuda a determinar: 1.- El volumen de fluidos. 2.- La porosidad efectiva de la formación 3.-Saturación de fluidos. 4.- Volumen de minerales 5.-Zonas con alto contenido de fracturas.6.-Tendencia a seguir en la zona productora en pozos horizontales. 7.-Orientación posición del pozo. 8.-Avance de fluidos. 9.-Determinación de zonas fracturadas productoras. 10.-Operación en pozo entubado. 11.-Condición del pozo. 12.-Asentamiento de tuberías. 13.-Zonas anormales. ‐ Después de los seis ejemplos analizados concluyo: que la interpretación de los registros se desarrolla a través de conocimiento y la experiencia adquirida. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 68 RECOMENDACIONES ‐ Usar en forma combinada de las herramientas radioactivas, que ayudan a obtener los registros necesarios para una correcta evaluación de la formación. ‐ Usar para apoyo en el análisis cuantitativo-cualitativo de la perforación y en la toma de decisiones en las etapas de exploración, de desarrollo y producción de un campo petrolero. ‐ Recomiendo la toma de registros neutrón compensado y rayos gama en pozos de agujero entubado cuando no se tenga la información correspondiente. ‐ Recomiendo al personal que opera las herramientas radioactivas, tomen las medidas necesarias y máximas de seguridad, pues es de suma importancia no olvidar que el contacto con fuentes radioactivas implica un peligro para la salud. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 69 GLOSARIO DE SISTEMAS DE REGISTROS AIT - Array Induction Tool (Herramienta Inductiva de Imágenes). ARI - Azimutal Resistivity Imager (Herramienta de Resistividad Azimutal). BHC - Bore Hole Compensated (Sistema Sónico Compensado). CNL -Compensated Neutron Log (Registro Neutrón Compensado). DLT- Dual Laterolog Tool (Herramienta Doble Lateral Enfocada). ECS -Elemental Capture Spectroscopy Sonde (Espectroscopía de Rayos Gama de Captura). FDC - Formation Density Compensated (Herramienta de Densidad Compensada). GR -Gamma Ray (Herramienta de Rayos Gama). LDT- Litho-Density Tool (Herramienta de litodensidad). LWD-Logging While Drilling (Registros Durante la Perforación). MSFL- Micro Spherically Focus Log (Registro de Microresistividad Enfocada). NGT- Natural Gamma Tool (Herramienta de Espectroscopía de Rayos Gama Natural). SFL-Spherically Focus Log (Registro de Resistividad Enfocada). INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 70 GLOSARIO DE TÉRMINOS Agujero entubado.- Es el agujero que ya tiene la tubería para poder perforar. Arenas.- Conjunto de partículas de rocas disgregadas de tamaño de 0.063mm - 2mm, constituidas principalmente de cuarzo. Arcilla.- Roca sedimentaria constituida por agregados de silicatos de aluminio. Arenisca.- Arenas consolidadas, cuyo material cementante más común es la sílice. Barita.- Mineral de la clase de sulfuros. Se utiliza como fuente de bario en la perforación de pozos petroleros. Calizas.- Rocas sedimentarias químicas más abundantes .Compuesta fundamentalmente de CaCO3 , formada por medios inorgánicos o bien por el resultado de procesos bioquímicos. Carbonatos.- Compuestos que contienen el ion carbonato, pueden considerarse derivados del ácido carbónico (H3CO2), que se forma al disolver dióxido de carbono (CO2) en agua. Densidad.- La densidad de un material se define como el peso de un volumen unitario de ese material. En el caso de una roca porosa, la densidad total (ρb) será función de la densidad de la matriz (ρm) o grano de la roca dependerá de su composición mineralógica y la densidad de los fluidos contenidos en ella (ρf). Detector de Centelleo.- El material produce el destello se llama cristal de centelleo. Se selecciona para que tenga una alta eficiencia en absorber radiación ionizante y emitir luz (luminicencia). Dolomía.- Aquellas rocas carbonatadas compuestas del mineral dolomita es decir (CO3)2CaMg. (Calizas Dolomíticas. Espectro.- Suele denominarse así a la banda del espectro electromagnético situada entre 400 y 700nm, ya que es sensible al ojo humano. Se dispone en forma de bandas coloreadas ordenadamente de acuerdo a su longitud de onda. Espectroscopia.- Estudio de las líneas espectrales emanadas desde las rocas vistas como capas o estratos. Centrada en especial en rocas sedimentarias. Fractura.- Rotura de un material sólido sometido a tensiones repetidas o debido a un impacto fuerte. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 71 Halita.- Roca evaporítica formada por la precipitación de sales, constituida principalmente de Cloruro de Sodio (NaCl). Litología.- Es la parte de la geología que trata de las rocas, especialmente de su tamaño de grano, del tamaño de las partículas y sus características físicas y químicas. Lutita.- Son principalmente arcillas que se han consolidado hasta alcanzar el grado de rocas. Se forman principalmente en aguas profundas. Margas.- Calizas ricas en arcillas. Patín.- Se traduce por patín/patines a la plataforma (puede deslizarse) sobre la cual se realiza el montaje de un sistema electrónico siendo un módulo de la herramienta. Porosidad.- Es la propiedad de las rocas de contener huecos o espacios vacíos y nos da la idea de que capacidad de almacenamiento existe en el medio poroso. Potencial Espontáneo.- Es la medida de la diferencia del potencial entre un electrodo fijo y un otro móvil, sin fuente emisora. Esta diferencia de potencial se debe entre otras causas, a procesos de oxidación-reducción en presencia de agua. Potencial natural.- Es una medida de las corrientes eléctricas que se producen dentro del pozo debido al contacto entre diversos fluidos. Resistividad.- Se define como al resistencia que opone un material al paso o flujo de cualquier conductor. Yacimiento.- Cuerpo de roca porosa y permeable del subsuelo que puede almacenar gas y /o aceite. La mayoría de los yacimientos son de caliza, dolomía, arenisca o una combinación de estos. Zona de alta presión.- Es la zona donde la presión excede o está por debajo de la presión normal esperada a una profundidad dada. La presión normal se incrementa aproximadamente 10.5 KPa por metro de profundidad. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 72 LISTADO DE FIGURAS Figura 1. Modelo atómico. Figura 2. Generación de partículas alfa y su interacción con el medio. Figura 3. Generación de partículas beta y su interacción con el medio. Figura 4. Generación de partículas gama y su interacción con el medio. Figura 5. Efecto Fotoeléctrico. Figura 6. Efecto Compton. Figura 7. Producción de Pares. Figura 8. Configuración de la Sonda de Rayos Gama. Figura 9. Configuración de la Herramienta de Espectroscopía de Rayos Gama Naturales. Figura 10. Configuración del Sistema de Neutrón Compensado. Figura 11. Configuración del Sistema de Litodensidad. Figura 12. Configuración del Patín PDH-L. Figura 13. Principio de la Herramienta de registro de rayos gama. Figura 14. Espectros de emisión de los rayos gama. Figura 15. Respuesta de las curvas de Uranio, Torio y Potasio, controladas por varias ventanas que seleccionan la intensidad radioactiva de cada elemento. Figura 16. Representación de los choques. Figura 17. Indicadores del efecto Compton y el efecto fotoeléctrico. Figura 18. Presentación del registro combinado AIT-GR. Figura 19. Presentación del registro NGT. Figura 20. Presentación del registro CNL. Figura 21. Presentación del registro LDT. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 73 Figura 22. Registro de espectroscopía de rayos gama naturales. Figura 23. Registro de espectroscopía de rayos gama naturales. Figura 24. Registro combinado de litodensidad,neutrón compensado y rayos gama. Figura 25. Registro combinado de neutrón compensado, potencial espontáneo y rayos gama. Figura 26. Registro combinado y cálculo de litología. Figura 27. Registro combinado y cálculo de litología. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APLICACIÓN DE SISTEMAS RADIOACTIVOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA 74 BIBLIOGRAFÍA 1. Arroyo Carrasco, Alejandro, “Bases Teóricas e Interpretación de Registros Geofísicos de Pozos”. UNAM, Año 1996. 2. Goméz Rivero, Orlando, “Registros de Pozos, Teoría de Interpretación, Parte 1” , Año 1975. 3. López Hernández Norma, “Herramienta de Litodensidad”, Tesis de Ingeniería Petrolera, IPN, Año 2004. 4. Log Interpretation Pinciples. Documento Schlumberger, 1999. 5. Mandani Moreno Vidal, “Sistema de litodensidad compensado y sus aplicaciones en los pozos petroleros de México”, Tesis de Ingeniería Petrolera, IPN, Año 1995. 6. Morfin Faure Alberto Enrique, “Interpretación de Registros para Perforación”, PEMEX, Perforación y Mantenimiento de Pozos. 7. Falla Villegas Elías, “Interpretación de Registros de Pozos de Petróleo”, Tesis Digitales UNAM, Año 2000. 8. 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