Aplicaciones-de-la-sAsmica-durante-la-excavaciAn-en-la-exploraciAn-geotA-cnica

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENERÍA 
 Y ARQUITECTURA 
 UNIDAD TICOMÁN 
 “CIENCIAS DE LA TIERRA” 
 
 
 “APLICACIONES DE LA SÍSMICA DURANTE LA 
 EXCAVACIÓN EN LA EXPLORACIÓN 
 GEOTÉCNICA” 
 
 TESIS 
 QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE 
 INGENIERO GEOFÍSICO 
 
 
 PRESENTA 
 WALTER ANTONIO FLORES GARCÍA 
 JOAQUÍN SÁNCHEZ SÁNCHEZ 
 
 
 CON ASESORÍA INTERNA DE: 
 M. en C. BONIFACIO EULOGIO LUNA 
 
 CON ASESORÍA EXTERNA DE: 
 M. en C. MIGUEL RODRÍGUEZ GONZÁLEZ 
 
 
 
 
 
 
 MÉXICO, D.F. MAYO DE 2014 
 
 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
A mi madre que me dio la vida y me enseñó su valor, que me enseñó la importancia del 
estudio y del esfuerzo y que me ha dado valores que me han formado como persona. 
 
A mi padre que me enseñó con su ejemplo el valor del trabajo, la perseverancia y que todo 
es posible cuando uno lo desea; y que gracias a su esfuerzo he podido lograr esta meta tan 
importante. 
 
A mi hermano y a mi familia, que han estado conmigo en todo momento, y que me han 
apoyado siempre incondicionalmente. 
 
A mi madrina Maricela y padrino Oscarin que aunque no están presentes, siempre influyeron 
en mi vida. 
 
Al M. en C. Miguel Rodríguez González, por sus valiosas aportaciones, por compartir sus 
conocimientos y su tiempo y por apoyarnos al aceptar ser nuestro asesor principal. 
 
Al M. en C. Favio Cruz por compartir sus conocimientos y su apoyo. 
 
A un profesor muy especial, Francisco Jaime Mora, que gracias a su sabiduría y a su música 
me ha enseñado el valor de la disciplina, las artes y el esfuerzo, además de que tengo un 
amigo que estará ahí para brindarme un consejo. 
 
Al Instituto de Ingeniería de la UNAM que nos brindó las facilidades para este trabajo. 
 
A mi Alma máter el Instituto Politécnico Nacional, por brindarme la educación técnica y 
humana que integra mi vida profesional, siempre estaré en deuda. 
 
A todos mis compañeros de salón por los momentos que vivimos. 
 
A mi novia Diana Cabrera por estar siempre en las buenas y en las malas; por su comprensión, 
paciencia y amor, enriqueciendo día a día el sueño que tenemos y que será la meta de mi 
vida. 
 
Pero sobre todo a Dios que me ha guardado siempre y me da la vida día con día. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
A mi madre Rosa García por su motivación y dedicación en cada uno de mis años como 
estudiante y a mi padre Rafael Flores por sus consejos indispensables que forjan mi vida. 
A mis abuelos; Josefina Hernández, Avelina Almanza y a Rogelio García, un ángel que 
siempre está cerca de mí. 
Al M. en C. Miguel Rodríguez por su conocimiento, orientación y apoyo como director de 
tesis. 
Al Instituto Politécnico Nacional por brindarme la educación íntegra que ha formado bases 
en mi superación personal y profesional, a mis profesores por su contribución en experiencia 
y conocimiento, a Navil Téllez por estar conmigo en las buenas y en las malas, Favio Cruz 
por su paciencia y enseñanza y a mis compañeros de escuela por cada experiencia vivida. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
“En lugar de ser un hombre de éxito, busca ser un hombre valioso: 
lo demás llegará naturalmente” 
 
 
Albert Einstein 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CONTENIDO 
 
CONTENIDO ............................................................................................................................. v 
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ viii 
RESUMEN .............................................................................................................................. xv 
ABSTRACT ............................................................................................................................ xvi 
CAPÍTULO 1 ............................................................................................................................. 1 
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 1 
CAPÍTULO 2 ............................................................................................................................. 3 
BREVES CONSIDERACIONES TEÓRICAS ..................................................................................... 3 
2.1 Propagación de ondas sísmicas ..................................................................................... 3 
2.2 Ecuación de movimiento .............................................................................................. 5 
2.3 Sismometría .................................................................................................................. 6 
CAPÍTULO 3 ............................................................................................................................. 9 
LA EXPLORACIÓN SÍSMICA DURANTE LA EXCAVACIÓN Y LA BARRENA COMO FUENTE SÍSMICA 9 
3.1 Perfil Sísmico Vertical (VSP) .................................................................................. 9 
3.2 El método Drill-Bit Seismic® o Sísmica Durante la Excavación (SWD) ............. 10 
3.3 La barrena de perforación ........................................................................................... 12 
3.3.1 Barrena Roller-Cone o barrena tricónica ............................................................. 12 
3.3.2 Barrena de Diamante Poli-cristalino Compacto (PDC). ...................................... 15 
3.4 Barrenas de perforación como fuente sísmica. ........................................................... 17 
3.4.1 Barrena Roller-Cone (Tricónica) como una fuente de vibración periódica. ........ 17 
3.4.2 Barrena PDC como fuente de vibración. .............................................................. 19 
3.4.3 Vibraciones inducidas por la penetración de los dientes de la barrena Roller-Cone 
en la formación .............................................................................................................. 20 
3.4.4 La barrena de perforación como una fuente de ondas sísmicas ........................... 21 
3.4.5 Balance energético durante la perforación ........................................................... 24 
3.4.6 Potencia que se disipa a través de la sarta de perforación. ................................... 28 
CONTENIDO 
 
 
CAPÍTULO 4 ........................................................................................................................... 30 
EXPERIMENTOS DE CAMPO .................................................................................................... 30 
4.1 Experimento de Sísmica Durante la Excavación (SWD) en el sitio de Sta. Isabel 
Cholula, Puebla. ................................................................................................................ 30 
4.1.1 Diseño del arreglo sísmico y registro de datos ............................................... 31 
4.2 Fuente sísmicautilizada en el sondeo geotécnico.................................................. 33 
4.3 Modelos de velocidades de onda P y de dispersión de ondas superficiales................ 35 
4.3.1 Experimento de sísmica de refracción y MASW 2D en el sitio Santa Isabel Cholula.
 ....................................................................................................................................... 35 
4.3.2 Descripción general de los métodos ..................................................................... 35 
4.3.3 Adquisición y procesado de datos ........................................................................ 35 
4.4 Experimento en campo de Sísmica Durante la Excavación de Túneles (TSWD), en el 
túnel 5 de la supervía poniente.......................................................................................... 40 
CAPÍTULO 5 ........................................................................................................................... 42 
PROCESAMIENTO DE DATOS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS .......................................... 42 
5.1 Interferometría sísmica ............................................................................................... 42 
5.1.1 Función de transferencia y función de Green....................................................... 43 
5.1.2 Interferometría de ondas reflejadas ...................................................................... 44 
5.2 Procesamiento básico de los datos de Sísmica Durante la Excavación (SWD) ......... 46 
5.3 Flujo de procesamiento básico de Sísmica Durante la Excavación ............................ 48 
5.3.1 Visualización de tomas o archivos crudos ........................................................... 49 
5.3.2 Integración numérica del canal piloto .................................................................. 50 
5.3.3 Análisis espectral.................................................................................................. 52 
5.3.4 Deconvolución Piloto ........................................................................................... 62 
5.3.5 Operador inverso de deconvolución 𝑫(𝒕) o de fase mínima. .............................. 63 
5.3.6 Interpretación de resultados del procesamiento SWD ......................................... 67 
5.4 Procesamiento de datos de Sísmica Durante la Excavación en Túneles (TSWD) ..... 71 
5.4.1 Visualización de los datos crudos ........................................................................ 72 
5.4.2 Análisis espectral.................................................................................................. 74 
CONTENIDO 
 
 
5.4.3 Cálculo de ondícula de fase mínima ................................................................... 80 
5.4.4 Cálculo de la deconvolución piloto e interferometría sísmica ............................. 83 
CAPÍTULO 6 ........................................................................................................................... 85 
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................................. 85 
6.1 Recomendaciones ....................................................................................................... 86 
ANEXOS ................................................................................................................................. 87 
BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................... 110 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
 
Figura 2.1 Animación del movimiento de las partículas de roca (flechas pequeñas) que 
ocasionan las ondas de cuerpo y ondas superficiales; modificado (Soto, 2012). ................... 4 
Figura 2.2: Propagación de las ondas superficiales en el plano; modificado (Stein, 2002). .. 4 
Figura 2.3 Registrador, GEODE de veinticuatro canales, fabricado por la compañía 
Geometrics; las conexiones que se muestran de izquierda a derecha son: Cable de geófonos, 
trigger o cable para el marro y cable de datos. ....................................................................... 6 
Figura 2.4 Sensor vertical de velocidad de 4.5 [Hz], de la compañía Geospace; Dentro de la 
capsula de metal de la figura del lado derecho, se encuentra un resorte y una bobina que 
generan una corriente o pulso eléctrico, cuando esta capsula de metal vibra al compás del 
terreno. .................................................................................................................................... 7 
Figura 2.5 Sensor de aceleración de 1.5 [G], es un sensor de tipo piezoeléctrico.................. 8 
Figura 3.1: Diferentes configuraciones de VSP convencional. a) VSP sin desplazamiento 
lateral. b) VSP con desplazamiento lateral. c) VSP con desplazamientos múltiples. d) VSP 
con desplazamientos de fuentes y receptores. e) VSP de proximidad de la sal (Breton, et,al., 
2002). ...................................................................................................................................... 9 
Figura 3.2: Técnica Drill-bit Seismic o VSP inverso, que utiliza el ruido de la barrena como 
fuente sísmica y receptores en superficie, lo que permite la adquisición de datos mientras se 
perfora, (Breton, et,al., 2002). .............................................................................................. 11 
Figura 3.3. Barrenas Roller-Cone o tricónica. a) Dientes hechos de hierro generalmente son 
menos resistentes y tienen una vida útil menor que los de carburo de tungsteno y se usan en 
formaciones blandas, b) barrenas de insertos de carburo de tungsteno. Este tipo de barrena es 
usada en formaciones más profundas y consolidadas, (imagen modificada de Poletto and 
Miranda 2002). ..................................................................................................................... 12 
Figura 3.4. a) Profundidad de penetración y semi ángulo, b) cone journal angle (ángulo 
formado entre el eje del cono y la superficie), c) distancia de offset del cono y boquilla de 
inyección de lodo, (imagen modificada de Poletto and Miranda 2002). .............................. 13 
Figura 3.5. Se muestran las filas de dientes de una barrena tricónica y el área de roca que 
cortan en la formación, cada cono o lóbulo de la barrena gira 360 grados. ......................... 14 
Figura 3.6. (a) Las filas de dientes exteriores mantienen el perímetro de la perforación, 
mientras que (b) Las filas de dientes internos, realizan el proceso de penetración, triturado y 
sacando a pedazos la roca devastada. ................................................................................... 14 
Figura 3.7. Existen gran variedad de barrenas PDC. a) Barrenas de Diamante Compacto Poli-
cristalino (PDC); b) barrena de diamante; c) barrena Bicenter PDC, (imagen modificada de 
Poletto and Miranda 2002). .................................................................................................. 15 
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LISTA DE FIGURAS 
 
 
Figura 3.8. Diente de una barrena PDC. Se muestra el ángulo que forma la superficie y el 
diente (clareance angle) y el ángulo que forma el filo del diente de la barrena debido a su 
forma (rake angle), (imagen modificada de Poletto and Miranda 2002).............................. 16 
Figura 3.9. Modelo de corte de una barrena PDC. ............................................................... 16 
Tabla 3.1. Características de radiación de una barrena de perforación y fuentes 
convencionales para adquirir datos VSP. ............................................................................. 18 
Figura 3.10. a) Diagrama de fuerzas donde se ilustran la fuerza vertical 𝐹𝑉y horizontal 
𝐹𝐻para un solo diente de la barrena PDC, donde la fuerza resultante 𝐹𝑅 está compuesta por 
la suma de 𝐹𝑉 y 𝐹𝐻; b) Plano de área de desgaste para un diente de la barrena PDC. 
(Modificado de Guyen Min Duc, Cholet y Tricot). .............................................................. 19 
Figura 3.11. Incremento en la profundidad de penetración conforme la barrena va 
descendiendo una profundidad de caída (Drop Depth), (Modificado de Ma and Azar, 1985).
 .............................................................................................................................................. 20 
Figura 3.12. Acción de corte del cono de una barrena tricónica vista de frente o centro de 
rotación del cono. (Tomada de Poletto and Miranda, 2002). ............................................... 20 
Figura 3.13. La cantidad de energía que emite una fuente, está en función del tiempo en la 
que esa fuente este emitiendo energía continuamente; a) La potencia total de perforación; b) 
Radiación de energía durante 18000 segundos puede ser comparable a las fuentes sísmicas 
convencionales ya que el tiempo es considerable y continuo; c) Energía que se registra en 
superficie, la cual es de un porcentaje muy pequeño; (Tomado de Poletto and Miranda, 2002).
 .............................................................................................................................................. 21 
Figura 3.14. Mecanismo de generación de cráteres producidos por el impacto de los dientes 
de una barrena y donde al aumentar la presión [PSI], aumenta la fuerza y la penetración. 
(Tomado de Poletto and Miranda, 2002). ............................................................................. 25 
Figura 3.15. Fuerza vertical como un modelo de fuente. a) Fuerza aplicada en la superficie. 
b) En un punto de un medio infinito, que genera un campo cercano y un campo lejano. c) 
Fuerza aplicada por una fuerza vertical en un pozo. C) Modelos de fuerzas actuantes en la 
formación (Tomado de Poletto and Miranda, 2002). ........................................................... 26 
Figura 3.16 Vector de desplazamiento en coordenadas esféricas. (Tomado de Poletto and 
Miranda, 2002). .................................................................................................................... 27 
Figura 3.17 Modelo de flujo de energía por unidad de volumen que irradia una barrena, donde 
actúa una fuerza vertical; a) lóbulos de radiación de onda P y b) de onda SV, que es una onda 
cortante que se propaga verticalmente y es registrada por sensores de componente vertical; 
c) Lóbulos de radiación de potencia de compresión y d) cortante. (Tomado de Poletto and 
Miranda, 2002). .................................................................................................................... 28 
Figura 3.18 Modelo de VSP inverso y las fuerzas, energía y potencia que se producen al 
perforar un pozo. (Modificado de Poletto and Miranda, 2002). ........................................... 29 
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LISTA DE FIGURAS 
 
 
Figura 4.1:. Zona de estudio, sondeo geotécnico Santa Isabel Cholula, Puebla. ................. 30 
Figura 4.2. A) Sensor de aceleración montado en la sarta de perforación. B) Sismógrafo. C) 
Cable que une el sensor de aceleración al canal número uno del sismógrafo, el canal piloto 
está a 37 metros de la fuente. D) Canal uno o piloto del cable sísmico, en este canal se registró 
la respuesta de aceleración. E) Fuente. .................................................................................31 
Figura 4.3. Ilustración que muestra el arreglo en campo del experimento de santa Isabel 
Cholula de SWD (modificado de Poletto and Miranda, 2002)............................................. 32 
Figura 4.4. Barrena nucleadora y núcleo obtenido. .............................................................. 33 
Figura 4.5. Torre de perforación utilizada en Sta. Isabel, Cholula. ...................................... 34 
Figura 4.6. Geometría del arreglo para MASW. Los puntos en color rojo representan los 
disparos. ................................................................................................................................ 36 
Figura 4.7. Muestra las dromocrónas y el modelo de velocidades de onda P obtenido. ...... 36 
Figura 4.8. Curvas tiempo-distancia y modelo de velocidad de onda P correspondiente al 
estudio de refracción sísmica en Sta. Isabel, Cholula........................................................... 37 
Figura 4.9. Arreglo en campo para la adquisición y flujo de procesado en la obtención de 
datos para MASW 2D. ......................................................................................................... 38 
Figura 4.10 a) Curvas de dispersión obtenidas en cada CMP. b) muestra el modelo cuasi 2-
D de onda cortante de Sta. Isabel, Cholula. .......................................................................... 39 
Figura 4.11 a) Rozadora devastando por medio de secciones la cara del túnel, se observa la 
clave del mismo localizada a 10 m. b) Cabeza de perforación (rozadora). .......................... 40 
Figura 4.12 Tendido sísmico lineal dentro del túnel 5 de la supervía poniente, donde el canal 
1 se colocó a 5 metros de la cara del túnel. .......................................................................... 41 
Fig. 5.1. Modelo de interfrometría unidimensional. Donde una fuente 𝑥𝑆 se propaga en la 
dirección 𝑥 y donde los receptores 𝑥𝐴 y 𝑥𝐵 registran esta perturbación. La correlación entre 
los receptores es la función de Green del medio entre este par de receptores, (Wapenaar, 
2002). .................................................................................................................................... 42 
Figura 5.2. Principio básico de interfrometría de reflexión (Schuster, 2001, 2009). a) Una 
fuente en el subsuelo emite un pulso que viaja a la superficie donde es registrado por un 
geófono. b) Un segundo geófono registra la reflexión de este mismo pulso. c) La cros-
correlación elimina la trayectoria de la fuente al primer receptor que ha quedado registrada 
en los dos geófonos y que es una trayectoria común entre este par de receptores. El resultado 
es interpretado como la respuesta de reflexión de una fuente en la posición del primer 
geófono, observado por el segundo geófono. El símbolo ⨂ denota cros-correlación. ........ 45 
Figura 5.3. Secuencia de procesamiento básico en exploración petrolera hasta llegar al 
proceso de deconvolución. ................................................................................................... 46 
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LISTA DE FIGURAS 
 
 
5.4. A) Metodología propuesta para el procesamiento básico de los datos del experimento de 
(SWD). B) Metodología para el procesado de datos de sísmica mientras se perfora, (Polleto 
et. al., 2010). ......................................................................................................................... 47 
Figura 5.5. Esquema del flujo de trabajo seguido en el procesamiento básico de datos de 
sísmica mientras se perfora, usando deconvolución piloto (Izquierda). Flujo de trabajo 
usando interfrometría sísmica (derecha)............................................................................... 48 
Figura 5.6. Visualización de los datos crudos en formato SEG2. El primer canal es el 
acelerómetro, mientras, los demás canales grabaron en velocidad. Este registro es de la toma 
1.dat. Las señales del canal 2 al 24 están normalizadas con respecto al valor máximo de 
amplitud del canal piloto. Para el archivo 1.dat, perteneciente a esta carpeta de profundidades.
 .............................................................................................................................................. 49 
Figura 5.7. A) Error numérico en el canal piloto al integrarlo para transformarlo a velocidad. 
B) Canal piloto transformado a velocidad y filtrado en un ancho de banda de 35-180 [Hz]. 
Para el archivo 1.dat, perteneciente la profundidad de [12-13.55 [m]. ................................ 50 
Figura 5.8. Esquema de funcionamiento de un filtro pasa banda. El filtro utilizado fue una 
función de Crewes® que filtra una matriz sísmica por lo que además del canal piloto filtra 
también el resto de las trazas sísmicas.................................................................................. 51 
Figura 5.9. Superposición de dos movimientos armónicos, (Alonso, Finn, 1967). ............. 52 
Figura 5.10. Descomposición en armónicos de una función periódica. (Alonso, Finn, 1967).
 .............................................................................................................................................. 53 
Figura 5.11. El espectrograma del canal piloto muestra en colores rojizos las máximas 
amplitudes (normalizadas) asociadas a las bandas de frecuencia que se encuentran a lo largo 
de la señal de aceleración del canal piloto. Para un intervalo de profundidad de [12-13.55 m]. 
La máquina funcionaba a su máxima revolución. ................................................................ 54 
Figura 5.12. Espectrograma del canaldos de velocidad (más cercano a la fuente), para la 
[toma 2]. Se observan dos bandas de frecuencia que predominan a lo largo del registro una 
en [12 Hz] y la otra en [120 Hz], aproximadamente. Para un intervalo de profundidad de [12-
13.55 m]. En la profundidad de la [toma 2] la maquina se encontraba trabajando a su máxima 
revolución. ............................................................................................................................ 55 
Figura 5.13 Espectros distancia para observar la calidad de los datos en el dominio de las 
frecuencias. ........................................................................................................................... 56 
Figura 5.14. Espectro de amplitud del canal piloto de aceleración, el sensor utilizado fue de 
aceleración de 1.5 [G]. Para el archivo 1.dat, perteneciente a esta carpeta de profundidades.
 .............................................................................................................................................. 57 
Figura 5.15. Espectros de amplitud del canal piloto de aceleración, para todas las tomas. El 
espectro en color rojo es el promedio de todas las tomas. Para el archivo 1.dat, perteneciente 
a esta carpeta de profundidades. ........................................................................................... 58 
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LISTA DE FIGURAS 
 
 
Figura 5.16. Espectros de amplitud del canal 2 de velocidad, para todas las tomas, para un 
intervalo de profundidad de [12-13.55 m]. En rojo es el espectro promedio de todas las tomas. 
Con sensores de 4.5 [Hz]. Para el archivo 1.dat, perteneciente a esta carpeta de profundidades.
 .............................................................................................................................................. 59 
Figura 5.17. Espectros de amplitud del canal piloto de aceleración, para todas las tomas a un 
intervalo de profundidad de [25.20 - 25.95] metros. Para el archivo 1.dat, perteneciente a esta 
carpeta de profundidades. ..................................................................................................... 60 
Figura 5.18. Espectros de amplitud del canal 2 de velocidad, para todas las tomas y para un 
intervalo de profundidad de [25.20 -25.95] metros. Con sensores de 28 [Hz] hasta el canal 
13. Para el archivo 1.dat, perteneciente a esta carpeta de profundidades. ............................ 61 
Figura 5.19 En algunas ocasiones la entrada al filtro es desconocida. ............................. 63 
Figura 5.20 El filtro 𝐴(𝑧), es inverso al filtro 𝐵(𝑧). ............................................................ 63 
Figura 5.21 El filtro 𝐴(𝑧), es inverso a 𝐵(𝑧). ...................................................................... 63 
Figura 5.22 Parte causal de la autocorrelación de la señal piloto. Del archivo 1.dat. .......... 64 
Figura 4.23 Ejemplo numérico de una matriz de Toeplitz. .................................................. 65 
Figura 5.24 Filtro de predicción del error 𝐴𝑡. Este filtro es la salida de la recursión de 
Levinson. De la toma 1.dat. .................................................................................................. 65 
Figura 5.25 Ondícula de fase mínima equivalente 𝐵𝑡. Perteneciente a la toma 1.dat. ........ 66 
Figura 5.26 La ondícula de fase mínima equivalente 𝐵𝑡 es reciproca al filtro inverso. De la 
toma 1.dat. ............................................................................................................................ 66 
Figura 5.27 Espectro de potencia, espectro de la señal piloto y espectro del operador de fase 
mínima a diferentes tamaños de muestras. De la toma 1.dat ................................................ 67 
Figura 5.28 Representación espectral de la convolución del filtro inverso 𝐴𝑡, con la señal 
piloto. .................................................................................................................................... 68 
Figura 5.29 Interfrometría o correlaciones cruzadas (primeras correlaciones) de la señal 
piloto con la señal de los geófonos, para la toma 1.dat y primer intervalo de profundidad. 69 
Figura 5.30 Resultados de la deconvolución piloto de la ondícula de fase mínima versus las 
primeras correlaciones. De la toma 1.dat y primer intervalo de profundidad. ..................... 69 
Figura 5.31 Interfrometría o segundas correlaciones cruzadas, de la toma 1.dat 
correspondiente al primer intervalo de profundidad, con la interpretación de las curvas de 
tiempo de viaje de onda P y onda S. ..................................................................................... 70 
Figura 5.32 Esquema del flujo de trabajo seguido en el procesamiento básico de datos de 
sísmica mientras se perfora, usando deconvolución piloto e interfrometría sísmica, para datos 
de TSWD. ............................................................................................................................. 71 
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file:///C:/Users/Windw/Desktop/1ra%20correccion%20tesis_correccion.docx%23_Toc383729403
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file:///C:/Users/Windw/Desktop/1ra%20correccion%20tesis_correccion.docx%23_Toc383729405
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file:///C:/Users/Windw/Desktop/1ra%20correccion%20tesis_correccion.docx%23_Toc383729407
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LISTA DE FIGURAS 
 
 
Figura 5.33 Visualización de los datos crudos en formato SEG2. El primer canal es el canal 
piloto. Este registro es de la toma 1.dat y se registraron con geófonos de 28 [Hz]. Las señales 
del canal 2 al 12 están normalizadas con respecto al valor máximo de amplitud del canal 
piloto. Para el archivo 1.dat, perteneciente a esta carpeta de registros mientras la rozadora 
estaba en funcionamiento. .................................................................................................... 72 
Figura 5.34 Visualización de los datos crudos en formato SEG2. El primer canal es el canal 
piloto. Este registro es de la toma 1.dat y se registraron con geófonos de 28 [Hz]. Las señales 
del canal 2 al 12 están normalizadas con respecto al valor máximo de amplitud del canal 
piloto. Para el archivo 1.dat, perteneciente a esta carpeta de registros mientras la rozadora 
estaba apagada. ..................................................................................................................... 73 
Figura 5.35 Visualización de los datos crudos en el dominio de las frecuencias. El primer 
canal es el canal piloto. Este registro es de la toma 1.dat y se registraron con geófonos de 28 
[Hz]. Sin rozadora (Para el archivo 1.dat). ........................................................................... 74 
Figura 5.36 Visualización de los datos crudos en el dominio de las frecuencias. El primer 
canal es el canal piloto. Este registro es de la toma 1.dat y se registraron con geófonos de 28 
[Hz], con rozadora (Para el archivo 1.dat)............................................................................ 74 
Figura 5.37 El espectrograma del canal piloto muestra en colores rojizos las máximas 
amplitudes (normalizadas) asociadas a las bandas de frecuencia que se encuentran a lo largo 
de la señal de aceleración del canal piloto. Para la carpeta con rozadora. La máquina 
funcionaba a su máxima revolución (Para el archivo 1.dat)................................................. 75 
Figura 5.38 El espectrograma del canal piloto muestra en colores rojizos las máximas 
amplitudes (normalizadas) asociadas a las bandas de frecuencia que se encuentran a lo largo 
de la señal de aceleración del canal. Para la carpeta sin rozadora. La máquina no se encontraba 
trabajando (Para el archivo 1.dat). ........................................................................................ 76 
Figura 5.39 El espectro de amplitud del canal piloto muestra los máximos de frecuencia 
asociados posiblemente a la frecuencia de funcionamiento de la rozadora. La máquina 
funcionaba a su máxima revolución (Para el archivo 1.dat)................................................. 77 
Figura 5.40 El espectro de amplitud del canal piloto muestra los máximos de frecuencia 
asociados posiblemente a la frecuencia de funcionamiento de la rozadora. La máquina se 
encontraba detenida (Para el archivo 1.dat).......................................................................... 78 
Figura 5.41 Espectros de amplitud del canal piloto (para todos los archivos), donde apareen 
en la imagen, todos los archivos y en rojo se muestra el espectro promedio. ..................... 79 
Figura 5.42 Abajo, la figura muestra un acercamiento a 0.1 segundos de la ondícula de fase 
mínima, ya que su longitud total es igual a 1 [seg], (ya que la señal piloto se dividió en 
ventanas de 1 segundo para hacer una autocorrelación ventaneada). Arriba se muestra la 
autocorrelación de la señal piloto en rojo, mientras que en verde y negro se muestra el 
espectro de la ondícula de fase mínima a diferentes tamaños de muestras: verde (longitud=1 
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file:///C:/Users/Windw/Desktop/1ra%20correccion%20tesis_correccion.docx%23_Toc383729414
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file:///C:/Users/Windw/Desktop/1ra%20correccion%20tesis_correccion.docx%23_Toc383729415
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file:///C:/Users/Windw/Desktop/1ra%20correccion%20tesis_correccion.docx%23_Toc383729415
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file:///C:/Users/Windw/Desktop/1ra%20correccion%20tesis_correccion.docx%23_Toc383729419
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LISTA DE FIGURAS 
 
 
seg. o tamaño de la ventana de autocorrelación); magenta (espectro de fase mínima de 128 
muestras); negro (espectro de fase mínima de 12 muestras). ............................................... 80 
Figura 5.43 Ondícula de fase mínima equivalente 𝐵𝑡. Perteneciente a la toma 1.dat de los 
archivos con rozadora; En Cian (ondícula de fase mínima a 10 muestras); En rojo (ondícula 
de fase mínima a 150 muestras. ............................................................................................ 81 
Figura 5.44 Representación espectral de una convolución en tiempo del filtro inverso o filtro 
de predicción del error (FPE, calculado por el método recursivo de Levinson) 𝐴𝑡, con la 
señal piloto. .......................................................................................................................... 81 
Figura 5.45 Espectro de potencia, espectro de la señal piloto y espectros del operador de 
fase mínima a diferentes tamaños de muestras. De la toma 1.dat ........................................ 82 
Figura 5.46 Correlaciones cruzadas de la señal piloto con los demás receptores, se le conoce 
también como primeras correlaciones. Para el archivo 1.dat de la carpeta.......................... 83 
Figura 5.48 Interfrometría sísmica o dobles correlaciones. Se realizaron mediante la 
correlación cruzada del canal piloto versus los canales receptores. ..................................... 84 
Figura 5.47 Deconvolución Piloto de la ondícula de fase mínima versus las primeras 
correlaciones. ........................................................................................................................ 84 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
file:///C:/Users/Windw/Desktop/1ra%20correccion%20tesis_correccion.docx%23_Toc383729423
file:///C:/Users/Windw/Desktop/1ra%20correccion%20tesis_correccion.docx%23_Toc383729423
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file:///C:/Users/Windw/Desktop/1ra%20correccion%20tesis_correccion.docx%23_Toc383729424
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file:///C:/Users/Windw/Desktop/1ra%20correccion%20tesis_correccion.docx%23_Toc383729426
file:///C:/Users/Windw/Desktop/1ra%20correccion%20tesis_correccion.docx%23_Toc383729426
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file:///C:/Users/Windw/Desktop/1ra%20correccion%20tesis_correccion.docx%23_Toc383729427
 
 
 
RESUMEN 
 
Este trabajo trata sobre la implantación de técnicas de exploración sismológica somera en 
sitios en que el nivel de ruido sísmico es alto, para lo cual se implementaron dos técnicas de 
prospección sísmica en sendos experimentos en que el elemento de excavación actúa como 
fuente generadora de ondas sísmicas. Los dos experimentos siguen de cerca las características 
de los ensayes ‘Perfiles Sísmicos Verticales’, en operación inversa, en donde el campo de 
ondas emitido por la barrena ilumina las formaciones geológicas y enseguida alcanza la 
superficie del terreno en donde se registró el movimiento compuesto tanto del campo 
incidente como el reflejado. La ventaja de los ensayes propuestos es que la prospección se 
realiza simultáneamente a la excavación, logrando que los resultados sean oportunos y de 
costo menor. 
 
 El primer experimento se realizó durante la excavación de un pozo geotécnico 
exploratorio en donde una broca de perforación PDC actúo como fuente de ondas sísmicas 
que penetran en la formación e interactúan con los diferentes materiales para regresar y ser 
captadas en la superficie del terreno. Las técnicas implantadas para realizar el procesado de 
datos tienen fundamento en la interferometría sísmica y resultaron adecuadas; así, la curva 
de tiempo de recorrido estimada permitió calcular velocidades de propagación de onda 
sísmicas para los primeros dos unidades sismológicas que son cercanas a las estimadas con 
la técnica de dispersión de ondas superficiales. 
 
 El segundo experimento se realizó en el túnel 5 de la supervía poniente de la Ciudad 
de México en donde se intentó explorar la formación geológica ubicada por delante del frente 
de excavación. La información sismológica en este caso, es el campo de ondas inyectado por 
la rozadora en el frente del túnel y que regresa, después de iluminar la formación, al tendido 
de geófonos que monitorean a lo largo del túnel y continuamente, el movimiento del terreno. 
En este caso los sismogramas resultantes presentan un carácter monótono sinusoidal, 
asociado muy probablemente a la rozadora pero que no permitió la interpretación de los 
tiempos de recorrido. 
 
 En el trabajo se discute las ventajas de las técnicas propuestas y su posible 
implementación como una herramienta adicional en exploración sismológica somera. 
 
 
ABSTRACT 
 
 
ABSTRACT 
 
 
This paper is about the implementation of shallow seismic exploration techniques in locations 
where the seismic noise level is high, for this purpose, two seismic techniques were 
implemented in two experiments in which the digging element acts as a source of seismic 
waves. The two experiments follow closely the characteristics of the assays 'Vertical Seismic 
Profiles', in inverse operation, wherein the wave field emitted by the bit lights geological 
formations and then reaches the ground surface where the ground motion recorded includes 
of the incident and reflected field. The advantage of the proposed assays is that the survey is 
carried out simultaneously with the excavation, achieving results that are timely and less 
costly. 
 
The first experiment was carried out during the excavation of an exploratory well 
geotechnical, where the drill bit PDC acted as a source of seismic waves that penetrate the 
formation and interact with different materials to return and be received in the ground surface. 
The techniques implemented for data processing are based on seismic interferometry and 
were adequate; so, the travel time curve allowed the calculation estimated propagation 
velocities of seismic wave for the first two seismic units that are close to those estimated 
using the technique of surface-wave dispersion. 
 
The second experiment was realized in the tunnel five of the “Supervía Poniente” 
from Mexico City where the geological formation was located ahead of the excavation face. 
The seismic data in this case is the injected wavefield by the Machine chaser in the tunnel 
face and back, after forming the light geophones monitored laying along the tunnel and 
continuously, the movement of the ground wave. In this case the resulting seismograms show 
a monotonous character sinusoidal, most likely to associate the chaser but did not allow the 
interpretation of travel times. 
 
During this work discusses the advantages of the proposed techniques and their 
possible implementation as an additional tool in shallow seismic exploration work. 
 INTRODUCCIÓN 
 
 
CAPÍTULO 1 
INTRODUCCIÓN 
 
 
En la década pasada, surgió una metodología que utiliza el fenómeno de dispersión para 
estimar las propiedades del medio, a través de los patrones de interferencia de las ondas 
sísmicas que lo atraviesan, con el fin de proporcionar información de las estructuras bajo la 
superficie de la Tierra, esta técnica se denomina Interferometría, (Schuster, 2009). 
 
Claerbout fue pionero en el desarrollo de la técnica de interferometría ya que en el 
Stanford Exploration Project (SEP), se demostró teóricamente que se podía recuperar la 
función de Green después de auto-correlacionar dos registros de ruido que grabaron la 
respuesta de una fuente de ubicación desconocida; de estos ensayes, se llegó a concluir que 
la función de Green es equivalente a la respuesta de reflexión bidimensional en el subsuelo. 
 
Wapenaar et al, (2002) demostraron matemáticamente la propuesta de Claerbout 
(1968) usando el teorema de Green, con lo que la interferometría sísmica obtiene una base 
matemática sólida, de donde la ecuación general en la que se resume esta técnica, es llamada: 
“ecuación acústica reciproca de tipo correlativo” (Wapenaar, 2004). 
 
Recientemente en el campo de la ingeniería sísmica Sánchez-Sesma y Campillo 
(2006), con el fin de construir un modelo descriptivo de la estructura del interior de la Tierra, 
intentaron recuperar la función de Green de una correlación cruzada a la cual llamaron: “The 
canonical elastic problem”, para construir estos modelos se basaron en estudios previos de 
ruido sísmico ambiental y de ondas coda generadas después del paso de los arribos directos 
en un terremoto; ya que los primeros estudios realizados por Aki (1957), demostraron que 
las ondas coda contienen información invaluable del medio de propagación (Aki, 1957). Aki 
et al, llegó a demostrar teórica y experimentalmente que la función de Green se puede 
recuperar de un campo de ondas isotrópico, elástico y dispersivo(scattering) usando varias 
fuentes; por lo que se demostró también que se puede obtener un alto grado de correlación 
de un evento complejo como el arribo de ondas coda o el arribo de un campo de ondas 
proveniente de varias fuentes (Sesma, Campillo, 2006). 
 
Actualmente una nueva vertiente de la Interferometría Sísmica se emplea para 
resolver problemas en la exploración petrolera, (Schuster, 2009) donde esta técnica ayuda a 
mejorar las imágenes sísmicas resultantes de la migración bajo cuerpos salinos; o a 
determinar la estructura del subsuelo con imágenes de reflexión (Draganov, et al, 2008). 
 
 
 
INTRODUCCIÓN 
2 
 
 
 
 
 
El presente trabajo hace énfasis en la metodología de la adquisición y procesado de 
datos de Sísmica durante la perforación (SWD) de Poletto y Miranda, Seismic While Drilling 
Fundamentals of Drill-bit for Seismic Exploration. Se comienza el trabajo con breves 
consideraciones teóricas en sismología, como son: la propagación de ondas sísmicas en el 
subsuelo, el movimiento de la partícula, dando una breve reseña de la ecuación de 
movimiento, para finalizar este capítulo con un apartado de sismometría. 
 
El capítulo tres define que es un Perfil Sísmico Vertical (VSP) y cuáles son los 
principales objetivos de esta metodología en la exploración petrolera, posteriormente se 
analiza cómo se compara con los experimentos realizados. 
 
Se desglosa también el funcionamiento de la barrena de perforación como una fuente 
sísmica, lo cual es uno de los aportes de este trabajo. Los experimentos realizados en dos 
sitios diferentes y la metodología que se utilizó para realizarlos se detalla en el capítulo 
cuatro. 
 
La correlación entre sí de un par de trazas sísmicas para diferentes pares de estaciones, 
es el procesamiento básico en interfrometría sísmica (Carrada, 2010). El procesado de datos 
por medio de correlaciones, se detalla en el capítulo de procesado de datos e interpretación, 
el cual se llevó a cabo con una serie de scripts de MatLab®, finalizando con la interpretación 
y discusión de resultados en el capítulo seis. 
 
Ya que la interferometría sísmica es reciente, ha sido de relevancia e interés sobre 
todo en la exploración de hidrocarburos y en la ingeniería sísmica, siendo esta nueva técnica 
un campo importante de desarrollo para investigaciones futuras. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 BREVES CONSIDERACIONES TEÓRICAS 
 
 
CAPÍTULO 2 
BREVES CONSIDERACIONES TEÓRICAS 
 
 
La sismología se define como el estudio científico de las vibraciones mecánicas de la Tierra 
(Aki & Richards, 2002). La cual se encarga de estudiar la generación, propagación, y registro 
de las ondas elásticas que viajan a través de las diferentes capas del planeta (Lay & Wallace, 
1995). 
 
El estudio de la sismología se remonta a principios del siglo XVIII, sin embargo, las 
primeras aplicaciones de esta ciencia en el terreno de la prospección geofísica, evolucionó 
de manera exponencial a mediados del siglo XX. 
 
 
2.1 Propagación de ondas sísmicas 
 
Las ondas sísmicas viajan a través de diferentes capas de la Tierra, donde su comportamiento 
está relacionado con las propiedades físicas del medio que atraviesan. Para la prospección 
sismológica, las ondas mecánicas que se propagan por la corteza terrestre son: 
 Ondas de cuerpo, que se propagan a través de la tierra, difractándose, refractándose 
y reflejándose. Su trayectoria en la corteza terrestre se considera como un rayo plano, 
logrando la refracción al transmitirse a través de dos medios de diferente densidad, 
otra parte de la energía mecánica, se particiona en reflexiones, mientras que en el 
manto y núcleo la energía sigue trayectorias curvas debido a la alta densidad de estos 
materiales comparados con los materiales de la corteza. Las ondas de cuerpo se 
pueden dividir a su vez en: 
- Ondas longitudinales u ondas P (primarias). 
- Ondas transversales (o de cortante) u ondas S (secundarias). 
 
 Ondas superficiales, las cuales se propagan a lo largo de una superficie libre (la capa 
que tiene como base otra capa rocosa y como techo el aire), son: 
- Ondas Love (LQ) y ondas Rayleigh (LR), que siguen la superficie libre de la 
Tierra. 
 
2 BREVES CONSIDERACIONES TEÓRICAS 
4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 Figura 2.1 Animación del movimiento de las partículas de 
roca (flechas pequeñas) que ocasionan las ondas de cuerpo 
y ondas superficiales; modificado (Soto, 2012). 
 
Figura 2.2: Propagación de las ondas superficiales en el plano; 
modificado (Stein, 2002). 
 
2 BREVES CONSIDERACIONES TEÓRICAS 
5 
 
2.2 Ecuación de movimiento 
 
Si teóricamente se supone un sólido elástico infinito, lineal, homogéneo e isótropo, en donde 
las fuerzas que dependen del volumen son nulas, y en el que los esfuerzos y las deformaciones 
son muy pequeñas (infinitesimales). Se describe a la ecuación de movimiento de la siguiente 
manera (Soto, 2012): 
ρü= (λ+2μ) ( u)-( μ x xu) 
𝜌�̈� = (𝜆 + 2𝜇)∇(∇ ∙ 𝐮) − (𝜇∇ × ∇ × 𝐮) (2.1) 
𝝀 Y 𝝁 son as constantes de Lamé, y 𝝆 es la densidad. 
 
De la ecuación 2.1 se derivan las expresiones de velocidad para la onda P: 
 
𝛼 = √
𝜅 +
4
3 𝜇
𝜌
 
 
Y para la onda S: 
 
𝛽 = √
𝜇
𝜌
 
 
En donde: 
𝜌 = Densidad 
𝜅 = Módulo de compresibilidad (𝜅 = 𝜆 +
2
3
𝜇) 
𝜇 = Coeficiente de rigidez 
 
De estas relaciones se establece que las velocidad de onda P es mayor a S y que estas 
velocidades dependen de las propiedades del medio de propagación (Soto, 2012). 
 
 
2 BREVES CONSIDERACIONES TEÓRICAS 
6 
 
2.3 Sismometría 
 
La etapa de recopilación de información en la exploración sísmica somera, requiere que se 
midan de la forma más precisa posible los movimientos de las partículas que generan las 
ondas sísmicas provenientes de una fuente. Cuantitativamente estas perturbaciones sísmicas 
se miden de forma instrumental por medio de un sismógrafo digital. 
La instrumentación sísmica debe tener una respuesta lineal del movimiento del 
terreno, lo que le permita al registro sísmico ser correctamente relacionado a la amplitud y al 
contenido de frecuencias del movimiento causal del terreno (Soto, 2012). Un sismógrafo 
digital se compone de dos sistemas: 
 
1. El registrador, que contiene circuitos electrónicos capaces de cuantificar, registrar 
y en algunos casos manipular parcialmente por medio de filtros los movimientos 
mecánicos del terreno. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.3 Registrador, GEODE de veinticuatro canales, 
fabricado por la compañía Geometrics; las conexiones que se 
muestran de izquierda a derecha son: Cable de geófonos, trigger 
o cable para el marro y cable de datos. 
2 BREVES CONSIDERACIONES TEÓRICAS 
7 
 
1) Transductores, que son sensores que transforman el movimiento del terreno en pulsos 
eléctricos por medio del principio de inducción electromagnética. Básicamente los 
dos tipos de transductores que se usan de acuerdo con la magnitud física que miden 
son de velocidad y aceleración. 
 Transductores de velocidad (geófono), capaz de medir el movimiento del 
terreno con base en la velocidad a la que vibra un marco de referencia móvil 
en la superficie del suelo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Transductor de aceleración (acelerómetro). Un acelerómetro es un transductor 
cuya salida es proporcional a una magnitud de aceleración. Es un sistema de 
masa-resorte o también piezoeléctricos (un acelerómetro piezoeléctrico es un 
transductor lineal que utiliza un cristal piezoeléctrico para producir una carga 
eléctrica que es proporcional a una respuesta de aceleración). La salida se da 
en mili voltios por G de aceleración. 
 
 
 
 
Figura 2.4 Sensor vertical de velocidadde 4.5 [Hz], de la 
compañía Geospace; Dentro de la capsula de metal de la 
figura del lado derecho, se encuentra un resorte y una bobina 
que generan una corriente o pulso eléctrico, cuando esta 
capsula de metal vibra al compás del terreno. 
 
2 BREVES CONSIDERACIONES TEÓRICAS 
8 
 
 
Figura 2.5 Sensor de aceleración de 1.5 [G], es un sensor de tipo piezoeléctrico. 
 
 
En el apéndice A1, se dan detalles acerca de los transductores y registradores 
utilizados para los experimentos de Santa Isabel Cholula y La supervía poniente. 
 
 
 
 
3 LA TÉCNICA DE EXPLORACIÓN: SÍSMICA DURANTE LA EXCAVACIÓN 
 
 
CAPÍTULO 3 
LA EXPLORACIÓN SÍSMICA DURANTE LA EXCAVACIÓN Y LA 
BARRENA COMO FUENTE SÍSMICA 
 
Actualmente en la perforación de un pozo productor de agua, de petróleo, de exploración 
geotécnica o minera no existe lugar a errores ya que la inversión monetaria para su 
construcción es del orden de millones. A su vez los tiempos de perforación y la precisión que 
se necesita son cada vez más desafiantes orillando a los geocientíficos a desarrollar nuevas 
tecnologías que ayuden a optimizar los tiempos y a disminuir la incertidumbre al no conocer 
lo que se podría encontrar por delante de la perforación. 
3.1 Perfil Sísmico Vertical (VSP) 
Los perfiles sísmicos verticales (VSP) convencionales adquiridos con cable fueron 
introducidos en la industria en la década de 1950. Todos tienen, la misma configuración de 
adquisición: fuente de energía en superficie y receptores en pozo. De los VSP adquiridos con 
cable se obtienen imágenes sísmicas precisas del subsuelo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.1: Diferentes configuraciones de VSP convencional. a) 
VSP sin desplazamiento lateral. b) VSP con desplazamiento lateral. 
c) VSP con desplazamientos múltiples. d) VSP con 
desplazamientos de fuentes y receptores. e) VSP de proximidad de 
la sal (Breton, et,al., 2002). 
 
3 LA TÉCNICA DE EXPLORACIÓN: SÍSMICA DURANTE LA EXCAVACIÓN 
10 
 
3.2 El método Drill-Bit Seismic® o Sísmica Durante la Excavación 
(SWD) 
 
Predecir los tipos de estructuras por debajo de la perforación, es para lo que fue diseñado el 
método SWD. Con ayuda de la sísmica de reflexión, se obtiene una relación tiempo-
profundidad, auxiliándose de profundidades reales de pozos exploratorios cercanos, si los 
hay. Donde una barrena de perforación actúa como fuente de energía sísmica en el fondo del 
pozo. 
Al perforar distintos tipos de roca, una barrena actúa como una fuente compleja de 
energía, que emite tanto energía calorífica como mecánica; y que se propaga a través de la 
formación. Por otro lado las vibraciones axiales (verticales) que se transmiten a través de la 
sarta de perforación, se detectan por medio de acelerómetros instalados en la mesa rotatoria 
de la torre de perforación o en el Kelly bushing, la señal piloto registrada en los acelerómetros 
se emplea para obtener por medio de una autocorrelación, la forma de onda característica de 
la fuente. 
Por medio de una deconvolución predictiva, de la función de fuente con los 
sismogramas registrados en los arreglos de sensores en superficie, se obtiene una imagen de 
reflexión, a esta técnica se le conoce también como VSP inverso, ya que la configuración de 
adquisición es el inverso al VSP convencional. Combinadas con imágenes VSP 
convencionales (con geófonos de pozo), la técnica SWD, puede obtener un mejor modelo de 
velocidades para una conversión precisa de tiempo-profundidad, en el caso de no tener 
información de pozos exploratorios cercanos. 
Sin embargo, La técnica Drill-bit Seismic®, presenta una serie de restricciones, entre 
las principales (Breton, et,al., 2002): 
1) La barrena tricónica proporciona un mejor desempeño en cuanto a su partición 
energética, desde el punto de vista sismológico, mientras que la barrena PDC es poco 
efectiva ya que pulveriza la roca y gran parte de la energía se disipa en energía 
calorífica (Breton, et,al., 2002). 
2) El peso total de la barrena incluyendo la sarta de perforación debe ser mayor a cinco 
[ton] (Breton, et,al., 2002). 
3) Si se realiza en un área marina, a profundidades mayores de mil doscientos metros de 
tirante de agua, la operación se vuelve más complicada (Breton, et,al., 2002). 
4) Normalmente no funcionan en pozos desviados a más de 65 ° de inclinación (Breton, 
et,al., 2002). 
 
 
3 LA TÉCNICA DE EXPLORACIÓN: SÍSMICA DURANTE LA EXCAVACIÓN 
11 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.2: Técnica Drill-bit Seismic o VSP inverso, que utiliza el 
ruido de la barrena como fuente sísmica y receptores en 
superficie, lo que permite la adquisición de datos mientras se 
perfora, (Breton, et,al., 2002). 
 
3 LA TÉCNICA DE EXPLORACIÓN: SÍSMICA DURANTE LA EXCAVACIÓN 
12 
 
3.3 La barrena de perforación 
 
El peso que ejerce la sarta de perforación sobre la barrena, transforma gran parte de la energía 
rotaria (torque) y la carga axial (peso) en la fuerza necesaria para romper la roca del fondo 
del pozo. Un pequeño porcentaje es irradiado como energía sísmica. 
 
3.3.1 Barrena Roller-Cone o barrena tricónica 
 
Este tipo de barrena tiene usualmente tres conos o lóbulos que cuentan con dos filas de 
dientes, los cuales están diseñados para triturar y sacar la roca que perforan. 
 
En el fondo del pozo, los dientes de la barrena son presionados contra la formación 
con la presión suficiente para exceder la resistencia a la deformación de la roca en la cual 
esta se fractura (Devereux, 1999). 
 
 
Figura 3.3. Barrenas Roller-Cone o tricónica. a) Dientes hechos de hierro generalmente son 
menos resistentes y tienen una vida útil menor que los de carburo de tungsteno y se usan en 
formaciones blandas, b) barrenas de insertos de carburo de tungsteno. Este tipo de barrena 
es usada en formaciones más profundas y consolidadas, (imagen modificada de Poletto and 
Miranda 2002). 
 
 
. 
3 LA TÉCNICA DE EXPLORACIÓN: SÍSMICA DURANTE LA EXCAVACIÓN 
13 
 
 
Cada diente de los conos se comporta como una cuña, y tiene un tamaño máximo de 
penetración “Altura” (profundidad de penetración) y un semi ángulo (el ángulo formado entre 
el eje de cada diente y una orilla de este, Figura 3.2a). 
 
 
 
 
 
 
 
 
Cada fila de dientes de la barrena corta un área diferente de la formación, y todas las 
filas de dientes juntos cubren el área completa del fondo del pozo (Figura 3.5). 
 
 
Figura 3.4. a) Profundidad de penetración y semi ángulo, b) cone journal 
angle (ángulo formado entre el eje del cono y la superficie), c) distancia de 
offset del cono y boquilla de inyección de lodo, (imagen modificada de 
Poletto and Miranda 2002). 
 
3 LA TÉCNICA DE EXPLORACIÓN: SÍSMICA DURANTE LA EXCAVACIÓN 
14 
 
 
 
Los dientes de las filas internas de la barrena tricónica son los que entran en contacto 
con el área más central del diámetro del pozo y son estos los que se incrustan en la formación 
y trituran mientras que las filas externas de la barrena, mantienen estable el perímetro de 
perforación (Figura 3.6). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Los dientes de la barrena esta hechos de nódulos de carburo de tungsteno, y el lodo 
de perforación se inyecta a través de las boquillas (nozzles) ubicadas en los extremos de la 
barrena. 
A B 
Figura 3.5. Se muestran las filas de dientes de una barrena tricónica y el área de roca 
que cortan en la formación, cada cono o lóbulo de la barrena gira 360 grados. 
 
Figura 3.6. (a) Las filas de dientes exteriores mantienen el 
perímetro de la perforación, mientras que (b) Las filas de 
dientes internos, realizan el proceso de penetración, 
triturado y sacando a pedazos la roca devastada. 
 
3 LA TÉCNICA DE EXPLORACIÓN: SÍSMICA DURANTE LA EXCAVACIÓN 
15 
 
3.3.2 Barrena de Diamante Poli-cristalino Compacto (PDC). 
 
Las barrenas PDC se introdujeron en 1970, funcionanal presionar la roca y pulverizarla 
mientras gira a gran velocidad, ya que el diamante natural o sintético tiene una gran 
resistencia a la abrasión, las barrenas PDC junto con las barrenas de carburo de tungsteno 
resistentes al impacto, dan una vida de producción amplia ya que además están fabricadas en 
una sola pieza sin partes móviles. 
 
 
Figura 3.7. Existen gran variedad de barrenas PDC. a) Barrenas de Diamante Compacto 
Poli-cristalino (PDC); b) barrena de diamante; c) barrena Bicenter PDC, (imagen 
modificada de Poletto and Miranda 2002). 
 
 
3 LA TÉCNICA DE EXPLORACIÓN: SÍSMICA DURANTE LA EXCAVACIÓN 
16 
 
 
Figura 3.8. Diente de una barrena PDC. Se muestra el ángulo que forma la superficie y el 
diente (clareance angle) y el ángulo que forma el filo del diente de la barrena debido a su 
forma (rake angle), (imagen modificada de Poletto and Miranda 2002). 
 
Los dientes de las barrenas PDC están espaciados de manera uniforme o caótica y 
pulverizan la roca por el efecto del peso de la sarta y la velocidad de rotación. Una turbina 
downhole (turbinas de fondo de pozo) son las encargadas de transmitir la potencia para que 
la barrena pueda girar a gran velocidad. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 3.9. Ilustración en donde se observa el tipo de corte 
de una barrena PDC. 
 
3 LA TÉCNICA DE EXPLORACIÓN: SÍSMICA DURANTE LA EXCAVACIÓN 
17 
 
3.4 Barrenas de perforación como fuente sísmica. 
 
Una barrena está sometida a un peso ejercido por la sarta de perforación, este peso, más la 
fuerza de rotación transforman la potencia generada, en trabajo para triturar un volumen de 
roca. La acción de romper los fragmentos de material, genera energía que se propaga de 
varias maneras. La radiación de energía debido a la vibración se puede simular por medio de 
patrones de radiación de onda 𝑃 y 𝑆. 
 
3.4.1 Barrena Roller-Cone (Tricónica) como una fuente de vibración periódica. 
 
Una barrena Roller-Cone o Tricónica usada como una fuente sísmica, produce suficiente 
energía para adquirir datos de SWD y VSP, que es comparable a otras fuentes 
convencionales, (Poletto, 2002b). En general la señal observada, producida por una barrena 
Roller-Cone o PDC, es en su mayoría de ondas 𝑃 y ondas 𝑆𝑉, estas últimas en mayor 
porcentaje (tabla 3.1) y de suficiente energía para obtener una buena señal. La fuerza 
generada por una barrena de perforación, tiene una mínima influencia de vibraciones laterales 
y torsionales, es decir la fuerza generada por el torque es mínima comparada con la fuerza 
vertical que genera el peso total de la sarta de perforación. 
 
 La energía que se genera al perforar con una barrena Tricónica se reparte de varias 
maneras, esencialmente son tres: gran parte de la energía generada se disipa en forma de calor 
(deformación elástica), en vibraciones que se propagan a través de la sarta de perforación y 
una pequeña parte se transmite a la formación (tabla 3.1), esta energía que se propaga a la 
formación, se mide o se observa en el campo lejano por medio de sensores de componente 
vertical, mientras que las vibraciones que se propagan por la tubería, se pueden medir por 
medio de un sensor de aceleración colocado sobre la sarta. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 LA TÉCNICA DE EXPLORACIÓN: SÍSMICA DURANTE LA EXCAVACIÓN 
18 
 
 
 Barrenadora SWD Vibroseis Pistola de Aire 
Aplicación Terrestre-Marino Terrestre Marino 
Excitación Fuerza vertical Fuerza vertical Pulso a Presión 
Ondas P(𝛼) 8.8% 6.9% 100% (<100%) 
Ondas S(𝛼) 91.2% 25.8% 0 
Ondas 
Superficiales(𝛼) 
0 67.3% 0(>0) 
Patrón de 
Radiación 
Lobulada Lobulada Esférica 
Especificación de 
rendimiento 
(
2𝜋𝑅𝑃𝑀 ∗ 𝑇𝑂𝐵
60
+
𝑅𝑂𝑃 ∗ 𝑊𝑂𝐵
3600
) 
 
Fuerza Máxima Volumen-Presión 
Fuerza Vertical 
Fo, Fs (pico a 
pico)/2 
0≤ 2 Fo ≤3.5 WOB 
WOB~100 -200 kN 
2 Fs~140-280 kN 
Fs * no. de vibraciones 
-- 
Potencia radiada 
en onda P 
𝑊𝛼
𝑏𝑟𝑜𝑐𝑎 = 𝑊𝑟 =
1
6
 
𝜔2𝐹0
2
4𝜋𝜌𝛼3
 𝑊𝛼
𝑏𝑟𝑜𝑐𝑎 = 𝑊𝑟 =
1
6
 
𝜔2𝐹0
2
4𝜋𝜌𝛼3
 
-- 
Apilado vertical ŋ rec~
hours
𝜏 𝑟𝑒𝑐
 ŋ sweep~
minutes 
𝜏 𝑠𝑤𝑒𝑒𝑝
 ŋ shot~4 
Energía radiada 
en onda P 
𝑊𝛼
𝑏𝑟𝑜𝑐𝑎 τ rec ŋrec 
dada en Fo,ω= ωbroca 
𝑊𝛼
𝑣𝑖𝑏𝑟𝑜 τ sweep ŋsweep 
dada en Fs, ω= ω.(
b) 
Tabla tomada de 
Rayleigh –Willis 
(Dobrin-1981) 
Las pérdidas de 
energía cerca de 
la superficie 
Ninguna Dependerá del 
acoplamiento de la 
placa base y de los 
efectos cercanos de la 
superficie 
Pérdidas por 
efectos de la 
burbuja (efectos 
de tanques) 
 
Tabla 3.1. Características de radiación de una barrena de perforación y fuentes 
convencionales para adquirir datos VSP. 
 
 
3 LA TÉCNICA DE EXPLORACIÓN: SÍSMICA DURANTE LA EXCAVACIÓN 
19 
 
3.4.2 Barrena PDC como fuente de vibración. 
 
La barrena de diamante compacto poli cristalino (PDC) actúa como herramienta de corte y 
en general produce una pobre señal piloto para la adquisición de SWD. La fuerza axial o 
vertical de la barrena PDC no es solamente baja sino que también es menos constante que la 
generada por una barrena Roller-Cone. 
 
En la barrena PDC actúan dos fuerzas ortogonales, la fuerza vertical 𝐹𝑉, producida 
por la carga en la barrena, y la fuerza horizontal 𝐹𝐻, que es el efecto de la acción de giro. 
 
La acción de cortar la roca de las barrenas PDC se basa en la fuerza transmitida por 
el peso sobre la barrena más la fuerza de corte, de las cuales la suma da una fuerza resultante, 
el ángulo de contacto de un diente de la barrena es otro factor que permite el triturado de la 
roca del piso del pozo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.10. a) Diagrama de fuerzas donde se ilustran la fuerza vertical 𝐹𝑉y 
horizontal 𝐹𝐻para un solo diente de la barrena PDC, donde la fuerza resultante 
𝐹𝑅 está compuesta por la suma de 𝐹𝑉 y 𝐹𝐻; b) Plano de área de desgaste para 
un diente de la barrena PDC. (Modificado de Guyen Min Duc, Cholet y 
Tricot). 
 
3 LA TÉCNICA DE EXPLORACIÓN: SÍSMICA DURANTE LA EXCAVACIÓN 
20 
 
 
3.4.3 Vibraciones inducidas por la penetración de los dientes de la barrena 
Roller-Cone en la formación 
 
La barrena de perforación Roller-Cone (tricónica) gira y penetra abriendo pequeños cráteres 
en la formación destruyendo la roca. Después de dar un cierto número de revoluciones y 
después de que la roca del piso del pozo es triturada completamente, la barrena cae 
repentinamente una distancia vertical, en donde, la distancia de caída es aproximadamente la 
profundidad de perforación, (Figura 3.11). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Una barrena puede considerarse como una fuente sísmica, que produce energía 
continua de ondas VS (ondas S de componente vertical), ya que el golpe de cada diente de 
la barrena es continuo con cada giro y con un ángulo casi vertical. 
Figura 3.11. Incremento en la profundidad de penetración conforme 
la barrena va descendiendo una profundidad de caída (Drop Depth), 
(Tomada de Poletto and Miranda, 2002). 
 
Figura 3.12. Acción de corte del cono de una barrena tricónica vista de frente o 
centro de rotación del cono. (Tomada de Poletto and Miranda, 2002). 
 
3 LA TÉCNICA DE EXPLORACIÓN: SÍSMICA DURANTE LA EXCAVACIÓN 
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3.4.4 La barrena de perforación como una fuente de ondas sísmicas 
 
La barrena de perforación al actuar bajo el peso de la sarta transforma parte de la energía de 
perforación en la acción de romper la roca con la que está en contacto y una porción pequeña 
de esa energía se transforma en ondas mecánicas que aportan información sismológica de 
interés. El porcentaje pequeño de energía, (~10-3), que se irradia como ondas es suficiente 
para iluminar las formaciones geológicas ubicadas en el entorno del sitio de perforación, 
poniendo así, al descubierto, su estructura interna y composición. En efecto, debido a que la 
barrena emite ondas sísmicas de manera continua y durante lapsos grandes, la energía