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Litología del Pre-Sal con Espectr oscopia Inducida Aristides Orlandi Neto* ; Dr. Egberto Pereira, Universidad Estatal Rio de Janeiro

This paper was prepared for presentation at the 2013 SPE WVPS Second South American Oil and Gas Congress held in Porlamar, Edo. Nueva Esparta, Venezuela, 22 –25

October 2013.

This paper was selected for presentation by the SPE Western Venezuelan Petroleum Section Program Committee, following review of information contained in an abstract

submitted by the author(s). Contents of the paper have not been reviewed by the SPE Western Venezuelan Petroleum Section Program Committee and are subject to

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Resumen

La espectroscopia natural e la espectroscopia inducida han sido utilizadas con éxito por la industria del petróleo desde el siglo pasado. Para eso se utilizaban los registros eléctricos con cable (wireline) y más recientemente se pueden utilizar tambiénregistros hechos en cuanto se perfora el pozo (LWD; Logging While Drilling).

La espectroscopia natural se refiere a analizar la respuesta recibida de rayos gamma emitidos de forma espontanea por laformación a los cuales son separados en el detector de la herramienta de registros de acuerdo a su espectro de energía en tresdiferentes fuentes de rayos gamma correspondientes a los elementos torio (Th), uranio (U) y potasio (K). Este trabajo no secentrará en espectroscopia natural, el concepto de espectroscopia inducida para el Pre-Sal en Brasil será desarrollado.

Este trabajo de doctorado analiza la validad de la metodología de espectroscopia inducida en general, particularidadesde la metodología cuando aplicadas en el Pre-Sal de Brasil y una completa critica de como evolucionar la metodología

para ser mas aplicable para la evaluación de los reservorios del Pre-Sal.

Antecedentes Histór icos

La primera herramienta de espectroscopia inducida llegó al mercado en 1981 y fue llamada GST*(Gamma-Ray Spectroscopy

Tool) referencia 1. La herramienta de registros electricos con cable ECS* (Elemental Capture Spectroscopy) llegó al mercadoen el año 1996 referencia 2. La herramienta más moderna de registros en cable se llama Litho Scanner y llego almercado en 2012, no solamente mide espectroscopia inducida con los espectros inelásticos y de captura pero también elcarbono organico total, en ingles TOC referencia 3. En el 2005 llegó al mercado la primera y única herramienta LWD deespectroscopía inducida con lectura de los espectros inelásticos y de captura y sigue siendo la única en el mercado hastahoy dia (Octubre del 2013) llamada EcoScope* referencia 4. Otras herramientas de una variedad de empresas estándisponibles en el mercado para su uso en cable y sus detalles se pueden encontrar en la literatura disponible, tales comodocumentos de muchas conferencias alrededor del mundo similar a los proporcionados al final de este documento.

Introducción de la Espectr oscopia Inducida

El objetivo principal del trabajo es criticar los métodos disponibles en la actualidad en la espectroscopia inducida y proponernuevos flujos de trabajo que se utilizarán en el Pre-sal brasileño. Con el fin de ser capaz de realizar la tarea el punto de

partida será el de entender cómo funciona la espectroscopia y las medidas disponibles en la actualidad. La espectroscopiainducida ocurre con las interacciones nucleares entre neutrones y átomos en la materia. Los neutrones son bombardeados de laherramienta en la materia que en este caso en cuestión es la roca (formación). Los neutrones interactúan con la materia dediversas maneras y una de ellas que nos interesa es la captura del neutrón por un átomo en particular en la formación y en el

proceso la formación de un rayo gamma que se emite desde el átomo y que es recibido de vuelta a los detectores de laherramienta. Ver grafica de la Figura 1.


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Figura 1.Medición de Espectroscopia

Los espectros de captura, la distribución de energía de rayos gamma; es como la firma de una persona, que pertenece a uno ysólo uno único átomo. Por ejemplo, cuando el átomo de silicio (Si) es golpeado por el neutrón, este emite un cierto espectro deenergía distinta si el neutrón hubiera golpeado otro átomo, calcio (Ca), por ejemplo. A seguir se ensena una grafica para explicarel concepto de los diferentes espectros de energía con respecto a los diferentes átomos que están presentes en la formación(Figura 2). La herramienta recibe los espectros de energía de todos los átomos presentes en la formación sumados con elespectro generado por el medio alrededor de la herramienta y de la propia herramienta. El espectro de energía sedescompone en los diversos elementos de la formación y el proceso se llama descomposición del espectro afín de generar lascontribuciones de cada elemento llamados en ingles de “elemental relative yields”.

El efecto del medio ambiente y el efecto de la herramienta misma se restan y los elementos de la formación sederivan. La descomposición de los espectros utiliza un modelo llamado modelo de cierre de óxido porque a cada elemento seasocia al de su óxido y se hace el cierre mediante la suma de 100% a pesar de que no todos los elementos en la formaciónse miden. La medición más simple hecha por la herramienta son los rendimientos (Yields), que son fracciones elementalesañadiendo a 1 para la porción de la formación medida. A partir de los rendimientos y con el modelo de cierre de óxido de los

elementos se puede hacer la determinación de los pesos secos de cada elemento. En la Figura 3 de la página siguiente se presenta el registro de los elementos de peso seco.

Figura 2. Espectro de Rayos Gamma dos Átomos normalmente encontrados en la formación

La última etapa del proceso es la de convertir los elementos de peso seco para tipos de rocas con el uso de una base de datosmundial que relaciona los elementos de peso seco de la mayor parte de las rocas de las formaciones alrededor del mundo que seencuentran en la industria del petróleo. La medición de la litología se realiza mediante la relación de algunas rocas que tienenelementos particulares en su estructura, como por ejemplo asociando el elemento calcio a las rocas calcáreas, el elemento siliciocon areniscas, etc. La figura 4 a seguir muestra el registro de litología. El flujo de trabajo se muestra en la figura 5, donde secombinan todas las medidas y procedimientos comentados previamente.


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La espectroscopia ha estado en uso desde los años 80 y ha ofrecido diferentes obstáculos tecnológicos, como la capacidad demedir una gran variedad de elementos con el fin de cuantificar mejor las calizas de dolomías, mejorar las estadísticas demedida, mejorar la cuantificación del contenido de lutito y ser capaz de utilizar la metodología en las rocas volcánicas. En áreas

recientemente perforadas en el Pre-Sal de Brasil, se adquirieron medidas de espectroscopia inducida. El estudio de esasmediciones, junto con muestras de núcleo ha aportado la prueba de una litología poco común todavía no observada en otrosdepósitos carbonaticos alrededor del mundo. Determinación de litología en esos ambientes complejos es el objetivo primordialde la obra que aquí se presenta.

Figura 3.Registro de Peso seco de los Elementos Figura 4.Registro de Litología

Figure 5. Metodologia de la espectroscopia Inducida


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Litologí a en el Pr e-Sal

¿Qué cambia en el Pre-Sal relacionado con la litología que se ha visto sólo en algunos otros lugares delmundo?

La teoría geológica general detrás de la formación del Pre-Sal tiene muchas complejidades, sin embargo, es comúnmenteaceptado que se formó la capa Pre-Sal durante la reinstalación de los continentes, que es aceptado por la mayoría de los geólogos.Existe una correlación entre el Pre-Sal en Brasil y en el lado africano con diferencias no muy significativas, de hecho, amboslados del Atlántico se pueden beneficiar mediante la comprensión de las correlaciones y diferencias de cada lado con el fin deayudar a la búsqueda de nuevas perspectivas del petróleo en ambos lados del Atlántico.

La teoría geológica de la formación del Pre-Sal en detalle se vuelve más complicada y divergentes pensamientos geológicostienen lugar cuando se analiza la composición mineral con mayor detalle. Una de las teorías asocia a la formación del Pre-Salalgún tipo de volcanismo asociado con los minerales hay producidos. Uno de los minerales presentes en el Pre-Sal sellama talco estevensita; también conocido como esmectita magnesiana o solamente por estevensita. Aparece este mineral enalgunas regiones de las cuencas de Campos y de Santos, y posiblemente podrá aparecer en otros lugares a medida que se

desarrolla este nuevo yacimiento. Este mineral es rico en magnesio (Mg) y con cantidades diversas de sodio (Na). También seha encontrado en la Argentina en la cuenca Neuquén asociado con rocas volcánicas. Se muestra abajo la fórmula química delmineral en más detalle.

(Ca0.5,Na)0.33(Mg,Fe++)3Si4O10(OH) 2•n(H2O) (1)

Hay otras teorías que no asocian a presencia de estevensita con volcanismo. Vamos hablar más adelante en el documento arespecto de nuevas descubiertas que pueden ser significativas con respecto a eso.

La espectroscopia sea ella medida con LWD o con cable mide muchos elementos en la formación y entre ellos cabe señalarcalcio, magnesio, hierro, silicio, sodio, azufre, titanio, gadolinio, aluminio, etc. La cantidad de elementos que sondetectados por la herramienta depende de la rutina llamada extracción espectral (Spectral stripping), donde el espectro total derayos gamma medido por la herramienta es dividido en los espectros elementales correspondientes a cada elemento.

En términos geológicos, es muy importante entender qué minerales están presentes en la formación: ¿dolomía, estevensita oambos? El primero normalmente tiene el potencial de aumentar la porosidad por la sustitución de calcio por el magnesio; puesto que el magnesio es más pequeño que un átomo de calcio esto produce porosidad (espacios vacíos en la roca).Por otro lado el talco estevensita se dispersa en la roca como se ve en secciones delgadas y es un elemento obturadornormalmente causando una reducción de la permeabilidad (capacidad de flujo de la roca), asiendo con que esta formación no seaun buen reservorio.

La mayoría de las rocas alrededor del mundo que no están relacionados con el vulcanismo, el elemento de magnesio se relacionacon dolomía. En el Pre-Sal debido a la posible presencia de talco estevensita la alta cantidad de magnesio puede no estardirectamente relacionada con dolomía al utilizar mediciones de espectroscopia. El objetivo de la tesis doctoral relacionadacon este trabajo es resolver el problema de la litología en el Pre-Sal y ser capaz de determinar con el uso de laespectroscopia y/o otras medidas los diferentes minerales presentes, sobre todo separando lo que es la dolomía y estevensita.

La Metodología Gener al

La espectroscopia inducida como se ha mencionado antes tiene la aplicación práctica de derivar litología (rocas y/o lacomposición mineral) mediante el uso de registros de pozos. Esto tiene la ventaja de contar con una litología completa deabajo hacia arriba del pozo sin la necesidad de tomar muestras de testimonio, sobre todo porque los testimonios se toman en

pequeños intervalos a lo largo del pozo y por su alto costo no se hacen en todos los pozos. El otro inconveniente de dependerde los testimonios en el Pre-Sal viene del hecho de que la roca es altamente heterogénea. Eso hace casi imposible deducir

propiedades de las rocas para el pozo todo con solo pequeños intervalos de testimonio. En el pasado, anterior al 1981;litología se obtenía utilizando una curva llamada efecto fotoeléctrico (PEF) junto con todas las otras mediciones de registrosque tienen una cierta sensibilidad a la roca tal cual la densidad por ejemplo. Todavía se utiliza hoy en día esta técnica en los

pozos que no tienen datos de espectroscopia disponibles, pero sin duda no debe ser el método preferido elegido especialmente

para los pozos de exploración. Los problemas con la técnica del PEF son los siguientes:

1) No responde sólo a la litología2) Se ve afectado por la barita en el lodo3) Para litologías complejas tales como las que se encuentran en el Pre-Sal no es suficiente para derivar de forma

inequívoca la cantidad correcta de cada mineral presente en la formación


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La metodología de la espectroscopia inducida se ha utilizado en todo el mundo con gran éxito en la determinación dediversas litologías mediante el uso de registros por cable y desde el 2005 también disponible en LWD. La cadenacompleta desde los rendimientos hasta los elementos de peso seco y de ahí a las rocas se ha logrado con rocas sedimentarias detodo el mundo (carbonatos y areniscas). La Figura 6 muestra la visualización de la metodología en su paso final, las rocas

presentes en la formación. En este caso se muestra calcita (CaCO3); dolomía (CaCO3MgCO3) y anhidrita (CaSO4) comolos principales minerales junto con cuarzo- feldespatos-micas y arcilla, en este caso, Illita.

Legend

Figura 6. Resultados de la Espectroscopia

Dado que la espectroscopia inducida responde directamente a la composición mineral, esa medición es una forma muy precisa dela determinación de la litología que no puede ser comparado con cualquier otro método. El estudio de los “cuttings” recogidos en las peñeras desde el proceso de perforación permite también buena información litológica, pero tiene algunosinconvenientes tales como:

1) Los cortes se mezclan en el camino hacia arriba en el pozo en el proceso de perforación por lo que es difícil sabera qué profundidad ellos fueron generados

2) La información es cualitativa en términos de porcentajes de volumen y no cuantitativa

De los cuatro métodos principales de la determinación de la litología en la industria petrolera sigue el siguiente orden deimportancia:

1) Espectroscopia Inducida (todo el interval y puede ser obtenida con cable o con LWD)2) Testimonio (Intervalo limitado y costoso)3) PEF y otras combinaciones de curvas de Registros4) Análisis de “ Cuttings” (cualitativo)

El orden anterior se podría cambiar dependiendo de la aplicación buscada. El orden descrito se basa en tener los datosmás cuantitativos, así como la forma más práctica en la obtención de los datos en una campaña deexploración.

Testimonios son muy importantes con el fin de correlacionar con los datos de pozos y con el fin de realizar análisis delaboratorio que no son posibles en la escala de las mediciones de registros. Vamos discutir más adelante y con más detallela relación entre las mediciones de espectroscopia inducida y su comparación con mediciones en laboratorio.

La Metodología en Detalle

El documento original de las mediciones de espectroscopia referencia 4 será resumido en esta sección. El modelooriginal fue desarrollado y diseñado para sedimentos clásticos y también utiliza las concentraciones elementales de la

actividad natural y las medidas de activación retardada. La física nuclear y datos geoquímicos necesarios para elanálisis de captura espectral, la determinación de la concentración de aluminio, y las constantes necesarias para llevárselo encuenta los elementos que no son medidos son presentados en la referencia 4. El documento original discutió también laespectroscopia natural, es decir, las medidas de rayos gamma naturales de energías provenientes del torio, uranio y potasio.

Nuestra discusión se dirigirá a las mediciones utilizando espectroscopia inducida donde la formación es bombardeada conneutrones y los elementos de la formación responden a este bombardeo de neutrones. Los elementos medidos fueron silicio,calcio, hierro, azufre,


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titanio, aluminio y gadolinio. Esta combinación de elementos se ha demostrado proporcionar información valiosa sobre lanaturaleza de la matriz de la roca que anteriormente sólo se podría obtener a través de análisis de núcleos discretos(testimonios). Hoy en día otros elementos se miden incluyendo uno muy importante, el magnesio. En el experimento descritoen la referencia 4 se utilizaron tres espectrómetros de rayos gamma; uno para medir rayos gamma naturales (torio, uranio,

potasio); así llamada espectroscopia natural, otro espectrómetro para medir la actividad retardada inducida por captura deneutrones térmicos para la determinación de las concentraciones de aluminio y el tercer espectrómetro para hacer medicionesrápidas de rayos gamma después de la captura térmica para la determinación de silicio, calcio, hierro, azufre, gadolinio ytitanio (espectroscopia inducida). El modelo se denomina modelo de óxido de cierre y se detalla a continuación. El modeloestá diseñado para su uso en los sedimentos clásticos y es una combinación de representaciones de óxidos y carbonatos quese relacionan a la concentración de elementos no medidos con respecto a la concentración de los elementos medidos.Sólo los elementos que están contenidos en la matriz de la roca se incluyen en el análisis, con exclusión de los que puedanestar presentes en el fluido de los poros o en el fluido de la perforación. El modelo es más aplicable para condiciones de pozoabierto, donde no hay necesidad de tratar con hierro adicional, calcio y silicio, que vendría del revestidor y del cemento. Elmodelo es una relación de cierre simple y se puede expresar matemáticamente como se indica a continuación:

(2)

donde;

F= El factor de calibración para ser determinado en cada profundidad de la ecuación arriba,Yi= La fracción del rayos gamma medido que son atribuidos al elemento i,Si= La relativa detección de la sensibilidad a la fracción-peso para el elemento i, Xi= La razón del peso del oxido asociado o carbonato para el peso del elemento i, WAl= La fracción del peso del aluminio determinado a partir de la medición de activación retardada, Wk = La fracción del peso del potasio determinado a partir de la actividad natural.

Las sensibilidades, Si, se miden en el laboratorio y contienen la mayor parte de la física nuclear que participa en la relación entrelos rendimientos de rayos gamma, Yi, que son las respectivas concentraciones elementales. Los rendimientos se determinan a

partir de un ajuste de mínimos cuadrados de los espectros medidos con respecto a espectros elementales estándar. Por lotanto, si en realidad estamos midiendo los elementos necesarios para describir 100% de los minerales de la roca, entoncesla única desconocida, F, se puede determinar trivialmente de la ecuación anterior. La metodología completa se describe en lareferencia 4.

Cr itica a la Metodología

Esta crítica se divide en tres partes diferentes que están relacionados con el diseño de herramientas, el manejo de la información(software) y el ambiente donde la medición se lleva a cabo.

Diseño de Herr amientas

Hay dos posibilidades para producir neutrones para bombardear a la formación, uno es con el uso de fuentes químicas y el otroes mediante el uso de una fuente electrónica (Minitron). El uso de fuentes químicas tiene la desventaja de:

1) Seguridad (en caso que la herramienta queda presa en el pozo)2) Mas débil que el Minitron3) No hay la posibilidad de prender y apagar el flujo de neutrones4) No hay un flujo constante de neutrones

El diseño de la herramienta preferida es con la utilización del Minitron como fuente deneutrones.

La herramienta puede hacer uso de mediciones de espectro de rayos gamma inelásticos y también de captura. Hay herramientasque utilizan las dos mediciones como el EcoScope* e Litho Scanner y otras que hacen solamente la medición de espectro de

rayos gamma inelásticos o de captura. Es mejor tener las dos mediciones del espectro (Inelásticas y de Captura).

Manejo de la I nformación (software)

Como se ha discutido anteriormente existe una técnica para llevar las mediciones de los rendimientos a peso seco deelementos llamados modelo de cierre de óxidos. El modelo de cierre de óxidos como se afirma en la referencia 4 es un modelocon sus propias limitaciones.


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Por otro lado no existe una herramienta que pueda medir todos los componentes en la formación por lo cual una decisión tieneque ser hecha para decidir cuales elementos existe la necesidad de detección a través de los espectros recibido en el detector derayos gamma de la herramienta. Algunos elementos menores serán incorporados a los más abundantes para hacer que la suma

de los rendimientos sea igual al 100%.

La limitación también existe cuando se lleva los elementos de la formación en peso seco a la determinación de rocas en loscuales se utiliza una base de datos extenso reunido alrededor del mundo para ese fin referencia 2.

Ambiente donde la Medición se ll eva a

cabo

Mediciones de espectroscopía inducida se han utilizado ampliamente en todo el mundo incluyendo el Pre-Sal en Brasil y África.Litología se ha determinado inequívocamente con esta metodología a partir de carbonatos en Saudí Arabia hasta areniscasen el cinturón del Orinoco (Faja del Orinoco).

No obstante, algunos sitios en el Pre-Sal en las cuencas de Campos y Santos han demostrado la presencia de minerales asociados

a los carbonatos tales como el talco estevensita que es rico en magnesio. En este caso la metodología ciertamentefunciona en las mediciones de los rendimientos (Yields) y también en la medición de pesos secos. Definitivamente nova a funcionar en la transformación de los elementos a los minerales usando la base de datos amplia obtenida con otras rocascarbonaticas alrededor del mundo. Esto es porque en la base de datos mundial la mayoría de las formaciones no incluyenminerales tales cuales el talco estevensita y la correspondencia de minerales ricos en magnesio se realiza con la dolomía.

Es necesario en el Pre-Sal una nueva metodología para diferenciar los minerales ricos en magnesio, donde en este caso en particular por haber dos minerales ricos en magnesio que son la dolomía y el talco estevensita no hay como hacer una asociacióndirecta como es el caso donde solo hay dolomía presente en la roca.

La solución que existe hoy en día, cuando se perforan esas formaciones es utilizar la información de los rendimientos y doselementos en peso seco de las mediciones de espectroscopia con el fin de detectar intervalos con alto contenido de magnesio.En algunos sitios de la cuenca se han hecho testimonios y estudios de laboratorio con el fin de determinar si lasformaciones eran dolomíticas o presentaban alto contenido de estevensita, con esta experiencia en manos se puede tratar deentender otras áreas de la cuenca donde se consideran posibles correlatos y tener una mejor comprensión si el magnesio

proviene de estevensita o de dolomía. Sin embargo, este es un enfoque muy precario debido a que muchos de los intervalosestudiados en el laboratorio presentan dolomía y estevensita coexistiendo y hacer correlaciones en rocas carbonaticas,especialmente las del Pre-Sal que son muy heterogéneas no es tarea fácil.

En el nivel de campo mirando en los separadores de ripios es posible determinar grandes cantidades de estevensita por su color blanco que se muestra en los separadores (“shale shakers”). Esto es muy útil, sin embargo, hay muchas incertidumbres asociadascon la metodología, principalmente por sólo detectar concentraciones elevadas y también tiene la incertidumbre de la

profundidad una vez que los cortes cambian posición por su variación en densidades a medida que se desplazan de abajo haciaarriba.

Existe la necesidad de encontrar una manera cuantitativa de hacer la interpretación de registros con el fin de separar los mineralesestevensita y dolomía en el Pre-Sal brasileño.

Conclusión y Desarrollo Futur o

En este trabajo se ha ensenado que la medición llamada espectroscopia inducida encuentra obstáculos en algunas áreas del Pre-Sal enBrasil. La dificultad proviene de medir intervalos ricos en magnesio, donde no se sabe de cual mineral proviene estemagnesio:¿Es dolomía, estevensita o una conbinación de losdos?

Hay muchas posibilidades disponibles para hacer frente a esa cuestión. Uno de ellas sería en el lado de la mediciónde la espectroscopia inducida, otra podría ser el uso de los elementos derivados de la espectroscopia, junto con otras medidasde registros con el fin de diferenciar los dos minerales.


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Las mediciones de laboratorio en testimonios o mismo en muestras de pared posiblemente nos conducirán con pistas para ayudara abordar mejor el tema.

La importancia del Pre-Sal y sus particularidades en comparación con otras formaciones de todo el mundo hace un reto para

toda la industria del petróleo hacer frente a los diversos aspectos de esta cuestión. Muchas empresas están estudiando posiblessoluciones al problema abordado aquí. A pesar de que la tecnología de espectroscopía está disponible se necesita de unrefinamiento o de la combinación con otros registros de pozos para abordar el problema y suprimir la ambigüedad discutida eneste documento.

Agr adecimientos

El autor agradece al cliente por compartir su experiencia, su conocimiento del reservorio y geológico, asimismo como a lacompañía de servicio por permitir la discusión de tecnologías hoy día disponibles en la industria petrolera a nivel mundial. Unespecial agradecimiento a mi profesor y tutor de doctorado Egberto Pereira por la Universidad Estadual do Rio de Janeiro(UERJ) por ayudar con importantes sugerencias, preguntas y revisiones en lo que es para convertirse en un proyecto final de carrerade doctorado.

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