aplicación de los registros geofísicos de pozo en la búsqueda y caracterización petrofísica de ...

142 Pages·2014·3.74 MB·Spanish

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
CIENCIAS DE LA TIERRA
UNIDAD TICOMÁN

APLICACIÓN DE LOS REGISTROS GEOFÍSICOS DE
POZO EN LA BÚSQUEDA Y CARACTERIZACIÓN
PETROFÍSICA DE YACIMIENTOS DE SHALE GAS
.

T E S I S

PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO GEOFÍSICO

P R E S E N T A :
GEORGINA GONZÁLEZ PÉREZ

A S E S O R:
DR. ENRIQUE COCONI MORALES

MÉXICO, DF. 2014
Aplicación de los Registros Geofísicos de Pozo en la Búsqueda y Caracterización Petrofísica de
Yacimientos de Shale Gas.

DEDICADA CON AMOR A MI HIJO
DANTE RODRÍGUEZ GONZÁLEZ

“La dicha de la vida consiste en tener siempre algo que hacer, alguien a quien amar y
alguna cosa que soñar” Thomas Chalmers

We have not adequately advanced priorities like education, energy, science and
technology, and health care. We must transform the way we use energy—diversifying
supplies….By doing so, we will enhance energy security, create jobs, and fight climate
change.

—2010 U.S. National Security Strategy

CIENCIAS DE LA TIERRA
Aplicación de los Registros Geofísicos de Pozo en la Búsqueda y Caracterización Petrofísica de
Yacimientos de Shale Gas.
AGRADECIMIENTOS

A MI HIJO DANTE, por su comprensión y paciencia infinita durante el tiempo que
duró mi carrera y el desarrollo de esta tesis, pero sobre todo por ser la razón y motor
de mi vida, logros, sueños y felicidad. Por ser la joya más preciada que tengo y que
me obliga a funcionar y a ser mejor persona cada día y a quien protegeré cada día de
mi vida, siendo su sonrisa lo que hace que valga la pena todo el sacrificio vivido.
A MIS PADRES JORGE Y CARMEN, con amor, admiración y respeto por todo el
apoyo y comprensión total que brindaron en esta vida de lucha y superación
constante. Sabiendo que cada uno de mis logros han sido también suyos y que a
pesar de los obstáculos enfrentados y que en algún momento parecieron imposibles
gracias a ustedes soy la mujer que soy.
A MI HERMANO J. MIGUEL, por su apoyo en los momentos difíciles, por siempre
tener la razón y ser completamente honesto conmigo pero sobre todo por qué junto a
él tengo los recuerdos más bonitos de mi niñez.
A JORGE D.P. CERVANTES, por ser esa persona importante en mi vida que siempre
estuvo lista para brindarme toda su ayuda, por su cariño, paciencia y comprensión,
pero sobretodo porque prefirió sacrificar su tiempo para que yo pudiera cumplir con el
mío. Porque me inspiró a ser mejor persona y me dió la mano cuando sentía que el
camino se terminaba haciendo todo lo posible porque cumpliera mis sueños.
AL DR. ENRIQUE COCONI MORALES, por cada una de sus enseñanzas y
oportunidades brindadas en la carrera así mismo por su apoyo, confianza y consejos
brindados para la elaboración de este proyecto de tesis.
A CADA UNO MIS SINODALES, ALEJANDO MARAVILLAS, DANIEL DORANTES,
EFREN MURILLO Y ROBERTO ZUÑIGA, por todo el tiempo y la dedicación brindada
para la revisión de este proyecto de tesis, brindándome la oportunidad de realizar un
mejor trabajo.
A MIS COMPAÑEROS Y AMIGOS, por cada una de las experiencias vividas a lo
largo de mi formación por ser parte de los momentos vividos y que sin duda serán
recordados por siempre como una de las mejores etapas de mi vida.
A CADA UNO DE MIS PROFESORES, por todos los conocimientos transmitidos así
como consejos y experiencias que me brindaron para formarme como una persona
preparada para los retos que pone la vida.
CIENCIAS DE LA TIERRA
Aplicación de los Registros Geofísicos de Pozo en la Búsqueda y Caracterización Petrofísica de
Yacimientos de Shale Gas.
ÍNDICE
LISTA DE FIGURAS.............................................................................................................................IV
LISTA DE TABLAS...............................................................................................................................V
RESUMEN..........................................................................................................................................VI
ABSTRACT..........................................................................................................................................VII
INTRODUCCIÓN.................................................................................................................................1
CAPÍTULO I: GENERALIDADES..........................................................................................................3
1.1 ANTECEDENTES.......................................................................................................................3
1.2 MARCO TEÓRICO.....................................................................................................................5
1.3 OBJETIVOS...............................................................................................................................7
1.4 LOCALIZACIÓN DE LOS YACIMIENTOS DE SHALE GAS MÁS IMPORTANTES EN NORTE
AMÉRICA Y MÉXICO………………………………………………………………………………………………………………….8
CAPÍTULO II: GEOLOGÍA DEL SHALE GAS.........................................................................................10
2.1 CARACTERÍSTICAS DE LA LUTITA GASÍFERA………………………………………………………………………..10
2.2 ¿QUÉ LO CONVIERTE EN UN PLAY DE SHALE GAS?................................................................11
2.2.1 ¿QUÉ ES UN “SWEET SPOT”?…………………………………………………………………………………….12
2.2.2 REFLECTANCIA DE LA VITRINITA (Ro)………………………………………………………………………..13
2.3 CONTENIDO ORGÁNICO TOTAL (TOC)………………………………………………………………………………..14
2.3.1 MADUREZ DEL KERÓGENO…………………………………………………………………………………………16
2.3.2 EVALUACIÓN DEL POTENCIAL GENERADOR DE LAS ROCAS………………………………………..17
2.4 EVALUACIÓN DEL GAS EN SITIO (GIP)…………………………………………………………………………………..18
2.5 CARACTERÍSTICAS DE LOS PLAYS PRODUCTORES MÁS IMPORTANTES………………………………..19
2.5.1 ESTADOS UNIDOS DE AMÉRICA…………………………………………………………………………..……..19
2.5.2 MÉXICO……………………………………………………………………………………………………………………..38
CAPÍTULO III: REGISTROS GEOFÍSICOS DE POZO…………………………………………………………………..……..51
3.1 TIPOS DE REGISTROS……………………………………………………………………………………………………….….53
3.2 REGISTRO DE DENSIDAD……………………………………………………………………………………………..………54
3.2.1 FUNDAMENTO…………………………………………………………………………………………………………..54
3.2.2 PRESENTACIÓN DEL REGISTRO…………………………………………………………………………………..55
3.2.3 APLICACIONES…………………………………………………………………………………………………….……..56
I
CIENCIAS DE LA TIERRA
Aplicación de los Registros Geofísicos de Pozo en la Búsqueda y Caracterización Petrofísica de
Yacimientos de Shale Gas.
3.2.4 OBTENCIÓN DE LA DENSIDAD DE LA FORMACIÓN…………………………………………………….56.
3.2.5 OBTENCIÓN DE LA POROSIDAD A PARTIR DEL REGISTRO DE DENSIDAD…………………….56
3.3 REGISTRO DE NEUTRÓN……………………………………………………………………………………………………..57
3.3.1 FUNDAMENTO…………………………………………………………………………………………………………..58
3.3.2 PRESENTACIÓN DEL REGISTRO………………………………………………………………………………..…60
3.3.3 APLICACIONES…………………………………………………………………………………………………………..60
3.4 REGISTRO SÓNICO………………………………………………………………………………………………………………61
3.4.1 FUNDAMENTO…………………………………………………………………………………………………………..61
3.4.2 PRESENTACIÓN DEL REGISTRO…………………………………………………………………………………..62
3.4.3 APLICACIONES……………………………………………………………………………………………………………63
3.4.4 CÁLCULO DE POROSIDAD A PARTIR DEL REGISTRO SÓNICO………………………………….…...63
3.5 REGISTRO DE RAYOS GAMMA………………………………………………………………………………………….…64
3.5.1 FUNDAMENTO…………………………………………………………………………………………………………..64
3.5.2 PRESENTACIÓN DEL REGISTRO……………………………………………………………………………….…65
3.5.3 APLICACIONES…………………………………………………………………………………………………………..65
3.6 REGISTRO DE ESPECTROMETRÍA………………………………………………………………………………………...66
3.6.1 FUNDAMENTO…………………………………………………………………………………………………………..66
3.6.2 PRESENTACIÓN DEL REGISTRO………………………………………………………………………………..…67
3.6.3 APLICACIONES……………………………………………………………………………………………………………68
3.7 REGISTRO DE RESISTIVIDAD………………………………………………………………………………………………..68
3.7.1 FUNDAMENTO……………………………………………………………………………………………………….….68
3.7.2 PRESENTACIÓN DEL REGISTRO………………………………………………………………………………..…69
3.7.3 APLICACIONES…………………………………………………………………………………………………………..70
3.8 REGISTRO DE POTENCIAL ESPONTÁNEO…………………………………………………………………………..…70
3.8.1 FUNDAMENTO…………………………………………………………………………………………………………..71
3.8.2 PRESENTACIÓN DEL REGISTRO…………………………………………………………………………………..71
3.8.3 APLICACIONES……………………………………………………………………………………………………………72
3.9 CALIPER…………………………………………………………………………………………………………………………..…73
3.9.1 FUNDAMENTO………………………………………………………………………………………………………….73
3.9.2 PRESENTACIÓN DEL REGISTRO………………………………………………………………………………....73
3.9.3 APLICACIONES…………………………………………………………………………………………………………..74
II
CIENCIAS DE LA TIERRA
Aplicación de los Registros Geofísicos de Pozo en la Búsqueda y Caracterización Petrofísica de
Yacimientos de Shale Gas.
3.10 REGISTRO DE RESONANCIA MAGNÉTICA…………………………………………………………………….......74
3.10.1 FUNDAMENTO………………………………………………………………………………………………………..74
3.10.2 PRESENTACIÓN DEL REGISTRO…………………………………………………………………………….….75
3.10.3 CÁLCULO DE LA PERMEABILIDAD A PARTIR DEL REGISTRO DE RESONANCIA
MAGNÉTICA……………………………………………………………………………………………………………………….76
3.10.4 APLICACIONES…………………………………………………………………………………………………….….77
CAPÍTULO IV: MÉTODOS PARA LA DETECCIÓN DE ZONAS DE SHALE GAS......................................78
4.1 RESPUESTA DE LOS REGISTROS GEOFÍSICOS CONVENCIONALES EN LUTITAS………………………78
4.2 TÉCNICAS DE CLASIFICACIÓN DE ROCAS…………………………………………………………………………..…81
4.3 IMPORTANCIA DEL ANÁLISIS DE NÚCLEO EN LA EVALUACIÓN DE PLAYS NO
CONVENCIONALES……………………………………………………………………………………………………………..82
4.3.1 EVALUACIÓN DE NÚCLEOS……………………………………………………………………………………..…….83
4.4 CÁLCULO DE LAS PROPIEDADES PETROFÍSICAS CLAVE DEL YACIMIENTO DE SHALE GAS….…89
4.4.1 GAS EN SITIO ……..…………………………………………………………………………………………………….91
4.4.2 CÁLCULO DE TOC…………………………………………………………………………………………………..….96
4.4.3 ESTIMACIÓN DE LAS PROPIEDADES IN-SITU DEL HIDROCARBURO……………………………113
4.4.4 ESTIMACIÓN DE LA DENSIDAD MINERAL DE GRANO………………………………………………..116
4.4.5 ESTIMACIÓN DEL CONTENIDO DE ARCILLA………………………………………………………………117
4.4.6 POROSIDAD……………………………………………………………………………………………………………..118
4.4.7 ESTIMACIÓN DE LA PERMEABILIDAD (K)……………………………………………………………….…121
4.4.8 ZONAS DE PAGA………………………………………………………………………………………………………122

CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………………………………………….123
RECOMENDACIONES……………………………………………………………………………………………………………...…123

ANEXO 1: COMPARACIÓN ENTRE LOS PLAYS MÁS IMPORTANTES DE ESTADOS UNIDOS DE
AMÉRICA………………………………………………………………………………………………………………......................124
ANEXO 2: TOC vs. COLOR DE LUTITAS………………………………………………………………………………………..127

BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................................128

III
CIENCIAS DE LA TIERRA
Aplicación de los Registros Geofísicos de Pozo en la Búsqueda y Caracterización Petrofísica de
Yacimientos de Shale Gas.

LISTA DE FIGURAS

CAPÍTULO 1

Figura 1.1 Pozo Emergente-1, ubicado en el municipio de Hidalgo, Coahuila…….................................4
Figura 1.2 Comparación en la explotación de gas entre un play convencional y uno no
convencional…………………………………………………………………………………………7
Figura 1.3 Mapa mundial de las cuencas de Shale gas a nivel mundial…………………………………...8
Figura 1.4 Mapa de la localización y extensión de los plays lutita más grandes………………………….9
Figura 1.5 Mapa de localización de zonas potenciales de Shale Gas en México………………………...9

CAPÍTULO 2

Figura 2.1 Esquema del incremento de permeabilidad de acuerdo al tipo de yacimiento……………..…12
Figura 2.2 Diagrama de Van Krevelen…………………………………………………………………….……15
Figura 2.3 Transformación térmica del kerógeno……………………………………………………………..16
Figura 2.4 Sección estratigráfica del yacimiento Barnett……………………………………………………..20
Figura 2.5 Columna estratigráfica del yacimiento Barnett…………………………………………………....20
Figura 2.6 Sección estratigráfica del play Haynesville………………………………………………………..22
Figura 2.7 Columna estratigráfica del play Haynesville………………………………………………………22
Figura 2.8 Sección estratigráfica de la cuenca HornRiver………………………………………………...…24
Figura 2.9 Columna estratigráfica de la cuenca HornRiver………………………………………………….25
Figura 2.10 Sección estratigráfica del play Marcellus………………………………………………………….27
Figura 2.11 Columna estratigráfica del play Marcellus………………………………………………………...28
Figura 2.12 Sección estratigráfica del play Bakken…………………………………………………….………30
Figura 2.13 Columna estratigráfica del play Bakken…………………………………………………………...31
Figura 2.14 Sección estratigráfica del play Eagle Ford……………………………………………………...…33
Figura 2.15 Columna estratigráfica del play Eagle Ford……………………………………………………….34
Figura 2.16 Ubicación de los principales plays del Cretácico Sup.y Jurásico Sup. en el Norte de
México………………………………………………………………………………………………..38
Figura 2.17 Posición estratigráfica de los plays ubicados en rocas del Cretácico y Jurásico
Superior……………………………………………………………………………………………....39
Figura 2.18 Características geológicas y petrofísicas de las principales cuencas de Shale gas………....40
Figura 2.19 Gráficos comparativos entre las cuencas Burro-Picachos, Tampico-Misantla, Burgos,
Sabinas, Veracruz y Chihuahua…………………………………………………………………...41
Figura 2.20 Ubicación de los pozos Emergente-1 y Habano-1 en el área de Sabinas………………….….42
Figura 2.21 Ubicación del pozo Arbolero-1 en el área Sabinas-Burro-Picachos…………………………….43
Figura 2.22 Ubicación del pozo Limonaria-1 en la cuenca Tampico-Misantla……………………………….45
Figura 2.23 Ubicación de las zonas prospectivas en los plays Pimienta y Agua Nueva en la Cuenca
Tampico-Misantla…………………………………………………………………………………….46
Figura 2.24 Presencia y tipo de hidrocarburo en la formación Pimienta……………………………………...46
Figura 2.25 Mapas de madurez térmica espesor y profundidad de las estructuras en la formación
Pimienta………………………………………………………………………………………….……47
Figura 2.26 Configuración estructural en profundidad del Cretácico Eagle Ford Inferior………………...…48
Figura 2.27 Sección sísmica del pozo Emergente-1………………………………………………………….…50

IV
CIENCIAS DE LA TIERRA
Aplicación de los Registros Geofísicos de Pozo en la Búsqueda y Caracterización Petrofísica de
Yacimientos de Shale Gas.
CAPÍTULO 3

Figura 3.1 Esquema del efecto Compton………………………………………………………………........54
Figura 3.2 Registro de densidad……………………………………………………………………………....55
Figura 3.3 Registro de neutrón………………………………………………………………………………...60
Figura 3.4 Registro sónico……………………………………………………………………………………...62
Figura 3.5 Registro de rayos gamma………………………………………………………………………….65
Figura 3.6 Registro de espectrometría………………………………………………………………………..67
Figura 3.7 Parámetros de la zona infiltrada…………………………………………………………………..69
Figura 3.8 Registro de resistividad………………………………………………………………………........69
Figura 3.9 Esquema del potencial electrocinético……………………………………………………………71
Figura 3.10 Registro de potencial espontáneo…………………………………………………………………72
Figura 3.11 Registro Caliper…………………………………………………………………………………......73
Figura 3.12 Medición de la porosidad………………………………………………………………………......75
Figura 3.13 Registro de resonancia magnética………………………………………………………………..76

CAPÍTULO 4

Figura 4.1 Modelo petrofísico para los componentes volumétricos de una matriz de arcilla……………85
Figura 4.2 Isoterma de Langmuir………………………………………………………………………………93
Figura 4.3 Isoterma de adsorción para diferentes contenidos de gas…………………………….............95
Figura 4.4 Composición de una roca generadora según la madurez de su materia orgánica……….....97
Figura 4.5 Registros utilizados para el cálculo de …………………………………………………...100
Figura 4.6 Gráfica cruzada TOC vs. ………………………………………………………………...101
Figura 4.7 Gráfico del nivel de LOM vs. Ro…………………………………………………………………..101
Figura 4.8 Guía de interpretación de respuestas observadas en los registros de resistividad y
sónico……………………………………………………………………………………………….102
Figura 4.9 Ejemplo de la aplicación del método de Passey………………………………………………..104
Figura 4.10 Método RG-Rt….……………………………………………………………………………..…….111
Figura 4.11 Problema de la porosidad……………………………………………………………………........119
Figura 4.12 Esquema de la riqueza orgánica de la lutita, agua e hidrocarburo que la componen……...120

LISTA DE TABLAS

CAPÍTULO 2

Tabla 2.1 Contenido orgánico de la roca……………………………………………………………….………18
Tabla 2.2 Características geológicas de los principales yacimientos de Estados Unidos de
América……………………………………………………………………………………………......35
Tabla 2.3 Extensión total y volumen de gas total y en sitio de los yacimientos de Estados Unidos de
América………………………………………………………………………………………………...35
Tabla 2.4 Propiedades físicas de los principales plays de Estados Unidos de América…………………...36
Tabla 2.5 Propiedades petrofísicas de los principales yacimientos de Estados Unidos de América…....36
Tabla 2.6 Contenido de material arcilloso de los principales plays de Estados Unidos de América..........36

CAPÍTULO 4
Tabla 4.1 Resumen de métodos para determinar Carbón orgánico total a partir de registros……………80

V
CIENCIAS DE LA TIERRA
Aplicación de los Registros Geofísicos de Pozo en la Búsqueda y Caracterización Petrofísica de
Yacimientos de Shale Gas.

RESUMEN
Los recursos en los plays de lutita se han convertido en un creciente interés en la
búsqueda de los futuros suministros de energía así mismo la industria petrolera ha
progresado de yacimientos convencionales a no convencionales de baja permeabilidad
como los yacimientos de Shale Gas. En consecuencia, la caracterización petrofísica de
los mismos se ha convertido en un factor importante para la identificación de los “Sweet
Spots”.
Tradicionalmente, las caracterizaciones petrofísicas se han basado en núcleos. Sin
embargo, el proceso de extracción de muestras es costoso. Aunque el registro
proporciona una clara ventaja, al proporcionar la medición continua de datos a través de
la profundidad, las mediciones basadas en el núcleo todavía se consideran superiores y
más confiables. Por lo tanto cuando la mineralogía, la densidad de grano, porosidad y
TOC (Contenido Orgánico Total) están disponibles, es posible desarrollar un modelo
petrofísico. El modelo posteriormente, se puede aplicar en otros pozos con acceso
limitado o sin datos de núcleo.
Sin embargo, la calibración de núcleo-registros en plays no convencionales se lleva a
cabo actualmente por las empresas de servicios que utilizan un conjunto completo de
registros, incluyendo registros geoquímicos. Este proyecto analiza una calibración
núcleo-registros en lutitas gasíferas que no utiliza registros geoquímicos con el fin de
desarrollar una metodología para la realización de un modelo petrofísico, lo que hace
posible la estimación de la mineralogía, porosidad, gas adsorbido y saturación de fluido.
La metodología propuesta permite la caracterización petrofísica económica, ya que
emplea el uso de registros de pozos limitados (Rayos Gamma, Densidad / Neutrón,
Sónico y Resistividad) que se encuentran comúnmente disponibles para cada pozo.

VI
CIENCIAS DE LA TIERRA
Aplicación de los Registros Geofísicos de Pozo en la Búsqueda y Caracterización Petrofísica de
Yacimientos de Shale Gas.
ABSTRACT
Shale plays resources have become of increasing interest in the quest for the future
energy supplies and the petroleum industry has progresses from conventional reservoirs
to low matrix permeability unconventional Shale play reservoirs. Consequently,
petrophysical characterization of these unconventional reservoir has become extremely
important for identifying sweet spots.
Traditionally, the petrophysical characterizations have been based on cores. However,
the coring process is expensive. Although logging provides a distinct advantage by
providing continuous measurement of data over the depth, the core-based
measurements are still considered better and more reliable. Hence when core data such
as mineralogy, grain density, porosity and TOC (Total Organic Carbon) are available, it is
possible to develop a petrophysical model using those core data as a guide. The model
can then be applied in other wells with limited or no core data.
However, log-core calibration in unconventional reservoir is currently performed by
service companies using a full suite of logs including geochemical logs. This project
attempts a log-core calibration in shale gas reservoir that does not use geochemical logs
to develop a methodology for performing a petrophysical model, which makes prediction
of mineralogy, porosity, adsorbed gas and fluid saturation. The proposed methodology
makes petrophysical characterization economical as it employs the use of limited well
logs (Gamma ray, Density/Neutron Logs, Sonic Log and Resistivity Log) that are
commonly available during well development.
VII
CIENCIAS DE LA TIERRA