17/04/2023 I. INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA PETROLERA. ii.1 Geociencias. Rocas y Formación de acumulaciones

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INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA PETROLERAUniversidad Politécnica del Golfo de México

IP, I cuatrimestreIi Geociencias

Primera de dos partes

17/04/2023 I. INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA PETROLERA. ii.1 Geociencias. Rocas y Formación de acumulaciones

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Contenido

Las condiciones para la existencia de hidrocarburos

Introducción Cuencas sedimentarias Formación de rocas Estructura geológica Rocas generadoras Maduración Migración Entrampamieto y conservación del yacimiento

Métodos y técnicas de exploración(se revisará en la segunda de estas dos partes)

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Contenido

Las condiciones para la existencia de hidrocarburos

Introducción Cuencas sedimentarias Formación de rocas Estructura geológica Rocas generadoras Maduración Migración Entrampamieto y conservación del yacimiento

Métodos y técnicas de exploración (se revisará en la segunda de estas dos partes)

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosIntroducción

Para iniciar esta segunda unidad «exploración», cabría recapitular parte de lo que hemos revisado hasta ahora:

Vimos que la tierra tiene una historia cósmica que le antecede. Esta historia, para hacerla comprensible, los científicos se han valido del calendario cósmico.

Revisamos rápidamente un video acerca de un hipotético viaje al centro de la tierra para aprender cómo está formada ésta. Esto nos dio la posibilidad de entender de que la tierra, al igual que el sol, sus planetas y todo el universo en general, están en constante movimiento, como si tuvieran vida.

Enfocando un poco más nuestra atención hacia al aspecto geológico específicamente en el campo petrolero, preguntémonos: a grandes rasgos, ¿Qué se necesitó para lograr las acumulaciones de hidrocarburos que existen en el globo terráqueo?

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosIntroducción

Se requieran varias condiciones para que, según las teorías prevalecientes, sea posible la existencia acumulación de hidrocarburos, que son:1. La existencia de una adecuada secuencia de acumulación de rocas

durante períodos geológicos, es decir, de una cuenca de depósitos de sedimentos

2. Dada esta secuencia, se requiere la existencia de altos contenidos de materia orgánica para formar la roca generadora

3. La existencia de grandes temperaturas y de presión, se alcanza la maduración, condición por la que los hidrocarburos son expelidos de la roca generadora

4. Un proceso de migración del hidrocarburo hacia un tipo de sedimento poroso, es decir, la roca almacenadora

5. La roca almacenadora es retenida en una formación impermeable que haga las veces de trampa.

Revisemos, pues, estos conceptos mismos que, a lo largo de su carrera, los aprenderán con mayor fundamento científico para su mejor aplicación ingenieril.

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Contenido

Las condiciones para la existencia de hidrocarburos

Introducción Cuencas sedimentarias Formación de rocas Estructura geológica Rocas generadoras Maduración Migración Entrampamieto y conservación del yacimiento

Métodos y técnicas de exploración (se revisará en la segunda de estas dos partes)

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas sedimentarias

Uno de los hitos en la geología durante el siglo XX fue la aceptación del concepto placas tectónicas, tema del cual tratarán en sus cursos completos de geología.

A manera de introducción, este concepto postula que la posición de los continente y de los océanos no están estáticos, sino que se mueven, o sea, cambian gradualmente su posición. ¿A qué velocidad ocurren los cambios? A velocidades en donde el tiempo se mide en millones de años, es decir, en la eternidad de los tiempos geológicos.

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas sedimentarias

(Obtenido de Geodinámica de México y Minerales del Mar de Aguayo y Trápaga) “Arthur Holmes (…) propuso entre 1927 y 1929 que un posible mecanismo dinámico (…) podría deberse a corrientes convectivas generadas en las rocas fundidas del manto superior (…) zonas térmicamente más activos tienden a proyectarse hacia la superficie de la litósfera, en donde se enfrían y posteriormente vuelven a descender (…) (lo que se confirma) con el descubrimiento de las dorsales oceánicas (…). Las corrientes descienden hacia el manto en las fosas oceánicas, adyacentes al continente por lo que (…) (esta teoría) fue adquiriendo popularidad(…).

Con las evidencias geológicas y geofísicas que indican el gran dinamismo que está ocurriendo en la tierra (…) Harry H. Hess (…) y Robert S. Dietz (…) interpretaron que los fondos oceánicos se están renovando continuamente a través de (…) las cordilleras oceánicas por donde se expulsa el magma (…) .

Los avances científicos sobre la dinámica de cortezas oceánicas y la deriva de los continentes son perfectamente compatibles (…) con los resultados de las expediciones del buque oceanográfico Glomar Challenger.(…) que fue casi simultáneo al desarrollo tecnológico y la experiencia que adquirieron los participantes sobre técnicas de perforación, colecta de sedimentos y rocas, navegación y posicionamiento marino (…). La información que se recabó durante este periodo histórico de exploración oceánica es vasta y variada. Pasarán muchos aos para que deje de ser una fuente inagotable de conocimientos dado el gran acervo de muestras y datos que aún están en proceso de investigación.

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas sedimentarias

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas sedimentarias

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas sedimentarias

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas sedimentarias

Las cordilleras de montañas no son sino rasgos creados por la corteza terrestre al moverse ésta y tienen como origen el choque de los continentes.

Otro de los rasgos son las grandes depresiones como las del Mar Rojo que se forman, al revés de las montañas, por extensión de continentes.

Ambos efectos causan la conformación de depresiones a gran escala en donde se acumulan sedimentos provenientes de los altos de alrededor.

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas Sedimentarias

La corteza terrestre está formada por rocas y las rocas están compuestas por minerales que son compuestos químicos como el cuarzo SiO2 y la calcita CaCO3.

La roca ígnea es la que proviene del magma que brota por fenómenos volcánicos, la roca metamórfica que se obtiene debido a que, al estar profundamente enterrada, su composición química se modifica por efectos del calor y de la presión (mármol y pizarra). Pero, la roca que más expuesta en la superficie terrestre es la roca sedimentaria, conformada por la descomposición de rocas.

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas Sedimentarias

Desde el punto de vista petrolero, las rocas ígneas y metamórficas son de poca importancia. El hidrocarburo se gestó sólo en las rocas sedimentarias y, con pocas excepciones, el petróleo se produce de rocas sedimentarias.

Pero no está demás que les adelante información de cómo se relacionan los minerales con los diferentes tipos de rocas.

Mineral grains in a rock

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas Sedimentarias

Composición de las rocas comunes, donde se muestra el porcentaje aproximado de sus minerales (Fuente: Geología general y de México, Ernesto López Ramos, Ed. Trillas

Granito Basalto Arenisca Pizarra CalizaCuarzo SiO2 31.3 69.8 31.9 3.7Feldespatos Si3O8KAl 52.6 46.2 8.4 17.6 2.2Micas 11.4 1.2 18.4Minerales arcillosos 6.9 10 1Clorita 1.1 6.4Hornblenda 2.4Augita 36.9Olivino 7.6Calcita y dolomita 10.6 7.9 92.8Minerales de hierro 2 6.5 1.7 5.4 0.1Otros minerales 0.5 2.8 0.3 2.4 0.3

Rocas Ígneas Rocas sedimentaris y metamórficasMinerales

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas Sedimentarias

Rocas Minerales

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas Sedimentarias

Y ¿cómo se forma la roca sedimentaria?

La acción de la intemperie. En las alturas de las montañas, la temperatura es más baja porque la sábana que aísla la atmósfera es muy delgada y por ende, retiene menos el calor de la tierra. El aire frío retiene menos agua (en estado gaseoso o vapor) las lluvias tienen efecto.

Las grandes cantidades de agua en las montañas aceleran la acción de la intemperie: el agua penetra en las fracturas de la corteza en forma líquida que, al hacerse hielo, se expande con la fuerza suficiente para resquebrajar roca.

La acción de la intemperie no sólo es de carácter físico. El CO2 de la atmósfera es atrapado por el agua de las lluvias y trasladado a sus corrientes en forma de ácido, la piedra caliza (carbonatos cementados) en contacto con estas aguas se disuelven. Existen enormes cavernas de caliza que dan testimonio del efecto de este proceso.

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas Sedimentarias

Así como se producen cavernas de caliza, también convierten caliza impermeable en roca porosa y permeable a modo de yacimientos petroleros.

Los canales de la solución del grueso de una línea de lápiz que existen en la caliza de los yacimientos, se formaron de la misma forma de las cavernas subterráneas pero simplemente no tuvieron tiempo para crecer.

Erosión. Las corrientes de grandes cantidades de agua cayendo desde grandes alturas por las pendientes pronunciadas, cargan también con rocas que, en su caída, éstas se descomponen en piezas más pequeñas, y en la caída, provocan el desprendimiento de más rocas.

La acción de la intemperie y la de la erosión hubieran convertido en un mundo plano y sin mayores rasgos, si no fuera por el continuo movimiento de los continentes con la aparición de nueva montaña.

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas Sedimentarias

Depositación. Las corrientes bajando transportan una carga pesada de material sólido. En la medida que la corriente se acerca a las partes bajas de los terrenos y su velocidad disminuye, las partículas más grandes se caen fuera de la suspensión, en proceso gradual de depositación selectiva. No asociado con este proceso, está la formación de caliza cuyo origen es el de aquel plancton con concha que, muerto, se hunde al fondo marino.

Río

Grava

conglomerado

arena

arenisca

arcilla

pizarra

Concha de mar

caliza

Océano

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas Sedimentarias

Pizarra bituminosa (también conocida como esquisto bituminoso o, más correctamente, como lutita bituminosa)[1] es un término general aplicado a un grupo de rocas con la suficiente abundancia en material orgánico (llamado querógeno) como para producir petróleo

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas Sedimentarias

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosCuencas Sedimentarias

Litificación. La conversión de sedimento suelto en roca sedimentaria es a través de un proceso de compactación y cementación. En tanto se van depositando los sedimentos, éstos quedan enterrados por sedimento nuevo gradualmente hasta alcanzar profundidades que, por la presión, el agua en los intersticios se exprime, permitiendo el contacto de las partículas individuales y, en un momento u otro, quedar soldadas entre sí por acción de carbonatos de calcio o de sílica precipitados del agua.

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Contenido

Las condiciones para la existencia de hidrocarburos

Introducción Cuencas sedimentarias Formación de rocas Estructura geológica Rocas generadoras Maduración Migración Entrampamieto y conservación del yacimiento

Métodos y técnicas de exploración (se revisará en la segunda de estas dos partes)

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosFormación de rocas

Hasta aquí debemos haber aprendido a manera de introducción del campo de la exploración petrolera, cómo se forman las rocas sedimentarias, tipo de rocas en las que la exploración petrolera presta especial atención.

El siguiente concepto es el de «formación de rocas», que son capas delgadas que se extienden sobre grandes áreas.

En de la lámina 14 es un esquema de cómo, según la teoría aceptada, explica que debido a que partículas similares en tamaño y densidad se depositan aproximadamente en la misma distancia de la playa. Este mecanismo edifica sedimentaciones en forma vertical, por lo que debe haber un segundo mecanismo que explique las formaciones horizontales que actualmente se hallan.

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosFormación de rocas

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosFormación de rocas

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosFormación de rocas

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosFormación de rocas

Boulder, Guijarro, gránulo de piedra, arena, limo, arcilla

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosFormación de rocas

Vean el esquema siguiente. Se puede uno imaginar cómo la línea costera migra en dirección de la tierra firme conjuntamente con una migración de la depositación submarina en la misma dirección y sentido.

El resultado de esta doble migración, las arenas son depositadas no en una pila vertical sino en un capa continua horizontal típica de las formaciones. Similarmente las arcillas (lutita o pizarra) y la grava (conglomerado) se depositan en esta forma de sábana, formando capas sobre y debajo la arena.

Nivel del mar 3

Nivel del mar 2

Nivel del mar 1

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Métodos y técnicas de exploración (se revisará en la segunda de estas dos partes)

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosEstructura geológica

La geología estructural que van a llevar en sus clases de tetramestres futuros, estudia las formas que toman las rocas en la superficie como en el subsuelo debido a fuerzas activas que han modificado su posición y actitud originales. Los movimientos que afectan las rocas sólidas provienen de fuerzas del interior de la Tierra y causan pliegues, fallas, juntas y fracturas paralelas.

Los pliegues son ondulaciones en las rocas y están mejor expuestos por formaciones estratificadas, como rocas sedimentarias, aunque cualquier roca laminada puede formar pliegues. Algunos pliegues tiene varios kilómetros de extensión y otros pueden ser medidos en centímetros.

Los pliegues, al fin siendo ondas, tienen dos características estructurales: los fondos que conforman una concavidad superior se llaman sinclinares y las simas con concavidad inferior, anticlinares, muy buscados por representar buenas probabilidades de acumular hidrocarburo.

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosEstructura geológica

Fallas. Que son rompimiento de la corteza terrestre acompañado por un desplazamiento. Como las anticlinares, las fallas son de interés particular porque pueden proveer trampas de hidrocarburo. Diremos que dos de las más importantes fallas son:

Falla normal, llamada así por ser la más común en la naturaleza y es causada por esfuerzos tensionales. El resultado es que la corteza se extiende.

Falla inversa ocurre por acción de fuerzas de compresión, haciendo la corteza más chica.

Existen más clasificaciones de fallas pero éstas las verán en sus cursos formales de geología y geofísica. Llegaremos a esquematizar las fallas hasta ahora vistas:

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosEstructura geológica

Falla normal Falla inversa

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Métodos y técnicas de exploración (se revisará en la segunda de estas dos partes)

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosRocas generadoras

Ya entendemos que es una estructura sedimentaria. Bueno, el 90% de toda la materia orgánica hasta ahora encontrada en sedimentos está contenida en lutitas.

Para que ésta estructura se convierta en roca generadora debe haber sucedido lo siguiente:

La existencia de abundante materia orgánica (algas y/o fitoplancton) sin la presencia de oxígeno pues éste, al oxidar la materia orgánica, la descompone en CO2 y agua.

Sedimentación continua por periodos grandes que venga acompañado de enterramientos profundos.

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosRocas generadoras

La forma en que hemos expresado aquí las cosas, parece que suceden en tiempos humanos. Si recordamos nuestra película del Calendario Cósmico de Carl Sagan, la iniciación del primer movimiento de un organismo queda fuera de la percepción humana.

Sin embargo, el hombre ha podido desarrollar científicamente la historia geológica. Esta está dividida en eras geológicas, tema que no tocaremos en este curso. Sólo diremos que en cada era, se presentó una enorme variedad de flora y fauna que se desarrollaron, culminaron y se extinguieron.

Muchos organismos quedaron sepultados en forma de fósiles que pueden consistir en materia petrificada, madera fósil, moldes, huellas. Los fósiles constituyen el mejor medio de clasificación.

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosRocas generadoras

Dicho lo anterior y volviendo al tema de las rocas generadoras, la experiencia en México ha dado como resultado que las rocas con producción más considerable de hidrocarburos son las comprendidas en el Mesozoico y Terciario.

Las rocas almacenadoras de hidrocarburos más apropiadas son las areniscas, calizas y dolomitas, conglomerados y fracturas de cualquier roca, sea ésta ígnea, metamórfica o sedimentaria.

¿Qué los hace apropiadas y qué no?

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosRocas generadoras

Porosidad. La existencia de un espacio abierto en la roca es esencial para contener aceite y gas. Estos espacios puede ser inter-granular, vugular (canales o venas) y en fracturas. Se mide en porcentaje, es decir, la porción den un volumen dado, que está desocupado de materia.

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosRocas generadoras

Permeabilidad. La porosidad de una roca de yacimiento debe interconectarse a través de la formación hacia el agujero del pozo. Esta conectividad se llama permeabilidad.

Fluidos de saturación. Los sedimentos depositados en los oceanos originalmente estaban rodeados por agua de mar, ocupando el espacio de los poros durante la litificación. Así permanecerían a menos que crudo o gas o agua fresca desplazara al agua salada. Este desplazamiento es de vital importancia para los ingenieros pues determinan la rentabilidad del yacimiento, ya que el agua salada siempre ocupa parte de la porosidad, con la consecuente reducción de volumen para gas y aceite.

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Métodos y técnicas de exploración (se revisará en la segunda de estas dos partes)

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosMaduración

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosMaduración

En una cuenca sedimentaria típica, la generación de aceite comienza a aproximadamente 150 ° F (65 ° C) y termina a unos 300 ° F (50 ° C). Si la roca de origen está enterrada en lo más profundo- donde las temperaturas son superiores a 300 ° F (50 ° C), se genera el gas termogénico- producidoa partir de la materia orgánica remanente en la roca de origen. Gas termogénico es el gas que puede quedar atrapado y este puede ser gas seco o húmedo.

La zona de la corteza donde se genera el aceite se llama zona de aceite ventana. Se produce de unos 7000 a 18.000 pies (2130 a 5500 m) de profundidad. El petróleo pesado, llamado aceite inmaduro se genera temperaturas bajas de la ventana mientras que aceite ligero, llamado petróleo maduro, se genera en mayor temperaturas. El gas húmedo es formado a temperaturas más bajas en las que se producen gases termogénicos,. El gas seco se forma bajo temperaturas más altas en las profundidades.

El tiempo es también un factor de generación. Gases biogénicos y termogénicos se forman de manera muy rápida, pero el aceite tarda mucho tiempo en formarse. Debido a que las reacciones químicas duplican su velocidad por cada 10 ° F(5.5°C) de aumento de temperatura, el tiempo en la roca de origen expuesto a cada temperatura como está enterrado profundo también influye en la formación de aceite.

Aceite puede generarse temperaturas bajas si la roca fuente está expuesta a esas temperaturas durante más tiempo transcurra. Temperaturas mayores necesitan tiempos más cortos para generar aceite.

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosMaduración

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Métodos y técnicas de exploración (se revisará en la segunda de estas dos partes)

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosMigración

El petróleo incrustado en la roca sedimentaria, sea esta lutita o lodomita u otro tipo de roca generadora, disperso, no reviste mayor interés petrolero para extraerlo. El valor residen en que esté concentrado en grandes acumulaciones que justifiquen los costos de perforación y producción.

La primera fase de la migración consisten en la expulsión de los pequeños contenidos o gotas de hidrocarburo. Dado que la formación está compuesta por capas de arcilla que sella cualquier paso, tiene características impermeables en condiciones normales, pero, el peso que ejerce la profundidad, compacta y fractura la formación, exprimiendo hacia arriba, agua e hidrocarburo

Sobrecarga

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosMigración

Roca capa

Roca capaTrampa

Roca almacenadora

Roca generadora

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Contenido

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Métodos y técnicas de exploración (se revisará en la segunda de estas dos partes)

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosEntrampamiento y conservación del yacimiento

El hidrocarburo es de menor densidad que el agua.

Si no hay una medio mecánico que detenga la migración, ésta continuará hasta emerger en la superficie del suelo.

Entonces, es lógico suponer que en el pasado geológico, vastas cantidades de hidrocarburo no pudo haber sido aprovechado por el hombre.

Hay muchas formas de trampas. Estas son tres muy conocidas:

Anticlinal Falla Estatigráfica

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosEntrampamiento y conservación del yacimiento

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosConclusiones

Aunque todos los elementos descritos hasta ahora se presenten en una cuenca sedimentaria, no necesariamente se encontrarán acumulaciones.

La evaluación de prospectos encara frecuentemente una cuestión crucial acerca de la sincronía de eventos, o timing.

La deformación de estructuras en una trampa debe preceder la maduración y la migración del petróleo. El sello del yacimiento debe ser intacto durante periodos geológicos. Si sucede una filtración en algún momento, la exploración sólo encontrará pequeñas cantidades de residuos aceite.

Al contrario, si el sello referido se desarrollo tempranamente en la historia del campo, prevendrá la migración de hidrocarburos hacia la estructura.

En otros casos, sucede existencia de bacteria que biodegrada el aceite.

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Las condiciones para la existencia de hidrocarburosConclusiones

Dado los altos costos de la aventura exploratoria, es claro que se deben hacer grandes esfuerzos para evitar operaciones fallidas (para evitar la palabra «fallas» y entrar en confusión con las fallas geológicas que acabamos de ver).

Para ello se han metodizado muchas disciplinas que ustedes deberán dominar, si quieren desarrollar una vida profesional aceptable en lo técnico. Geología, Geofísica, Matemáticas, Geoquímica. Todas esas materias deberán dominarlas para obtener, en su trabajo colaborativo, la mejor prospectiva.

Recuerden que las probabilidades de que un pozo exploratorio a nivel mundial son de un pozo con éxito en diez pozos realizados.

Veamos, pues, en la siguiente sesión, una descripción genérica de las técnicas y métodos de exploración.

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Bibliografía

Hydrocarbon Exploration and Production. Developments in petroleum scienceFrank Jahn, Mark Cook & Mark GrahamElsevier1999USA (la biblioteca de la UPGM posee este libro)