RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR

UNIVERSIDAD pRIVADA bOLIVIANARESONANCIA MAGNETICA NUCLEAREVALUACION CON REGISTRO DE POZOS

Alvaro Joaquin Velazco Navarro18 de diciembre de 2013

INTRODUCCINUna alternativa para determinar caractersticas petrofsicas de rocas de yacimiento es la aplicacin con herramientas de perfilaje utilizando el principio de Resonancia Magntica Nuclear. As, se inicia una nueva era en la evaluacin de propiedades de yacimientos. Las mediciones en campo a travs de los denominados perfiles y sus correspondientes evaluaciones en la determinacin de variables petrofsicas tales como: Porosidad efectiva saturacin irreducible de agua, permeabilidad, tiempo de relajacin ndice de fluido libre y fluido ligado, propiedades que contribuyen a la toma de decisiones.

PRINCIPIODEL METODOEl principio de medida est basado en excitar magnticamente ncleos de hidrgeno y analizar las seales que stos emiten. La amplitud de estas seales ser proporcional a la cantidad de ncleos de hidrgeno presentes en la zona de medida. Todas las mediciones de Resonancia Magntica Nuclear (RMN) implican el uso de un campo magntico y de ondas electromagnticas de amplitud, frecuencia y duracin controladas (pulsos), que son emitidas por la antena de una herramienta de perfilaje. En condiciones muy particulares, los ncleos de hidrgeno responden emitiendo tambin ondas electromagnticas de la misma frecuencia que la antena emisora, las que se denominan ecos y son detectadas por la misma antena. Los datos primarios obtenidos en cada ciclo de medida son trenes de ecos los cuales estn caracterizados por su amplitud y por la variacin de sta con el tiempo. Estos dos factores son muy importantes dado que la variacin de la amplitud nos da una idea de la proveniencia de la seal (arcilla de la matriz o fluido neto en los poros); el valor de la amplitud a su vez depende del nmero de ncleos que pudo ser excitado en la zona de medida, el sistema esta calibrado de manera que este valor se expresa en unidades de porosidad. En este estado de magnetizacin estable se aplican los pulsos con la antena de la herramienta, los que tendrn una frecuencia (en realidad una banda de frecuencias) igual a la frecuencia definida por Sir Joseph Larmor, al inicio del pasado siglo, que es la nica frecuencia a la cual es posible comunicar energa a los protones (fenmeno denominado resonancia magntica).El efecto de estos pulsos es un giro del momento magntico proporcional a la energa del pulso, por lo tanto una vez finalizado este primer pulso (de 90) los momentos magnticos se encuentran en el plano transversal girando a la frecuencia de Larmor.En el volumen investigado existe una banda de frecuencias de Larmor en lugar de una nica y esto hace que rpidamente los ms veloces tomen distancias de los ms lerdos y se pierda la coherencia que permite detectarlos. En este punto se aplica un pulso con el doble de energa que el anterior (de 180) provocando un giro tambin de 180 en el plano transversal alrededor de un eje. Esto provocar que al cabo de cierto tiempo los ms rpidos alcancen a los ms lerdos y en un instante todos los vectores pasen por el mismo lugar al mismo instante emitiendo una seal electromagntica que es detectada por la antena de la herramienta (primer eco). Este primer eco tiene la informacin de la cantidad de protones que participaron en nuestro experimento de RMN y como stos estn contenidos en los fluidos la amplitud de este eco es proporcional a la porosidad del medio que estamos midiendo.

UNIDADES DE MEDICION, ESCALAS

CONFIGURACION DE LAS SONDAS

Durante las mediciones, la torre de perforacin no est en funcionamiento. Como los costos diarios de la torre de perforacin pueden ser de entre U$10.000 y U$100.000 las compaas petroleras quieren reducir el tiempo de medicin. Esto representa una limitacin importante en las operaciones prcticas. Habitualmente, se necesitan los datos con un intervalo de profundidad de 300 metros (1000 pies) o ms, con una resolucin vertical de 30 centmetros (un pie). Para que sea econmicamente viable, el aparato de RMN debe moverse continuamente a una velocidad de ms de 5 centmetros (2 pulgadas) por segundo. Esto significa que se necesita realizar una medicin complicada en menos de seis segundos. Compara esto con la resonancia magntica nuclear que se utiliza en el mbito de la medicina, donde el paciente debe permanecer recostado y totalmente inmvil alrededor de media hora. Los instrumentos de medicin para pozos generalmente se transportan hacia el pozo en un camin, que tambin transporta 10 kilmetros (6 millas) de cable blindado de 7 conductores que se usa para bajar los instrumentos al pozo. En la prctica actual, el cable transporta 1 kilovatio de energa y 500 kilobits por segundo de telemetra digital. La potencia requerida para la medicin de RMN es de aproximadamente 100 vatios, repartidos entre el transmisor, el receptor, los sensores auxiliares y una computadora ubicada en el interior del pozo. La RMN se construye en base a una seal que proviene de los ncleos de hidrgeno. En el centro de la herramienta MRIL, un imn permanente produce un campo magntico que magnetiza los materiales de la formacinMuchos ncleos atmicos poseen un momento y se comportan como imanes en rotacin.Estos imanes interactan con los campos magnticos externos y producen seales inedibles que se pueden maximizar si los campos oscilan a la frecuencia de resonancia de un ncleo en particular.

Para hacer una medicin RMN los tomos de hidrgeno se alinean como barras imantadas a lo largo de la direccin de un campo magntico esttico conocido como Bo. Esta polarizacin insume un tiempo caracterstico conocido como T1, que depende del medio que rodea al hidrgeno. Cuando Bo se aplica a un ncleo magntico, Bo ejerce un momento torsional sobre el ncleo que acta para analizar el eje del momento rotacional nuclear de Bo La polarizacin crece en una constante de tiempo, que es el tiempo de relajamiento longitudinal, T2

Las herramientas de perfilaje de resonancia magntica nuclear por pulsos (RMN) ha sido recibida en la ltima dcada con gran satisfaccin por su capacidad de resolver problemas difciles en la evaluacin de las formaciones. Las compaas de servicios continan realizando importantes inversiones en tareas de investigacin tendientes a perfeccionar las mediciones de RMN. El resultado de estos esfuerzos se refleja en las continuas mejoras introducidas a la herramienta y las nuevas aplicaciones para la misma.

Con la introduccin de tcnicas de pulsacin a mayor frecuencia, a mediados de la dcada del 90, se ampliaron las posibilidades de estas herramientas con respecto a la caracterizacin de la movilidad de los uidos en el yacimiento y recientemente, se han obtenido extraordinarios adelantos en las posibilidades de adquisicin de datos, lo cual representa un significativo aumento en las velocidades de adquisicin de registros.

Una ventaja fundamental que presenta la ltima generacin de herramientas de RMN, es su capacidad de proporcionar un espectro ms amplio de informacin acerca de los yacimientos. Los datos de RMN permiten responder muchas preguntas claves a casi todos los profesionales relacionados con la exploracin y produccin, incluyendo los ingenieros de yacimiento, los ingenieros de produccin y los gelogos. Por ejemplo, los ingenieros de produccin ahora utilizan las mediciones de RMN para disear los tratamientos de estimulacin de yacimientos por fracturacin hidrulica. Los ingenieros de yacimiento, evalan las cualidades de la roca con datos de RMN de alta resolucin, para localizar barreras de permeabilidad vertical y mejorar el manejo de la produccin. Los gelogos adquieren un mejor conocimiento de la geometra del poro, para el anlisis depositacional a partir de las distribuciones del tiempo de decaimiento.

La caracterizacin de los hidrocarburos tambin se ha perfeccionado gracias a la interpretacin de registros de RMN, combinados con otras mediciones. En definitiva, se obtiene una evaluacin ms precisa de la producibilidad del yacimiento.

Nuevos avances en las herramientas

La herramienta Combinable de Resonancia Magntica CMR, introducida por Schlumberger en 1995, se opera apoyada contra las paredes del pozo por medio de un eje descentralizador. Una antena corta direccional, ubicada entre dos imanes optimizados, enfoca la medicin de la herramienta CMR en una zona vertical de 6 pulgadas y hasta 1.1 pulgadas dentro de la formacin. Estas caractersticas y los adelantos electrnicos incorporados en la herramienta que mejoran la relacin seal-ruido en la secuencia de adquisicin de datos, permiten obtener un alto grado de precisin en las mediciones de la formacin con gran resolucin vertical.

La posibilidad de obtener mediciones de RMN de alta precisin en forma rpida, hace que los ingenieros perciban la producibilidad de los pozos desde otra perspectiva. Por ejemplo, hay zonas que podran haber sido consideradas improductivas, debido a la elevada saturacin de agua y la posibilidad de que produjeran agua en exceso.La Corporacin NUMAR, subsidiaria de Halliburton, desarroll la herramienta de Imgenes por Resonancia Magntica MRIL, que incorpora un imn largo permanente para crear un campo esttico lateral en la formacin. Esta herramienta se corre en la parte central del pozo y el volumen de medicin consiste de una cpsula resonante cilndrica y concntrica de 24 pulgadas de longitud y aproximadamente 0.04 pulgadas de espesor. El dimetro promedio de la cpsula resonante es de unas 15 pulgadas y se determina por la frecuencia de operacin de la herramienta. En un pozo de 10 pulgadas puede alcanzar una profundidad de investigacin de 2.5 pulgadas.

Cuando se cuenta con una elevada a\est equipada con imanes prepolarizadores de 3 pies ubicados por encima y por debajo de la antena, lo cual permite registrar hacia arriba y hacia abajo, y ofrece una capacidad de medicin con multicpsulas de nueve frecuencias. Cada cpsula de medicin se puede programar con una secuencia de pulsacin diferente, y la medicin se puede alternar entre las distintas cpsulas a travs del cambio de frecuencia. La variacin total en la profundidad de investigacin de las nueve cpsulas, es de aproximadamente 1 pulgada. La operacin multifrecuencia permite realizar una medicin de la porosidad total y adquirir datos multiparmetros con diferentes secuencias de pulsado en cada cpsula.

Herramienta MRIL El servicio MRIL proporciona una medida directa de la porosidad total del yacimiento mientras perfora.

El registro T1 de esta medida permite la diseccin de los fluidos del poro en fluidos movibles y agua asociada con arcillas y capilaridad, proporcionando tambin indicaciones de la permeabilidad del yacimiento as como tambin ayuda a distinguir los tipos de hidrocarburos. La velocidad o tasa de decaimiento de la seal se denomina tiempo de relajacin transversal, T2, y es la segunda medicin clave de RMN, porque depende del ambiente en el que se encuentra el fluido, es decir, de la distribucin de tamao de poros. La variable T2 es la constante de tiempo que caracteriza el decaimiento de la componente transversal de la magnetizacin. Depende de tres factores: la relajacin intrnseca del fluido; la relajacin superficial, que es un efecto ambiental; y la relajacin derivada de la difusin en un gradiente de B0, que es una combinacin de efectos ambientales y de la herramienta.

Profundidad de investigacin, es posible reducir la sensibilidad a la rugosidad en muchos huecos. La ltima versin de la herramienta de NUMAR es la MRIL-Prime, que incorpora mejoras que permiten aumentar la velocidad y la eciencia del perfilaje.

QUE MIDE Y EJEMPLOS DE CURVAS EN DIAGRAFIASEn la actualidad, nuestro aparato de RMN para pozos petroleros se utiliza a nivel mundial y ayuda a caracterizar los yacimientos de petrleo y gas. El instrumento de RMN produce un registro del pozo que deja constancia de los datos procesados como una funcin de profundidad. La escala de profundidad (en pies) se encuentra en el extremo izquierdo en la columna A. En el panel de la derecha hay un pequeo grfico correspondiente a cada profundidad. Este grfico ilustra la distribucin del tamao de los poros, segn se deduce de las mediciones de RMN. Por debajo de los 1954 metros (6410 pies) casi todo el peso en las distribuciones est en los poros pequeos, como lo muestra el pico verde a la izquierda de la lnea roja. Por encima de los 1954 metros (6410 pies) el peso se encuentra principalmente en los poros grandes, como lo muestra el pico verde de la derecha, que indica una formacin de granos gruesos. De este modo, un gelogo puede observar los datos de la RMN y reconocer inmediatamente un cambio en la textura de la roca o una discontinuidad en una formacin a ms de 1600 metros (una milla) bajo tierra. Las aplicaciones de la RMN en la caracterizacin de los yacimientos petrolferos van mucho ms all del ejemplo que se muestra aqu. De hecho, los datos se utilizan de formas que quienes diseamos el instrumento jams imaginamos. La RMN para pozos es un buen ejemplo, pero apenas uno solo, de cmo el trabajo manual de los fsicos puede ser utilizado por profesionales de disciplinas totalmente distintas y de maneras que sorprende a todas las personas involucradas. A continuacin presentamos un registro tpico de Resonancia Magntica Nuclear, cuya fuente principal es Schlumberger.

INTERPRETACINInterpretacin de resultadosSe establecieron determinados criterios de interpretacin con el fin de lograr un mejor aprovechamiento de la informacin que provee la tecnologa RMN, teniendo en cuenta sus ventajas y limitaciones. A continuacin se resumen los principales puntos:Como la mayora de las herramientas de perfilaje, la sonda MRILR C/TP utilizada lee en zona muy probablemente invadida.Debido al radio de investigacin (aproximadamente 4), se asume que la permanencia de hidrocarburos residuales en la zona de lectura es indicativa de la existencia de hidrocarburos en la zona virgen.Se acepta que la porosidad RMN es independiente de la mineraloga en un medio 100% saturado en agua, debido a que detecta el fluido que contiene el espacio poral.En rocas con porosidad intergranular, 100 % saturadas con agua, la lectura del espectro en TE 1,2 ms es indicativa de la distribucin del tamao poral.En una roca 100% saturada en agua la distribucin T2 es unimodal. Una vez que el petrleo desplaza la mayor parte del agua mvil, se observa una distribucin T2 bimodal.La moda asociada al agua vara su amplitud debido a que su volumen en el espacio poral es ahora menor.Cuando hay hidrocarburos en el reservorio, la distribucin poral no es real, ya que las seales de agua y petrleo se superponen.Cuando un hidrocarburo con HI < 1 est presente en la roca, la lectura de porosidad es menor que la real.El efecto anterior sera ms pronunciado en presencia de gas por su menor HI y se vera magnificado en capas depletadas.En zonas con gas, la porosidad Densidad debera ser mayor que la total de RMN. Si se detecta ese tipo de diferencia, se registra Neutrn compensado a pozo entubado como comprobacin.Interpretacin de mapas de difusinUna imagen de 2D NMR (mapa de difusin) es anloga a los grficos que son usados en anlisis de pozo abierto. Por ejemplo los que usan conjuntamente los datos de densidad y de neutrn para determinar tipo de roca y porosidad.En forma similar nosotros graficamos en 2D los datos de MREX (Difusin vs. T2 Intrnseco) para de esta manera diferenciar fluidos con el mismo T2 pero distinta difusin.El T2 es el tiempo de relajacin que corresponde a la constante de tiempo del decaimiento del tren de ecos y la difusividad D es la medida de la habilidad de las molculas para moverse aleatoriamente en el fluido.Se grafican lneas para el agua y para el petrleo. El gas ocupar la esquina superior derecha. El volumen de cada fluido est representado por un color distinto.

ALGUNOS CALCULOS

G = gradiente de campo magntico controlado por la frecuencia de trabajo [Gauss/cm] = constante giroscpica de los ncleos de hidrgeno, 4258 para hidrgeno [Hz/Gauss]TE = espaciamiento entre ecos [ms]D = coeficiente de difusin aparente [cm2/sec]C = constante de la herramienta MRILR, C = 1,08

Para un trabajo de perfilaje dado con el MRILR, todos los parmetros en la Ecuacin son constantes excepto TE. La Ecuacin muestra cmo varindolo a valores ms altos, generar un valor de T2 menor. De este modo, cambiando la activacin que controla la secuencia de pulsaciones en el perfilaje, se enfoca el registro hacia los fluidos que se desean detectar.Situacin, comn en la mayor parte de nuestros campos, determin la inclusin de la herramienta MRIL.

APLICACIONESAlunas de las aplicaciones ms comunes para este mtodo son: No afecta la salinidad variable en la toma de registros. Deteccin de petrleos en el rango de viscosidad de 1 a 50 cp. Trabaja con cualquier tipo de fluidos. No est afectado por la rugosidad y revoque de las paredes del pozo. Distincin entre las capas de hidrocarburos y acuferos, con una mayor efectividad en la discriminacin de estas capas, evitando futuras y posibles cementaciones. Debido a diferencias en tiempos de relajamiento y/o difusividad entre fluidos, los datos se pueden usar para distinguir agua asociada con la arcilla, agua capilar, agua movible, gas, petrleo liviano y petrleo viscoso. Ayuda a definir la textura de los cambios de roca, eliminando problemas de zonas de alta saturacin de agua, que no producen agua y zonas de buena porosidad, que no sern buenas productoras. Mediante una comparacin de la densidad RMN y la porosidad de densidad, podemos tener un primer indicador de gas. En caso de estimarse su presencia, se registra Neutrn compensado a pozo entubado para su confirmacin. Con la discriminacin selectiva de capas a fracturar para su posterior produccin, se reducen los costos de produccin y menor nmero de acuferas punzadas. Combinabilidad de la herramienta con otras.