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  • 7/24/2019 V26 -E2 Perforacin Cientfica de Pozos Marinos Ultra Profundos - Exploracin de La Zona Sismognica

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    Perforacin cientfica de

    pozos marinos ultra profundos:Exploracin de la zona sismognica

    Muy por encima de la lnea de costa de Japn, las placas de piedra sealan los

    niveles histricos de subida del agua y constituyen una advertencia ancestral de los

    efectos devastadores de los tsunamis. Frente a esa costa, en las profundidades de la

    Fosa de Nankai y la Fosa de Japn, un registro geolgico del origen de los sismos y

    los tsunamis se extiende durante varios milenios. Los cientficos estn explorando

    las profundidades de stas y otras zonas de subduccin mundiales para comprender

    mejor los procesos geolgicos que tienen lugar en los bordes de las placas tectnicas.

    Con esta informacin, esperan poder mejorar los sistemas de advertencia de tsunamis

    y mitigar los riesgos ssmicos.

    Los terremotos de las zonas de subduccin sonunos de los mayores riesgos naturales del planeta.Los ms peligrosos se inician dentro de un rangode profundidad de aproximadamente 5 a 40 km[3 a 25 mi], al que se alude como zona sismognica.1

    A mayores y menores profundidades, puede suce-der que las fallas se deslicen assmicamente; singenerar ondas ssmicas intensas. A profundidadessomeras, los esfuerzos generalmente son dema-siado pequeos para originar terremotos de consi-deracin. A grandes profundidades, las rocas se

    vuelven dctiles debido a las altas temperaturas.Mediante la perforacin de pozos en las zonas

    sismognicas y el estudio de muestras de ncleosde dichas zonas, los cientficos esperan esclare-cer cmo las propiedades de los materiales y los

    campos de esfuerzos afectan el deslizamiento delas fallas, que se pueden propagar hasta el lechomarino durante los terremotos y generar tsunamis.2El terremoto de Sumatra-Andaman del ao 2004

    y el tsunami subsiguiente, y el terremoto y eltsunami de Tohoku-Oki que asolaron Japn en2011, demostraron el potencial devastador aso-ciado con estos fenmenos naturales.

    Tras estos eventos tectnicos destructivos, loscientficos se han esforzado al mximo para com-prender mejor las regiones con propensin a losterremotos. Entre 2003 y 2013, el ProgramaIntegrado de Perforacin Ocenica (IODP) fun-cion como un esfuerzo internacional de colabo-racin para la investigacin marina, dedicado afomentar el conocimiento cientfico de la Tierramediante el monitoreo y el muestreo de los ambien-tes del subsuelo marino.3El plan cientfico inicialdel IODP identific tres temas principales: la bisfera profunda y el subsuelo ocenico el cambio, los procesos y los efectos ambientales los ciclos de la Tierra slida y la geodinmica,

    incluida una iniciativa enfocada en las zonassismognicas.

    El trabajo de las 48 expediciones del IODP,enfocado en estos temas, se bas en el de sus pre-decesores: el proyecto Mohole, el proyecto dePerforacin Marina Profunda y el Programa dePerforacin de Pozos Profundos en los Ocanos.Schlumberger ha participado en la perforacinde pozos profundos en los ocanos con fines cien-tficos para muchos de estos proyectos.

    Nobuhisa Eguchi

    Kyaw Moe

    Agencia Japonesa de Cienciay Tecnologa Marina y Terrestre

    Yokohama, Japn

    Masafumi Fukuhara

    Sagamihara, Japn

    Koji Kusaka

    Tokio, Japn

    Alberto Malinverno

    Observatorio Terrestre Lamont-Doherty

    de la Universidad de Columbia

    Palisades, Nueva York, EUA

    Harold Tobin

    Universidad de WisconsinMadison

    Madison, Wisconsin, EUA

    Traduccin del artculo publicado enOilfield ReviewVerano de 2014: 26, no. 2Copyright 2014 Schlumberger.

    Por su colaboracin en la preparacin de este artculo, seagradece a Lifeng Gan, Takashi Monden y Ushio Takahashi,Nagaoka, Japn; y a Gokarna Khanal, Kuala Lumpur.

    adnVISION, arcVISION, FlexSTONE, FMI, FormationMicroScanner, geoVISION, MDT, PowerPulse, PowerV,RAB, seismicVISION, sonicVISION, TeleScope, UBI y VSIson marcas de Schlumberger.

    1. La zona sismognica corresponde al rango deprofundidad de la corteza terrestre dentro del cual

    se inician los terremotos. Las secciones de ciertassuperficies de fallas e interfaces entre placas

    tectnicas se atascan entre s y acumulan esfuerzos.Los terremotos tienen lugar cuando se supera la friccinesttica, lo que produce fenmenos de deslizamientode fallas y radiacin de energa ssmica. Segn lossismlogos, este proceso de atascamiento y liberacinse produce cuando la friccin dinmica es menor que lafriccin esttica y cuando la friccin de la falla exhibeun debilitamiento de la velocidad. Para obtener msinformacin sobre la zona sismognica, consulte:Dixon TH y Moore JC (eds): The Seismogenic Zoneof Subduction Thrust Faults. Ciudad de Nueva York:Columbia University Press, 2007.

    2. Para obtener ms informacin sobre el origen de lostsunamis, consulte: Bunting T, Chapman C, Christie P,Singh SC y Sledzik J: La ciencia de los tsunamis,Oilfield Review19, no. 3 (Invierno de 2007/2008): 419.

    3. Para obtener ms informacin sobre la historia delIODP y sus predecesores hasta el ao 2004, consulte:Brewer T, Endo T, Kamata M, Fox PJ, Goldberg D, MyersG, Kawamura Y, Kuramoto S, Kittredge S, MrozewskiS y Rack FR: Perforacin de pozos profundos en losocanos con fines cientficos: Revelacin de lossecretos de la Tierra, Oilfield Review16, no. 4(Primavera de 2005): 2641.

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    El IODP increment considerablemente lacapacidad de la comunidad cientfica para perfo-rar varios kilmetros por debajo del fondo marino.Las mejoras introducidas en la tecnologa de per-foracin, en las tcnicas de extraccin de ncleos

    y adquisicin de registros (perfilaje), y en las tc-nicas de interpretacin que correlacionan lasmediciones de pozos con datos ssmicos y datos dencleos facilitaron las operaciones de perforacincon fines cientficos. Muchos de estos avances fuerondesarrollados para la exploracin de petrleo y gas.Este artculo revisa los objetivos del programa querecientemente ha pasado a denominarse ProgramaInternacional de Descubrimientos Ocenicos (IODP).

    Adems, examina las tecnologas actuales e inci-pientes que han permitido la perforacin de pozosultra profundos en los ocanos, con fines cientfi-

    cos, presenta algunos casos de estudio de zonassismognicas del IODP y describe las direccionesy desafos futuros.4

    Una nueva era en perforacin cientfica

    Para comprender la historia y la estructura de laTierra, el IODP lleva a cabo expediciones martimasdestinadas a estudiar los sedimentos y las rocas pre-sentes por debajo del fondo marino.5El plan cient-

    fico del IODP para el perodo 2013-2023 incluyecomo temas principales el pasado y el futuro delcambio climtico y ocenico, la bisfera profunda,los procesos que acaecen en las profundidades y suconexin e impacto con respecto al ambiente desuperficie, y los riesgos y procesos terrestres en laescala de tiempo humana. Los geocientficos delIODP estudian los procesos dinmicos que ocasio-nan terremotos, derrumbes y tsunamis; los cam-bios de las propiedades locales durante un ciclo deterremotos relacionados con procesos de rupturade fallas; y el flujo de fluidos en los sedimentos y lacorteza volcnica. Y utilizan observatorios subma-rinos, instalados en pozos a largo plazo, para elmuestreo de fluidos y la fauna microbiana y elmonitoreo de esfuerzos y deformaciones.

    El IODP procura fomentar esta investigacin a

    travs del despliegue de tecnologas de perfora-cin ocenica de ltima generacin, la facilitacinde la diseminacin de los datos y la provisin de uncontexto cientfico para informar e incrementar laconcientizacin global acerca del cambio ambien-tal y los riesgos geolgicos. En el corriente ao(2014), el IODP cuenta con el apoyo financiero de26 pases.6 El Centro de Exploracin TerrestreProfunda (CDEX) de Japn es el operador de la

    embarcacin para perforacin con tubo ascendentey la Organizacin a cargo de la Implementacin deEUA (USIO), la operadora de embarcacin paraperforacin sin tubo ascendente. El Operador deCiencias (ESO) del Consorcio Europeo dePerforaciones de Investigacin Oceanogrfica(ECORD) dirige las operaciones especficas paracada misin.

    El Programa Internacional de Perforacin

    Cientfica Continental (ICDP) provee la infraes-tructura que facilita las operaciones de perforacincon fines cientficos y de investigacin en losambientes terrestres y ahora coordina sus activida-des con las del IODP.7Las compaas contratistasde servicios financian las actividades relacionadascon la adquisicin de registros MWD, LWD y conherramientas operadas con cable y ofrecen sus ser-

    vicios de expertos tcnicos y de perforacin y termi-nacin de pozos durante las expediciones.

    Avances tcnicos recientes

    La perforacin cientfica tiene tres objetivos princi-

    pales: la recuperacin y anlisis de muestras defluidos y ncleos, la obtencin de mediciones defondo de pozo y la instalacin de observatoriosen pozos. Histricamente, las operaciones de per-foracin en aguas profundas con fines cientficoshan debido enfrentar una diversidad de desafos,tales como la compensacin del movimiento delas embarcaciones durante la perforacin y medi-cin, la conservacin de la estabilidad de lospozos y el balance de la presin de poro, y a la vezevitar la iniciacin de fracturas. Los cientficosrequieren equipos de extraccin de ncleos yperfilaje que toleren las altas temperaturas y pre-siones de los pozos situados en aguas ultra pro-fundas, y los especialistas en cementacin debendisear sistemas de cementacin que sean efecti-

    vos en las condiciones de baja temperatura dellecho marino. Las restricciones de tiempo y cos-tos imponen la necesidad de que las operacionesde perforacin y extraccin de ncleos sean efi-cientes y el anlisis de ncleos, oportuno.

    Para satisfacer estos desafos, las embarca-ciones de investigacin dedicadas han sido pues-tas en servicio y equipadas con tecnologas deperforacin, medicin y terminacin de pozos de

    ltima generacin.8

    Hoy, servicios tales como MWDy LWD, son esenciales en las operaciones de per-foracin cientfica. La extraccin de ncleos escentral en este tipo de perforacin y constituyeuna de las actividades ms importantes implemen-tadas a bordo de las embarcaciones para perfora-cin cientfica.9 Los ingenieros han desarrolladouna diversidad de mtodos especiales de extrac-cin de ncleos.10 Estas tecnologas y mtodos

    >

    Embarcacin para perforacin sin tubo ascendente JOIDES Resolution. Transcurridos casi25 aos de servicio, la embarcacin para perforacin JOIDES Resolution (JR)fue reacondicionaday actualizada para expandir sus capacidades. Tras las correspondientes pruebas en el mar, enfebrero de 2009 volvi a operar como embarcacin para perforacin sin tubo ascendente parael Programa Integrado de Perforacin Ocenica (ahora denominado Programa Internacional deDescubrimientos Ocenicos, IODP). La embarcacin se encuentra operando en virtud de unaextensin de un ao de la concesin previa de 10 aos adjudicada al Consorcio para el LiderazgoOcenico (Fotografa, cortesa del IODP y de la Universidad A&M de Texas.)

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    son cruciales para el xito del IODP, y gracias a sudisponibilidad, las embarcaciones de investiga-cin actan como vehculos para el acceso efec-tivo y eficiente al subsuelo.

    La embarcacin para

    investigacinJOIDES Resolution

    La nica embarcacin de perforacin cientfica parael Programa de Perforacin Ocenica fue la embar-

    cacin para investigacinJOIDES Resolution (JR),que tambin oper durante la fase inicial de per-foracin sin tubo ascendente del ProgramaIntegrado de Perforacin Ocenica (pgina ante-rior, arriba). Desde el ao 1985, los cientficosque trabajan a bordo de la embarcacinJRlleva-ron a cabo ms de 120 expediciones y recupera-ron muestras de ncleos en tirantes de agua(profundidades del lecho marino) oscilantesentre 85 m [280 pies] y casi 6 000 m [20 000 pies]

    y a hasta una profundidad de 2 100 m [6 900 pies]por debajo del fondo marino (bfm).

    Los operadores retiraron de servicio la embar-cacin JR en el ao 2006 para refaccionarla.Las modificaciones se enfocaron en la posibilita-cin de operaciones de perforacin eficientes entrminos de costos y tiempos. El mejoramiento dela calidad y la recuperacin de los ncleos y elincremento de las velocidades de penetracin enlitologas desafiantes y a profundidades extremasfueron los objetivos principales de este proyecto.

    Otra de las metas fue el mejoramiento de la capa-cidad para desplegar una amplia diversidad deherramientas de muestreo e instrumentos de per-filaje de fondo de pozo. La embarcacinJRrefac-cionada cuenta con instalaciones de laboratorionuevas, capacidades mejoradas de manipulacinde ncleos, una red expandida de informacin ytecnologa con su infraestructura, sistemas recinreformados de compensacin pasiva del movi-

    miento vertical y de cubierta, capacidades mejoradas de perfilaje y espacios de trabajo y alojamientoms amplios y mejor organizados.11La Fundacin

    A&M de Texas gestionar la embarcacinJRpoun perodo de cinco aos contados a partir deoctubre de 2014.

    Mediante la utilizacin de tcnicas de perforacin sin tubo ascendente, los perforadores dela embarcacinJR bombean agua de mar, el prin

    cipal fluido de perforacin, en sentido descendente a travs de la columna de perforacin yllevan los retornos del fluido de perforacin afondo marino (abajo). Este proceso permite aoperador perforar muchos pozos someros en untiempo relativamente corto. El agua de mar es unfluido de perforacin de bajo costo que limpia yenfra la barrena de perforacin y lava los recortes de perforacin del pozo. Si es necesaria una

    >Tecnologas de perforacin con y sin tubo ascendente. La perforacin con tubo ascendente(izquierda) incluye una tubera de revestimiento externa que rodea a la columna de perforacinpara proporcionar un espacio anular para la circulacin de retorno del fluido de perforacindestinada a mantener el balance de presin en el pozo. Un preventor de reventones protege a laembarcacin de las sobrepresiones explosivas de los fluidos. La perforacin con tubo ascendentese requiere para pozos profundos, formaciones inestables o sobrepresionadas y sitios en los quepuede encontrarse hidrocarburos. La perforacin sin tubo ascendente (derecha) utiliza agua de marcomo principal fluido de perforacin, que se bombea en sentido descendente a travs de la columnade perforacin. La perforacin sin tubo ascendente puede emplearse en aguas ultra profundaspara los pozos que se extienden menos de 1 000 m [3 300 pies] por debajo del fondo ocenico.

    Barrena

    de perforacin

    Barrenade perforacin

    Lecho marino

    Recortes deperforacin

    Lecho marino

    Agujero

    descubierto

    Agujero descubierto

    Segunda tuberade revestimiento

    Segunda tuberade revestimiento

    Tubera derevestimientode superficie

    Tubera derevestimientode superficie

    Preventor de

    reventones (BOP)

    El fluido de perforacines bombeado en

    sentido descendentea travs de la columna

    de perforacin

    El fluido de perforacines bombeado en

    sentido descendentea travs de la columna

    de perforacin

    Tubo ascendente

    Columna deperforacin

    Columna deperforacin

    El fluido y los recortesde perforacin fluyenen sentido ascendenteentre la columna deperforacin y el tuboascendente

    El fluido y los recortesde perforacin fluyenen sentido ascendenteentre la columna deperforacin y el pozoo la tubera derevestimiento

    El fluido y los recortesde perforacin fluyenen sentido ascendenteentre la columna deperforacin y el pozoo la tubera derevestimiento

    El fluido y los recortesde perforacin fluyensobre el lecho marino

    4. Muchos organismos gubernamentales han definido lasaguas profundas y ultra profundas como reas en las quelos tirantes de agua (profundidad del lecho marino) sonsuperiores a 300 m [1 000 pies] y 1 500 m [5 000 pies],respectivamente.

    5. Para obtener ms informacin sobre el nuevo IODP,consulte: Bickle M, Arculus R, Barrett P, DeConto R,Camoin G, Edwards K, Fisher F, Inagaki F, Kodaira S,Ohkouchi N, Plike H, Ravelo C, Saffer D y Teagle D:Illuminating Earths Past, Present and Future: SciencePlan for 20132023, International Ocean DiscoveryProgram: Exploring the Earth Under the Sea,http://www.iodp.org/program-documents(Se accedi el 20 de abril de 2014).

    6. Los pases que brindan su apoyo al IODP son: Australia,Austria, Blgica, Brasil, Canad, China, Dinamarca,Finlandia, Francia, Alemania, Islandia, India, Irlanda,Israel, Italia, Japn, Corea, los Pases Bajos, NuevaZelanda, Noruega, Polonia, Portugal, Suecia, Suiza,

    el Reino Unido y EUA.7. El Programa Internacional de Perforacin Cientfica

    Continental (ICDP) y el Programa Internacional deDescubrimientos Ocenicos ahora difunden lapublicacin Scientific Drillingen forma conjunta.Para obtener ms informacin sobre el ICDP y susactividades, consulte: http://www.icdp-online.org/(Se accedi el 20 de abril de 2014).

    8. Para obtener ms informacin sobre las operacionesde cementacin en aguas profundas, consulte: CuvillierG, Edwards S, Johnson G, Plumb D, Sayers C, DenyerG, Mendona JE, Theuveny B y Vise C: Solucionespara los problemas de la construccin de pozos enaguas profundas, Oilfield Review12, no. 1 (Veranode 2000): 219.

    9. Para obtener ms informacin sobre el anlisis dencleos de campos petroleros, consulte: Andersen MA,Duncan B y McLin R: Los ncleos en la evaluacin de

    formaciones, Oilfield Review25, no. 2 (Diciembre de2013):1627.

    10. Para obtener ms informacin sobre la tecnologa deextraccin de ncleos, consulte: Huey DP: IODP Drillingand Coring Technology: Past and PresentPhase 2Final Report, Informe de Stress Engineering Services,Inc. para el IODP-MI (Septiembre de 2009), http://www.iodp.org/doc_download/3464-iodp-drilling-coring-tech-final (Se accedi el 20 de abril de 2014).

    11. Para obtener ms informacin sobre la embarcacinJOIDES Resolution, consulte: Riserless Vessel,International Ocean Discovery Program: Exploring

    the Earth Under the Sea, http://www.iodp.org/riserlessvessel (Se accedi el 20 de abril de 2014).

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    mejor limpieza del pozo, el agua de mar se com-plementa ocasionalmente con pldoras de lodode mayor viscosidad. Los problemas de limpieza yestabilidad del pozo dificultan la perforacin dems de 1 000 m [3 300 pies] bfm o la explotacin delpozo para las observaciones subsiguientes durante

    varios aos. La perforacin de capas no consolida-das utilizando agua de mar es dificultosa. La faltade espesantes y aditivos tradicionales para lodosde perforacin puede producir el colapso del pozoo el influjo de fluidos desde formaciones con mayorpresin, si las hubiere. Los geocientficos seleccio-nan los sitios de perforacin para evitar las for-

    maciones petrolferas o gasferas potencialesdebido al riesgo de dao ambiental.La tcnica de perforacin con tubo ascendente,

    que es una prctica estndar en la industria delpetrleo y el gas, estuvo disponible para las opera-ciones de perforacin con fines cientficos delIODP en el ao 2005. Se trata de una tcnica querequiere ms tiempo y costos ms elevados que losde la perforacin sin tubo ascendente. El tuboascendente marino conecta la embarcacin para

    perforacin con el preventor de reventones (BOP)en el lecho marino. El sistema de tubo ascendenteincluye una tubera de revestimiento externa querodea la columna de perforacin para proporcio-nar un espacio anular para la circulacin deretorno del fluido de perforacin. El perforadorpuede controlar la densidad del lodo para equili-brar la presin de los fluidos de formacin y evi-tar el colapso del pozo.

    Los perforadores utilizan un lodo de perforacinviscoso para desplazar los recortes de perforacinque los cientficos muestrean a bordo. Los recortesde perforacin proporcionan un registro conti-

    nuo de las formaciones del subsuelo. La perfora-cin con tubo ascendente permite adems quelas brigadas operativas perforen en ciertas for-maciones inestables y extraigan muestras dezonas de fallas activas. El perfilaje con herramien-tas operadas con cable puede llevarse a cabo enpozos perforados tanto con tubo ascendente comosin tubo ascendente. No obstante, algunas herra-mientas que pueden correrse a travs de los tubosascendentes quizs resulten demasiado largas

    para ser corridas en modo de perforacin sintubo ascendente, a travs de sartas de perfora-cin ms estrechas. Entre estas herramientas seencuentran los instrumentos que miden la pre-sin de poro en el fondo del pozo y extraen mues-tras de fluidos.

    Embarcacin para perforacin Chikyu

    La embarcacin para perforacin Chikyues la pri-

    mera embarcacin para perforacin equipada contubo ascendente, diseada especficamente paraactividades de investigacin cientfica (izquierda).Inaugurada en el ao 2005, la embarcacin, cons-truida como proyecto nacional con fondos delgobierno japons, es operada por la AgenciaJaponesa de Ciencia y Tecnologa Marina yTerrestre (JAMSTEC).12 La embarcacin Chikyupermite el acceso a las profundidades de la cor-teza ocenica en busca del manto infrayacente,los ambientes de las zonas de subduccin, suszonas sismognicas asociadas, y los sistemas geo-lgicos y biolgicos de las regiones potencial-

    mente hidrocarburferas.La embarcacin Chikyusustenta operaciones

    de perforacin con y sin tubo ascendente y poseela capacidad para perforar con tubo ascendente entirantes de agua de 2 500 m [8 200 pies] con longi-tudes de pozos de hasta 7 000 m [23 000 pies] bfm.Los cientficos de la agencia JAMSTEC consideranun tirante de agua de 7 000 m, ms una penetra-cin de 1 000 mbfm, el lmite para la perforacinsin tubo ascendente; lmite en el que inciden lascondiciones de la formacin y el estado del mar.Los operadores utilizan los datos GPS de los sat-lites, un sistema subacutico de posicionamientoacstico y propulsores azimutales para controlarla posicin de la embarcacin dinmicamente. Laembarcacin puede perforar de manera segura ycontinua con corrientes de superficie de hasta2,1 m/s [4 nudos], vientos de hasta 80 km/h[50 mi/h] y olas de hasta 4,5 m [15 pies] de altura.

    Entre las caractersticas ms destacadas de laembarcacin Chikyuse encuentran una cubiertade 121 m [397 pies], un sistema sofisticado demanipulacin de tuberas con un sistema de cuellode ganso hidrulico y plataformas para tubera, unsistema de circulacin de lodo de perforacin, un

    tubo ascendente y preventores de reventones.Las instalaciones de anlisis y manipulacin dencleos de ltima generacin, a bordo de laembarcacin, incluyen un laboratorio con unescner de tomografa computada con tecnologade rayos X, un laboratorio de microbiologa, unasala de muestreo que posibilita la extraccin demuestras no contaminadas en un ambiente anae-rbico, una sala para separacin de ncleos, unlaboratorio de ncleos para la obtencin de medi-

    >Embarcacin para perforacin con tubo ascendente Chikyu. El Centro de Exploracin TerrestreProfunda, con el auspicio de la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnologa Marina y Terrestre(JAMSTEC), est a cargo del manejo y la operacin general de la embarcacinChikyu. La embarcacinChikyufue la primera gabarra de perforacin equipada con un tubo ascendente para fines cientficos.Sirve para perforar con y sin tubo ascendente y est equipada con instalaciones de perforacin,

    tratamiento de ncleos y laboratorio de ltima generacin. La embarcacin, siniestrada comoresultado del tsunami que azot Tohoku, en Japn, en marzo de 2011, fue puesta en servicionuevamente un poco ms adelante ese mismo ao y ha sido utilizada para estudiar el origen del

    tsunami que ocasion sus daos. (Fotograf a, cortesa del IODP y de la agencia JAMSTEC.)

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    ciones fsicas, una sala magnticamente blindadapara medir el paleomagnetismo de las rocas y uncentro de procesamiento, integracin y anlisisde registros de pozos y datos ssmicos.

    Gracias a la experiencia adquirida en los aosposteriores a su lanzamiento, los cientficos de laagencia JAMSTEC continan desarrollando, pro-moviendo y evaluando nuevas tecnologas para laembarcacin Chikyu. Los ingenieros introdujeronun sistema para el monitoreo en tiempo real delmovimiento del tubo ascendente y para el mejora-miento de las operaciones de perforacin con tubo

    ascendente en ambientes de corrientes intensas yaguas ultra profundas. La industria de perforacinha desarrollado una clase de columna de perfora-cin de gran resistencia para aplicaciones en aguasultra profundas de hasta 12 000 m [39 000 pies]; losingenieros de la agencia JAMSTEC evalan conti-nuamente esta columna de perforacin para deter-minar su duracin en servicio. Los ingenierosestn desarrollando sistemas de monitoreo depozos a largo plazo (LTBMS) y tecnologa avan-

    zada de extraccin de ncleos, tales como un sis-tema de extraccin de ncleos a turbina, sistemasde obtencin de mediciones durante la extrac-cin de ncleos y tubos extractores de ncleos encondiciones de alta temperatura.

    El experimento de la zona

    sismognica de la Fosa de Nankai

    Los megaterremotos o terremotos interplaca sonterremotos de gran magnitud que se producen enzonas de subduccin, en las que una de las placastectnicas terrestres es empujada por debajo de otra.

    Una de estas zonas es la de la Fosa de Nankai al surde Japn (arriba). Se trata de un margen conver-gente de acrecin a lo largo del cual los sedimen-tos de la placa descendente del Mar de Filipinasson erosionados continuamente y se acumulan enla placa Euroasitica cabalgante, formando unprisma de acrecin. La Fosa de Nankai es una delas zonas de subduccin ms activas del mundo,con una historia de 1 300 aos de generacin deterremotos que a menudo causan tsunamis.

    Adems, es una las zonas de subduccin ms estudiadas. Los terremotos de Tonankai de 1944 (M 8,1)

    y de Nankaido de 1946 (M 8,3) son slo dos de loeventos de consideracin, relativamente recientesasociados con esta zona de subduccin.13

    12. Para obtener ms informacin sobre la embarcacinChikyuy sus especificaciones, consulte: A NewFrontier of Earth and Life Science: Deep Sea DrillingVessel CHIKYU, JAMSTEC: Center for Deep EarthExploration, http://www.jamstec.go.jp/chikyu/eng/CHIKYU/index.html (Se accedi el 20 de abril de 2014).

    13. Los sismlogos utilizan la escala de magnitud demomento (cuya abreviatura es Mwo M) para clasificarlos terremotos en trminos de liberacin de energa.Introducida en la dcada de 1970, la escala de magnitud

    de momento reemplaz a la escala de Richter demagnitud local y corrigi las debilidades asociadascon el mtodo ms antiguo, y a la vez se mantuvo unaescala logartmica. Un incremento de una unidad en laescala de magnitud de momento corresponde a unincremento de la cantidad de energa liberada en unfactor de aproximadamente 32. Para obtener msinformacin sobre las tcnicas de medicin de

    terremotos, consulte: Measuring the Size of anEarthquake, Servicio Geolgico de EUA, EarthquakeHazards Program (Programa de Riesgos Ssmicos),http://earthquake.usgs.gov/learn/topics/measure.htm(Se accedi el 1 de abril de 2014).

    >Levantamiento ssmico y rea de perforacin para el experimento de la zona sismognica de la Fosa de Nankai (NanTroSEIZE).Las estrellas indican los epicentros de dos terremotos recientes de gran magnitud. El contorno negro define el permetro delrea del levantamiento ssmico 3D. Los emplazamientos de perforacin del proyecto NanTroSEIZE se indican con puntos rojos.La placa del Mar de Filipinas (PHS) se hunde por debajo de la placa Euroasitica (EP) en la Fosa de Nankai, frente a la costasuroeste de Japn (inserto). La placa del Pacfico (PAC) se hunde por debajo de la placa Norteamericana (NAP) en el nortede Japn. Las flechas grises indican el vector de convergencia de las placas. (Adaptado de Tobin et al, referencia 15.)

    Pennsula de Kii

    Cuenca del Kumano

    Cuenca de Shikoku

    35

    34

    33

    135 136 137 138

    Tonankai, 1944

    Nankaido, 1946

    Sitio C0002

    Sitio C0001

    Sitios C0003, C0004, C0008

    Sitios C0006, C0007

    500 mi

    0 50km

    EP

    PAC

    PHS

    NAP

    Sitio C0009

    Sitio C0011

    Sitio C0012

    Sitio C0010

    Latitud

    Longitud

  • 7/24/2019 V26 -E2 Perforacin Cientfica de Pozos Marinos Ultra Profundos - Exploracin de La Zona Sismognica

    7/18

    24Oilfield Review

    El experimento de la zona sismognica de laFosa de Nankai (NanTroSEIZE) es un proyecto deperforacin ocenica de muchos aos, implemen-

    tado por la agencia JAMSTEC en nombre y repre-sentacin del IODP, que involucra mltiplesexpediciones dirigidas y conformadas por personalde equipos de cientficos multinacionales. El obje-tivo del experimento es estudiar los orgenes de losterremotos de la zona de subduccin; una de lasmetas principales es comprender porqu durantealgunos terremotos, el desplazamiento significa-tivo se extiende hasta el fondo marino, produ-ciendo tsunamis. Los cientficos esperan lograreste objetivo adquiriendo datos y perforando en laplaca cabalgante y en sentido descendente a travsdel borde de placa a aproximadamente 7 000 mbfm.Los sismlogos estn utilizando estos datos parademostrar las hiptesis acerca de los mecanismosque controlan la transicin de deslizamientoassmico, a profundidad somera, a atascamientointermitente, y a deslizamiento cossmico a mayorprofundidad, a lo largo de la interfaz principal entreplacas, denominada zona de desprendimiento.Un sistema adicional de fallas primarias, denomina-das fallasmegasplay, se ramifica desde la zona dedesprendimiento hacia la placa cabalgante (arriba).

    La separacin de la deformacin entre la zonade desprendimiento y el sistemamegasplayno es

    bien comprendida como tampoco lo es el rol de cada

    uno en el origen de los sismos y de los tsunamis.Para esclarecer este punto, los cientficos estnestudiando la resistencia mecnica absoluta de

    la falla del borde de placa y los procesos hidrol-gicos y friccionales que, segn se cree, rigen elmodo de deslizamiento de la falla, la acumula-cin y la liberacin de deformacin. El estableci-miento del estado de los esfuerzos en la regin dela falla es crucial para comprender el mecanismode liberacin de energa ssmica.

    El proyecto NanTroSEIZE ahora comprendecuatro etapas. En la etapa 1, el equipo del pro-

    yecto utiliz la tcnica de perforacin sin tuboascendente y extrajo muestras de mltiples sitiospara caracterizar la geologa y proporcionar infor-macin geotcnica para las etapas posteriores.En la etapa 2, el equipo llev a cabo operacionesde perforacin con tubo ascendente en la cuencadel Kumano, por encima de la zona sismognica, yoperaciones de perforacin sin tubo ascendentepara muestrear las formaciones en proceso desubduccin, desde la Fosa de Nankai hacia el mar.Las primeras instalaciones observatorio de laembarcacin Chikyu tenan como objetivo lafallamegasplaysomera y el sitio del futuro pozoultra profundo. En la etapa 3, los cientficos secentran en las operaciones de perforacin en lazona sismognica, apuntando como objetivo a la

    fallamegasplayprofunda, situada a aproximada-

    mente 5 200 m [17 000 pies] bfm, y a la interfazentre placas ms profunda. En la etapa 4, loscientficos instalarn un observatorio de largo

    plazo en el pozo ultra profundo.Los investigadores a bordo de la embarcacin

    Chikyuestn llevando a cabo operaciones de per-foracin y monitoreo en sitios emplazados en elrea marina de la Pennsula de Kii, a lo largo deuna lnea perpendicular a la Fosa de Nankai. Lasbrigadas ssmicas han adquirido varias genera-ciones de datos de levantamientos 2D de lacuenca del Kumano y de la zona marina ms dis-tante de la Pennsula de Kii. En el ao 2006,Petroleum Geo-Services realiz en esta rea unlevantamiento ssmico de reflexin 3D que pro-porciona imgenes de alta resolucin del com-plejo de acrecin. Los analistas utilizaron este

    volumen ssmico para refinar la seleccin de losobjetivos y los sitios de perforacin de la com-pleja regin de la fallamegasplay, y entre 2007 y2014, el IODP planific y llev a cabo 10 expedi-ciones como parte de las etapas 1, 2 y 3 del pro-

    yecto NanTroSEIZE.Las expediciones 314, 315, 316 del IODP, que

    forman parte de la etapa 1, se llevaron a cabo entre2007 y 2008. La brigada de operaciones a bordo dela embarcacin Chikyullev a cabo las operacio-nes de perforacin y extraccin de ncleos en

    modo de perforacin sin tubo ascendente en siete14. Para la expedicin 314, Schlumberger proporcion

    los servicios geoVISION para las mediciones deresistividad y rayos gamma LWD; la herramientasonicVISION para las velocidades y los tiempos deviaje; la herramienta PowerPulse MWD para la presinanular y la direccin e inclinacin del conjunto de fondo(BHA); el servicio de mediciones ssmicas durantela perforacin seismicVISION para obtener lasvelocidades de intervalo; y los registros calibradoresultrasnicos, de densidad y porosidad adnVISIONadquiridos durante la perforacin.

    15. Tobin H, Kinoshita M, Ashi J, Lallemant S, Kimura G,Screaton EJ, Moe KT, Masago H, Curewitz D and theExpedition 314/315/316 Scientists (eds): NanTroSEIZEStage 1 Expeditions: Introduction and Synthesis of KeyResults, en Tobin H, Kinoshita M, Ashi J, Lallemant S,Kimura G, Screaton EJ, Moe KT, Masago H, Curewitz Dand the Expedition 314/315/316 Scientists (eds):Actas del Programa Integrado de PerforacinOcenica314/315/316, 2009, http://publications.iodp.org/proceedings/314_315_316/EXP_REPT/314315316_101.PDF (Se accedi el 15 de mayo de 2014).

    Para obtener ms informacin sobre la determinacinde los esfuerzos a partir de las ovalizaciones porruptura de la pared del pozo, consulte: Zoback MD,Barton CA, Brudy M, Castillo DA, Finkbeiner T,Grollimund BR, Moos DB, Peska P, Ward CD y WiprutDJ: Determination of Stress Orientation andMagnitude in Deep Wells, International Journalof Rock Mechanics and Mining Sciences40, no.78 (Octubre a diciembre de 2003): 10491076.

    >Sitios de perforacin de pozos durante el proyecto NanTroSEIZE a lo largo del rea de la Fosa de Nankai. Se ha planificado la instalacin de sistemas demonitoreo de pozos de largo plazo en los sitios C0002, C0009 y C0010. Los pozos de los sitios C0006 y C0007 penetran en la porcin del prisma de acrecincorrespondiente al corrimiento frontal e intersectan la zona de desprendimiento de la interfaz entre placas cerca del eje de la fosa. Los ingenieros planeanextender el pozo C0002F para penetrar en la falla megasplay, en los lmites echado (buzamiento) arriba de la zona sismognica. (Adaptado de Expedition332 Scientists, referencia 22.)

    Sitio C0009 Sitio C0002 Sitios C0001, 03 Sitios C0021, 18 Sitio C0006 Sitio C0007 Sitio C0011

    Basamento ocenico

    Sedimentos dela cuenca de Shikoku

    Prisma de acrecin

    PlacadelMardeFilipinasenproc

    esodesubduccin

    Cuenca del Kumano

    Acumulacin de sedimentos antiguos

    Zonasismo

    gnica

    Turbiditasde fosa

    Sitio C0012

    Sitios C0004,10 Sitio C0008

    Sitio C0022

    Profundidad

    bajoelniveldelmar,km

    10

    8

    6

    4

    2

    100 mi

    0 10km

    DesprendimientoFalla

    megasplay

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    8/18

    Volumen 26, no.2 25

    >Indicadores de esfuerzos presentes en el pozo. Un pozo sujeto a un esfuerzo de compresinhorizontal puede experimentar el fenmeno de ovalizacin por ruptura de la pared (extremo superior).(Adaptado de Zoback et al, referencia 15.) En las imgenes de resistividad frente a la barrena RABLWD de los sitios C0002, C0001, C0004 y C0006 (extremo inferior), las bandas oscuras verticales enpares indican ovalizaciones por ruptura de la pared del pozo. Los gelogos interpretan lasdirecciones de las ovalizaciones para generar los azimuts promedio de Hmax. (Adaptado deTobin et al, referencia 15.)

    0

    200

    Profundidad,

    m

    400

    600

    800

    1 000

    1 200

    1 400

    Conductiva Resistiva

    N NS

    Sitio C0002 Sitio C0001 Sitio C0004 Sitio C0006

    N NS N NS N NS

    MPa0 150

    Fracturainducida

    Direccin del esfuerzode compresin horizontalmnimo

    HminDireccin del esfuerzode compresin horizontalmximo

    Hmax

    Ovalizacin porruptura de la

    pared del pozo

    sitios a lo largo del trayecto del levantamiento.Estas operaciones proporcionaron muestras del

    aporte de sedimentos de la cuenca de Shikoku yde la corteza ocenica infrayacente desde la fosahacia el mar, muestras del sistema de corri-miento frontal en la punta del prisma de acrecincercano a la fosa, muestras del sistema de fallas

    megasplaydel prisma medio desde la fosa haciatierra adentro y muestras de la cuenca deantearco del Kumano. En la fase inicial de estasexpediciones, los cientficos lograron dos haza-as: perforaron el pozo hasta ese momento ms

    profundo 1 401 m [4 596 pies] bfmde la histo-ria de la perforacin cientfica en los ocanos utili-

    zando herramientas LWD y penetraron porprimera vez en el sistema de corrimiento megas-playdel margen de Nankai, que en opinin de loscientficos estuvo involucrado en la generacin deltsunami.14 Adems, los perforadores prepararonpozos de 1 000 m de profundidad en dos sitios pla-nificados para penetrar las profundidades de lasfallas de la zona sismognica.

    Los investigadores del programa de perfora-cin en los ocanos aprendieron que en los mr-

    genes de placas convergentes en formacioneinestables como las presentes en el prisma de

    acrecin las tcnicas LWD constituyen la mejoopcin para obtener registros de alta calidadMediante la utilizacin de mediciones LWD yanlisis de ncleos, los cientficos lograron documentar la estructura, litologa, edad, propiedadefsicas y estado de los esfuerzos del complejo deacrecin y su sistema de fallas (arriba).15Las condiciones de los esfuerzos eran diferentes endiversas posiciones por encima de la zona sismognica, en el prisma de acrecin y en el manto de

  • 7/24/2019 V26 -E2 Perforacin Cientfica de Pozos Marinos Ultra Profundos - Exploracin de La Zona Sismognica

    9/18

    26Oilfield Review

    corrimiento por sobre la fallamegasplay(arriba).16Las operaciones de la etapa 1 constituyeron unpreludio necesario para las operaciones de perfo-racin profunda con tubo ascendente hasta lazona sismognica.

    Las expediciones 319, 322, 332 y 333 del IODP

    se llevaron a cabo en 2009 y 2010 como parte de laetapa 2. Durante estas expediciones, el personalde la embarcacin Chikyu ejecut las primerasoperaciones con tubo ascendente del programa deperforacin cientfica en los ocanos. Los cient-ficos adquirieron datos para la identificacin dela litologa, la generacin de imgenes de lasparedes de los pozos, la evaluacin de formacio-

    nes y la evaluacin de la cementacin. Y los inge-nieros llevaron a cabo operaciones de adquisicinde registros LWD, MWD y con herramientas ope-radas con cable para evaluar las condiciones depozo y determinar las propiedades formacionalesde los sedimentos de cubierta de la cuenca del

    Kumano, por encima de la zona sismognica y enel prisma de acrecin infrayacente.17 Debido alempleo del tubo ascendente, los ingenieros deadquisicin de registros pudieron obtener unadiversidad de mediciones con herramientas opera-das con cable, que eran nuevas para las operacio-nes de perforacin cientfica, incluidas imgenesde resistividad obtenidas con la herramienta de

    generacin de imgenes microelctricas de cober-tura total FMI y mediciones adquiridas con el pro-bador modular de la dinmica de la formacinMDT.18Estas herramientas son demasiado gran-des para ser desplegadas a travs de la columnade perforacin sin tubo ascendente.

    Los ingenieros desplegaron la herramientaverstil de generacin de imgenes ssmicas VSIcomo parte de una operacin ssmica extensiva

    con herramientas operadas con cable. El levanta-miento consisti en un perfil ssmico vertical(VSP) con fuente cercana, un VSP con desplaza-miento sucesivo de la fuente con una longitud delnea de 55 km [34 mi] y un VSP circular con unradio de 3,5 km [2,2 mi].19Para la adquisicin delos datos se utiliz una combinacin de herramien-tas ssmicas de fondo de pozo y software de adqui-sicin de Schlumberger adems de sistemas denavegacin y control de fuentes. El personal de laagencia JAMSTEC a bordo de la embarcacinfuente Kairei despleg un arreglo de pistolas(caones) extremadamente grande de 128 000 cm3

    [7 800 pulgadas3]. Los datos ayudarn a los cien-tficos a analizar las velocidades ssmicas existen-tes en la cuenca de antearco de la zona desubduccin y a identificar los atributos ssmicosdel borde de placa en la regin situada por debajodel pozo VSP, a profundidades oscilantes entre 10 y12 km [6 y 7,5 mi]. Los analistas utilizaron losresultados del VSP con fuente cercana para veri-ficar o ajustar las profundidades del volumen dessmica de reflexin 3D.

    Los ingenieros de perfilaje utilizaron la herra-mienta MDT para medir la presin de poro, la per-meabilidad y el esfuerzo.20 Y efectuaron pruebascon una sola probeta para medir la presin de porode la formacin y la movilidad de los fluidos.

    Adems, efectuaron pruebas con un empacadordual, incluida una prueba de restauracin de lapresin para medir las propiedades hidrulicasde la formacin y varias pruebas de fractura-miento hidrulico para determinar la magnituddel esfuerzo principal mnimo. Los cientficos delproyecto NanTroSEIZE esperan que, mediante laejecucin de pruebas futuras a mayor profundidaddentro del prisma de acrecin y en las proximida-des de las zonas de fallas primarias, se compren-

    dan mejor los esfuerzos locales y la mecnica delas fallas de las zonas de subduccin.La perforacin con tubo ascendente tambin

    posibilit la adquisicin de registros de lodo.21

    Durante la expedicin 319, los analistas extrajeronmuestras de recortes de perforacin por primera

    vez en la historia de las operaciones del IODP.Se asume que una muestra de recortes es una mez-

    >Orientaciones del esfuerzo de compresin horizontal mximo, Hmax,(lneas rojas) inferido a partir de las ovalizaciones de la pared del pozo.Los datos de los sitios C0001, C0002, C0004 y C0006 fueron adquiridos comoimgenes de resistividad LWD durante la etapa 1. Los datos de los sitiosC0009 y C0010 fueron obtenidos a partir de imgenes FMI adquiridas conherramientas operadas con cable durante la etapa 2. En el sitio C0002, laslneas rojas y azules representan la orientacin del esfuerzo Hmaxen lacuenca de antearco y los sedimentos del prisma de acrecin infrayacente,respectivamente. En los sitios someros del prisma de acrecin y cercade la falla megasplay, el esfuerzo Hmaxexhibe una orientacin NOSEaproximadamente paralela al vector de convergencia entre placas. En elsitio C0002 de la cuenca externa de antearco, el esfuerzo Hmaxexhibeuna orientacin NESO, lo cual es consistente con la extensin perpendicularal margen. Las flechas blancas indican un rango de tasas de convergenciasugeridas entre la placa del Mar de Filipinas y Japn en la placa Euroasitica.(Adaptado de McNeill et al, referencia 16.)

    Sitio C0002

    Sitio C0001

    Sitio C0010

    Sitio C0006

    Fosad

    eNankai

    Sitio C0009

    Cuenca

    delKu

    mano

    Sitio C0004

    3330

    3320

    3310

    3300

    3250

    13620 13630 13640

    Longitud

    Latitud

    13650 13700

    Placa del Mar deFilipinasPlaca Eurasitica

    ~4,1 a 6,5 cm/ao

  • 7/24/2019 V26 -E2 Perforacin Cientfica de Pozos Marinos Ultra Profundos - Exploracin de La Zona Sismognica

    10/18

    Volumen 26, no.2 27

    , Observatorio del sistema de monitoreo de pozos de largo plazo (LTBMS). En el sitio C0002, sedeterminaron cuatro litofacies utilizando ncleos y datos LWD y MWD. En este sitio, los ingenieros

    instalaron un sistema LTBMS que apuntaba como objetivo a la cuenca de antearco basal (unidad 3)y al prisma de acrecin superior (unidad 4). El instrumental para el sistema LTBMS incluye unmedidor de deformacin de pozo marino profundo, un arreglo de termistores para el monitoreode la temperatura durante varios aos y una unidad de monitoreo de la presin de poro de mltiplesniveles con cuatro orificios (rosado). Adems, un transportador de sensores contiene un paquetede sismmetro de banda ancha e inclinmetro, que aloja un arreglo de inclinmetro, gefonos de

    tres componentes y acelermetros (ninguno de los cuales se muestra aqu). Para cementar elmedidor de deformacin y el instrumento ssmico, se utiliz una lechada de cemento FlexSTONEcon caractersticas no contrables. La lechada fue optimizada y probada para que resultara loms compatible posible con el material de la formacin que rodeaba al medidor de deformacininstalado; era necesario que el mdulo de Young de la lechada se ajustara estrechamente al dela formacin. Un empacador inflable colocado en la profundidad del objetivo de 746 m [2 450 pies] bfmaislaba la seccin inferior del pozo para las mediciones de presin de poro. Los sensores y loscables fueron bajados con la tubera de produccin. Las lneas elctricas y un encapsulado quecontiene las lneas hidrulicas de los sensores de presin se conectan a un kit de modernizacindel sistema de prevencin de la circulacin entre el ocano y el pozo (CORK) en el cabezal del pozo,

    a travs del cual los datos son transferidos a un registrador o a una red de cables submarinos.(Adaptado de Expedition 332 Scientists, referencia 22.)

    Empacador

    CORK

    Filtros(cedazos)

    Cemento

    Salmuera

    Profundidad,

    mbfm

    Zapata dela tubera derevestimiento

    Arreglo determistores

    Pozo

    Unidad 1

    Fondo

    marino

    Unidad 2

    Unidad 3

    Unidad 4

    Orificio demonitoreode presin

    Encapsulado(flatpack)

    Transportadorde sensores

    Medidor dedeformacin

    980

    937

    931

    917

    908

    888

    827

    746

    129

    41

    757

    780

    cla promediada de fragmentos de roca y sedimen-tos de un intervalo de perforacin de 5 m [16 pies].Para esta expedicin, los cientficos estimaron laprecisin de la profundidad de los recortes enaproximadamente 10 m [33 pies]. Los intrpretesutilizaron la informacin de los recortes y losncleos, adems de muchos de los conjuntos dedatos derivados de registros adquiridos con cable,LWD y MWD, para definir las unidades litolgicas

    y establecer vinculaciones precisas con el con-junto de datos de ssmica de reflexin 3D adqui-rida en la cuenca del Kumano en el ao 2006.

    Durante la expedicin 319, los ingenieros pre-pararon los pozos de los sitios C0009 y C0010 parala instalacin futura de un sistema LTBMS. Losperforadores utilizaron la accin de lanzamiento

    de chorros de la tubera de revestimiento y el sistema rotativo direccional para perforacin verticaPowerV para perforar un pozo observatorio conuna desviacin vertical inferior a 0,2, respetandola especificacin de diseo de menos de 1 requerida para la instalacin efectiva de los sensores defondo de pozo. Ms adelante, los ingenieros de laexpedicin 332 lograron instalar un observatorioLTBMS en el sitio C0002 para obtener mediciones

    de deformacin, inclinacin, sismicidad, temperatura y presin de poro (izquierda).22La observacin a largo plazo con los sensores de pozo se inicia fines del ao 2011 despus de la instalacin deun sistema de registro con un vehculo operado enforma remota, desplegado con la embarcacinpara investigacinKaiyode la agencia JAMSTEC

    16. Para obtener informacin sobre la determinacin de ladireccin y la magnitud de los esfuerzos con tcnicasLWD, consulte: Chang C, McNeill LC, Moore JC, Lin W,Conin M y Yamada Y: In Situ Stress State in the NankaiAccretionary Wedge Estimated from Borehole WallFailures, Geochemistry, Geophysics, Geosystems11,no. 12 (16 de diciembre de 2010), http://dx.doi.org/10.1029/2010GC003261 (Se accedi el 15 demayo de 2014).

    Para obtener informacin sobre la determinacin dela direccin de los esfuerzos con tcnicas LWD,consulte: Tobin H, Kinoshita M, Ashi J, Lallemant S,Kimura G, Screaton E, Moe TK, Masago H, Curewitz Dy el equipo de cientficos de las expediciones314/315/316 del IODP: NanTroSEIZE Stage 1 Expeditions314, 315, and 316: First Drilling Program of the Nankai

    Trough Seismogenic Zone Experiment, ScientificDrilling8 (Septiembre de 2009): 417.

    Para obtener ms informacin sobre la determinacinde la direccin de los esfuerzos a partir de medicionesobtenidas con herramientas operadas con cable,consulte: McNeill L, Saffer D, Byrne T, Araki E, Toczko S,Eguchi N, Takahashi K y los cientficos de la Expedicin319 del IODP: IODP Expedition 319, NanTroSEIZE Stage2: First IODP Riser Drilling Operations and ObservatoryInstallation Towards Understanding Subduction ZoneSeismogenesis, Scientific Drilling10 (Septiembre de2010): 413.

    17. Las mediciones LWD obtenidas en el sitio C0009incluyeron imgenes de resistividad azimutal yresistividad de lateroperfil en la barrena. Las medicionesMWD fueron las siguientes: velocidad de penetracin,esfuerzo de torsin (torque) en el fondo del pozo,inclinacin y orientacin del pozo, peso sobre labarrena, emisiones de rayos gamma y presin anularde fondo de pozo durante la perforacin.

    Las mediciones derivadas de los registros adquiridoscon herramientas operadas con cable en el sitioC0009 fueron las siguientes: densidad volumtrica,porosidad-neutrn, factor fotoelctrico (PEF),resistividad medida con lateroperfil, potencialespontneo (SP), rayos gamma naturales y espectrales,velocidad snica (ondas P y S), diversos tipos decalibradores, resistividad y temperatura del lodo.

    18. Para obtener ms informacin sobre la determinacinde los esfuerzos ut ilizando datos FMI y MDT, consulte:Lin W, Doan M-L, Moore JC, McNeill L, Byrne TB, Ito T,Saffer D, Conin M, Kinoshita M, Sanada Y, Moe KT, ArakiE, Tobin H, Boutt D, Kano Y, Hayman NW, Flemings P,Huftile GJ, Cukur D, Buret C, Schleicher AM, EfimenkoN, Kawabata K, Buchs DM, Jiang S, Kameo K, HoriguchiK, Wiersberg T, Kopf A, Kitada K, Eguchi N, Toczko S,Takahashi K y Kido Y: Present-Day Principal HorizontalStress Orientations in the Kumano Forearc Basin of theSouthwest Japan Subduction Zone Determined fromIODP NanTroSEIZE Drilling Site C0009, GeophysicalResearch Letters37, no. 13 (2 de julio de 2010),

    http://dx.doi.org/10.1029/2010GL043158 (Se accediel 15 de mayo de 2014).

    19. Los resultados de modelado presentados por uncontratista de la industria guiaron el diseo dellevantamiento del experimento de la expedicin 319con un VSP con desplazamiento sucesivo de la fuente.

    20. Para obtener ms informacin sobre la determinacinde los esfuerzos presentes en los pozos utilizando laherramienta MDT, consulte: Saffer DM, Flemings PB,Boutt D, Doan M-L, Ito T, McNeill L, Byrne T, Conin M,Lin W, Kano Y, Araki E, Eguchi N y Toczko S: In SituStress and Pore Pressure in the Kumano Forearc Basin,Offshore SW Honshu from Downhole Measurementsduring Riser Drilling, Geochemistry, Geophysics,Geosystems14, no. 5 (17 de mayo de 2013),http://dx.doi.org/10.1002/ggge.20051 (Se accediel 15 de mayo de 2014).

    21. Para obtener ms informacin sobre la adquisicin deregistros de lodo, consulte: Ablard P, Bell C, Cook D,Fornasier I, Poyet J-P, Sharma S, Fielding K, Lawton L,Haines G, Herkommer MA, McCarthy K, Radakovic M yUmar L: El rol en expansin de los registros de lodo,Oilfield Review24, no. 1 (Septiembre de 2012): 2847.

    22. Expedition 332 Scientists: Expedition 332 Summary,en Kopf A, Araki E, Toczko S and the Expedition 332Scientists (eds): Actas del Programa Integrado dePerforacin Ocenica332, 2011, http://publications.iodp.org/proceedings/332/EXP_REPT/CHAPTERS/332_101.PDF(Se accedi el 27 de mayo de 2014).

  • 7/24/2019 V26 -E2 Perforacin Cientfica de Pozos Marinos Ultra Profundos - Exploracin de La Zona Sismognica

    11/18

    28Oilfield Review

    Aproximadamente un ao despus, los ingenierosrecuperaron el sistema de registro para la evalua-cin y establecieron una conexin con la red decables submarinos del Sistema de Redes Densasdel Fondo Ocenico para Terremotos y Tsunamis(DONET).23

    Los cientficos y la brigada de la expedicin 319perforaron y entubaron el pozo C0010A y luego loinstrumentaron con un sistema temporario demonitoreo de pozo de tipo conector inteligente.Este pozo se posicion en la porcin ms somerade la falla megasplayque se ramifica desde lazona sismognica. El sistema de conector inteli-gente est diseado para documentar las condicio-

    nes ambiente y proporcionar variables aproximadas(proxies) para los fenmenos de deformacin yflujo de fluidos relacionados con la actividad tec-tnica y ssmica dentro de la falla megasplay.El conector inteligente ejecut estas tareasmediante el registro de las presiones y tempera-turas de formacin. En noviembre de 2010,durante la expedicin 332, los ingenieros recupe-raron el conector inteligente y lo reemplazaronpor un conector genial. El conector genial moni-

    torea la presin, la temperatura, la actividadmicrobiana y las rbricas geoqumicas de los flui-dos del intervalo seleccionado de la zona de falla

    megasplay somera. Ambos instrumentos fueroninstalados por debajo de un empacador de tuberade revestimiento recuperable Baker Hughes, quese coloc justo por encima de una falla ramificadaprimaria fuera de secuencia (arriba). El anlisisde los datos del conector inteligente permiti alos cientficos identificar episodios de terremotos

    y tsunamis prominentes en el registro del perodocomprendido entre agosto de 2009 y noviembrede 2010. El sensor de presin registr numerososepisodios de terremotos y las ondas Rayleigh y de

    tsunamis asociadas, incluidas las ondas prove-nientes del terremoto de 8,8 Mw de magnitudacaecido el 27 de febrero de 2010 frente a la costadel Maule en Chile.

    Durante la expedicin 322, los cientficos uti-lizaron tcnicas de extraccin de ncleos y perfo-racin sin tubo ascendente para investigar elmaterial destinado a ingresar en la zona sismog-nica y caracterizaron la composicin y el estadode los sedimentos marinos que estaban siendo

    transportados hacia el sistema de subduccincercano a la Pennsula de Kii. La estructura sedi-mentaria est compuesta por sedimentos turbidti-cos que suprayacen un basamento ocenico suave.Las caractersticas de los datos impondrn res-tricciones en las condiciones iniciales de los sedi-mentos de aporte y la corteza ocenica antes deque sean sometidos a condiciones de mayor presin

    y temperatura conforme son transportados por

    debajo de la pila de acrecin por el efecto de cintatransportadora de la subduccin. El estado deestos sedimentos es un factor importante queafecta la aparicin del comportamiento de lasfallas sismognicas. Los cientficos de la expedi-

    >Un observatorio de tipo conector inteligente. Los cientficos utilizanun conector inteligente para monitorear los cambios de presin y de

    temperatura producidos dentro de la zona de falla megasplayen elsitio C0010. El conector inteligente fue reemplazado posteriormente porun conector genial, que adems meda la actividad microbiana y las rbricasgeoqumicas de los fluidos. Los filtros de la tubera de revestimientopermiten que los fluidos de la zona de falla ingresen en la cmaradel sensor. (Adaptado de Expedition 332 Scientists, referencia 22.)

    Casquete anticorrosin

    Tapn puente conpaquete instrumental(conductor inteligente)debajo

    Fallamegasplay

    Filtros de la tuberade revestimiento

    544 mbfm

    555 mbfm

    41 mbfm

    Tubera de revestimientode 20 pulgadas

    Tubera de revestimientode 95/8pulgadas

    Pozo

    Fluido en suspensin

    Cemento

    Collar de flotacin

    >La lucha contra la corriente. Sin los carenadosque ayudan a reducir las vibraciones inducidaspor vrtices (VIV), las uniones del tubo ascendentese mueven con las corrientes (derecha) y correnel riesgo de daarse por fatiga. La brigada deperforacin a bordo de la embarcacin Chikyu

    instal revestimientos de tipo carenado en lasuniones del tubo ascendente (izquierda)localizadas en la zona con corrientes de granintensidad cercana a la Fosa de Nankai.Los carenados fueron diseados para reducirlas vibraciones VIV y prolongar la vida tildel tubo ascendente. El movimiento del tuboascendente fue monitoreado a lo largo de un

    trayecto de 2 000 m [6 600 pies]. Durante lasoperaciones crticas, se emple la tcnica demonitoreo de las corrientes en tiempo realutilizando varias embarcaciones.

    Fondo marino

    Carenado

    Material de flotabilidad

    Tubo ascendenteflotante

    Corriente intensa

  • 7/24/2019 V26 -E2 Perforacin Cientfica de Pozos Marinos Ultra Profundos - Exploracin de La Zona Sismognica

    12/18

    Volumen 26, no.2 29

    cin 333 obtuvieron ncleos de sedimentos ymediciones del flujo trmico de los aportes de lasubduccin y el basamento en el margen de laplaca del Mar de Filipinas.

    Las expediciones 326, 338 y 348 se llevaron a

    cabo entre los aos 2010 y 2014 como parte de laetapa 3 del proyecto NanTroSEIZE. Durante estaetapa, los cientficos se centraron en la perfora-cin de pozos profundos y en la extraccin dencleos en la zona sismognica y en la corteza enproceso de subduccin, a travs de la interfazentre placas, utilizando tcnicas de perforacincon tubo ascendente y un programa de entubacincuidadosamente planificado. En el sitio C0002,la corteza ocenica se hunde a profundidades de

    aproximadamente 7 000 mbfm. El diseo del pozose bas en los resultados de las operaciones depozos piloto, los datos ssmicos 3D y las medicio-nes LWD y MWD obtenidas en tiempo real.

    Durante la expedicin 326, los ingenieros pre-

    pararon el pozo C0002F para la futura perfora-cin ultra profunda con tubo ascendentemediante la apertura del pozo y la instalacin delcabezal y la tubera de revestimiento hasta 860 m[2 800 pies] bfm. Durante la expedicin 338, con-tinu la perforacin del pozo C0002F en direc-cin hacia la fallamegasplay, a una profundidadde hasta 3 600 m [12 000 pies] bfm, y se haballegado hasta los 2 005 m [6 578 pies] bfm cuandolas operaciones se vieron obstaculizadas por las

    23. La red DONET es una red de observacin del fondoocenico con cables submarinos del rea deKumano-nada, que opera en tiempo real y est diseadapara monitorear terremotos y tsunamis en la regin delhipocentro del terremoto de Tonankai. La Comisin deInvestigacin de Terremotos de Japn pronostica unaprobabilidad del 70% de que se produzca otro terremotoen esa regin en los prximos 30 aos. La red DONETconsta de unos 300 km [190 mi] de cable estructuradovertical, 5 nodos cientficos y 20 observatorios.La instalacin comenz en el ao 2006 y fue concluidaen 2011. La agencia JAMSTEC ha desarrollado ademsla red DONET2, una extensin de la red de observacindel fondo ocenico, hacia el oeste y frente al canal

    de Kii.24. Hirose T, Saffer DM, Tobin HJ, Toczko S, Maeda L, KuboY, Kimura G, Moore GF, Underwood MB y Kanagawa K:NanTroSEIZE Stage 3: NanTroSEIZE Plate BoundaryDeep Riser 3, (2013), http://publications.iodp.org/scientific_prospectus/348/348SP.PDF (Se accediel 27 de mayo de 2014).

    25. Para obtener ms informacin sobre la localizaciny la utilizacin de un pozo observatorio en la zonasismognica de la Falla de San Andrs, en EUA,consulte: Coates R, Haldorsen JBU, Miller D, Malin P,Shalev E, Taylor ST, Stolte C y Verliac M: Tecnologasde campos petroleros para la ciencia ssmica OilfieldReview18, no. 2 (Otoo de 2006): 2637.

    condiciones climticas severas y por los daosproducidos en el equipo de perforacin.

    Las corrientes fuertes presentan otro desafopara las operaciones de perforacin en aguas profundas. La corriente de Kuroshio, una corriente defrontera del Pacfico occidental, fluye hacia enoreste con velocidades de hasta 2 m/s [3,9 nudosa lo largo de la costa sur de Japn. Las vibracionesinducidas por vrtices (torbellinos) (VIV) la

    oscilacin transversal de una tubera emplazadaen una corriente alta son causadas por el desprendimiento de torbellinos alrededor de la sartade perforacin o del tubo ascendente y puedenproducir daos por fatiga en la tubera. Los ingenieros de la agencia JAMSTEC superaron estedesafo y redujeron las vibraciones VIV mediantela instalacin de carenados en las uniones del tuboascendente localizadas en la zona de corrientefuertes (pgina anterior, a la derecha). Durante laexpedicin 348, los ingenieros a bordo de laembarcacin Chikyuutilizaron la tcnica de perforacin con tubo ascendente en el sitio C0002

    obteniendo recortes de perforacin, muestras degas en el lodo, muestras de ncleos directas y datoLWD. En esta expedicin, los perforadores finalmente alcanzaron los 3 059 m [10 036 pies] bfmEn futuras expediciones, el pozo ser extendidohacia la falla megasplay localizada a uno5 200 m [17 060 pies] bfm (arriba, a la izquierda).2

    Durante la etapa 4 del proyecto NanTroSEIZElos cientficos tienen previsto instalar un sistema LTBMS definitivo en el pozo ultra profundoLa estacin de monitoreo adquirir datos paraayudarlos a determinar el comportamiento y laevolucin del sistema de fallas de la interfaz entreplacas durante una parte significativa del ciclossmico de variacin de la tasa de deformacin.2

    >Plan de pozo para un pozo profundo con tubo ascendente. A esta seccinssmica se le superpone el plan del pozo inicial correspondiente al pozo C0002F.Durante la expedicin 348, la perforacin avanz hasta 3 059 mbfm solamentey all se coloc una tubera de revestimiento corta (liner) de 113/4pulgadas.

    Los ingenieros tienen previsto extender el pozo a travs de la fallamegasplay(lnea verde de guiones) en la expedicin 3XX futura para llegarfinalmente a la corteza ocenica (lnea azul de guiones). El pozo C0002Gcontiene el sistema LTBMS somero. Los intrpretes identificaron unreflector simulador de fondo (BSR) somero, posiblemente relacionado conuna reflexin en una interfaz que contiene hidratos de gas. (Adaptado deHirose et al, referencia 24.)

    NO Pozo C0002FPozo C0002G LTBMS SE

    Profundidad,

    km

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    10 mi

    0 1km

    Prisma de acrecin

    Falla megasplay

    Corteza ocenica

    Estratos de la cuencade antearco

    856 m: profundidad de la zapatade la tubera de revestimientode 20 pulgadas

    2 300 m: profundidad de la zapatade la tubera de revestimiento de133/4pulgadas,Expedicin 348

    4 400 m: profundidad de la zapatade la tubera de revestimiento de95/8pulgadas,Expedicin 348

    3 600 m: profundidad de la zapatade la tubera de revestimiento de113/4pulgadas,Expedicin 348Intervalo de extraccin de ncleosde 100 m

    5 200 m: profundidad del objetivo,

    Expedicin 3XXIntervalo de extraccin de ncleosde 300 m

    BSR

  • 7/24/2019 V26 -E2 Perforacin Cientfica de Pozos Marinos Ultra Profundos - Exploracin de La Zona Sismognica

    13/18

    30Oilfield Review

    Los datos derivados de los sensores y las mues-tras pueden esclarecer el tema de cmo interac-ta el agua con las rocas en la zona de subduccinde Nankai para incidir en la ocurrencia y la mag-nitud de los terremotos y los tsunamis. El sistemaLTBMS se conectar al sistema de monitoreo delfondo ocenico con cables de fibra ptica DONET.

    El proyecto de sismognesis de Costa Rica

    Los cientficos del IODP tambin estn llevando acabo estudios en el margen oriental del OcanoPacfico como parte del proyecto de sismognesisde Costa Rica (CRISP). En la zona de subduccindel margen de Costa Rica, cerca de la Pennsulade Osa en Amrica Central, la placa de Cocos y laDorsal de Cocos se estn hundiendo actualmentepor debajo de la placa del Caribe (arriba). sta esun rea bien estudiada con una zona sismognicarelativamente somera. La colisin de la Dorsal de

    Cocos con la Fosa Mesoamericana (MAT), en elrea marina de la Pennsula de Osa, acerca la fosaa la lnea costera y pone la zona sismognica alalcance de las nuevas capacidades de perforacincon tubo ascendente del IODP. En junio de 2002,se produjo un terremoto cortical de magnitud 6,4a una profundidad de aproximadamente 9 km[5,6 mi], en la zona de perforacin del proyectoCRISP. En esta rea, una de las posibles localiza-ciones seleccionadas para la perforacin de

    pozos profundos con tubo ascendente se centraen la zona sismognica a una profundidad deunos 6 km [4 mi].

    El principal objetivo del proyecto CRISP esinvestigar los procesos simognicos, tales como eldebilitamiento dinmico por friccin, la presuriza-cin trmica o la lubricacin por fusin, fenmenoscomunes a la mayora de las fallas. Sin embargo,este proyecto difiere, aunque complementa, otrosproyectos de perforacin de pozos profundos enzonas de fallas, tales como el proyecto NanTroSEIZE

    y el proyecto de Perforacin Rpida en la Fosa deJapn que se describe ms adelante. La subduc-cin en la regin del proyecto CRISP se produce enun margen convergente de erosin en el que elmaterial de aporte para la zona sismognica pro-

    viene de la base de la placa cabalgante. Este mate-rial posee propiedades litolgicas, fsicas yfriccionales desconocidas, salvo en los casos en

    que son reveladas mediante la perforacin depozos profundos. El proyecto CRISP ofrece laoportunidad para conocer los mecanismos depropagacin por ruptura y nucleacin de terre-motos en una zona de subduccin erosiva.

    El proyecto CRISP incluye la perforacin depozos multifsicos, de mltiples sitios y mltiplesplataformas, y es administrado por la organiza-cin USIO para el IODP. La USIO ejecut el pro-grama A, la primera fase del proyecto, utilizando

    la embarcacin JRpara las operaciones de perfo-racin sin tubo ascendente durante la expedicin334 del ao 2011 y la expendicin 344 del ao2012 (prxima pgina, arriba). Los cientficosobtuvieron datos de pozos mediante la extraccinde ncleos y el perfilaje durante la perforacin.26

    26. Los cientficos adquirieron registros LWD duranteel programa A del proyecto CRISP utilizando lasherramientas adnVISION, arcVISION, geoVISIONy TeleScope.

    27. Expedition 334 Scientists: Expedition 334 Summary,en Vannucchi P, Ujiie K, Stroncik N, Malinverno A and

    the Expedition 334 Scientists (eds): Actas delPrograma Integrado de Perforacin Ocenica334,2012, http://publications.iodp.org/proceedings/334/EXP_REPT/CHAPTERS/334_101.PDF (Se accediel 15 de julio de 2014).

    28. Harris RN, Sakaguchi A, Petronotis K, Baxter AT,Berg R, Burkett A, Charpentier D, Choi J, Diz FerreiroP, Hamahashi M, Hashimoto Y, Heydolph K, Jovane L,Kastner M, Kurz W, Kutterolf SO, Li Y, Malinverno A,Martin KM, Millan C, Nascimento DB, Saito S, SandovalGutirrez MI, Screaton EJ, Smith-Duque CE, SolomonEA, Straub SM, Tanikawa W, Torres ME, Uchimura H,Vannucchi P, Yamamoto Y, Yan Q y Zhao X: Expedition344 Summary, en Harris RN, Sakaguchi A, PetronotisK y Expedition 344 Scientists (eds): Actas del ProgramaIntegrado de Perforacin Ocenica 344, 2013,http://publications.iodp.org/proceedings/344/EXP_REPT/CHAPTERS/344_101.PDF (Se accediel 28 de mayo de 2014).

    29. Malinverno A y Saito S: Borehole BreakoutOrientation from LWD Data (IODP Exp. 334) and thePresent Stress State in the Costa Rica SeismogenesisProject Transect, artculo T34C-07, presentado en lareunin de otoo de la Unin Geofsica Americana,San Francisco, 9 al 13 de diciembre de 2013.

    30. Lin et al, referencia 18.

    >Mapa topogrfico y batimtrico de la regin cercana a la Fosa Mesoamericana. El rea de perforacin del proyecto de sismognesis deCosta Rica (CRISP) se encuentra ubicada cerca de la Pennsula de Osa, en Costa Rica, en donde la placa de Cocos y la dorsal de Cocos sehunden por debajo de la placa del Caribe. (Adaptado de Expedition 334 Scientists, referencia 27.)

    20

    18

    16

    14

    12

    10

    8

    6

    4

    4

    2

    2

    0

    104 102 100 98 96 94 92 90 88 86 84 82 80 78 76

    Placa deCocos

    Placa Norteamericana

    Placa delCaribe

    Dorsald

    e

    Coc

    os

    Tasa de convergenciade placas, 88 mm/ao

    Cuenca de Guatemala

    Punto caliente en Galpagos

    Dorsal de Carnegie

    FosaMesoamericana

    Dorsal de Coiba

    Zona defractura de

    Panam

    Pennsula de Osa

    rea deperforacin

    propuesta

    2002 Mw6,4

    Dorsal

    deMalpe

    lo

    Dorsal

    deCoco

    s

    MXICO

    COSTA RICA

    8 500

    7 000

    6 000

    5 000

    4 000

    3 000

    2 000

    1 000

    1 000

    2 000

    3 000

    4 0005 640

    0

    Elevacin,

    m

    Latitud

    Longitud

  • 7/24/2019 V26 -E2 Perforacin Cientfica de Pozos Marinos Ultra Profundos - Exploracin de La Zona Sismognica

    14/18

    Volumen 26, no.2 31

    En la expedicin 334, la embarcacin JRvisit cua-tro sitios, adquiriendo datos LWD en los sitios U1378

    y U1379 y extrayendo ncleos en los sitios U1378 aU1380 de la pendiente MAT y en el sitio U1381 de laplaca de Cocos. El sitio U1379 se encuentra ubi-cado por encima del prisma frontal en un tirantede agua de 127 m [417 pies]. El sitio U1381 seubica en la placa en subduccin en un tirante deagua de aproximadamente 2 000 m.27 Durante la

    expedicin 344, la embarcacin JR visit cincositios, extrayendo ncleos en los sitios U1380,U1412 y U1413 de la pendiente MAT, en la placacabalgante, y en los sitios U1381 y U1414 desdela pendiente MAT hacia el mar, en la placa deCocos en subduccin. Los ingenieros intentaronadquirir registros con herramientas operadascon cable sin tubo ascendente en el sitio U1380,pero el descenso de la herramienta se vio limi-tado debido a las obstrucciones presentes en elpozo. Sin embargo, ejecutaron con xito carre-ras someras de perfilaje en el sitio U1413 y hastauna profundidad de 421 m [1 380 pies] bfm en el

    sitio U1414.28

    La organizacin USIO logr satisfacer losobjetivos cientficos para el programa A del pro-

    yecto CRISP. Los cientficos utilizaron datos dencleos y de registros para caracterizar la litolo-ga, la estratigrafa y la antigedad de la pen-diente y de los sedimentos de aporte, la petrologade la Dorsal de Cocos en proceso de subduccin yla influencia de la subduccin de la dorsal en laevolucin del arco volcnico Centroamericano.Los datos geoqumicos y de temperatura sugierenque el transporte de fluidos se produjo desdemayores profundidades. Los analistas de regis-tros utilizaron el anlisis de ncleos y de ovaliza-cin por ruptura de la pared del pozo paradeterminar la orientacin del esfuerzo local en ellmite echado (buzamiento) arriba de la zona sis-mognica. Mediante la utilizacin de datos delcalibrador obtenidos durante la expedicin 334con herramientas ultrasnicas y nucleares LWD,los analistas determinaron que la direccin delesfuerzo horizontal mximo variaba como unafuncin de la posicin a lo largo de la pendientede la fosa en los sitios U1378 y U1379. Y mediantela utilizacin de datos de imgenes ultrasnicas y

    de resistividad obtenidas con herramientas ope-radas con cable durante la expedicin 344, descu-brieron que la orientacin del esfuerzo mximoen el sitio U1413, en la pendiente superior, es casiperpendicular al movimiento relativo de las placas

    y sugiere un rgimen de esfuerzos extensionales(derecha).29 Tambin se observaron variacionessimilares de la orientacin de los esfuerzos en laplaca cabalgante en la Fosa de Nankai.30En unprograma B futuro del proyecto CRISP, los cient-

    >Direcciones de los esfuerzos en el rea de perforacin del proyecto CRISP. Las direcciones del esfuerzode compresin horizontal mxima, Hmax, (lneas rojas) fueron determinadas a partir de un registrocalibrador de densidad LWD de 16 carriles en los sitios U1378 y U1379 y a partir de registros obtenidoscon el generador de imgenes ultrasnicas de la pared del pozo UBI y del microbarredor de la formacinen el sitio U1413; ambas herramientas operadas con cable. Los sitios en los cuales se perforaron pozosdurante las expediciones 334 y 344 se indican con puntos rojos y amarillos, respectivamente. Los sitios enlos que las operaciones tuvieron lugar en ambas expediciones muestran ambos colores. La flecha negraindica la direccin del movimiento de la placa de Cocos. Con un sistema GPS terrestre se determin unvector de deformacin NNE (no mostrado aqu). Las direcciones de los esfuerzos, incluido el esfuerzovertical, son consistentes con una compresin NNOSSE en el sitio U1378 de la pendiente media, cercadel prisma frontal, y con una extensin NNOSSE en los sitios U1379 y U1413, en los sedimentos deplataforma de la pendiente superior. (Adaptado de Malinverno y Saito, referencia 29.)

    815

    900

    845

    830

    8445 8430 8415 8400

    Movimientorelativo de

    la placa

    Pennsulade Osa

    Longitud

    Latitud

    8345 8330

    Hmax

    >Estructura de la zona de subduccin de Costa Rica con los sitios de perforacin del proyecto CRISP.Una seccin ssmica interpretada de gran ngulo (extremo superior) muestra las posiciones de lospozos y las reflexiones provenientes del borde de placa inclinado. Los puntos indican el tope delbasamento de la placa cabalgante, sobre el que yacen sedimentos de pendiente de gran espesor.La seccin transversal esquemtica (extremo inferior) a travs del margen de la Pennsula de Osamuestra los sitios U1381, U1412, U1378, U1380 y U1379 y las velocidades de las ondas P (km/s) delsubsuelo dentro de la placa cabalgante. (Adaptado de Harris et al, referencia 28.)

    Profundidad,

    km

    Profundidad,

    km

    Distancia, km

    Prisma frontal

    Borde de placa Borde de placa

    Distancia, km

    Sitio U1381,Referencia

    Sitio U1381 Sitio U1412

    Exageracin vertical = 2

    Exageracin vertical = 1,3

    Bordedeplaca

    V= 3,5V= 4,8

    Sedimentos Prismafrontal

    Cua

    Sitio U1412,Punta

    Sitios U1378y U1380,

    Pendiente media

    Sitio U1378 Sitio U1380Reflexiones queinclinan hacia la tierra

    Sitio U1379

    Sitio U1379,Pendiente superior

    0

    0

    1

    2

    3

    35 30 25 20 15 10 5

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    5

    10 50 40 30 20 10 0 10 20

    Basamento superior

  • 7/24/2019 V26 -E2 Perforacin Cientfica de Pozos Marinos Ultra Profundos - Exploracin de La Zona Sismognica

    15/18

    32Oilfield Review

    ficos a bordo de la embarcacin para perforacinChikyucontinuarn con el estudio utilizando tec-nologa de perforacin con tubo ascendente parala penetracin en el mega-corrimiento.

    Proyecto de perforacin

    rpida en la Fosa de Japn

    El 11 de marzo de 2011, se produjo el terremoto de

    Tohoku-Oki (9,0 Mw) en la mega falla situada al oestede la Fosa de Japn, en un margen convergente deerosin en el que la placa del Pacfico se hundepor debajo de la placa Norteamericana (arriba).El tsunami originado por el terremoto devastgrandes secciones de la costa noreste de la islade Honshu, en Japn. Los cientficos estimaronque el movimiento de la falla haba sido superiora 50 m [165 pies], uno de los deslizamientos mssignificativos registrados en un terremoto. Los sis-

    mlogos no haban previsto la ocurrencia de undesplazamiento de tal magnitud en la porcinsomera del lmite de la mega falla porque no sepensaba que esta porcin de la zona de subduc-cin estuviera atascada y acumulara esfuerzossignificativos. No obstante, el anlisis subsiguienteindic que los desplazamientos tan grandes puedenproducirse cuando el esfuerzo cortante ejercido

    sobre la falla se reduce a niveles muy bajos duranteun terremoto.31

    Los cientficos, interesados desde hace muchotiempo en los peligros ssmicos, han procuradomitigar sus efectos catastrficos a travs del estu-dio de los mecanismos de los terremotos. Los par-ticipantes de un seminario internacional delICDP 2009 haban propuesto estrategias y reco-mendaciones tcnicas para la rpida moviliza-cin de un programa de perforacin luego de la

    ocurrencia de terremotos de gran magnitud.32

    La tragedia que ocasion el terremoto de Tohoku-Oki reforz la necesidad y gener la oportunidadde ejecutar este tipo de programa.

    El proyecto de perforacin rpida de la Fosa deJapn (JFAST) surgi como un proyecto de tiporespuesta rpida por diversas razones.33Los sism-logos teorizan que la friccin controla la dinmicade las grandes rupturas producidas en las fallas.

    Durante un terremoto, la friccin genera calor yla temperatura de las fallas, observada tras elterremoto, aporta indicaciones acerca del nivelde friccin. Una de las formas ms directas deestimar la friccin dinmica durante el terremotoconsiste en medir el calor residual existente en lazona de falla. No obstante, la seal de tempera-tura disminuye con el tiempo. Para resolver latemperatura residual, los geofsicos teorizan quees necesario que las mediciones comiencen den-tro del perodo de dos aos posterior al terremoto.Las mediciones importantes sensibles al tiempo,necesarias para la estimacin confiable de la fric-

    cin, son la temperatura de las fallas, la permea-bilidad de la zona de falla y las propiedadesqumicas de los fluidos y las rocas.

    El objetivo del proyecto JFAST era compren-der los motivos y los mecanismos del gran desli-zamiento de la falla del terremoto de Tohoku-Oki;los investigadores comenzaron perforando hastael nivel de la zona de falla del borde de placa ymidiendo las propiedades de las rocas y el calorgenerado por friccin resultante del movimientode la falla. Los cientficos tenan previsto utilizarestimaciones de la energa calorfica disipadapara inferir las fuerzas que actuaron sobre lafalla durante el terremoto. Los objetivos de laperforacin fueron, entre otros, la utilizacin dela tcnica LWD para localizar la falla que habaexperimentado un fenmeno de ruptura, la extrac-cin de muestras de ncleos para caracterizar lacomposicin de la zona de falla y los mecanismosde los procesos de deslizamiento y reparacin a lolargo de la falla, y el emplazamiento de un observa-torio de medicin de la temperatura a travs de lafalla para estimar el calor generado por friccin y elesfuerzo presente dentro y alrededor de la zona defalla. Un equipo internacional de respuesta rpida

    logr estos objetivos mediante la utilizacin de laembarcacin para perforacin Chikyucomo plata-forma de perforacin durante las expediciones 343

    y 343T del IODP.34

    El Centro de Exploracin en las Profundidadesde la Tierra (CDEX) de la agencia JAMSTECactu como organizacin de implementacinpara el proyecto JFAST, llevando a cabo la expedi-cin 343 entre abril y mayo de 2012, unos 13 a14 meses despus del terremoto de Tohoku-Oki.

    >Topografa de Japn y batimetra del Ocano Pacfico cerca de la Fosade Japn. La estrella negra seala el epicentro del terremoto de Tohoku-Okiacaecido en el ao 2011. El punto rojo indica el sitio de perforacin de las

    expediciones 343/343T del IODP para el proyecto JFAST. La placa del Pacfico(PAC) se hunde por debajo de la placa Norteamericana (NAP) en la Fosa deJapn, en el rea marina de la porcin septentrional de Japn ( inserto).

    200

    1 500

    3 500

    5 000

    Alturaconrespectoalniveldelmar,m

    Latitud

    Longitud

    8 000

    10 000

    44

    43

    42

    41

    40

    39

    38

    37

    36

    35

    34138 139 140 141 142 143 144 145 146 147

    Fosade Japn

    Sitio de perforacinTohoku-Oki, 2011

    EP

    PAC

    PHS

    NAP

  • 7/24/2019 V26 -E2 Perforacin Cientfica de Pozos Marinos Ultra Profundos - Exploracin de La Zona Sismognica

    16/18

    Volumen 26, no.2 33

    Mediante la utilizacin de tcnicas de perforacin

    sin tubo ascendente, los ingenieros obtuvieron medi-ciones LWD en un pozo perforado hasta 850,5 m[2 791 pies] bfm en un sitio de perforacin de lapendiente hacia tierra de la Fosa de Japn. La pro-fundidad total del pozo fue de 7 740 m [25 394 pies]por debajo del nivel del mar (bnm) (arriba). Los ge-logos utilizaron los datos LWD obtenidos con elservicio de generacin de imgenes durante laperforacin geoVISION y las herramientas deresistividad de arreglo compensada arcVISIONpara identificar y caracterizar la zona de falla delborde de placa. En esta expedicin, los cientfi-cos tambin obtuvieron 21 ncleos que abarca-ron los dos objetivos principales de la falla en unpozo independiente para extraccin de ncleosperforado hasta 844,5 m [2 771 pies] bfm.

    Los investigadores determinaron que la estruc-tura general en el emplazamiento de perforacinest compuesta por un prisma superior de fango-litas falladas y plegadas en contacto tectnico conuna secuencia de sedimentos de escaso espesorque fueron depositados sobre la placa entrantedel Pacfico. Existe un contacto tectnico a apro-

    ximadamente 820 m [2 690 pies] bfm, definidopor una zona delgada de arcillas intensamente

    cizalladas e interpretado como el nivel de despren-

    dimiento del borde de placa. Los cientficos llega-ron a la conclusin de que el nivel de desprendimien-to del borde de placa era la localizacin ms proba-ble del deslizamiento de falla producido durante elepisodio acaecido en Tohoku-Oki en el ao 2011.Mediante la utilizacin del anlisis de fluidos, iden-tificaron otra localizacin posible del movimientoreciente de la falla a aproximadamente 700 m[2 300 pies] bfm. Y mediante la comparacin de losregistros de imgenes con las observaciones de losncleos, identificaron una zona fracturada y bre-chiforme, a aproximadamente 720 m [2 360 pies]bfm, que contena fallas. Los cientficos eligieron lazona situada a 720 mbfm y el nivel de desprendi-miento a 820 mbfm como los objetivos principalespara el observatorio de medicin de temperatura.

    Los datos derivados de los registros, especial-mente las imgenes de resistividad, ayudaron alos cientficos a comprender el rgimen de esfuer-zos locales. Los registros de imgenes adquiridosdurante la perforacin revelaron la existencia deovalizaciones por ruptura de la pared del pozo quereflejaron diferencias en diversos dominios deesfuerzos locales a lo largo del pozo. A profundida-des someras, el esfuerzo de compresin horizon-

    tal mximo, Hmax, pareca variable. A niveles

    ms profundos dentro del prisma, entre 537 y 820 m[1 762 y 2 690 pies] bfm, elHmaxexhiba una solaorientacin preferencial formando un ngulo ensentido horario de aproximadamente 20 respecto de la direccin de convergencia de las placasLas fallas y la estratificacin en todo el prismasedimentario superior tambin mostraban unrumbo predominantemente noreste, consistentecon la contraccin horizontal aproximadamenteparalela a la direccin de convergencia de placas.

    En julio de 2012, unos 16 meses despus deterremoto de Tohoku-Oki, el personal del CDEX y ungrupo de cientficos adicionales llevaron a cabo laexpedicin 343T, una corta extensin tcnica deproyecto JFAST. Durante esta expedicin, loingenieros instalaron un observatorio con sensorede temperatura y presin para detectar la rbrica detemperatura residual del desplazamiento de la fallaprevio a su disipacin. Durante la instalacin deobservatorio de temperatura, la tripulacin de laembarcacin Chikyuperfor hasta una profundidadde 854,8 m [2 804 pies] bfm en un tirante de aguade 6 897,5 m [22 630 pies] alcanzando una profundidad total (TD) de 7 752,3 m [25 434 pies] bfm.3

    Cada uno de los 55 termmetros del observatorio

    31. Lin W, Conin M, Moore JC, Chester FM, Nakamura Y,Mori JJ, Anderson L, Brodsky EE, Eguchi N and theExpedition 343 Scientists: Stress State in the LargestDisplacement Area of the 2011 Tohoku-Oki Earthquake,Science339, no. 6120 (8 de febrero de 2013): 687690.

    32. Brodsky EE, Ma K-F, Mori J, Saffer DM y losparticipantes del Simposio Internacional de las ICDP/SCEC: Rapid Response Fault Drilling Past, Present, andFuture, Scientific Drilling8 (Septiembre de 2009): 6674.

    33. Para obtener informacin detallada sobre el proyectoJFAST, consulte: Importance for Understanding the

    Devastating Tsunami from the 2011 Tohoku Earthquake,JAMSTEC: Japan Trench Fast Drilling Project,http://www.jamstec.go.jp/chikyu/exp343/e/science.html(Se accedi el 18 de abril de 2014).

    34. Expedition 343/343T Scientists: Expedition 343/343TSummary, en Chester FM, Mori J, Eguchi N, ToczkoSand the Expedition 343/343T Scientists (eds): Actas delPrograma Integrado de Perforacin Ocenica 343/343T,2013, http://publications.iodp.org/proceedings/343_343T/EXP_REPT/CHAPTERS/343_101.PDF (Se accedi el15 de mayo de 2014).

    35. La profundidad total del pozo C0019D estableciuna nueva longitud rcord para las operaciones deperforacin cientfica ya que super la longitud totalde 7 049,5 m [23 128 pies] (un tirante de agua de 7 034 m[23 077 pies] ms una profundidad del lecho submarinode 15,5 m [50,9 pies]) registrada por la embarcacinGlomar Challengeren 1978, en el abismo Challengerde la Fosa de las Marianas, el punto conocido msprofundo del lecho marino.

    >Seccin ssmica interpretada a partir de la lnea HD33B, que atraviesa el sitio C0019 del proyecto JFAST cerca de la Fosa de Japn. La placa del Pacficose hunde por debajo del prisma sedimentario frontal de sobrecorrimiento de la placa Norteamericana. En este sitio, se perforaron tres pozos a travs delprisma sedimentario y el nivel de desprendimiento. En el pozo C0019B se obtuvieron mediciones LWD (los pozos no se muestran). En el pozo C0019E, seextrajeron ncleos. Los cientficos instalaron un observatorio en el pozo C0019D para obtener mediciones de temperatura en la zona sismognica cercadel nivel de desprendimiento. (Adaptado de Expedition 343/343T Scientists, referencia 34.)

    Prismasedimentario frontal

    Desprendimiento

    Pilar tectnico GrabenTope del basalto

    Placa del Pacfico: corteza ocenica gnea

    Fallas normales o directas

    Tope de la arcilita pelgica

    Fangolita hemipelgica

    Lnea HD33B

    Profundidad,

    mbnm

    mbfm (metros por debajo del fondo marino)Sitio C0019

    0

    200

    400

    600

    800

    1 000

    6 500

    NO S

    7 000

    7 500

    8 000

    8 500

    10 mi

    0 1km

    Relleno de fosa, depsitode transporte masivo

    Tope de la ftanitaestratificada

  • 7/24/2019 V26 -E2 Perforacin Cientfica de Pozos Marinos Ultra Profundos - Exploracin de La Zona Sismognica

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    34Oilfield Review

    cuenta con su propio registrador de datos. staera la primera vez que se intentaba medir lastemperaturas residuales en una falla de borde deplaca inmediatamente despus de haberseexperimentado un terremoto en una fosaocenica. En abril de 2013, la embarcacin parainvestigacin Kairei de la agencia JAMSTEC

    retorn al sitio del observatorio, y los cientficosrecuperaron el arreglo de sensores tras nuevemeses de operacin. La sarta completa de sensores

    fue recuperada utilizando un vehculo operado enforma remota, que localiz, desenganch y recuperel arreglo en un pozo que cubre el borde de placa.

    Los cientficos dirigieron un esfuerzo inten-sivo hacia el anlisis de datos LWD y de muestrasde ncleos provenientes de las expediciones delproyecto JFAST y llegaron a la conclusin de que

    una sola falla primaria asociada con el borde deplaca haba admitido el gran deslizamiento pro-ducido durante la ruptura ocasionada por el

    terremoto de Tohoku-Oki; adems, determinaronque ste era el sitio en el que se haba producido lamayor parte del movimiento histrico interplaca.Se observ que la deformacin se localizaba enuna capa de arcilla pelgica de menos de 5 m deespesor, lo cual sugiri que las propiedades fric-cionales de la arcilla pelgica de esta rea consti-

    tuyen un factor importante que controla elcomportamiento dinmico de los sismos por sub-duccin regional y del origen de los tsunamis.36

    >Campo de temperaturas residuales del fondo marino. La temperatura residual es la diferencia entre la temperaturaregistrada y la temperatura pronosticada a partir del gradiente geotrmico de fondo. Un mapa de tiempo-profundidad(izquierda) de los datos provenientes del arreglo de termistores (crculos amarillos) muestra temperaturas elevadas enel intervalo de profundidad comprendido entre 810 m [2 657 pies] y 820 m [2 690 pies], cerca de la profundidad estimadade la zona de falla de desprendimiento. Los perodos sin recoleccin de datos se muestran en blanco. Las perturbacionesinducidas por la perforacin produjeron un descenso de las temperaturas en agosto de 2