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• Alex Encinas Olivera

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ONDAS SISMICAS 1.- Introducción Se entiende como una obligación de los profesionales y estudiantes de la las ramas afines a la prospección petrolera promover la divulgación de las diversas técnicas agrupadas en esta especialidad de las ciencias para el estudio del subsuelo, con el fin de contribuir a que se haga el mejor uso de cada una de ellas en base al conocimiento de su capacidad resolutiva y de sus limitaciones. Cuando tratamos los métodos de exploración para el estudio del subsuelo, un método muy usado y que mayores impactos ambientales provoca es sin duda el de la prospección sísmica. Precisamente esta consiste en generar ondas sísmicas que de acuerdo al procedimiento establecido ayudaran en la elaboración del ansiado mapa del subsuelo. Entonces este trabajo se centrara en el estudio de las ondas sísmicas, para ello se hará un breve repaso de algunos conceptos básicos relativos a los mecanismos de transmisión de las ondas volumétricas en el medio rocoso y de las diversas técnicas para su estudio. Este trabajo permitirá establecer de forma implícita cuáles son los modelos geológicos en que es aplicable el método sísmico y que tipo de información del subsuelo puede proporcionar, esto coadyuvado con las ondas sísmicas. Desde este punto, se enlazará con la explicación de los aspectos relativos a las operaciones de campo para el registro de las señales sísmicas y su posterior procesado. 2.- Objetivos 2.1.- Objetivo general El objetivo es exponer de forma ordenada una serie de conceptos básicos que permitan a los posibles usuarios que lidien con las ondas sísmicas planificar adecuadamente su utilización y controlar la calidad de los datos y resultados, todo esto en relación a la necesidad de la industria de los hidrocarburos. 2.2.- Objetivos específicos -

Determinar que propiedades de las ondas es usado en la prospección petrolera. Indicar las principales fuentes de energía en los estudios sísmicos. Indicar el procedimiento que se realiza en el campo en el estudio del subsuelo usando ondas sísmicas.

3.- Desarrollo teórico

3.1.- Definición de ondas sísmicas.- Ondas elásticas generadas por un sismo que se propagan a partir del foco en todas direcciones. Otra definición más afín a la prospección petrolera es que: La liberación instantánea de un pulso de energía mecánica en un punto de la superficie del terreno genera una serie de ondas de diferentes tipos con diferentes modos y velocidades de propagación.

3.2.- Descripción y características.- Las ondas sísmicas son parcelas de energía de deformación elástica que se propagan desde una fuente sísmica (como un terremoto o una explosión) hacia fuera. Las fuentes sísmicas apropiadas para la prospección sísmica son aquellas que generan trenes de onda de corta vida conocidos como pulsos, que típicamente contienen un amplio rango de frecuencias. Las deformaciones asociadas con el 1

paso de un pulso sísmico se pueden considerar elásticas, excepto en la zona inmediata a la fuente. Con esta asunción, las velocidades de propagación de los pulsos sísmicos están determinados por los módulos elásticos y las densidades de los materiales a través de los que pasan. Existen dos grupos fundamentales de ondas sísmicas: ondas internas o de volumen (body waves) y ondas de superficie (surface waves).

3.3.- Tipos de ondas.- Básicamente hay tres tipos de ondas. El primero de ellos, llamado ondas primarias u ondas P, consiste en la transmisión de compresiones y rarefacciones de la roca, de forma similar a la propagación del sonido.

El segundo tipo, ondas secundarias u ondas S, consiste en la propagación de ondas de cizalla, donde las partículas se mueven en dirección perpendicular a la dirección de propagación de la perturbación.

Estos dos tipos de ondas se pueden propagar por el interior de la Tierra y nos referiremos a ellas como ONDAS DE VOLUMEN o INTERNAS. Existe un segundo grupo de ondas, llamadas ONDAS SUPERFICIALES debido a que solo se propagan por las capas más superficiales de la Tierra, decreciendo su amplitud con la profundidad. Dentro de este tipo de ondas se pueden diferenciar dos modalidades, denominadas ondas Rayleigh y ondas Love en honor a los científicos que demostraron teóricamente su existencia. Las ondas Rayleigh se forman en la superficie de la Tierra y hacen que las partículas se desplacen según una trayectoria elíptica retrógrada.

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Las ondas Love se originan en la interface de dos medios con propiedades mecánicas diferentes; en este caso el movimiento de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación de la perturbación, similar a las ondas S, pero solo ocurre en el plano de la superficie terrestre.

Dentro de esta variedad de ondas, las P son las que se propagan con mayor velocidad (de ahí su nombre, primarias), presentando además la característica de poder propagarse por cualquier tipo de material, sea sólido o líquido. Las ondas S viajan a una velocidad algo menor (secundarias) y no se propagan por masas líquidas. Por último, las ondas superficiales viajan con una velocidad menor aún. En lo que respecta al estudio de las ondas de compresión, las dos transformaciones principales a tener en cuenta para los fines de este trabajo son la Refracción y la Reflexión. Ambos procesos se gobiernan por las leyes de la Óptica. También las ondas de cizalla están sometidas a iguales procesos físicos y, por ello, los mismos conceptos son aplicables a su estudio. El registro de uno u otro tipo de ondas se diferencia básicamente en el tipo de sensores utilizados en cada caso. El hecho de trabajar en los estudios sísmicos de reflexión principalmente con ondas de compresión se debe a la mayor sencillez operativa de su registro.

3.4.- Propiedades de las ondas: reflexión y refracción Reflexión.- La reflexión de una onda es el rebote que experimenta cuando llega a un obstáculo grande, como una pared. Aunque el obstáculo absorba parte de la energía recibida (incluso vibrando si entra en resonancia) 3

se produce también reflexión en la que se transmite de vuelta parte de la energía a las partículas del medio incidente. En la figura adjunta se representa un frente de ondas plano llegando a una superficie horizontal con un cierto ángulo i de incidencia (se mide con respecto a la dirección normal, N) De acuerdo con el principio de Huygens, cuando el frente de ondas empieza a "tocar" la superficie, el punto A se convierte en un nuevo foco que emite ondas secundarias y según transcurre el tiempo y el frente AB va incidiendo, repiten este comportamiento todos los puntos de la superficie comprendidos entre A y C. El frente de ondas reflejado, DC, es el envolvente de las ondas secundarias que se han ido emitiendo durante un tiempo igual al periodo desde el tramo AC de la pared.

Este método se ha aplicado con gran éxito en exploraciones para la industria petrolera, localizando determinado tipo de estructuras geológicas con las que a menudo se encuentra asociado el petróleo. El método de reflexión básicamente involucra lo siguiente: La detonación de un explosivo en un pozo somero o en la superficie del terreno, que se transforma en energía vibratoria la cual se transmite a través del medio elástico hacia la profundidad; después de un cierto intervalo, esta energía es reflejada por cualquier discontinuidad física o por estratos subyacentes a la superficie terrestre, retornando hacia esta y provocando el movimiento de un transductor electromecánico (detector). La señal de este detector es amplificada, registrándose en estas condiciones en un oscilógrafo. Después de aplicar ciertas correcciones a los tiempos de arribo leídos en los sismogramas es factible conocer la velocidad de transmisión de la onda u ondas reflejadas, estándose capacitado para estimar cuantitativamente la profundidad o profundidades de los horizontes reflectores y poder trazarse en un plano. Para los geólogos petroleros es de gran interés conocer las variaciones en profundidad de los estratos o lechos subyacentes a la superficie de la tierra, en lugar de su profundidad absoluta bajo el nivel del mar. Refracción.- La refracción de una onda consiste en el cambio de dirección que experimenta cuando pasa de un medio a otro distinto. Este cambio de dirección se produce como consecuencia de la diferente velocidad de propagación que tiene la onda en ambos medios. En la figura adjunta se representa la refracción de una onda plana desde un medio 1 a otro medio 2, suponiendo que la velocidad de propagación es menor en el segundo medio que en el primero. A medida que el frente de ondas AB va incidiendo en la superficie de separación, los puntos AC de esa superficie se convierten en focos secundarios y transmiten la vibración hacia el segundo medio. Debido a que la velocidad en el segundo medio es menor, la envolvente de las ondas secundarias transmitidas conforma un frente de ondas EC, en el que el punto E está más próximo a la superficie de separación que el B. En consecuencia, al pasar al segundo medio los rayos se desvían acercándose a la dirección normal N. Mediante un razonamiento similar se comprueba que la desviación de la dirección de propagación tiene lugar en sentido contrario cuando la onda viaja de un medio donde su velocidad de propagación es menor a otro en el que es mayor. 4

Al aplicarse este método se aprovecha el fenómeno de la refracción de las ondas a través de las discontinuidades de carácter físico de las formaciones, provocadas por la detonación de explosivos, en lugar de la reflexión de ondas como ya se describió. Este método tiene una mayor aplicación, se adopta en forma mas adecuada a aquellos problemas donde las discontinuidades o cambios de formación están más próximos a la superficie del terreno y más particularmente donde se desea determinar la profundidad de la roca basal o de alguna formación bien consolidada. No obstante lo anterior, este método tiene una particular aplicación en exploraciones petroleras de gran profundidad, donde la presencia de complejidades geológicas superficiales y consideraciones de otro carácter dificultan la recepción limpia y clara de las ondas reflejadas. Normalmente la reflexión y la refracción se producen de forma simultánea. Cuando incide una onda sobre la superficie de separación entre dos medios, los puntos de esa superficie actúan como focos secundarios, que transmite la vibración en todas las direcciones y forman frentes de onda reflejados y refractados. La energía y la intensidad de la onda incidente se reparte entre ambos procesos (reflexión y refracción) en una determinada proporción.

3.5.- Producción de la señal sísmica/fuente de energía.- En su tránsito por el subsuelo las ondas de sufren una atenuación que reduce progresivamente su amplitud. En consecuencia la profundidad de investigación que se puede alcanzar en un estudio sísmico está obviamente condicionada por la atenuación de la señal. Tal hecho lleva de inmediato a constatar la importancia de la amplitud de la señal original, es decir la importancia de la fuente de energía. Para el rango de profundidad a investigar mediante el método sísmico existen diversas alternativas en lo relativo a las fuentes de energía que se emplean habitualmente. Entre las más comunes cabe citar las siguientes: • Impacto manual de un martillo de 6-8 kg sobre el terreno. • Detonación de cartuchos especiales en pequeños sondeos (0,5 m). Por ejemplo, el sistema SISSY con cartuchos tipo Dynergit desarrollado por Dymamit Nobel, el Betsy gun, etc. • Caída de masas aceleradas. En este grupo se incluyen por ejemplo los sistemas EWG, de la marca Bison Instr. 5

• Pequeñas cargas explosivas detonadas en el fondo de sondeos de poca profundidad (1-2 m). • Vibradores. Mejor que comentar las particularidades de cada una de las fuentes de energía mencionadas (Tabla I), se considera pertinente remarcar cuáles son las condiciones ideales de generación y aplicación de las señales sísmicas. Éstas son: • Que la señal sea de la mayor intensidad posible y, en este aspecto, es obvio que el orden de preferencia sería: explosivo, masas aceleradas, cartuchos especiales, etc. • Que la señal sísmica tenga un espectro con un notable contenido en altas frecuencias para aumentar la resolución vertical de los registros. • Minimizar el efecto de las ondas superficiales y de la onda aérea produciendo la señal en el fondo de pequeños sondeos y focalizando la energía hacia abajo. En este sentido, los explosivos detonados en sondeos bien retacados son los más ventajosos, seguidos de los cartuchos especiales. • Además de la propia fuente de energía, en la transmisión y modificación de la señal juegan un papel relevante las condiciones del subsuelo que actúa no sólo atenuando la señal sino también como un filtro pasabajos eliminando selectivamente las altas frecuencias, lo cual reduce la resolución vertical de los registros. La eficacia de tal filtrado y la atenuación de la señal sísmica es máxima en terrenos secos y por ello la situación ideal para la realización de estudios sísmicos de reflexión es aquella en que la zona superficial está constituida por materiales granulares saturados.

TABLA I.- Particularidades de algunas de las fuentes de energía habitualmente utilizadas en estudios sísmicos.

3.6.- El procedimiento del trabajo de campo de reflexión y refracción sísmica.- Consta de varias fases: - Topografía y corte de líneas: Consiste en la ubicación y apertura de picas ecológicas (trocha o líneas de exploración sísmica) dirigidas por un grupo de topografía el cual mediante el uso de topografía convencional (teodolito y jalones) o equipo electrónico que marca las coordenadas por medio de satélite, se encarga de orientar, nivelar la línea y señalizar (con estacas de madera y placas de zinc) los puntos de disparo y de estaciones receptoras, de acuerdo con un programa preestablecido. En topografía y corte de línea intervienen diversos trabajadores, dependiendo del terreno explorado y la tecnología empleada, los cuales se establecen cerca de la línea sísmica y construyen campamentos móviles conocidos como volantes. - Perforación de pozo sísmico: Es la apertura de huecos de aproximadamente 10 cm de diámetro y una profundidad variable, denominados pozos; para lo cual se emplean ayudas manuales, mecánicas o neumáticas, de acuerdo con las características del área. Una vez se abre el pozo es necesario mantenerlo, dado que este tiende a derrumbarse por las diversas presiones del subsuelo, para lo cual se utilizan tuberías de 6

PVC como sistema de revestimiento, en cuyo extremo distal se coloca un tapón adherido con soldadura de PVC, con el fin de evitar el llenado del pozo. - Detonación y registro: En los pozos se coloca una carga de explosivos y se extiende luego una red de detonación. En forma conjunta se instala un sistema de geófonos (instrumentos que transforman la energía mecánica del movimiento sísmico en impulsos eléctricos), que permitirán el registro de las ondas sísmicas que se originan una vez se hace detonar la carga de los pozos. Los impulsos eléctricos generados en los geófonos se transmiten a los instrumentos de grabación y reproducción que toman la información y la registran en cintas magnéticas o en registros gráficos de papel. Para llevar acabo el procedimiento descrito anteriormente se necesita de un equipo de trabajo que cumplen determinadas funciones, a continuación se veremos el personal necesario para una exploración sismológica: 1.- Jefe de Grupo –Calculista.- Es el responsable de hacer el cálculo e interpretación de los registros o sismogramas obtenidos con el equipo de campo, así como dibujar los mapas sismológicos que muestren la profundidad de los contactos o lechos buscados. 2.- Observador.- Es el responsable de la operación del equipo en el campo, así como de conservarlo en buenas condiciones de operación. Debe vigilar el tendido de los detectores sobre la línea de exploración. 3.- Tirador.- Auxilia al observador y dispara las cargas explosivas. 4.- Topógrafo.- Localiza los pozos de tiro y traza y nivela los puntos donde se sitúen o coloquen los detectores. 5.- Caminero.- Asiste al topógrafo. 6.- Perforador.- Perfora los pozos de tiro en los cuales se disparan las cargas explosivas.

3.7.- Aplicación de las ondas sísmicas en la industria petrolera.- La aplicación de estas ondas radica precisamente en la determinación de los perfiles de subsuelo creados gracias a las propiedades de las ondas como son el de reflexión y de refracción. Toda la información obtenida a lo largo del proceso exploratorio es objeto de interpretación en los centros geológicos y geofísicos de las empresas petroleras. Allí es donde se establece que áreas pueden contener mantos con depósitos de hidrocarburos, cual es su potencial contenido y donde se deben perforar los pozos exploratorios para confirmarlo. De aquí surge lo que se llama “prospectos petroleros”. Para todo ese tratamiento de llevar desde los registros brutos hasta la sección es un proceso relativamente sencillo en sus conceptos pero complejo en su ejecución aunque normalmente se lleva a cabo en un PC mediante programas comerciales de coste razonable. Tampoco en esto hay magia ni se requiere el empleo de potentes sistemas informáticos. En todo caso el resultado final de un estudio sísmico es una sección sísmica en la que se puedan observar los diversos reflectores y refractores del subsuelo. Se tata de una sección en el dominio distancia-tiempo obtenida al agrupar las trazas a lo largo del perfil de medida y cuya interpretación en términos geológicos constituye una tarea aparte que necesariamente requiere su transformación a una sección distancia profundidad. Una secuencia típica de procesado de los registros en un estudio sísmico es la siguiente:

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- Lectura y ordenación de los ficheros que contienen los registros digitales de campo, con especial cuidado en la descripción detallada de la geometría del dispositivo de medida, coordenadas de los puntos de tiro y geófonos, etc. - Aplicación de un filtro pasabanda para eliminar cierto ruido de los registros. Principalmente se trata de eliminar la componente de baja frecuencia. - Eliminación de trazas problemáticas o defectuosas debidas a fallos en el sistema de registro o afectadas por ruido puntual particularmente intenso. - Agrupación de trazas CDP, es decir de todas las correspondientes a un mismo punto del reflector para diversas combinaciones entre puntos de tiro y geófono con una bisectriz común. - Análisis de velocidad y corrección NMO (normal move out). - Suma de trazas CDP para obtener una traza única por grupo - Agrupamiento de las trazas suma resultantes de cada grupo para conformar la sección sísmica distanciatiempo. - Migración y/o deconvolución - Filtrado FK, promediado de trazas, etc. Cada una de estas operaciones es importante y su correcto desarrollo requiere la intervención de especialistas experimentados que decidan en cada caso la forma más eficaz de conseguir el resultado final que se pretende: que en la sección sísmica sean visibles las reflexiones de interés eliminando en la medida de lo posible el resto de las señales inútiles que puedan oscurecerlas (ground roll, onda aérea, difracciones, refracciones, etc). Para conseguir este propósito se dispone de una herramienta fundamental, los ordenadores PC de gran potencia de cálculo y programas muy precisos. Sin embargo, no debe olvidarse que las decisiones corresponden al técnico y que de su acierto dependerá en parte la bondad de los resultados finales. Aunque no se van a describir cada uno de los pasos del procesado, si se pretende remarcar la importancia de algunos de ellos mediante un breve comentario en los epígrafes que siguen. Determinación de la velocidad La velocidad de transmisión de las ondas de compresión por el subsuelo constituye la mayor indeterminación del método. Sin embargo, el cálculo de la velocidad es importante no solamente para poder pasar de la sección sísmica (distancia- tiempo) a una sección distancia-profundidad interpretable en términos geológicos sino, también para realizar la corrección NMO (normal move out) que es fundamental en el proceso de agrupamiento y suma de trazas. Las técnicas para determinación de la velocidad van desde la Sísmica de Refracción para los niveles superficiales, a los ensayos de paneles de velocidad, agrupando las trazas para diferentes valores de velocidad, análisis de la curvatura de las hipérbolas envolventes de las reflexiones en los registros brutos, registros sónicos en sondeos, etc. 4.- Conclusiones - Las propiedades de las ondas como son el de refracción y de reflexión son usados por igual, ya que estos son generados al mismo tiempo y los geófonos registran la señal de ambas, sin embargo el hecho de trabajar en los estudios sísmicos principalmente con ondas reflectadas se debe a la mayor sencillez operativa de su registro. - Existe una gran variedad de equipos y maneras de generar señales sísmicas pero de acuerdo a los requisitos que se tiene para obtener un trabajo óptimo se recurre a aquellos que tiene gran alcance en su amplitud, trabajen bien en todo tipo de suelos, de este modo se tiene los siguientes: explosivos, masas aceleradas, cartuchos especiales, etc. Pero tomando en cuenta el daño ambiental que puede ocasionar generar explosiones se recurre a los vibradores, ya sea los equipos conocidos como vibrases o dinoseis.

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El procedimiento a seguir implementando el método sísmico en general es el siguiente: Topografía y corte de líneas, Perforación de pozo sísmico y Detonación y registro; y el personal necesario es el siguiente: Jefe de Grupo Calculista, Observador, Tirador, Topógrafo, Caminero y el Perforador

5.- Bibliografía CURSO TECNICO OILWATCH DE LA INDUSTRIA PETROLERA, José Lino Gómez Franco y Tatiana Roa A. LA TECNOLOGÍA DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA EN EL CONTEXTO DE LA EXPLORACIÓN PETROLERA, Dr. Ing. Emilio R. Escartín Sauleda COMENTARIOS AL MÉTODO SÍSMICO DE REFLEXIÓN EN SUS APLICACIONES, Ángel GRANDA SANZ, Ing. de Minas, José C. CAMBERO CALZADA. Ing. de Minas INTRODUCCIÓN A LA INDUSTRIA DE LOS HIDROCARBUROS, Cámara Bolivia De Hidrocarburos INTRODUCCIÓN A LA EVALUACIÓN DE LA AMENAZA SÍSMICA, International Institute for Geo-Information Science and Earth Observation

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