Capítulo 5: Registro de Rayos Gamma

1. Registro de GR La curva de rayos gamma o GR (“Gamma-Ray”) representa la radioactividad natural de las formaciones y es presentada en unidades API (“American-Petroleum-Institute”); cada unidad API es definida como 1/200 de la respuesta generada por un calibrador patrón constituido por una formación artificial que contiene cantidades bien definidas de uranio, torio y potasio, mantenida por el API en Houston, Texas, USA. Generalmente, la curva de GR es presentada en la pista 1, junto a las curvas de SP y de calibrador, con escalas de 0 a 100 ó de 0 a 150 API. Al igual que la curva de SP, la de GR tiene su escala definida de manera tal que ambas curvas indican zonas permeables cuando están próximas del extremo inferior de la pista, y ambas indican lutitas o “shales” cuando están próximas del extremo superior de la pista (con el encabezado a la izquierda del observador). Este registro es muy útil para identificar zonas permeables debido a que los elemento radioactivos mencionados tienden a concentrarse en las lutitas o “shales” (impermeables), siendo muy poco frecuente encontrarlos en areniscas o carbonatos (permeables). El registro de GR puede aplicarse para: • Detectar capas permeables • Determinar la arcillosidad de las capas • Evaluar minerales radioactivos • Definir los minerales radioactivos • correlación con registros a pozo revestido • Correlación pozo a pozo

2. Origen de los rayos gamma La radioactividad natural de las formaciones proviene de los siguientes tres elementos presentes en las rocas: uranio (U), torio (Th) y potasio (K). El decaimiento de estos elemento genera la emisión continua de rayos gamma naturales, los que pueden penetrar varias pulgadas de roca y también pueden ser medidos utilizando un detector adecuado dentro del pozo, generalmente un “scintillation-detector”, con una longitud de 20 a 30 cm. Este detector genera un pulso eléctrico por cada rayo gamma observado. El parámetro registrado es el número de pulsos por segundo registrados por el detector.

3. Efectos ambientales La respuesta de la herramienta de diámetro 3+5/8” está generalmente calibrada en las condiciones de pozo de 8”, conteniendo lodo de densidad 1.2 gr/cc. La misma formación, con la misma radioactividad, en pozos de diámetro mayor y lodo mas denso (donde hay mayor absorción de rayos gamma en el lodo antes de que alcancen el detector), producirá una respuesta atenuada de la curva GR; por el contrario, en pozos de pequeño diámetro y lodo liviano, la herramienta producirá una respuesta aumentada en la curva de GR. Las compañías que prestan servicios de registros publican gráficas para estimar la corrección en función del diámetro del pozo, peso del lodo y posicionamiento de la herramienta (centralizada o descentralizada), como muestra la Figura 5-1.

Durante el desarrollo de este curso se explicará y se practicará la utilización de estas gráficas. Las correcciones son también necesarias cuando el lodo es cargado con cloruro de potasio (situación poco frecuente) para evitar la erosión y colapso de las lutitas o “shales”. Siendo el potasio radioactivo, la radioactividad del lodo generará un piso de radioactividad o “background” sobre el cual estará superpuesta la radioactividad natural de la formación.

3. 1. Variaciones estadísticas Las variaciones estadísticas son una característica inherente a todos los registros nucleares, los cuales nunca repiten exactamente (pasando dos veces por el mismo intervalo) debido a pequeñas variaciones u oscilaciones alrededor del verdadero valor de respuesta del registro. Estas oscilaciones son variaciones aleatorias y no representan la respuesta de la formación. Al leer un registro nuclear, debe efectuarse un promedio visual sobre 1 a 1.5 m. La única excepción a esta regla es el caso de una capa de menos de 1 m de espesor, donde se debe leer el valor del pico. El origen de las variaciones estadísticas está en la naturaleza aleatoria del proceso de degradación nuclear. Los pulsos generados en el detector de rayos gamma aparecen como una secuencia aleatoria, aunque la diferencia porcentual entre el número de pulsos contados en dos intervalos de tiempo iguales será pequeña si los intervalos de tiempo son suficientemente grandes. Por esta razón, generalmente se promedian las lecturas de rayos gamma en un intervalo de tiempo de 2 seg (correspondiente a un intervalo de 1 pie de pozo cuando la velocidad del registro es de 1,800 ft/hr ó 9m/min). Esta combinación permite una buena definición de una capa de 1.3 m de espesor sin necesidad de disminuir demasiado la velocidad del registro. Si de duplica la velocidad, la definición de capas no se altera, pero las variaciones estadísticas aumentan en un factor de 2½ = 1.414.

4. Herramientas de registro Existen dos tipos de herramientas de rayos gamma: la tradicional, que mide la radioactividad natural total de la formación, y la de espectrometría de rayos gamma naturales. Ambas pueden registrar también una curva de localización de coples o CCL (“Casing-Collar-Locator”), que permite la correlación entre registros de agujero descubierto y de pozo revestido para el posicionamiento de las pistolas de perforación frente a las zonas de interés. La herramienta de espectrometría de rayos gamma naturales aprovecha que los rayos gamma emitidos por los tres elementos radioactivos (uranio, torio y potasio) tienen diferentes energías, para distinguir cuál de los elementos origina la radioactividad medida.

4. 1. Registro de espectrometría de rayos gamma naturales Este registro tiene un detector que permite analizar las energías de los rayos gamma detectados, discriminando el contenido de uranio, torio y potasio en la formación. Los valores medidos de uranio y torio se presentan en ppm (partes por millón) y el valor del potasio se presenta en porcentaje de peso (1% equivale a 10,000 ppm). El registro, cuando se presenta separado de los otros, generalmente tiene una curva de GR total (curva SGR) en la pista 1, en escala de 0 a 100 ó de 0 a 150 API. En las pistas 2 y 3 se presentan las concentraciones de torio, uranio y potasio (curvas THOR, URAN y POTA).

Figura 5-1

Una presentación especialmente adecuada para ayudar en la interpretación muestra en la pista 1, en la misma escala de SGR, la curva CGR (SGR sin URAN), que facilita el cálculo de arcillosidad sin considerar el contenido de uranio (frecuentemente las lutitas o “shales” no contienen uranio). En la pista 2, en escala logarítmica, con escala de 0.2 a 20, se presentan las relaciones entre torio y potasio o TPRA (“Thorium-to-Potassium-Ratio”) y entre torio y uranio o TURA (“Thorium-to-Uranium-Ratio”). En la pista 3 se presentan las tres concentraciones (torio, uranio y potasio) con el torio y potasio aumentando en direcciones opuestas, compartiendo el valor cero, para facilitar la visualización de la arcillosidad, utilizando el denominado efecto “Mae-West”.

5. Interpretación Debido a que los elementos radioactivos están generalmente concentrados en los minerales arcillosos, el registro de GR es muy utilizado en la determinación de la arcillosidad vsh (fracción lutita del volumen total de la roca) en las formaciones permeables. Básicamente se efectúa una interpolación lineal entre las lecturas de GR en formaciones limpias y lutitas o “shales” (como se trata de una aproximación, se aconseja la utilización simultánea de otros indicadores):

vGR GRGR GRsh

ma

sh maGR

≈−−

log (5-1)

donde: vsh es la arcillosidad (volumen de lutita) en la formación GRlog es la lectura del registro de GR en la zona de interés, en unidades API GRma es la lectura del registro de GR en zonas limpias, en unidades API GRsh es la lectura del registro de GR en lutitas o “shales”, en unidades API

Es importante destacar que vsh tiene valores entre 0 y 1, y así se lo debe utilizar en los cálculos. En la práctica se lo multiplica por 100 para expresar la arcillosidad en porcentaje. Por ejemplo: vsh = 0.20 = 20%. Si el registro de GR es de espectrometría de rayos gamma naturales, puede utilizarse la curva de CGR en lugar de GR para la determinación de arcillosidad sin considerar la contribución del uranio. El registro de GR es particularmente útil en la identificación de capas permeables en casos como los de SP arredondada (capas de muy alta resistividad), SP sin carácter (resistividades similares del filtrado y del agua de formación), o cuando no puede registrarse la curva de SP (lodos a base de aceite). El registro de CGR también es útil en la detección y evaluación de minerales radioactivos, como potasio o uranio; también puede ser utilizado en la definición de depósitos de minerales no radioactivos, como carbón. Este registro es utilizado con mucha frecuencia para correlación de registros de agujero descubierto con los de pozo revestido. El registro simultáneo de la curva de GR y de CCL cuando se obtiene los registros a pozo revestido, permite el posicionamiento de las pistolas de perforación (posicionados en pozo revestido utilizando la referencia del CCL) frente a las capas de interés identificadas en agujero descubierto. Con este objetivo, es práctica común en pozo revestido combinar una herramienta de rayos gamma con el registro de control de cementación, alcanzándose el doble objetivo de verificar la calidad de la cementación de la TR (Tubería de Revestimiento) o “casing” y permitir la correlación los coples obtenidos en pozo revestido con los registros de agujero descubierto. La combinabilidad de la herramienta de GR con prácticamente todas las herramientas de agujero descubierto permite un excelente medio de correlación de profundidad entre registros, utilizando las curvas de GR obtenidas con cada registro.

La correlación pozo a pozo es frecuentemente facilitada utilizando el registro de GR, cuando existen marcadores o "markers” radioactivos a nivel regional.

6. Determinación del espesor de capa Para definir el espesor de capa puede obtenerse una buena aproximación utilizando el espesor definido por los puntos de inflexión (cambio en la curvatura de la curva) en la transición entre los valores altos (lutitas) y bajos (capa permeable) de la curva de GR.

7. Ecuación de respuesta Considerando que la lectura de la herramienta proviene de la radioactividad de cada uno de los elementos presentes en la formación, puede escribirse la ecuación de respuesta del registro de rayos gamma para una formación, como la suma de las radioactividades de cada elemento considerado, ponderada por sus respectivos volúmenes. En el caso de una formación permeable y arcillosa, con fluidos no radioactivos en la porosidad, la ecuación de respuesta de GR es:

GR v GR v GRma ma sh shlog = ⋅ + ⋅ (5-2) donde:

GRlog es la lectura del registro de GR en la zona de interés, en unidades API vma es volumen de matriz (formación limpia) en la formación GRma es la lectura del registro de GR en zonas limpias, en unidades API vsh es la arcillosidad (volumen de lutita) en la formación GRsh es la lectura del registro de GR en lutitas o “shales”, en unidades API

En esta ecuación, la suma de la porosidad, volumen de la matriz y volumen de lutita, constituyen el total de la roca; por lo tanto se debe cumplir que:

1 = + +φ v vma sh (5-3) En el caso del registro de espectrometría de rayos gamma naturales, pueden escribirse tres ecuaciones similares a la ecuación 5-2: una para el torio, otra para el potasio y, finalmente, otra para el uranio. En caso de existir fluidos radioactivos, deberá agregarse su contribución en la ecuación 5-2:

( )GR S GR S GR v GR v GRxo w xo hy ma ma sh shlog = ⋅ ⋅ + ⋅ − ⋅ + ⋅ + ⋅φ φ 1 (5-4) donde los parámetros tienen el mismo significado indicado en la ecuación 5-2, con las siguientes adiciones:

φ·Sxo es el volumen de agua radioactiva en la zona lavada; GRw es la lectura del registro de GR sumergido en 100% agua radioactiva, en unidades API; φ·(1-Sxo) es el volumen de hidrocarburos radioactivos en la zona lavada; GRhy es la lectura del registro de GR sumergido en 100% hidrocarburos radioactivos, en API. donde: φ·Sxo + φ·(1-Sxo) es igual a la porosidad φ.

En esta ecuación, la suma de la porosidad, volumen de la matriz y volumen de lutita, constituyen el total de la roca; por lo tanto se debe cumplir que:

1 = + +φ v vma sh (5-5)