UNAMFACULTAD DE INGENIERÍA

GEOLOGÍA DEL SUBSUELO

Bernardo Martell Andrade

Uriel Fidel Sevilla Covarrubias

CONTENIDO

Introducción: el sistema petrolero

Roca generadora

Roca almacenadora

Roca sello

Migración

Trampa petrolera

Sincronía

Ejemplo de sistema petrolero: La sonda de Campeche, campo Akal.

Introducción: el sistema petrolero

Desde que se inicio la explotación de petróleo, más del97 % de los yacimientos a nivel mundial se hanexplotado en rocas sedimentarias.

Esto no implica que no existan yacimientos en rocasígneas o metamórficas, que tienen una porosidadcercana a 0 % , y su producción se da principalmenteen porosidad de tipo secundaria, esto en fracturasinterconectadas, pero son los menos.

El sistema petrolero es un sistema natural que incluyetodos los elementos y procesos geológicos necesariospara que un yacimiento de aceite y/o gas exista en lanaturaleza.

“Los elementos clave que definen la existencia de unsistema petrolero son las rocas generadoras,almacenadora, sello, trampa, la migración y elsepultamiento necesario para la generación térmica delos hidrocarburos. Elementos que deben compartir lasapropiadas relaciones espacio-temporales (sincronía)para permitir que los hidrocarburos se acumulen y se

preserven”.

(Guzmán, Holguín, 2001).

ROCA GENERADORA

Es todo aquel cuerpo de roca que permita laconservación temporal y posterior transformación dela materia orgánica en hidrocarburos.

La roca generadora debe ser enterrada a unaprofundidad suficiente (más de 1000 m) para que lamateria orgánica contenida pueda madurar hastaconvertirse en aceite y/o gas, además de que seencuentre en una cuenca sedimentaria que sufraprocesos de subsidencia.

CARACTERÍSTICAS DE LA ROCA GENERADORA

Las rocas generadoras deben cumplir con tres

requerimientos geoquímicos: Cantidad, Calidad yMadurez.

La roca generadora es una roca que debe tener unporcentaje mayor a 1% de carbono orgánico total(COT), que se forma de la parte blanda de losorganismos.

Debe tener un volumen importante

Es una roca de grano fino:

Lutitas Calizas

Lutitas calcáreas Limolitas

Calizas arcillosas

Diagénesis

La diagénesis es el proceso mediante el cual losbiopolimeros ( compuestos orgánicos constituyentesde los seres vivos, tales como carbohidratos, proteínas,etc.) son sometidos a un ataque básicamentemicrobiano que se realiza a poca profundidadproduciendo básicamente gas metano.

P= 0 y 300 bar

T= 0 y 50 °C

Materia orgánica

Es material compuesto pormoléculas orgánicas(carbón, hidrógeno, oxígeno,nitrógeno),que sonderivados directa oindirectamente de la parteblanda de los organismos.

Las conchas, huesos ydientes no se incluyen porser partes esqueléticas.

Evolución de la materia orgánica

Ambiente marino

Bentónicos

Pelágicos

Planctónicos Z-F

Nectonicos P

Nerítica, Batial, Abisal ,

Adal

vágiles

sesiles

Fósil índice

Composición química de los organismos

La composición de los organismos comprendeprincipalmente carbohidratos, proteínas, lípidosy ligninas. Todos ellos contienen carbono (C),hidrógeno(H), oxígeno (O) y nitrógeno (N).

Carbohidratos

Son compuestos que se encuentran en la materiavegetal y animal, consisten generalmente deglucosa, almidón y celulosa. En la naturaleza loscarbohidratos actúan como almacén de energía,son el material que capta la energía del sol ypermite que la utilicen los seres vivos.

Los carbohidratos están esencialmentecompuestos de C, H y O .

Sus productos de descomposición son humus yácidos húmicos.

Proteínas

Son sustancias hidrogenadas o polímeros deaminoácidos que constituyen en la mayoría de loscasos el 50% en peso de los organismos; se conviertenen compuestos hidrosolubles por descomposición.Tienen moléculas muy complejas, en cuyacomposición elemental se encuentran siemprepresentes carbono, hidrógeno, oxígeno, y nitrógeno.La mayoría de ellas también incluyen en sucomposición al azufre, y en algunas se observa ademásla presencia de fósforo, hierro, zinc y molibdeno.

Lípidos

Reciben el nombre de lípidos (grasas) aquéllassustancias de origen biológico insolubles en agua,constituidas de ácidos grasos y glicerol; sonimportantes componentes estructurales de lasmembranas celulares.

Con una composición en la que predominan el C y el H .

Los ácidos grasos que tienen más de seis carbonos en su molécula, son prácticamente insolubles en agua.

Lignina

Sustancia que impregnalas células, fibras y vasosde lamadera,haciéndolosimpermeables einextensibles;

se encuentran solamenteen plantas vascularesterrestres; es el precursorde los carbones húmicos.

MÉTODOS ÓPTICOSINDICE DE ALTERACIÓN TÉRMICA (TAI) SEGUN EL COLOR DE LA MATERIA ORGANICA SE PUEDE

DETERMINAR LA MADUREZ DE LA MISMA

MADUREZ:

INMADUREZ

MADUREZ.

FASE PRINCIPAL DE

GENERACION DE ACEITE

SOBREMADUREZ.

FASE PRINCIPAL DE

GENERACION DE GAS

Composición de la materia viva

Kerógeno

Es la fracción de la materia orgánica en las rocas sedimentariasque es insoluble en ácidos, bases y en solventes orgánicos, ya queestá compuesto básicamente de grasas y ceras.

LA clasificación del kerógeno puede hacerse en base al tipo de materiaorgánica que lo conforma, teniendo así:

KERÓGENO SAPROPÉLICO. El término sapropélico se refiere alproducto obtenido de la descomposición y la polimerización dela materia algácea y herbácea principalmente, depositada encondiciones acuáticas con bajo contenido de oxígenoatmosférico.

KEROGÉNO HÚMICO. La palabra húmico se aplica al productoobtenido de la descomposición de plantas terrestres superiores,depositadas en medios terrígenos con abundante oxígenoatmosférico.

TIPOS DE KERÓGENO KERÓGENO TIPO I

Presenta poco oxigeno, mucho carbono y es derivadoprincipalmente de productos algáceos. Es generadopor fitoplancton.

Genera aceite.

KERÓGENO TIPO II

Se encuentra relacionado con materia orgánicaautóctona de origen marino junto con materiaorgánica de origen continental, que fue transportada ydepositada mediante ríos. Es una mezcla defitoplancton, zooplancton y restos de plantas yanimales de origen continental.

PRODUCE ACEITE Y GAS.

KERÓGENO TIPO III

Esta conformado principalmente por restos deorganismos continentales, por lo que produceprincipalmente gas o carbón . También puede estarconstituido por materia orgánica de origen marino,pero sometida a una fuerte oxidación.

KERÓGENO TIPO IV

Se refiere a materia orgánica rica en inertinita, por lo que no produce aceite o gas.

Este tipo de kerógeno no es importante en la generación de hidrocarburos.

Ambientes sedimentarios

Los Ambientes Sedimentarios pueden ser divididos en: Continentales, Transicionales y

Marinos, donde se depositan diferentes tipos de sedimentos con ciertas características

propias del entorno y sus condiciones. Para distinguir un ambiente hay que describir a

detalle sus Facies Petrológicas, Litofacies, Biofacies, Palinofacies etc.

CatagénesisUna vez que se tienen los sedimentos consolidados, seentierran profundamente (profundidades mayores a 1,000 m normalmente) debido al depósito de nuevossedimentos. Estas condiciones generan un aumentode temperatura y presión por lo que el kerógeno setransforma en hidrocarburos.

El kerógeno sufre transformación térmica y genera elpetróleo (geomonómero), gas húmedo y condensado.Posteriormente, y debido a condiciones más drásticasde temperatura y profundidad, se produce lageneración de gas seco o metano catagénico.

Con relación a la temperatura, se produce gas y aceite en los siguientes intervalos:

Presión 300 a 1500

Gas: de ±50 a ±225 °C

Aceite: de ±60 a ±175 °C

Metagénesis

La metagénesis está considerada también como elinicio del metamorfismo. Ésta se desarrolla atemperaturas mayores a los 225 °C, y es la últimaetapa dentro de la transformación de la materiaorgánica, considerada importante para lageneración de gas. La generación de metano acabaa los 315 °C, con profundidades cercanas a los 8Km, es decir, presiones litostáticas mayores a 1500bares.

No generan yacimientos que tengan rendimientoeconómico.

ETAPAS DE LA FORMACIÓN DE LOS HIDROCARBUROS

ROCA ALMACENADORA Son todas aquellas rocas que debido a sus propiedades

de porosidad y permeabilidad, permiten el flujo yalmacenamiento de hidrocarburos, en conjunto conotro tipo de rocas denominada roca sello.

Las rocas almacenadoras deben cumplir con lassiguientes características:

• Ser porosas

• Ser permeables

• Tener continuidad lateral y vertical

Porosidad La porosidad se mide en porcentaje de espacios o

huecos que hay dentro de la roca. Se tienen 2 casos:

TIPOS DE POROSIDAD

POROSIDAD EN ROCAS ALMACENADORAS

Permeabilidad Es la propiedad que tiene una roca para permitir o no

el paso de fluidos a través de ella, debido a los poros interconectados.

Una roca tiene permeabilidad adecuada para permitir el paso de los hidrocarburos, cuando:

* Tiene porosidad

* Tiene poros interconectados

* Los poros son de tamaño supercapilar.

POROSIDAD INTERCONECTADA

Relación entre la porosidad y la permeabilidad.

Roca sello Son rocas sello aquellas que por su escasa

permeabilidad o por contener poros de tamañosubcapilar, no permiten el paso del petróleo,sirviendo como cierre a su migración odesplazamiento.

El espesor de la roca sello es muy variable, puede serde espesor muy reducido, si tiene excelente calidado de espesor mediano o grueso, si es de calidadmediana o mala. El grado de tectónismo quepresenta puede modificar su calidad, de tal formaque en regiones muy tectónizadas se requiere unespesor de roca sello mayor.

En una trampa anticlinal buzante simple, la rocasello no presenta variación lateral significativa ensus características físicas, por lo tanto, requiereúnicamente de un sello superior; en cambio, lasestructuras afalladas necesitan además un selloadyacente al plano de falla que generalmente esmaterial arcilloso llamado milonita omicrobrecha.

En el caso de las trampas por variación depermeabilidad, la geometría del sello es muyvariable, sin embargo, en la mayoría de los casosrodean y cubren a la roca almacenadora.

PRINCIPALES ROCAS SELLO

5Calcáreo-arcillosas

4Pelíticas

3Evaporitas

6Calizas

1 Hidratos de metano

2 Microbrechas o milonita

lutitas

Marga (calcita y arcilla)Calizas arcillosas

lutitas

Sal

Yeso

Anhidritas (sulfato de calcio+agua =yeso)

Mudstone (sin fracturas

Wackestone

Hidratos de metano Consisten en pequeñas

estructuras de hielo en

forma de jaula que

contienen moléculas de

metano (gas natural) en

su interior. Un grupo de

hidratos de gas se

parece mucho a una

bola de nieve, ¡pero es

inflamable! Lo puedes

encender y observar

como arde con una

llama azul clara

Hidratos de metano Son moléculas de metano en estructuras contenidas

con moléculas de agua es estado sólido(hielo).

Se encuentran en vetillas, capas, nódulos,

cementante y diseminado.

1 m³ de hidrato de metano contiene 164 m³ de gas

metano con solo 0.84 m³ de agua.

En Rusia y medio oriente se encuentran las mayores

reservas.

En México se tienen 19,000 km² con Hidratos de

metano.

Los hidratos de metano son los más eficientessellos.

Los hidratos de metano representan problemas

medioambientales, debido a que si el metano llegaintacto a la atmósfera provoca un efecto invernaderodiez veces superior al del dióxido de carbono y essusceptible de contribuir al recalentamiento del climaterrestre, por ello se deberá plantear un mecanismo decontrol tanto para su exploración como para suexplotación.

Migración Es el movimiento de aceite y/o gas a través de los poros

y/o discontinuidades de las rocas (porosidad primariay secundaria) en el interior de la corteza terrestre.

Conmigración: son todos los desplazamientos dehidrocarburos que conducen más o menos rápida ydirectamente a la formación de un yacimiento poracumulación y segregación en una trampa.

Dismigración: son los desplazamientos dehidrocarburos a la superficie terrestre. Debido a estetipo de migración es que existen las manifestacionessuperficiales.

Migración primaria:

Comprende el movimiento de los hidrocarburos apartir de su desprendimiento del kerógeno, asícomo su transporte dentro y a través de loscapilares y poros estrechos de las rocas de granofino.

Migración secundaria:

Es el movimiento del petróleo, después de suexpulsión de la roca generadora a través de porosmás amplios de las rocas portadoras yalmacenadoras, mas permeables y porosas.

MIGRACIÓN PRIMARIA Y SECUNDARIA

Fuerzas que causan la migración

Fuerzas debidas a la acción de la gravedad. estas

fuerzas incluyen la presión ejercida por las

capas de rocas, fenómenos relativos, la presión

del agua y el peso específico diferencial.

Fuerzas moleculares: la adhesión, la absorción y la

tensión superficial son tres posibles causas de la

migración del petróleo debido a fenómenos

moleculares. El efecto de las fuerzas moleculares es

el de segregar el petróleo y el agua en cuerpos

donde pueda actuar el peso específico diferencial.

Fuerzas debidas a la acción química: la

cementación gradual o sea el relleno de los

intersticios entre los granos de las rocas, desplazan

a los hidrocarburos.

Fuerzas debidas a movimientos tectónicos y a la

profundidad de sepultamiento: estas fuerzas

comprenden la formación de pliegues y fallas, los

terremotos, el gradiente de temperatura.

Fuerzas debidas a la acción bacterial: una de las

más importantes funciones de las bacterias es la de

liberar el petróleo de los sedimentos. Se efectúa por

la disolución de las calizas, las dolomías y de otras

rocas calcáreas por el ataque de ácido carbónico y

otros ácidos orgánicos producidos por las bacterias.

FACTORES QUE GOBIERNAN LAMIGRACIÓN DEL PETRÓLEO 1.-Porosidad efectiva de las rocas.

2.-Grado de saturación de las rocas.

3.-Peso específico, viscosidad y cantidad de gas.

4.-La migración es favorecida por fuertespendientes en los estratos, por las discordanciasangulares y por el fracturamiento.

5.-La composición y cantidad de las aguasasociadas con el petróleo afectan su migración.

6.-Tamaño de la garganta del poro.

Trampas petroleras

Es toda aquella estructura geológica que permite que elaceite y/o gas se acumule y conserve de manera naturaldurante un cierto periodo de tiempo.

Es decir, son receptáculos cerrados que existen en lacorteza terrestre y que cuentan con rocasalmacenadoras y rocas sello en posición tal quepermiten se acumulen los hidrocarburos. Las trampaspetroleras tienen una determinada forma, tamaño,geometría, cierre y área de drenaje.

CIERRE: es la longitudvertical máxima en laque lo hidrocarburospueden acumularse enla trampa.

AREA DE DRENAJE: es lamáxima abertura (área)de la trampa, echadoabajo, se mide en laparte inferior de latrampa

Clasificación de las trampas petroleras

TRAMPA ESTRUCTURAL

TRAMPA ESTRUCTURAL

Trampa estructural por falla normal

Trampa por variación de permeabilidad

Trampa por falla inversa

Existen estructuras generadas por fallamientos a consecuencias del desplazamiento de rocas evaporiticas (principalmente domos salinos).

SINCRONÍA Es la relación precisa en espacio y tiempo de todos los

elementos que conforman el sistema petrolero, para que este pueda existir.

Sincronía en la Sonda de Campeche.

Carta de eventos

El sistema petrolero se puede representar utilizando:

Una tabla de datos.

Una gráfica de historia de sepultamiento con la descripción del momento crítico, la edad y los elementos esenciales de una localidad.

Un mapa geológico-geográfico de localización.

Una sección geológica elaborada para el momento crítico que describa las relaciones espaciales de los elementos esenciales.

Una carta de eventos del sistema petrolero con las relaciones en tiempo de los elementos esenciales y de los procesos, así como el tiempo de preservación y el momento crítico.

Tabla de datos:

Enlista todos los campos de aceite y gas relacionados a un mismo sistema petrolero.

Sistema Petrolero arbitrario Deer-Boar (.)

Gráfica de historia de sepultamiento

Mapa geológico-geográfico de localización

- AAPG Memoir 60, Magoon and Dow

Sección geológica al momento crítico

La extensión estratigráfica del Sistema Petrolero incluye a las rocas

generadoras, acumuladoras, sellos y de sobrecarga, al momento crítico.

Carta de eventos:

Tiempo del depósito.

Tiempo de los procesos

Ele

me

nto

s

Esen

cia

les

Caso A.- Solo un Sistema

Petrolero porque solo

hay un volumen de RG

activa para la generación

de HC’s.

Caso C.- Hay un Sistema

Petrolero porque solo

hay un volumen de roca

generadora activa.

Caso B.- Hay dos

Sistemas Petroleros

porque hay dos Cuerpos

de rocas generadoras

activas (aunque sea la

misma RG)

Principales provincias petroleras del mundo

1 Arabia Saudita

2 Rusia

3 Estados Unidos

4 Irán

5 China

6 México

7 Noruega

8 Venezuela

9 Reino Unido

10 Irak

11 Canadá

12 Nigeria

13 Kuwait

14 Emiratos Árabes

15 Libia

Cuencas petroleras de México

SONDA DE CAMPECHE

UBICACIÓN

hLa sonda de Campeche esta emplazada en laplataforma continental, en aguas territoriales delGolfo de México, frente a los estados de Tabasco yCampeche .

De acuerdo con PEMEX pertenece a la provincia Geológico-marina de Coatzacoalcos.

SISTEMA PETRÓLERO ROCA GENERADORA

Dado su alto contenido de materia orgánica, laprincipal roca generadora de los hidrocarburos,corresponde al Jurásico Superior Tithoniano. Tambiénse ha planteado la existencia de otras rocas conpotencial generador en los niveles del JurásicoOxfordiano y Kimmeridgiano, así como también elCretácico y Terciario. Sin embargo, la contribución deéstos parecería marginal comparado con el aceitegenerado por el Jurásico Superior Tithoniano

MODELO SEDIMENTARIO JURÁSICO SUPERIOR OXFORDIANO

COLUMNA LITOLÓGICA

Tipo de Kerógeno La calidad del la materia orgánica es una respuesta

directa del tipo o tipos de kerógenos precursores de loshidrocarburos, se reporta predominantemente materiaorgánica algácea y amorfa (kerógenos Tipo I) yherbácea (kerógenos de tipo II).

ROCA ALMACENADORA En la Región de la Sonda de Campeche se consideran

cinco secuencias potencialmente almacenadoras, lasmás antiguas corresponden con las areniscas delJurásico Superior Oxfordiano, continuando con losbancos oolíticos del Jurásico Superior Kimmeridgiano,la Brecha Calcárea del Cretácico Superior-Paleoceno,los carbonatos fracturados del Cretácico Inferior, y enlas rocas Cenozoicas se tienen cuerpos arenosos y unhorizonte de calcarenitas del Eoceno.

ROCA SELLO El sello a nivel Oxfordiano esta representado por una

secuencia de anhidritas con intercalaciones de lutitas ylimonitas que se depositaron en ambientes de sabkha amarino.

La siguiente roca sello de interés corresponde con unasecuencia del Jurásico Superior Kimmeridgiano yThitoniano cuyo espesor varía 10 a 313 m. Las rocas delTithoniano funcionan como un relleno que nivela lasdepresiones dejadas por la paleogeografía existente duranteel depósito de los sedimentos del Kimmeridgiano; constabásicamente de lutitas, las cuales pese a su alta porosidadmuestran una escasa permeabilidad.

MIGRACIÓN

En la Sonda de Campeche se ha reconocido la existencia demigración en diferentes niveles estratigráficos, la cualpermitió el movimiento de gas y aceite hacia losyacimientos del Jurásico, Cretácico y Cenozoico; esta sellevo a cabo a través de unidades porosas y permeables,pero sobre todo a través de los sistemas de fallas producidascomo resultado del evento Chiapaneco. En general seconsidera que la mayor parte de la migración de loshidrocarburos se llevo a cabo en forma vertical a través dezonas de debilidad en las proximidades de las fallas yfracturas o por el contacto entre la roca generadora con losintervalos almacenadores más permeables y con menorespresiones.

Migración

TRAMPA Todos los Yacimientos hasta ahora conocidos que se encuentran

en trampas en secuencias sedimentarias del Mesozoico en laSonda de Campeche, corresponden con trampas combinadas.

Por su origen, se pueden considerar como trampasestratigráficas, tanto las de la franja oolítica del Kimmeridgiano,como las de la barra arenosa del Oxfordiano, así como lasbrechas productoras del Cretácico Superior y del Paleoceno; sinembargo, los procesos tectónicos posteriores originarondeformación, transformando estos reservorios en anticlinalesdesplazados por fallas. En el Cenozoico Tardío, posterior a estadeformación se formaron trampas estratigráficas principalmenteaunque también podemos encontrar trampas combinadas comoresultado de intrusiones salinas o arcillosas.

SINCRONÍA

CAMPOS DE LA SONDA DE CAMPECHE

CAMPO AKAL

Pertenece al Complejo Cantarell. La estructura de Akalse presenta como un anticlinal asimétrico fallado,orientado en dirección noroeste a sureste conbuzamiento suave hacia el sur, y pronunciado al nortey noreste.

Está limitado al oeste por una falla normal, y al norte ynoreste por una falla inversa.

Las trampas del campo Akal son principalmente detipo estructural, con cierre por fallamiento inverso enla porción noroeste, y normal en la porción oeste.

Sección sísmica del campo Akal

Sección geológica del campo Akal