Estudios y Servicios Petroleros S.R.L. - OilProduction.net
Estudios y Servicios Petroleros S.R.L. - OilProduction.net
Estudios y Servicios Petroleros S.R.L. - OilProduction.net
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Estudios</strong> y <strong>Servicios</strong> <strong>Petroleros</strong> S.R.L.<br />
NOTA TECNICA Nº 19<br />
Hoja 1 de 8<br />
EL ORIGEN DE LAS AGUAS DE FORMACION<br />
Esta nota trata sobre el origen de las aguas de formación (ver definiciones en<br />
anexo), un aspecto poco difundido en la industria petrolera que ha sido estudiado desde<br />
la geoquímica.<br />
Esta nota pertenece a los apuntes del curso sobre aguas que ofrece GPA.<br />
UN POCO DE HISTORIA<br />
Los productores tempranos de petróleo no prestaron mucha atención a las aguas<br />
salinas que lo acompañaban.<br />
En 1928, el primer laboratorio comercial de análisis de coronas, extrajo sales de<br />
un testigo lo que llevo a sospechar la existencia de agua indígena a la arena productora<br />
de petróleo.<br />
Fettke (1938), fue el primero en reportar la presencia de agua en una arenisca<br />
petrolífera, aunque penso que la misma había sido introducida por la perforación.<br />
En 1920, Munn reconoció que aguas migratorias subterráneas podían ser la<br />
principal causa de acumulación y transporte de petróleo y gas (teoría poco demostrable<br />
en la actualidad). La palabra connata fue utilizada por Lane y Gordon para significar<br />
agua intersticial depositada con los sedimentos.<br />
El reconocimiento y análisis de las aguas de formación – A.F. (subsurface<br />
oilfield waters) es estudiado por una rama de la geoquímica que es la del estudio de las<br />
aguas subterráneas y esta ligado a la química analítica, la geoquímica y la geología.<br />
INTRODUCCION<br />
El volumen total de agua en la hidrosfera es cercano a 1338 x 10 18 m 3 el cual:<br />
• El 0,6 % es agua subterránea y menos del 50 % de la misma esta alojada<br />
debajo de los 1000 mt. El 15 % de las aguas subterráneas esta presente en las<br />
rocas sedimentarias (1,3 x 10 18 l).<br />
• El 97,1 % es agua de mar.<br />
• El 2,3 % es agua dulce superficial.<br />
Las trampas de los hidrocarburos son las rocas sedimentarias que constituyen el<br />
5 % de la litosfera distribuida:
<strong>Estudios</strong> y <strong>Servicios</strong> <strong>Petroleros</strong> S.R.L.<br />
NT / Nº19<br />
Hoja 2 de 8<br />
• 70 – 80 % como lutitas.<br />
• 8 – 10 % como areniscas.<br />
• 5 – 14 % como calcitas.<br />
Las AF pueden ser:<br />
• Aguas que quedaron entrampadas durante la sedimentación.<br />
• Aguas meteóricas infiltradas.<br />
• Una combinación de ambas.<br />
Dicho de otra forma, un agua singenética puede ser expulsada durante la<br />
compactación de los sedimentos y luego mezclarse con aguas meteóricas.<br />
Aunque las AF difieren mucho en su composición de las aguas de mar actuales*<br />
se presume que las roca reservorio se han depositado en las aguas de mares antiguos<br />
(Levorsen, Chave). Existen pocas evidencias de la composición de aguas de mar del<br />
pasado geológico, además, aunque se acepta que las AF son remanentes del agua de<br />
mar, son tantos los mecanismos de alteración posible que es difícil asociar unas con<br />
otras.<br />
El AF entrampada en la sedimentación también experimenta modificaciones<br />
post – deposicionales debido a la diagénesis de aguas y rocas.<br />
*Es difícil encontrarse una prueba definitiva pero testimonios circunstanciales y<br />
los escasos datos sugieren que la composición del agua de mar ha permanecido<br />
apreciablemente constante durante los últimos 10 8 – 10 9 años.<br />
ROL DEL AGUA EN LA METEORIZACION<br />
La meteorización es el factor mas importante en la transformación de las rocas<br />
sedimentarias y el rol del agua es esencial en particular en los procesos químicos y<br />
bacteriológicos y en menor medida en los físicos.<br />
Las tres funciones más importantes del agua en la diagénesis son:<br />
• Disolvente.<br />
• Transportador.<br />
• Catalizador.<br />
Las notables propiedades disolventes del agua se deben a la marcada naturaleza<br />
polar del agua. La fuerza de atracción entre el dipolo y los iones en una superficie de<br />
cristal es la responsable de la destrucción de los cristales en solución, el proceso se<br />
llama hidrólisis. Dicho de otra forma la hidrólisis significa una reacción química donde<br />
los iones en las moléculas del agua se rompen y se forman nuevas uniones.
<strong>Estudios</strong> y <strong>Servicios</strong> <strong>Petroleros</strong> S.R.L.<br />
NT / Nº19<br />
Hoja 3 de 8<br />
El agua es muy eficiente transportador de iones en la solución. Los iones<br />
transportables en solución son los que presentan potenciales iónicos menores a 3<br />
(cationes) y mayores a 12 (aniones).<br />
NOTA: El potencial iónico expresa el grado de hidratación de los iones y es<br />
igual a Z/R donde Z es la carga eléctrica y R el radio iónico. La hidratación se aplica a<br />
una adsorción o asociación de moléculas de agua a otras moléculas, iones o superficies<br />
y no debe confundirse con hidrólisis.<br />
Cuando el potencial iónico se encuentra entre 3 y 12 los iones disueltos son<br />
inestables y precipitan como hidróxidos quedando inmovilizados. Por ejemplo:<br />
• Tienen Z/R menor a 3: sodio, manganeso, litio y bario.<br />
• Tienen Z/R entre 3 y 12: magnesio, aluminio y silicio.<br />
• Tienen Z/R mayor a 12: carbono, fósforo y azufre.<br />
Decimos que el agua es un buen catalizador porque puede acelerar reacciones<br />
químicas sin modificarse, reduce las barreras de energía de activación.<br />
METEORIZACION QUIMICA<br />
Es posible distinguir cuatro mecanismos de meteorización química, los cuatro<br />
pueden suceder sucesiva o simultáneamente.<br />
La disolución de minerales solubles:<br />
NaCl (s) + H 2 O<br />
(Halita)<br />
ac = acuoso<br />
s = sólido<br />
Na+ (ac) + Cl− (ac)<br />
La oxidación por presencia de oxigeno libre se acelera con la temperatura:<br />
Silicato ferroso (s) + 2,5 O 2 + 5 H 2 O<br />
2 Hidróxido + Ácido<br />
Férrico Silícico<br />
La hidrólisis es semejante a la disolución excepto en que el agua reacciona<br />
químicamente.<br />
Silicato de magnesio (s) + 4 H 2 O<br />
2 Mg (HO) 2 (ac) + Acido Silicico (ac)<br />
Mg (OH) 2 (ac)<br />
2 Mg (ac) + 4 (OH - ) (ac)<br />
Obsérvese que la reacción hacia la izquierda solo predomina hasta que las<br />
velocidades de la reacción directa e inversa se igualan y cesa. Si el agua de reacción es<br />
reemplazada por el agua “pura” la reacción continua.
<strong>Estudios</strong> y <strong>Servicios</strong> <strong>Petroleros</strong> S.R.L.<br />
NT / Nº19<br />
Hoja 4 de 8<br />
La dolomitización, la formación de fosfatos, de piritas y aun del petróleo son<br />
resultados de la diagénesis bacteriana que no trataremos aquí.<br />
AMBIENTE SEDIMENTARIO Y AGUAS ASOCIADAS<br />
Si no existiese la posibilidad de alteraciones diagenéticas y por el ingreso de<br />
aguas meteóricas, podría establecerse una correspondencia entre AF y los ambientes de<br />
deposición.<br />
A) Ambientes deposicionales de las rocas clasticas.<br />
Las AF de ambientes eólicos y fluviales usualmente contienen menos de 10.000<br />
mg/l de sólidos disueltos.<br />
Los depósitos marinos regresivos son sedimentos transportados desde el<br />
continente y decantados en el mar. La salinidad de estos medios varía entre 35.000 mq/l<br />
(de mar) y 20.000 mg/l (de estuario).<br />
Los depósitos batiales – abisiales están formados en zonas profundas marinas.<br />
Los ambientes lacustres son de agua dulce (menos de 1.000 mg/l) aunque en lagos<br />
salinos pueden llegar a 35.000 mg/l.<br />
B) Ambientes deposicionales de las rocas carbonaticas.<br />
La meteorización libera calcio que pasa a solución como bicarbonato. La<br />
solubilidad de los bicarbonatos depende del dioxido de carbono disuelto en el agua y la<br />
perdida del mismo por evaporación, calentamiento o disminución de presión conduce a<br />
la precipitación del carbonato de calcio.<br />
El carbonato precipitado puede ser puro o coprecipitar con arena, arcilla o<br />
materia orgánica. La salinidad de las AF en estos ambientes es del orden de los 36.000<br />
mg/l.<br />
C) Ambientes deposicionales de rocas de evaporación – depósitos salinos de<br />
evaporitas.<br />
La deposición de evaporitas ocurre cuando el agua de mar se evapora bajo<br />
condiciones ambientales restringidas. La deposición evaporítica puede detenerse por<br />
cambio del régimen climático o por tectonismo. Pueden también ingresar aguas foráneas<br />
a la cuenca de evaporación.<br />
Existen cinco ambientes (grados de salinidad) en los cuales el agua puede variar<br />
desde 35.000 mg/l (marino normal) hasta 500.000 mg/l (ambiente super salino).
<strong>Estudios</strong> y <strong>Servicios</strong> <strong>Petroleros</strong> S.R.L.<br />
NT / Nº19<br />
Hoja 5 de 8<br />
UNA PROPIEDAD IMPORTANTE DE LAS AF: Ph Y Eh.<br />
EL Ph es el potencial de hidrogeno y una medida del equilibrio de acidez –<br />
alcalinidad del agua. El Ph de un ambiente es un factor importante para determinar si<br />
ciertos minerales precipitaran o no desde el agua. La deposición de la Calcita (CaCO 3 )<br />
es típica de un Ph superior a 7,8. La Sílice se deposita solo en ambientes ácidos.<br />
El Eh o potencial redox de (oxidoreducción) es una medida de la intensidad<br />
relativa de las condiciones oxidantes o reductoras de un sistema acuoso.<br />
De una manera general, los sedimentos se depositan sea en condiciones<br />
oxidantes (aeróbicas) o reductoras (anaerobicas) con Eh positivo o negativo<br />
respectivamente.<br />
La deposición de Hematita (O 3 Fe 2 ) indica un ambiente muy oxidante, la de Pirita<br />
(FeS 2 ) muy reductor. La presencia de Siderita (FeCO 3 ) indica un ambiente intermedio.<br />
“Las aguas connatas han sido alteradas tanto en su composición que realmente<br />
representan actualmente al agua que estaba presente cuando se formo el ambiente.”<br />
ALTERACION PROFUNDA DE LA COMPOSICION DEL AF<br />
Varios procesos capaces de funcionar en subsuperficie pueden alterar la<br />
composición y/o concentración de las AF. Hemos dado ejemplos de modificaciones<br />
diagenéticas minerales y en este apartado nos referiremos a las modificaciones<br />
diagenéticas del agua singenética. Más adelante nos referiremos al ingreso de aguas<br />
meteóricas en subsuperficie.<br />
INTERCAMBIO IONICO<br />
Una propiedad característica de los minerales arcillosos es su capacidad de<br />
intercambio iónico, en particular catiónico (ver nuestra Nota Técnica Nº14). El proceso<br />
de intercambio es un modificador muy importante de la composición iónica de las AF.<br />
Las arcillas fijan cationes di y trivalentes liberando mono y divalentes al agua.<br />
El II es un proceso estequiométrico (equivalente – equivalente) y reversible.<br />
Aunque es predominante en arcillas la mayoría de los minerales de tamaño coloidal<br />
(menor a dos micrones) tienen cierta capacidad de intercambio como resultado de<br />
uniones rotas alrededor de sus estructuras (desbalance de cargas).
<strong>Estudios</strong> y <strong>Servicios</strong> <strong>Petroleros</strong> S.R.L.<br />
NT / Nº19<br />
Hoja 6 de 8<br />
MEMBRANAS SEMIPERMEABLES (MS)<br />
Particularmente útil para explicar la concentración de aguas salinas en acuíferos<br />
recargados por agua dulce las MS actúan como “tamices salinos”. Este proceso esta<br />
ligado a la movilidad iónica y lo esta también a arcillas o Lutitas.<br />
El agua que pasa a través de una MS es de menor concentración que la que<br />
permanece en la Lutita y el proceso puede sucederse indefinidamente en secuencia<br />
vertical.<br />
DILUCION DE AF SINGENETICAS CON AGUA DE REACCION<br />
El agua liberada de transiciones minerales puede diluir las AF. Por ejemplo<br />
puede liberarse agua en la transformación de Yeso a Anhidrita o de Smectita a Illita.<br />
EL INGRESO DE AGUAS METEORICAS (AM)<br />
Hemos visto algunas causas por las cuales las aguas singenéticas pueden llegar a<br />
modificarse. Las AM pueden infiltrarse en la formación en cualquier momento en la<br />
transformación del AF. El análisis geoquímico es poco confiable para detectar ingreso<br />
de AM debido, como vimos a las probables alteraciones de las especies disueltas.<br />
En circunstancias particulares, el agua original depositada durante la formación<br />
del ambiente, puede desaparecer y ser, por ejemplo, reemplazada por agua de origen<br />
meteórico.<br />
El estudio isotópico de las AF es particularmente útil para detectar intrusiones de<br />
aguas meteóricas o bien para otros estudios hidrogeológicos.<br />
“El proceso modificador de la química del agua singenética puede ser de dos<br />
tipos: A) Mezclado o reemplazo con aguas meteóricas.<br />
B) Reacciones con minerales y/o materia orgánica que ocluyen el agua.”<br />
“Aunque se presume que gran parte de las AF provienen de aguas de mares<br />
antiguos, el hecho que existan AF (connatas) con salinidades que van desde dulce hasta<br />
diez veces la de mar plantea muchas dudas acerca del origen de las AF fósiles.<br />
Las concentraciones mas bajas que las de agua de mar, aunque generalmente<br />
asociadas a dilución con aguas meteóricas, podrían deberse al origen no marino de los<br />
sedimentos asociados.”
<strong>Estudios</strong> y <strong>Servicios</strong> <strong>Petroleros</strong> S.R.L.<br />
NT / Nº19<br />
Hoja 7 de 8<br />
EVIDENCIAS SOBRE LA HISTORIA DE LA QUIMICA DEL AGUA DE MAR<br />
Seria incorrecto terminar esta nota sin ampliar la idea que supone que el origen<br />
de las AF muy salinas, han sido los mares antiguos.<br />
Veamos algunas cuestiones vinculadas a la evaporación del agua de mar. En<br />
1849 el químico italiano Usiglio evaporo una muestra de agua del mar Mediterráneo a<br />
sequedad, y recupero e identifico los productos de la evaporación, los resultados fueron:<br />
TABLA Nº1<br />
VOLUMEN REMANENTE<br />
(LITROS)<br />
DENSIDAD<br />
(Gr/Cm 3 )<br />
SALINIDAD<br />
(P/P mil)<br />
SAL<br />
PRECIPITADA<br />
1,00 1,03 37,5 -<br />
0,53 1,05 63,5 CaCO 3<br />
0,19 1,13 157,1 CaCO 3 – CaSO 4<br />
0,112 1,20 274,0 CaSO 4<br />
0,095 1,21 291,0 CaSO 4 NaCl MgSO 4<br />
Los experimentos de Usiglio demuestran que cuando se reduce el volumen<br />
original del agua de mar a más o menos la mitad precipita la Calcita. Cuando el<br />
volumen es 1/5 lo hace el yeso y al ser 1/10 la Halita. Todos los depósitos de sal (de<br />
evaporitas) están formados por la evaporación del agua de mar en un brazo semi aislado<br />
o totalmente aislado del mar en una región árida. También pueden formarse en cuencas<br />
continentales de acumulación de aguas singenéticas de sedimentos marinos (agua de<br />
mar fósil).<br />
Retomemos ahora el tema del titulo. Las aguas subsuperficiales de cuencas<br />
antiguas probablemente representen remanentes de agua de mar entrampados con los<br />
sedimentos en el momento de su deposición. Ciertas evidencias químicas sugieren que<br />
algo de estas aguas puede haberse movido a considerables distancias desde su<br />
deposición y el factor mas probable de desplazamiento pudo haber sido la<br />
compactación.<br />
Hemos visto que en los ambientes deposicionales de las Evaporitas las<br />
salinidades de las aguas singenéticas pueden variar desde 35.000 mg/l de sólidos<br />
disueltos y en la tabla Nº1 vemos que en ese punto ya precipitan carbonatos y<br />
carbonatos dolomitizados.<br />
A partir de allí podemos llegar a aguas madres de 250.000 a 350.000 mg/l en<br />
ambientes salinos y super salinos.<br />
Resulta entonces consistente suponer que la concentración del agua de mar de<br />
lugar a aguas singenéticas salinas, al menos en ambientes sedimentarios de Evaporitas.
<strong>Estudios</strong> y <strong>Servicios</strong> <strong>Petroleros</strong> S.R.L.<br />
NT / Nº19<br />
Hoja 8 de 8<br />
“La industria del petróleo y la geotermia, han traído a la luz la mayoría de los<br />
hechos vinculados con las aguas connatas en cuanto a su ocurrencia composición y<br />
concentración”.<br />
ANEXO A LA NOTA TECNICA Nº 19<br />
DEFINICIONES<br />
AGUA METEORICA: Agua que ha estado recientemente involucrada en la<br />
circulación atmosférica.<br />
AGUA INTERSTICIAL: Es la contenida en los sistemas porales, puede ser:<br />
A) Singenética: (Formada con) agua formada simultáneamente a la sedimentación. El<br />
agua Connata (nacida con) o fósil es el agua de origen singenético.<br />
B) Epigenética: agua originada por subsecuente infiltración en las rocas.<br />
C) Diagenética: agua que se ha alterado física, química, o bacteriológicamente antes,<br />
durante o después de la consolidación de los sedimentos.<br />
AGUA DE FORMACION: agua naturalmente presente en las rocas<br />
inmediatamente antes de la perforación.<br />
DIAGENESIS: Termino empleado por Von Gümbel (1888). En un sentido<br />
general se refiere a las reacciones que tienen lugar dentro del sedimento entre minerales<br />
o entre minerales y fluidos intersticiales.<br />
METEORIZACION: Alteración de las rocas por efecto del aire, agua o<br />
mecánico de desgaste.<br />
“En esta nota utilizamos indistintamente los términos diagénesis o meteorización.”<br />
G.P.A. <strong>Estudios</strong> y <strong>Servicios</strong> <strong>Petroleros</strong> S.R.L<br />
Remedios 2715 C1406HCC Ciudad Autónoma de Buenos Aires<br />
Teléfono: (011) 4392-0618 / Telefax: 4245-1962<br />
E-mail: gpasrl@ciudad.com.ar