Diseño y registro de la sísmica 2D y 3D

La sísmica de reflexión, tanto en 2D como en 3D, es un conjunto de técnicas avanzadas empleadas en geofísica para la exploración del subsuelo, permitiendo la obtención de imágenes detalladas de las estructuras geológicas subyacentes. Este método se fundamenta en la adquisición de ondas sísmicas, generadas por fuentes artificiales y registradas por detectores distribuidos en el terreno. La precisión y la calidad de los datos dependen en gran medida de una planificación meticulosa y un diseño adecuado de las geometrías de adquisición.

En artículos anteriores, se presentó una cronología detallada junto con una explicación teórica-matemática de los principios básicos del método de exploración sísmica. En este post, se procederá a explorar el diseño y registro de la adquisición sísmica de reflexión a lo largo del tiempo. Este análisis se desarrollará de manera estructurada, siguiendo el flujo de trabajo típico en la sísmica de reflexión. Cada semana, se profundizará en diferentes aspectos de este proceso, asegurando un entendimiento completo y ordenado del flujo de trabajo en la exploración sísmica.

Almacenamiento de datos sísmicos

En la exploración sísmica, los formatos de almacenamiento de datos juegan un papel crucial en la captura, procesamiento, y análisis de las ondas sísmicas registradas durante las investigaciones geofísicas. La precisión, eficiencia y compatibilidad de los datos dependen en gran medida del formato utilizado, lo que a su vez impacta directamente en la calidad de las imágenes sísmicas obtenidas y en la interpretación geológica subsiguiente.

Con el avance de la tecnología y el incremento en la cantidad de datos adquiridos, la industria ha visto la necesidad de desarrollar y adoptar diferentes formatos que permitan manejar eficazmente estos volúmenes de información. Estos formatos han evolucionado para satisfacer las demandas cambiantes de la exploración sísmica, desde los primeros formatos basados en cintas magnéticas hasta los modernos formatos digitales que facilitan el procesamiento masivo de datos.

Principales Formatos de Almacenamiento

Formatos de Cinta (1960s - 1980s)

• Descripción: Antes de la adopción generalizada de discos duros y almacenamiento digital avanzado, los datos sísmicos se almacenaban comúnmente en cintas magnéticas. Formatos como IBM 7-track y 9-track eran los más comunes.
• Estructura: Datos secuenciales almacenados en cinta magnética, con capacidades limitadas de acceso aleatorio.
• Usos: Utilizado en las primeras décadas de la sísmica digital para almacenamiento masivo de datos.

Figura 1. El manejo de los datos sísmico en cintas magnéticas era ineficiente y costoso.

SEG-B (1960s - 1980s)

• Descripción: SEG-B fue uno de los primeros formatos de almacenamiento para datos sísmicos digitales, utilizado extensamente antes de la introducción de SEG-Y. Estaba limitado en cuanto a la cantidad de datos que podía manejar, lo que llevó a su eventual reemplazo.
• Estructura: Los archivos SEG-B contenían datos de traza en un formato binario simple, con encabezados limitados que describían los parámetros básicos de la adquisición.
• Usos: Utilizado en estudios sísmicos tempranos, pero ahora obsoleto.

Formato Shell (SPS)

• Descripción: Shell Processing Support (SPS) es un conjunto de archivos formateados que se utilizan para intercambiar datos sísmicos terrestres en 2D y 3D. Antes de que el formato SEG-Y se convirtiera en estándar, compañías como Shell utilizaban formatos propietarios para el almacenamiento de datos sísmicos. Estos formatos fueron desarrollados internamente y adaptados a las necesidades específicas de sus operaciones.
• Estructura: Varía según la implementación, pero generalmente incluía un encabezado seguido de datos binarios de traza.
• Usos: Utilizado en operaciones internas antes de la estandarización de la industria.

Figura 2. Formato estándar SPS.

SEG-Y (1975 - Presente)

• Descripción: Introducido en 1975 por la Society of Exploration Geophysicists (SEG), el formato SEG-Y es el estándar más comúnmente utilizado para el almacenamiento y la transferencia de datos sísmicos. Permite la codificación de datos sísmicos junto con información de encabezado que describe cada traza, como la ubicación de la fuente, el receptor, y otros parámetros clave.
• Estructura: Un archivo SEG-Y se compone de un encabezado de archivo (3200 bytes en formato EBCDIC), un encabezado binario (400 bytes), y múltiples trazas de datos. Cada traza contiene su propio encabezado de traza que incluye la información específica del registro.
• Usos: SEG-Y es ampliamente utilizado en la industria petrolera para la exploración y producción, así como en la investigación geofísica.

Figura 3. Formato estándar SEGY.

 

SEG-D (1975 - Presente)

• Descripción: También desarrollado por la SEG, el formato SEG-D es principalmente utilizado para el almacenamiento de datos crudos directamente adquiridos en el campo. A diferencia de SEG-Y, que se utiliza más para datos procesados, SEG-D está diseñado para manejar datos sin procesar, como los registrados por sistemas de adquisición durante un estudio sísmico.
• Estructura: SEG-D es un formato binario con un encabezado extendido que permite almacenar información detallada sobre los parámetros de adquisición, como la ganancia aplicada, la geometría de la adquisición, y otros detalles técnicos.
• Usos: Es especialmente popular en operaciones sísmicas marinas y en sistemas que requieren una alta tasa de adquisición de datos.

SEG-C (1982 - 1990s)

• Descripción: SEG-C fue utilizado para la transmisión de datos sísmicos entre diferentes sistemas de grabación, facilitando la compatibilidad entre equipos de diferentes fabricantes antes de la estandarización completa con SEG-Y.
• Estructura: Era un formato binario más simple, utilizado principalmente para la transmisión de datos en lugar de su almacenamiento a largo plazo.
• Usos: Utilizado principalmente en la década de 1980, pero rápidamente reemplazado por SEG-Y debido a sus mayores capacidades.

UKOOA P1/90 (1980s - Presente)

• Descripción: Este formato fue desarrollado por la UK Offshore Operators Association para la gestión de datos de navegación y posicionamiento en estudios sísmicos marinos. Aunque no almacena datos sísmicos directamente, es crucial para asociar estos datos con información geoespacial precisa.
• Estructura: Los archivos contienen datos en formato ASCII que describen las posiciones de fuentes y receptores, junto con otras informaciones de navegación.
• Usos: Es ampliamente utilizado en estudios marinos, donde la precisión en la ubicación es esencial para la correcta interpretación de los datos sísmicos.

Formato Seismic Unix (SU)

• Descripción: Este formato es parte del paquete de software Seismic Unix (SU), desarrollado por la Colorado School of Mines. Es un formato binario diseñado específicamente para su uso en investigación y procesamiento de datos sísmicos.
• Estructura: Similar a SEG-Y, pero adaptado para integrarse con las herramientas de SU, incluyendo encabezados personalizados.
• Usos: Principalmente en entornos académicos y de investigación para la enseñanza y el desarrollo de algoritmos de procesamiento sísmico.

Figura 4. Formato estándar SU.

MiniSEED (Presente)

• Descripción: MiniSEED es una versión compacta del formato SEED (Standard for the Exchange of Earthquake Data) y se utiliza principalmente para el almacenamiento de datos de sismología de terremotos. Sin embargo, también puede adaptarse para estudios sísmicos de reflexión.
• Estructura: Datos comprimidos con una estructura modular que permite el almacenamiento eficiente de grandes volúmenes de datos.
• Usos: Predominantemente en sismología de terremotos, pero adaptable a otras aplicaciones sísmicas.

HDF5 (Presente)

• Descripción: HDF5 es un formato moderno que, aunque no específico de la sísmica, está ganando popularidad en la comunidad geofísica debido a su flexibilidad y capacidad para manejar grandes volúmenes de datos complejos.
• Estructura: HDF5 permite almacenar datos jerárquicamente en un solo archivo, con capacidad para almacenar matrices multidimensionales y metadatos asociados.
• Usos: Utilizado principalmente en investigación y para el almacenamiento de datos de grandes volúmenes que requieren análisis complejos.

Figura 5. Formato estándar HDF5.

Introducción al Diseño y Adquisición Sísmica

El diseño y la adquisición sísmica son etapas críticas en la exploración geofísica, que permiten la obtención de imágenes subsuperficiales detalladas. El diseño sísmico se refiere a la planificación estratégica de cómo y dónde se colocarán las fuentes de energía sísmica y los receptores (geófonos o hidrófonos) para capturar las ondas reflejadas desde las capas geológicas bajo la superficie. La adquisición sísmica, por su parte, es la ejecución práctica de este diseño en el campo, donde se generan las ondas sísmicas, se capturan sus reflejos, y se almacenan los datos para su posterior procesamiento e interpretación.

Figura 6. Visualización de una sección sísmica 2D y un volumen sísmico 3D. La gran diferencia entre los dos es el tipo de visualización y la forma en que se construye el dato en crudo respecto a la relación de las fuentes y receptoras. Fuente: Mari J.L., Chapellier D. (1999) [1].

El objetivo principal de estas fases es maximizar la resolución y la calidad de los datos obtenidos, minimizando simultáneamente los costos y el impacto ambiental. La efectividad de la adquisición depende en gran medida de un diseño adecuado, que considere todas las variables geológicas, ambientales y logísticas. Los errores en el diseño pueden llevar a una adquisición ineficiente o datos de baja calidad, afectando la capacidad de interpretar correctamente la subsuperficie.

A continuación, se detallan los factores específicos que deben considerarse al diseñar un tendido sísmico en 2D y 3D, así como en las adquisiciones terrestres y marinas.

Sísmica 2D 

Un estudio sísmico de una determinada línea sísmica comienza con el despliegue de los elementos del arreglo geométrico (disparo y receptores) a lo largo de esa línea. El arreglo diseñado, que consiste en un conjunto lineal de puntos receptores que son colineales con el punto de disparo, se coloca a lo largo de la línea que se va a estudiar. Al activar la fuente de energía (como el disparo de una carga de dinamita), un frente de ondas sísmicas avanza por el medio en forma de superficies esféricas (esféricas cuando el medio es homogéneo e isótropo). La energía sísmica se refleja en las interfaces intermedias y vuelve a la superficie para ser detectada por los grupos de geófonos situados en ella. A continuación, las reflexiones se introducen en el sistema de registro a través de los canales eléctricos que se muestran en una traza (denominada traza de disparo).

Figura 7. Visualización del registro de un punto de tiro o "Shot gather", el cuál es el compilado de trazas de cada geófono respecto a una fuente estacionaria. En la imagen, se pueden apreciar distintos tipos de eventos sísmicos, tales como ruido aleatorio, onda superficiales, de cizalla, refracciones y reflexiones. Fuente:  Naghizadeh, M., et. al (2019) [2]

Geometría de tiro 2D

El arreglo de tiro utilizada en la prospección sísmica se define como la relación geométrica entre el punto fuente y el punto receptor que se mantienen invariables durante la prospección de una línea sísmica. Los principales elementos de un arreglo sísmico son el punto de origen (comúnmente conocido como punto de disparo) y el número y espaciado de los puntos receptores.

En la práctica, los puntos de fuentey recepción no son puntos, sino conjuntos de puntos. Así, un punto receptor suele estar formado por un grupo de detectores (geófonos) y el punto de disparo consiste en un grupo de puntos fuente. Por esta razón, los disparos y los receptores suelen denominarse grupos de geófonos y patrones de disparos, respectivamente. A efectos de cálculo, sus centros geométricos se utilizan para representar el punto de disparo y los puntos receptores, respectivamente.

En función de la posición del punto de disparo en relación con el punto receptor, existen distintos tipos de configuración de uso común. El punto de disparo puede estar situado en un extremo de la matriz lineal del receptor, lo que da lugar a un tipo denominado "Arreglo con fuente en el extremo". Otro tipo de arreglo es aquella en la que el punto de tiro está situado dentro del mismo, situado exactamente en el centro de la línea del arreglo receptor, se denomina arreglo central (También puede tener una variante en donde no se respeta la equidistancia entre fuente y receptoras, lo que genera un "Arreglo central desvalaceado"). A partir de estos arreglos, se pueden hacer distintas modificaciones para generar geometrías nuevas, como se observa en la figura 8.

Figura 8. Geometría de arreglo de fuente y receptoras (En el ejemplo se tomó como ejemplo un arreglo de 24 canales/receptoras y una fuente) para sísmica en 2D.

El número de puntos receptores activos (o canales sísmicos) por dispersión suele fijarse en un número entero que suele tomarse como múltiplo del número (12). En la prospección sísmica 2D, el número de canales de propagación utilizados ha pasado de 48 a principios de los años setenta a 240 y 360 canales en los cuarenta años siguientes. En la prospección 3D, el número puede superar los 1200.

Punto Medio Común 

Un punto de tiro común o "Shot gather" es el grupo de trazas registradas por los canales de propagación de ese punto de tiro. Del mismo modo, el punto medio común o  CDP (por sus siglas en inglés) es un grupo de trazas sísmicas que pertenecen a un CDP. Naturalmente, el número de trazas pertenecientes a un determinado CDP es igual a la cobertura o "fold" de ese CDP. Por definición, el CDP es un punto del subsuelo situado verticalmente por debajo del punto medio fuente-receptor. Esto significa que cada punto receptor de un arreglo recibirá una llegada sísmica reflejada desde un CDP situado por debajo del punto medio fuente-receptor.

Para cada punto de disparo en un arreglo, el reflector será muestreado por un número de puntos de reflexión (CDP's) igual al número de receptores activos del arreglo. A partir de la geometría de la trayectoria del rayo de dispersión, la separación de los CDP será la mitad de la de los puntos receptores de la dispersión. Por lo tanto, la cobertura del subsuelo (línea CDP) de un disparo será aproximadamente la mitad de la longitud de la dispersión.

Figura 9. Arreglo en superficie (Línea de receptoras y fuente), trayectoria del rayo de reflexión y cobertura de CDP's en una interfase.

La prospección sísmica a lo largo de un trazado lineal se lleva a cabo mediante una técnica conocida como (técnica de perfilado multicanal). El procedimiento de prospección consiste en utilizar una extensión de forma fija que se desplaza a lo largo de un perfil lineal con un desplazamiento constante hacia arriba. El primer disparo se obtiene a partir de la extensión que se coloca en el punto inicial de la línea. En el siguiente paso, el segundo disparo se registra después de desplazar la ubicación de la dispersión una determinada distancia de desplazamiento.

Este proceso (proceso de desplazamiento y disparo) se repite desde el punto inicial hasta el punto final de la línea. La distancia de desplazamiento suele ser un múltiplo integral de la distancia entre puntos receptores. Un mapa de todas las ubicaciones de superficie que han sido ocupadas en el levantamiento de toda la línea se denomina "cobertura de superficie".

Figura 10. La cobertura en superficie de una línea sísmica compuesta por 7 puntos de tiro, con 12 receptores cada uno. El desplazamiento es de 1 receptor-estación.

El proceso de perfilado sísmico se lleva a cabo repitiendo el proceso de disparo (disparo y registro de reflexiones) en una serie de puntos de disparo espaciados por igual a lo largo de una línea definida. Haciendo que la distancia de desplazamiento hacia arriba de la dispersión sea igual a la mitad de la longitud de la dispersión, se obtendrá una reflexión por cada CDP para toda la línea. 

Para desplazamientos mayores, se producirán huecos en el reflector muestreado. Es decir, algunos CDP no tendrán ninguna reflexión. Por otro lado, si la distancia de desplazamiento es inferior a la mitad de la longitud de dispersión, los CDP tendrán más de un reflejo, lo que da lugar a la técnica de perfilado múltiple. El número de reflexiones realizadas por CDP se denomina "fold" o cobertura. Por supuesto, cuanto más corto sea el desplazamiento, mayor será el fold.

Figura 11. Mapa de cobertura de receptoras y CDP's (En el subsuelo) de un ejemplo de levantamiento de perfiles para un arreglo formado por un esparcimiento de extremo a extremo de seis puntos de tiro que se mueven con un movimiento de desplazamiento hacia arriba del receptor.

Fold o cobertura

El conjunto de trazas que pertenecen a un CDP se denomina normalmente conjunto de trazas CDP (CDPG) y el número de reflexiones que se producen a partir de ese CDP representa el pliegue de cobertura. 6.6 El pliegue de cobertura En un tiro regular, que se aplica normalmente en la elaboración de perfiles sísmicos, el pliegue de cobertura (F) puede calcularse a partir de la siguiente fórmula:

$F = \frac{N}{2n}$

donde, (N) es el número total de los canales receptores activos dispersos y (n) es la distancia de desplazamiento expresada en espaciamiento de estaciones receptoras, es decir, espaciamiento medido en número de estaciones receptoras. Esta ecuación muestra que el pliegue es directamente proporcional al número de canales e inversamente proporcional a la distancia de avance.

Adquisición del dato sísmico

En la adquisición de datos sísmicos de reflexión se trata, en general, de generar y detectar ondas P que se propagan desde la región fuente y se reflejan en las interfaces del subsuelo. El proceso completo de adquisición de datos incluye la generación de la fuente sísmica, la detección de las ondas reflejadas y el registro digital de los datos.

Para registrar las llegadas de reflexión con distorsiones mínimas, se determinan los parámetros de operación óptimos (denominados parámetros de campo) y se aplican en la realización del estudio sísmico. El equipo de prospección sísmica suele llevar a cabo ciertas actividades de campo dirigidas a determinar los parámetros óptimos de prospección y los procedimientos óptimos de prospección. La optimización de los parámetros y procedimientos de la prospección se denomina colectivamente diseño de la prospección, que normalmente se describe en el plan de trabajo.

Fuentes sísmicas

El método tradicional para generar ondas sísmicas es la explosión de dinamita en barrenos. Sin embargo, existen otros métodos que se han introducido como fuentes alternativas de energía sísmica. La elección del tipo de fuente depende de las condiciones de la superficie de la zona de prospección. Los principales criterios que se tienen en cuenta para evaluar un determinado tipo de fuente son los siguientes:

• Suficientemente fuerte como para generar una señal sísmica intensa que pueda reflejarse en la interfaz profunda y ser detectable en el receptor más alejado (receptor de desplazamiento máximo).

• La señal sísmica generada es rica en componentes de alta frecuencia para poder resolver reflectores poco espaciados'

• El ruido generado tiene un nivel de energía mínimo.

Fuentes terrestres

Dinamita

Es uno de los tipos de fuente sísmica más utilizados en la prospección sísmica terrestre. Normalmente, se hace explotar una cierta carga de dinamita en el interior de un agujero perforado a una profundidad que oscila entre unos pocos metros y varias decenas de metros. Normalmente, el agujero perforado tiene un diámetro de unos 10 cm y una profundidad de entre 5 y 15 metros. Lo ideal es que la profundidad de la carga sea mayor que la base de la capa meteorizada (Low-Velocity Layer, LVL, como se la suele llamar), para evitar el filtrado de alta frecuencia y el debilitamiento del impulso sísmico causado por esa capa.

Para aumentar el acoplamiento de la carga con el medio circundante, el pozo se rellena con agua o con lodo. La forma más habitual de utilizar este método es colocar la carga de dinamita en el fondo de un agujero perforado.

En general, la fuente de dinamita se caracteriza por su alto nivel de energía, y de amplia banda de frecuencia, aunque tiene un cierto grado de peligrosidad y necesita condiciones especiales de almacenamiento y estrictas medidas de seguridad.

 

Figura 12. Diseño de emplazamiento de la dinamita. Se tienen que realizar perforaciones para poder evitar la capa de intemperismo o "LVL".

Caída de peso 

Figura 13. Visualización en pequeña escala del método de caída de peso. Fuente: GeoExpert [3].

El método de caída de peso (también llamado "Geograph" o "Thumper") consiste en dejar caer un peso de unas 3 toneladas desde una altura de unos 3 metros sobre el suelo (Figura 13).

La energía sísmica generada por el impacto de la masa que cae con el suelo se considera débil en comparación con la explosión de dinamita. Para reforzar la señal sísmica generada, el disparo de caída se repite varias veces (30-60) disparos realizados en el mismo lugar y se suman electrónicamente para producir un solo disparo-registro. Esta técnica de suma de trazas correspondientes de disparos de localización común (denominada apilamiento vertical) se aplica normalmente en casos de fuentes de energía débiles.

En comparación con otras fuentes de energía, la caída de peso proporciona una frecuencia bastante alta, pero menor que los impulsos generados por dinamita. Su funcionamiento es seguro, rápido y barato. El inconveniente del método es el desarrollo de fuertes ondas superficiales y, debido al efecto de filtrado de la zona LVL superficial, los componentes de alta frecuencia se atenúan gravemente. En la actualidad, este método se aplica raramente.

Cámara de gas

Se trata de otra fuente impulsiva (conocida como Dinoseis) en la que la energía se crea mediante la explosión de una mezcla de gases de oxígeno y propano contenidos en una cámara confinada, cuyo fondo es una placa móvil que descansa sobre la superficie del suelo. La cámara así diseñada se fija a la parte inferior de un vehículo pesado para aumentar el acoplamiento de su placa con la superficie del suelo.

Al detonar la mezcla de gases, se produce un impacto repentino de presión que se transmite a través de la placa base a la superficie del suelo. Mediante un sistema hidráulico, la placa se bloquea en su posición tras el impacto para evitar impactos repetidos.

Al tratarse de una fuente de energía débil, se disparan más de tres unidades simultáneamente mediante una señal de control enviada desde el sistema de grabación, y el disparo se repite muchas veces, luego se aplica el apilamiento vertical para obtener una mejor relación S/N.

Las características generales de Dinoseis son similares a las del método de caída de peso. Ambas son fuentes superficiales que generan energía sísmica relativamente débil, desarrollan fuertes ondas superficiales y producen pulsos sísmicos de baja frecuencia. El método se aplica raramente en la actualidad.

Vibroseis

Se trata de una fuente de energía sísmica no impulsiva que se introdujo a principios de la década de 1950 y rápidamente ganó popularidad como herramienta de adquisición. En 1982, más del 40% de los estudios sísmicos del mundo la utilizaban (Mcquillin, et. al, 1984 [4]). A diferencia de las fuentes impulsivas, el método Vibroseis crea energía mecánica que vibra continuamente durante cierto tiempo. Un vibrador mecánico montado en un camión es accionado hidráulicamente y produce una vibración controlada electrónicamente. La energía generada se transmite al suelo mediante una almohadilla metálica (de aproximadamente un metro cuadrado) fijada debajo del camión. 

Figura 13. Camión vibrador o "Vibroseis". Fuente: Richardmitnick (2018) [5]

Cuando está en funcionamiento, el sistema Vibroseis transmite a la tierra una señal sísmica que vibra a una frecuencia que varía linealmente con el tiempo. Esta función de vibración controlada electrónicamente se denomina barrido o "sweep". En la aplicación práctica, la duración del barrido (denominada longitud de barrido) suele estar comprendida entre (10 y 20) segundos, y la frecuencia de barrido aplicada es de (10 - 50) Hz. Aparte de la conicidad impuesta en ambos extremos del barrido (aproximadamente medio segundo), la amplitud se mantiene constante durante el tiempo de operación. Además, cabe señalar que el barrido puede iniciarse a baja frecuencia y luego incrementarse linealmente (barrido ascendente) o iniciarse a alta frecuencia (barrido descendente). El barrido ascendente es el método más común. 

Figura 14. Esquema de las señales proporcionadas por el Vibroseis.

Como era de esperar, las señales de reflexión de salida de la energía generada por Vibroseis no son ondículas cortas, como las que se observan normalmente con las fuentes impulsivas. La señal de reflexión, en el caso de las fuentes Vibroseis, es tan larga como la longitud de barrido utilizada en la operación de sondeo. En consecuencia, se produce un solapamiento de las señales de reflexión largas y, en este caso, será muy difícil distinguir los eventos de reflexión individuales en los registros Vibroseis.

Las principales ventajas del método Vibroseis son que es rápido, seguro y comparativamente barato de ejecutar. Puede aplicarse a lo largo de las carreteras e incluso en las ciudades, ya que no causa efectos perjudiciales en el medio ambiente. Técnicamente, tiene la ventaja de que la fuente-función está bajo control. Los parámetros de barrido (duración, gama de frecuencias y conicidad) pueden modificarse a voluntad. El principal problema de este método es el bajo nivel de energía de la fuente. Al igual que otras fuentes superficiales débiles, el apilamiento vertical se realiza al mismo tiempo que el registro. En un trabajo de prospección normal, varios camiones Vibroseis (normalmente 4) funcionan al mismo tiempo, y se realizan entre 20 y 60 vibraciones por cada ubicación de punto de disparo.

Fuentes marinas

Las pistolas de aire, vapor y gas son fuentes sísmicas utilizadas en la exploración geofísica, especialmente en la sísmica de reflexión, cada una con características específicas según el entorno y el objetivo del estudio. La pistola de aire, la más comúnmente utilizada en ambientes marinos, funciona liberando rápidamente una burbuja de aire comprimido en el agua. Esto genera una onda de presión que se propaga a través del medio acuático y del subsuelo, permitiendo obtener datos de alta resolución. Es altamente eficiente y flexible, con la capacidad de ajustar la potencia mediante el control del volumen de aire comprimido, lo que la hace ideal para estudios sísmicos en alta mar.

Por otro lado, la pistola de vapor, utilizada principalmente en exploración terrestre, libera vapor de agua a alta presión en el suelo, creando una pequeña explosión que genera una onda sísmica. Aunque su uso ha disminuido con el tiempo, es una fuente que puede generar una gran cantidad de energía, permitiendo la penetración en capas geológicas profundas, lo que es esencial en ciertas condiciones del terreno. Las pistolas de vapor son apreciadas por su capacidad de generar señales repetitivas, garantizando la obtención de datos de alta calidad.

Finalmente, la pistola de gas, que puede emplearse tanto en ambientes marinos como terrestres, funciona de manera similar a la pistola de aire, pero utiliza gases comprimidos como propano, oxígeno o nitrógeno. La liberación rápida de estos gases provoca una explosión controlada que genera una onda de choque, adecuada para diferentes terrenos y objetivos geológicos. Las pistolas de gas son menos sensibles a las variaciones de presión y temperatura ambiental, lo que las hace versátiles en una amplia gama de condiciones de campo. Cada una de estas fuentes se elige en función de los requisitos específicos del estudio sísmico, considerando factores como la profundidad de exploración, el medio ambiente y los objetivos geológicos.

Figura 15. Air-gun utilizado para la exploración sísmica marina.

Detectores sísmicos

El proceso de detección sísmica se basa en la conversión de la vibración del suelo en una señal eléctrica mediante un transductor especial que puede responder a los rangos de amplitud y frecuencia sísmicas completamente y sin distorsiones. Los detectores sísmicos son de dos tipos principales, los geófonos para uso en tierra y los hidrófonos utilizados en entornos marinos.

Geófono

La detección de las reflexiones en topografía terrestre se realiza mediante geófonos (sismómetros). El geófono es un instrumento de detección sísmica que puede transformar el movimiento vibratorio del terreno en una tensión eléctrica. Los geófonos más utilizados en los estudios de reflexión sísmica son los de tipo electromagnético. Funcionan según el principio de generación de tensión en una bobina que se mueve dentro de un campo magnético. La tensión generada es proporcional a la velocidad del movimiento de la bobina con respecto al imán. Por este motivo, los geófonos de este tipo suelen denominarse geófonos de velocidad.

El geófono está formado por un imán cilíndrico permanente y una bobina suspendida por resortes en el interior de una ranura circular practicada en el imán. La ranura separa el polo sur magnético (parte interior del imán) del polo norte (parte exterior). El imán está firmemente sujeto a la carcasa, que está provista de un pincho para facilitar su fijación al suelo en posición vertical.

Figura 16. Esquema de los compontes internos de un geófono.

Para su funcionamiento, el geófono se coloca verticalmente en el suelo. En esta posición, el imán vibrará en dirección vertical cuando el suelo se active sísmicamente, y la bobina permanecerá inmóvil debido a su inercia (Existen diferentes tipos de geófonos de acuerdo a la dirección de medició (Eje z, eje x & y), así como la combinación de todos los ejes, llamados "multicomponentes"). La tensión generada en la bobina es función de la velocidad de vibración y de los parámetros de la bobina (número de espiras, radio e intensidad del campo magnético). 

Hidrófono

Se trata de un detector equivalente a un geófono utilizado en la detección de ondas sísmicas en entornos de prospección en medios acuáticos. El hidrófono es un dispositivo de detección sensible a la presión que utiliza sustancias que generan una tensión eléctrica proporcional a la presión causada por la llegada de una señal sísmica. Los materiales piezoeléctricos tienen la propiedad de generar una tensión eléctrica cuando se somete a presión. Los cambios de presión, provocados en un medio acuoso debido al paso de una onda sísmica, son proporcionales a la velocidad de las partículas de agua puestas en movimiento por la señal.

Sísmica 3D

La geología del subsuelo a la que se dirige la exploración sísmica es, en esencia, de naturaleza tridimensional. El campo sísmico creado en los estudios de reflexión sísmica también es tridimensional. En un medio homogéneo ideal, el frente de onda de la onda sísmica que avanza tiene forma tridimensional, es decir, esférica, en un medio homogéneo. En la realidad, el medio geológico está formado por distintas capas de roca de propiedades diferentes y formas geométricas distintas. Con este tipo realista de medios, el frente de onda que avanza, sigue teniendo la forma tridimensional pero ya no perfectamente esférica. Los rayos sísmicos creados viajan en todas direcciones en el espacio que rodea la zona fuente. En otras palabras, el campo geológico, así como el campo sísmico en el que se crea, es 3D en la naturaleza.

Figura 17. Por naturaleza, el campo geológico y el campo sísmico se evalúan en 3 dimensiones.

En la prospección 2D convencional, el campo sísmico se crea como un campo de ondas tridimensional, pero se detecta mediante un conjunto bidimensional de puntos de detección. Por lo tanto, la prospección 2D se centra en una parte limitada de la energía reflejada, dejando fuera el resto de la energía reflejada, con toda la información útil que llevan, para pasar sin ser detectados. 

Dimensiones sísmicas (1D, 2D & 3D)

Una traza sísmica puede verse como una función temporal de la amplitud sísmica que normalmente representa la variación de la velocidad de vibración en función del tiempo de registro. Si prescindimos de su información de posición (es decir, despreciamos las coordenadas x-y de la ubicación del CDP), la traza sísmica se representa como una función unidimensional (1D) de la amplitud con el tiempo f(t), o con la profundidad f(z). El sismograma sintético es otro ejemplo de función sísmica 1D que representa la variación de la amplitud de reflexión con la profundidad del sondeo. El registro sónico expresa la variación del tiempo de tránsito con la profundidad del pozo, que también es una función 1D.

En los estudios sísmicos 2D convencionales, en los que el punto de disparo y los puntos receptores son colineales, la sección de apilamiento resultante consiste en una serie de trazas sísmicas, cada una de las cuales pertenece a una localización CMP. Las trazas de una sección de apilamiento están espaciadas uniformemente a lo largo de la coordenada de distancia (x). Así, la amplitud sísmica en la sección producida es función tanto de la posición de la traza (x) en la línea sísmica como del tiempo de reflexión bidireccional (t). Esto significa que la amplitud en la sección sísmica producida, está representada por la función bidimensional (2D) f(x,t), o f(x,z) cuando el tiempo se escala por la velocidad de propagación.

Con la técnica de disparo en 3D, las localizaciones CMP producidas forman un conjunto bidimensional sobre los reflectores estudiados. En este caso, tenemos una traza sísmica para cada uno de estos CMP, formando un volumen de datos en el que la amplitud sísmica se representa como una función de su posición en el espacio, definida por las tres dimensiones x, y, t (o x, y, z). Así, la amplitud se expresa como una función tridimensional (3D), f(x, y, t) o f(x, y, z). 

Figura 18. Datos sísmicos representados como función 1D (traza sísmica), como función 2D (sección sísmica) o como función 3D (volumen de datos sísmicos). Las funciones correspondientes son a(z), a(x,z), a(x,y,z).

El procesamiento de datos 3D proporciona el volumen de datos apilados, que permite visualizar secciones verticales en cualquier dirección (Inline y Crossline) y secciones horizontales (cortes temporales y horizontes interpretados) en cualquier nivel dentro del volumen de datos.

Figura 19. Formas de visualizar los datos sísmicos 3D. En dirección de las líneas receptoras (Inline), líneas fuentes (Crossline), líneas aleatorias (Selección de trazas contínuas en el volumen sísmico), "time slices" o ventanas de tiempo y horizontes interpretados.

En lo que respecta a la prospección sísmica, se considera que una zona es inaccesible cuando no se permite la ubicación de fuentes de energía sísmica ni receptores dentro de los límites de la zona. Una zona inaccesible puede estudiarse desplegando los receptores en el límite de la zona y disparando a puntos fuente que también están distribuidos por el límite de la zona, mientras que la dispersión de los receptores se mantiene fija durante todo el proceso de disparo. Para cada disparo habrá un número de CMP situados en los puntos medios de la fuente-receptor, que estarán situados dentro de la zona estudiada.

Figura 20. Concepto de "loop shooting" o "tiro en lazo" aplicado a la topografía 3D de zonas inaccesibles. Se crea un CMP en el centro de cada distancia fuente-receptor. Los receptores se despliegan alrededor de la zona inaccesible.

Mediante este tipo de disparo (denominado disparo en bucle), la zona se cubrirá con CMP sin que existan puntos de medición (fuentes o receptores) dentro de la zona. Un software especial puede manejar los datos registrados y procesarlos para producir un volumen de datos en 3D.

Aunque esta técnica hace posible la prospección sísmica de una zona inaccesible aislada, adolece de una serie de puntos débiles. Tanto la distribución de los CMP registrados como el pliegue de cobertura no son uniformes. Además, es posible perder reflexiones poco profundas con trazas registradas en receptores de gran desplazamiento. Estas limitaciones son menos eficaces cuanto menor es la superficie y más profundos son los reflectores seleccionados. 

Los datos 3D pueden proporcionar información precisa sobre la estructura geológica del subsuelo de la zona. A diferencia de los datos 2D, puede resolver anomalías estructurales y estratigráficas pequeñas y complejas. Proporciona información directa (sin procedimiento de interpolación) de la geología del subsuelo expresada en su imagen tridimensional real. Gracias a la densidad de los puntos de muestreo del espacio geológico, los datos 3D son más fácilmente interpretables, lo que aumenta el grado de precisión y mejora mucho el poder de resolución.

Los estudios de yacimientos, basados en datos 3D, contribuyen a una caracterización más precisa de los yacimientos en términos de distribución de facies y contenido de fluidos. Esta información permitiría estimar con mayor precisión las reservas de los yacimientos petrolíferos.

Figura 21. Esquema que muestra que los datos 3D proporcionan puntos de muestreo más densos del espacio geológico del subsuelo que los datos 2D.

Geometría de tiro 2D

Lo que hace que un levantamiento sea 2D o 3D es la forma en que se despliegan los receptores en la superficie. En la prospección 2D, los receptores se colocan en línea con el punto de origen y la dispersión utilizada es lineal, formada por un arreglo unidimensional de receptores. En este caso, los puntos de reflexión caerán sobre una línea recta del subsuelo.

En el caso de la prospección 3D, la dispersión consiste en receptores distribuidos sobre un área, en lugar de sobre una línea recta, y la dispersión utilizada consiste en un arreglo bidimensional de receptores. En este caso, los puntos de reflexión se distribuyen en una zona del subsuelo del plano reflector.

Figura 22. El tipo de arreglo decide si el estudio es 2D o 3D. Arreglo de matriz unidimensional para registro en 2D y arreglo de matriz bidimensional para registro en 3D.

Arreglos sísmicos marinos

Convencionalmente, la prospección marina en 3D se lleva a cabo mediante el uso de esparcidores similares a los utilizados en la prospección terrestre (y marina) en 2D. La embarcación y el cordel remolcado se registran a medida que avanzan en línea recta. La técnica difiere de la topografía 2D normal en que el levantamiento se realiza a lo largo de líneas paralelas muy próximas entre sí. El espaciado de las líneas (por lo general, 100 m-200 m) se mantiene constante en toda la zona de medición. Los elementos básicos de la dispersión utilizada en la prospección marina consisten en una fuente de energía (como un cañón de aire) y el streamer, que es una manga que contiene los hidrófonos. El cable está equipado con un depresor y un controlador de profundidad para mantener el cable a la profundidad requerida. En el extremo del cable se conecta una boya de cola con un equipo de radiocomunicaciones.

Para aumentar la eficacia de la prospección, se han utilizado múltiples fuentes y streamers en la prospección marina. Ejemplos de arreglos que pueden configurarse son: streamer de fuente única, streamer de fuente doble, streamer de fuente única y streamer de fuente doble.

Figura 23. Tipos de arreglos utilizados en la prospección sísmica marina 3D. (A) streamer simple de fuente única, (B) streamer simple de fuente doble, (C) streamer doble de fuente única, (D) streamer triple de fuente doble.

El movimiento de propagación durante la grabación, se realiza normalmente a lo largo de líneas rectas paralelas (trayectorias lineales paralelas). Debido a la gran longitud de la línea "streamer" remolcada detrás, el barco necesita girar con un radio de giro relativamente grande para registrar la línea siguiente. Una variación de este método es el disparo a lo largo de trayectorias circulares. El barco se desplaza a lo largo de trayectorias circulares superpuestas o en espiral. Las ventajas del tipo de dispersión circular es que el levantamiento se completa sin pérdidas de tiempo debidas a los giros de la embarcación necesarios en caso de levantamiento en línea recta. 

Figura 24. Tipos de movimientos de arreglos utilizados en la prospección sísmica 3D marina. (A) Trayectoria lineal paralela, (B) Trayectoria circular superpuesta, (C) Trayectoria circular en espiral.

Arreglos sísmicos terrestres

El arreglo normal  normal utilizada en prospección sísmica terrestre 3D consiste en líneas fuente perpendiculares a las líneas receptoras. Ejemplos de estos tipos de dispersión (no de uso común en la actualidad) son el arreglo en X, el arreglo en L, el arreglo en T, el arreglo cuadrado (llamada Seis-square) y Seis-loop.

Figura 25. Tipos de arreglos para prospección sísmica 3D terrestres: (A) Arreglo en X, (B) Arreglo en L, (C) Arreglo en T, (D) Arreglo en cuadrado, (E) Arreglo en lazo.

Factores que Influyen en el Diseño de un Tendido Sísmico 2D y 3D

El diseño de un tendido sísmico, tanto en 2D como en 3D, es un proceso que requiere la consideración de múltiples factores para garantizar la adquisición de datos de alta calidad.

1. Objetivo Geológico de Exploración

   • Profundidad del objetivo: Dicta la longitud del esparcimiento y la densidad de cobertura o fold. Los objetivos profundos requieren mayores offsets.
   • Estructura geológica: Diseños más densos son necesarios en estructuras complejas para capturar detalles finos.

2. Condiciones del Terreno

   • Topografía: La variabilidad del terreno afecta la propagación de las ondas y puede requerir ajustes en el posicionamiento de fuentes y receptores.

   • Tipo de suelo: Suelos blandos pueden necesitar fuentes más potentes para compensar la pérdida de energía.

3. Tipo de Fuente Sísmica

   • Fuentes impulsivas vs. vibradores: La elección entre explosivos y vibradores depende de la profundidad del objetivo y las restricciones ambientales.
   • Fuentes no convencionales: Se usan en entornos específicos como el mar o terrenos difíciles.

4. Elección de Geófonos

   • Geófonos convencionales vs. digitales: Los digitales ofrecen ventajas en ambientes con ruido alto.
   • Disposición de geófonos: La configuración se adapta al tipo de onda de interés y las características del subsuelo.

5. Impacto social
   

   • Infraestructura y edificaciones: La proximidad a zonas habitadas requiere ajustes en el diseño para minimizar el impacto.
   • Obstáculos naturales: Se deben considerar ríos, vegetación y otros elementos que puedan afectar la adquisición.
   • Ruido ambiental: Es un factor crítico en áreas urbanas o industriales que puede requerir diseños especiales para minimizar la contaminación de los datos.
   • Condiciones climáticas: Afectan la logística y la calidad de los datos durante la adquisición.
   • Costo y tiempo: El diseño debe equilibrar la calidad de los datos con las limitaciones presupuestarias y de tiempo.
   • Acceso y transporte: La logística de mover equipos y personal influye directamente en el diseño y la ejecución de la adquisición.
   • Terreno: La geografía del área de estudio puede complicar la logística, requiriendo transporte especializado.
   • Distancia: Grandes distancias entre puntos de adquisición pueden requerir soluciones logísticas complejas.
   • Ruido Cultural: Actividades humanas pueden generar ruido que afecta la calidad de los datos sísmicos.
   • Normativas y Regulaciones: Las leyes locales pueden imponer restricciones en cómo y dónde se puede realizar la adquisición.
   • Protección Ambiental: Minimizar el impacto ambiental es crucial, especialmente en áreas ecológicamente sensibles.
   • Condiciones Climáticas: Las condiciones extremas pueden afectar tanto la operatividad del equipo como la calidad de los datos.
   • Streamers y fuentes: La configuración del equipo en el mar, incluyendo la longitud de los streamers y la posición de los cañones de aire, es fundamental para capturar datos de alta calidad.
   • Profundidad del Agua: La profundidad del mar influye en el diseño y en cómo las ondas sísmicas se propagan.Condiciones Marinas: Las condiciones del mar, como oleaje y corrientes, afectan la estabilidad del equipo y la calidad de los datos.
   • Infraestructura Submarina: Cables y tuberías submarinas deben ser evitados durante la adquisición.Terreno Submarino: La topografía submarina puede requerir ajustes en la configuración del equipo.
   • Protección de Vida Marina: Las normativas para proteger la fauna marina influyen en cuándo y cómo se puede realizar la adquisición sísmica.
   • Operación en Aguas Internacionales: Las leyes internacionales pueden requerir permisos especiales para operar en ciertas áreas.
   • Base de Operaciones: La cercanía a puertos y la disponibilidad de soporte logístico son esenciales para mantener la operatividad del buque sísmico.

Bibliografía

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Publicación realizada por Hugo Olea.

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