Fundamentos del Potencial Espontáneo (SP)

 El registro de potencial espontáneo (SP) es una técnica geofísica utilizada en la perforación de pozos para medir el potencial eléctrico generado por procesos electroquímicos naturales en las formaciones geológicas. Esta técnica es esencial para la identificación y caracterización de litologías y para la estimación de la salinidad del agua de formación.

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FENÓMENO FÍSICO

Fundamentos del Potencial Espontáneo

El potencial espontáneo se basa en el principio de que, cuando un pozo perforado entra en contacto con una formación rocosa saturada de agua, se establece un potencial eléctrico entre el lodo de perforación y el fluido de la formación. Este potencial se debe a diferencias en la concentración de iones entre el lodo de perforación y el fluido de la formación, así como a efectos de difusión y migración de iones en el subsuelo.

Diferencias de Potencial:

Cuando el lodo de perforación y el fluido de la formación tienen diferentes concentraciones iónicas, se establece una diferencia de potencial eléctrico. Esta diferencia es medida por el registro de SP y está relacionada con la salinidad y la composición química de los fluidos.

Potencial de membrana

El potencial de membrana ocurre cuando hay capas de arcilla u otros minerales que actúan como membranas semipermeables entre zonas con diferentes concentraciones de iones. Este fenómeno es especialmente común en formaciones de rocas que contienen arcillas, que tienen una estructura que puede comportarse como una membrana.

• Diferencias de Salinidad: El fluido de perforación que se introduce en el pozo puede tener una salinidad diferente del agua de formación (que está atrapada en los poros de las rocas).
• Propiedades de Membrana de las Rocas: En formaciones arcillosas, las arcillas pueden actuar como membranas, permitiendo el paso de algunos iones y bloqueando otros.
• Generación de Potencial: La diferencia en la movilidad de los iones a través de la roca genera una diferencia de potencial eléctrico entre los fluidos a ambos lados de la "membrana" natural de arcilla. Este potencial de membrana contribuye al registro de Potencial Espontáneo (SP) que se mide en los pozos.

Efectos Electroquímicos:

Los procesos electroquímicos, como la difusión de iones y la migración de cargas, contribuyen al potencial registrado. La formación y el fluido del pozo actúan como dos electrodos de una celda electroquímica, y el potencial medido es el resultado de la interacción entre estos dos electrodos.

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DEDUCCIÓN TEÓRICA

Para entender el funcionamiento matemático del registro de potencial espontáneo, debemos analizar la relación entre el potencial medido y las propiedades eléctricas de los fluidos y la formación. Como se muestra a continuación:

1. Modelo Electroquímico del Potencial Espontáneo

El registro de potencial espontáneo se basa en el principio de que el potencial eléctrico medido se debe a las diferencias en la concentración de iones entre el lodo de perforación y el fluido de la formación. Este potencial puede modelarse usando principios de electroquímica.

Ley de Nernst

Para un sistema electroquímico, la Ley de Nernst describe el potencial eléctrico en función de las concentraciones iónicas. Para una celda de electrodos, el potencial $E$ se puede expresar como:

  $E = E_0 - \frac{RT}{nF} \ln \left( \frac{C_{\text{ion,1}}}{C_{\text{ion,2}}} \right)$ 

Donde:

$E$, es el potencial eléctrico.

$E_0$, es el potencial estándar del electrodo.

$R$, es la constante de los gases.

$T$, es la temperatura en Kelvin.

$n$, es el número de moles de electrones transferidos.

$F$, es la constante de Faraday.

$C_{\text{ion,1}}$ y $C_{\text{ion,2}}$​ son las concentraciones de iones en las soluciones 1 y 2, respectivamente.

Para el registro de SP, consideramos la diferencia de potencial entre el fluido del pozo y la formación, por lo que:

$\Delta E = E_{\text{pozo}} - E_{\text{formación}} = - \frac{RT}{nF} \ln \left( \frac{C_{\text{ion,pozo}}}{C_{\text{ion,formación}}} \right)$

2. Resistividad del Fluido

La resistividad del fluido se relaciona con la conductividad, que depende de la concentración iónica y la movilidad de los iones. La resistividad ($\rho_{f}$) puede ser inversamente proporcional a la conductividad ($\sigma$):

$\rho_{f} = \frac{1}{\sigma}$

Donde la conductividad es:

$\sigma = \sum_{i} c_i z_i^2 \mu_i$

Aquí:

$c_i$, es la concentración de iones $i$.

$z_i$, es la valencia del ion $i$.

$\mu_i$,​ es la movilidad del ion $i$.

3. Relación entre Potencial y Resistividad

El potencial espontáneo registrado se debe a la diferencia en la resistividad entre el fluido del pozo y el fluido de la formación. La resistencia $R$ del fluido puede ser modelada como:

$R = \frac{\rho_{f}}{A}$

Donde:

$A$ , es el área transversal por la que fluye la corriente.

Para un pozo con una longitud de medición $L$, la resistividad efectiva se puede expresar como:

$R_{\text{efectiva}} = \frac{\rho_{f} \cdot L}{A}$

4. Estimación del Potencial Espontáneo

Dado que el potencial medido es inversamente proporcional a la resistividad del fluido y la diferencia de potencial se debe a la variación en las concentraciones iónicas, podemos escribir:

$V = I \cdot R_{\text{efectiva}}$

Sustituyendo $R_{\text{efectiva}}$ obtenemos:

$V = I \cdot \frac{\rho_{f} \cdot L}{A}$

Dado que $\rho_{f}$ está relacionado con la concentración iónica del fluido, podemos usar esta ecuación para inferir la concentración iónica y, por lo tanto, la salinidad del fluido de formación.

5. Corrección de Datos

Para obtener una medida precisa del potencial espontáneo, es necesario corregir los datos para eliminar efectos como el ruido eléctrico, la variación en la temperatura, y otros factores que puedan afectar la medición. Esto se realiza mediante técnicas de calibración y ajuste, y los datos corregidos se utilizan para hacer inferencias sobre la formación.

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Herramienta del Registro de Potencial Espontáneo

La herramienta para el registro de potencial espontáneo es un dispositivo que se coloca en el pozo para medir el potencial eléctrico entre el fluido del pozo y una referencia externa. La herramienta consta de varios componentes clave:

Componentes Principales

Electrodos:

✦Electrodo de Medición: Colocado en el pozo para medir el potencial eléctrico. Está sumergido en el lodo de perforación.

✦Electrodo de Referencia: Colocado a una distancia fija de la herramienta en la formación o en la superficie para establecer un punto de referencia estable para la medición del potencial.

Cuerpo de la Herramienta:

✦El cuerpo de la herramienta contiene los electrodos y la electrónica necesaria para medir y transmitir los datos. Está diseñado para operar en el entorno del pozo, que puede incluir altas presiones y temperaturas.

Sistema de Medición:

✦Incluye circuitos electrónicos que miden la diferencia de potencial entre el electrodo de medición y el electrodo de referencia. Los datos obtenidos se transmiten a la superficie para su análisis.

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Funcionamiento de la Herramienta

Durante el registro, el electrodo de medición se coloca en el pozo y se sumerge en el lodo perforación. El electrodo de referencia puede estar colocado en el suelo o en una ubicación fija dentro del pozo. La diferencia de potencial entre ambos electrodos se mide y se registra continuamente.

Medición de la Diferencia de Potencial:

✦La diferencia de potencial entre el lodo de perforación y el fluido de la formación se mide en voltios. Esta diferencia es influenciada por la salinidad y la composición química de los fluidos.

Procesamiento de Datos:

✦Los datos de potencial se procesan para eliminar cualquier ruido y se ajustan para proporcionar una medida precisa de las características de la formación. La información se utiliza para inferir propiedades como la salinidad del agua de formación y la litología.

¡Nos vemos el 23 Agosto! No te pierdas la parte práctica del registro de Potencial Espontáneo (SP), donde profundizaremos el análisis e interpretación del mismo.

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BIBLIOGRAFÍA

[1] Archie, G. E. (1942). The Electrical Resistivity Log as an Aid in Determining Some Reservoir Characteristics. Transactions of the AIME, 146(1), 54-62. doi:10.2118/942054-G.

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[5] Schlumberger. (1972). Log Interpretation Principles/Applications. Schlumberger Ltd.

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Publicación realizada por Hiram Arias y Emiliano Flores

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