Procesos Especiales en la Sísmica: Revelando los Secretos del Subsuelo

Procesos Especiales en la Sísmica: Explorando el Subsuelo con Técnicas Avanzadas

La exploración sísmica es una herramienta vital para conocer lo que se encuentra bajo nuestros pies sin la necesidad de realizar perforaciones o excavaciones directas. Es como una máquina de rayos X para la Tierra que, al enviar ondas sísmicas y analizar cómo rebotan o se deforman, nos ayuda a "ver" debajo de la superficie. Sin embargo, el análisis básico de los datos sísmicos no siempre es suficiente. 

Aquí es donde entran los procesos especiales en la sísmica, que nos permiten obtener aún más detalles y, en algunos casos, características que no se pueden detectar con métodos convencionales. Vamos a explorar algunos de estos procesos especiales, explicados de forma clara y coloquial, para que cualquiera pueda entender cómo funcionan y qué información nos brindan.

Fig. 1 Sísmica en la exploración de Petróleo y Gas

Inversión Sísmica

Imagina que te dan un rompecabezas en blanco y negro que tiene solo formas abstractas. Sabes que cuando lo resuelvas revelará una imagen importante, pero a primera vista no es fácil de descifrar. Eso es lo que ocurre con los datos sísmicos. Los geofísicos reciben un conjunto de reflejos que indican dónde las ondas sísmicas rebotaron al atravesar las capas del subsuelo. Sin embargo, estos reflejos son solo una parte del rompecabezas; necesitamos más información para saber qué tipo de roca o material se encuentra en cada capa.

Aquí es donde entra la inversión sísmica, que es un proceso matemático avanzado que convierte esos reflejos en propiedades físicas más claras, como la impedancia acústica. Esta propiedad es esencialmente una combinación de la densidad de las rocas y la velocidad a la que viajan las ondas a través de ellas. Al entender la impedancia acústica, podemos identificar qué tipos de materiales están presentes (como arena, lutita, o caliza) y, más importante aún, si hay fluidos como petróleo, gas o agua atrapados en esas rocas.

Un ejemplo útil para entender la inversión sísmica es pensar en una radiografía médica. Cuando te haces una radiografía, lo que se genera no es una fotografía directa del interior de tu cuerpo, sino una imagen que muestra cómo diferentes tejidos (huesos, músculos, órganos) bloquean o dejan pasar los rayos X en distintas proporciones. De manera similar, la inversión sísmica nos permite ver "a través" de la Tierra y diferenciar entre diferentes tipos de rocas y fluidos al interpretar cómo las ondas sísmicas se ven afectadas por ellos.

Sin la inversión sísmica, los geofísicos solo tendrían un "esqueleto" básico de datos. Este proceso les da más detalles, proporcionando una imagen más completa y útil del subsuelo.

Fig.2 Comparación entre sísmica de reflexión e inversión sísmica para obtener la impedancia acústica (AI): Transformando datos sísmicos en propiedades de yacimientos

Análisis AVO

¿Alguna vez has notado cómo cambia el reflejo de la luz en un charco de agua cuando lo miras desde diferentes ángulos? En ciertos ángulos, el reflejo es mucho más brillante, mientras que en otros apenas puedes verlo. Algo similar sucede con las ondas sísmicas cuando se reflejan en las capas del subsuelo. Dependiendo del ángulo en que la onda golpea la capa, la intensidad del reflejo (es decir, la amplitud) cambia. Este fenómeno es lo que se estudia en el análisis AVO (Amplitud Versus Offset).

El análisis AVO es una herramienta muy poderosa porque puede darnos pistas sobre qué tipo de fluido se encuentra atrapado en las rocas, basándonos en cómo cambia la amplitud de las ondas sísmicas a medida que varía la distancia entre la fuente y el receptor. Por ejemplo, si una capa de roca contiene gas en lugar de agua, las amplitudes a diferentes ángulos de incidencia pueden mostrar un comportamiento particular que permite a los geofísicos distinguir entre ambos.

Para ponerlo en términos más sencillos, imagina que tienes una cámara y estás tomando fotos de un objeto desde diferentes ángulos. Dependiendo de dónde estés parado, el objeto puede verse más o menos brillante, o cambiar su apariencia. El AVO hace algo similar con las ondas sísmicas: estudia cómo cambia la intensidad del reflejo dependiendo de la distancia y el ángulo, y a partir de eso, los geofísicos pueden hacer conjeturas fundamentadas sobre si ese reflejo proviene de una trampa de gas o de una capa de roca saturada de agua.

Además, el análisis AVO es especialmente valioso porque puede identificar zonas donde puede haber hidrocarburos antes de perforar un pozo, lo que reduce los riesgos de inversión y mejora la precisión en la exploración de petróleo y gas.

Fig. 3 Principios del análisis de amplitud versus offset (AVO). (a) Ejemplo donde la parte superior de una arenisca saturada con agua genera una amplitud de pico que disminuye con el aumento del ángulo de incidencia (es decir, con el offset), y una arenisca cargada con gas produce una amplitud de valle que aumenta con el incremento del offset. Esta respuesta AVO de "Clase III" se puede contrastar con otras clases de curvas en una gráfica de coeficientes de reflexión versus offset (b) y en un diagrama cruzado de las pendientes e intersecciones de las curvas (c). Modificado de Rutherford y Williams, 1989; Allen y Peddy, 1993; y Castagna y Swan, 1997.

Sísmica Pre-apilado y Post-apilado

Imagina que tienes un rompecabezas complicado, pero en lugar de intentar resolverlo todo de una vez, decides armar primero las piezas de las esquinas, luego los bordes y finalmente el centro. Así es como funciona el procesamiento sísmico pre-apilado y post-apilado.

Cuando recolectamos datos sísmicos, en realidad obtenemos múltiples "imágenes" del subsuelo, cada una tomada desde diferentes ángulos y ubicaciones. El proceso de apilamiento es esencialmente el paso de combinar todas esas imágenes en una sola para obtener una representación más clara y nítida del subsuelo. Es como unir varias fotos de la misma escena tomadas desde diferentes ángulos para obtener una imagen panorámica perfecta.

Antes de apilar los datos, sin embargo, puede ser útil analizarlos individualmente. Este análisis se conoce como pre-apilado y permite a los geofísicos extraer información valiosa que puede perderse una vez que los datos se combinen. Por ejemplo, durante la fase pre-apilado se pueden observar efectos como el AVO o detectar áreas con anisotropía, lo que puede ayudar a ajustar el apilamiento final para obtener mejores resultados, o incluso aplicar la Migración Sísmica para ver el resultado antes de apilar.

El post-apilado, por otro lado, es lo que ocurre después de que todas las "imágenes" han sido combinadas. En esta etapa, se aplica un procesamiento adicional para mejorar aún más la calidad de la imagen, eliminando ruidos o artefactos no deseados y resaltando los detalles importantes.

Un ejemplo cotidiano de este proceso sería la edición de fotos. Imagina que tienes varias fotos del mismo lugar, pero en una hay buena luz, en otra el enfoque es mejor, y en una tercera capturaste el mejor ángulo. El proceso de apilamiento es como tomar las mejores partes de cada foto para crear una sola imagen perfecta. El análisis pre-apilado sería como revisar cada foto por separado para identificar sus mejores características, y el post-apilado es como usar Photoshop para mejorar la calidad general y eliminar las imperfecciones.

Fig. 4 Comparación de imágenes en el dominio del tiempo de (a) Migración en tiempo pre-apilamiento y (b) Migración en tiempo post-apilamiento.

Sísmica Anisotrópica

Imagina que estás corriendo por una pista de atletismo. Si corres en línea recta, lo haces rápido y sin esfuerzo. Pero si te piden que corras en zigzag, tu velocidad disminuye. Esto es porque la pista "prefiere" que corras en una dirección. Algo similar ocurre con las ondas sísmicas en el subsuelo. Dependiendo de la dirección en la que viajan, las ondas pueden moverse más rápido o más lento, y esto se llama anisotropía.

La sísmica anisotrópica es un proceso especial que toma en cuenta esta diferencia en las velocidades de las ondas sísmicas. En un mundo ideal, las rocas serían homogéneas y las ondas se moverían de la misma forma en todas las direcciones. Sin embargo, en el mundo real, las rocas son heterogéneas, están fracturadas y contienen diferentes capas, lo que provoca que las ondas se comporten de manera diferente dependiendo de la dirección.

Comprender y ajustar los modelos sísmicos para tener en cuenta la anisotropía es crucial para obtener imágenes precisas del subsuelo. Si ignoramos la anisotropía, podríamos obtener una imagen distorsionada y errónea. Es como si tomaras una foto y, por no ajustar bien el lente de la cámara, la imagen quedara borrosa o mal enfocada. El análisis de la anisotropía asegura que las imágenes obtenidas reflejen fielmente la realidad y no distorsionen la información debido a estas diferencias en las velocidades de las ondas.

Este tipo de análisis es particularmente importante en áreas con fracturas o fallas geológicas, donde la dirección de las capas puede influir significativamente en la propagación de las ondas sísmicas. Con la sísmica anisotrópica, los geofísicos pueden ajustar los modelos para obtener una representación más precisa de las características del subsuelo.

Fig. 5 Apilamientos de Migración en Tiempo Pre-apilamiento utilizando: a) un campo de velocidad isotrópico y b) un campo de velocidad anisotrópico.

Sísmica de Convertibilidad

Cuando lanzamos una piedra en un estanque, el impacto crea ondas que se propagan en todas direcciones. En la sísmica ocurre algo similar, pero en lugar de una sola onda, podemos generar diferentes tipos de ondas. Dos de los tipos más importantes son las ondas P (ondas primarias) y las ondas S (ondas secundarias). Las ondas P son rápidas y viajan a través de sólidos y líquidos, mientras que las ondas S son más lentas y solo se mueven a través de sólidos.

La sísmica de convertibilidad es un proceso especial que se enfoca en interpretar ambas ondas simultáneamente. Este método es poderoso porque nos permite tener dos "vistas" diferentes del subsuelo. Las ondas P nos dan una idea general de la estructura de las rocas, mientras que las ondas S proporcionan detalles adicionales, como la rigidez y la presencia de fracturas.

Este tipo de sísmica es como tener dos cámaras de seguridad apuntando al mismo lugar desde diferentes ángulos. Cada cámara puede captar detalles que la otra no ve, y al combinar ambas imágenes, obtienes una visión mucho más completa. Lo mismo ocurre con la sísmica de convertibilidad: al interpretar tanto las ondas P como las S, los geofísicos pueden obtener una imagen más clara y detallada del subsuelo, lo cual es especialmente útil para identificar la presencia de hidrocarburos y para caracterizar los yacimientos de una manera más precisa.

En la industria del petróleo y gas, la sísmica de convertibilidad es muy valiosa. Las ondas P proporcionan información sobre la estructura general del subsuelo, mientras que las ondas S ofrecen datos adicionales sobre la rigidez de las rocas, la porosidad y la presencia de fracturas, factores clave para determinar la calidad del yacimiento y la viabilidad de la extracción. Al combinar ambas interpretaciones, los geofísicos pueden identificar zonas con mayor potencial para contener hidrocarburos y obtener una mayor precisión en la evaluación de los yacimientos, mejorando así las decisiones de exploración y producción.

Fig. 6 Onda P Incidente y su Conversión a Ondas P y S: Reflexión y Transmisión en una interfaz que divide a 2 capas con velocidades y densidades diferentes.

Sísmica Multi-componente

Imagina que tienes dos oídos y puedes oír sonidos que vienen desde diferentes direcciones. Ahora, imagina que te quitan uno de los oídos: tu percepción de los sonidos sería menos precisa, ya que perderías la capacidad de captar sonidos tridimensionalmente. 

Lo mismo sucede en la sísmica convencional: normalmente se utilizan solo las ondas P (primarias), lo que nos da una "imagen" limitada del subsuelo. Pero cuando empleamos la sísmica multi-componente, es como si le diéramos a los geofísicos ambos "oídos" para escuchar.

La sísmica multi-componente utiliza no solo las ondas P (que viajan más rápido y se propagan en todas direcciones), sino también las ondas S (que son más lentas y no viajan a través de líquidos) y las ondas de superficie. Esto permite obtener información adicional sobre las propiedades de las rocas y fluidos. 

De hecho, al usar sensores que registran el movimiento en más de una dirección (vertical y horizontal), los geofísicos pueden diferenciar entre diferentes tipos de materiales, detectar fracturas y determinar con mayor precisión la orientación de las capas subterráneas.

Un ejemplo cotidiano sería imaginar que intentas averiguar la forma de un objeto en la oscuridad. Si solo puedes tocarlo con un dedo, te será muy difícil, pero si usas ambas manos, obtendrás una imagen mucho más clara. La sísmica multi-componente funciona de la misma manera, proporcionando una visión tridimensional mucho más rica del subsuelo al combinar varios tipos de ondas.

Este método es especialmente útil para identificar las fracturas en formaciones rocosas que podrían actuar como caminos para que el petróleo o el gas se muevan, lo que es crucial para entender cómo extraer estos recursos de manera eficiente.

Fig. 7 Sísmica Multicomponente - Ondas compresivas PP y ondas de corte SS & Ondas convertidas por modo Ps (PS1, PS2)

Sísmica de Tiempo-lapso (4D)

Imagina que puedes tomar una fotografía del mismo lugar en diferentes momentos del día. Al observar los cambios en las sombras y la luz, podrías deducir cómo se está moviendo el sol o si algo en el lugar está cambiando. De manera similar, la sísmica de tiempo-lapso o 4D consiste en realizar estudios sísmicos en el mismo lugar, pero en diferentes momentos en el tiempo, para ver cómo cambian las propiedades del subsuelo.

Este tipo de sísmica es particularmente útil en la producción de petróleo y gas. Cuando un campo está en producción, los fluidos en las rocas del subsuelo (como el petróleo, el gas o el agua) se desplazan o se extraen. Al realizar estudios sísmicos antes y después de la producción, los geofísicos pueden detectar estos cambios en las rocas y los fluidos, lo que permite a las empresas ajustar sus estrategias de extracción.

Un buen ejemplo para entender la sísmica de tiempo-lapso es pensar en un globo lleno de agua. Si tomas una foto del globo en diferentes momentos mientras el agua se va saliendo, podrás ver cómo se desinfla y cambia de forma. Del mismo modo, la sísmica 4D permite a los geocientíficos ver cómo se "desinfla" o cambia un reservorio de petróleo o gas a medida que se extraen los recursos.

Este método no solo ayuda a optimizar la producción, sino que también es fundamental para monitorear la inyección de CO₂ en proyectos de captura y almacenamiento de carbono, donde el objetivo es inyectar CO₂ en formaciones subterráneas para evitar que se libere en la atmósfera. Al usar sísmica de tiempo-lapso, se puede verificar si el CO₂ se está almacenando correctamente o si se está escapando.

Fig. 8 Sísmica 4D

Atributos Sísmico

Cuando hablamos de atributos sísmicos, nos referimos a características adicionales que se pueden derivar de los datos sísmicos crudos, un poco como extraer más información de una imagen a través de diferentes filtros. Es similar a usar varias herramientas de edición en una foto: puedes ajustar el brillo, el contraste, los colores y otras propiedades para resaltar diferentes aspectos de la imagen. En la sísmica, los atributos son técnicas matemáticas que resaltan características clave en los datos de subsuelo.

Los atributos sísmicos pueden ser cosas como la amplitud, la frecuencia, la fase o incluso la textura de los datos sísmicos. Estos atributos ayudan a los geofísicos a identificar patrones sutiles que podrían estar relacionados con la presencia de fracturas, la porosidad de la roca o la presencia de fluidos. Es como aplicar diferentes "lentes" a los datos sísmicos para verlos desde varias perspectivas y sacar más conclusiones.

Por ejemplo, un tipo común de atributo sísmico es la amplitud instantánea, que puede usarse para resaltar zonas donde hay cambios abruptos en las propiedades de las rocas, lo que podría ser indicativo de un contacto entre diferentes tipos de fluidos, como petróleo y agua. Otro tipo importante de atributo es el ángulo de fase, que puede ayudar a mejorar la resolución de los detalles en la imagen sísmica.

Imagina que te entregan un mapa en blanco y negro, pero luego te dan marcadores de colores para resaltar montañas, ríos y ciudades. De la misma forma, los atributos sísmicos permiten a los geofísicos "colorear" los datos y resaltar detalles importantes que de otra manera serían difíciles de ver.

El análisis de atributos sísmicos es crucial en la caracterización de reservorios, ya que permite entender mejor cómo se distribuyen las rocas y los fluidos en el subsuelo. Gracias a estos atributos, se pueden identificar zonas con mejores propiedades de almacenamiento, mejorar la interpretación geológica y optimizar la producción de hidrocarburos.

Conclusión

En la exploración de hidrocarburos y la caracterización de reservorios, los procesos especiales en sísmica desempeñan un papel crucial al proporcionar herramientas avanzadas para comprender el subsuelo. Desde la inversión sísmica, que nos permite interpretar los datos de forma más precisa al calcular propiedades que no se pueden medir directamente, hasta la sísmica de tiempo-lapso (4D), que nos ayuda a observar cómo los reservorios cambian con el tiempo a medida que se extraen recursos, cada método aporta su propio conjunto de beneficios.

La sísmica de convertibilidad se destaca al integrar las ondas P y S, ofreciendo una visión más completa del entorno geológico. La sísmica multi-componente complementa esto al utilizar diferentes tipos de ondas para mejorar la detección de fracturas y otras características críticas en las rocas. Además, los atributos sísmicos son herramientas valiosas que permiten resaltar detalles importantes a partir de los datos crudos, lo que ayuda a identificar patrones que podrían pasar desapercibidos.

Juntos, estos procesos forman un conjunto poderoso de técnicas que los geofísicos utilizan para tomar decisiones informadas sobre la exploración y el desarrollo de recursos naturales. Al combinar diferentes enfoques y perspectivas, se logra una comprensión más profunda del subsuelo, lo que es esencial para optimizar la producción y minimizar el impacto ambiental. Así, la sísmica no solo es una herramienta para encontrar petróleo y gas, sino que también es un medio para entender y gestionar nuestros recursos de manera sostenible.

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Publicación realizada por Hugo Olea y Kevin García

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