Invasiones de aguas profundas en yacimientos petroleros del Golfo ...
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T<strong>en</strong><strong>de</strong>ncias tecnológicas<strong>Invasiones</strong> <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> <strong>profundas</strong> <strong>en</strong> yacimi<strong>en</strong>tos<strong>petroleros</strong> <strong>de</strong>l <strong>Golfo</strong> <strong>de</strong> México: un reto para laaplicación <strong>de</strong> isótopos ambi<strong>en</strong>talesPeter BirkleLos átomos con el mismo número <strong>de</strong> protones,pero difer<strong>en</strong>te número <strong>de</strong> neutrones <strong>de</strong>l mismoelem<strong>en</strong>to, se llaman isótopos.Resum<strong>en</strong>Se comprobó el uso <strong>de</strong> los isótopos ambi<strong>en</strong>tales comoun método útil para mejorar la efici<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> la explotaciónactual <strong>en</strong> yacimi<strong>en</strong>tos <strong>petroleros</strong> <strong>de</strong>l <strong>Golfo</strong><strong>de</strong> México. En g<strong>en</strong>eral, los isótopos estables como<strong>de</strong>uterio, 18 O, 13 C, 37 Cl, 87 Sr y 34 S, apoyan <strong>en</strong> cuestionessobre el orig<strong>en</strong> <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong>, su calidad, la evolucióngeoquímica, procesos <strong>de</strong> recarga, interacción agua-roca,orig<strong>en</strong> <strong>de</strong> la salinidad y procesos <strong>de</strong> contaminación, mi<strong>en</strong>trasque los isótopos radiactivos (Tritio, 14 C, 36 Cl y 129 I)proporcionan información sobre el tiempo <strong>de</strong> circulación,el orig<strong>en</strong> y la edad <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong> subterráneas.Des<strong>de</strong> el año 1998, la Ger<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> Geotermia <strong>de</strong>l Instituto<strong>de</strong> Investigaciones Eléctricas está realizando proyectos<strong>de</strong> investigación <strong>en</strong> los campos <strong>petroleros</strong> <strong>de</strong> los activos<strong>de</strong> Producción Luna, Pol-Chuc, Chilapilla-Colomo (todos<strong>en</strong> el estado <strong>de</strong> Tabasco) y Cactus-Sitio Gran<strong>de</strong> (Chiapas) <strong>en</strong>la Región Sur <strong>de</strong> Pemex Exploración y Producción (PEP).Como objetivo principal <strong>de</strong> dichos estudios se <strong>de</strong>sarrollaronmo<strong>de</strong>los hidrogeológicos sobre la migración y circulación<strong>de</strong> los fluidos <strong>en</strong> los yacimi<strong>en</strong>tos <strong>petroleros</strong> con la finalidad<strong>de</strong> limitar la invasión <strong>de</strong> agua <strong>en</strong> los pozos productores yaum<strong>en</strong>tar la producción <strong>de</strong> aceite crudo.IntroducciónMundialm<strong>en</strong>te, la explotación <strong>de</strong> yacimi<strong>en</strong>tos <strong>petroleros</strong>ti<strong>en</strong>e como efecto secundario la invasión <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> <strong>de</strong> formaciónprofunda <strong>en</strong> los pozos <strong>petroleros</strong> productores. Estef<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o está relacionado con la interestratificación común<strong>de</strong> yacimi<strong>en</strong>tos <strong>petroleros</strong> con mantos freáticos <strong>en</strong> elsubsuelo. Debido a difer<strong>en</strong>cias <strong>de</strong> gravedad, los fluidosacuosos se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong>l yacimi<strong>en</strong>to petrolero.Dicho f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o está ilustrado <strong>en</strong> el esquema geológico<strong>de</strong> un yacimi<strong>en</strong>to petrolero (ver Figura 1), con el <strong>en</strong>trampami<strong>en</strong>to<strong>de</strong> capas <strong>de</strong> gas, aceite y agua <strong>en</strong> los anticlinales<strong>de</strong> las estructuras tectónicas <strong>en</strong> cu<strong>en</strong>cas sedim<strong>en</strong>tarias. Conbase <strong>en</strong> informaciones <strong>de</strong> la EPA (Environm<strong>en</strong>talProtection Ag<strong>en</strong>cy), <strong>en</strong> 1985 más <strong>de</strong> 20 billones <strong>de</strong> barriles<strong>de</strong> agua se g<strong>en</strong>eraron <strong>en</strong> más que 800,000 sitios activos <strong>en</strong>la recuperación petrolera (Report to Congress, 1987).Aparte <strong>de</strong> las pérdidas económicas por la mezcla <strong>de</strong>l crudoextraído con agua <strong>de</strong> formación, la alta mineralizacióncon sales y metales <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong> pue<strong>de</strong> poner <strong>en</strong> peligro lacalidad <strong>de</strong> sistemas acuáticos y bióticos <strong>en</strong> la superficie.A<strong>de</strong>más <strong>de</strong> la abundancia <strong>de</strong> agua natural <strong>en</strong> losyacimi<strong>en</strong>tos <strong>petroleros</strong>, la inyección artificial <strong>de</strong> <strong>aguas</strong>superficiales y residuales <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la superficie hacia el yacimi<strong>en</strong>topue<strong>de</strong> causar un aum<strong>en</strong>to no <strong>de</strong>seable <strong>de</strong>l porc<strong>en</strong>taje<strong>de</strong> agua <strong>en</strong> los pozos productores. Dicha técnica ti<strong>en</strong>ecomo objetivo el aum<strong>en</strong>to <strong>en</strong> la producción petrolera,consisti<strong>en</strong>do <strong>en</strong> la movilización <strong>de</strong>l fr<strong>en</strong>te <strong>de</strong> avance <strong>de</strong>lcrudo <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la zona inyectora hacia la zona productora.La Foto 1 muestra la torre <strong>de</strong> perforación <strong>de</strong> un nuevopozo productor <strong>en</strong> el campo Escuintle <strong>de</strong>l Activo Luna.ObjetivosDes<strong>de</strong> el año 1998, el área <strong>de</strong> especialización <strong>en</strong> hidrogeologíaisotopía<strong>de</strong> la Ger<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> Geotermia está realizando investigacionesaplicadas con el fin <strong>de</strong> apoyar el aum<strong>en</strong>to <strong>de</strong> la producciónpetrolera <strong>en</strong> diversos campos <strong>de</strong>l <strong>Golfo</strong> <strong>de</strong> México,así como proponer nuevas zonas favorables <strong>de</strong> produccióncon el uso <strong>de</strong> técnicas alternas. En <strong>de</strong>talle, se trata <strong>de</strong> alcanzarlos sigui<strong>en</strong>tes objetivos:• Definir el orig<strong>en</strong> <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong> <strong>de</strong> formación.• Determinar el tiempo <strong>de</strong> resi<strong>de</strong>ncia (edad) <strong>de</strong> las<strong>aguas</strong> con base <strong>en</strong> la aplicación <strong>de</strong> isótoposradiactivos.• Desarrollar un mo<strong>de</strong>lo hidrogeológico <strong>de</strong> la migración<strong>de</strong> los fluidos y la estratificación <strong>de</strong> los acuíferos.• Determinar la comunicación lateral y vertical <strong>en</strong>trelos pozos locales y los campos regionales.172 Instituto <strong>de</strong> Investigaciones Eléctricas
Boletín IIE, julio-agosto <strong>de</strong>l 2001Figura 1. Mo<strong>de</strong>lo conceptual <strong>de</strong> la acumulación y estratificación <strong>de</strong> gas, aceitecrudo y agua <strong>en</strong> las estructuras altas <strong>de</strong> los yacimi<strong>en</strong>tos <strong>petroleros</strong>. El aceitecrudo y el gas se formaron <strong>en</strong> la roca g<strong>en</strong>eradora y migraron, posteriorm<strong>en</strong>te,al yacimi<strong>en</strong>to actual.Foto1• Diseño y selección <strong>de</strong> nuevos sitios para la perforación y explotación.• Posibles efectos negativos <strong>en</strong> la producción petrolera por la reinyección<strong>de</strong> agua al yacimi<strong>en</strong>to.• Pot<strong>en</strong>cial <strong>de</strong> riesgo y <strong>de</strong>l posible impacto <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong> residuales para elambi<strong>en</strong>te.• Alternativas para el tratami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong> residuales.Los campos <strong>petroleros</strong> estudiados a la fecha se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran <strong>en</strong> la costa(Activo Luna, Activo Chilapilla-Colomo, Activo Cactus-Sitio Gran<strong>de</strong>) y <strong>en</strong>la Región Marina Suroeste <strong>de</strong>l <strong>Golfo</strong> <strong>de</strong> México (Activo Pol-Chuc, Uech yAbkatun-Caan); la Figura 2 muestra su ubicación <strong>en</strong> <strong>de</strong>talle.Métodos <strong>de</strong> isotopíaLos difer<strong>en</strong>tes elem<strong>en</strong>tos químicos están caracterizados por el número <strong>de</strong>protones que conti<strong>en</strong>e el núcleo atómico. Los átomos con el mismo número<strong>de</strong> protones, pero difer<strong>en</strong>te número <strong>de</strong> neutrones <strong>de</strong>l mismo elem<strong>en</strong>to, se llamanisótopos. Debido a un valor más elevado para la <strong>en</strong>ergía <strong>de</strong> <strong>en</strong>lace, losisótopos estables no se <strong>de</strong>sintegran espontáneam<strong>en</strong>te, mi<strong>en</strong>tras que los isótoposradiactivos ti<strong>en</strong><strong>en</strong> una probabilidad <strong>de</strong> <strong>de</strong>caimi<strong>en</strong>to.En g<strong>en</strong>eral, la aplicación <strong>de</strong> isótopos ambi<strong>en</strong>tales repres<strong>en</strong>ta un métodocomplem<strong>en</strong>tario <strong>de</strong> los estudios <strong>de</strong> geoquímica e hidrogeología física. Losisótopos estables apoyan <strong>en</strong> cuestiones sobre el orig<strong>en</strong> <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong>, su calidad, laevolución geoquímica, procesos <strong>de</strong> recarga, interacción agua-roca, orig<strong>en</strong> <strong>de</strong> lasalinidad y procesos <strong>de</strong> contaminación. Los isótopos estables más comunes <strong>en</strong>la aplicación <strong>de</strong> estudios hidrogeológicos son <strong>de</strong>uterio (isótopo <strong>de</strong> hidróg<strong>en</strong>o),18O, 13 C, 37 Cl, 87 Sr y 34 S. El isótopo 13 C repres<strong>en</strong>ta un trazador excel<strong>en</strong>te para lareconstrucción <strong>de</strong> la evolución <strong>de</strong> carbonatos <strong>en</strong> acuíferos <strong>de</strong>bido a su variaciónnatural consi<strong>de</strong>rable <strong>en</strong> difer<strong>en</strong>tes fu<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> carbono. La Figura 3 muestralos rangos típicos <strong>de</strong> δ 13 C <strong>en</strong> difer<strong>en</strong>tes ambi<strong>en</strong>tes naturales.Por ejemplo, el CO 2<strong>de</strong> la atmósfera se caracteriza por valores promedio <strong>de</strong>–7 ‰, mi<strong>en</strong>tras que procesos biogénicos causan valores alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> –25 ‰ parael CO 2<strong>de</strong>l suelo (Pearson y Hanshaw,1970). En el Campo Cactus-Sitio Gran<strong>de</strong>,las <strong>aguas</strong> <strong>de</strong> formación se caracterizanpor una composición muyheterogénea <strong>de</strong> 13 C con valores <strong>de</strong> δ 13 C<strong>en</strong>tre -23.6‰ y +11.5‰. Valores <strong>de</strong>+11.5‰ a -5‰ se pue<strong>de</strong>n explicar pora) un orig<strong>en</strong> marino <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong> y/o b)procesos secundarios <strong>de</strong> interacción conlas calizas. Valores más negativos (-5‰a -23.6‰) indican una creci<strong>en</strong>te influ<strong>en</strong>cia<strong>de</strong> un compon<strong>en</strong>te orgánico <strong>en</strong> forma<strong>de</strong> agua meteórica, que refleja uncontacto hidráulico directo con la superficie.Los isótopos radiactivos, comoTritio, 14 C, 36 Cl y 129 I, nos proporcionaninformación sobre el tiempo <strong>de</strong>circulación e indicaciones sobre el orig<strong>en</strong>y edad <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong> subterráneas.El fechami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> subterráneasse basa <strong>en</strong> el conocimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> los sigui<strong>en</strong>tesparámetros:• Tiempo <strong>de</strong> vida media T 1/2, <strong>en</strong>el cual se <strong>de</strong>scompone la mitad<strong>de</strong> la conc<strong>en</strong>tración <strong>de</strong>l isótoporadiactivo específico. T 1/2es unaInstituto <strong>de</strong> Investigaciones Eléctricas173
T<strong>en</strong><strong>de</strong>ncias tecnológicasconstante fija para cada isótopoespecífico.• Constante <strong>de</strong> <strong>de</strong>caimi<strong>en</strong>to λ,que está relacionada con T 1/2mediante la sigui<strong>en</strong>te expresión:ln2λ =T 1/2• Actividad inicial a o<strong>de</strong>l radionúclido,que se <strong>de</strong>fine como la conc<strong>en</strong>tracióninicial <strong>de</strong>l isótopo <strong>en</strong>la atmósfera o <strong>en</strong> la zona no-saturada.En el caso <strong>de</strong> 14 C, se usag<strong>en</strong>eralm<strong>en</strong>te un valor <strong>de</strong> 0.95(95%) para la actividad inicial<strong>de</strong>l carbono mo<strong>de</strong>rno.• Conc<strong>en</strong>tración o actividad medidaa <strong>de</strong>l isótopo radiactivo <strong>en</strong>el agua subterránea <strong>en</strong> el tiempot. El valor <strong>de</strong> a <strong>de</strong>p<strong>en</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong> laconstante <strong>de</strong> <strong>de</strong>caimi<strong>en</strong>to λ y <strong>de</strong>la actividad inicial a o:a(t) = a . oe -λtConoci<strong>en</strong>do las variables m<strong>en</strong>cionadas,se pue<strong>de</strong> calcular el tiempo transcurrido<strong>de</strong>s<strong>de</strong> la recarga t, lo cual repres<strong>en</strong>tael tiempo <strong>de</strong> resi<strong>de</strong>ncia <strong>en</strong> el yacimi<strong>en</strong>to:a[ at = o]λDebido a la limitación <strong>de</strong> cada isótoporadiactivo por su velocidad <strong>de</strong> <strong>de</strong>caimi<strong>en</strong>to,su aplicación para el método <strong>de</strong>fechami<strong>en</strong>to está restringida a un lapso <strong>de</strong>finido.El Tritio, un isótopo <strong>de</strong>l hidróg<strong>en</strong>ocon una vida media <strong>de</strong> 12.43 años, seusa para la <strong>de</strong>tección <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> meteóricasreci<strong>en</strong>tes con eda<strong>de</strong>s m<strong>en</strong>ores que 40 años,mi<strong>en</strong>tras que el método <strong>de</strong> 14 C con un tiempo<strong>de</strong> vida media <strong>de</strong> 5,730 años se aplicapara <strong>aguas</strong> con un tiempo <strong>de</strong> circulación<strong>en</strong> el subsuelo hasta <strong>de</strong> 40,000 años. Losisótopos radiactivos <strong>de</strong>l cloro y <strong>de</strong>l yoduro,36Cl y 129 I, ti<strong>en</strong><strong>en</strong> un alcance hasta eda<strong>de</strong>s<strong>de</strong> varios millones <strong>de</strong> años. Debido <strong>de</strong>lorig<strong>en</strong> primario <strong>de</strong> yoduro <strong>en</strong> la fase orgánica,la <strong>de</strong>terminación <strong>de</strong> 129 I <strong>en</strong> la fase acuosarefleja indirectam<strong>en</strong>te la edad <strong>de</strong>l inicio<strong>de</strong> la formación <strong>de</strong>l petróleo con base <strong>en</strong>material orgánico.Figura 2. Localización <strong>de</strong> los campos <strong>petroleros</strong> estudiados <strong>en</strong> el SE <strong>de</strong> México.Ejemplos <strong>de</strong> aplicacionesActivo Luna, TabascoEl Activo Luna se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra <strong>en</strong> los pantanos costeros <strong>de</strong>l <strong>Golfo</strong> <strong>de</strong> México <strong>en</strong>la parte norte <strong>de</strong>l Estado <strong>de</strong> Tabasco (ver Figura 2). Des<strong>de</strong> 1982, el campo estáproduci<strong>en</strong>do 85,000 barriles <strong>de</strong> aceite crudo por día y, <strong>en</strong> 1998, 270 millones<strong>de</strong> metros cúbicos por día (MMpcd) <strong>de</strong> gas, <strong>en</strong> una profundidad promedia <strong>de</strong>5,000 m. Reci<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te, el aum<strong>en</strong>to <strong>de</strong>l porc<strong>en</strong>taje <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> <strong>de</strong> formación <strong>en</strong>varios pozos productores <strong>de</strong>jó surgir las sigui<strong>en</strong>tes cuestiones:• Exist<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> un acuífero común <strong>de</strong> tipo regional <strong>en</strong> los dos yacimi<strong>en</strong>tosexist<strong>en</strong>tes que propicia la probabilidad <strong>de</strong> invasiones <strong>de</strong> agua <strong>en</strong> todoslos pozos productores, o si se trata <strong>de</strong> acuíferos aislados, a) <strong>en</strong> lasformaciones cretácicas y, b) <strong>en</strong> las formaciones jurásicas.• Posibles cambios <strong>en</strong> la dinámica <strong>de</strong> la migración <strong>de</strong>l petróleo y <strong>de</strong>l agua<strong>de</strong>bido a los procesos <strong>de</strong> producción.174 Instituto <strong>de</strong> Investigaciones Eléctricas
Boletín IIE, julio-agosto <strong>de</strong>l 2001Figura 3. Rango <strong>de</strong> valores <strong>de</strong> δ 13 C <strong>en</strong> difer<strong>en</strong>tes ambi<strong>en</strong>tes globales (informaciónextraída <strong>de</strong> Arav<strong>en</strong>a et al., 1995; Fritz et al., 1987; Hoefs, 1987; Stahl,1979; Vogel, 1993; <strong>en</strong>tre otros), así como el rango <strong>de</strong> valores <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong> <strong>de</strong>formación <strong>de</strong>l Activo Cactus (Birkle & Portugal, 2001).Foto2Foto3• Exist<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> comunicación hidráulica <strong>en</strong>tre zonas afectadas por invasiones<strong>de</strong> agua y las zonas productoras <strong>de</strong> aceite.Como parte <strong>de</strong>l estudio realizado <strong>en</strong> los años 1998 y 1999, se tomaron 14muestras <strong>de</strong> agua <strong>de</strong> 14 pozos productores, afectados por invasiones <strong>de</strong> agua, y <strong>de</strong>cinco muestras <strong>de</strong> sistemas superficiales (arroyos, lagunas, precipitación, mar)(Birkle et al., 1999; Birkle et al., 2002). La Foto 2 muestra empleados <strong>de</strong> PEP y <strong>de</strong>l IIE,<strong>en</strong>cima <strong>de</strong> las instalaciones <strong>de</strong>l “árbol <strong>de</strong> navidad” <strong>de</strong>l pozo productor Pijije-1A paratomar una muestra <strong>de</strong> agua <strong>de</strong>l yacimi<strong>en</strong>to. La Foto 3 muestra <strong>en</strong> <strong>de</strong>talle la toma <strong>de</strong> unamuestra <strong>de</strong> agua la cual fluye mezclada con el aceite crudo <strong>de</strong>s<strong>de</strong> las válvulas.El conjunto <strong>de</strong> los resultados actuales <strong>de</strong> los análisis isotópicos <strong>de</strong> las<strong>aguas</strong> con la información exist<strong>en</strong>te sobre la geología-tectónica <strong>de</strong>l yacimi<strong>en</strong>to,facilitó el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> un mo<strong>de</strong>lo hidrogeológico sobre la evolución <strong>de</strong>l yacimi<strong>en</strong>topetrolero (ver Figura 4) (Birkle et al., 2002; Birkle, 2001a):1. Jurásico Superior – Cretácico: Depósito <strong>de</strong> carbonatos <strong>de</strong> plataforma y<strong>de</strong> océano profundo como parte <strong>de</strong>l ambi<strong>en</strong>te marino. Probablem<strong>en</strong>te aguamarina quedó atrapada <strong>en</strong> los poros <strong>de</strong>l sedim<strong>en</strong>to.2. Eoc<strong>en</strong>o – Mioc<strong>en</strong>o:• La reducción <strong>de</strong>l espacio <strong>de</strong> los poros <strong>de</strong>bido a la compactación por sedim<strong>en</strong>tosterciarios subyac<strong>en</strong>tes.• El plegami<strong>en</strong>to compresivo durante el Oligoc<strong>en</strong>o produjo la fuerzatectónica requerida para iniciar la movilización <strong>de</strong> los fluidos.• La formación <strong>de</strong> fallas normales e inversas durante el Oligoc<strong>en</strong>o yMioc<strong>en</strong>o, respectivam<strong>en</strong>te, resultaron <strong>en</strong> la formación <strong>de</strong> conductos para lacirculación vertical <strong>de</strong> fluidos.3. Pleistoc<strong>en</strong>o Tardío: Durante dosperiodos glaciales (40,000 – 20,000 años,15,000 – 10,000 años) agua meteórica yagua marina se infiltró <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la superficiehasta el yacimi<strong>en</strong>to petrolero a unaprofundidad <strong>de</strong> 5,000 a 6,000 m. Lamezcla <strong>de</strong> los dos ambi<strong>en</strong>tes causó laformación <strong>de</strong> una variedad <strong>de</strong> difer<strong>en</strong>testipos <strong>de</strong> agua <strong>en</strong> el yacimi<strong>en</strong>to.Relictos <strong>de</strong>l agua fósil <strong>de</strong> la formaciónquedaron reemplazados por la intrusiónsecundaria <strong>de</strong> agua. Anteriorm<strong>en</strong>te alev<strong>en</strong>to <strong>de</strong> infiltración, fracciones <strong>de</strong>lagua marina fueron afectadas por procesos<strong>de</strong> evaporación <strong>en</strong> un ambi<strong>en</strong>telacustre <strong>de</strong>l tipo sabkha, causando la formación<strong>de</strong> <strong>aguas</strong> con composiciónhipersalina.4. Holoc<strong>en</strong>o – Tiempo histórico(10,000 años – reci<strong>en</strong>te): Procesos secundarios,como la interacción <strong>de</strong> los fluidoscon las calizas (observado <strong>en</strong> todaslas muestras <strong>de</strong> agua), la formación <strong>de</strong>metano (<strong>en</strong> los campos <strong>de</strong> Caparroso,Luna y Tizón), y la separacióngravitacional <strong>de</strong> los fluidos por difer<strong>en</strong>cias<strong>en</strong> su <strong>de</strong>nsidad, así como el asc<strong>en</strong>soInstituto <strong>de</strong> Investigaciones Eléctricas175
T<strong>en</strong><strong>de</strong>ncias tecnológicas<strong>de</strong> vapor con<strong>de</strong>nsado <strong>en</strong> las partes superiores<strong>de</strong>l acuífero, causaron modificaciones<strong>en</strong> la composición química eisotópica primaria <strong>de</strong>l agua infiltrada.Por otro lado, la disolución <strong>de</strong> halita <strong>de</strong>domos <strong>de</strong> sales y la filtración por membranas<strong>de</strong> lutitas son procesos <strong>de</strong> m<strong>en</strong>orimportancia <strong>en</strong> el caso <strong>de</strong>l ActivoLuna. La Figura 5 muestra gráficam<strong>en</strong>teuna g<strong>en</strong>eralización <strong>de</strong> los posiblesprocesos secundarios <strong>de</strong> la interacciónagua-roca <strong>en</strong> yacimi<strong>en</strong>tos <strong>petroleros</strong>.5. Reci<strong>en</strong>te: Durante los últimos15 años, la explotación <strong>de</strong>l yacimi<strong>en</strong>topetrolero <strong>de</strong>l Activo Luna causó laperturbación <strong>de</strong> los acuíferos locales,incluy<strong>en</strong>do el abatimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong>l nivelpiezométrico <strong>de</strong> los pozos productoresy procesos <strong>de</strong> conificación <strong>de</strong>bidoa la invasión <strong>de</strong> agua <strong>en</strong> los pozos.Como b<strong>en</strong>eficio directo para laadministración tecnológica y un mejoraprovechami<strong>en</strong>to <strong>de</strong>l yacimi<strong>en</strong>to <strong>en</strong> elfuturo, se propuso la <strong>de</strong>sviación horizontal<strong>de</strong> los pozos durante la perforación,<strong>de</strong>bido a que la migración <strong>de</strong> las<strong>aguas</strong> se pres<strong>en</strong>ta <strong>en</strong> su mayoría <strong>en</strong> relacióncon fallas verticales. Dicha técnicase está aplicando reci<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te <strong>en</strong> losnuevos pozos perforados para: a) seccionarvarias fallas <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la mismazona productora y, b) mant<strong>en</strong>er unadistancia más gran<strong>de</strong> al nivelpiezométrico <strong>de</strong>l acuífero subyac<strong>en</strong>te alpetrolero.Activo Cactus - Sitio Gran<strong>de</strong>,ChiapasFigura 4. Mo<strong>de</strong>lo hidrogeológico <strong>de</strong> la evolución <strong>de</strong>l yacimi<strong>en</strong>to petrolero <strong>de</strong>lActivo Luna <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el periodo Jurásico hasta el Reci<strong>en</strong>te.El Activo Cactus-Sitio Gran<strong>de</strong>, ubicado<strong>en</strong> la frontera <strong>en</strong>tre los estados <strong>de</strong>Chiapas y Tabasco, ti<strong>en</strong>e una producciónacumulada <strong>de</strong> aceite crudo <strong>de</strong>864.55 millones <strong>de</strong> barriles (MMBLS;<strong>de</strong>s<strong>de</strong> 1975) como parte <strong>de</strong> un yacimi<strong>en</strong>to<strong>de</strong> calizas <strong>de</strong> edad Jurásico Superior-Cretácico Superior, extraído <strong>de</strong> una profundidad<strong>de</strong> 3,500 a 4,500 m. Aparte,un volum<strong>en</strong> acumulado <strong>de</strong> 82.16MMBLS <strong>de</strong> agua <strong>de</strong> formación, extraído<strong>en</strong> conjunto con el crudo, repres<strong>en</strong>ta un total <strong>de</strong> 9.5% <strong>de</strong> los fluidos <strong>de</strong>l yacimi<strong>en</strong>to.Durante los últimos cinco años, las invasiones <strong>de</strong> agua <strong>en</strong> la zona <strong>de</strong>producción aum<strong>en</strong>taron significativam<strong>en</strong>te, causando pérdidas económicas <strong>de</strong>bidoa la inundación y el cierre subsigui<strong>en</strong>te <strong>de</strong> los pozos <strong>petroleros</strong> afectados.Como primera hipótesis <strong>de</strong> trabajo, se relacionó dicha invasión <strong>de</strong> aguacon las consecu<strong>en</strong>cias <strong>de</strong> la inyección artificial <strong>de</strong> agua superficial y residual alyacimi<strong>en</strong>to. En total, se inyectaron 608.11 MMBLS <strong>de</strong> agua <strong>de</strong> lagunas y ríos<strong>en</strong> el periodo <strong>de</strong> 1978 a 1996, y 11.69 MMBLS <strong>de</strong> agua residual <strong>en</strong>tre 1996 y2000 con el fin <strong>de</strong> movilizar el fr<strong>en</strong>te <strong>de</strong> crudo <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la zona inyectora hacia lazona productora. Para estudiar el orig<strong>en</strong> <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong> producidas <strong>en</strong> los pozos<strong>petroleros</strong>, la Ger<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> Geotermia aplicó un conjunto <strong>de</strong> análisis isotópicos(D, 18 O, 13 C, 37 Cl, Tritio, 14 C, 36 Cl, 129 I) para el estudio <strong>de</strong> 30 pozos productoresafectados (Birkle y Portugal, 2001; Birkle, 2001b).Como resultado, la composición química e isotópica heterogénea, aligual que el rango <strong>de</strong> los sólidos disueltos totales <strong>de</strong> 15 g/l a 257 g/l, indicanque el agua <strong>de</strong>l yacimi<strong>en</strong>to petrolero no forma parte <strong>de</strong> un sólo acuífero regional,sino repres<strong>en</strong>tan acuíferos locales aislados, separados por estructuras tectónicas(fallas normales e inversas) y formaciones geológicas <strong>de</strong> baja permeabilidad.La Figura 6 (Sección A-A’ <strong>de</strong> la Figura 7) muestra un mo<strong>de</strong>lo hidrogeológico<strong>de</strong>l campo Cactus-Níspero <strong>en</strong> dirección SSW-NNE.Cuatro acuíferos pue<strong>de</strong>n ser distinguidos <strong>en</strong> esta zona: a) el Grupo 1con agua <strong>de</strong> tipo salubre (SDT: 15 – 22 g/l) con conc<strong>en</strong>traciones más bajas <strong>de</strong>176 Instituto <strong>de</strong> Investigaciones Eléctricas
Boletín IIE, julio-agosto <strong>de</strong>l 2001Figura 5. Procesos secundarios <strong>de</strong> la interacción <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> subterráneas conlas formaciones geológicas, como procesos <strong>de</strong> mezcla, formación <strong>de</strong> metano ola filtración por membranas <strong>de</strong> lutita. Dichos efectos modifican la composiciónisotópica y química primaria <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong>.14C (0.9 – 2.7 pMC), indicando una edad <strong>de</strong> flujo pistón <strong>en</strong>tre 29,000 y 38,000años; b) el Grupo 2 con conc<strong>en</strong>traciones elevadas <strong>de</strong> 14 C (5.6 – 12.8 pMC), untiempo <strong>de</strong> resi<strong>de</strong>ncia m<strong>en</strong>or (23,200 – 16,500 años) y una composición químicahipersalina (105 – 186 g/l); c) el Grupo 3 muestra una composición intermedia<strong>en</strong>tre los Grupos 1 y 2; y d) el Grupo 4, repres<strong>en</strong>tado por el pozoNíspero-80, con una edad <strong>de</strong> 30,500 años y una salinidad elevada <strong>de</strong> 147 g/l.Ambos, el acuífero <strong>de</strong>l Cretácico Superior (Grupo 1) y <strong>de</strong>l Cretácico Medio eInferior (Grupo 2) <strong>de</strong>l campo Cactus están fluy<strong>en</strong>do hacia el NE y se mezclan<strong>en</strong> el campo Níspero para formar el acuífero <strong>de</strong>l Grupo 3.En g<strong>en</strong>eral, la distribución <strong>de</strong>las isolíneas <strong>de</strong> los difer<strong>en</strong>tes isótoposaplicados nos indica una t<strong>en</strong><strong>de</strong>nciag<strong>en</strong>eral <strong>de</strong> los flujos <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el SW hacíael NE, lo cual es consist<strong>en</strong>te conla ori<strong>en</strong>tación principal <strong>de</strong> las microfracturas<strong>de</strong> las calizas y <strong>de</strong> las fallasnormales registradas. Como ejemplo,la Figura 7 ilustra la distribución lateral<strong>de</strong>l isótopo Deuterio <strong>en</strong> un plano<strong>de</strong> los campos Cactus-Níspero y SitioGran<strong>de</strong>-Río Nuevo con t<strong>en</strong><strong>de</strong>ncia <strong>de</strong>migración hacia el NE.A<strong>de</strong>más, difer<strong>en</strong>cias consi<strong>de</strong>rables<strong>en</strong> la composición isotópica <strong>en</strong>trelas <strong>aguas</strong> <strong>de</strong>l campo Cactus-Níspero y<strong>de</strong>l campo Sitio Gran<strong>de</strong>-Río Nuevo indicanuna separación hidráulica <strong>en</strong>treambos yacimi<strong>en</strong>tos (ver Figura 7).Con respecto al efecto <strong>de</strong> inyección<strong>de</strong> agua superficial, los resultados<strong>de</strong>l fechami<strong>en</strong>to con isótoposradiactivos están indicando la aus<strong>en</strong>cia<strong>de</strong> agua reci<strong>en</strong>te <strong>en</strong> el yacimi<strong>en</strong>topetrolero <strong>de</strong>l campo Cactus. Las conc<strong>en</strong>tracionesbajas <strong>de</strong> 14 C <strong>de</strong> 0.9 pMCa 12.8 pMC reflejan una edad <strong>de</strong>l periodoglacial (Pleistoc<strong>en</strong>o Tardío) <strong>en</strong>tre16,000 años y 48,000 años para las<strong>aguas</strong> <strong>profundas</strong> <strong>de</strong>l yacimi<strong>en</strong>to. Lafalta <strong>de</strong> la llegada directa <strong>de</strong> agua superficialinyectada a la zona productora<strong>de</strong>l yacimi<strong>en</strong>to Cactus se pue<strong>de</strong>explicar por las sigui<strong>en</strong>tes hipótesis: a)la falta <strong>de</strong> comunicación lateral <strong>en</strong>trela zona productora (Figura 6: C-41,C-341, C-47, C-73, C-65, N-80, N-93) yla zona inyectora (Figura 6: C-30, N-114), localizada unos ci<strong>en</strong>tos <strong>de</strong> metrosmás profunda que la anterior; b)un sistema <strong>de</strong> flujo hidrodinámico convelocida<strong>de</strong>s elevadas como parte <strong>de</strong> unyacimi<strong>en</strong>to altam<strong>en</strong>te fracturado, causandola migración hacia fuera <strong>de</strong> lazona <strong>de</strong>l producción (aparte que yapasaron cinco años <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la últimainyección <strong>de</strong> agua superficial), y/o c)cantida<strong>de</strong>s insignificantes <strong>de</strong> agua inyectada<strong>en</strong> comparación con la abundancia<strong>de</strong> fluidos naturales <strong>en</strong> el yaci-Instituto <strong>de</strong> Investigaciones Eléctricas177
T<strong>en</strong><strong>de</strong>ncias tecnológicasmi<strong>en</strong>to, evitando la <strong>de</strong>tección <strong>de</strong> cualquiercompon<strong>en</strong>te atmosférico.Como conclusión para la operación<strong>de</strong>l campo, se recomi<strong>en</strong>da lacontinuación <strong>de</strong> la aplicación <strong>de</strong> la técnica<strong>de</strong> inyección <strong>en</strong> una forma mo<strong>de</strong>rada,usando pozos con una difer<strong>en</strong>cia<strong>de</strong> profundidad mínima <strong>de</strong> 500 ma los pozos productores y que no esténori<strong>en</strong>tados <strong>en</strong> una línea <strong>de</strong>l SW alNE <strong>en</strong> conjunto con los pozos productores.Como aplicación práctica,dichas propuestas están si<strong>en</strong>do consi<strong>de</strong>radaspor el personal técnico <strong>de</strong> PEP<strong>de</strong> Diseño <strong>de</strong> Explotación <strong>de</strong>l CampoCactus-Sitio Gran<strong>de</strong>, con el fin <strong>de</strong> evitarun aum<strong>en</strong>to <strong>de</strong>l porc<strong>en</strong>taje <strong>de</strong> agua<strong>en</strong> los pozos <strong>petroleros</strong>.Figura 6. Sección hidrogeológica <strong>de</strong> la zona <strong>de</strong> Cactus y Níspero con lasformaciones geológicas <strong>de</strong>l yacimi<strong>en</strong>to (UC: Cretácico Superior, CS:Calcar<strong>en</strong>ita, MC: Cretácico Medio, LC: Cretácico Inferior, UJT: JurásicoSuperior) y los grupos <strong>de</strong> acuíferos <strong>de</strong>finidos (Localización <strong>de</strong> la sección A-A’<strong>en</strong> la Figura 7).ConclusionesLa aplicación <strong>de</strong> una variedad <strong>de</strong> métodosisotópicos para <strong>aguas</strong> naturales<strong>en</strong> los campos <strong>petroleros</strong> <strong>de</strong>l <strong>Golfo</strong> <strong>de</strong>México dio los sigui<strong>en</strong>tes resultadospara un manejo más efici<strong>en</strong>te <strong>de</strong> laextracción petrolera:En el caso <strong>de</strong>l Activo Luna, se<strong>de</strong>terminaron las fallas normales e inversascomo conducto principal parael asc<strong>en</strong>so <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong> <strong>de</strong> formaciónhacia los pozos productores. Por otrolado, la heterog<strong>en</strong>eidad <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong> <strong>en</strong>los campos individuales <strong>de</strong>l activo indicala poca comunicación <strong>en</strong> direcciónlateral <strong>en</strong>tre las subcu<strong>en</strong>cas. Paraevitar un increm<strong>en</strong>to <strong>de</strong> las invasiones<strong>de</strong> agua <strong>en</strong> los pozos productores, se propone la perforación <strong>de</strong> pozos<strong>de</strong>sviados para aprovechar la migración <strong>de</strong> aceite crudo vía estructuras verticales.El fechami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong> <strong>de</strong> formación <strong>de</strong>l Activo Cactus-Sitio Gran<strong>de</strong>con los isótopos radiactivos <strong>de</strong> Tritio, 14 C, 36 Cl y 129 I resultó <strong>en</strong> una edadglacial <strong>de</strong>l Pleistoc<strong>en</strong>o Tardío <strong>de</strong> dichas <strong>aguas</strong>. Este resultado refleja la aus<strong>en</strong>cia<strong>de</strong> <strong>aguas</strong> superficiales <strong>de</strong> edad reci<strong>en</strong>te <strong>en</strong> el yacimi<strong>en</strong>to, el cual se inyectóartificialm<strong>en</strong>te para movilizar el fr<strong>en</strong>te <strong>de</strong>l aceite crudo. Para evitar la llegadadirecta <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong> inyectadas a la zona productora, se propone el manejo <strong>de</strong>pozos inyectores afuera <strong>de</strong>l conducto principal <strong>de</strong> los fluidos <strong>en</strong> dirección SW-NE.Refer<strong>en</strong>cias• Arav<strong>en</strong>a R., L. I. Wass<strong>en</strong>aar y L. N. Plummer. Estimating 14 C groundwater ages in a methanog<strong>en</strong>ic aquifer, <strong>en</strong>: Water Resources Research, v.31, 1995, p. 2307-2317.• Birkle P. y E. Portugal. Caracterización química e isotópica <strong>de</strong> los acuíferos profundos <strong>de</strong>l campo Cactus. Informe final IIE/11/11840/II01F, Instituto <strong>de</strong> Investigaciones Eléctricas, México, 2001, 169p.• Birkle P., E. Portugal et al. Evolution and origin of <strong>de</strong>ep reservoir water at the Activo Luna Oil field, Gulf of Mexico, <strong>en</strong>: American Associationof Petroleum Geologist (AAPG) Bulletin, 2002.• Birkle P. Chemical and isotopic evolution of formation water at the Activo Luna oilfield, Mexico, <strong>en</strong>: Water-Rock Interaction, R. Cidu (ed.),Balkema Publishers, 2001a, p. 1481-1484.178 Instituto <strong>de</strong> Investigaciones Eléctricas
Boletín IIE, julio-agosto <strong>de</strong>l 2001Figura 7. Localización <strong>de</strong> los pozos <strong>de</strong> producción muestreados <strong>de</strong>l ActivoCactus-Sitio Gran<strong>de</strong>, así como las isolíneas <strong>de</strong> la distribución <strong>de</strong> <strong>de</strong>uterio y ladirección interpretada <strong>de</strong>l flujo subterráneo.Peter BirkleLic<strong>en</strong>ciado <strong>en</strong> Geología por la Facultad <strong>de</strong> Ci<strong>en</strong>cias<strong>de</strong> la Tierra <strong>de</strong> la Universidad <strong>de</strong> Tübing<strong>en</strong>,Alemania (1988), postgrado <strong>en</strong> la Universidad<strong>de</strong> Arizona-Tempe (1989); maestría <strong>en</strong> Geología,especialidad <strong>en</strong> Petrología, Geocronologíay Geoquímica por la Universidad <strong>de</strong> Tübing<strong>en</strong>(1992) y doctorado <strong>en</strong> Hidrogeología e IsotopíaAmbi<strong>en</strong>tal <strong>en</strong> la Universidad Técnica <strong>de</strong>Freiberg, Alemania (1998).En 1993, ingresó como asesor técnico y<strong>de</strong>s<strong>de</strong> 1994 como investigador <strong>en</strong> la Ger<strong>en</strong>cia<strong>de</strong> Geotermia <strong>de</strong>l IIE. Ha dirigido varios proyectosrelacionados con el <strong>de</strong>sarrollo y la exploración<strong>de</strong> los recursos <strong>en</strong>ergéticos <strong>en</strong> yacimi<strong>en</strong>tosgeotérmicos y <strong>petroleros</strong>. Ha <strong>de</strong>sarrolladonuevos métodos <strong>de</strong> isotopía para <strong>de</strong>terminarel orig<strong>en</strong> y la migración hidráulica <strong>de</strong><strong>aguas</strong> invadidas a los pozos <strong>petroleros</strong>.Coautor <strong>de</strong> dos libros técnicos y autor <strong>de</strong>18 artículos publicados <strong>en</strong> revistas internacionalesincluidas <strong>en</strong> el Sci<strong>en</strong>ce Citation In<strong>de</strong>x.A<strong>de</strong>más ha participado <strong>en</strong> más <strong>de</strong> 25 confer<strong>en</strong>ciasa nivel nacional e internacional. Poseeel nombrami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Investigador Nacional porel Sistema Nacional <strong>de</strong> Investigadores <strong>de</strong>s<strong>de</strong>1998.birkle@iie.org.mx• Birkle P. Deep aquifer systems of geothermal and petroleum reservoirs in Mexico, <strong>en</strong>: New Approaches Characterizing Groundwater Flow, K.-P. Seiler & S. Wohnlich (eds), A.A. Balkema Publishers, 2001b, p. 911-915.• Birkle, P., E. Portugal Marín et al. Estudio isotópico <strong>de</strong> los acuíferos profundos <strong>de</strong> los campos <strong>petroleros</strong> <strong>de</strong>l Activo Luna, Informe final IIE/11/11472/I 02/F, Instituto <strong>de</strong> Investigaciones Eléctricas, México, 1999, 91 p.• Fritz P., S. K. Frape y M. Miles. Methane in the crystalline rocks of the Canadian Shield, <strong>en</strong>: Saline Water And Gases In Crystalline Rocks,Geological Association of Canada Special Paper 33, P. Fritz y S.K. Frape (ed.), p. 211-223.• Hoefs J. Stable Isotope Geochemistry. Springer, 1987, 237 p.• Pearson F.J. Jr. y B. B. Hanshaw. Sources of dissolved carbonate species in groundwater and their effects on carbon-14 dating, <strong>en</strong>: Isotopehydrology, Proceedings Symposium, Vi<strong>en</strong>a, IAEA-SM-129/18, 1970, p. 271-286.• Report to Congress. Exploration, <strong>de</strong>velopm<strong>en</strong>t and production of cru<strong>de</strong> oil, natural gas, and geothermal <strong>en</strong>ergy, vol. 1: Oil and gas. EPA/530/SW-88/OO3A, U.S. EPA, Washington D.C., 1987.• Stahl W.J. Carbon isotopes in petroleum geochemistry, <strong>en</strong>: Lectures in Isotope Geology, E. Jäger y J.C. Hunziker (eds.), 1979, p. 274-282.• Vogel J.C. Variability of carbon isotope fractionation during photosynthesis, <strong>en</strong>: Stable Isotopes and Plant Carbon - Water Relations, J.R.Ehleringer, A.E. Hall y G.D. Farquhar (eds.), Aca<strong>de</strong>mic Press, San Diego, CA, p. 29-38.Instituto <strong>de</strong> Investigaciones Eléctricas179