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Una Aproximación a la Distribución de la Zona Dorada en Colombia

Omar A. Mercado (1) • Carlos A. Vargas (2), Universidad Nacional de Colombia(1) oamercadod@unal.edu.co • (2) cavargasj@unal.edu.co

Resumen

Información gravimétrica fue utilizada para la estimación del espesor sedimentario en las cuencas sedimentarias continentales del territorio colombiano y algunas áreas periféricas de Venezuela, Perú y Ecuador. Los resultados de esta inversión fueron calibrados con otros datos geológicos y geofísicos (datos de pozo y sísmica); posteriormente, se utilizaron datos de gradiente geotérmico para determinar una aproximación del mapa de la Zona Dorada en Colom-bia. Este mapa se constituye como una guía exploratoria para la industria de los hidrocarburos, así como una primera herramienta de consulta regional para evaluar la probabilidad de excedencia que la presión de poro supere los esfuer-zos de confinación en la roca y aumenten riesgos durante los ejercicios de perforación.

Palabras clave: Espesor sedimenario, gradiente geotérmico, anomalías de gravedad, Zona Dorada, Colombia

Introducción

Los ejercicios exploratorios de petróleo y gas generalmente se basan en la determinación de los elementos del sistema petrolero en una cuenca de interés. Los recientes avances en la compren-sión de los procesos diagenéticos que controlan la evolución en sub-superficie de la porosidad y la permeabilidad al aumentar la temperatura y la presión han dado lugar a nuevos modelos de mi-gración de hidrocarburos y la eficacia de su cap-tura. La zona de acumulación o Zona Dorada (Gol-den Zone) es un concepto relativamente reciente que se refiere a una zona de transición entre la zona de expulsión y la suprayacente zona de com-pactación mecánica (Nadeau, 2008).

Los fallos en el sellado, la migración de hidro-carburos, y los riesgos generales de exploración son los nuevos objetivos de la investigación en

hidrocarburos. Esto se evidencia por los nume-rosos pozos de exploración para encontrar sólo las columnas de hidrocarburos residuales de las ex-grandes acumulaciones de petróleo y gas en yacimientos de gran calidad cuyos sellos habían fracasado debido a la sobrepresión del fluido a una profundidad aproximada de 4km y tempera-turas mayores a 120 ° C (Nadeau, 2011).

Los hidrocarburos se forman en las rocas pro-fundas a temperaturas superiores a 120°C. Son expulsados y migran a través de fracturas para acumularse en las rocas del yacimiento más arri-ba, donde la temperatura es inferior a 120°C, esta es la zona de acumulación o “Golden Zone”. El límite superior de la gran trampa se encuen-tra a 60°C donde las fracturas hidráulicas tienden generalmente a desaparecer (Buller et. al., 2005).

Abstract

Gravimetric data was used to estimate the sediment thickness in continental sedimentary basins of Colombia and some outlying areas of Venezuela, Peru and Ecuador. The results of this geophysical inversion were calibrated with other geological and geophysical data (e.g. seismic and well data); subsequently we used geothermal gradient in order to determine a first version map of the Golden Zone in Colombia. This map is a guide for the oil and gas industry due it is a first tool for regional consultation to assess the probability of exceedance of the pore pressure that exceeds the confinement stress in the rock, normally used for avoiding risks during drilling exercises.

Keywords: Sedimentary thickness, Geothermal Gradient, Gravity Anomalies, Golden Zone, Colombia

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De la Fig. 1 se pueden dedu-cir las diferentes zonas térmicas en las cuencas sedimentarias. Una primera es la zona más profunda o zona empobrecida, con tempe-raturas mayores a 200°C, donde es prácticamente nula la posibilidad de encontrar hidrocarburos. Luego podemos identificar la zona de ex-pulsión que se encuentra entre los 120ºC y 200ºC, donde típicamente se ubica la roca fuente o de origen. Un poco más arriba encontramos la zona de acumulación o “Golden Zone” con temperaturas entre los 60ºC y 120ºC; y por último la zona de compactación con temperaturas inferiores a los 60ºC.

Figura 1. Zonas térmicas en las cuencas sedimentarias. Tomado de Nadeau. (2011)

Basados en los conceptos ante-riores, en este trabajo utilizaremos información geológica y geofísica para determinar la zona de acumu-lación en las cuencas sedimentarias continentales de Colombia.

Sobrepresión en las Cuencas Sedimentarias

La sobrepresión en las cuen-cas eleva la probabilidad de falla en el sellado. Esta sobrepresión se alcanza cuando se aumenta drás-ticamente cierta profundidad y temperatura. La temperatura críti-ca de 120°C se alcanza aproxima-damente a 4km de profundidad en

el promedio de cuencas en el mun-do, y es en torno a esta profundi-dad donde el gradiente de presión hidrostática se acerca al gradien-te de presión litostática (ver Fig. 2). La industria del petróleo nor-malmente utiliza los valores de 149°C (300°F) y aproximadamente 15 PPG, para definir entornos de perforación con alta presión – alta temperatura (HPHT).

Metodología Empleada

El concepto de la Zona Dorada se basa en un estudio estadísti-co que establece que los grandes hallazgos o campos gigantes de

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Figura 2. Sobrepresión en las cuencas sedi-mentarias. Tomado de Nadeau. (2011)

hidrocarburos en el mundo tie-nen en común dos variables prin-cipalmente, la cuenca posee un importante espesor sedimentario y garantizado en este espesor, las unidades reservorios deben estar a una profundidad donde el gradien-te geotérmico presente el rango de temperatura entre 60ºC y 120ºC. Aun desconociendo la configura-ción del sistema petrolífero en la cuenca sedimentaria, la conjuga-ción de ambas variables permi-te definir una zona con la mayor probabilidad de acumulación de hidrocarburos. Figura 3. Gráfica de anomalía de Bouguer y la tendencia regional.

En Colombia no se cuenta con un mapa que reúna la infor-mación de los diferentes espesores sedimentarios en las cuencas continentales a una escala de suficiente resolución. Este es un importante reto de la geofísica en busca de elaborar guías ex-ploratorias regionales. Para el efecto, se ha utilizado información gravimétrica disponible en bases de datos públicas para la cons-trucción de un mapa de espesores sedimentarios. Posteriormen-te, la información del gradiente geotérmico será combinada para la definición de la Zona Dorada.

Espesor de las Cuencas Sedimentarias: Aproximación Regional

El espesor sedimentario se puede estimar a partir de las anomalías residuales de gravedad a lo largo de perfiles regu-larmente distribuidos. La superficie del basamento cristalino es equivalente a una serie de prismas yuxtapuestos, donde el punto medio de cada uno de estos prismas esta debajo y per-pendicular a un punto de anomalía (Sari & Salk, 2004). La hi-pótesis de esta aproximación se reduce a concebir el gradien-te vertical de la anomalía de la gravedad de cualquier prisma como constante, y por lo tanto, corresponde a una medida de profundidad que depende únicamente del contraste de densi-dades de los dos tipos de roca en contacto. Una consideración adicional asume que el perfil de anomalía de gravedad debe cubrir completamente la estructura a estudiar y que la tenden-cia regional sea lineal como se observa en la Fig. 3.

Anomalías de Bouguer y Regional

Prof

undi

dad

(km

)

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(3)

La transformada inversa está dada como:

(4)

Donde u y v son los números de ondas en las direcciones “X” y “Y”.

Debido a que la transformada de Fourier de un campo potencial causado por un cuerpo pris-mático presenta una amplitud de espectro de potencia, entonces se puede aplicar al método de Spector y Grant (1970). Donde en un grafico de “número de onda Vs logaritmo de la poten-cia” se determinan las pendientes más relevantes que representan los efectos locales, intermedios y profundos. La pendiente intermedia presenta una relación directa con la profundidad en que se localiza un contraste de densidades como se muestra en la Fig. 5. Para obtener la profundidad del tope de un cuerpo geológico deseado se uti-liza la ecuación 5.

(5)

Donde h es la profundidad de la interface roca sedimentaria-Basamento, y m es la pendiente determinada dentro del espectro de potencia. Para la grilla analizada se utilizaron perfiles con datos espaciados a 1km entre estaciones.

Las celdas utilizadas para el análisis espectral fueron de un tamaño de 1°x1° y un sobrelapa-miento de 0.5° como se muestra en la Fig. 6. La profundidad calculada para cada celda se ubica en el centro de la misma, obteniendo el valor de profundidad para cada uno de los nodos que compone la grilla. Una posterior comparación con datos disponibles de pozos o registros sís-micos permitió ajustar la profundidad. La malla

Bajo las anteriores consideraciones, la ano-malía de gravedad Δg(k) = Δg(xk) en cualquier punto P(xk), para un dique (Ver Fig. 4), está de-finida mediante la ecuación 1 (Rao & Murthy, 1978). La solución inversa se obtiene median-te el uso del método de optimización de Mar-quardt (1963).

(1)

donde:

(2)

Figura 4. Modelo de diques para la inversión de anomalías gravimétricas. Tomado de Rao (1991).

Tratamiento Espectral

El trazado de diferentes perfiles de anomalías permite la construcción de una grilla de tamaño regular con datos en el dominio del espacio. La utilización de la Transformada Rápida de Fou-rier (FFT) permite llevar al dominio de número de onda dichos perfiles (ciclos por km), con una componente real y una imaginaria. La transfor-mada de Fourier en el dominio espacial f(x,y) está definida por la ecuación 3:

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Figura 5. Ejemplo del espectro de potencia de una de las celdas utilizadas.

Figura 6. Ejemplo del sobrelapamiento del 50% entre celdas.

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Figura 7. Mapa de gradiente geotérmico de Colombia. Tomado de Vargas et al. (2009).

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Figura 8. Mapa de espesor sedimentario de Colombia.

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Figura 9. Mapa Zona Dorada o “Golden Zone” para Colombia.

de profundidades fue entonces in-terpolada para estimar una super-ficie que representa el techo del basamento cristalino o el espesor sedimentario.

Gradiente Geotérmico de Colombia

La ANH en el 2008 publicó el mapa de gradiente geotérmico de Colombia basado en información de datos de temperaturas de pozos en varias cuencas sedimentarias (Var-gas et al. 2009). Como se observa en la Fig. 7, este mapa muestra informa-ción en aproximadamente 50% del territorio continental de Colombia. Recientemente Vargas et al. (2015) presentó estimaciones del punto de Curie y a su vez datos de gradiente geotérmico a partir de información magnética. En este trabajo se utilizó dicha información para controlar las áreas donde el mapa de la ANH no presenta información.

Resultados

Los resultados obtenidos de la inversión de anomalías gravimétri-cas y ajustados con información de pozo y sísmica se pueden observar en la Fig. 8. Este es un mapa de es-pesor sedimentario para las cuen-cas continentales de Colombia.

El máximo espesor sedimentario estimado para Colombia alcanza los 11km en la cuenca Cordillera Orien-tal, mientras que la cuenca de los Llanos Orientales presenta un máxi-mo espesor hacia el piedemonte que supera los 8km y se adelgaza

hacia el Oriente. Otros importan-tes espesores se encuentran en las cuencas Caguán-Putumayo, Choco, Urabá, Cauca-Patía, Valle Inferior

del Magdalena, Tumaco, Cesar-Ran-chería y Sinú–San Jacinto, los cuales superan en algunos sectores los 3 km de cobertura sedimentaria.

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Tabla 1. Síntesis de los principales resultados de las cuencas colombianas.

Relacionando los resultados de espesor sedi-mentario en las diferentes cuencas continentales de Colombia y asumiendo que el comportamien-to del gradiente geotérmico en la parte más su-perficial de la corteza es lineal, obtenemos una versión de la Zona Dorada o “Golden Zone” para Colombia (Fig. 9).

Las zonas de color amarillo más denso garan-tizan la presencia de la Zona Dorada completa, mientras que en zonas con amarillo más claro se

CUENCA MÁXIMO ESPESORSEDIMENTARIO

GRADIENTEGEOTÉRMICO SECTOR

GOLDEN ZONE60ºC 120ºC

Guajira 2.9km 22°C/km Sur 2.7km 5.4kmSinú 3.9km 19°C/km La mayor parte de la cuenca 3.1km 6.3kmCatatumbo 4.4km 31°C/km Sur 1.9km 3.9kmTumaco 3.5km 18°C/km Casi toda la Cuenca 3.3km 6.6km

Cauca-Patia 5.1km24°C/km Centro 2.5km 5.0km22°C/km Norte 2.7km 5.4km23°C/km Sur 2.6km 5.2km

CesarRanchería 1.9km

34°C/km Sur 1.7km 5.4km31°C/km Norte 1.9km 3.8km

VIM 4.1km 22°C/km La mayor parte de la cuenca 2.7km 5.4km

VSM 9.8km22°C/km Norte 2.7km 5.4km26°C/km Centro 2.3km 4.6km25°C/km Sur 2.4km 4.8km

VMM 8.1km18°C/km Norte 3.3km 6.6km22°C/km Centro 2.7km 5.4km24°C/km Sur 2.5km 5.0km

CordilleraOriental 10.8km

22°C/km Nor-este 2.7km 5.4km36°C/km Centro 1.7km 3.3km24°C /km Sur-oeste 2.5km 5,0km

Amagá 1.3km 22°C/km La mayor parte de la cuenca 2.7km 5.4km

Chocó 6.6km20°C/km Norte 2.9km 5.9km17°C/km Sur 3.5km 7.1km

LlanosOrientales 8.7km

29°C/km Norte 2.1km 4.1km31°C/km Centro 1.9km 3.9km40°C/km Sur-oeste 1.5km 3.0km

Caguán-Putumayo 4.3km 22°C/km Norte 2.7km 5.4km

garantiza parcialmente. En las zonas verdes no se garantiza la Zona Dorada, las zonas verdes oscu-ras por fuera de Colombia no fueron verificadas.

Una síntesis de los resultados para las cuencas colombianas se presenta en la Tabla 1. Las celdas en amarillo sugieren que la Zona Dorada o Golden Zone se encuentra garantizada a la profundidad y tempe-ratura indicadas. Las celdas verdes sugieren su ausen-cia debido a que el rango de temperatura 60-120ºC se encuentra por debajo del espesor sedimentario.

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Conclusiones

Desde el punto de vista de la Zona Dorada o “Golden Zone”, la distribución de los hidrocarburos en las cuencas sedimentarias colombianas como resultado de la conjugación de un potente espesor sedimentario y una temperatura ideal, se encuentra en la mayor parte de las cuencas continentales de Colombia, ya sea por una migración dinámica desde las rocas generadoras, o por una remigración desde zonas con presiones excesivas.

El hecho de que la zona de acumulación se limite a un intervalo de temperatura restringido entre 60 a 120ºC, desestima la idea de encontrar grandes trampas en cuencas con espesores no tan potentes.

La Zona Dorada no puede constituirse en una regla infalible para las zonas de acumulación de hidrocarburos, restringiendo las posibilidades de hallazgo de nuevas zonas de explotación. Sin embargo, este concepto es una interesante he-rramienta para mejorar el conocimiento que se tiene sobre las cuencas sedimen-tarias y su potencial hidrocarburífero.

Referencias

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