1. INTRODUCCIN Porqu aplicar geoqumica en La Exploracin de Hidrocarburos Provee Respuestas: Carga: Calidad, Migracin, Conectividad en la historia Volumen: Preservacin Impacta directamente en la reduccin del riesgo exploratorio!!! Sistemas petrolferos Incluye todos los elementos y procesos geolgicos esenciales para que existan acumulaciones de hidrocarburos. Elementos esenciales Roca generadora, roca almacenadora, roca sello y roca de sobrecarga. Procesos Formacin de las trampas, generacin-migracin y acumulacin de hidrocarburos.

La figura 1.1, muestra algunos de los anlisis que se le hacen al petrleo para caracterizarlo y compararlo con los anlisis que se hacen al bitumen para establecer la posible roca fuente.

Ciento (111) once crudos

Los crudos tienen huellas digitales que pueden 12 Cretceo preservarse en los yacimientos 95 Terciario

CICLOHEXANO 2 METIL CICLOHEXANO 3 METIL CICLOHEXANO

Fraccin C15n-HEPTANO METIL CICLOHEXANO

Cromatograma rena A ATOLUENO 1,1,3,TMCICLOHEPTANO+2,3 DIMETILHEXANO 2 METIL HEPTANO 4 METILHEPTANO 3 METIL HEPTANO 1,4 DIMETILCICLOHEXANO

Cromatograma rena B Am-XILENO o-XILENO

Modificado Rangel 2007

Figura 1.1. Algunos de los anlisis que se hacen al petrleo para caracterizarlo. 1.1. EVOLUCIN DE LA MATERIA ORGNICA SEDIMENTARIA 2.000 m.a.: algas verde azules. Devnico: Diversas formas de fitoplancton Devnico: Aparicin de Plantas terrestre Silrico: Amplia distribucin de plantas terrestres Cretcico Superior: Aparicin de las Plantas Superiores. Terciario: Amplia distribucin de plantas Superiores. La figura 1.2, presenta la evolucin de la materia orgnica a travs de la historia de la tierra.

Figura 1.2. Evolucin de las plantas a travs de la historia del planeta

1.2. FUENTES DE MATERIA ORGNICA Alctona (derivados, detrticos, lavados) o autctona (producida en el ambiente de depositacin). 1.2.1. Materia orgnica Alctona Plantas terrestres y detritos animales Granos de polen y esporas (transportados por el viento o el agua) Kergeno reciclado (viejo) proveniente de rocas sedimentarias

1.2.2. Materia orgnica autctona Fitoplancton (algas, diatomeas, etc.) productores primarios de C por fotosntesis Zooplancton (coppodos, foraminferos, etc.) Peces (necton) Bentos (corales, esponjas, etc.) Bacterias

En la figura 1.3 A, B, y C, se aprecia como se pueden ver al microscopio los diferentes componentes precursores de la materia orgnica proveniente de los tejidos vegetales.

(corteza delgada de tallo)

Figura 1.3A. Corteza delgada de un tallo reciente. Luz reflejada normal y luz reflejada fluorescente 200x

Figura 1.3B. Corteza gruesa de un tallo reciente. Luz reflejada normal y luz reflejada fluorescente 200x

(corteza gruesa de tallo)

Figura 1.3C. Corteza gruesa de un tallo reciente. Luz reflejada normal y luz reflejada fluorescente 200x

En la figura 1.4A y B, los tejidos vegetales han empezado a transformarse

Megaespora?

Funginita Humocolinita

Exsudados

Humotelinita

Figura 1.4A. Tejidos vegetales en las primeras etapas de transformacin (lignito). Luz reflejada normal y luz reflejada fluorescente 200x

Cuticula

Resinita??

Cutinita

Figura 1.4B. Tejidos vegetales en las primeras etapas de transformacin (lignito). Luz reflejada normal y luz reflejada fluorescente 200x.

La figura 1.5 muestra el ciclo de los nutrientes y la materia orgnica dentro de los ocanos, la figura 1.6 la produccin primaria de materia orgnica en los ocanos del mundo, y la figura 1.7, los controles latitudinales en la temperatura superficial del mar en los ocanos Atlntico, Pacfico e Indico, (Brenchley & Harper 1998).

Senda de los nutrientes

Movi miento de la M.O

Figura 1.5. El ciclo de los nutrientes y la materia orgnica dentro de los ocanos (Brenchley & Harper 1998), modificado de Rangel 2007

MATERIA ORGNICA SEDIMENTARIA

Figura 1.6. Produccin primaria de materia orgnica en los ocanos del mundo (Brenchley & Harper 1998), modificado de Rangel 2007

Figura 1.7. Variaciones latitudinales la tempe ratura superficial del mar Variaciones latitudinales en en la temperatura superficial del mar en los ocanos Atlntico, Pacfico e Indico, (Brenchley & Harper 1998), modificado de Rangel 2007. La estratificacin trmica dentro de los ocanos se puede ver en la figura 1.8.

Modificado Rangel 2007 Figura 1.8. La estratificacin trmica dentro de los ocanos, modificado de Rangel 2007.

Es tratificacin trmica dentro de los ocanos a) Ocano tropical b) Lati tudes medi as termoclina en el verano c) Ocanos de latitudes altas temperatura uniforme

1.3. Sistemas Petrolferos Sistema petrolero: Es un sistema natural que incluye todos aquellos elementos y procesos que son esenciales para la existencia de acumulaciones de petrleo y gas. Este tiene que correlacionar una roca madre con todas las acumulaciones de hidrocarburos generados, Figura 1.9A, B y C. Elementos Roca madre Vas de Migracin Roca yacimiento Roca sello Trampa Procesos Generacin Migracin Acumulacin Preservacin

250 MaRaven Teapot

A

Owens

Marginal

A

Cocina R.M madura

Big Oil Just

Ro Ya ca c im ie n to

Hardy

Lucky David

Roca Madre inmadura

Lmite Sistema Petrolero

Figura 1.9A. Esquema que muestra la relacin de los parmetros asociados a un sistema petrolfero, modificado de Rangel 2007.

Extensin geogrfica del sistema petrolero

A

Trampa

Presente

Trampa

Trampa

A

Extensin estratigrfica del sistema petrolero

o nt me se BaAcumulacin de petrleo Tope ventana Base ventana

Sobrecarga Sello Reservorio Roca Madre

Figura 1.9B. Esquema que muestra la extensin geogrfica de un sistema petrolfero, modificado de Rangel 2007.

400

300Paleozoico

200Mesozoico

100Cenozoico

Escala de tiempo Eventos

D

M

P

P

T R

J

K

P

NRoca madre Reservorio Sello Sobrecarga Trampa Origen Gen/Migracin/Acum Gen/Migracin/AcumPreservacin

Momento CrticoMagoon and Dow, Dow,

Momento crtico

Al tiempo de la expulsin y migracin (la trampa ya debe existir Modificado Rangel 2007Figura 1.9C. Esquema que muestra la relacin en el tiempo de los parmetros asociados a un sistema petrolfero, modificado de Rangel 2007.

1.3.1. Momento crtico Es el periodo en el tiempo geolgico, durante el cual ocurri la expulsin, migracin y acumulacin de la mayor parte de los hidrocarburos en una cuenca. 1.3.2. Nombre del sistema petrolfero Incluye el nombre de la roca fuente, seguido por el nombre del almacenador principal y el smbolo que expresa el nivel de certidumbre. Ejemplo: Villeta-Caballos (!) NIVEL DE CERTIDUMBRE SIMBOLO CRITERIOCONOCIDO (!) Correlacin positivas crudo-roca o gas Roca Algunas evidencias indican el origen de los hidrocarburos Sin evidencias

HIPOTETICO

(.)

ESPECULATIVO

(?)

Elementos Procesos

Formacin

1.4. FUENTES DE CARBONO ORGNICO Plancton (marino y lacustre): Fitoplancton (vegetal) Cocolitos, Diatomeas, Dinoflagelados Zooplancton (animal) Foraminiferos, radiolarios Bacterias

Necton (animales marinos y lacustres nadadores) Peces, cetaceos Organismos Bnticos (vegetal, animal, bacterias) Plantas Superiores

1.5. ACUMULACION DE MATERIA ORGNICA (MO) EN DIFERENTES AMBIENTES DEPOSITACIONALES

1.5.1. Desiertos (< 0.05% MO) Materia orgnica cerosa Casi todo se convierte a CO2 y H2O Casi no hay rocas fuentes potenciales (pero las areniscas en el desierto pueden tener alto potencial como roca reservorio).

1.5.2. Llanuras ocenicas abisales (< 0.1% MO)Lodos y fangos pelgicos Los fangos pueden ser calcreos (Ej., a partir de cocolitos, foraminferos) o silceos (Ej., a partir de diatomeas, radiolarios) En la parte central, mas profunda del ocano, las aguas del fondo son insaturadas con respecto a CaCO3 y slice amorfa as: No se pueden formar los fangos (las conchas se disuelven); solamente se pueden acumular arcillas detrticas Mucha de la MO que se produce, se consume o recicla en la columna de agua MO que se sedimenta a travs de la columna de agua para llegar al piso del ocano, puede luego ser consumida por los organismos bnticos

Los pelets fecales permiten el rpido desprendimiento de la materia orgnica en el piso del mar Los nutrientes no son abundantes en la parte central de los ocanos, as la productividad primaria es muy baja

1.5.3. Costas de alta energa (0.20.5% OM) Adecuada productividad los nutrientes con frecuencia provienen de la tierra; hay abundante oxgeno Las olas y las corrientes pueden producir sedimentos gruesos Alta oxigenacin de los sedimentos permeables, pueden producir la biodegradacin temprana (descomposicin biolgica de la materia orgnica a CO2 y agua, figura 1.10.

Figura 1.10. Posibilidades de acumulacin de materia orgnica en costas de alta energa.

1.5.4. Costas de baja energa (0.55% MO) Alta productividad Se depositan lodos o lodos de carbonato Si la tasa de descomposicin biognica de la materia orgnica no es muy alta, se puede producir material fuente de buena calidad

1.5.5. Llanura de inundacin distal y deltas (0.5 > 10% MO) Sedimentacin principalmente arcillosa La materia orgnica es principalmente terrestre (produce kergeno Tipo III y II) Produce mucho carbn y gas y muy posiblemente aceite La figura 1.11, muestra un esquema del transporte de sedimentos en deltas dominados por las mareas.

Sediment transport in tide-dominated deltas

Figura 1.11. Esquema del transporte de sedimentos en deltas dominados por las mareas.

1.5.6. Cuencas cerradas, mares cerrados (< 2 > 10% MO) Alta productividad Arcillas Frecuentemente anxicas Pueden producir rocas fuentes de muy buena calidad.

1.5.7. Lagos, lagunas costeras (< 1 - > 10%)De buena calidad si hay: Bajo aporte de materiales clsticos Sedimentacin de arcillas Aguas estratificadas En muchos casos no estn estratificadas Pueden ser eutrficas (proliferacin de algas)

1.5.8. Pantanos costeros (10 100%) Alta vegetacin; aguas estancadas Produce turba (carbn + metano e hidrocarburos lquidos)

1.6. PRODUCCIN Y ACUMULACIN DE MATERIA ORGNICALa mayor parte del petrleo es de origen biolgico y se deriva de la materia orgnica presente en los sedimentos. La materia orgnica marina se forma en la zona ftica por fitoplancton (productores primarios) que fijan el carbono a travs de la fotosntesis. La mayor productividad se presenta en la parte superficial del ocano, declinando con la profundidad a medida que la penetracin de la luz del sol disminuye, figura 1.12

Productividad Primaria en Ocanos

rea Ocano Abierto Pacifico Ecuatorial Indico Ecuatorial Upwelling Plataforma continental Artico Promedio total

gr C/m2 /ao 18 - 55 180 73 - 90 180 - 3600 50 - 120 1 50 370

Figura 1.12. Produccin y acumulacin de la materia orgnica en el ocano. Mucho del carbono fijado por la fotosntesis en la superficie 100 150 m es reciclado en la columna de agua por el paso a travs de la cadena alimenticia, figura 1.13.

Fitoplancton (diatomeas, algas: productores primarios de MO) se oxidan o son comidos por el zooplancton. Ambos tipos de plancton son luego consumidos por otros organismos superiores. Ellos defecan, produciendo pelets que contienen las partes no digeribles de la materia orgnica, figura 1.13.

Figura 1.13. Cadena alimenticia de los ocanos y preservacin de la materia orgnica Los pelets se sedimentan rpidamente en el fondo, mientras el plancton se degrada en la columna de agua. La materia orgnica que llega al piso del ocano (o lago), puede luego ser consumida por los organismos bnticos. Solamente un porcentaje bajo de la materia orgnica producida es enterrada en los sedimentos, especialmente en las partes ms profundas de los ocanos. La alta productividad orgnica en los ocanos depende principalmente de la adecuada luz del sol (para la fotosntesis) y la disponibilidad de nutrientes. En las aguas superficiales, la luz del sol generalmente no es un factor limitante excepto estacionalmente (invierno) en las altas latitudes. Los nutrientes (principalmente N y P) tienen una distribucin muy heterognea en las aguas marinas.

Las mayores concentraciones se hallan comnmente en las regiones costeras, donde ellos vienen de la tierra (e.j., erosin del suelo con lavado por los ros), y en las zonas de upwelling, figura 1.14. El Upwellings esta presente principalmente en las mrgenes occidentales y en las reas de divergencia ocenica como por ejemplo en el Pacfico ecuatorial.

Figura 1.14. Sedimentacin simplificada de un upwelling costero En regiones polares, el oxigeno fro y las aguas ricas en nutrientes se sedimentan a grandes profundidades y fluyen lentamente hacia bajas latitudes. En reas donde prevalecen los fuertes vientos terrestres, esa agua fra puede ascender a la superficie. Los nutrientes estimulan el crecimiento del fitoplancton, a su vez sostiene abundante zooplancton, peces, etc. En tales localidades, cantidades de materia orgnica por encima del promedio pueden llegar al piso del ocano. Sobre el piso del ocano, la materia orgnica ser degradada por microorganismos (principalmente bacterias) y consumida por los organismos que viven en el piso del ocano. Los organismos reducen el contenido orgnico de los sedimentos porque mucha de la materia orgnica es digerida. La bioturbacin puede revolver los sedimentos y permite la exposicin al oxigeno que tienen las aguas del fondo.

1.6.1. Condiciones Oxicas, figura 1.15A y B Oxigeno > 0.5 ml O2 / lt agua Saturacin de Oxigeno = 6 - 8.5 ml O2/lit agua Cantidad de oxigeno depende de: Relacin sumininstro/consumo Temperatura Salinidad

Resultado de condiciones Oxicas MO oxidada por bacterias CH2O + O2 ---> CO2 + H2 Organismos benticos presentes Consumen materia orgnica Oxigenan sedimento Pobre preservacin de materia orgnica 0.2 - 0.4 % peso de MO Calidad de MO preservada es pobre (bajo H) Reconocimiento de condiciones Oxicas Restos de fauna bentica (conchas) Madrigueras y bioturbacin del sedimento Bajo contenido de MO Petrografia orgnica (MO degradada) Composicin de MO (bajo H/C, alto O/C)Si el agua es estancada, con poco (disaerobico o suboxico) o sin oxigeno (anaerbico), mucha ms materia orgnica se puede preservar en los continentes (e.j., offshore Per, Chile, Namibia, etc.) En lodos anaerbicos, las bacterias sulfo-reductoras pueden usar mucha de la materia orgnica y precipitar sulfuros (e.j. FeS2). Si los sedimentos tienen poco hierro libre u otros metales, ms sulfuro ser incorporado en la MO y eventualmente se enriquecer en el petrleo derivado de tales capas fuentes. Donde la columna de agua es estratificada, las aguas del fondo se pueden empobrecer en oxigeno. La MO que se sedimenta en las aguas anoxicas puede ser degradada solamente por las bacterias anaerbicas: esas son menos eficientes que las bacterias aerbicas, figura 1.15A y B. Mucha de la MO sobrevive debido a la falta de actividad biognica. Esta se tiende a enriquecer en H y en lpidos, y se convierte en POTENCIAL DE PETRLEO. La MO acumulada corresponde a lodos y lutitas negras laminadas (sin bioturbacin)

La ESTRATIFICACION en las masas de agua se puede presentar por las siguientes razones. Las aguas de la superficie son generalmente ms clidas y menos densas que las aguas del fondo, las cuales son ms fras, solamente por intercambio (e.j, cambio con las aguas del fondo) cuando ellas se enfran a la misma temperatura (comnmente 4C: mxima densidad del agua). Las aguas tropicales estn con frecuencia permanentemente estratificadas.

Figura 1.15A. Localizacin en la columna de agua de las condiciones oxicas y anoxicas.

Figura 1.15B. Efecto de la actividad biologica en el ocano de las condiciones oxicas y anoxicas. Las aguas tambin pueden desarrollar una estratificacin qumica (meromixis), donde las aguas menos salinas descansan sobre las ms densas y ms salinas, figura 1.16. Esto puede suceder cuando la entrada de aguas dulces flota sobre el tope de las aguas saladas, pero no se mezclan con ellas a menos que ellas se evaporen para producir la misma salinidad y densidad.

Si la diferencia en densidad y salinidad es grande, esta condicin puede ser estable por muy largos periodos. (> 10,000 aos).

Figura 1.16. Estratificacin de las aguas en cuencas cerradas debido a las diferencias en salinidad El desarrollo de aguas de fondo anxicas, usualmente resulta de procesos biolgicos en la columna de agua y de sedimentos que disminuyen este del oxigeno, figura 1.15 A y B. CH2O + O2 = CO2 + H2O Tales reacciones son rpidas cuando median las bacterias. Este proceso puede ocurrir en la columna de agua y sobre el piso del mar. En la medida que la materia orgnica se sedimenta, el oxigeno se consume, figura 1.15 A y B. Si la circulacin del agua es baja, como resultado de la estratificacin de la columna de agua, el oxigeno eventualmente se disminuye. Una zona anoxica y empobrecida en oxigeno inducida biolgicamente es comn en aguas del ocano a profundidades de unos pocos de cientos de metros a miles de metros. Donde esta zona intercepta los continentes, los sedimentos sobre el piso del mar puede infrayacer aguas anoxicas, danto alto potencial de preservacin de la materia orgnica. Durante periodos de alto nivel eusttico del mar, la zona de disminucin de oxigeno se puede desplazar a mares superficiales cubriendo los continentes (e.j., mares epeiricos y epicontinentales). Esto puede producir la depositacin de rocas fuentes favorables (e.j.. Devonian Bakken Formation shales in Saskatchewan). Muchas pero no todas de las mejores rocas fuentes del mundo son de origen marino?. El otro ambiente donde la estratificacin juega un importante papel es en las cuencas (e.j. Mar negro moderno) y lagos estratificados profundos (e.j., Lago Tanganyika, en E. Africa), figura 1.17 A y B.

Ambiente simplificado del Mar La haloclina marca el lmite entre las aguas oxigenadas normales y el las aguas del fondo anoxico, las cuales tienen una salinidad de cerca de 20 g/l TDS (total de slidos disueltos). El dique (Bosphorus) tiene 27 m bajo el nivel del mar. Los sedimentos del piso del Mar Negro contienen mas del 15% de COT (Carbono orgnico total), haciendo de ellos excelentes rocas fuentes de petrleo. Mucha de la materia orgnica proviene del plancton, figura 1.17A.

1.6.2. Causas de condiciones Anoxicas, figura 1.15 A y B Demanda alta de O2 por alto suministro de MO Upwelling Suministro deficiente de O2 por circulacin restringida Cuencas aisladas (requiere balance positivo de agua) Lagos Resultado de condiciones Anxicas MO consumida por bacterias anaerbicas Reduccin de nitratos Reduccin de sulfatos H2S es txico a organismos aerbicos Buena preservacin de MO (1-25 % peso) Buena calidad de la MO Reconocimiento condiciones Anxicas Compuestos de azufre presentes (pirita) Sedimentos bien laminados Ausencia de organismos de fondo Petrografia orgnica Composicin de MO (alto H/C, bajo O/C)

Sello (27 m)

Haloclina permanente (20 g/l) 250 km

Mar NegroCasos similares: Mar Bltico Lago de Maracaibo

Sedimentos Anxicos: Oxicos:

OM 2-15 % OM < 2.5 %

Tasa Sedim. 5-30 cm /1000 yr Figura 1.17A. Ejemplo de cuenca con estratificacin del agua por diferencias en salinidad

Termoclina Permanente 525 km

Lago Tanganika

Sedimentos Anxicos: Oxicos:

OM 7-11 % OM 1-2 %

Tasa Sedim. 5-50 cm / 1000 yr Figura 1.17 B. Ejemplo de cuenca con estratificacin de agua por diferencias en temperatura