Núcleos: Tipos, Selección y Extracción

Los núcleos o corazones consisten en muestras de roca tomada del pozo a una profundidad específica, por medios especiales, preservando su estructura geológica y sus características físicoquimicas de la mejor manera posible, con la finalidad de realizar análisis petrofísicos y geológicos. 

Se obtienen generalmente mediante la perforación de la formación con un taladro rotatorio de sección transversal hueca, corte de porciones de paredes, corte con herramientas de cable y con fluidos de perforación. 

Se obtienen así muestras en forma cilíndrica de más de 10 m de longitud y 11 cm de diámetro. Este tipo de muestras presenta las siguientes ventajas:

• Se les puede asignar una profundidad exacta.
• Si se toman adecuadamente, pueden estar libres de contaminación por fluidos de perforación.
• En la mayoría de los casos son de absoluta representatividad.
• Por su volumen y características son de gran versatilidad, siendo adecuados para análisis petrofísicos, sedimentológicos, microtécnicos, micro-paleontológicos, etc.
• Si son usados adecuadamente ofrecen resultados confiables.
• Pueden ser tomados en formaciones de cualquier litología.
• Sirven para correlacionar registros de pozos con resultados de laboratorio.

Una toma de núcleos puede realizarse en pozos de cualquier tipo: exploratorio, de desarrollo y de avanzada. 

La toma de núcleos puede efectuarse en forma continua, en este caso el taladro se detiene solamente para repasar el hoyo o en forma alterna, es decir, tomando los intervalos de interés basándose en los criterios siguientes:

• Costos: Una toma de núcleos incrementa considerablemente los costos de perforación, en función del área donde se encuentre el pozo, la profundidad elegida para realizar la toma y la cantidad de núcleos a ser tomados.

• Datos de la Traza Sísmica: Los resultados aportados por la sísmica constituyen una valiosa ayuda para la selección de los horizontes respectivos y realizar no sólo una perforación, sino elegir el intervalo de una toma de núcleos.

• Correlaciones: Algunas veces se tiene conocimiento de la estratigrafía de un área, y lo relativo a los fluidos del yacimiento, mediante información de pozos vecinos, esto sirve cuando se decide realizar una toma de núcleos en un pozo en desarrollo, con la finalidad de llevar a cabo algún proceso de recuperación mejorada o para resolver algún problema de producción.

¿Cómo se extraen los núcleos?

La toma convencional de núcleos se realiza después de la perforación rotatoria normal por debajo de un punto justo por encima del intervalo que se desee cortar. 

Antes de efectuar la operación de corte dentro del núcleo, se debe tener cuidado de que hoyo esté limpio y el lodo bien condicionado. 

Al igual que en la perforación normal, cuando se realiza el corte del núcleo (coring), la presión en el fluido de perforación (lodo) es mayor que la presión de la formación. 

Sin embargo, se obtienen mejores resultados cuando el diferencial de presión es pequeño. El corte de núcleo convencional se realiza con lodo en base agua o lodo en base aceite. 

Con propósitos de discusión, supongamos que el petróleo de un yacimiento posee una gravedad API de 35 grados (gravedad especifica de 0,85) y buena movilidad. La formación en promedio es una arena que puede tener las siguientes saturaciones (antes del corte del núcleo) no perturbadas:

• So = 75%
• Sg = 0%
• Sw = 25%

Durante la operación de corte, la presión en el núcleo aumentará desde el valor de la presión en la formación hasta el valor de la presión en la columna del lodo, mientras que la temperatura permanece cercana a la temperatura de la formación (esta pudiera ser ligeramente menor debido a la circulación de lodo). 

A medida que se completa la operación de corte, la cara de la formación (o núcleo) actúa como un filtro resultando que un lodo en base agua filtrado invade el núcleo. 

Por consiguiente, se lleva a cabo un desplazamiento con agua, el cual influye sobre la saturación de petróleo movible. 

El núcleo queda en general a la saturación residual de petróleo, por lo cual la saturación después del corte, mientras se está en una profundidad dada de la formación, se aproxima por:

• So = 15%
• Sg = 0%
• Sw = 85%  

El núcleo al salir del pozo queda a presión y temperatura de superficie. El gas disuelto en el crudo sale de la solución por la expulsión de fluidos móviles desde el núcleo. 

Ya que en situación de saturación residual de crudo, el agua es el único fluido movible dentro del núcleo, la caída de temperatura impuesta sobre los fluidos del núcleo origina la pérdida de saturación de agua. 

Una buena aproximación de la saturación de petróleo en superficie es la saturación residual de crudo dividida por el factor de volumen de petróleo en la formación. La saturación de petróleo en la superficie está dada entonces por:

• So = 10%
• Sg = 50-55%
• Sw = 35-40%

Si se considera nuevamente la misma formación de arena, pero el corte del núcleo realizado con un fluido de perforación en base aceite, las saturaciones de los fluidos antes del corte serán las mismas que en el ejemplo anterior. 

Durante la operación de corte, el lodo filtrado será crudo (probablemente un aceite diesel). En este caso, las saturaciones están sujetas a un flujo de aceite. 

Ya que la saturación de agua se encuentra en situación de saturación irreducible, antes de comenzar el corte, no hay desplazamiento de ésta por el aceite. 

La presión en el núcleo se eleva hasta la presión en el lodo, ya que no hay desprendimiento de gas desde la solución. 

Luego, la saturación de gas en el núcleo permanece constante. Por consiguiente, las saturaciones de petróleo, gas y agua son similares a las que se tienen después del corte del núcleo. Sin embargo, la composición del petróleo en el núcleo puede cambiar significativamente.

Después que se ha cortado el núcleo, la saturación de petróleo se reduce hasta la mitad de su valor a la profundidad de donde pertenecía antes de la extracción. 

El gas asociado con el petróleo remanente se expande, y la temperatura disminuye. La saturación de agua cambia muy poco durante la recuperación del núcleo. El cambio se debe a la contracción térmica y la evolución del gas. 

La saturación de agua de formación dividida por el factor volumétrico de agua de la formación puede aproximarse a la saturación de agua en la superficie. Para un corte de núcleo con lodo en base aceite, un resumen de la historia de saturación para una arena promedio podría ser:

	So (%)	Sg (%)	Sw (%)
Antes del corte	75	0	25
Después del corte	75	0	25
Superficie	40-45	Rest.	23-24

La presencia de gas en los análisis de núcleos no indica necesariamente que éste proviene del yacimiento. Cuando se corta un núcleo con un fluido en base agua, las saturaciones de petróleo tienden a ser iguales o menores que la saturación residual.

Tipos de Herramientas para Extracción de Núcleos de acuerdo al tipo de Formación 

Considerando el tipo de herramienta que se emplee para extraer un núcleo desde los diferentes estratos del subsuelo, éstos se clasifican en: convencionales, convencionales con tubo PVC, manga de goma, presurizados y orientados.

Núcleos Convencionales

Se obtienen en formaciones consolidadas, en este caso el núcleo no posee recubrimiento. Para su toma se utiliza una herramienta que consta de un tubo externo y un tubo interno, el cual recibe el núcleo. 

Un retenedor y una mecha de diamante con un hueco en su centro es donde penetra el núcleo para alojarse en el tubo interno, dependiendo del tipo de formación se emplea una mecha específica como se muestra en la Figura 1. 

El diámetro de los núcleos cortados puede variar entre 1¾” – 6”, dependiendo del tipo de mecha y herramienta empleada.

Núcleos Convencionales con Tubo PVC

La herramienta empleada en este caso es similar a la descrita anteriormente, con la diferencia de que el tubo interno contiene en su interior un tubo de Cloruro de Polivinilo (PVC), dentro del cual queda contenido el núcleo, a medida que la herramienta penetra en la formación. 

Este tipo de herramienta se emplea en formaciones fracturadas, quebradizas o friables, ya que al quedar el núcleo recubierto por el tubo plástico puede manejarse fácilmente sin riesgo a que las muestras se disgreguen. 

En la Figura 2, se muestran las mechas utilizadas para extraer núcleos en formaciones blandas y medianamente fracturadas, arcillosas y bien cementadas.

En Venezuela, se usa esta herramienta con éxito en formaciones semi-consolidadas, sin embargo, su uso en formaciones no consolidadas no ha sido del todo satisfactorio debido entre otros factores a:

• El porcentaje de recuperación es bajo debido a que el interior del tubo es liso, luego es incapaz de sujetar el núcleo en su interior.

• Cuando se usa en arenas impregnadas de crudos pesado, como sucede en la Faja Petrolífera del Orinoco, a causa del alto grado de saturación del petróleo, la alta porosidad y su pobre consolidación, estas arenas no se comportan como materiales rígidos, sino como material plástico-viscoso y entonces tienden a fluir. La mayoría de las veces al seccionar el núcleo en segmentos se observa que éste no estaba completamente lleno, por lo que parte del mismo al no ser retenido cae al pozo.

• Tratando de mejorar el porcentaje de recuperación, se han usado retenedores tipo cierre total (full closed), sin embargo, al recobrarse el núcleo se nota que la recuperación se incrementa, pero hay problemas de compactación en la base del núcleo, mostrando una saturación de petróleo inferior en la base, en comparación con la del tope.

Con este tipo de herramienta es posible cortar núcleos entre 3” – 5 ¾” de diámetro, generalmente se usa retenedor doble y la longitud máxima por núcleo es 31 pies.

Núcleos en Manga de Goma

Para la toma de núcleos en formaciones semi-consolidadas y  formaciones no consolidadas que son muy blandas y friables, se usa una herramienta que consta de un tubo externo, un tubo interno dentro del cual se encuentra: 

• Una junta de expansión, con capacidad de estirarse cada 2 pies.
• Un gato mecánico.
• Una válvula con flujo en un solo sentido.
• Una manga de goma.
• Un retenedor de núcleos.
• Una mecha de diamante con un hueco en su parte central que permite la entrada del núcleo al porta muestras (Figura 3).

La toma se realiza de 2 en 2 pies, según lo permite la junta de expansión, ya que ésta es accionada por la presión de circulación del fluido de perforación y éste es el esfuerzo que hace que la herramienta penetre en la formación, y no el peso sobre la mecha directamente. 

Al estar cortados los dos pies, se le vuelve a dar peso a la sarta de perforación, cerrándose entonces la junta de expansión y quedando lista la herramienta para cortar los dos pies siguientes.

A medida que la formación se va cortando, el gato va tirando de la manga de goma, ésta se encuentra enrollada o plegada en el tubo interno del muestrario, y hace que se desenrolle, entonces el núcleo queda envuelto por la manga de goma una vez que es cortado. 

La manga de goma es elástica y tiene un diámetro ligeramente menor al del núcleo, permitiendo que el núcleo quede sostenido con firmeza. 

Es una herramienta con rendimiento superior a las anteriores, con ella es posible cortar un máximo de 20 pies de núcleo con diámetro de 3 pulgadas.

Infortunadamente, la herramienta de manga de goma no es satisfactoria para el corte de núcleos en formaciones duras y fracturadas, ya que los cortes agudos que se producen rompen la goma. Entre las desventajas que presenta se tiene:

• La manga de goma presenta un límite de temperatura, que puede soportar sin romperse (160 – 175 F).

• La presencia de gas disuelto en el crudo puede ser suficiente para hacer explotar la manga de goma, cuando ésta se extrae del muestrario en la superficie.

• El núcleo dentro de la manga de goma debe ser tratado con sumo cuidado en las operaciones de manejo y preservación, evitando que ésta no se doble para que el núcleo no sufra alteraciones en su arreglo granulométrico natural, para ello es necesario depositar la manga dentro de un tubo plástico rígido o de aluminio, esto por supuesto aumenta los costos de la toma.

Núcleos Presurizados

Para la toma de núcleos que se desean mantener en contacto con sus fluidos originales se utiliza una herramienta especializada que permite recuperar núcleos a la presión del yacimiento con un porcentaje de recobro excelente en formaciones consolidadas. 

Los fluidos del yacimiento se mantienen en su forma original, sin sufrir alteraciones al extraer el núcleo (Figura 4). 

Si el proceso de perforación se hace con cuidado se pueden obtener núcleos con una invasión muy baja de fluidos de perforación, previniendo expansión de gas y pérdida de fluidos.

El corte de núcleos con esta herramienta se hace con una tecnología similar al corte de núcleos convencionales. 

Durante el corte, el entrampamiento de presión está acompañado por acciones mecánicas que crean un sello en el tope y en la base de la herramienta. 

Esto hace que el núcleo obtenido esté presurizado. El sistema también puede mantener la presión de la formación.

Una vez tomados, los núcleos son congelados en la superficie utilizando nitrógeno líquido y hielo seco, manteniendo la presión del yacimiento. 

Los fluidos de esta forma se mantienen inmóviles dentro del núcleo. Una vez congelados, los núcleos pueden ser removidos de la herramienta para ser transportados al laboratorio en estado de congelamiento.

El congelamiento está acompañado de la colocación del núcleo completo en hielo seco hasta el momento de su uso. 

Infortunadamente, obtener este tipo de núcleo es muy costoso (10 veces el costo para obtener un núcleo convencional).

Núcleos Orientados

Para obtener éste tipo de núcleos se utiliza una herramienta muy parecida a la descrita anteriormente (Figura 5), se puede usar para toma de núcleos de cualquier litología. 

Los núcleos orientados son muy importantes para el estudio de fracturas en las calizas del Cretáceo, debido a que permiten conocer la inclinación, dirección de las fracturas y las estructuras geológicas que poseen porosidad secundaria capaces de almacenar hidrocarburos o desarrollar un programa de acidificación y/o estimulación de pozos, con la finalidad de incrementar la producción de un yacimiento.

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