Los núcleos de rocas proporcionan datos esenciales para la exploración, evaluación y producción de los yacimientos de petróleo y gas. Estas muestras físicas de rocas permiten que los geocientíficos examinen directamente las secuencias depositacionales penetradas por una barrena de perforación. Además, brindan evidencias directas de la presencia, distribución y capacidad de producción de hidrocarburos. Los núcleos proveen datos reales sobre el terreno para la calibración de los registros de pozos y permiten la revelación de variaciones en las propiedades de los yacimientos, que podrían no haber sido detectadas a través de las mediciones derivadas de los registros de fondo de pozo solamente. Sobre la base del análisis de la porosidad, la permeabilidad, la saturación de fluidos, la densidad de grano, la litología y la textura, derivadas de los núcleos, los operadores pueden caracterizar mejor los sistemas porosos de las rocas y modelar con más precisión el comportamiento de los yacimientos para optimizar la producción. Estos análisis se efectúan en los laboratorios de núcleos de todo el mundo.

Antes de que las muestras lleguen al laboratorio, deben ser extraídas de las formaciones que se encuentran por debajo de la superficie terrestre. El proceso de extracción de núcleos —obtención de muestras representativas de la formación— se lleva a cabo de dos maneras. La extracción de núcleos convencionales se efectúa a medida que se perfora la zona de interés y la extracción de núcleos laterales o muestras de pared, también conocidos como testigos laterales, se efectúa después de perforar esa zona. Cada uno de los métodos proporciona muestras de rocas netamente diferentes y requiere su propia estrategia, procedimientos y equipos de extracción de núcleos.

Extracción de núcleos convencionales

Los núcleos convencionales, también denominados núcleos enteros o testigos corona, son secciones continuas de roca extraídas de la formación en un proceso similar al de la perforación convencional. Las dos operaciones difieren fundamentalmente en el tipo de barrena utilizada: en lugar de una barrena de perforación convencional, para la extracción de núcleos se utiliza una barrena hueca y un tubo extractor de núcleos en el conjunto de fondo de pozo (BHA) (Figura 1).

Durante las operaciones de extracción de núcleos convencionales, el operador primero perfora el pozo hasta una zona de interés utilizando una barrena y una sarta de perforación convencionales. Un geólogo de pozo monitorea minuciosamente el avance de la perforación para decidir cuándo poner en marcha las operaciones de extracción de núcleos. El momento en que se toma esta decisión es crítico porque si la extracción de núcleos comienza demasiado rápido, el operador perderá tiempo de equipo de perforación obteniendo núcleos innecesarios por encima de la zona de interés y si comienza demasiado tarde, la perforadora ya habrá penetrado en la zona y cabe la posibilidad de perder el acceso a la sección más crucial de la formación.

Fig. 1 – Barrenas de perforación versus barrenas de extracción de núcleos. Mientras que una barrena de perforación (izquierda) está diseñada para pulverizar la roca en la cara de la barrena, la cara toroidal de la barrena de extracción de núcleos (derecha) emplea un diseño de cortadores fijos que deja sin tocar el centro del pozo. Esta barrena hueca genera un núcleo cilíndrico de roca que atraviesa el centro de la barrena y es retenido dentro de una camisa en el interior del BHA

Las correlaciones con los registros de pozos vecinos normalmente proporcionan la primera indicación de que la barrena de perforación se está aproximando al punto de extracción de núcleos. Mediante la representación gráfica del tipo de formación, de la velocidad de avance de la perforación (ROP) y de la cantidad de gas emanada del lodo durante la perforación, el geólogo puede crear un registro de lodo que puede compararse con los registros de pozos vecinos. De algunas zonas se extraen núcleos simplemente sobre la base de un cambio de la ROP; un incremento de la velocidad de perforación, que a menudo es acompañado por un incremento de la presencia de gas o evidencias de la presencia de petróleo en los recortes de perforación. No obstante, la tecnología moderna de adquisición de registros durante la perforación proporciona mediciones de resistividad muy cerca de la barrena en tiempo real que ayudan a los operadores a determinar cuándo la barrena se está aproximando a la zona de interés.

Una vez que el geólogo da la orden de comenzar la extracción de núcleos, el perforador extrae la barrena del pozo y la brigada de perforación cambia el BHA por una barrena de extracción de núcleos y un tubo extractor de núcleos. La barrena hueca de extracción de núcleos pulveriza la roca, dejando un núcleo cilíndrico de roca en su centro. Este núcleo es retenido en el interior del tubo extractor de núcleos, que se instala justo por encima de la barrena.

El tubo extractor de núcleos consiste en un cilindro interno y otro externo y un retenedor de núcleos. Estos cilindros se sujetan a una unión giratoria que permite que el cilindro interno permanezca fijo, mientras el externo rota con la barrena de extracción de núcleos. El fluido de perforación puede circular entre el cilindro interno y el externo. El retenedor impide que el núcleo se deslice a través de la barrena hueca cuando el BHA de extracción de núcleos se lleva a la superficie. Habitualmente, el diámetro de los núcleos oscila entre 4,45 y 13,34 cm [1,75 y 5,25 pulgadas] y, en general, se cortan en incrementos de 9 m [30 pies], que se corresponden con la longitud del tubo extractor de núcleos o de su camisa. Ésta, a su vez, es consistente con la longitud de la barra de perforación estándar.

Cuando el tubo extractor de núcleos se llena, la brigada de perforación lleva la sarta de perforación a la superficie y recupera los tubos extractores de núcleos. Un especialista en recuperación de núcleos coloca la camisa del tubo extractor de núcleos en la plataforma para tuberías. En la camisa, con el núcleo en su interior, se inscriben las marcas de profundidad y las líneas de orientación. Para facilitar el transporte a un laboratorio de análisis de núcleos, la camisa metálica se corta generalmente en segmentos y se sella en cada extremo.

Las operaciones de extracción de núcleos convencionales a menudo proporcionan las mejores muestras de rocas para probar, analizar y evaluar los yacimientos. No obstante, el tiempo requerido para cortar y recuperar núcleos enteros puede afectar la eficiencia de la perforación. Dependiendo de los objetivos de la extracción de núcleos y las limitaciones de costos, algunas compañías de E&P pueden considerar que la extracción de núcleos convencionales no es esencial. En esos casos, el operador puede recurrir a un método alternativo para la extracción de muestras de formaciones en el fondo del pozo.

Extracción de núcleos laterales, muestras de pared o testigos laterales

Los núcleos laterales o muestras de pared, también conocidos como testigos laterales (SWCs) —núcleos pequeños de roca tomados de la pared del pozo— pueden constituir una alternativa económicamente efectiva con respecto a los núcleos convencionales; normalmente se adquieren con herramientas adosadas al cable y se pueden recuperar de múltiples zonas de interés en un solo descenso del cable.

Después que el perforador alcanza una profundidad de entubación o perfora hasta la profundidad total (TD), se extrae la columna de perforación y se registra el pozo antes de colocar la tubería de revestimiento. Los testigos laterales se obtienen habitualmente después de correr los registros, generalmente cuando está por concluirse una operación de adquisición de registros con cable (perfilaje) en agujero descubierto. Esto les da tiempo a los geólogos para seleccionar las profundidades de extracción de núcleos después de consultar los registros para identificar aquellas zonas que ameritan ser muestreadas. Los registros de rayos gamma o de potencial espontáneo adquiridos con herramientas operadas con cable se utilizan para correlacionar la profundidad entre los registros adquiridos en agujero descubierto y las profundidades de extracción de núcleos. Los dispositivos de extracción de núcleos laterales son controlados desde la unidad de perfilaje en la superficie y pueden extraer muestras de la pared del pozo hasta en 90 profundidades seleccionadas.

Fig. 2 – Extracción de núcleos laterales a percusión. Los proyectiles para extraer núcleos son disparados desde una pistola de extracción de núcleos utilizando cargas explosivas (no mostradas) detrás de cada uno de los proyectiles. Los cables de acero, adosados a cada uno de los proyectiles, ayudan a extraer los proyectiles de la formación después de disparados. Las pistolas se llevan a la superficie con los proyectiles adosados y los técnicos remueven las muestras de núcleos y las colocan en botellas

Los petrofísicos utilizan los SWCs para validar las respuestas de los registros y obtener las propiedades petrofísicas y geofísicas empíricas. Los núcleos laterales también ofrecen un mecanismo alternativo para que los petrofísicos obtengan datos de núcleos en caso de que fallen las operaciones de extracción de núcleos convencionales. No obstante, debido a su tamaño pequeño con respecto a los núcleos convencionales, cabe la posibilidad de que los SWCs extraídos en una formación heterogénea no exhiban propiedades representativas de la formación a escala de yacimiento. La roca en la que se toma el SWC también puede carecer de los rasgos cruciales que necesitan los geólogos para analizar el yacimiento, especialmente cuando se trata de secuencias laminadas de arenas y lutitas, lutitas orgánicas y yacimientos fracturados.

Existen dos tipos de dispositivos de extracción de núcleos laterales con cable: a percusión y rotativos. Las herramientas de muestreo a percusión, o pistolas de extracción de núcleos, están provistas de tubos extractores de núcleos con forma de proyectil instalados en una ristra transportadora (Figura 2).   

Las pistolas utilizan pequeñas cargas explosivas para hacer penetrar en la pared del pozo los tubos extractores de núcleos a fin de captar muestras de la formación. Por el contrario, las herramientas de muestreo rotativas utilizan una barrena de extracción de núcleos orientada en sentido horizontal para cortar núcleos pequeños de la pared del pozo (Figura 3). De los dos métodos, el de extracción de núcleos a percusión es el más común; no obstante, en ciertos ambientes, especialmente en los yacimientos de rocas duras, en la exploración de aguas profundas y en los recursos no convencionales, los petrofísicos quizás prefieren trabajar con muestras de rocas obtenidas con herramientas rotativas de extracción de núcleos.

Las pistolas de extracción de núcleos obtienen SWCs que miden entre 2,86 y 4,45 cm [1,125 y 1,75 pulgadas] de largo por 1,75 a 2,54 cm [0,688 a 1 pulgada] de diámetro. Cada tubo extractor de núcleos, o proyectil, es disparado en secuencia con un comando enviado desde la superficie después de colocar la herramienta en la profundidad de muestreo deseada. Los proyectiles se adosan al cuerpo de la pistola mediante cables de acero flexibles, lo que facilita la extracción de los núcleos de la pared del pozo. Después de que el proyectil se incrusta en la formación, el operador del cable utiliza el peso de la pistola y la fuerza aplicada por la unidad de perfilaje para liberar el proyectil y su núcleo de la pared del pozo. Después de disparar los núcleos, las pistolas se llevan a la superficie, donde los especialistas en adquisición de registros de pozos utilizan un émbolo para extraer cada una de las muestras de su tubo y colocarla en una botella para muestras. Las botellas se sellan y se rotulan con la profundidad de muestreo y luego se embalan para ser transportadas al laboratorio para su análisis.

Fig. 3 – Barrera rotativa de extracción de núcleos. Para cortar núcleos de la pared del pozo, se utiliza una barrena circular rotativa. Cuando la barrena alcanza su profundidad máxima, el arreglo se inclina hacia arriba y extrae el núcleo de la formación. Después de que el núcleo se introduce dentro de la herramienta, el operador vuelve a posicionar la herramienta para cortar el núcleo siguiente

Las herramientas rotativas de extracción de núcleos laterales emplean barrenas con puntas de diamante, que son las versiones diminutas de aquéllas utilizadas para las operaciones de extracción de núcleos convencionales. En cada punto de extracción de núcleos, el arreglo de barrena de extracción de núcleos gira, abandonando su posición de transporte empotrada en la herramienta y adoptando una posición perpendicular al cuerpo de la herramienta. La barrena corta un núcleo redondo pequeño de material de formación directamente de la pared del pozo. Luego, la herramienta desmonta el núcleo y lo introduce en un área de contención en el interior del cuerpo de la herramienta. Este proceso se reitera hasta que el dispositivo de retención de núcleos se llena. Los núcleos obtenidos con herramientas rotativas de extracción de núcleos de generación previa, en general, tienen menos de 2,54 cm [1 pulgada] de diámetro; no obstante, algunas herramientas rotativas de extracción de núcleos laterales de gran volumen son capaces de perforar hasta 50 núcleos, cada uno de los cuales posee una longitud de 6,4 cm [2,5 pulgadas] y un diámetro de 3,8 cm [1,5 pulgadas]. Este dispositivo produce muestras de núcleos cuyo volumen triplica el volumen de los SWCs obtenidos a percusión.

La planeación para el éxito

El proceso de extracción de núcleos requiere planeación, atención a las características de la formación y equipos especiales. Antes de perforar un pozo, el operador debe considerar la erogación que implica la operación de extracción de núcleos en el presupuesto para la evaluación de formaciones, incluyendo el costo del tiempo de equipo de perforación, el equipo de extracción de núcleos, las evaluaciones de laboratorio y los aspectos logísticos. La información extraída de los núcleos depende en parte de su tamaño y su calidad, lo que a su vez controla los tipos de análisis que pueden efectuarse. Para algunos pozos, los análisis de porosidad, permeabilidad, saturación y petrología de rutina son suficientes para guiar a los operadores hacia un curso de acción futuro. Con frecuencia, se requieren análisis adicionales, tales como evaluaciones de la saturación del flujo multifásico y propiedades del flujo de fluidos, tales como presión capilar y permeabilidad relativa; mediciones derivadas de los registros como las propiedades eléctricas para la determinación de la porosidad y la saturación, mediciones geomecánicas o evaluaciones de recuperación mejorada de petróleo. El análisis de núcleos, en sus diversas formas, informa al operador las decisiones de continuar la perforación, abandonar o terminar sus pozos. Estos análisis agregan un valor enorme a la evaluación de yacimientos y en todos los casos comienzan con el proceso de extracción de núcleos.