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FUENTES DE ENERGÍA SÍSMICA
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FUENTES DE ENERGÍA SÍSMICA El método de prospección sísmica es una de las técnicas más avanzada y efectiva en la exploración petrolera. Consiste en generar ondas elásticas que viajan por el subsuelo y son reflejadas y refractadas en las distintas formaciones geológicas. Estas perturbaciones son recibidas en superficie mediante equipos especiales y pueden ser asociadas a cambios en las propiedades y la disposición de las rocas que se encuentran debajo de la superficie. Energía al dispositivo que genera las perturbaciones o frentes de Llamamos Fuente de Energía al ondas para una adquisición de datos sísmicos.
Este tipo de estudio se realiza en una gran diversidad de medios: selva, montaña, desierto, zonas de cultivos, campos abiertos, pantanos, lagos, mar, etc. Los estudios se realizan a lo largo de un mallado de líneas sísmicas cubriendo la zona a prospectar. A lo largo de estas líneas se dispone la fuente de energía y todo el instrumental de medición. En operaciones sísmicas terrestres actualmente, se usan básicamente dos tipos de fuente de energía:
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Explosivos sísmicos y Camiones vibradores. En operaciones marina se utilizan generalmente cañones de aire. La elección de la misma resulta de un minucioso análisis de factibilidad considerando aspectos Técnicos, Económicos, Ambientales y Operativos. Para una correcta decisión, es necesario conocer las características de los tipos de fuentes disponibles para la campaña a realizar y las ventajas y desventajas de cada una de ellas. De acuerdo al tipo de perturbación generada, existen dos tipos de fuente de energía sísmica: - Fuentes Impulsivas - Fuentes Vibratorias Fuentes de Energía Impulsiva. Existen en la industria varios tipos de fuentes de energía impulsiva, entre otros se puede citar las siguientes: - Thumper - Dinoseis - Explosivos Sísmicos - Cañones de Aire (sísmica marina) En este tipo, la transferencia de energía desde la fuente al terreno, ocupa un tiempo tan corto que puede ser considerado como un impulso y en el cual se escucha un sonido agudo de muy corta duración Fig. 1. Un impulso teórico ideal es un impulso instantáneo de energía con duración cero.
Fig. 1 El contenido de frecuencias de este impulso ideal va desde cero a infinito, es decir contiene todas las frecuencias. Nuestras fuentes prácticas de energía no pueden producir un impulso ideal de duración cero. La duración verdadera, sin embargo es tan corta, hasta donde el espectro normal sísmico interesa, que el espectro o rango de frecuencias contenido en el impulso real es efectivamente infinito.
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Energía y Potencia. La Fig. 2 muestra un impulso real idealizado: real porque tiene una duración (t) y una amplitud (A).
Puesto que la potencia es proporcional al cuadrado de la amplitud podemos escribir: P A2 (1) ∞
y decir así que el eje vertical de la Fig. 2 es proporcional a la potencia. La potencia es la proporción por la cual la energía (W) es utilizada (o transferida), en consecuencia la potencia multiplicada por el tiempo nos da la cantidad de energía, usada en el período de tiempo t: W = P. t
(2)
El impulso idealizado de la Fig. 2 es un rectángulo con un lado (t) proporcional al tiempo y el otro lado (P) proporcional a la potencia. El producto de P y t nos da el área, del rectángulo de lados P y t y nos define la energía transferida en el tiempo t. En el caso de la Fig. 2 la cantidad de energía transferida es proporcional al área del pulso representado gráficamente. La ondícula de Ricker En la Fig. 2 hemos idealizado un impulso real como un rectángulo. Analizaremos ahora la forma real de un impulso considerando una fuente de energía impulsiva simple: el "thumper". Esta fuente genera un impulso por la caída de un peso de aproximadamente 3 toneladas sobre la superficie, desde una altura de aproximadamente 3 metros. Con propósitos ilustrativos simplificaremos la realidad y supondremos que el impacto del peso no superará los límites elásticos del suelo: es decir, la superficie terrestre retornará a su posición original después de haber sido empujada hacia abajo. 4
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Cuando el peso golpea el suelo, lo fuerza hacia abajo. Este desplazamiento hacia abajo toma un período definido de tiempo (a-b en la figura 3a, el que está determinado por las propiedades elásticas de los materiales superficiales y por la fuerza del peso. Cuando el suelo ha alcanzado su máximo desplazamiento hacia abajo comienza a recuperar su posición original, moviéndose hacia arriba la misma distancia a que fue forzado hacia abajo. El tiempo que requiere el desplazamiento hacia arriba (b-c en la Fig.3a está determinado solamente por las propiedades elásticas de los materiales del terreno y normalmente, toma un tiempo considerablemente mayor que el movimiento forzado hacia abajo.
En tierra, nuestros detectores sísmicos son casi invariablemente sensibles a la velocidad del movimiento del suelo y no al desplazamiento. Debemos en consecuencia considerar la velocidad de la ondícula asociada con el desplazamiento mostrado en la Fig.3a Esta ondícula de velocidad se observa en la Fig.3.b. 5
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Su derivación es simple: en los instantes a, b y c el suelo no está en movimiento y en consecuencia la velocidad es cero. La máxima velocidad en la dirección hacia abajo se produce entre a y b y hacia arriba entre b y c. Como el desplazamiento hacia abajo se produce en un lapso más corto que el de recobramiento hacia arriba, la velocidad hacia abajo es mayor que la velocidad hacia arriba y en consecuencia la ondícula de velocidad no es balanceada, como se ve en la Fig. 3.b. Esta ondícula es conocida como la ondícula de Ricker. Como la ondícula viaja a través de la tierra, los efectos de filtrado de la misma cambian la forma de la ondícula de Ricker como se muestra en la Fig.4
Fase mínima. La ondícula de Ricker se la supone de fase mínima. Simplemente establecemos: Las componentes de frecuencia de una ondícula de fase mínima llevan una fase única en relación a cualquier otra, lo que produce un máximo de energía concentrada tan cerca del comienzo de la ondícula como es posible. El verdadero instante cero o de iniciación de una ondícula de fase mínima se indica en la Fig. 5. Este punto es normalmente imposible de identificar sobre una traza sísmica de modo que siempre tratamos de "picar" el pico o valle, dependiendo de la polaridad, del primer medio ciclo de la "ondícula.
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Pérdidas de energía. No toda la energía que libera la fuente se transfiere en energía sísmica. Algunas causas de "pérdidas" de energía son: - Deformación plástica: los materiales terrestres cuando son forzados más allá del límite elástico no recuperan su forma original. - Quebraduras - Roturas o reventones - Generación de calor - Rebotes - Sonido audible y golpes de aire; estos representan energía viajando a través del aire más bien que en la tierra. Toda la energía liberada por la fuente que no es perdida, puede suponerse que es transferida dentro de la tierra en la forma de ondas sísmicas. La fuente de energía sísmica que se usó hace algún tiempo en los inicio de la exploración, fue el Thumper o caída de peso. Estaba constituido por un vehículo con un guinche apropiado que elevaba un peso de aproximadamente 3 Toneladas a una altura de 3 a 4 metros y lo dejaba caer. Este impacto o golpe, producía en la tierra un impulso que se propagaba hacia el subsuelo. Tiene la dificultad que es el rebote o segundo impulso que produce el peso sobre la tierra lo que ocasiona un efecto indeseado. Para mejorar la señal el peso puede golpear más de una vez en el mismo lugar. Si bien el dispositivo es 7
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muy sencillo la manera rudimentaria de su accionamiento hace que la metodología no sea eficiente. Hace algunos años también se utilizaba, como fuente de energía superficial, el Dinoseis; consta de una cámara de explosión que se apoya en el suelo y cuyo peso es aproximadamente 2 a 3 Toneladas, con diámetro de 40" en sistemas duales y de 60" en sistemas individuales. El dispositivo estaba dispuesto en un vehículo con tracción en las cuatro ruedas. Las cámaras se las llenan con una mezcla de propano y oxígeno que se detona por medio de una bujía igual a la de los motores de combustión interna. Como en general se usaban 3 ó 4 Dinoseis al mismo tiempo, éstos debían detonar al unísono. La señal de detonación se enviaba por radio desde el camión de registración o sismógrafo. La cámara es bajada hasta el suelo por medio de un cable, y luego de detonar como la cámara salta, se la detiene en el aire con un sistema especial para impedir un segundo golpe. La intensidad del golpe es controlada regulando el tiempo de carga de los gases (propano y oxígeno) y puede ir desde 1 seg. a 5 seg. Lo engorroso del uso y teniendo en cuenta el peligro que significaba trabajar con la mezcla de gases tan peligrosos, se tuvieron accidentes muy serios en el manejo de los "dinos", hizo que estos tipos de fuentes se dejaran de usar. Uso de Explosivos Las fuentes explosivas consisten en un detonador y una carga explosiva. Inicialmente la carga explosiva utilizada era la dinamita, actualmente se usan otros tipos de cargas desarrolladas para hacerla mas eficiente y mas segura. La elección de este tipo de fuente depende de las condiciones de la superficie y de la accesibilidad del lugar. Cuando se utiliza explosivo, estos se disponen en perforaciones cuyas profundidades pueden variar de 2 a 30 metros aproximadamente, dependiendo de las características del terreno; en el fondo de la misma se coloca la carga. Es conveniente que la carga se coloque en una roca compacta para que la energía generada por la explosión se propague en forma más eficiente. Sin embargo, la perforación de los pozos a mayores profundidades implica un aumento de costo. La carga puede estar alojada en la primera capa superficial de la tierra a la que se llama Weathering, es una capa poco consolidada, dispersiva y muy absorbente de energía; esta disposición se le llama pozos someros. Si la carga se aloja por debajo del weathering donde la roca está consolidada, se denomina pozos profundos.
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La decisión de donde colocar la carga depende del espesor del weathering y de las dificultades del terreno para perforar. Se efectúan previamente pruebas especiales para determinar los espesores y comprobar el tipo de terreno existente y con estos datos se realiza una evaluación técnico-económica para tomar la decisión.
La perforación se realiza con equipos cuyo tamaño depende de la zona de trabajo; pueden estar montados sobre camión o portátiles.
Equipos de perforación A lo largo de una línea sísmica los pozos pueden tener una separación de 25, 30, 50, 60 ó 100 metros y son hecho con máquinas portátiles, semi-portátil o montado sobre algún tipo de vehículo. El diámetro del pozo es del orden de los 10 cm y en cada uno de ellos se colocan cargas explosivas que pueden variar desde 1 kg a 5 ó 6 kg por pozo. De esta manera por ejemplo, en un levantamiento de 500 km con estaciones cada 25 metros, es necesaria la perforación de 20.000 pozos. Siempre que se utilice adecuadamente, el explosivo es muy bueno como fuente de energía, pero requiere un enorme esfuerzo operativo y por ende económico, ya que las características del terreno son muy variables y puede presentar mayores o menores dificultades para la perforación. La cantidad de personal que se requiere es considerable y los tiempos de ejecución de las tareas son importantes. Otro factor que se tiene en cuenta es el riesgo en el uso de explosivo. Si bien el impacto ambiental es mínimo y controlable, es de tener en cuenta la cantidad de perforaciones realizadas en zonas con acuíferos someros.
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Ante los inconvenientes mencionados se pensó en implementar un tipo de fuente energía de resultados técnicos equivalentes, pero más ágil y económica, como es el caso de los equipos vibradores. Anteriormente se utilizaba en sismología prospectiva la dinamita de alta velocidad, 5000 m/s de velocidad de propagación de la onda explosiva en la carga, que tiene la particularidad de inyectar, en teoría, infinitas frecuencias en un espacio de tiempo instantáneo denominado "spike". Actualmente para la composición de los explosivos sísmicos se utiliza una pasta o barro explosivo en base a nitrato de amonio. Se usa como envase cartuchos de plástico herméticos en secciones de ½ kg y 1kg. Poseen puntas roscadas de tal manera de armar fácilmente la columna necesaria en cada caso. Existen accesorios, puntas y anclas, para facilitar el bajado de la carga en el pozo y a su vez un buen anclaje a las paredes del mismo, La dimensiones aproximadas de los cartuchos: cilindros de 2 a 2,5 pulgadas de diámetros por 30 cm de largo aproximadamente para las cargas de 1 kg.
Explosivos Sísmicos Los detonadores son a base de fulminato de mercurio excitables por corriente eléctrica, lo que se realiza mediante contactos por baterías. Todo el material explosivo es manejado por personal entrenado especialmente y existen procedimientos que establecen normas para un uso seguro. El transporte y almacenamiento se encuentra regulado por la autoridad de aplicación de cada lugar.
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Detonador Eléctrico También se utilizó como fuente de energía en prospección sísmica un “cordón detonante”; consiste en una cuerda con explosivo en el centro. El cordón se dispone en superficie y el inicio se realiza por detonador eléctrico en un de los extremos o en el centro del tramo. Se utilizaban tramos de alrededor de 50 ó 60 metros. En la actualidad no se utilizan debido a los riesgos que significa una detonación en superficie y a que no es una fuente impulsiva adecuada. Con la detonación se producen voladuras de rocas, incendios y una gran intensidad de ondas superficiales.
Fuente de Energía Vibratoria Equipos Vibradores. El Vibraseis es un sistema utilizado como fuente de energía para generar un tren de ondas controlado, inyectando al terreno una señal contínua que contiene un rango de frecuencias determinado. El primer vibroseis fue ensayado en el año 1953 en Oklahoma (EE.UU) por la firma Continental Oil Company (Conoco). 11
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Desde el prototipo del vibroseis electromecánico hasta el actual, muchas modificaciones fueron realizadas y muchos adelantos técnicos fueron incorporados para lograr hoy día un sofisticado instrumento electro-hidráulico.
Vibrador Actual Fueron varias las empresas de sísmicas pioneras en el uso y desarrollo del vibroseis. El sistema va montado sobre un vehículo especial y consiste en un conjunto planchapistón- masa oscilante, con accionamiento hidráulico y control electrónico.
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Las dimensiones de la plancha es de 1 metro por dos metros aproximadamente y su peso de alrededor de 2 toneladas. La masa es un bloque de acero de aproximadamente tres toneladas que oscila sobre un pistón unido a la plancha. La plancha se mantiene apoyada a la superficie del terreno mediante un sistema de cilindros hidráulicos, a través de los cuales se aplica el 90 % del peso del vehículo. La masa oscila sobre el pistón accionada por un sistema electro-hidráulico. Esta oscilación se transmite al terreno a través del sistema pistón-plancha.
Plancha de Equipo Vibrador De esta manera se inyecta al terreno una perturbación vibratoria, onda senoidal, de características conocidas y previamente determinadas. Esta perturbación es el frente de onda que viaja por el subsuelo. Para una buena transmisión de energía, es importante lograr un buen acoplamiento plancha-terreno. A la fecha se ha logrado un desarrollo tecnológico muy importante de todos los componentes del sistema, que lo hace una fuente de energía versátil, dinámica, económica y muy confiable. Las limitaciones para su uso están dadas exclusivamente por las dificultades de tránsito que pueda presentar el lugar de estudio. Adaptándose a lugares de topografía plana o poco accidentada. También el vehículo sobre el cual está montado el sistema fue evolucionando y actualmente existen vibradores pesados de tres ejes con tracción en las seis ruedas (6x6) o los más comunes articulados 4x4 (tipo buggy), pudiendo acceder a una gran diversidad de terrenos. En Argentina se emplean vibradores desde principio de la década del 70 y en los últimos 20 años es la principal fuente de energía utilizada, facilitada por la suave topografía y escasa vegetación de las áreas de prospección petrolera. Antiguamente para mejorar el rendimiento y lograr el acoplamiento deseado con el terreno, a lo largo de las líneas se realizaba la apertura de una “picada sísmica”. Consistía en el emparejado del terreno, mediante el uso de máquinas viales. Con esto se lograba un buen acople y facilidad en el tránsito.
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Es claro que esto significa un importante impacto al medio ambiente, fundamentalmente en lugares donde la revegeteción es dificultosa (zonas semi-deserticas) o de topografía accidentada. Últimamente en la industria petrolera se está experimentando un cambio muy significativo hacia el cuidado del Medio Ambiente. Aprovechando el avance tecnológico experimentado en los últimos años en los vibradores, fundamentalmente en dos aspectos principales: Control del acoplamiento plancha-terreno (sistema electro-hidráulico con tecnología de punta) y capacidad de tránsito en lugares cada vez más exigente (Vibros pesados 6x6 o articulados 4x4), se ha logrado utilizar este sistema sin apertura de las “picadas sísmicas”.
Equipos Vibradores a campo traviesa Esto implica que los vibradores simplemente transitan a campo traviesa a lo largo de las líneas sísmicas pisando la vegetación existente sin remoción de la cubierta vegetal. Si bien se produce un aplastamiento de la flora, las raíces quedan intactas y en poco tiempo se recupera naturalmente. En lugares de topografía poco accidentada, puntualmente en algunas ocasiones es necesario efectuar pequeños movimientos de tierra, para salvar algún obstáculo de tránsito; restituyendo a su condición original al finalizar el trabajo. Con el diseño del mallado sísmico, adaptando el mismo a lugares de menores obstáculos y contemplando apartamientos de algunos puntos del trazado original, se logra reducir el impacto. Esto es de fundamental importancia en trabajos dentro de yacimientos donde se utilizan los caminos existentes. A su vez se realiza una limpieza total del área de trabajo levantando todo tipo de señalizaciones topográficas, estacas, indicadores de líneas, etc. De esta manera en muy poco tiempo no se aprecia el paso de un grupo de trabajo por el lugar. También es ventajoso el uso de vibradores en zonas pobladas, incluso dentro de ciudades, donde adaptando los parámetros se logran buenos resultados ya que el uso de 14
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explosivos sería imposible. Existen antecedentes de trabajos en las ciudades de Gral Roca, Río Negro (Argentina) y Área Río Neuquén (Argentina). Teniendo en cuenta el mínimo impacto ocasionado, la agilidad, el menor costo y el buen resultado técnico obtenido en una adquisición con vibroseis, se logran ventajas significativas respecto del uso de explosivos. Para completar la perturbación en una estación (barridos) se emplean alrededor de dos minutos frente al tiempo que puede insumir la perforación del pozo, colocación de explosivo y detonación. Además ante algún problema es fácil repetir el tramo necesario. Es importante destacar que gran porcentaje de trabajos fueron realizados en la Patagonia Argentina, donde la rigurosidad del clima hace que la vegetación existente sea muy frágil, por lo tanto requiere un cuidado especial; en estos lugares la operación fue exitosa desde el punto de vista ambiental. El Vibroseis es una excelente fuente de energía, no agresiva al Medio Ambiente, siempre y cuando se evalúen y planifiquen cuidadosamente los trabajos y se tomen las prevenciones y precauciones necesarias.
En oposición a las fuentes impulsivas que transfieren típicamente su energía en un impulso cuya duración es de unos pocos milisegundos, las fuentes vibratorias transfieren energía continuamente por períodos que pueden variar dentro de un rango de 4 a 16 segundos o aún 32 segundos. La Fig. 6 muestra un gráfico Potencia - Tiempo de una fuente de energía impulsiva conjuntamente con la de una fuente vibratoria. La energía de la fuente impulsiva es transferida a una proporción (potencia) Pi durante el período ti. La energía de la fuente vibratoria es transferida a una proporción Pv durante el período tv. Sabemos que la potencia multiplicada por el tiempo es igual a la energía, o sea que Pi.ti (área del rectángulo de impulso) es proporcional a la energía transferida desde la fuente impulsiva, mientras que Pv.tv (área del rectángulo vibrador) es proporcional a la energía transferida desde el vibrador.
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Inmediatamente vemos que la energía total transferida desde el vibrador puede compararse a la energía de una fuente impulsiva mediante el ajuste de tv que es la duración de la energía liberada. Sin embarco la potencia o proporción a la cuál el vibrador transfirió la energía sería siempre mucho más pequeña que la potencia de la fuente impulsiva. Esto significa que el vibrador puede entregar una adecuada energía a pesar de que ejerce una fuerza relativamente pequeña sobre la superficie terrestre.- Esta pequeña fuerza hace que el Vibroseis sea apropiado para usar donde los daños superficiales sean particularmente indeseables. Para ilustrar lo afirmado supondremos que un cierto vibrador, transfiere la misma cantidad de energía en 12 segundos que la que podría ser transferida por una fuente impulsiva en 25 milisegundos. Sabemos que: W = P x t, en consecuencia Pv x tv = Pi x ti 1.200 x Pv = 25 x Pi Pv = 0,002 Pi La potencia del vibrador es 500 veces menor que la de la fuente impulsiva. Se puede obtener una energía equivalente al explosivo aplicando al terreno “n” secuencia de vibraciones o barridos en la misma locación. El vibrador inyecta al terreno una señal senoidal (Fig. 7) dentro de un rango de frecuencias predeterminado y en un período de tiempo establecido. Esto es lo que se llama barrido del Vibroseis. La duración o longitud del barrido puede ser de 4, 6, 8, 12 y hasta 32 segundos.
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Fig. 7 El cambio de frecuencias con el tiempo, puede ser lineal a lo largo del barrido, tal como se muestra en la Fig. 8. ó con variaciones logarítmicas, en función de la necesidad de acentuar las altas ó las bajas frecuencias. Un barrido de 12 segundos que se inicia con 10 hz. y finaliza con 80 hz. es un barrido hacia arriba o ascendente; si comienza con 80 hz. y finaliza en 10 hz. es un barrido hacia abajo o descendente. En la actualidad se utilizan solo barridos ascendentes. El espectro del barrido se indica normalmente mediante las frecuencias de inicio (Fi) y finalización (Ff); un barrido 10 - 80 significa que 10 hz. es la frecuencia inicial y 80 hz. la final.
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Por lo expresado la transferencia de energía ya no es mediante un pulso, en este caso estamos inyectando energía durante el tiempo que dura el barrido. Esta es la señal que viaja por el subsuelo y se refleja en las distintas interfases del mismo. La señal que vuelve a la superficie y es captada por los receptores (geófonos) tendrá una forma parecida a la inyectada, con la diferencia debido al efecto de filtrado producido naturalmente por la tierra. El geofono generará una señal análoga, en forma y duración, a la perturbación recibida. Es obvio que varios eventos sísmicos van a superponerse durante la longitud del barrido. El registrador o sismógrafo estará grabando señal desde el momento de iniciar el barrido y posterior al mismo, un tiempo (tiempo de escucha) que permita que las últimas componentes del barrido viajen hasta el horizonte de interés, se reflejen y vuelvan a superficie. Por lo tanto: Tiempo de registro = Tiempo de Barrido + Tiempo de Escucha. En el registro obtenido de esta manera no se podrán observar claramente las reflexiones, ya que como se dijo los eventos están superpuestos porque el barrido origen, tiene una duración determinada, no fue un impulso, y así como está, en cada instante posee la respuesta de diferentes horizontes profundos a diferentes componentes del barrido. Es necesario aplicar un proceso que permita identificar el tiempo en que el barrido emitido es reflejado en cada horizonte profundo; el mismo se llama proceso de Correlación. El mismo permite finalmente contar con un registro sísmico equivalente al de fuente impulsiva. La Fig. 9 nuestra parte de un típico registro de campo de Vibroseis, el que es inutilizable en el estado en que se muestra. Para que llegue a tener sentido, cada traza debe ser sometida a un método de reducción o compresión de la señal que acortará cada evento sísmico largo en una ondícula comparable con la de Ricker de la fuente de energía impulsiva.
Fig. 9 18
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El Registro correlacionado Longitud de registro Cada traza de un registro de Vibroseis se la somete a un proceso llamado Correlación, y tiene por finalidad reducir cada evento sísmico, transformándolo en una ondícula única. Después de la correlación el registro resultante es de aspecto muy similar al obtenido con una fuente impulsiva. La Fig. 10 muestra el registro de campo de la Fig. 9 después de la Correlación. La longitud del registro correlacionado es igual a la del original menos la duración del barrido. Longitud Registro Correlacionado = Longitud Registro de campo - Longitud de barrido Un registro de campo de 14 segundos obtenido usando un barrido de 8 segundos, producirá en consecuencia un registro correlacionado de 6 segundos.
Fig. 10 Filtros del registro. El contenido de frecuencias de un registro sísmico, obtenido con una fuente impulsiva puede ser controlado solamente mediante filtrado en el equipo registrador o en el procesamiento. Sin embargo, un registro de Vibroseis correlacionado contiene solamente aquellas frecuencias que están contenidas en el barrido. En consecuencia la correcta elección de las frecuencias de barrido debería eliminar la necesidad de filtrado ya sea en el equipo de registración (más bien en el filtro anti-alias) o en el procesamiento.
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El proceso de correlación. La fig. 11 nos nuestra que cada reflexión, en una traza del registro de Vibroseis, tiene la misma duración que el barrido y tiene idéntico contenido de frecuencias que éste. Cada reflexión y realmente cada evento sísmico producido por el barrido, tiene exactamente igual forma que el barrido mismo. La correlación en Vibroseis es simplemente un medio de medición del grado de similaridad entre el barrido que fue inyectado en la tierra y la traza sísmica registrada. Si deslizamos el barrido a través de la traza, la correlación máxima ocurrirá cuando el barrido se enfrenta a una reflexión u otro evento. Esto se ilustra en la Fig.13 donde observamos el barrido desplazándose a través de la traza de campo y la traza correlacionada que se va obteniendo. Debemos hacer notar que la salida correlacionada por cada posición del barrido está en el mismo tiempo que el arranque de dicho barrido.
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Fig. 11
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Fig. 12
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Mecanismo de la correlación. Para comprender como se lleva a cabo la correlación, debemos recordar que la traza sísmica en una cinta digital es simplemente una secuencia de muestras digitales, un arreglo de números. El barrido digitalizado es también un arreglo de números. En la Fig. 13 vemos dibujadas muestras de una traza de Vibroseis de campo (dato). A lo largo de las mismas están las muestras del barrido utilizado, con la muestra 1 del mismo en oposición a la muestra 1 de la traza de campo. Cada muestra de datos es luego multiplicada por la correspondiente nuestra del barrido, y el producto formado es (D1 x B1 = P1, D2 x B2 = P2, etc.) Cuando todos los productos han sido obtenidos se suman todos en conjunto con su signo. La suma resultante (usualmente normalizada dividiendo por el número de productos sumados) es la primer muestra correlacionada y su salida tiene el mismo tiempo que la muestra de campo 1. El barrido se lo corre luego hacía abajo en una nuestra de tal manera que B1 se corresponda con D2, B2 con D3 y así sucesivamente. Todo el proceso se lo repite, los productos D2 x B1 , D3 x B2, etc. se suman para obtener la segunda nuestra correlacionada, la que en la salida tiene el mismo tiempo que la muestra 2 de campo. El barrido es otra vez corrido y se repite el proceso hasta que la traza correlacionada haya sido obtenida en forma digital.
Fig. 13 23
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Autocorrelación y correlación cruzada. Una traza sísmica o un barrido pueden ser correlacionados consigo mismo. Esto es la autocorrelación. La autocorrelación de un barrido produce una ondícula que es conocida como la ondícula de Klauder, (Fig. 14).
Fig. 14 El proceso de correlación del barrido inyectado con una traza de campo, se llama correlación cruzada, según que un evento sísmico en la traza de campo sea similar al barrido, se lo reduce (o comprime) en una ondícula de Klauder como si fuera el caso de una autocorrelación. Esto se ilustra en la Fig. 15.
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Fig. 15
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Fase Cero. A diferencia de la ondícula de Ricker que es de fase mínima, la ondícula de Klauder es de fase cero. Una ondícula de fase cero es aquella en que los componentes de frecuencia están todos en fase en un instante particular. Una ondícula de fase cero es siempre simétrica alrededor de su centro y el tiempo cero de la misma es el centro de su lóbulo central. La ondícula de Klauder. Como se ha dicho más arriba, la ondícula de Klauder es de fase cero y es simétrica alrededor del centro. El centro del lóbulo central es el tiempo cero, o el tiempo de inicio que nosotros "picamos". La parte de la ondícula que cae antes del centro se genera en "tiempo negativo", antes del instante de máxima correlación. Espectro Las frecuencias contenidas en una ondícula de Ricker, producida por un origen impulsivo, están limitadas solamente por los efectos filtrantes de la tierra y cualquier otra frecuencia comprimida es impuesta mediante filtros de registración y de procesamiento. En el caso del Vibroseis sin embargo, el rango de las frecuencias de barrido es tal que se puede esperar todas las frecuencias generadas por la emisión que pasen por la tierra. El contenido de frecuencia de la ondícula de Klauder está entonces limitado a aquellas frecuencias que son comunes a la traza sísmica y al barrido usado para correlacionar. Esto significa que el proceso de correlación es un poderoso filtro. Las frecuencias contenidas en la traza de campo están determinadas por el rango de frecuencias del barrido transferido al terreno. Pero interferencias de otras fuentes más bien que desde los barridos pueden caer fuera de dicho rango. No es considerada buena práctica filtrar usando un barrido que difiere de aquel transferido al terreno. El filtrado puede ser logrado mediante el uso del mismo barrido, conteniendo solamente el rango de frecuencias deseado para ambos: energía emitida y proceso de correlación. Si es necesario usar un instrumento de filtro para prevenir ruidos no generados por la fuente introducidos por el registrador, la frecuencia de corte de ese filtro debe ser más baja que la más baja frecuencia del barrido. También el corrimiento de fase apropiado para ese filtro debe ser aplicado al barrido usado para correlacionar. Análisis. La ondícula de Klaüder consiste en un lóbulo primario o lóbulo central y lóbulos laterales. Esto se ilustra en la Fig. 16, donde la región del lóbulo primario se muestra como un pico con sus dos asociados valles. 26
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Fig. 16
Si cada evento sobre una traza sísmica consiste en un pico, nosotros tendremos lo esencial en el análisis de eventos. La resolución o análisis, en términos de la aproximación por un pico, por lo tanto depende de: - Ancho de la región del lóbulo primario - De la relación del lóbulo principal con el lateral - De la relación del pico principal con el valle principal
El ancho de la región del lóbulo principal se relaciona con la frecuencia media del barrido y las amplitudes del lóbulo lateral y valle principal se relacionan con el ancho de banda. Esto se ilustra en la Fig. 17. Estas Fig. muestran que nuestro práctico (sísmico) ancho de banda produce una ondícula que cae entre los extremos de una onda seno y una unidad de impulso (spike). Según que la relación de amplitud del pico del lóbulo principal al pico del lóbulo lateral concierna, podremos aproximar a la unidad de impulso cuando A = 2 octavas. Para Vibroseis el ancho (tk) aproximado de la región del lóbulo principal puede ser fácilmente calculado por anchos de bandas de 2 ó más octavas: Tk = 2.000 / A milisegundos donde A = f 1 ~ f 2 27
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Fig. 17 El control de parámetros de barrido e inicio de barrido es controlado desde el sismógrafo mediante señales de radiofrecuencia.
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Sismología Marina. En prospección marina se utiliza un barco sismográfico que navega a velocidad constante de acuerdo a la dirección de líneas pre-establecidas para un determinado relevamiento. La embarcación remolca tanto la fuente de energía como el sistema de recepción de señales o streamers.
Esquema de Registración marina
La fuente de energía mas utilizada es el cañón de aire comprimido o Airgun. El dispositivo consta de dos cámaras de distintos diámetro conectadas por un pistón dual que permite el llenado de la inferior a través de su eje, previa obturación de las lumbreras por desplazamiento del mismo. Al igualar las presiones de las caras del pistón superior o de accionamiento queda actuando sobre el pistón la presión de la cámara inferior que provoca su desplazamiento súbito y la descompresión del aire comprimido (a 1500-2000 lib/pulg. ) que a través de las lumbreras escapa al medio líquido con efectos similares a los de una explosión; iniciándose a continuación un nuevo ciclo de llenado.
Cañones de Aire 29
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El sistema presenta el inconveniente de la producción de burbujas, que al oscilar elásticamente en el medio, generan energía después de la explosión que debe clasificarse como ruido. Este problema se ataca utilizando en paralelo varios cañones de distintas capacidad cúbica (desde 20 a 300 o más pulg3), formando un arreglo. De esta manera se aumenta la energía inyectada al terreno y se reduce el efecto burbuja. Existen cañones que poseen mecanismo para reducir el efecto de las burbujas, con los cuales, si bien no se llega a suprimir completamente se logran atenuaciones importantes.
Arreglo de cañones El aire comprimido se provee de tanques de almacenamiento servidos por tres o cuatro compresores a pistón comandados por motores de combustión interna dispuestos en el barco sismográfico. Sus ventajas residen en su seguridad y facilidad de aprovisionamiento. El dispositivo de cañones va sumergido en el agua a una profundidad de alrededor de 7 metros y es remolcado por el barco sismográfico. Normalmente se dispone de más de un arreglo de cañones, de modo tal de disparar en forma alternativa, mientras un grupo dispara el otro se está llenando de aire comprimido. También es común desplegar más cañones de lo necesario para reemplazo en caso de avería de algunos de ellos. Operación del cañón. Predisparo: El aire comprimido llena la cámara de retorno en el transportador hueco para cerrar y sellar la cámara principal. Al mismo tiempo se presuriza la cámara principal localizada entre la carcaza y el transportador.
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Geofísica
Fuente de Energía
Disparo: Cuando la válvula solenoide se energiza, la cámara de disparo se presuriza, permitiendo que el transportador se desacople y se presurice el área más grande del transportador. El transportador de poco peso adquiere rápidamente una alta velocidad antes de destapar los puertos. El aire a alta presión se libera entonces de manera explosiva hacia el agua circundante para generar el pulso acústico principal.
Cuando disminuye la presión en el interior de la cámara principal, la cámara de retorno todavía completamente presurizada hace volver al transportador a la posición anterior al disparo.
Ondícula generada por un Cañón de aire 31