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26 Oilfield Review
Tecnologías de campos petroleros para la ciencia sísmica
Richard CoatesJakob B.U. HaldorsenDouglas MillerRidgefield, Connecticut, EUA
Peter MalinEylon ShalevStewart T. Taylor Universidad de DukeDurham, Carolina del Norte, EUA
Christian StolteWesternGecoHouston, Texas, EUA
Michel VerliacClamart, Francia
Drill-Bit Seismic, DSI (generador de Imágenes Sónico Dipolar), FMI (generador de Imágenes Microeléctricas de Cobertura Total), SeisDB y Sonic Scanner son marcas de Schlumberger.Por su colaboración en la preparación de este artículo, seagradece a Naomi Boness y Mark Zoback, Universidad deStanford, California, EUA; y a Stephen Hickman y WilliamEllsworth, Servicio Geológico de EUA, Menlo Park, California.
En las profundidades de una zona de falla activa, el Observatorio de la Falla de San
Andrés a Profundidad medirá los cambios producidos en las propiedades de las rocas
antes, durante y después de los terremotos. Vinculadas con otras mediciones que se
obtienen en la superficie terrestre, estas observaciones directas monitorearán, por
primera vez, cómo una falla activa y el ambiente adyacente responden a los cambios
de esfuerzos locales y regionales. Esta combinación de mediciones, que han de
registrarse en la próxima década, proporcionará nuevos e importantes conocimientos
acerca de cómo se forman y cómo irrumpen los terremotos.
En general, raramente nos dedicamos a pensarsobre las fuerzas que generaron la belleza naturalde nuestros parques nacionales o que pro dujeronnuestros recursos naturales. Sólo cuando losterremotos asolan las comunidades o crean enor-mes olas de marea que inundan las comunidades
costeras, nos estremecemos al considerar lasfuerzas vitales que moldean la tierra en la quevivimos, trabajamos y jugamos.
El domingo 26 de diciembre de 2004, unintenso terremoto de magnitud 9.3 en la escalade Richter tuvo lugar frente a la costa del norte
Highest hazard32+24 a 3216 a 248 a 164 a 82 a 40 a 2
Lowest hazard
gn, %
> Peligros de sacudidas de los terremotos. Las curvas de contorno indican la máxima sacudida delterreno con probabilidades de ocurrir en un período de 50 años, como porcentaje de la aceleraciónde la gravedad, gn, para diferentes regiones de EUA. El daño comienza a producirse cuando la sacu -dida del terreno excede el 10% (amarillo), y el daño significativo tiene lugar cuando la sacudida delterreno es superior al 20% (naranja). (Adaptado con la autorización del Servicio Geológico de EUA).
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de Sumatra.1 Este episodio desató un tsunamigigante que se propagó a lo largo de toda laCuenca del Océano Índico, provocando una des-trucción verdaderamente masiva; más de250,000 víctimas y daños por un valor superior aUS$ 4,000 millones.
Muchos de los peores desastres naturalesque se producen a nivel mundial son el resultadode los terremotos. El terremoto más grande delsiglo pasado fue un episodio masivo de magnitud9.5, que sacudió Chile en 1960, cobrando la vidade más de 2,000 personas. El sismo más implaca-ble de los últimos años fue un episodio demagnitud 8.0 que asoló Tangshan, en China, en1976, dejando un saldo de más de 240,000 perso-nas muertas.
Este año se conmemora el centenario delsismo más destructivo de los Estados Unidos: unterremoto de magnitud 7.7 que tuvo lugar en SanFrancisco, en 1906. Este desastre, causado por el
movimiento producido a lo largo de la Falla deSan Andrés, generó incendios que ocasionaronla muerte de unas 3,000 personas y daños mate-riales por valor de 500 millones de dólaresestadounidenses.2 La Falla de San Andrés es laexpresión superficial de uno de los límites deplaca principales del mundo y corresponde auna falla de transformación. Allí, la Placa delPacífico se desplaza horizontalmente hacia elnoroeste, unos 5 cm [1.9 pulgada] por año, res-pecto de la Placa Norteamericana.3 Quienesviven en la costa oeste de EUA, especialmentelos habitantes de las ciudades costeras intensa-mente pobladas de California, se encuentranpeligrosamente situados sobre áreas que exhi-ben el grado más elevado de riesgo de actividadsísmica (página anterior).
El impacto socioeconómico de estos desas-tres naturales ha incrementado nuestranecesidad de pronosticar la probabilidad de ocu-
1. La escala de Richter se utiliza para determinar la mag -nitud de un terremoto, que se calcula utilizando datosrecabados mediante un sismógrafo. La escala de Richteres logarítmica, lo que significa que los in cre mentos delos números enteros indican un aumento en diez vecesde la amplitud de las ondas sísmicas. Por ejemplo, laamplitud de onda en un terremoto de mag ni tud 6 es 10veces mayor que la de un terremoto de magnitud 5. Laenergía liberada se incrementa 31.6 (lo que en la escalase expresa como x103/2) veces, entre los valores de losnúmeros enteros. Para obtener más información sobrelas magnitudes de los terremotos, consulte:http://www.answers.com/topic/richtermagnitude-scale(Se accedió el 9 de mayo de 2006).
2. El terremoto de Northridge, California, de 1994, implicóun costo aún más elevado, ya que sus pérdidas se esti maron en más de 20,000 millones de dólaresestadounidenses.
3. Los terremotos se producen cuando las rocas que expe -rimentan procesos de deformación se rompen repen ti -namente a lo largo de una falla, produciendo ondas devibraciones del terreno. Tal deslizamiento tiene lugarnormalmente en los límites de las placas. La teoría de la tectónica de placas fue introducida en 1968 por elgeólogo Tuzo Wilson J y otros.
rrencia de los terremotos más significativos; dela misma forma en que los meteorólogos pronos-tican el tiempo.
Este artículo analiza la construcción del pri-mer observatorio sísmico subterráneo en la Fallade San Andrés. La misión del observatorio, cono-cido con el nombre de Observatorio de la Fallade San Andrés en Profundidad (SAFOD), es estu-diar los factores que afectan la física de losterremotos. En este artículo, describiremos bre-vemente cómo se están utilizando las tecnologíasde campos petroleros para construir el observa-torio. Además expondremos algunos de losobjetivos científicos del observatorio SAFOD y
describiremos cómo las mediciones geofísicaspara campos petroleros están ayudando a loscientíficos a develar algunas de las sorpresasdescubiertas hasta este momento.
EarthScope y SAFODSe dice que el gran terremoto de San Franciscode 1906 dio origen a la investigación sísmicamoderna.4 El observatorio SAFOD, el em pren -dimiento más reciente, forma parte de unprograma científico de cinco años, de carácternacional, denominado EarthScope, cuyo montoasciende a 200 millones de dólares estadouni-denses. El proyecto, una iniciativa de la
Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de EUA,investigará la estructura y la evolución del conti-nente norteamericano y los procesos físicos quegeneran los terremotos.5 Para la NSF, la com-prensión de lo que sucede en el punto en el quecomienza la actividad sísmica es uno de los obje-tivos primordiales de la sismología.6
La Universidad de Stanford y el Servicio Geo-lógico de EUA (USGS) proporcionaron alobservatorio SAFOD equipos de científicos de laindustria y de universidades nacionales e inter-nacionales, incluyendo geólogos, geofísicos ysismólogos. El equipo de Stanford y del USGSdirigió la perforación y entubación de un pozo de4 km [2.4 millas] a lo largo de la Falla de SanAndrés (SAF). Desde el terremoto de San Fran-cisco de 1906, esta falla se ha convertido en elfoco principal de los estudios sísmicos en EUA.El pozo está siendo instrumentado como obser-vatorio científico.
El pozo SAFOD se encuentra ubicado a unaprofundidad de más de 3 km [9,840 pies] paraasegurar la detección de terremotos de magnitud 2recurrentes. La búsqueda de terremotos de mayorintensidad exigiría una profundidad de perfora-ción mucho mayor; por ejemplo, la mayoría delos terremotos de magnitud 6 se originan a unos10 km [6 millas] por debajo de la superficie.7
El emplazamiento del pozo SAFOD, situado enCalifornia central a lo largo de una zona de desliza-miento de la falla SAF, se seleccionó por dosrazones claves. En primer lugar, se trata de unalocalización con muchos terremotos de magnitud2 que se reiteran aproximadamente cada dosaños. En segundo lugar, el sitio SAFOD está ubi-cado en la localización sísmica más estudiada delmundo: Parkfield, California. Desde su iniciaciónen 1985, el “experimento Parkfield” ha contadocon la participación de numerosos investigadoresdel USGS y de universidades y laboratorios queprestaron su colaboración para el proyecto.
Este experimento utiliza una gran red de 70estaciones geofísicas que obtienen medicionescon diversos instrumentos sísmicos, de posicio -namiento geodésico del terreno, instrumentoselectromagnéticos y de monitoreo del nivel deagua, para observar los diferentes tipos de fenó-menos sísmicos que se producen en la región.Estos esfuerzos proporcionaron abundante infor-mación sismológica, geológica y geofísica desuperficie clave que se utilizó en la preparacióndel emplazamiento de perforación SAFOD.8
Luego de algunos años de estudio, los científicosde Parkfield llegaron a la conclusión de que nece-sitaban observar el interior de una falla activapara monitorear la ocurrencia de los terremotos.
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> Estado del observatorio SAFOD. El pozo piloto para el observatorio SAFOD(verde) fue terminado en el año 2002. La primera fase del pozo principal (rosa)se terminó en septiembre de 2004, y la segunda fase (amarillo), en octubre de2005. Los círculos blancos muestran la localización aproximada de los terre -motos de magnitud 2 o menor, observados desde los sismómetros instaladosen el pozo. El círculo rojo muestra una zona de actividad sísmica recurrente,a la que se apunta para la extracción de núcleos en una fecha posterior. Losvalores de resistividad de la formación (clave en el extremo inferior) pro vie -nen de mediciones geofísicas de superficie obtenidas por Unsworth M y Bedrosian PA (Ref. 13). Véase además http://quake.wr.usgs.gov/research/parkfield/safod_pbo.html (Se accedió el 25 de julio de 2006).
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En estos momentos, el observatorio SAFODse encuentra en la etapa de desarrollo co rres -pondiente a las fases de construcción y“descubrimiento.” El pozo piloto, perforado en elaño 2002, fue utilizado durante dos años comobase para la ejecución de estudios geofísicosextensivos en el área de Parkfield. Los sismóme-tros instalados por el equipo de Stanford y delUSGS, en colaboración con Oyo Geospace y laUniversidad de Duke, midieron los sismos en elpozo piloto entre 2002 y 2004. Los datos de los sis-mómetros, junto con los registros de pozos, losdatos de recortes de perforación y los análisis denúcleos, ayudaron a los sismólogos a planificar latrayectoria del pozo principal. La primera seccióndel pozo principal, denominada Fase 1, se perforóhasta una profundidad de 2.5 km [8,200 pies],entre junio y septiembre de 2004. La segundasección del pozo, la Fase 2, extendió el pozo casi800 m [2,625 pies], y fue terminada a través dela Falla de San Andrés en octubre de 2005 (pá gi -na anterior).
Los científicos de las universidades y delUSGS están estudiando intensamente los datosobtenidos en estas fases iniciales de construccióndel pozo principal. La perforación de la Fase 2incluyó la ejecución de revisiones de la trayecto-ria del pozo, basadas en estimaciones mejoradasde las localizaciones sísmicas objetivo. A travésde los sismómetros de fondo desplegados en elpozo SAFOD al final de la Fase 1, se obtuvieronmejores estimaciones de las localizaciones sís-micas. El emplazamiento de los sismómetrosmás cerca de la fuente sísmica proporcionó unaestimación más precisa de las velocidades sísmi-cas entre el sismómetro y el terremoto objetivo.La obtención de mejor información de velocidadmejora el proceso de generación de imágenes queutiliza campos de ondas acústicas y, en última ins-tancia, aumenta la precisión del proceso delocalización de terremotos. Por último, la perfo-ración de la Fase 3 prevista para el año 2007emplazará pozos multilaterales en diversospuntos sísmicos activos. Subsiguientemente,comenzará un período de 15 años de monitoreo yestudio de los terremotos.
A lo largo de todo este proyecto, han habidoextensivas colaboraciones y contribucionesindustriales y académicas. Las contribuciones dela industria fueron provistas por compañías deexploración, producción y servicios, inclu yen doservicios de soporte de perforación, extracciónde núcleos, adquisición de registros de pozos,servicios de adquisición de registros durante laperforación y soporte científico y de ingeniería.
Por ejemplo, Schlumberger proporcionó instru-mentos para la ejecución de levantamientossísmicos de alta resolución, monitoreo de terre-motos y otros instrumentos de registracióngeofísicos. Por otra parte, especialistas de lascompañías petroleras más importantes delmundo, incluyendo Shell, BP, ExxonMobil yChevronTexaco, se están desempeñando comomiembros de la junta de asesoramiento técnicodel observatorio SAFOD, ayudando a planificar ytomar decisiones de ingeniería críticas, necesa-rias para construir el observatorio.
Preguntas científicas clavesHasta este momento, los científicos no hanpodido predecir los terremotos de manera con-fiable. Para determinar si ese objetivo esposible, necesitan conocer en forma másexhaustiva los procesos físicos que tienen lugaren la zona fallada, antes, durante y después delos episodios sísmicos.
Cuando finalice su construcción, el empla -zamiento SAFOD será el único observatoriosísmico con instrumentos instalados directa-mente dentro de una falla activa.9 De este modo,el observatorio SAFOD posibilitará la observa-ción científica del proceso de nucleación en elque las fallas se deslizan repentinamente ycrean la energía sísmica que conocemos comoterremotos (o sismos).10
A pesar de los años de estudio, aún quedanmuchas preguntas sobre terremotos sin respon-der. ¿Qué causa los terremotos? ¿Qué procesosdinámicos del subsuelo hacen que las fallas sedeslicen? ¿Se inician repentinamente sin aviso—o son precedidos por un período de des li za mientolento en la zona de falla, que somete a esfuerzodicha zona antes de que se produzca su ruptura?¿Podrían inyectarse fluidos de alta presión en lazona de falla, permitiendo la separación de lasrocas a lo largo de la falla antes de que comienceel terremoto y las rupturas se propaguen a travésdel subsuelo? ¿Un terremoto se inicia como unpuntito pequeño, que luego sigue creciendo?¿Los terremotos pequeños crecen poco, mientrasque los terremotos grandes crecen más?
A partir de experimentos de laboratorio yobservaciones de superficie, los geocientíficoshan postulado diversas teorías acerca de la ini-ciación de los terremotos. Algunas teorías hacenalusión a una “zona de preparación” de fallascon áreas sometidas a grandes esfuerzos quedeterminan cuál será la magnitud de un terre-moto. Otras teorías sostienen que la presión delos fluidos del subsuelo afecta la nucleación de
los terremotos. Además, existen teorías que a -firman que los minerales exóticos con bajoscoeficientes de fricción contribuyen a los terre-motos.
Todas estas teorías se apoyan en parte enobservaciones de campo realizadas en la su -perficie o en el laboratorio pero nunca fueronprobadas en una falla activa. Con los instrumen-tos instalados en el pozo SAFOD, los científicosfinalmente podrán monitorear los terremotos enforma minuciosa, en el “campo cercano” de lapropagación de las ondas sísmicas para abordaralgunas de sus teorías.
La actividad de investigación del observatorioSAFOD se enfoca además en el estudio de losaspectos dinámicos relacionados con lo quesucede en los minutos, horas, días e incluso añosque preceden a la ocurrencia de un sismo. Exis-ten grandes divergencias acerca de este tema. Enlos experimentos de laboratorio, los terremotospueden tener lugar cuando se produce fricciónentre la superficie de una roca y otra. Si bien losinvestigadores a veces pueden predecir cuándoocurrirán estos terremotos simulados durante losexperimentos controlados, la Tierra es muchomás complicada que cualquier experimento delaboratorio. Las zonas de fallas profundas, en lasque tienen lugar los terremotos, poseen tempe -raturas elevadas, fluidos exóticos e inclusominerales exóticos que pueden hacer que elcomportamiento de la Tierra difiera significativa-mente del observado en los experimentos delaboratorio.
4. Achenbach J: “The Next Big One,” National Geographic209, no. 4 (Abril de 2006): 120–147.
5. Para más información sobre EarthScope, consulte:http://www.earthscope.org. (Se accedió el 11 de abril de 2006).
6. Lefort M: “Scientists Journey to the Center of anEarthquake,” EUA Today (16 de agosto de 2005): 7D.
7. Brown D: “Earthquake Study Goes Nucleation,” AAPGExplorer 26, no. 7 (Julio de 2005): 8–10.
8. Una edición especial de la publicación GeophysicalResearch Letters contiene 20 artículos referidos a laactividad de investigación realizada en torno a la carac terización del emplazamiento SAFOD: “Preparationfor the San Andreas Fault Observatory at Depth,”Geophysical Research Letters 31, no. 12 (Junio de 2004).
9. Brown, referencia 7.10. La fase inicial del terremoto, entre la primera onda P
impulsiva que arriba (onda compresional) y el punto enque el sismograma de velocidad inicia un incremento develocidad lineal repentino, se denomina fase de nuclea -ción. Los conceptos de la fase de nucleación y losmecanismos de fracturamiento no son bien conocidos ouniversalmente aceptados por todos los investigadores.
Pronto, los científicos podrán comprobar susteorías con las observaciones del observatorioSAFOD. Observarán si las deformaciones se pro-ducen antes de que ocurra un terremoto, si ladeformación puede predecir la ocurrencia de unterremoto y cuál será su magnitud. Además,podrán observar si la presión de los fluidos cam-bia sistemáticamente en los terremotos y siestos cambios de presión inciden en la nuclea-ción de los terremotos. Las respuestas a estaspreguntas ayudarán a los científicos a aprendermucho sobre los terremotos y permitirán mejo-rar sus pronósticos.
Mapas del subsuelo para el observatorio SAFODEn la preparación del observatorio SAFOD, serealizó un estudio extensivo de caracterizacióndel sitio, alrededor del emplazamiento de la per-foración y a través de la falla SAF. En el veranode 2002, en el emplazamiento SAFOD se perforóun pozo piloto vertical de 2.2 km [7,200 pies] deprofundidad.11 Para observar la estructura y lasheterogeneidades del subsuelo en escalas múlti-ples, fluctuantes entre cientos de metros y
decenas de kilómetros, los geocientíficos se basa-ron en los estudios coordinados por el USGS.
Los estudios sísmicos incluyen la localizaciónde los terremotos utilizando la gran red de sismó-metros de Parkfield y el proceso de inversióntomográfica 3D, un levantamiento sísmico dereflexión de alta resolución realizado por el USGS,un levantamiento de generación de perfiles corti-cales llevado a cabo por el GeoForschungsZentrum(GFZ) y el Instituto Politécnico de Virginia (VPI),además de numerosos perfiles sísmicos verticalescon apartamiento de la fuente (VSP).12 Los estu-dios de campos potenciales incluyen el mapeo gra-vimétrico y magnetométrico y un perfil de resisti-vidad eléctrica determinado a partir de la explo-ración magnetotelúrica.13 Estos estudios, que utili-zan tecnologías y técnicas de procesamiento deúltima generación, están ayudando a los geocien-tíficos a comprender los rasgos y estructuras geo-lógicas principales de la zona SAF. Algunos resul-tados han sido sorprendentes.
Por ejemplo, Paulsson Geophysical Services,Incorporated, una compañía de sísmica de pozocon base en California, desarrolló uno de losarreglos de receptores sísmicos de pozo más lar-
gos del mundo para generar un mapa del entornosubterráneo del observatorio SAFOD. Su arreglode receptores engrapados, de tres componentes,1,219 m [4,000 pies] y 80 niveles, se utilizó en dossegmentos, en mayo de 2005, para producir unVSP detallado, con tres canales, 160 niveles, y2,743 m [9,000 pies] de largo, de las formacionesadyacentes a la falla SAF justo antes del inicio dela perforación del pozo principal de la Fase 2.
Después de finalizado el VSP, el arreglo dealta sensibilidad y alta frecuencia (hasta 400 Hz),se dejó en el pozo durante dos semanas, regis-trando más de 1,000 terremotos pequeños y 100más grandes (de una magnitud de hasta 2.7).14
Estas registraciones proporcionaron a los sis -mólogos un descubrimiento sorprendente: laprimera observación de los temblores no volcá-nicos en la zona SAF (arriba). Los científicoscreen que estos temblores fueron causados porepisodios de desplazamiento reiterados profun-dos, similares a los observados en la zona desubducción de Cascadia debajo de la Isla de Van-couver, en la provincia de Columbia Británica,en Canadá.
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–1,000
–1,200
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Distancia de desplazamiento 100 m Distancia de desplazamiento 200 m
Este Norte
Número de sismómetro0 80 0 80Número de sismómetro
Temblor Terremoto
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> Observación de temblores no volcánicos en la falla SAF. Después de utilizar un arreglo de receptores engrapados, de tres componentes, 4,000 pies y 80niveles (izquierda), para producir un perfil sísmico vertical de 9,000 pies en el observatorio SAFOD, los científicos se sorprendieron al descubrir la existen -cia de temblores no volcánicos (centro), que, según se cree, son causados por episodios de deslizamiento producidos en las profundidades de la Tierra.Se muestran los perfiles sísmicos del terremoto (derecha) con fines comparativos. El sismograma del temblor muestra excursiones de amplitud oscilantesy prolongadas, positivas (rojo) y negativas (azul), mientras que la energía sísmica de los terremotos se concentra en un intervalo de tiempo relativamentecorto. (Cortesía de William Ellsworth, del Servicio Geológico de EUA).
Otoño de 2006 31
En otro experimento, la Universidad de Dukeregistró levantamientos VSP en el año 2003 utili-zando un arreglo vertical de tres componentes y32 niveles, emplazado en el pozo piloto. Las gran-des cargas de las fuentes sísmicas utilizadas en ellevantamiento de generación de perfiles cortica-les realizado conjuntamente entre GFZ-VPIproporcionó buenas señales para el registro de losdatos VSP. Los resultados del análisis de veloci-dad de ondas compresionales, u ondas P, y deondas de corte, u ondas S, indican diferencias sig-nificativas en las velocidades máximas para lascomponentes transversales paralelas y perpendi-culares a la dirección de adquisición (arriba). Seconsidera que estas diferencias son causadas porlas fracturas verticales presentes en la estructurageológica del subsuelo que yace en forma aproxi-madamente paralela a la tendencia superficial dela falla SAF.15 Estos resultados indican la presen-cia de una estructura de fracturas complejas en lazona SAF, posteriormente confirmada por elanálisis de los datos obtenidos mediante la gene-ración de imágenes en el pozo principal.
En el año 2004, la Universidad de Duke, encolaboración con Schlumberger, convalidó lacomplejidad de la zona SAF con imágenes detalla-das de las fallas, a profundidades mayores que lasque podían proporcionar los levantamientos sís-micos de superficie del USGS. El VSP ge neradocon el sistema Drill-Bit Seismic de Schlumberger,
11. Hickman S, Zoback MD y Ellsworth W: “Introduction toSpecial Section: Preparing for the San Andreas FaultObservatory at Depth,” Geophysical Research Letters31, no. 12 (Junio de 2004): L12S01.
12. Thurber C, Roecker S, Zhang H, Baher S y Ellsworth W:“Fine-Scale Structure of the San Andreas Fault Zoneand the Location of SAFOD Target Earthquakes,”Geophysical Research Letters 31, no. 12 (Junio de 2004):L12S02.Hole JA, Ryberg T, Fuis GS, Bleibinhaus F y Sharma AK:“Structure of the San Andreas Fault Zone at SAFODfrom a Seismic Refraction Survey,” GeophysicalResearch Letters 33, no. 7 (Abril de 2006): L07312.Para obtener más información sobre tecnologíassísmicas de última generación, consulte: Ait-MessaoudM, Boulegroun M-Z, Gribi A, Kasmi R, Touami M,Anderson B, Van Baaren P, El-Emam A, Rached G, LaakeA, Pickering S, Moldoveanu N y Özbek A: “Nuevasdimensiones en tecnología sísmica terrestre,” OilfieldReview 17, no. 3 (Invierno de 2005/2006): 48–59.
13. Unsworth M y Bedrosian PA: “Electrical ResistivityStructure at the SAFOD Site from MagnetotelluricExploration,” Geophysical Research Letters 31, no. 12(Junio 2004): L12S05.
> Gráficas de velocidad por semblanzas, a partir de un perfil sísmico vertical en el observatorio SAFOD (izquierda). Las diferencias de las velocidades má -ximas para las componentes transversales paralelas a la dirección de adquisición (curva superior) y perpendiculares a la dirección de adquisición (curvainferior) se utilizaron para determinar las orientaciones de las fracturas verticales (línea azul en el mapa de la derecha), presentes en la estructura geológica,alineadas unos 12° aproximadamente respecto de la expresión de la tendencia superficial de la falla SAF y 7° respecto de la línea de adquisición principalGFZ-VPI (línea de color pardo en el mapa).
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Velocidad, m/s6,000 8,000 9,000 10,0007,000
Inline Máxima en 2,900 m/sEn
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Velocidad, m/s6,000 8,000 9,000 10,0007,000
CrosslineMáxima en 3,100 m/s
0 50 km
0 30 millas
CALIFORNIA
Área dela figura Paso Robles
San Miguel
Línea de adquisic
ión principal
CoalingaValle
de Priest
101
198
198
41
46
46
25
33
5
Falla de San Andrés
Cañón de Waltham
FallaGold
Hill
SAFOD
12°
7°
Tendencia de los planos
de fracturas paralelas
Parkfield
Cholame
en el que la barrena actúa como fuente de ener-gía, se utilizó durante la perforación del pozoprincipal de la Fase 1. El conjunto de datossísmicos se obtuvo utilizando la energía de labarrena de perforación como fuente sísmica dealta amplitud y bajo costo.16 Esto proporcionó unVSP inverso en tiempo real, a partir de las seña-
McPhee D, Jachens R y Wentworth C: “CrustalStructure Across the San Andreas Fault at the SAFODSite from Potential Field and Geologic Studies,”Geophysical Research Letters 31, no. 12 (Junio de 2004):L12S03.
14. Peebler R: “Borehole Seismic Records 1,000 EarthquakesDuring San Andreas Fault Research,” First Break 23, no. 9(Septiembre de 2005): 17.
15. Taylor S, Malin P y Haldorsen JBU: “Shear-WaveAnisotropy Observed in VSP Data at the San AndreasFault Observatory at Depth,” artículo ANI 3.6, ResúmenesExpandidos, 75a. Reunión Anual de la Sociedad deGeofísicos de Exploración, Houston (6 al 11 de noviembrede 2005):174–177.
16. Para obtener más información sobre la tecnología Drill-Bit Seismic, consulte: Meehan R, Miller D, Haldorsen J,Kamata M y Underhill B: “Rekindling Interest in SeismicWhile Drilling,” Oilfield Review 5, no. 1 (Enero de 1993):4–13.Borland W, Codazzi D, Hsu K, Rasmus J, Einchcomb C,Hashem M, Hewett V, Jackson M, Meeham R y TweedyM: “Real-Time Answers to Well Drilling and DesignQuestions,” Oilfield Review 9, no. 2 (Verano de 1997): 2–15.
†Inlines: Líneas paralelas a la dirección de la adquisición.Crosslines: Líneas perpendiculares a la dirección de laadquisición.
les generadas por la barrena de perforación, loque dio a los geocientíficos la posibilidad de verlo que está adelante de la barrena para detectarlas reflexiones causadas por las fallas y los cam-bios en la litología, esperados en el observatorioSAFOD (derecha).
Schlumberger donó los instrumentos utiliza-dos para generar el VSP con el servicio Drill-BitSeismic. Éstos incluyeron los acelerómetros ins-talados en la cabeza rotativa superior del equipode perforación utilizado para el registro de laseñal de la barrena, además de los geófonos y elcableado para la instalación de un arreglo degeófonos de 46 canales en la superficie. El arre-glo de geófonos de superficie se extendía a lolargo de una línea dirigida fuera de la localiza-ción de perforación, en dirección hacia la fallaSAF.17 Los científicos de Schlumberger utilizaronun mapa de perfiles de velocidad generado a par-tir de la inversión tomográfica de los tiempos detránsito de las ondas P medidos con el VSP, obte-nidos el verano previo, utilizando 47 tiros dellevantamiento de generación de perfiles cortica-les GFZ-VPI (próxima página, arriba).
Este perfil posibilitó el procesamiento de losdatos sísmicos obtenidos utilizando la energía dela barrena como fuente sísmica para identificarlos cambios potenciales en la geología o en lascondiciones del subsuelo y convertir las medicio-nes de los tiempos de reflexión en una imagende la formación adyacente al pozo, procesodenominado migración del campo de ondas. Elprograma SeisDB de manejo de datos sísmicos,provisto por Schlumberger, se utilizó para super-visar la adquisición y el control de calidad de losdatos. Para el procesamiento de los datos prima-rios fue necesario aplicar técnicas patentadas defiltrado adaptativo, correlación y filtrado dearreglos digitales con formación de haces adap-tativos y técnicas de deconvolución multicanal.Las técnicas de procesamiento adicionalesincluyeron la implementación del filtro demuesca para remover el ruido eléctrico y la utili-zación del filtro pasabanda del campo de ondasde salida.
La migración del campo de ondas reflejadasprodujo una imagen clara del subsuelo alrededordel pozo desviado de la Fase 1 del observatorioSAFOD, que se correlaciona bien con las locali-zaciones y los echados de muchos rasgos linealesy fallas de los que se generaron imágenes a pocaprofundidad en el perfil de reflexión superficial dealta resolución Imágenes Sísmicas Noventa y Ochode Parkfield (PSINE) del año 2002.18 Tanto lacubierta sedimentaria somera de edad Terciario,como el bloque granítico de Salinia subyacente,
son incididos por una serie compleja de fallas deinclinación pronunciada. Los estudios realizadosutilizando la energía de la barrena como fuentesísmica resultaron importantes porque produjeronimágenes nítidas de las zonas de fallas y ayudarona los geólogos a correlacionar los cambios en losminerales y las propiedades petrofísicas visualiza-das en los registros de pozos con las numerosasestructuras de fallas observadas sísmicamente(próxima página, abajo).
La generación de imágenes con el métodoDrill-Bit Seismic ayudó además a los ingenierosde perforación a mejorar su capacidad de “visua-lizar el interior de la tierra” y perforar pozos ynúcleos de manera eficaz desde el punto de vistade sus costos, y en forma precisa y segura, sobreel objetivo. Los datos de perforación y muestrasconfirmaron que el pozo había intersectadovarias zonas de fractura durante el proceso deperforación. Los registros de pozos, que se anali-zan más adelante, también confirmaron lapresencia de numerosas fracturas y localizacio-nes precisas en las que fueron penetradasnumerosas zonas de cizalla (corte).
Anisotropía de la velocidad de las ondas de corteUtilizando datos de velocidad de ondas de corte,los científicos del observatorio SAFOD pudieronabordar una serie de preguntas relacionadas conel origen de la anisotropía de la velocidad de las
ondas de corte. Es sabido que las ondas de corteque viajan a través de una formación pueden“separarse” en una componente de velocidadrápida y una componente de velocidad lenta, enun proceso que se conoce como anisotropía delas ondas de corte. En el emplazamiento SAFOD,los investigadores lograron investigar, en unadiversidad de escalas, los roles que desempeñanel esfuerzo tectónico y las fracturas, fallas yplanos de estratificación preexistentes en la ani-sotropía de la velocidad de las ondas de corte.La anisotropía de las ondas de corte puede serestudiada utilizando sismómetros de tres compo-nentes desplegados en un pozo, o empleandoherramientas de adquisición de registros, talescomo el generador de Imágenes Sónico DipolarDSI y la plataforma de exploración acústicaSonic Scanner de Schlumberger. Estos instru-mentos pueden determinar la magnitud de laanisotropía de las ondas de corte, o una dife -rencia porcentual entre las componentes develocidad más rápida y más lenta, además de ladirección de esas componentes.
La anisotropía de las ondas de corte, inducidapor el esfuerzo, se produce en secuencias dearena-lutita con laminaciones finas, en las quelos minerales o los granos de arcilla se alinean alo largo de planos de estratificación paralelos odonde las fracturas paralelas hacen que una rocasea más flexible, en dirección perpendicular a losplanos que paralela a los mismos.
32 Oilfield Review
Pozo piloto
Placa del Pacífico Placa Norteamericana
Arreglo de superficie
Barrena como fuente
sísmica
Falla de San Andrés
Señales VSPreflejadas por la falla
> Reflexiones especulares con un VSP generado con el servicio Drill-Bit Seismic. Las ondas sísmicasque se propagan desde una barrena pueden rebotar a partir de las trazas principales de la zona SAFy luego ser registradas por un arreglo de geófonos de superficie, emplazados a lo largo de la falla. Lautilización de una fuente sísmica profunda, tal como una barrena, junto con un arreglo de superficiemejora las reflexiones especulares creadas por las fallas casi verticales. La geometría provista poruna fuente de fondo de pozo y un arreglo de receptores de superficie produce un VSP invertido.
Otoño de 2006 33
La anisotropía de la velocidad de las ondas decorte también puede observarse en una cortezafracturada en forma aleatoria, cuando el cierre delas fracturas inducido por el esfuerzo posee unadirección preferencial, tal como el granito inten-samente fracturado del bloque de Salinia querodea al pozo piloto vertical. En realidad, en elgranito intensamente fracturado que encontró elpozo piloto SAFOD de 2.2 km de profundidad, per-forado en el año 2002, hubo una excelentecorrelación entre la dirección “rápida” de la ani-sotropía y la dirección del esfuerzo horizontalmáximo indicada por las ovalizaciones producidaspor ruptura de la pared del pozo y las fracturas detracción inducidas por la perforación.19
Además de estudiar la anisotropía de la velo-cidad de las ondas de corte con las herramientasde adquisición de registros, en el pozo piloto y elpozo principal, en el pozo piloto se instaló unarreglo de sismómetros de tres componentes y
32 niveles. Este arreglo se utilizó para estudiarla anisotropía de las ondas de corte, proviniendolas ondas de nueve micro-terremotos locales.20
Los mismos se produjeron en la falla SAF, a lolargo de un período de dos años comprendido
17. Taylor S, Malin P, Shalev E, Haldorsen JBU y Coates R:“Drill Bit Seismic Imaging of the San Andreas FaultsSystem at SAFOD,” artículo VSP 2.1 ResúmenesExpandidos, 75a. Reunión Anual de la Sociedad deGeofísicos de Exploración, Houston (6 al 11 denoviembre de 2005): 2657–2660.
18. Catchings RD, Rymer MJ, Goldman MR, Hole JA,Huggins R y Lippus C: “High-Resolution SeismicVelocities and Shallow Structure of the San AndreasFault Zone at Middle Mountain, Parkfield, California,”Boletín de la Sociedad Sismológica de América 92, no. 6 (Agosto de 2002): 2493–2503.
19. Boness NL y Zoback MD: “Stress-Induced SeismicVelocity Anisotropy and Physical Properties in theSAFOD Pilot Hole in Parkfield, CA.,” GeophysicsResearch Letters 31, no. 15 (Julio de 2004): L15S17.
20. Boness NL y Zoback MD: “A Multi-Scale Study of theMechanisms Controlling Shear Velocity Anisotropy in theSan Andreas Fault Observatory at Depth,” a serpublicado en Geophysics (2006).
> Generación de imágenes de alta resolución utilizando la energía de la barrena como fuente sísmica.La imagen obtenida utilizando la energía de la barrena como fuente sísmica, migrada y superpuestasobre el perfil sísmico de alta resolución PSINE, muestra claramente los detalles mejorados de lasestructuras SAF, a lo largo del pozo, en profundidad. Muchas de las fallas (líneas magenta) inter pre -tadas en el perfil se correlacionan bien con las fallas que se ven claramente en la imagen obtenidautilizando la energía de la barrena como fuente sísmica. Además se muestra la trayectoria del pozoprincipal SAFOD en rojo. (Adaptado a partir de Catchings et al, referencia 18).
0 1,000 2,000 3,000 4,000SAFDistancia, m
Prof
undi
dad,
m
NESO0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
1,150 a 1,200 m
1,310 a 1,420 m
1,835 a 1,880 mPozo principal
Superposición de la imagen obtenidautilizando la energía de la barrena comofuente sísmica
–3,000
1,000
–2,000
–1,000
0
SAF
0–1,000–2,000–3,000–4,000–5,000 5,0004,0003,0002,0001,000
Desplazamiento, m
Prof
undi
dad,
m
Velo
cida
d ac
ústic
a, k
m/s
2
3
4
5
> Perfil tomográfico del emplazamiento SAFOD. La trayectoria para el pozo principal (gris) atraviesa la falla SAF. Lascurvas de contorno muestran la velocidad sísmica en kilómetros por segundo. Las velo cidades más altas (rojo) mues -tran la roca granítica subyacente anticipada, presente debajo del pozo, y la sección vertical del pozo principal. El cír -culo rojo indica la localización aproximada de los terre motos de magnitud 2 a los que se apunta como objetivo parasu estudio.
entre 2002 y 2004, a aproximadamente 1.5 km[4,920 pies] de distancia del pozo piloto SAFOD ya una profundidad de entre 2.7 km [8,860 pies] y7.3 km [23,950 pies] (arriba).
Los científicos observaron que los receptoresde la porción superior del arreglo del pozo pilotomostraban en forma consistente resultados dife-rentes de los receptores de la porción inferior. Losreceptores superiores demostraron que las ondasde corte de los nueve terremotos son polarizadaspor la anisotropía inducida por el esfuerzo; ladirección de polarización de las componentes de
velocidad más rápidas se alineaba con orientaciónnor-noreste, paralela a la dirección del esfuerzohorizontal máximo presente en la formación,observado en las mediciones de ovalización porruptura de la pared del pozo.21 Demostraron ade-más que la magnitud de la polarización se reducíacon la profundidad, como es dable esperar—debido al creciente esfuerzo de confinamientoque cerró las fracturas. No obstante, los resulta-dos de los receptores inferiores del arregloindican que las ondas de corte sísmicas parecíanpolarizadas por la anisotropía estructural.
34 Oilfield Review
21. Boness y Zoback, referencia 19.Para obtener más información sobre ovalizaciones porruptura de la pared del pozo, consulte: Ali AHA, Brown T,Delgado R, Lee D, Plumb R, Smirnov N, Marsden R,Prado-Velarde E, Ramsey L, Spooner D, Stone T yStouffer T: “Observación del cambio de las rocas: modelomecánico del subsuelo,” Oilfield Review 15, no. 2 (Otoñode 2003) 22–41.
22. Malin P, Shalev E, Balven H y Lewis-Kenedi C:“Structure of the San Andreas Fault at SAFOD from P-Wave Tomography and Fault-Guided Wave Mapping,”Geophysical Research Letters 33, no. 13 (Julio de 2006):L13314.Li Y-G, Vidale JE y Cochran ES: “Low-Velocity DamagedStructure of the San Andreas Fault at Parkfield fromFault Zone Trapped Waves,” Geophysical ResearchLetters 31, no. 12 (Junio de 2004): L12S06.
23. La acumulación y liberación graduales del esfuerzo y ladeformación se conoce ahora como “teoría del reboteelástico” de los terremotos, y fue desarrollada por HenryFielding Reid, profesor de geología de la UniversidadJohns Hopkins, quien llegó a la conclusión de que losterremotos implican un “rebote elástico” de esfuerzoselásticos almacenados previamente. Para obtener másinformación sobre la teoría del rebote elástico de Reid,consulte: http://quake.wr.usgs.gov/info/1906/reid.html (Se accedió el 3 de mayo de 2006).
La dirección de polarización rápida obser-vada se alineaba con la fábrica de los planos deestratificación—no en la dirección del esfuerzohorizontal máximo—y la magnitud de la aniso-tropía aumentaba con la profundidad, lo que noguarda consistencia con la anisotropía inducidapor el esfuerzo. Inicialmente, no quedaba claropara los investigadores de SAFOD, cómo cadauno de estos terremotos podía generar tanto ani-sotropía inducida por el esfuerzo comoanisotropía estructural, en diferentes receptoresdel mismo arreglo vertical.
El misterio se resolvió con la informaciónobtenida a partir de la generación de imágenesde la pared del pozo con la herramienta de gene-ración de Imágenes Microeléctricas deCobertura Total FMI y otros registros petrofísi-cos. Los científicos descubrieron la presencia desedimentos estratificados, que inclinan en direc-ción sudoeste, y perpendiculares al pozoprincipal desviado. Las ondas sísmicas, desde losterremotos hasta los receptores sismográficosinferiores del arreglo del pozo piloto, aparente-mente se propagaron a través de los planos deestratificación de los sedimentos inclinados, loque explica la anisotropía de las ondas de corteinducida estructuralmente, que se observa enlos receptores inferiores.
Si bien los registros de pozos no indicanhasta qué profundidad se extienden los sedi-mentos, éstos se pueden extender en sentidodescendente, una distancia suficiente como paraque las trayectorias de rayos inferiores viajencompletamente a través de los sedimentos. Sesabe que los efectos de la anisotropía son acu-mulativos a lo largo de la trayectoria de un rayo,y que la dirección observada de polarización de
Placa del Pacífico
SAF
Hipocentrosde los terremotos
Plac
a N
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a
Arre
glo
del p
ozo
pilo
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Trayectorias de rayos hacia
los sismómetros superiores> Misterio sísmico. Se muestran las trayectorias aproximadas de los rayossísmicos desde cada uno de los nueve terremotos hasta los receptores su pe -riores (trayectorias rojas) e inferiores (trayectorias negras), del arreglo sis mo -gráfico del pozo piloto (izquierda). Las ondas de corte sísmicas que llegan alos receptores superiores parecían polarizadas, como es dable esperar, por la dirección del esfuerzo máximo en la tierra, pero las ondas que llegan a losreceptores inferiores parecían polarizadas en una dirección diferente. Utili -zando información proveniente de los registros petrofísicos, los sismólogosdescubrieron la presencia de capas sedimentarias buzantes que yacen en latrayectoria de los receptores inferiores, como las que se ven en el aflora mien -to (derecha). Estos sedimentos dan cuenta de la anisotropía aparente inducidapor la estructura, que se observa en las ondas que ingresan en los recep to -res inferiores.
Otoño de 2006 35
las ondas de corte vista en el sismómetro es con-trolada por el último medio anisotrópico queencuentra la onda. De este modo, la estrati -ficación polariza los rayos inferiores, cuyastrayectorias viajan a través de los sedimentosinmediatamente antes de ingresar en los recep-tores inferiores. Por el contrario, si bien losrayos sísmicos que se propagan desde los terre-motos hasta los receptores superiores delarreglo probablemente atraviesan una parte sig-nificativa de las capas sedimentarias, la porciónfinal de su trayectoria pasa por el granito delbloque de Salinia fracturado que yace sobre lasección sedimentaria, lo que da origen a la ani-sotropía aparente de las ondas de corte inducidapor el esfuerzo, observada.
Localización de fallasAdemás de los mapas sísmicos, los científicosdel observatorio SAFOD están aprendiendo autilizar otras técnicas sísmicas nuevas paramapear la compleja estructura de fallas asociadacon el sistema SAF. Por ejemplo, los investigado-res observaron que las ondas sísmicas de losterremotos podían quedar atrapadas en unazona de falla.22
A menudo, cuando se produce un terremotodentro o muy cerca de una zona de falla, lasondas sísmicas se curvan a lo largo de la falla yfinalmente se propagan dentro del núcleo de la
misma—quedando atrapadas en la falla como lasmicroondas en un horno de microondas. Las lon-gitudes de ondas de las ondas atrapadas soncontroladas por las dimensiones y la baja veloci-dad de la zona dañada de la falla, cuyo espesoroscila entre 100 m [330 pies] y 250 m [820 pies](arriba). La señal en un sismómetro emplazadoen algún lugar de la zona fallada o en la superfi-cie, cerca de la falla, será grande pero se reducirárápidamente al desplazar el sismómetro lejos dela falla como si la energía sísmica fuera atrapadadentro de la falla en sí.
Este tipo de onda sísmica se denomina“guiada” porque las ondas sísmicas pueden tenergrandes amplitudes y propagarse a través de vas-tas distancias, a lo largo de una falla dada. Noobstante, las ondas guiadas de una zona de fallanecesitan una falla continua para permaneceratrapadas. Esto las convierte en buenos indi -cadores de la presencia de fallas uniformescompuestas de un segmento. Estas ondas tam-bién resultan útiles para mapear la extensiónespacial, el ancho y la continuidad, o la estrati-grafía, de las zonas de fallas y para descubrirqué fallas están conectadas con la localizacióndel terremoto.
Los investigadores del observatorio SAFODutilizan otra estrategia interesante para hallarterremotos en las profundidades del subsuelo.Después de perforar un segmento del pozo, se
Pozoprincipal
Pozo piloto
Fuentemicrosísmica
Ondas guiadaspor la falla
Placa del Pacífico Placa Norteamericana
Falla de San Andrés
Barrena como fuente sísmica
Arreglode superficie
> Mapeo de fallas con ondas guiadas de la zona de falla. Las ondas sísmicas provenientes de los te -rremotos pueden quedar atrapadas dentro de las fallas. Su energía sísmica puede propagarse a lolargo de la falla, recorriendo grandes distancias y con grandes amplitudes. La energía de la barrenapuede utilizarse para mapear las fallas empleando las ondas guiadas de la zona de falla (verde). Losepicentros de numerosos micro-terremotos se utilizaron para mapear la falla SAF con ondas guiadasde la zona de falla. La estrella representa episodios que crearon las ondas guiadas de la zona de falla.
detienen e instalan sismómetros dentro del pozopara observar las ondas de choque sísmicas.Luego, utilizando tiros de pruebas de velocidad odatos de registros, refinan su información develocidad para computar una localización sís-mica más precisa.
Por ejemplo, en mayo de 2005, justo antes deiniciarse la perforación de la Fase 2, los científi-cos, utilizando el arreglo Paulsson del pozo de laFase 1, observaron un terremoto de magnitud 0directamente adelante, a lo largo de la trayecto-ria planificada del pozo de la Fase 2. Utilizandolas velocidades sónicas de los registros LWD,combinaron la información de los registros conla información sísmica para localizar la posiciónexacta, a lo largo del pozo, donde se produjo esteterremoto. Su posición coincidió con la de unacapa de velocidad sónica anormalmente bajavista en los registros, lo que convalidó su enfo-que de localización de terremotos. De estemodo, los científicos observaron que la extensivazona de daño asociada con la falla SAF contienemás de un núcleo de falla activo: uno generaterremotos y el otro se desliza. Las pronunciadascaídas de velocidad corresponden a “firmas sís-micas” de las fallas activas. En el año 2007, loscientíficos extraerán muestras de núcleos ente-ros en estas zonas, durante la perforación de laFase 3, para adquirir más conocimientos acercade las áreas de fallas activas.
Un viaje al centro de un terremotoEntre el fin de la Fase 2, completada el veranopasado, y la perforación de la Fase 3, que se pon-drá en marcha en el año 2007, los científicoscontarán con dos años para estudiar los datos delas primeras dos fases de mediciones sísmicas ymediciones obtenidas durante la adquisición deregistros. Además, podrán monitorear los proce-sos que tienen lugar en el pozo para estudiar ladeformación actual de la falla SAF y refinar laslocalizaciones de las zonas sísmicas.
La gran pregunta, al final de la perforaciónde la Fase 2 fue la siguiente: ¿Hacia dónde semueve la falla SAF a lo largo del pozo? Despuésde un terremoto de magnitud 6 ocurrido enParkfield en el año 2004, se utilizaron las medi-ciones del sistema de posicionamiento globalpara generar mapas superficiales del área; estosmapas indican que la velocidad de deslizamientogeneral se ha acelerado. Conforme una falla sedesliza, transfiere un esfuerzo que hace que lavelocidad de deslizamiento aumente y luego sereduzca retomando sus valores normales al disi-parse el impulso sísmico momentáneo.23
Los registros LWD adquiridos en agujero des-cubierto muestran capas angostas con caídasanómalas de las velocidades de ondas compre-sionales y de corte, Vp y Vs, respectivamente, quese correlacionan con las bajas resistividades ylas altas porosidades neutrónicas del pozo inferior,en una región de 200 m [656 pies] de ancho. Estascaracterísticas indican que las zonas ex -tensivamente dañadas rodean una serie depotenciales candidatas a fallas. Después delentubado, se corrió un registro de calibrador de 40brazos de Schlumberger y las operaciones periódi-cas de readquisición de registros demostraron alos investigadores que la tubería de revestimientose está deformando en varias zonas angostas de1 a 3 m [3 a 10 pies], lo que se correlaciona conlas velocidades acústicas anormalmente bajasobservadas en los registros petrofísicos (arriba).
Estos resultados ayudan a los científicos aidentificar la localización exacta en la que lafalla SAF se está deslizando. Actualmente estánestudiando cómo se está acumulando el esfuerzode corte, mientras buscan otras zonas en las quepodría producirse deformación.
Revelación de la fábrica de la zona de fallaMediante la separación de la anisotropía in ducidapor el esfuerzo de la anisotropía estructural, losinvestigadores han podido complementar losdatos de esfuerzos existentes acerca de la cortezaque rodea la falla SAF en Parkfield. Las direccio-nes de polarización rápidas de los registrossónicos indican que el esfuerzo horizontalmáximo rota en el sentido de las agujas del reloj(de norte a noreste), entre 0° cerca de la superfi-cie y 45° a unos cientos de metros del plano defalla activo. Esta observación sustenta la interpre-tación de que el esfuerzo horizontal máximo escasi perpendicular al rumbo de la falla SAF, a unaprofundidad vertical de 2,500 m [8,200 pies]. Esainterpretación implica además que la falla SAF esuna falla débil que se desliza, con niveles deesfuerzo de corte bajos.
La observación de la anisotropía de las ondasde corte con instrumentos sísmicos y de adquisi-ción de registros sónicos ilustra los efectos de laescala de medición sobre la frecuencia, la longi-tud de onda y la estructura. Las ondas sísmicascon longitudes de onda de 30 km [18.6 millas] se
polarizarán sólo si la longitud de onda máspequeña es mayor que el espesor de la capa indi-vidual. Por el contrario, las ondas sónicas de unaherramienta de adquisición de registros poseenhabitualmente longitudes de onda de un metroaproximadamente, y de este modo son polariza-das por la estratificación sedimentaria en zonasde lutitas finamente laminadas, con planos deestratificación estrechamente espaciados. Explo-tando las diferencias existentes entre la escalade medición sísmica y la escala de mediciónsónica, los geofísicos están adquiriendo másconocimientos acerca de la propagación de losterremotos, además de las orientaciones de losesfuerzos-deformaciones en el subsuelo.
Las teorías que explican la debilidad de lafalla SAF son abundantes en la literatura e inclu-yen la existencia de materiales débiles desde elpunto de vista de la fricción en el núcleo de lafalla, y la presencia de alta presión de poros quereduce el esfuerzo normal y de mecanismos dedebilitamiento mecánico. La importancia decada teoría podrá ser establecida sólo cuando sedeterminen mediciones directas del estado de
36 Oilfield Review
> El núcleo de la falla. Con una herramienta calibradora de 40 brazos y alta resolución vertical y radial se midió ladeformación cada vez mayor de la tubería de revestimiento, donde el pozo atravesaba la falla SAF (inserto). Estadeformación se correlaciona con las caídas anómalas observadas en las velocidades acústicas, que se ven en losregistros LWD adquiridos en agujero descubierto.
Otoño de 2006 37
los esfuerzos, la porosidad, la permeabilidad, laspresiones de los fluidos, la deformación y otraspropiedades y procesos claves.
El análisis preliminar de los registros pe -trofísicos de la Fase 2 aportó una sorpresainteresante. Los registros muestran que la rela-ción Vp/Vs no cambia significativamente en elnúcleo de la falla SAF o a lo largo de la exten-dida zona dañada. Este resultado implica que lafalla SAF no posee alta presión de fluidos, lo queconstituía un requisito importante para una delas teorías sobre nucleación de terremotos.
Un futuro con sacudidasPara el momento en que se inicie la perforaciónde la Fase 3, en el año 2007, los sismólogos es -peran conocer con precisión dónde se estáproduciendo la mayoría de las deformaciones yterremotos de magnitud 2, en el observatorioSAFOD. Se perforarán pozos multilaterales apartir del pozo principal para penetrar las zonasde fallas activas y de ellos se extraerán núcleosenteros y muestras para estudiar porqué semueve cada sección (derecha).
Algunas fallas se están deslizando y otrasestán creando terremotos. Mediante el emplaza-miento de pozos multilaterales en cada tipo defalla, los investigadores planean realizar experi-mentos científicos clásicos que comparen lasfallas que producen terremotos con las fallas decontrol; fallas de deslizamiento. En cada zonafallada se desplegarán arreglos de sismómetrosde tres componentes, de última generación, utili-zando acelerómetros de estado sólido además deinclinómetros y geófonos tradicionales de bobinamóvil, para monitorear cuándo y dónde se produ-cen los terremotos. Esta información, combinadacon las diferencias existentes en la microestruc-tura, la mineralogía y la deformación, entre losgrupos de fallas, pronto arrojará una imagen máscompleta del comportamiento de las fallas.
Los investigadores se encuentran entusias-mados ante la posibilidad de trabajar con tantasdisciplinas diferentes de las geociencias y laingeniería. Están combinando la investigaciónde campo con los experimentos de laboratoriopara comprender qué ocurre en las profundida-des de las fallas que producen los terremotos.Esta investigación está ayudando a los científi-cos a determinar si los terremotos pueden serpronosticados, y en ese caso, cómo.
A través de la participación en estos estudiosde pozos que operan como observatorios, ytrabajando con una amplia diversidad de investi-gadores académicos y de otras geociencias,ajenos a la comunidad de exploración y produc-ción (E&P), los científicos e ingenieros deSchlumberger pueden probar en el campo lastecnologías en desarrollo, tales como el sistemaDrill-Bit Seismic. La capacidad de colaborar eintercambiar abiertamente los datos sobre el
proyecto SAFOD constituye un beneficio de granutilidad. Una ventaja mutua importante es quelos proyectos EarthScope y SAFOD están ayu-dando a entrenar una nueva generación degeocientíficos, que en algún momento podrántrabajar en la industria del petróleo y del gas. Noobstante, más importantes aún son los benefi-cios que aportará el conocimiento mejorado delos procesos que afectan la nucleación de losterremotos. —RH, MV
> El futuro del observatorio SAFOD. La perforación de la Fase 3 incluirá la ins -talación de al menos cuatro pozos multilaterales en zonas activas de terre mo -tos de magnitud 2 y en fallas de deslizamiento. El pozo piloto y el pozo principalseguirán teniendo sismómetros e inclinómetros. El pozo principal también con -tará con medidores de deformación láser y acelerómetros para monitorearlos terremotos. En el año 2007, después de perforar los multila te rales, se des -plegará una serie de sismómetros, acelerómetros, inclinómetros e instrumen -tos de temperatura y presión de fluidos para un monitoreo sos te nido a lo largode la vida futura del observatorio. La resistividad de la formación (clave en elextremo inferior) se obtuvo de mediciones geofísicas de superficie realiza daspor Unsworth M y Bedrosian PA (referencia 13).
Prof
undi
dad,
km
SAFOD
Pozopiloto
Pozos de re-entradaque penetran losterremotos objetivo
Zona
de
la F
alla
de
San
And
rés
MiddleMountain
Traza superficial de la Falla de San Andrés
0
1
2
3
1,000 100 10 1
Resistividad, ohm.m
Geófono, acelerómetro e inclinómetro recuperables, dentro de la tubería de revestimiento
Geófono, acelerómetro, inclinómetro y arreglo para monitorear la presión de los fluidos y la temperatura, recuperables, dentro de la tubería de revestimiento
Medidor de deformación de fibra óptica, cementado detrás de la tubería de revestimiento
