Introducción

La industria petrolera a nivel mundial realiza cuantiosas inversiones en estudios orientados a mejorar la producción y en la generación de propuestas operacionales que minimicen los daños que ocasionan las arcillas u otros minerales al flujo de fluidos en los yacimientos petrolíferos (^{Xiao et al, 2017}), siendo ésta una de las características más relevantes en su estudio (^{Bjorlykke, 2010}).

El sistema petrolero es un modelo dinámico que estudia las entradas de materia orgánica a la cuenca sedimentaria, su transformación, la generación de hidrocarburos y su acumulación en una trampa petrolera. Por tanto, el sistema petrolero está compuesto por una serie de subsistemas que deben estar concatenados en tiempo y espacio para que se forme una acumulación natural de petróleo en la corteza terrestre, susceptible de ser producida con rendimiento económico. (^{Chapman, 1983}).

La movilización de finos puede afectar severamente la productividad de los pozos, y es una de las fuentes más costosas de daño a la formación. El fenómeno es complejo, pero está gobernado fuertemente por la mineralogía, permeabilidad, salinidad y cambios de pH, al igual que las fuerzas creadas por la velocidad de flujo, la turbulencia y la viscosidad del fluido (^{Gabriel e Inamdar, 1983; Galal et al., 2016}). Las formaciones Naricual y Oficina, unidades productoras por excelencia en la Cuenca Oriental de Venezuela, no escapan de esta realidad.

La litología de la Formación Naricual (Oligoceno Tardío - Mioceno Temprano) se caracteriza por presentar un alto grado de cementación; sin embargo para la Formación Oficina (Mioceno) la cementación de las areniscas productoras varía desde pobre a moderada consolidación. (^{González de Juana et al., 1980}).

El propósito del presente estudio es establecer la composición mineralógica general de las areniscas de los intervalos productores de las formaciones Naricual y Oficina, su variabilidad y en particular, la proporción y composición de los minerales de arcilla presentes en ambas unidades, haciendo uso de metodologías complementarias (Difracción de Rayos X -DRX-, disolución parcial con ácidos, y Microscopía Electrónica de Barrido -MEB-). Los resultados a obtener permiten apoyar la generación de propuestas operacionales que minimicen los daños que ocasionan las arcillas u otros minerales al flujo de fluidos en los yacimientos y en la predicción del comportamiento de producción.

Geología del área de estudio

La Cuenca Oriental de Venezuela se encuentra limitada al norte por la Cordillera de la Costa, al sur por el Río Orinoco, al este por la plataforma del Delta del mismo río y al Oeste por el Lineamiento del Baúl.

Presenta una dirección general este- oeste, mide unos 700 km de largo por unos 220 km de ancho, con una superficie aproximada de 153.000 km2 y un volumen total de sedimentos, desde el Eoceno hasta el Holoceno, de alrededor de 310.000 km3 (^{González de Juana et al., 1980}).

Esta cuenca cuenta con 32 campos gigantes, recursos de 100 millones de barriles cada uno y 260 campos menores. El número de pozos perforados hasta el año 1977 es de 11.841 y cuenta con más de 3300 pozos activos. Además esta cuenca ha sido subdivida operacionalmente en dos subcuencas: la de Guárico y la de Maturín (Rojas, 2013) (Fig. 1).

Fig. 1 Ubicación y extensión de la Cuenca Oriental de Venezuela, y de las subcuencas de Guárico y Maturín. 

Subcuenca de Guárico

Esta subdivisión comprende los campos del estado Guárico y parte del norte del estado Anzoátegui. El flanco norte de la subcuenca se encuentra asociado al frente de deformación donde se ubica el sistema de fallas de Guárico, el cual sobrecarga rocas cretácicas y terciarias produciendo un marco tectónico complejo (^{González de Juana et al., 1980}). Hacia el sur, la estructura es más sencilla, con evidencias de depresiones estructurales en las que se conservaron rocas jurásicas y paleozoicas, y con un acuñamiento de las secuencias cretácicas y terciarias (Fig. 2) en la misma dirección. Las principales trampas son combinaciones de tipo estructural y estratigráfico, en los campos alejados del frente de corrimientos.

La roca madre principal (grupos Guayuta y Temblador) se supone sobrecorrida actualmente por el Frente de Deformación del Norte de Guárico. La generación está asociada al avance de las capas y lleva rápidamente a la ventana de gas por sobrecarga tectónica, por lo menos desde el Eoceno Tardío; de ahí que la principal acumulación al sur del Frente de Montañas sea de gas y no de petróleo líquido.

Fig.2. Corte Geológico conceptual Norte- Sur desde el cinturón de deformación del Caribe en Curazao hasta el Rio Orinoco. (^{Schlumberger, 1997}). 

No obstante, se ha postulado una generación cercana a la edad de la formación de las fallas Mioceno Tardío en la región de Guárico Central, con características de materia orgánica de origen marino y distancia de migración cercana (^{LEV, 1999}).

Los principales campos petroleros son, de oeste a este: Palacio, Las Mercedes, Yucal-EI Placer, Tucupido, El Jobal y Macoya; en especial, Yucal-EI Placer es un campo de gas por excelencia (Figura 3).

Fig.3.  Subdivisión de la Cuenca Oriental de Venezuela en las dos subcuencas, algunos elementos estructurales que definen la cuenca, ubicación de los principales campos. En anaranjado, las áreas que conforman la Faja Petrolífera del Orinoco: Boyacá, Junín, Ayacucho y Carabobo. Modificado de ^{Schlumberger (1997)}. 

Hacia el sur del Estado Guárico, las unidades cretácicas y terciarias se acuñan gradualmente, generando trampas estratigráficas y de sellos asfálticos en lo que se ha denominado la Faja del Orinoco, de yacimientos neógenos y cuya migración parece haber ocurrido no sólo de norte a sur, sino también de noreste a suroeste (^{Schlumberger, 1997}).

Se supone que estos crudos de tipo nafténico- parafínico se originaron a partir de una roca madre cretácica, y su migración de decenas de kilómetros se vio favorecida por la discordancia basal del Terciario (Neógeno - Cretácico y Neógeno - Basamento). Los sellos lutíticos más importantes se encuentran dentro de las mismas unidades yacimiento, como Roblecito, Chaguaramas y Oficina; la trampa constituye combinaciones de tipo estructural (fallas extensionales) y estratigráficas (canales) (^{González de Juana et al, 1980}; ^{Polanco, 2004}).

Subcuenca de Maturín

La Subcuenca de Maturín constituye la principal unidad petrolífera de la Cuenca Oriental. Podría afirmarse que la deformación estructural y los acuñamientos de las unidades estratigráficas hacía el sur definen dos dominios operacionales: uno al norte del Corrimiento de Pirital y otro al sur.

Para los campos del Norte de Monagas, la roca madre por excelencia debe haber sido cretácica (Grupo Guayuta), aunque no se descarta el aporte de secuencias más jóvenes con materia orgánica de afinidad continental (la superficie de la Formación Naricual es muy carbonosa, por ejemplo). Los yacimientos más importantes son de edad terciaria; en los campos del Norte de Monagas están constituidos por las formaciones Carapita, Naricual, Los Jabillos y Caratas.

Materiales y métodos

Proceso de selección de muestra

Las muestras utilizadas para el estudio provienen de núcleos de pozos de la Cuenca Oriental de Venezuela, los cuales atraviesan las formaciones en estudio, Naricual y Oficina respectivamente.

La selección de las mismas se realizó de manera aleatoria tomando como base de estudio cinco pozos por Formación. Para cada pozo se trabajó con tres profundidades diferentes, es decir, tres muestras por pozo; obteniendo así un total de 15 muestras a estudiar por Formación (Tabla 1).

Tabla 1 Profundidad en pies de las muestras empleadas en el presente estudio, por formación productora. 

Preparación de las muestras

Las muestras fueron sometidas a un proceso de limpieza previa con tolueno, a fin de eliminar residuos de compuestos orgánicos que puedan entorpecer las pruebas.

Una vez obtenida la muestra libre de residuos, se procedió a darle una preparación especial dependiendo del tipo de prueba a realizar.

Para el análisis por difracción de rayos X en muestra total se empleó la muestra debidamente pulverizada, homogeneizada en un mortero de ágata y tamizada a un tamaño menor de 200 micrómetros.

Adicionalmente, una alícuota de la muestra obtenida de la preparación anterior fue sometida a ultrasonido en agua destilada por 2 minutos para disgregar las partículas, para luego añadir como dispersante 1 mL de metafosfato sódico (Na3P3O9); esta preparación fue centrifugada, y el sobrenadante fue filtrado en un sistema Millipore. Los sólidos recolectados en el filtro fueron frotados en tres láminas de vidrio para corridas en DRX, y secadas éstas en un horno a 50ºC por 4 minutos.

La primera de las láminas fue empleada para correr arcillas generales; la segunda fue sometida a glicolación por métodos ya estandarizados (Reynolds, 1965; Mosser-Ruck et al., 2005). La última lámina fue llevada a una mufla a 450-550ºC por 4 horas. Al término del tiempo establecido, fue llevada a un desecador hasta enfriamiento a temperatura ambiente. Las tres láminas, luego de culminado cada proceso, son posteriormente analizadas por DRX.

Para el estudio por MEB, las muestras fueron partidas para generar superficies frescas. Cada muestra fue montada en un soporte de aluminio y cubierta con una película delgada de una aleación de oro (Au) usando una unidad de cubrimiento Edwards Sputter Coater (5150B).

ENSAYOS DE DISOLUCIÓN EN ÁCIDO

Las muestras fueron disgregadas en un mortero individualmente, se usaron recipientes plásticos transparentes de 150 mL de volumen. Se utilizaron 2 recipientes por cada muestra, una para disolución con HCl al 12 % (m/v) y la otra para disolución con HCl y RMA (Regular Mud Acid TM SLB).

DIFRACCIÓN DE RAYOS X

Las láminas de muestra total, y las láminas tratadas fueron examinadas en un difractómetro de Rayos X (Philips PW 1720), desde 2 a 70 grados, con un tubo emisor de Cobalto a 25 miliamperios y 35 kilovoltios. La velocidad de barrido para estas muestras fue de 2 grados por minuto, con una intensidad de 1000 conteos por segundo. Luego de transcurridos 35 minutos fue retirado el difractograma del registrador y se procedió a la identificación cualitativa de los minerales a través de curvas patrón. Por último, se calculó semi- cuantitativamente la relación de abundancia (porcentaje en peso) de cada una de las fases minerales identificadas.

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO

Para el análisis por Microscopía Electrónica de Barrido se utilizó un equipo MEB (JSM 5800), y las muestras, debidamente metalizadas se analizaron utilizando un voltaje de 20kV y una magnificación entre 5 y 200μm. Los datos cualitativos elementales de las fases seleccionadas observadas durante el estudio MEB fueron obtenidos por medio del uso de una unidad conectada a un Espectroscopio de Rayos X de Energía Dispersa (Rayos X elementales; EDS) equipada con un detector de Si.

PRUEBAS DE DISOLUCIÓN

El porcentaje de carbonatos, arcillas y cualquier otro mineral soluble fue corroborado mediante el análisis de disolución en ácido clorhídrico al 15% y RMA (Regular Mud Acid TM SLB). A todas las muestras se le agregó 100 mL de Ácido clorhídrico al 12 % (m/v) -cada muestra por duplicado- y se procedió tapar los recipientes con ENVOPLAST, luego se colocaron en baño maría por 1 hora a 110 ºC.

Luego de reposar las muestras, se extrajo con la ayuda de una jeringa la mayor cantidad de ácido posible. Seguidamente el primer duplicado de cada una de las 30 muestras fueron filtradas en sistema de vacío, recolectando los sólidos en un papel filtro Millipore previamente pesado, colocado sobre un embudo.

Una vez filtradas las muestras se colocaron en vidrios de reloj y fueron llevadas al horno a temperatura de 50ºC por 30 minutos. El segundo juego duplicado de cada muestra, se le agregó 100 mL de RMA (“Regular Mud Acid”, una mezcla de ácido fluorhídrico y clorhídrico) a cada una y fueron llevadas al baño de maría por 1 hora; el filtrado siguió el mismo procedimiento que en el primer duplicado ya descrito.

Resultados

MINERALOGÍA

La mineralogía presente en las muestras se ha deducido del análisis petrográfico, los difractogramas y los resultados de los ensayos de disolución por ácidos. El estudio de láminas delgadas de las muestras estudiadas de la Fm. Naricual pone de manifiesto que se trata de areniscas líticas a calcarenitas, con contenido variable en cuarzo; en las muestras destaca el carácter lítico.

El cuarzo aparece en granos angulares, monocristalinos; en algunos casos se aprecia sobrecrecimiento (Fig. 4). Las rocas poseen cemento de calcita espática.

Figura 4: Sobrecrecimiento de cuarzo, muestra NAR-03(c). 

En las muestras de la Fm. Oficina las areniscas lucen más friables, con cuarzo mono- y policristalino, angulosos, con abundantes nódulos sideríticos. A diferencia de las muestras de la Fm. Naricual, se puede apreciar feldespato potásico (microclino), parcialmente sericitizado; también aparece presente albita, accesorios como circón, y un mayor contenido de matriz arcillosa, en casi todas las muestras de Oficina.

DIFRACCIÓN DE RAYOS X

La Tabla 2 muestra los minerales identificados, y su proporción relativa. Como datos más significativos resalta la presencia casi constante de pirita y la amplitud de composición que abarcan las muestras de esta secuencia.

La composición mineralógica determinada a través de DRX revela diferencias menores entre las areniscas de las dos unidades, confirmando así los hallazgos obtenidos por el estudio petrográfico preliminar.

Las areniscas de la Formación Naricual son más cuarzosas (algunas muestras son cuarzoarenitas), con cemento calcáreo, presencia ocasional de glauconita, ausencia de microclino y clorita; por el contrario, las areniscas de la Formación Oficina poseen menor contenido de cuarzo, y revelan la presencia de microclino, illita/esmectita, circón y clorita, y un menor contenido de calcita y dolomita (Tabla 2).

Los ensayos de disolución en ácidos (HCl, RMA) son consistentes con la composición obtenida por difracción de rayos X.

La proporción total de minerales de arcilla en las muestras estudiadas oscila entre 0 y 14% en la Fm. Naricual, con una media de 6,8 %. Para las muestras de la Formación Oficina en cambio, los minerales de arcilla se encuentran entre 2 y 15%, con un promedio de 7,2%. La composición de las arcillas también varía entre ambas unidades, pues en la Fm. Naricual la caolinita es casi la única arcilla presente, mientras que en las muestras de la Fm. Oficina se detectan, además de la caolinita, clorita e illita/esmectita.

La representación de los promedios para cuarzo, carbonatos y arcillas en ambas unidades en el diagrama triangular de la Figura 5 permite clasificar ambos conjuntos de muestras como ARENISCAS sensu stricto, entendiendo que entre ambas formaciones, los conjuntos mineralógicos presentan sutiles diferencias composicionales que se revelan apareciendo ligeramente separados en el diagrama.

Tabla 2 Composición mineralógica determinada por DRX y % de disolución para las muestras de estudio. Las columnas sombreadas corresponden a los minerales de arcilla. 

Figura 5: Ubicación de las rocas estudiadas en el diagrama de clasificación de las rocas sedimentarias de composición mixta (tomado de ^{Pettijohn et al. (1987)}. 

Por otra parte, el análisis de los valores composicionales al ser graficados (promedios para ambas unidades) en el diagrama de clasificación de ^{Pettijohn et al. (1987)} permite ubicar las muestras de las formaciones de estudio en el campo formal de las arenitas, con un porcentaje de matriz menor al 15%, y específicamente, en las sublitarenitas (Figura 6).

Fig. 6: Ubicación de las unidades estudiadas en el diagrama de Pettijohn et al. (1987). Las areniscas estudiadas son formalmente sublitarenitas. 

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO

A través de Microscopía Electrónica de Barrido pudo observarse aspectos morfológicos y de relaciones entre minerales, con hincapié en las arcillas.

Las micrografías de la Figura 7 corresponden a la muestra NAR-01(a) y revelan la morfología de los granos de cuarzo en la arenisca, tamaño fino, sub- redondeados, moderadamente seleccionados con comunes formas euhedrales producto del crecimiento secundario. Los granos se observan en contacto longitudinal, y las arcillas aparecen muy dispersas. En la micrografía inferior, se magnifica en detalle una arcilla.

Fig. 7: Imágenes de MEB en las muestras de estudio. Arriba, izquierda: Granos de cuarzo subangulares en la muestra NAR-01(b). Arriba, derecha: Detalle de una illita/esmectita en la misma muestra. Abajo, izquierda: Esta vista de alta magnificación corresponde a la muestra OF-05(b) y se aprecia una fracción de la roca que contiene minerales de arcilla, principalmente caolinita y su forma de platos sugiere formación sin sedimentaria. .Abajo, derecha: Área con influencia de arcillas en la muestra OF-05(c), donde se puede observar los granos de arena con arcilla cubriendo los granos y rellenando poros. La caolinita es euhedral con buena morfología cristalina. 

Se visualizan partículas ocasionales de feldespatos. Entre los accesorios se detecta ilmenita. La caolinita es el mineral de arcilla dominante. La illita está presente siempre, pero en menor proporción. Las arcillas aparecen recubriendo completamente todos los granos y rellenando todos los poros. Estas observaciones permiten aseverar que las arcillas presentes no son diagenéticas, sino formadas al momento de su depositación enel ambiente sedimentario que dio origen a la roca.

EFECTO DE LA MINERALOGIA EN EL COMPORTAMIENTO DEL YACIMIENTO

La presencia de cantidades variables de minerales de arcilla en las rocas estudiadas, su origen principalmente singenético, así como la disposición de las mismas bordeando tanto granos de arena como los poros de la arenisca son claves para comprender el comportamiento de estas unidades productoras luego de un tiempo de producción. Las altas tasas de flujo de fluidos a través de la unidad propician la movilización y redistribución de las arcillas débilmente asociadas al esqueleto de la roca, asentándose luego de su movilización en las gargantas de los poros e impidiendo el ulterior paso de fluidos.

Por otra parte, la proporción variable pero en general alta de minerales accesorios de composición ferrosa (presencia de Fe (II)) en varias partes de la columna sedimentaria, tanto de la Fm. Naricual (glauconita, pirita, siderita) como de la Fm. Oficina (siderita, ankerita, clorita) sugiere que el eventual uso de sistemas fuertemente oxigenados propiciará la formación de oxihidróxidos de hierro (III) -goethita y otras fases amorfas tipo ferrihidrita- que contribuirán negativamente al taponamiento de los poros por precipitaciones indeseadas.

El alto contenido de pirita en las muestras de ambas unidades también es perjudicial en los procesos de producción, sobre todo en recuperación secundaria, donde los fluidos oxigenados pueden ocasionar la liberación de azufre elemental o sulfato de calcio dihidratado (yeso), con efectos similares al de los oxihidróxidos de hierro, por precipitación indeseada en los conductos porales, disminuyendo la permeabilidad.

Conclusiones