IE C10 Geoelectrica 12

Instrumental Geofsico y Electrnico 1

Captulo 10

Instrumental para prospeccin geoelctrica. Resistivmetros y perfiladores.

ndice

10.1 Introduccin.............................................................................................................. 2 10.2 Principio de medicin............................................................................................... 2

10.2.1 Medicin de la corriente .................................................................................... 3 10.2.2 Medicin del potencial ...................................................................................... 3 10.2.3 Errores y ruido ................................................................................................... 3

10.3 Los instrumentos convencionales............................................................................. 5 10.3.1 El transmisor...................................................................................................... 5 10.3.2 El receptor.......................................................................................................... 6

10.4 Instrumentos actuales ............................................................................................... 6 10.4.1 Resistivmetros de corriente conmutada............................................................ 7 10.4.2 Instrumentos controlados por computadora personal porttil ........................... 8

10.5 Perfiladores............................................................................................................... 9 10.5.1 Perfilaje elctrico. Descripcin del equipo........................................................ 9 10.5.2 Perfilador monoelectrdico ............................................................................... 9 10.5.3 Perfilador multielectrdico .............................................................................. 10


10.1 Introduccin

Los mtodos elctricos de prospeccin se basan en el reconocimiento de rocas o minerales del subsuelo midiendo parmetros elctricos que los caracterizan, por ejemplo su resistividad. La medicin no requiere instrumentos muy sofisticados y es muy usado en hidrologa. Slo veremos los instrumentos ms difundidos que funcionan con corriente continua o corriente continua conmutada.

10.2 Principio de medicin

Una de las mediciones tpicas de los mtodos elctricos de prospeccin geoelctrica es la realizacin de sondeos elctricos que consiste en la medicin de resistividades desde la superficie del suelo usando varios electrodos que se van moviendo para investigar distintas zonas y profundidades. Desde el punto de vista instrumental no es ms que una sucesin de mediciones de resistencias por el mtodo de tensin y corriente. Se calculan las resistividades aparentes mediante la siguiente expresin:

[ . ]aVK K R mI

= = (10.1)


Donde I es la corriente de energizacin medida en [A], V es la diferencia de potencial causada por I, en [V] y K es un coeficiente que depende de la distribucin de los electrodos, en [m].

Fig. 10.1: Circuito habitual para la obtencin de sondeos elctricos.

Si los electrodos estn distribuidos en una superficie plana, siendo A y B los de energizacin y M y N los de potencial, la constante K vale:

21 1 1 1K

AM BM AN BN

pi=

+ (10.2)

La medicin se puede hacer con el mtodo de ampermetro y voltmetro, entonces los instrumentos proporcionan I y V , o con instrumentos con microcontrolador donde por medio de un ADC se digitalizan los valores de tensin y corriente, dando en forma directa la resistencia /R V I= en Ohms, e ingresando las distintas longitudes el valor de la resistividad aparente. Existen varios dispositivos electrdicos, el ms usado es el de Schlumberger, en el cual se trata de mantener la distancia MN mucho menor que AB, en este caso las resistividades se calculan con:

2

2a

ABV VKI MN I

pi

= = (10.3)

10.2.1 Medicin de la corriente La medicin de la corriente no presenta mayores problemas (ampermetro), se usan valores de corriente de entre 10 y 2000 mA.

10.2.2 Medicin del potencial El potencial que aparece en los electrodos MN es la suma de dos componentes: MN eV P V= + (10.4) Donde llamamos eP a un potencial que aparece en los electrodos sin energizar el terreno y V la diferencia de potencial causada por la corriente. El potencial de electrodos se produce al apoyar los electrodos en el suelo, es independiente de la corriente de energizacin y debe ser eliminado para calcular el valor de la resistividad aparente a . El mtodo habitual para eliminarlo es neutralizarlo con un potencial igual y opuesto provisto por un compensador incluido en el receptor.

10.2.3 Errores y ruido Los errores relativos que afectan esta medicin se pueden expresar como: K V Ie e e e = + + (10.5)


Donde: Ke : error por imprecisin en las medidas del dispositivo electrdico.

Ve : error instrumental ms ruido en la determinacin de V .

Ie : error instrumental ms ruido en la determinacin de I. El valor de Ke se minimiza midiendo con exactitud la distancia entre los electrodos. En cada uno de los otros dos errores podemos distinguir por lo menos tres componentes:

1) Error de resolucin. 2) Error de calibracin. 3) Ruido.

Error de resolucin. Tambin se puede designar como error de lectura. En los instrumentos analgicos con lectura sobre dial graduado est relacionado con la fineza en la graduacin del mismo. En los digitales proviene de la indeterminacin del dgito menos significativo del indicador (display) y puede ser importante si se realiza una inadecuada seleccin del alcance (por ejemplo: medir 12 mV habiendo elegido un alcance de 2000 mV). En valor absoluto es igual a la mitad del dgito menos significativo ( .5 mV en el ejemplo). Error de calibracin. Tiene una cota mxima especificada en fbrica, puede ser minimizado contrastando el instrumento con otro de mayor precisin. Afecta la precisin de los valores absolutos y no los valores relativos tomados con el mismo instrumento. Su valor se puede agrandar con el maltrato del instrumento. Ruido. Depende del terreno sobre el que se mide y de su entorno. Es muy importante en la determinacin de V , no as en la corriente que es muy poco afectada por el ruido. El valor de V en las mediciones comunes es relativamente pequeo, unos pocos milivoltios y a veces menor. A causa de ser medido entre puntos distanciados sobre el terreno est afectado por el ruido. De la expresin inicial de a deducimos inmediatamente que para una disposicin de electrodos K y una dada resistividad , el valor de V ser mayor cuanto mayor sea la corriente de excitacin I, y por lo tanto ser menos afectado por el ruido. Este recurso para mejorar la relacin seal-ruido tiene lmites prcticos: el tamao de los equipos, el aumento de peso de las bateras y la induccin de seales espreas por induccin por la mayor potencia aplicada a la excitacin. El ruido en la medicin de V tiene tambin varias componentes:

Polarizacin de los electrodos. Potencial natural. Ruido por corrientes parsitas.

El potencial de la polarizacin de los electrodos es relativamente grande cuando se utilizan electrodos metlicos en el circuito de potencial. Se presenta como una tensin de valor parecido, y en muchos casos mayor, que el potencial V a medir. Aparece al poner los electrodos en contacto con el suelo. Se origina en la reaccin del metal con los electrolitos del suelo, las inhomogeneidades en su concentracin y naturaleza, hace que sean distintos en cada electrodo y es la diferencia entre ambos la que aparece en los bornes del instrumento. La polarizacin depende del metal con que estn construidos: es alto en el acero, ms bajo en el cobre y en el plomo, y muy bajo o casi nulo en los llamados


impolarizables en los cuales el contacto con el suelo se realiza mediante una solucin saturada de sulfato de cobre. Cambia lentamente con el tiempo y afecta la precisin de la medida si no se toman precauciones. El potencial natural es provocado principalmente por las corrientes telricas y por efectos electroqumicos del terreno. Es relativamente estable en el tiempo que lleva una medicin y su valor puede llegar a las decenas de mV. Cuando es mucho mayor, del orden de las centenas de mV, seguramente obedece a la presencia de cuerpos conductores en el subsuelo. Su medicin en estos terrenos es un mtodo de prospeccin para descubrir yacimientos (no se utiliza energizacin). El ruido por corrientes parsitas obedece generalmente a causas de origen artificial: causado por la proximidad de centros industriales, ferrocarriles elctricos, emisoras radioelctricas de gran potencia, etc. Todos tienen en comn su variabilidad en el tiempo, con frecuencias desde ciclos por minuto a los MHz en el caso de las emisoras de radio. Las frecuencias ms altas se eliminan fcilmente por filtrado en los equipos, incluso las no tan altas como 50 o 60 Hz, de la distribucin de energa elctrica. Son ms problemticas las de carcter aleatorio o las muy lentas cuyo perodo sea del orden del tiempo de medicin, de estas caractersticas son las corrientes continuas con residuo de 50 Hz usadas para la proteccin de corrosin en caeras de gas.

10.3 Los instrumentos convencionales

Como vimos en la figura 10.1, estn compuestos por dos partes: el transmisor, que entrega la potencia y mide la corriente, y el receptor que mide el potencial desarrollado por I y compensa los potenciales de electrodos.

10.3.1 El transmisor Es una fuente de energa que debe ser capaz de entregar tensiones ajustables entre 20 y 500 V para lograr corrientes de 10 a 2000 A en los distintos tipos de suelos. En los primeros instrumentos, antes del desarrollo de los semiconductores, se usaba como generador un conjunto de bateras conectadas en serie. En la caja se dispona una llave rotativa para elegir la tensin a aplicar, incorporando pilas al circuito como se ilustra en la figura 10.2. La corriente se meda con un instrumento de aguja de alcance variable.

Fig. 10.2: Circuito de corriente.

Con el desarrollo de la electrnica se reemplazaron los paquetes de bateras por convertidores de estado slido que generan tensiones de hasta 500 V con potencias de 100 a 500 W, a partir de una nica batera de 12 V del tipo para automotores o de tipo gel. Cuando se realizan mediciones con separaciones de electrodos muy grandes, ( / 2AB mayor a 1000 m) se usan grupos electrgenos accionados con motor a nafta con un rectificador de potencia para obtener la corriente continua de excitacin.


10.3.2 El receptor El receptor es un milivoltmetro que debe medir el potencial sobre los electrodos MN que oscila entre unos pocos mV, o menos, hasta 1 V. Lleva incorporado un compensador para neutralizar el potencial de electrodos antes de energizar de manera tal que cuando se activa el transmisor se mide slo V .

Fig. 10.3: Receptor con compensador de potencial de electrodos.

Este circuito es una combinacin de resistencias accionadas por perillas junto a una batera que permite ajustar el potencial con dos modalidades: grueso para aproximar, y fino para llevar a cero. Con el desarrollo de los dispositivos electrnicos, se comienza a medir en forma directa el potencial y la corriente con instrumentos de indicacin digital.

Fig. 10.4: Esquema de medicin con instrumentos digitales.

Con ellos mejora la confiabilidad de las lecturas, desaparece el error de estimacin de la posicin de la aguja, y se gana en robustez, pues la calibracin no se modifica por los golpes y maltrato en el campo. El esquema de medicin con equipos digitales es el de la figura 10.4. Los milivoltmetros digitales permiten medir desde 20,00 mV a plena escala, o menos, en los que con cuatro dgitos se logran resoluciones de 50 V, que es prcticamente el lmite de esta forma de medir a causa de los ruidos mencionados al comienzo del captulo.

10.4 Instrumentos actuales

El mtodo tradicional de medicin tiene un lmite que se evidencia cuando las distancias entre electrodos son muy grandes, entonces los ruidos presentes en los electrodos de potencial hacen muy dificultosa la correcta compensacin. Se han


desarrollado mtodos conmutando el signo de la corriente de energizacin con lo que se mejora esta situacin. 10.4.1 Resistivmetros de corriente conmutada Estos equipos introducen un cambio importante en la forma de medir. El principio de medicin no es nuevo ya que se us hace unas dcadas en sondeos muy largos. Consiste en energizar con corriente que se invierte cclicamente, con perodos largos (de unos segundos), es decir con muy baja frecuencia para evitar el efecto pelicular que consiste en un comportamiento particular en las corrientes alternas que tienden a circular por la superficie de un cuerpo conductor, dependiendo del efecto de la frecuencia y de la resistividad del medio. La corriente de excitacin resulta una onda cuadrada, por lo tanto la seal de potencial tambin lo ser, pero con todos los ruidos agregados. En las primitivas mediciones se enviaba la seal del receptor a un registrador en banda de papel para, mediante aproximacin visual, eliminar el ruido y hallar V . El aspecto del registro es similar al de la parte inferior de la figura 10.5. El valor de la resistencia medida ser el cociente entre el valor filtrado de la tensin pico a pico ppV , y dividido por el valor pico a pico de la corriente ppI . Los equipos modernos con microprocesador realizan por clculos sencillos mediante un algoritmo adecuado la determinacin de V , tomando al menos cuatro medidas por ciclo de energizacin. Adems es posible calcular el potencial de electrodo de la medicin, que corresponde al promedio de las mediciones en cada ciclo. Observemos que cada medicin del circuito voltimtrico incluye: el potencial natural, el de polarizacin ( eP ) y el ruido ( riV ), adems del V . Para eliminar el ruido es necesario integrar durante un tiempo o tomar varias medidas y promediar antes que cambie el sentido de la corriente de excitacin. En la parte superior de la figura 10.5 se puede ver la forma de onda de la corriente de energizacin, y en la parte inferior la seal en el receptor. Observar el ruido y la tendencia a disminuir del potencial de polarizacin de electrodo eP . Se muestra un perodo de medicin de 16 s con cuatro ciclos completos.

Fig. 10.5: Formas de onda en un instrumento de corriente conmutada.

En la figura 10.6 se muestra el potencial medido para dos niveles de energizacin. Los valores de V para los dos niveles son:

Para la corriente menor 2.5 0.6%V = Para el doble de corriente 4.99 0.3%V =


Como es obvio, el error relativo disminuye al aumentar la corriente pues el ruido no depende de ella.

Fig. 10.6: Seales para dos niveles de corriente.

La fuente de potencia aplica valores de corriente mantenidos automticamente que el operador elige antes de empezar. Como hemos mencionado con anterioridad, estos instrumentos son medidores de resistencia, por lo que el valor indicado en el visor estar expresado en ohms:

VIndicacin RI

= = (10.6)

Si suponemos que el equipo toma 4 muestras por ciclo 1V , 2V , 3V y 4V , stas incluyen el valor del potencial de electrodos eP ( 1 eV V P= + ) que en el clculo desaparece. Tenemos que:

3 41 222 2 pp

V VV VV V++ = = (10.7) Y si interesa calcular el eP , se calcula como la media de todos los valores medidos:

1

N

ii

e

VP

N=

=

(10.8)

Se logra excelente repetitibilidad en las lecturas pues con el promedio de datos y al ser innecesaria la compensacin se obtiene independencia de la habilidad del observador. Adems poseen muy buena sensibilidad para realizar sondeos largos con bajos valores de potencia de energizacin, lo cual permite usar bateras ms pequeas. 10.4.2 Instrumentos controlados por computadora personal porttil Un paso ms de avance son los instrumentos controlados por una PC porttil. Miden con el procedimiento explicado anteriormente, los parmetros de trabajo se eligen en la pantalla y los datos se archivan en el disco rgido. Tienen la ventaja de que la gran difusin de las computadoras ha provocado una familiaridad con ellas que disminuye el tiempo de entrenamiento y facilita la operacin. Permiten analizar en el campo las curvas obtenidas y decidir sobre la calidad de las mismas, y todas las posibilidades adicionales de contar con una computadora en el campo con todos los datos de las mediciones incorporados.


10.5 Perfiladores

Son instrumentos con los que se realizan mediciones en pozo. La gama de mediciones que se pueden realizar es muy amplia sobre dos aspectos principales: las formaciones que atraviesa la perforacin y el pozo propiamente dicho. Dentro de las primeras podemos mencionar: potencial espontneo, resistividad, porosidad, temperatura, radiacin natural, etc. Dentro de las segundas: variacin del dimetro o calibre, apartamiento de la vertical, parmetros de los lodos de perforacin, etc. Se han desarrollado mucho en la industria petrolera y se ha llegado a grados de sofisticacin muy elevado que escapan al panorama general de la materia. Los perfiladores que se utilizan en hidrologa, en cambio, son ms simples, no porque las necesidades de conocer parmetros sean menores, sino porque los montos de dinero involucrados y las menores profundidades no justifican, habitualmente, el uso de equipos petroleros.

10.5.1 Perfilaje elctrico. Descripcin del equipo Todos estos instrumentos constan de una caja de medicin y de un cable con un electrodo, o un conjunto de ellos, que se sumerge en el pozo. El cable debe estar graduado o debe disponer de algn dispositivo para conocer con cierta exactitud la profundidad que est explorando la sonda, de forma que se pueda realizar la representacin del parmetro que se est midiendo en funcin de la profundidad. En los equipos ms sofisticados la medicin de profundidad se realiza con unas ruedas por las que pasa el cable al salir del carrete antes de entrar al pozo, que en combinacin con un encoder digital, enva pulsos en funcin del giro de la polea. En los ms sencillos el cable est graduado de manera que se debe realizar una lectura de profundidad para cada punto de medicin. Los parmetros que se miden son dos: el potencial natural y la resistividad aparente.

10.5.2 Perfilador monoelectrdico El equipo consta de un nico electrodo que se sumerge en el pozo y con el cual se pueden medir dos parmetros: 1) El potencial espontneo (Self Potencial, SP) 2) La resistencia entre la sonda y un electrodo de referencia. Esta resistencia est ntimamente relacionada con la resistividad de las formaciones. Potencial espontneo. Se mide con el esquema de la figura 10.7 (izquierda), entre el electrodo de referencia y el sumergido. Los potenciales desarrollados son de unos pocos mV. Los registros son curvas que van mostrando fluctuaciones alrededor de una lnea base evidenciando los cambios medidos por el electrodo al pasar por las formaciones en contacto con el lquido del pozo (ver en la figura 10.9 la curva SP). Resistividad. Para realizar la medicin de resistividades de las capas con corriente continua se requiere de una fuente de corriente constante que produzca la energizacin, y para medir el potencial V desarrollado por I se debe intercalar un compensador en el milivoltmetro para neutralizar el potencial espontneo (ver figura 10.7, parte derecha) como hemos visto antes en los resitivmetros.


Fig. 10.7: perfilador monoelectrdico.

Para realizar la medicin en un punto se procede en dos pasos: a) Se neutraliza el potencial espontneo con el compensador, llevando a cero la

lectura del milivoltmetro. b) Luego se energiza y se lee la corriente I y el potencial V .

A partir de las mediciones se calcula una resistencia:

MNVR I cteI

= = (10.9)

Esta resistencia medida incluye varias resistencias en serie: la del cable, la del contacto del electrodo de referencia, y la que corresponde a las formaciones en los alrededores de la sonda. Salvo la ltima mencionada las otras se mantienen constantes con la profundidad, as que la representacin de R en funcin de la profundidad va a evidenciar los cambios de las resistividades buscados. Con el objeto de evitar la maniobra de compensacin del potencial natural se han desarrollado diseos que funcionan con energizacin de corriente alterna, por lo que el milivoltmetro debe medir tambin tensiones alternas. Con este perfilador monoelectrdico es posible producir una representacin bastante exacta de la resistividad de las formaciones (ver en la figura 10.9 la curva Single Point). Algunas versiones antiguas de estos instrumentos usan un milivoltmetro registrador en los que el avance del papel est sincronizado con la profundidad de la sonda, de forma que se va registrando directamente el perfil. Este mtodo tiene poca precisin en el valor absoluto de la resistividad pues comienza a perder detalle a medida que aumentan las profundidades ya que se est midiendo una resistencia entre A y N que tiene una parte fija que puede ser muy importante y enmascara la de las formaciones.

10.5.3 Perfilador multielectrdico Es el ms difundido. El cable dispone de un conjunto de entre 4 y 5 electrodos. Permite medir el potencial espontneo igual que en el monoelectrdico pues con una llave en el instrumento se selecciona uno de los electrodos, generalmente el inferior, y se lo conecta al milivoltmetro. La medicin de resistividades se realiza con dos dispositivos clsicos denominados normal y lateral (ver figura 10.8). En el dispositivo con sonda normal se puede calcular la resistividad con la clsica expresin:


a

VKI

= (10.10) Siendo [ ] 4K m AMpi= la constante del dispositivo, V es el potencial producido por la corriente I (esto significa que previamente hubo que compensar el potencial espontneo), I es la corriente de energizacin y AM es la distancia entre electrodos expresada en metros.

Fig. 10.8: Perfilador con Dispositivo Normal Corta y Larga.

La separacin de los electrodos AM influye en el volumen de terreno involucrado en la medicin, para contar con dos penetraciones en la formacin se disponen ms electrodos en el cable seleccionables por medio de una llave en el equipo. Se usan dos combinaciones que se denominan normal corta o NC y normal larga o NL. Los valores habituales de AM para NC y NL son 0.25 y 1 metro respectivamente, para equipos mtricos y 16 y 64 pulgadas para los petroleros. Algunos instrumentos de este tipo funcionan energizando con corriente alterna de baja frecuencia (20 a 50 Hz), de esta forma, diseando el milivoltmetro para que tambin mida alterna, se elimina con un simple capacitor en serie con la entrada el problema de la compensacin del potencial espontneo, ya que ste es un potencial continuo. Obviamente el milivoltmetro debe ser capaz de medir una tensin continua cuando se hace el perfil del potencial espontneo. Se suele completar el instrumento con un par de electrodos especiales para medir la resistividad del lquido del pozo y un sensor de temperatura. Existe tambin una conexin lateral que consiste en un arreglo de electrodos todos sumergidos, ninguno en superficie. Se han desarrollado una gran cantidad de dispositivos especiales como: electrodos de enfoque laterolog, microdispositivos, etc, con ventajas particulares que no detallaremos aqu. En la figura 10.9 se puede ver un ejemplo de perfilaje con mltiples herramientas en un mismo pozo, lo que permite comparar la informacin proporcionada. En el perfil Normal, las arenas (acufero) se ven como picos debido a su alta resistividad, en cambio las arcillas constituyen la lnea base por su baja resistividad.


Fig. 10.9: Perfilaje mltiple.

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