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Perforación científica de pozos marinos ultra profundos: Exploración de la zona sismogénica

Muy por encima de la línea de costa de Japón, las placas de piedra señalan los

niveles históricos de subida del agua y constituyen una advertencia ancestral de los

efectos devastadores de los tsunamis. Frente a esa costa, en las profundidades de la

Fosa de Nankai y la Fosa de Japón, un registro geológico del origen de los sismos y

los tsunamis se extiende durante varios milenios. Los científicos están explorando

las profundidades de éstas y otras zonas de subducción mundiales para comprender

mejor los procesos geológicos que tienen lugar en los bordes de las placas tectónicas.

Con esta información, esperan poder mejorar los sistemas de advertencia de tsunamis

y mitigar los riesgos sísmicos.

Los terremotos de las zonas de subducción son unos de los mayores riesgos naturales del planeta. Los más peligrosos se inician dentro de un rango de profundidad de aproximadamente 5 a 40 km [3 a 25 mi], al que se alude como zona sismogénica.1 A mayores y menores profundidades, puede suce-der que las fallas se deslicen asísmicamente; sin generar ondas sísmicas intensas. A profundidades someras, los esfuerzos generalmente son dema-siado pequeños para originar terremotos de consi-deración. A grandes profundidades, las rocas se vuelven dúctiles debido a las altas temperaturas.

Mediante la perforación de pozos en las zonas sismogénicas y el estudio de muestras de núcleos de dichas zonas, los científicos esperan esclare-cer cómo las propiedades de los materiales y los campos de esfuerzos afectan el deslizamiento de las fallas, que se pueden propagar hasta el lecho marino durante los terremotos y generar tsunamis.2 El terremoto de Sumatra-Andaman del año 2004 y el tsunami subsiguiente, y el terremoto y el tsunami de Tohoku-Oki que asolaron Japón en 2011, demostraron el potencial devastador aso-ciado con estos fenómenos naturales.

Tras estos eventos tectónicos destructivos, los científicos se han esforzado al máximo para com-prender mejor las regiones con propensión a los terremotos. Entre 2003 y 2013, el Programa Integrado de Perforación Oceánica (IODP) fun-cionó como un esfuerzo internacional de colabo-ración para la investigación marina, dedicado a fomentar el conocimiento científico de la Tierra mediante el monitoreo y el muestreo de los ambien-tes del subsuelo marino.3 El plan científico inicial del IODP identificó tres temas principales:• la biósfera profunda y el subsuelo oceánico• el cambio, los procesos y los efectos ambientales• los ciclos de la Tierra sólida y la geodinámica,

incluida una iniciativa enfocada en las zonas sismogénicas.

El trabajo de las 48 expediciones del IODP, enfocado en estos temas, se basó en el de sus pre-decesores: el proyecto Mohole, el proyecto de Perforación Marina Profunda y el Programa de Perforación de Pozos Profundos en los Océanos. Schlumberger ha participado en la perforación de pozos profundos en los océanos con fines cien-tíficos para muchos de estos proyectos.

Nobuhisa EguchiKyaw MoeAgencia Japonesa de Ciencia y Tecnología Marina y TerrestreYokohama, Japón

Masafumi FukuharaSagamihara, Japón

Koji KusakaTokio, Japón

Alberto MalinvernoObservatorio Terrestre Lamont-Dohertyde la Universidad de ColumbiaPalisades, Nueva York, EUA

Harold TobinUniversidad de Wisconsin–MadisonMadison, Wisconsin, EUA

Traducción del artículo publicado en Oilfield Review Verano de 2014: 26, no. 2Copyright © 2014 Schlumberger.Por su colaboración en la preparación de este artículo, se agradece a Lifeng Gan, Takashi Monden y Ushio Takahashi, Nagaoka, Japón; y a Gokarna Khanal, Kuala Lumpur. adnVISION, arcVISION, FlexSTONE, FMI, Formation MicroScanner, geoVISION, MDT, PowerPulse, PowerV, RAB, seismicVISION, sonicVISION, TeleScope, UBI y VSI son marcas de Schlumberger.

1. La zona sismogénica corresponde al rango de profundidad de la corteza terrestre dentro del cual se inician los terremotos. Las secciones de ciertas superficies de fallas e interfaces entre placas tectónicas se atascan entre sí y acumulan esfuerzos. Los terremotos tienen lugar cuando se supera la fricción estática, lo que produce fenómenos de deslizamiento de fallas y radiación de energía sísmica. Según los sismólogos, este proceso de atascamiento y liberación se produce cuando la fricción dinámica es menor que la fricción estática y cuando la fricción de la falla exhibe un debilitamiento de la velocidad. Para obtener más información sobre la zona sismogénica, consulte: Dixon TH y Moore JC (eds): The Seismogenic Zone of Subduction Thrust Faults. Ciudad de Nueva York: Columbia University Press, 2007.

2. Para obtener más información sobre el origen de los tsunamis, consulte: Bunting T, Chapman C, Christie P, Singh SC y Sledzik J: “La ciencia de los tsunamis,” Oilfield Review 19, no. 3 (Invierno de 2007/2008): 4–19.

3. Para obtener más información sobre la historia del IODP y sus predecesores hasta el año 2004, consulte: Brewer T, Endo T, Kamata M, Fox PJ, Goldberg D, Myers G, Kawamura Y, Kuramoto S, Kittredge S, Mrozewski S y Rack FR: “Perforación de pozos profundos en los océanos con fines científicos: Revelación de los secretos de la Tierra,” Oilfield Review 16, no. 4 (Primavera de 2005): 26–41.

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JAMSTEC/IODP

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El IODP incrementó considerablemente la capacidad de la comunidad científica para perfo-rar varios kilómetros por debajo del fondo marino. Las mejoras introducidas en la tecnología de per-foración, en las técnicas de extracción de núcleos y adquisición de registros (perfilaje), y en las téc-nicas de interpretación que correlacionan las mediciones de pozos con datos sísmicos y datos de núcleos facilitaron las operaciones de perforación con fines científicos. Muchos de estos avances fueron desarrollados para la exploración de petróleo y gas. Este artículo revisa los objetivos del programa que recientemente ha pasado a denominarse Programa Internacional de Descubrimientos Oceánicos (IODP). Además, examina las tecnologías actuales e inci-pientes que han permitido la perforación de pozos ultra profundos en los océanos, con fines científi-cos, presenta algunos casos de estudio de zonas sismogénicas del IODP y describe las direcciones y desafíos futuros.4

Una nueva era en perforación científicaPara comprender la historia y la estructura de la Tierra, el IODP lleva a cabo expediciones marítimas destinadas a estudiar los sedimentos y las rocas pre-sentes por debajo del fondo marino.5 El plan cientí-

fico del IODP para el período 2013-2023 incluye como temas principales el pasado y el futuro del cambio climático y oceánico, la biósfera profunda, los procesos que acaecen en las profundidades y su conexión e impacto con respecto al ambiente de superficie, y los riesgos y procesos terrestres en la escala de tiempo humana. Los geocientíficos del IODP estudian los procesos dinámicos que ocasio-nan terremotos, derrumbes y tsunamis; los cam-bios de las propiedades locales durante un ciclo de terremotos relacionados con procesos de ruptura de fallas; y el flujo de fluidos en los sedimentos y la corteza volcánica. Y utilizan observatorios subma-rinos, instalados en pozos a largo plazo, para el muestreo de fluidos y la fauna microbiana y el monitoreo de esfuerzos y deformaciones.

El IODP procura fomentar esta investigación a través del despliegue de tecnologías de perfora-ción oceánica de última generación, la facilitación de la diseminación de los datos y la provisión de un contexto científico para informar e incrementar la concientización global acerca del cambio ambien-tal y los riesgos geológicos. En el corriente año (2014), el IODP cuenta con el apoyo financiero de 26 países.6 El Centro de Exploración Terrestre Profunda (CDEX) de Japón es el operador de la

embarcación para perforación con tubo ascendente y la Organización a cargo de la Implementación de EUA (USIO), la operadora de embarcación para perforación sin tubo ascendente. El Operador de Ciencias (ESO) del Consorcio Europeo de Perforaciones de Investigación Oceanográfica (ECORD) dirige las operaciones específicas para cada misión.

El Programa Internacional de Perforación Científica Continental (ICDP) provee la infraes-tructura que facilita las operaciones de perforación con fines científicos y de investigación en los ambientes terrestres y ahora coordina sus activida-des con las del IODP.7 Las compañías contratistas de servicios financian las actividades relacionadas con la adquisición de registros MWD, LWD y con herramientas operadas con cable y ofrecen sus ser-vicios de expertos técnicos y de perforación y termi-nación de pozos durante las expediciones.

Avances técnicos recientesLa perforación científica tiene tres objetivos princi-pales: la recuperación y análisis de muestras de fluidos y núcleos, la obtención de mediciones de fondo de pozo y la instalación de observatorios en pozos. Históricamente, las operaciones de per-foración en aguas profundas con fines científicos han debido enfrentar una diversidad de desafíos, tales como la compensación del movimiento de las embarcaciones durante la perforación y medi-ción, la conservación de la estabilidad de los pozos y el balance de la presión de poro, y a la vez evitar la iniciación de fracturas. Los científicos requieren equipos de extracción de núcleos y perfilaje que toleren las altas temperaturas y pre-siones de los pozos situados en aguas ultra pro-fundas, y los especialistas en cementación deben diseñar sistemas de cementación que sean efecti-vos en las condiciones de baja temperatura del lecho marino. Las restricciones de tiempo y cos-tos imponen la necesidad de que las operaciones de perforación y extracción de núcleos sean efi-cientes y el análisis de núcleos, oportuno.

Para satisfacer estos desafíos, las embarca-ciones de investigación dedicadas han sido pues-tas en servicio y equipadas con tecnologías de perforación, medición y terminación de pozos de última generación.8 Hoy, servicios tales como MWD y LWD, son esenciales en las operaciones de per-foración científica. La extracción de núcleos es central en este tipo de perforación y constituye una de las actividades más importantes implemen-tadas a bordo de las embarcaciones para perfora-ción científica.9 Los ingenieros han desarrollado una diversidad de métodos especiales de extrac-ción de núcleos.10 Estas tecnologías y métodos

> Embarcación para perforación sin tubo ascendente JOIDES Resolution. Transcurridos casi 25 años de servicio, la embarcación para perforación JOIDES Resolution (JR) fue reacondicionada y actualizada para expandir sus capacidades. Tras las correspondientes pruebas en el mar, en febrero de 2009 volvió a operar como embarcación para perforación sin tubo ascendente para el Programa Integrado de Perforación Oceánica (ahora denominado Programa Internacional de Descubrimientos Oceánicos, IODP). La embarcación se encuentra operando en virtud de una extensión de un año de la concesión previa de 10 años adjudicada al Consorcio para el Liderazgo Oceánico (Fotografía, cortesía del IODP y de la Universidad A&M de Texas.)

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 1ORSUMM 14 ULDPDRLNG 1

Volumen 26, no.2 21

son cruciales para el éxito del IODP, y gracias a su disponibilidad, las embarcaciones de investiga-ción actúan como vehículos para el acceso efec-tivo y eficiente al subsuelo.

La embarcación para investigación JOIDES ResolutionLa única embarcación de perforación científica para el Programa de Perforación Oceánica fue la embar-cación para investigación JOIDES Resolution (JR), que también operó durante la fase inicial de per-foración sin tubo ascendente del Programa Integrado de Perforación Oceánica (página ante-rior, arriba). Desde el año 1985, los científicos que trabajan a bordo de la embarcación JR lleva-ron a cabo más de 120 expediciones y recupera-ron muestras de núcleos en tirantes de agua (profundidades del lecho marino) oscilantes entre 85 m [280 pies] y casi 6 000 m [20 000 pies] y a hasta una profundidad de 2 100 m [6 900 pies] por debajo del fondo marino (bfm).

Los operadores retiraron de servicio la embar-cación JR en el año 2006 para refaccionarla. Las modificaciones se enfocaron en la posibilita-ción de operaciones de perforación eficientes en términos de costos y tiempos. El mejoramiento de la calidad y la recuperación de los núcleos y el incremento de las velocidades de penetración en litologías desafiantes y a profundidades extremas fueron los objetivos principales de este proyecto. Otra de las metas fue el mejoramiento de la capa-cidad para desplegar una amplia diversidad de herramientas de muestreo e instrumentos de per-filaje de fondo de pozo. La embarcación JR refac-cionada cuenta con instalaciones de laboratorio nuevas, capacidades mejoradas de manipulación de núcleos, una red expandida de información y tecnología con su infraestructura, sistemas recién reformados de compensación pasiva del movi-

miento vertical y de cubierta, capacidades mejora-das de perfilaje y espacios de trabajo y alojamiento más amplios y mejor organizados.11 La Fundación A&M de Texas gestionará la embarcación JR por un período de cinco años contados a partir de octubre de 2014.

Mediante la utilización de técnicas de perfo-ración sin tubo ascendente, los perforadores de la embarcación JR bombean agua de mar, el prin-cipal fluido de perforación, en sentido descen-dente a través de la columna de perforación y llevan los retornos del fluido de perforación al fondo marino (abajo). Este proceso permite al operador perforar muchos pozos someros en un tiempo relativamente corto. El agua de mar es un fluido de perforación de bajo costo que limpia y enfría la barrena de perforación y lava los recor-tes de perforación del pozo. Si es necesaria una

> Tecnologías de perforación con y sin tubo ascendente. La perforación con tubo ascendente (izquierda) incluye una tubería de revestimiento externa que rodea a la columna de perforación para proporcionar un espacio anular para la circulación de retorno del fluido de perforación destinada a mantener el balance de presión en el pozo. Un preventor de reventones protege a la embarcación de las sobrepresiones explosivas de los fluidos. La perforación con tubo ascendente se requiere para pozos profundos, formaciones inestables o sobrepresionadas y sitios en los que puede encontrarse hidrocarburos. La perforación sin tubo ascendente (derecha) utiliza agua de mar como principal fluido de perforación, que se bombea en sentido descendente a través de la columna de perforación. La perforación sin tubo ascendente puede emplearse en aguas ultra profundas para los pozos que se extienden menos de 1 000 m [3 300 pies] por debajo del fondo oceánico.

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 2ORSUMM 14 ULDPDRLNG 2

Barrenade perforación

Barrena de perforación

Lecho marino

Recortes deperforación

Lecho marino

Agujerodescubierto

Agujero descubierto

Segunda tuberíade revestimiento

Segunda tuberíade revestimiento

Tubería derevestimientode superficie

Tubería derevestimientode superficie

Preventor dereventones (BOP)

El fluido de perforaciónes bombeado en

sentido descendentea través de la columna

de perforación

El fluido de perforaciónes bombeado en

sentido descendentea través de la columna

de perforación

Tubo ascendente

Columna deperforación

Columna deperforaciónEl fluido y los recortes

de perforación fluyen en sentido ascendente entre la columna de perforación y el tubo ascendente

El fluido y los recortes de perforación fluyen en sentido ascendente entre la columna de perforación y el pozo o la tubería de revestimiento

El fluido y los recortes de perforación fluyen en sentido ascendente entre la columna de perforación y el pozo o la tubería derevestimiento

El fluido y los recortes de perforación fluyen sobre el lecho marino

4. Muchos organismos gubernamentales han definido las aguas profundas y ultra profundas como áreas en las que los tirantes de agua (profundidad del lecho marino) son superiores a 300 m [1 000 pies] y 1 500 m [5 000 pies], respectivamente.

5. Para obtener más información sobre el nuevo IODP, consulte: Bickle M, Arculus R, Barrett P, DeConto R, Camoin G, Edwards K, Fisher F, Inagaki F, Kodaira S, Ohkouchi N, Pälike H, Ravelo C, Saffer D y Teagle D: “Illuminating Earth’s Past, Present and Future: Science Plan for 2013–2023,” International Ocean Discovery Program: Exploring the Earth Under the Sea, http://www.iodp.org/program-documents (Se accedió el 20 de abril de 2014).

6. Los países que brindan su apoyo al IODP son: Australia, Austria, Bélgica, Brasil, Canadá, China, Dinamarca, Finlandia, Francia, Alemania, Islandia, India, Irlanda, Israel, Italia, Japón, Corea, los Países Bajos, Nueva Zelanda, Noruega, Polonia, Portugal, Suecia, Suiza, el Reino Unido y EUA.

7. El Programa Internacional de Perforación Científica Continental (ICDP) y el Programa Internacional de Descubrimientos Oceánicos ahora difunden la publicación Scientific Drilling en forma conjunta. Para obtener más información sobre el ICDP y sus actividades, consulte: http://www.icdp-online.org/ (Se accedió el 20 de abril de 2014).

8. Para obtener más información sobre las operaciones de cementación en aguas profundas, consulte: Cuvillier G, Edwards S, Johnson G, Plumb D, Sayers C, Denyer G, Mendonça JE, Theuveny B y Vise C: “Soluciones para los problemas de la construcción de pozos en aguas profundas,” Oilfield Review 12, no. 1 (Verano de 2000): 2–19.

9. Para obtener más información sobre el análisis de núcleos de campos petroleros, consulte: Andersen MA, Duncan B y McLin R: “Los núcleos en la evaluación de formaciones,” Oilfield Review 25, no. 2 (Diciembre de 2013):16–27.

10. Para obtener más información sobre la tecnología de extracción de núcleos, consulte: Huey DP: “IODP Drilling and Coring Technology: Past and Present—Phase 2—Final Report,” Informe de Stress Engineering Services, Inc. para el IODP-MI (Septiembre de 2009), http://www.iodp.org/doc_download/3464-iodp-drilling-coring-tech-final (Se accedió el 20 de abril de 2014).

11. Para obtener más información sobre la embarcación JOIDES Resolution, consulte: “Riserless Vessel,” International Ocean Discovery Program: Exploring the Earth Under the Sea, http://www.iodp.org/riserlessvessel (Se accedió el 20 de abril de 2014).

22 Oilfield Review

mejor limpieza del pozo, el agua de mar se com-plementa ocasionalmente con “píldoras” de lodo de mayor viscosidad. Los problemas de limpieza y estabilidad del pozo dificultan la perforación de más de 1 000 m [3 300 pies] bfm o la explotación del pozo para las observaciones subsiguientes durante varios años. La perforación de capas no consolida-das utilizando agua de mar es dificultosa. La falta de espesantes y aditivos tradicionales para lodos de perforación puede producir el colapso del pozo o el influjo de fluidos desde formaciones con mayor presión, si las hubiere. Los geocientíficos seleccio-nan los sitios de perforación para evitar las for-maciones petrolíferas o gasíferas potenciales debido al riesgo de daño ambiental.

La técnica de perforación con tubo ascendente, que es una práctica estándar en la industria del petróleo y el gas, estuvo disponible para las opera-ciones de perforación con fines científicos del IODP en el año 2005. Se trata de una técnica que requiere más tiempo y costos más elevados que los de la perforación sin tubo ascendente. El tubo ascendente marino conecta la embarcación para

perforación con el preventor de reventones (BOP) en el lecho marino. El sistema de tubo ascendente incluye una tubería de revestimiento externa que rodea la columna de perforación para proporcio-nar un espacio anular para la circulación de retorno del fluido de perforación. El perforador puede controlar la densidad del lodo para equili-brar la presión de los fluidos de formación y evi-tar el colapso del pozo.

Los perforadores utilizan un lodo de perforación viscoso para desplazar los recortes de perforación que los científicos muestrean a bordo. Los recortes de perforación proporcionan un registro conti-nuo de las formaciones del subsuelo. La perfora-ción con tubo ascendente permite además que las brigadas operativas perforen en ciertas for-maciones inestables y extraigan muestras de zonas de fallas activas. El perfilaje con herramien-tas operadas con cable puede llevarse a cabo en pozos perforados tanto con tubo ascendente como sin tubo ascendente. No obstante, algunas herra-mientas que pueden correrse a través de los tubos ascendentes quizás resulten demasiado largas

para ser corridas en modo de perforación sin tubo ascendente, a través de sartas de perfora-ción más estrechas. Entre estas herramientas se encuentran los instrumentos que miden la pre-sión de poro en el fondo del pozo y extraen mues-tras de fluidos.

Embarcación para perforación Chikyu La embarcación para perforación Chikyu es la pri-mera embarcación para perforación equipada con tubo ascendente, diseñada específicamente para actividades de investigación científica (izquierda). Inaugurada en el año 2005, la embarcación, cons-truida como proyecto nacional con fondos del gobierno japonés, es operada por la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología Marina y Terrestre (JAMSTEC).12 La embarcación Chikyu permite el acceso a las profundidades de la cor-teza oceánica en busca del manto infrayacente, los ambientes de las zonas de subducción, sus zonas sismogénicas asociadas, y los sistemas geo-lógicos y biológicos de las regiones potencial-mente hidrocarburíferas.

La embarcación Chikyu sustenta operaciones de perforación con y sin tubo ascendente y posee la capacidad para perforar con tubo ascendente en tirantes de agua de 2 500 m [8 200 pies] con longi-tudes de pozos de hasta 7 000 m [23 000 pies] bfm. Los científicos de la agencia JAMSTEC consideran un tirante de agua de 7 000 m, más una penetra-ción de 1 000 mbfm, el límite para la perforación sin tubo ascendente; límite en el que inciden las condiciones de la formación y el estado del mar. Los operadores utilizan los datos GPS de los saté-lites, un sistema subacuático de posicionamiento acústico y propulsores azimutales para controlar la posición de la embarcación dinámicamente. La embarcación puede perforar de manera segura y continua con corrientes de superficie de hasta 2,1 m/s [4 nudos], vientos de hasta 80 km/h [50 mi/h] y olas de hasta 4,5 m [15 pies] de altura.

Entre las características más destacadas de la embarcación Chikyu se encuentran una cubierta de 121 m [397 pies], un sistema sofisticado de manipulación de tuberías con un sistema de cuello de ganso hidráulico y plataformas para tubería, un sistema de circulación de lodo de perforación, un tubo ascendente y preventores de reventones. Las instalaciones de análisis y manipulación de núcleos de última generación, a bordo de la embarcación, incluyen un laboratorio con un escáner de tomografía computada con tecnología de rayos X, un laboratorio de microbiología, una sala de muestreo que posibilita la extracción de muestras no contaminadas en un ambiente anae-róbico, una sala para separación de núcleos, un laboratorio de núcleos para la obtención de medi-

> Embarcación para perforación con tubo ascendente Chikyu. El Centro de Exploración Terrestre Profunda, con el auspicio de la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología Marina y Terrestre (JAMSTEC), está a cargo del manejo y la operación general de la embarcación Chikyu. La embarcación Chikyu fue la primera gabarra de perforación equipada con un tubo ascendente para fines científicos. Sirve para perforar con y sin tubo ascendente y está equipada con instalaciones de perforación, tratamiento de núcleos y laboratorio de última generación. La embarcación, siniestrada como resultado del tsunami que azotó Tohoku, en Japón, en marzo de 2011, fue puesta en servicio nuevamente un poco más adelante ese mismo año y ha sido utilizada para estudiar el origen del tsunami que ocasionó sus daños. (Fotografía, cortesía del IODP y de la agencia JAMSTEC.)

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 3ORSUMM 14 ULDPDRLNG 3

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ciones físicas, una sala magnéticamente blindada para medir el paleomagnetismo de las rocas y un centro de procesamiento, integración y análisis de registros de pozos y datos sísmicos.

Gracias a la experiencia adquirida en los años posteriores a su lanzamiento, los científicos de la agencia JAMSTEC continúan desarrollando, pro-moviendo y evaluando nuevas tecnologías para la embarcación Chikyu. Los ingenieros introdujeron un sistema para el monitoreo en tiempo real del movimiento del tubo ascendente y para el mejora-miento de las operaciones de perforación con tubo ascendente en ambientes de corrientes intensas y aguas ultra profundas. La industria de perforación ha desarrollado una clase de columna de perfora-ción de gran resistencia para aplicaciones en aguas ultra profundas de hasta 12 000 m [39 000 pies]; los ingenieros de la agencia JAMSTEC evalúan conti-nuamente esta columna de perforación para deter-minar su duración en servicio. Los ingenieros están desarrollando sistemas de monitoreo de pozos a largo plazo (LTBMS) y tecnología avan-

zada de extracción de núcleos, tales como un sis-tema de extracción de núcleos a turbina, sistemas de obtención de mediciones durante la extrac-ción de núcleos y tubos extractores de núcleos en condiciones de alta temperatura.

El experimento de la zona sismogénica de la Fosa de NankaiLos megaterremotos o terremotos interplaca son terremotos de gran magnitud que se producen en zonas de subducción, en las que una de las placas tectónicas terrestres es empujada por debajo de otra. Una de estas zonas es la de la Fosa de Nankai al sur de Japón (arriba). Se trata de un margen conver-gente de acreción a lo largo del cual los sedimen-tos de la placa descendente del Mar de Filipinas son erosionados continuamente y se acumulan en la placa Euroasiática cabalgante, formando un prisma de acreción. La Fosa de Nankai es una de las zonas de subducción más activas del mundo, con una historia de 1 300 años de generación de terremotos que a menudo causan tsunamis.

Además, es una las zonas de subducción más estu-diadas. Los terremotos de Tonankai de 1944 (M 8,1) y de Nankaido de 1946 (M 8,3) son sólo dos de los eventos de consideración, relativamente recientes, asociados con esta zona de subducción.13

12. Para obtener más información sobre la embarcación Chikyu y sus especificaciones, consulte: “A New Frontier of Earth and Life Science: Deep Sea Drilling Vessel CHIKYU,” JAMSTEC: Center for Deep Earth Exploration, http://www.jamstec.go.jp/chikyu/eng/CHIKYU/index.html (Se accedió el 20 de abril de 2014).

13. Los sismólogos utilizan la escala de magnitud de momento (cuya abreviatura es Mw o M) para clasificar los terremotos en términos de liberación de energía. Introducida en la década de 1970, la escala de magnitud de momento reemplazó a la escala de Richter de magnitud local y corrigió las debilidades asociadas con el método más antiguo, y a la vez se mantuvo una escala logarítmica. Un incremento de una unidad en la escala de magnitud de momento corresponde a un incremento de la cantidad de energía liberada en un factor de aproximadamente 32. Para obtener más información sobre las técnicas de medición de terremotos, consulte: “Measuring the Size of an Earthquake,” Servicio Geológico de EUA, Earthquake Hazards Program (Programa de Riesgos Sísmicos), http://earthquake.usgs.gov/learn/topics/measure.htm (Se accedió el 1º de abril de 2014).

> Levantamiento sísmico y área de perforación para el experimento de la zona sismogénica de la Fosa de Nankai (NanTroSEIZE). Las estrellas indican los epicentros de dos terremotos recientes de gran magnitud. El contorno negro define el perímetro del área del levantamiento sísmico 3D. Los emplazamientos de perforación del proyecto NanTroSEIZE se indican con puntos rojos. La placa del Mar de Filipinas (PHS) se hunde por debajo de la placa Euroasiática (EP) en la Fosa de Nankai, frente a la costa suroeste de Japón (inserto). La placa del Pacífico (PAC) se hunde por debajo de la placa Norteamericana (NAP) en el norte de Japón. Las flechas grises indican el vector de convergencia de las placas. (Adaptado de Tobin et al, referencia 15.)

Península de Kii

Cuenca del Kumano

Cuenca de Shikoku

35°

34°

33°

135° 136° 137° 138°

Tonankai, 1944

Nankaido, 1946

Sitio C0002Sitio C0001

Sitios C0003, C0004, C0008

Sitios C0006, C0007

500 mi

0 50km

EP

PAC

PHS

NAP

Sitio C0009

Sitio C0011

Sitio C0012

Sitio C0010

Latit

ud

Longitud

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 4ORSUMM 14 ULDPDRLNG 4

24 Oilfield Review

El experimento de la zona sismogénica de la Fosa de Nankai (NanTroSEIZE) es un proyecto de perforación oceánica de muchos años, implemen-tado por la agencia JAMSTEC en nombre y repre-sentación del IODP, que involucra múltiples expediciones dirigidas y conformadas por personal de equipos de científicos multinacionales. El obje-tivo del experimento es estudiar los orígenes de los terremotos de la zona de subducción; una de las metas principales es comprender porqué durante algunos terremotos, el desplazamiento significa-tivo se extiende hasta el fondo marino, produ-ciendo tsunamis. Los científicos esperan lograr este objetivo adquiriendo datos y perforando en la placa cabalgante y en sentido descendente a través del borde de placa a aproximadamente 7 000 mbfm. Los sismólogos están utilizando estos datos para demostrar las hipótesis acerca de los mecanismos que controlan la transición de deslizamiento asísmico, a profundidad somera, a atascamiento intermitente, y a deslizamiento cosísmico a mayor profundidad, a lo largo de la interfaz principal entre placas, denominada zona de desprendimiento. Un sistema adicional de fallas primarias, denomina-das fallas megasplay, se ramifica desde la zona de desprendimiento hacia la placa cabalgante (arriba).

La separación de la deformación entre la zona de desprendimiento y el sistema megasplay no es bien comprendida como tampoco lo es el rol de cada

uno en el origen de los sismos y de los tsunamis. Para esclarecer este punto, los científicos están estudiando la resistencia mecánica absoluta de la falla del borde de placa y los procesos hidroló-gicos y friccionales que, según se cree, rigen el modo de deslizamiento de la falla, la acumula-ción y la liberación de deformación. El estableci-miento del estado de los esfuerzos en la región de la falla es crucial para comprender el mecanismo de liberación de energía sísmica.

El proyecto NanTroSEIZE ahora comprende cuatro etapas. En la etapa 1, el equipo del pro-yecto utilizó la técnica de perforación sin tubo ascendente y extrajo muestras de múltiples sitios para caracterizar la geología y proporcionar infor-mación geotécnica para las etapas posteriores. En la etapa 2, el equipo llevó a cabo operaciones de perforación con tubo ascendente en la cuenca del Kumano, por encima de la zona sismogénica, y operaciones de perforación sin tubo ascendente para muestrear las formaciones en proceso de subducción, desde la Fosa de Nankai hacia el mar. Las primeras instalaciones observatorio de la embarcación Chikyu tenían como objetivo la falla megasplay somera y el sitio del futuro pozo ultra profundo. En la etapa 3, los científicos se centran en las operaciones de perforación en la zona sismogénica, apuntando como objetivo a la falla megasplay profunda, situada a aproximada-

mente 5 200 m [17 000 pies] bfm, y a la interfaz entre placas más profunda. En la etapa 4, los científicos instalarán un observatorio de largo plazo en el pozo ultra profundo.

Los investigadores a bordo de la embarcación Chikyu están llevando a cabo operaciones de per-foración y monitoreo en sitios emplazados en el área marina de la Península de Kii, a lo largo de una línea perpendicular a la Fosa de Nankai. Las brigadas sísmicas han adquirido varias genera-ciones de datos de levantamientos 2D de la cuenca del Kumano y de la zona marina más dis-tante de la Península de Kii. En el año 2006, Petroleum Geo-Services realizó en esta área un levantamiento sísmico de reflexión 3D que pro-porciona imágenes de alta resolución del com-plejo de acreción. Los analistas utilizaron este volumen sísmico para refinar la selección de los objetivos y los sitios de perforación de la com-pleja región de la falla megasplay, y entre 2007 y 2014, el IODP planificó y llevó a cabo 10 expedi-ciones como parte de las etapas 1, 2 y 3 del pro-yecto NanTroSEIZE.

Las expediciones 314, 315, 316 del IODP, que forman parte de la etapa 1, se llevaron a cabo entre 2007 y 2008. La brigada de operaciones a bordo de la embarcación Chikyu llevó a cabo las operacio-nes de perforación y extracción de núcleos en modo de perforación sin tubo ascendente en siete

14. Para la expedición 314, Schlumberger proporcionó los servicios geoVISION para las mediciones de resistividad y rayos gamma LWD; la herramienta sonicVISION para las velocidades y los tiempos de viaje; la herramienta PowerPulse MWD para la presión anular y la dirección e inclinación del conjunto de fondo (BHA); el servicio de mediciones sísmicas durante la perforación seismicVISION para obtener las velocidades de intervalo; y los registros calibradores ultrasónicos, de densidad y porosidad adnVISION adquiridos durante la perforación.

15. Tobin H, Kinoshita M, Ashi J, Lallemant S, Kimura G, Screaton EJ, Moe KT, Masago H, Curewitz D and the Expedition 314/315/316 Scientists (eds): “NanTroSEIZE Stage 1 Expeditions: Introduction and Synthesis of Key Results,” en Tobin H, Kinoshita M, Ashi J, Lallemant S, Kimura G, Screaton EJ, Moe KT, Masago H, Curewitz D and the Expedition 314/315/316 Scientists (eds): Actas del Programa Integrado de Perforación Oceánica 314/315/316, 2009, http://publications.iodp.org/proceedings/314_315_316/EXP_REPT/314315316_101.PDF (Se accedió el 15 de mayo de 2014).

Para obtener más información sobre la determinación de los esfuerzos a partir de las ovalizaciones por ruptura de la pared del pozo, consulte: Zoback MD, Barton CA, Brudy M, Castillo DA, Finkbeiner T, Grollimund BR, Moos DB, Peska P, Ward CD y Wiprut DJ: “Determination of Stress Orientation and Magnitude in Deep Wells,” International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 40, no. 7–8 (Octubre a diciembre de 2003): 1049–1076.

> Sitios de perforación de pozos durante el proyecto NanTroSEIZE a lo largo del área de la Fosa de Nankai. Se ha planificado la instalación de sistemas de monitoreo de pozos de largo plazo en los sitios C0002, C0009 y C0010. Los pozos de los sitios C0006 y C0007 penetran en la porción del prisma de acreción correspondiente al corrimiento frontal e intersectan la zona de desprendimiento de la interfaz entre placas cerca del eje de la fosa. Los ingenieros planean extender el pozo C0002F para penetrar en la falla megasplay, en los límites echado (buzamiento) arriba de la zona sismogénica. (Adaptado de Expedition 332 Scientists, referencia 22.)

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 5AORSUMM 14 ULDPDRLNG 5A

Sitio C0009 Sitio C0002 Sitios C0001, 03 Sitios C0021, 18 Sitio C0006 Sitio C0007 Sitio C0011

Basamento oceánico

Sedimentos dela cuenca de Shikoku

Prisma de acreción

Placa del Mar de Filipinas en proceso de subducción

Cuenca del Kumano

Acumulación de sedimentos antiguos

Zona sismogénica

Turbiditasde fosa

Sitio C0012

Sitios C0004,10 Sitio C0008

Sitio C0022

Prof

undi

dad

bajo

el n

ivel

del

mar

, km

10

8

6

4

2

100 mi

0 10km

DesprendimientoFallamegasplay

Volumen 26, no.2 25

> Indicadores de esfuerzos presentes en el pozo. Un pozo sujeto a un esfuerzo de compresión horizontal puede experimentar el fenómeno de ovalización por ruptura de la pared (extremo superior). (Adaptado de Zoback et al, referencia 15.) En las imágenes de resistividad frente a la barrena RAB LWD de los sitios C0002, C0001, C0004 y C0006 (extremo inferior), las bandas oscuras verticales en pares indican ovalizaciones por ruptura de la pared del pozo. Los geólogos interpretan las direcciones de las ovalizaciones para generar los azimuts promedio de σHmax. (Adaptado de Tobin et al, referencia 15.)

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 6BORSUMM 14 ULDPDRLNG 6B

0

200

Prof

undi

dad,

m

400

600

800

1 000

1 200

1 400

Conductiva Resistiva

N NSSitio C0002 Sitio C0001 Sitio C0004 Sitio C0006

N NS N NS N NS

MPa0 150

Fractura inducida

Dirección del esfuerzo de compresión horizontal mínimo

σHminDirección del esfuerzo de compresión horizontal máximo

σHmax

Ovalización porruptura de la

pared del pozo

sitios a lo largo del trayecto del levantamiento. Estas operaciones proporcionaron muestras del aporte de sedimentos de la cuenca de Shikoku y de la corteza oceánica infrayacente desde la fosa hacia el mar, muestras del sistema de corri-miento frontal en la punta del prisma de acreción cercano a la fosa, muestras del sistema de fallas megasplay del prisma medio desde la fosa hacia tierra adentro y muestras de la cuenca de antearco del Kumano. En la fase inicial de estas expediciones, los científicos lograron dos haza-ñas: perforaron el pozo hasta ese momento más

profundo —1 401 m [4 596 pies] bfm—de la histo-ria de la perforación científica en los océanos utili-zando herramientas LWD y penetraron por primera vez en el sistema de corrimiento megas-play del margen de Nankai, que en opinión de los científicos estuvo involucrado en la generación del tsunami.14 Además, los perforadores prepararon pozos de 1 000 m de profundidad en dos sitios pla-nificados para penetrar las profundidades de las fallas de la zona sismogénica.

Los investigadores del programa de perfora-ción en los océanos aprendieron que en los már-

genes de placas convergentes —en formaciones inestables como las presentes en el prisma de acreción— las técnicas LWD constituyen la mejor opción para obtener registros de alta calidad. Mediante la utilización de mediciones LWD y análisis de núcleos, los científicos lograron docu-mentar la estructura, litología, edad, propiedades físicas y estado de los esfuerzos del complejo de acreción y su sistema de fallas (arriba).15 Las con-diciones de los esfuerzos eran diferentes en diversas posiciones por encima de la zona sismo-génica, en el prisma de acreción y en el manto de

26 Oilfield Review

corrimiento por sobre la falla megasplay (arriba).16 Las operaciones de la etapa 1 constituyeron un preludio necesario para las operaciones de perfo-ración profunda con tubo ascendente hasta la zona sismogénica.

Las expediciones 319, 322, 332 y 333 del IODP se llevaron a cabo en 2009 y 2010 como parte de la etapa 2. Durante estas expediciones, el personal de la embarcación Chikyu ejecutó las primeras operaciones con tubo ascendente del programa de perforación científica en los océanos. Los cientí-ficos adquirieron datos para la identificación de la litología, la generación de imágenes de las paredes de los pozos, la evaluación de formacio-

nes y la evaluación de la cementación. Y los inge-nieros llevaron a cabo operaciones de adquisición de registros LWD, MWD y con herramientas ope-radas con cable para evaluar las condiciones de pozo y determinar las propiedades formacionales de los sedimentos de cubierta de la cuenca del Kumano, por encima de la zona sismogénica y en el prisma de acreción infrayacente.17 Debido al empleo del tubo ascendente, los ingenieros de adquisición de registros pudieron obtener una diversidad de mediciones con herramientas opera-das con cable, que eran nuevas para las operacio-nes de perforación científica, incluidas imágenes de resistividad obtenidas con la herramienta de

generación de imágenes microeléctricas de cober-tura total FMI y mediciones adquiridas con el pro-bador modular de la dinámica de la formación MDT.18 Estas herramientas son demasiado gran-des para ser desplegadas a través de la columna de perforación sin tubo ascendente.

Los ingenieros desplegaron la herramienta versátil de generación de imágenes sísmicas VSI como parte de una operación sísmica extensiva con herramientas operadas con cable. El levanta-miento consistió en un perfil sísmico vertical (VSP) con fuente cercana, un VSP con desplaza-miento sucesivo de la fuente con una longitud de línea de 55 km [34 mi] y un VSP circular con un radio de 3,5 km [2,2 mi].19 Para la adquisición de los datos se utilizó una combinación de herramien-tas sísmicas de fondo de pozo y software de adqui-sición de Schlumberger además de sistemas de navegación y control de fuentes. El personal de la agencia JAMSTEC a bordo de la embarcación fuente Kairei desplegó un arreglo de pistolas (cañones) extremadamente grande de 128 000 cm3

[7 800 pulgadas3]. Los datos ayudarán a los cien-tíficos a analizar las velocidades sísmicas existen-tes en la cuenca de antearco de la zona de subducción y a identificar los atributos sísmicos del borde de placa en la región situada por debajo del pozo VSP, a profundidades oscilantes entre 10 y 12 km [6 y 7,5 mi]. Los analistas utilizaron los resultados del VSP con fuente cercana para veri-ficar o ajustar las profundidades del volumen de sísmica de reflexión 3D.

Los ingenieros de perfilaje utilizaron la herra-mienta MDT para medir la presión de poro, la per-meabilidad y el esfuerzo.20 Y efectuaron pruebas con una sola probeta para medir la presión de poro de la formación y la movilidad de los fluidos. Además, efectuaron pruebas con un empacador dual, incluida una prueba de restauración de la presión para medir las propiedades hidráulicas de la formación y varias pruebas de fractura-miento hidráulico para determinar la magnitud del esfuerzo principal mínimo. Los científicos del proyecto NanTroSEIZE esperan que, mediante la ejecución de pruebas futuras a mayor profundidad dentro del prisma de acreción y en las proximida-des de las zonas de fallas primarias, se compren-dan mejor los esfuerzos locales y la mecánica de las fallas de las zonas de subducción.

La perforación con tubo ascendente también posibilitó la adquisición de registros de lodo.21

Durante la expedición 319, los analistas extrajeron muestras de recortes de perforación por primera vez en la historia de las operaciones del IODP. Se asume que una muestra de recortes es una mez-

> Orientaciones del esfuerzo de compresión horizontal máximo, σHmax, (líneas rojas) inferido a partir de las ovalizaciones de la pared del pozo. Los datos de los sitios C0001, C0002, C0004 y C0006 fueron adquiridos como imágenes de resistividad LWD durante la etapa 1. Los datos de los sitios C0009 y C0010 fueron obtenidos a partir de imágenes FMI adquiridas con herramientas operadas con cable durante la etapa 2. En el sitio C0002, las líneas rojas y azules representan la orientación del esfuerzo σHmax en la cuenca de antearco y los sedimentos del prisma de acreción infrayacente, respectivamente. En los sitios someros del prisma de acreción y cerca de la falla megasplay, el esfuerzo σHmax exhibe una orientación NO–SE aproximadamente paralela al vector de convergencia entre placas. En el sitio C0002 de la cuenca externa de antearco, el esfuerzo σHmax exhibe una orientación NE–SO, lo cual es consistente con la extensión perpendicular al margen. Las flechas blancas indican un rango de tasas de convergencia sugeridas entre la placa del Mar de Filipinas y Japón en la placa Euroasiática. (Adaptado de McNeill et al, referencia 16.)

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 7ORSUMM 14 ULDPDRLNG 7

Sitio C0002

Sitio C0001

Sitio C0010

Sitio C0006

Fosa de Nankai

Sitio C0009

Cuenca del Kumano

Sitio C0004

33°30’

33°20’

33°10’

33°00’

32°50’136°20’ 136°30’ 136°40’

Longitud

Latit

ud

136°50’ 137°00’

Placa del Mar deFilipinas–Placa Eurasiática

~4,1 a 6,5 cm/año

Volumen 26, no.2 27

, Observatorio del sistema de monitoreo de pozos de largo plazo (LTBMS). En el sitio C0002, se determinaron cuatro litofacies utilizando núcleos y datos LWD y MWD. En este sitio, los ingenieros instalaron un sistema LTBMS que apuntaba como objetivo a la cuenca de antearco basal (unidad 3) y al prisma de acreción superior (unidad 4). El instrumental para el sistema LTBMS incluye un medidor de deformación de pozo marino profundo, un arreglo de termistores para el monitoreo de la temperatura durante varios años y una unidad de monitoreo de la presión de poro de múltiples niveles con cuatro orificios (rosado). Además, un transportador de sensores contiene un paquete de sismómetro de banda ancha e inclinómetro, que aloja un arreglo de inclinómetro, geófonos de tres componentes y acelerómetros (ninguno de los cuales se muestra aquí). Para cementar el medidor de deformación y el instrumento sísmico, se utilizó una lechada de cemento FlexSTONE con características no contraíbles. La lechada fue optimizada y probada para que resultara lo más compatible posible con el material de la formación que rodeaba al medidor de deformación instalado; era necesario que el módulo de Young de la lechada se ajustara estrechamente al de la formación. Un empacador inflable colocado en la profundidad del objetivo de 746 m [2 450 pies] bfm aislaba la sección inferior del pozo para las mediciones de presión de poro. Los sensores y los cables fueron bajados con la tubería de producción. Las líneas eléctricas y un encapsulado que contiene las líneas hidráulicas de los sensores de presión se conectan a un kit de modernización del sistema de prevención de la circulación entre el océano y el pozo (CORK) en el cabezal del pozo, a través del cual los datos son transferidos a un registrador o a una red de cables submarinos. (Adaptado de Expedition 332 Scientists, referencia 22.)

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 8ORSUMM 14 ULDPDRLNG 8

Empacador

CORK

Filtros(cedazos)

Cemento

Salmuera

Prof

undi

dad,

mbf

m

Zapata de la tubería derevestimiento

Arreglo determistores

Pozo

Unidad 1

Fondomarino

Unidad 2

Unidad 3

Unidad 4

Orificio demonitoreode presión

Encapsulado(flatpack)

Transportador de sensores

Medidor de deformación

980

937

931

917

908

888

827

746

129

41

757

780

cla promediada de fragmentos de roca y sedimen-tos de un intervalo de perforación de 5 m [16 pies]. Para esta expedición, los científicos estimaron la precisión de la profundidad de los recortes en aproximadamente 10 m [33 pies]. Los intérpretes utilizaron la información de los recortes y los núcleos, además de muchos de los conjuntos de datos derivados de registros adquiridos con cable, LWD y MWD, para definir las unidades litológicas y establecer vinculaciones precisas con el con-junto de datos de sísmica de reflexión 3D adqui-rida en la cuenca del Kumano en el año 2006.

Durante la expedición 319, los ingenieros pre-pararon los pozos de los sitios C0009 y C0010 para la instalación futura de un sistema LTBMS. Los perforadores utilizaron la acción de lanzamiento

de chorros de la tubería de revestimiento y el sis-tema rotativo direccional para perforación vertical PowerV para perforar un pozo observatorio con una desviación vertical inferior a 0,2°, respetando la especificación de diseño de menos de 1° reque-rida para la instalación efectiva de los sensores de fondo de pozo. Más adelante, los ingenieros de la expedición 332 lograron instalar un observatorio LTBMS en el sitio C0002 para obtener mediciones de deformación, inclinación, sismicidad, tempera-tura y presión de poro (izquierda).22 La observa-ción a largo plazo con los sensores de pozo se inició a fines del año 2011 después de la instalación de un sistema de registro con un vehículo operado en forma remota, desplegado con la embarcación para investigación Kaiyo de la agencia JAMSTEC.

16. Para obtener información sobre la determinación de la dirección y la magnitud de los esfuerzos con técnicas LWD, consulte: Chang C, McNeill LC, Moore JC, Lin W, Conin M y Yamada Y: “In Situ Stress State in the Nankai Accretionary Wedge Estimated from Borehole Wall Failures,” Geochemistry, Geophysics, Geosystems 11, no. 12 (16 de diciembre de 2010), http://dx.doi.org/10.1029/2010GC003261 (Se accedió el 15 de mayo de 2014).

Para obtener información sobre la determinación de la dirección de los esfuerzos con técnicas LWD, consulte: Tobin H, Kinoshita M, Ashi J, Lallemant S, Kimura G, Screaton E, Moe TK, Masago H, Curewitz D y el equipo de científicos de las expediciones 314/315/316 del IODP: “NanTroSEIZE Stage 1 Expeditions 314, 315, and 316: First Drilling Program of the Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment,” Scientific Drilling 8 (Septiembre de 2009): 4–17.

Para obtener más información sobre la determinación de la dirección de los esfuerzos a partir de mediciones obtenidas con herramientas operadas con cable, consulte: McNeill L, Saffer D, Byrne T, Araki E, Toczko S, Eguchi N, Takahashi K y los científicos de la Expedición 319 del IODP: “IODP Expedition 319, NanTroSEIZE Stage 2: First IODP Riser Drilling Operations and Observatory Installation Towards Understanding Subduction Zone Seismogenesis,” Scientific Drilling 10 (Septiembre de 2010): 4–13.

17. Las mediciones LWD obtenidas en el sitio C0009 incluyeron imágenes de resistividad azimutal y resistividad de lateroperfil en la barrena. Las mediciones MWD fueron las siguientes: velocidad de penetración, esfuerzo de torsión (torque) en el fondo del pozo, inclinación y orientación del pozo, peso sobre la barrena, emisiones de rayos gamma y presión anular de fondo de pozo durante la perforación.

Las mediciones derivadas de los registros adquiridos con herramientas operadas con cable en el sitio C0009 fueron las siguientes: densidad volumétrica, porosidad-neutrón, factor fotoeléctrico (PEF), resistividad medida con lateroperfil, potencial espontáneo (SP), rayos gamma naturales y espectrales, velocidad sónica (ondas P y S), diversos tipos de calibradores, resistividad y temperatura del lodo.

18. Para obtener más información sobre la determinación de los esfuerzos utilizando datos FMI y MDT, consulte: Lin W, Doan M-L, Moore JC, McNeill L, Byrne TB, Ito T, Saffer D, Conin M, Kinoshita M, Sanada Y, Moe KT, Araki E, Tobin H, Boutt D, Kano Y, Hayman NW, Flemings P, Huftile GJ, Cukur D, Buret C, Schleicher AM, Efimenko N, Kawabata K, Buchs DM, Jiang S, Kameo K, Horiguchi K, Wiersberg T, Kopf A, Kitada K, Eguchi N, Toczko S, Takahashi K y Kido Y: “Present-Day Principal Horizontal Stress Orientations in the Kumano Forearc Basin of the Southwest Japan Subduction Zone Determined from IODP NanTroSEIZE Drilling Site C0009,” Geophysical Research Letters 37, no. 13 (2 de julio de 2010),

http://dx.doi.org/10.1029/2010GL043158 (Se accedió el 15 de mayo de 2014).

19. Los resultados de modelado presentados por un contratista de la industria guiaron el diseño del levantamiento del experimento de la expedición 319 con un VSP con desplazamiento sucesivo de la fuente.

20. Para obtener más información sobre la determinación de los esfuerzos presentes en los pozos utilizando la herramienta MDT, consulte: Saffer DM, Flemings PB, Boutt D, Doan M-L, Ito T, McNeill L, Byrne T, Conin M, Lin W, Kano Y, Araki E, Eguchi N y Toczko S: “In Situ Stress and Pore Pressure in the Kumano Forearc Basin, Offshore SW Honshu from Downhole Measurements during Riser Drilling,” Geochemistry, Geophysics, Geosystems 14, no. 5 (17 de mayo de 2013), http://dx.doi.org/10.1002/ggge.20051 (Se accedió el 15 de mayo de 2014).

21. Para obtener más información sobre la adquisición de registros de lodo, consulte: Ablard P, Bell C, Cook D, Fornasier I, Poyet J-P, Sharma S, Fielding K, Lawton L, Haines G, Herkommer MA, McCarthy K, Radakovic M y Umar L: “El rol en expansión de los registros de lodo,” Oilfield Review 24, no. 1 (Septiembre de 2012): 28–47.

22. Expedition 332 Scientists: “Expedition 332 Summary,” en Kopf A, Araki E, Toczko S and the Expedition 332 Scientists (eds): Actas del Programa Integrado de Perforación Oceánica 332, 2011, http://publications.iodp.org/proceedings/332/EXP_REPT/CHAPTERS/332_101.PDF (Se accedió el 27 de mayo de 2014).

28 Oilfield Review

Aproximadamente un año después, los ingenieros recuperaron el sistema de registro para la evalua-ción y establecieron una conexión con la red de cables submarinos del Sistema de Redes Densas del Fondo Oceánico para Terremotos y Tsunamis (DONET).23

Los científicos y la brigada de la expedición 319 perforaron y entubaron el pozo C0010A y luego lo instrumentaron con un sistema temporario de monitoreo de pozo de tipo “conector inteligente.” Este pozo se posicionó en la porción más somera de la falla megasplay que se ramifica desde la zona sismogénica. El sistema de conector inteli-gente está diseñado para documentar las condicio-nes ambiente y proporcionar variables aproximadas (proxies) para los fenómenos de deformación y flujo de fluidos relacionados con la actividad tec-tónica y sísmica dentro de la falla megasplay. El conector inteligente ejecutó estas tareas mediante el registro de las presiones y tempera-turas de formación. En noviembre de 2010, durante la expedición 332, los ingenieros recupe-raron el conector inteligente y lo reemplazaron por un “conector genial.” El conector genial moni-

torea la presión, la temperatura, la actividad microbiana y las rúbricas geoquímicas de los flui-dos del intervalo seleccionado de la zona de falla megasplay somera. Ambos instrumentos fueron instalados por debajo de un empacador de tubería de revestimiento recuperable Baker Hughes, que se colocó justo por encima de una falla ramificada primaria fuera de secuencia (arriba). El análisis de los datos del conector inteligente permitió a los científicos identificar episodios de terremotos y tsunamis prominentes en el registro del período comprendido entre agosto de 2009 y noviembre de 2010. El sensor de presión registró numerosos episodios de terremotos y las ondas Rayleigh y de tsunamis asociadas, incluidas las ondas prove-nientes del terremoto de 8,8 Mw de magnitud acaecido el 27 de febrero de 2010 frente a la costa del Maule en Chile.

Durante la expedición 322, los científicos uti-lizaron técnicas de extracción de núcleos y perfo-ración sin tubo ascendente para investigar el material destinado a ingresar en la zona sismogé-nica y caracterizaron la composición y el estado de los sedimentos marinos que estaban siendo

transportados hacia el sistema de subducción cercano a la Península de Kii. La estructura sedi-mentaria está compuesta por sedimentos turbidíti-cos que suprayacen un basamento oceánico suave. Las características de los datos impondrán res-tricciones en las condiciones iniciales de los sedi-mentos de aporte y la corteza oceánica antes de que sean sometidos a condiciones de mayor presión y temperatura conforme son transportados por debajo de la pila de acreción por el efecto de cinta transportadora de la subducción. El estado de estos sedimentos es un factor importante que afecta la aparición del comportamiento de las fallas sismogénicas. Los científicos de la expedi-

> Un observatorio de tipo “conector inteligente.” Los científicos utilizan un conector inteligente para monitorear los cambios de presión y de temperatura producidos dentro de la zona de falla megasplay en el sitio C0010. El conector inteligente fue reemplazado posteriormente por un “conector genial,” que además medía la actividad microbiana y las rúbricas geoquímicas de los fluidos. Los filtros de la tubería de revestimiento permiten que los fluidos de la zona de falla ingresen en la cámara del sensor. (Adaptado de Expedition 332 Scientists, referencia 22.)

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 9ORSUMM 14 ULDPDRLNG 9

Casquete anticorrosión

Tapón puente con paquete instrumental (conductor inteligente) debajo

Falla megasplay

Filtros de la tuberíade revestimiento

544 mbfm

555 mbfm

41 mbfm

Tubería de revestimiento de 20 pulgadas

Tubería de revestimiento de 95/8 pulgadas

Pozo

Fluido en suspensión

Cemento

Collar de flotación

> La lucha contra la corriente. Sin los carenados que ayudan a reducir las vibraciones inducidas por vórtices (VIV), las uniones del tubo ascendente se mueven con las corrientes (derecha) y corren el riesgo de dañarse por fatiga. La brigada de perforación a bordo de la embarcación Chikyu instaló revestimientos de tipo carenado en las uniones del tubo ascendente (izquierda) localizadas en la zona con corrientes de gran intensidad cercana a la Fosa de Nankai. Los carenados fueron diseñados para reducir las vibraciones VIV y prolongar la vida útil del tubo ascendente. El movimiento del tubo ascendente fue monitoreado a lo largo de un trayecto de 2 000 m [6 600 pies]. Durante las operaciones críticas, se empleó la técnica de monitoreo de las corrientes en tiempo real utilizando varias embarcaciones.

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 10ORSUMM 14 ULDPDRLNG 10

Fondo marino

Carenado

Material de flotabilidad

Tubo ascendenteflotante

Corriente intensa

Volumen 26, no.2 29

ción 333 obtuvieron núcleos de sedimentos y mediciones del flujo térmico de los aportes de la subducción y el basamento en el margen de la placa del Mar de Filipinas.

Las expediciones 326, 338 y 348 se llevaron a cabo entre los años 2010 y 2014 como parte de la etapa 3 del proyecto NanTroSEIZE. Durante esta etapa, los científicos se centraron en la perfora-ción de pozos profundos y en la extracción de núcleos en la zona sismogénica y en la corteza en proceso de subducción, a través de la interfaz entre placas, utilizando técnicas de perforación con tubo ascendente y un programa de entubación cuidadosamente planificado. En el sitio C0002, la corteza oceánica se hunde a profundidades de

aproximadamente 7 000 mbfm. El diseño del pozo se basó en los resultados de las operaciones de pozos piloto, los datos sísmicos 3D y las medicio-nes LWD y MWD obtenidas en tiempo real.

Durante la expedición 326, los ingenieros pre-pararon el pozo C0002F para la futura perfora-ción ultra profunda con tubo ascendente mediante la apertura del pozo y la instalación del cabezal y la tubería de revestimiento hasta 860 m [2 800 pies] bfm. Durante la expedición 338, con-tinuó la perforación del pozo C0002F en direc-ción hacia la falla megasplay, a una profundidad de hasta 3 600 m [12 000 pies] bfm, y se había llegado hasta los 2 005 m [6 578 pies] bfm cuando las operaciones se vieron obstaculizadas por las

23. La red DONET es una red de observación del fondo oceánico con cables submarinos del área de Kumano-nada, que opera en tiempo real y está diseñada para monitorear terremotos y tsunamis en la región del hipocentro del terremoto de Tonankai. La Comisión de Investigación de Terremotos de Japón pronostica una probabilidad del 70% de que se produzca otro terremoto en esa región en los próximos 30 años. La red DONET consta de unos 300 km [190 mi] de cable estructurado vertical, 5 nodos científicos y 20 observatorios. La instalación comenzó en el año 2006 y fue concluida en 2011. La agencia JAMSTEC ha desarrollado además la red DONET2, una extensión de la red de observación del fondo oceánico, hacia el oeste y frente al canal de Kii.

24. Hirose T, Saffer DM, Tobin HJ, Toczko S, Maeda L, Kubo Y, Kimura G, Moore GF, Underwood MB y Kanagawa K: “NanTroSEIZE Stage 3: NanTroSEIZE Plate Boundary Deep Riser 3,” (2013), http://publications.iodp.org/scientific_prospectus/348/348SP.PDF (Se accedió el 27 de mayo de 2014).

25. Para obtener más información sobre la localización y la utilización de un pozo observatorio en la zona sismogénica de la Falla de San Andrés, en EUA, consulte: Coates R, Haldorsen JBU, Miller D, Malin P, Shalev E, Taylor ST, Stolte C y Verliac M: “Tecnologías de campos petroleros para la ciencia sísmica Oilfield Review 18, no. 2 (Otoño de 2006): 26–37.

condiciones climáticas severas y por los daños producidos en el equipo de perforación.

Las corrientes fuertes presentan otro desafío para las operaciones de perforación en aguas pro-fundas. La corriente de Kuroshio, una corriente de frontera del Pacífico occidental, fluye hacia el noreste con velocidades de hasta 2 m/s [3,9 nudos] a lo largo de la costa sur de Japón. Las vibraciones inducidas por vórtices (torbellinos) (VIV) —la oscilación transversal de una tubería emplazada en una corriente alta— son causadas por el des-prendimiento de torbellinos alrededor de la sarta de perforación o del tubo ascendente y pueden producir daños por fatiga en la tubería. Los inge-nieros de la agencia JAMSTEC superaron este desafío y redujeron las vibraciones VIV mediante la instalación de carenados en las uniones del tubo ascendente localizadas en la zona de corrientes fuertes (página anterior, a la derecha). Durante la expedición 348, los ingenieros a bordo de la embarcación Chikyu utilizaron la técnica de per-foración con tubo ascendente en el sitio C0002, obteniendo recortes de perforación, muestras de gas en el lodo, muestras de núcleos directas y datos LWD. En esta expedición, los perforadores final-mente alcanzaron los 3 059 m [10 036 pies] bfm. En futuras expediciones, el pozo será extendido hacia la falla megasplay localizada a unos 5 200 m [17 060 pies] bfm (arriba, a la izquierda).24

Durante la etapa 4 del proyecto NanTroSEIZE, los científicos tienen previsto instalar un sis-tema LTBMS definitivo en el pozo ultra profundo. La estación de monitoreo adquirirá datos para ayudarlos a determinar el comportamiento y la evolución del sistema de fallas de la interfaz entre placas durante una parte significativa del ciclo sísmico de variación de la tasa de deformación.25

> Plan de pozo para un pozo profundo con tubo ascendente. A esta sección sísmica se le superpone el plan del pozo inicial correspondiente al pozo C0002F. Durante la expedición 348, la perforación avanzó hasta 3 059 mbfm solamente y allí se colocó una tubería de revestimiento corta (liner) de 113/4 pulgadas. Los ingenieros tienen previsto extender el pozo a través de la falla megasplay (línea verde de guiones) en la expedición 3XX futura para llegar finalmente a la corteza oceánica (línea azul de guiones). El pozo C0002G contiene el sistema LTBMS somero. Los intérpretes identificaron un reflector simulador de fondo (BSR) somero, posiblemente relacionado con una reflexión en una interfaz que contiene hidratos de gas. (Adaptado de Hirose et al, referencia 24.)

NO Pozo C0002FPozo C0002G LTBMS SE

Prof

undi

dad,

km

2

3

4

5

6

7

8

9

1010 mi

0 1km

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 11ORSUMM 14 ULDPDRLNG 11

Prisma de acreción

Falla megasplay

Corteza oceánica

Estratos de la cuencade antearco

856 m: profundidad de la zapata de la tubería de revestimiento de 20 pulgadas

2 300 m: profundidad de la zapata de la tubería de revestimiento de 133/4 pulgadas,Expedición 348

4 400 m: profundidad de la zapata de la tubería de revestimiento de 95/8 pulgadas,Expedición 348

3 600 m: profundidad de la zapata de la tubería de revestimiento de 113/4 pulgadas,Expedición 348Intervalo de extracción de núcleos de 100 m

5 200 m: profundidad del objetivo,Expedición 3XXIntervalo de extracción de núcleos de 300 m

BSR

30 Oilfield Review

Los datos derivados de los sensores y las mues-tras pueden esclarecer el tema de cómo interac-túa el agua con las rocas en la zona de subducción de Nankai para incidir en la ocurrencia y la mag-nitud de los terremotos y los tsunamis. El sistema LTBMS se conectará al sistema de monitoreo del fondo oceánico con cables de fibra óptica DONET.

El proyecto de sismogénesis de Costa RicaLos científicos del IODP también están llevando a cabo estudios en el margen oriental del Océano Pacífico como parte del proyecto de sismogénesis de Costa Rica (CRISP). En la zona de subducción del margen de Costa Rica, cerca de la Península de Osa en América Central, la placa de Cocos y la Dorsal de Cocos se están hundiendo actualmente por debajo de la placa del Caribe (arriba). Ésta es un área bien estudiada con una zona sismogénica relativamente somera. La colisión de la Dorsal de Cocos con la Fosa Mesoamericana (MAT), en el área marina de la Península de Osa, acerca la fosa a la línea costera y pone la zona sismogénica al alcance de las nuevas capacidades de perforación con tubo ascendente del IODP. En junio de 2002, se produjo un terremoto cortical de magnitud 6,4 a una profundidad de aproximadamente 9 km [5,6 mi], en la zona de perforación del proyecto CRISP. En esta área, una de las posibles localiza-ciones seleccionadas para la perforación de

pozos profundos con tubo ascendente se centra en la zona sismogénica a una profundidad de unos 6 km [4 mi].

El principal objetivo del proyecto CRISP es investigar los procesos simogénicos, tales como el debilitamiento dinámico por fricción, la presuriza-ción térmica o la lubricación por fusión, fenómenos comunes a la mayoría de las fallas. Sin embargo, este proyecto difiere, aunque complementa, otros proyectos de perforación de pozos profundos en zonas de fallas, tales como el proyecto NanTroSEIZE y el proyecto de Perforación Rápida en la Fosa de Japón que se describe más adelante. La subduc-ción en la región del proyecto CRISP se produce en un margen convergente de erosión en el que el material de aporte para la zona sismogénica pro-viene de la base de la placa cabalgante. Este mate-rial posee propiedades litológicas, físicas y friccionales desconocidas, salvo en los casos en que son reveladas mediante la perforación de pozos profundos. El proyecto CRISP ofrece la oportunidad para conocer los mecanismos de propagación por ruptura y nucleación de terre-motos en una zona de subducción erosiva.

El proyecto CRISP incluye la perforación de pozos multifásicos, de múltiples sitios y múltiples plataformas, y es administrado por la organiza-ción USIO para el IODP. La USIO ejecutó el pro-grama A, la primera fase del proyecto, utilizando

la embarcación JR para las operaciones de perfo-ración sin tubo ascendente durante la expedición 334 del año 2011 y la expendición 344 del año 2012 (próxima página, arriba). Los científicos obtuvieron datos de pozos mediante la extracción de núcleos y el perfilaje durante la perforación.26

26. Los científicos adquirieron registros LWD durante el programa A del proyecto CRISP utilizando las herramientas adnVISION, arcVISION, geoVISION y TeleScope.

27. Expedition 334 Scientists: “Expedition 334 Summary,” en Vannucchi P, Ujiie K, Stroncik N, Malinverno A and the Expedition 334 Scientists (eds): Actas del Programa Integrado de Perforación Oceánica 334, 2012, http://publications.iodp.org/proceedings/334/ EXP_REPT/CHAPTERS/334_101.PDF (Se accedió el 15 de julio de 2014).

28. Harris RN, Sakaguchi A, Petronotis K, Baxter AT, Berg R, Burkett A, Charpentier D, Choi J, Diz Ferreiro P, Hamahashi M, Hashimoto Y, Heydolph K, Jovane L, Kastner M, Kurz W, Kutterolf SO, Li Y, Malinverno A, Martin KM, Millan C, Nascimento DB, Saito S, Sandoval Gutiérrez MI, Screaton EJ, Smith-Duque CE, Solomon EA, Straub SM, Tanikawa W, Torres ME, Uchimura H, Vannucchi P, Yamamoto Y, Yan Q y Zhao X: “Expedition 344 Summary,” en Harris RN, Sakaguchi A, Petronotis K y Expedition 344 Scientists (eds): Actas del Programa Integrado de Perforación Oceánica 344, 2013, http://publications.iodp.org/proceedings/344/ EXP_REPT/CHAPTERS/344_101.PDF (Se accedió el 28 de mayo de 2014).

29. Malinverno A y Saito S: “Borehole Breakout Orientation from LWD Data (IODP Exp. 334) and the Present Stress State in the Costa Rica Seismogenesis Project Transect,” artículo T34C-07, presentado en la reunión de otoño de la Unión Geofísica Americana, San Francisco, 9 al 13 de diciembre de 2013.

30. Lin et al, referencia 18.

>Mapa topográfico y batimétrico de la región cercana a la Fosa Mesoamericana. El área de perforación del proyecto de sismogénesis de Costa Rica (CRISP) se encuentra ubicada cerca de la Península de Osa, en Costa Rica, en donde la placa de Cocos y la dorsal de Cocos se hunden por debajo de la placa del Caribe. (Adaptado de Expedition 334 Scientists, referencia 27.)

20°

18°

16°

14°

12°

10°

8°

6°

4°

–4°

2°

–2°

0°

104° 102° 100° 98° 96° 94° 92° 90° 88° 86° 84° 82° 80° 78° 76°

Placa deCocos

Placa Norteamericana

Placa delCaribe

Dorsa

l de

Cocos

Tasa de convergencia de placas, 88 mm/año

Cuenca de Guatemala

Punto caliente en Galápagos

Dorsal de Carnegie

FosaMesoamericana

Dorsal de CoibaZona de

fractura dePanamá

Península de Osa

Área deperforación

propuesta

2002 Mw 6,4

Dorsal de Malpelo

Dorsal de Cocos

MÉXICO

COSTA RICA

–8 500

–7 000

–6 000

–5 000

–4 000

–3 000

–2 000

–1 000

1 0002 0003 0004 0005 640

0

Elev

ació

n, m

Latit

ud

Longitud

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 12ORSUMM 14 ULDPDRLNG 12

Volumen 26, no.2 31

En la expedición 334, la embarcación JR visitó cua-tro sitios, adquiriendo datos LWD en los sitios U1378 y U1379 y extrayendo núcleos en los sitios U1378 a U1380 de la pendiente MAT y en el sitio U1381 de la placa de Cocos. El sitio U1379 se encuentra ubi-cado por encima del prisma frontal en un tirante de agua de 127 m [417 pies]. El sitio U1381 se ubica en la placa en subducción en un tirante de agua de aproximadamente 2 000 m.27 Durante la expedición 344, la embarcación JR visitó cinco sitios, extrayendo núcleos en los sitios U1380, U1412 y U1413 de la pendiente MAT, en la placa cabalgante, y en los sitios U1381 y U1414 desde la pendiente MAT hacia el mar, en la placa de Cocos en subducción. Los ingenieros intentaron adquirir registros con herramientas operadas con cable sin tubo ascendente en el sitio U1380, pero el descenso de la herramienta se vio limi-tado debido a las obstrucciones presentes en el pozo. Sin embargo, ejecutaron con éxito carre-ras someras de perfilaje en el sitio U1413 y hasta una profundidad de 421 m [1 380 pies] bfm en el sitio U1414.28

La organización USIO logró satisfacer los objetivos científicos para el programa A del pro-yecto CRISP. Los científicos utilizaron datos de núcleos y de registros para caracterizar la litolo-gía, la estratigrafía y la antigüedad de la pen-diente y de los sedimentos de aporte, la petrología de la Dorsal de Cocos en proceso de subducción y la influencia de la subducción de la dorsal en la evolución del arco volcánico Centroamericano. Los datos geoquímicos y de temperatura sugieren que el transporte de fluidos se produjo desde mayores profundidades. Los analistas de regis-tros utilizaron el análisis de núcleos y de ovaliza-ción por ruptura de la pared del pozo para determinar la orientación del esfuerzo local en el límite echado (buzamiento) arriba de la zona sis-mogénica. Mediante la utilización de datos del calibrador obtenidos durante la expedición 334 con herramientas ultrasónicas y nucleares LWD, los analistas determinaron que la dirección del esfuerzo horizontal máximo variaba como una función de la posición a lo largo de la pendiente de la fosa en los sitios U1378 y U1379. Y mediante la utilización de datos de imágenes ultrasónicas y de resistividad obtenidas con herramientas ope-radas con cable durante la expedición 344, descu-brieron que la orientación del esfuerzo máximo en el sitio U1413, en la pendiente superior, es casi perpendicular al movimiento relativo de las placas y sugiere un régimen de esfuerzos extensionales (derecha).29 También se observaron variaciones similares de la orientación de los esfuerzos en la placa cabalgante en la Fosa de Nankai.30 En un programa B futuro del proyecto CRISP, los cientí-

> Direcciones de los esfuerzos en el área de perforación del proyecto CRISP. Las direcciones del esfuerzo de compresión horizontal máxima, σHmax, (líneas rojas) fueron determinadas a partir de un registro calibrador de densidad LWD de 16 carriles en los sitios U1378 y U1379 y a partir de registros obtenidos con el generador de imágenes ultrasónicas de la pared del pozo UBI y del microbarredor de la formación en el sitio U1413; ambas herramientas operadas con cable. Los sitios en los cuales se perforaron pozos durante las expediciones 334 y 344 se indican con puntos rojos y amarillos, respectivamente. Los sitios en los que las operaciones tuvieron lugar en ambas expediciones muestran ambos colores. La flecha negra indica la dirección del movimiento de la placa de Cocos. Con un sistema GPS terrestre se determinó un vector de deformación NNE (no mostrado aquí). Las direcciones de los esfuerzos, incluido el esfuerzo vertical, son consistentes con una compresión NNO–SSE en el sitio U1378 de la pendiente media, cerca del prisma frontal, y con una extensión NNO–SSE en los sitios U1379 y U1413, en los sedimentos de plataforma de la pendiente superior. (Adaptado de Malinverno y Saito, referencia 29.)

8°15’

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 14ORSUMM 14 ULDPDRLNG 14

9°00’

8°45’

8°30’

84°45’ 84°30’ 84°15’ 84°00’

Movimientorelativo de

la placa

Penínsulade Osa

Longitud

Latit

ud

83°45’ 83°30’

σHmax

> Estructura de la zona de subducción de Costa Rica con los sitios de perforación del proyecto CRISP. Una sección sísmica interpretada de gran ángulo (extremo superior) muestra las posiciones de los pozos y las reflexiones provenientes del borde de placa inclinado. Los puntos indican el tope del basamento de la placa cabalgante, sobre el que yacen sedimentos de pendiente de gran espesor. La sección transversal esquemática (extremo inferior) a través del margen de la Península de Osa muestra los sitios U1381, U1412, U1378, U1380 y U1379 y las velocidades de las ondas P (km/s) del subsuelo dentro de la placa cabalgante. (Adaptado de Harris et al, referencia 28.)

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 13ORSUMM 14 ULDPDRLNG 13

Prof

undi

dad,

km

Prof

undi

dad,

km

Distancia, km

Prisma frontal

Borde de placa Borde de placa

Distancia, km

Sitio U1381,Referencia

Sitio U1381 Sitio U1412

Exageración vertical = 2

Exageración vertical = 1,3

Borde de placa

V = 3,5V = 4,8

Sedimentos Prismafrontal

Cuña

Sitio U1412,Punta

Sitios U1378y U1380,

Pendiente media

Sitio U1378 Sitio U1380Reflexiones queinclinan hacia la tierra

Sitio U1379

Sitio U1379,Pendiente superior

0

00

1

2

3

35 30 25 20 15 10 5

4

5

6

7

89

5

1050 40 30 20 10 0 –10 –20

Basamento superior

32 Oilfield Review

ficos a bordo de la embarcación para perforación Chikyu continuarán con el estudio utilizando tec-nología de perforación con tubo ascendente para la penetración en el mega-corrimiento.

Proyecto de perforación rápida en la Fosa de JapónEl 11 de marzo de 2011, se produjo el terremoto de Tohoku-Oki (9,0 Mw) en la mega falla situada al oeste de la Fosa de Japón, en un margen convergente de erosión en el que la placa del Pacífico se hunde por debajo de la placa Norteamericana (arriba). El tsunami originado por el terremoto devastó grandes secciones de la costa noreste de la isla de Honshu, en Japón. Los científicos estimaron que el movimiento de la falla había sido superior a 50 m [165 pies], uno de los deslizamientos más significativos registrados en un terremoto. Los sis-

mólogos no habían previsto la ocurrencia de un desplazamiento de tal magnitud en la porción somera del límite de la mega falla porque no se pensaba que esta porción de la zona de subduc-ción estuviera atascada y acumulara esfuerzos significativos. No obstante, el análisis subsiguiente indicó que los desplazamientos tan grandes pueden producirse cuando el esfuerzo cortante ejercido sobre la falla se reduce a niveles muy bajos durante un terremoto.31

Los científicos, interesados desde hace mucho tiempo en los peligros sísmicos, han procurado mitigar sus efectos catastróficos a través del estu-dio de los mecanismos de los terremotos. Los par-ticipantes de un seminario internacional del ICDP 2009 habían propuesto estrategias y reco-mendaciones técnicas para la rápida moviliza-ción de un programa de perforación luego de la

ocurrencia de terremotos de gran magnitud.32

La tragedia que ocasionó el terremoto de Tohoku-Oki reforzó la necesidad y generó la oportunidad de ejecutar este tipo de programa.

El proyecto de perforación rápida de la Fosa de Japón (JFAST) surgió como un proyecto de tipo respuesta rápida por diversas razones.33 Los sismó-logos teorizan que la fricción controla la dinámica de las grandes rupturas producidas en las fallas. Durante un terremoto, la fricción genera calor y la temperatura de las fallas, observada tras el terremoto, aporta indicaciones acerca del nivel de fricción. Una de las formas más directas de estimar la fricción dinámica durante el terremoto consiste en medir el calor residual existente en la zona de falla. No obstante, la señal de tempera-tura disminuye con el tiempo. Para resolver la temperatura residual, los geofísicos teorizan que es necesario que las mediciones comiencen den-tro del período de dos años posterior al terremoto. Las mediciones importantes sensibles al tiempo, necesarias para la estimación confiable de la fric-ción, son la temperatura de las fallas, la permea-bilidad de la zona de falla y las propiedades químicas de los fluidos y las rocas.

El objetivo del proyecto JFAST era compren-der los motivos y los mecanismos del gran desli-zamiento de la falla del terremoto de Tohoku-Oki; los investigadores comenzaron perforando hasta el nivel de la zona de falla del borde de placa y midiendo las propiedades de las rocas y el calor generado por fricción resultante del movimiento de la falla. Los científicos tenían previsto utilizar estimaciones de la energía calorífica disipada para inferir las fuerzas que actuaron sobre la falla durante el terremoto. Los objetivos de la perforación fueron, entre otros, la utilización de la técnica LWD para localizar la falla que había experimentado un fenómeno de ruptura, la extrac-ción de muestras de núcleos para caracterizar la composición de la zona de falla y los mecanismos de los procesos de deslizamiento y reparación a lo largo de la falla, y el emplazamiento de un observa-torio de medición de la temperatura a través de la falla para estimar el calor generado por fricción y el esfuerzo presente dentro y alrededor de la zona de falla. Un equipo internacional de respuesta rápida logró estos objetivos mediante la utilización de la embarcación para perforación Chikyu como plata-forma de perforación durante las expediciones 343 y 343T del IODP.34

El Centro de Exploración en las Profundidades de la Tierra (CDEX) de la agencia JAMSTEC actuó como organización de implementación para el proyecto JFAST, llevando a cabo la expedi-ción 343 entre abril y mayo de 2012, unos 13 a 14 meses después del terremoto de Tohoku-Oki.

> Topografía de Japón y batimetría del Océano Pacífico cerca de la Fosa de Japón. La estrella negra señala el epicentro del terremoto de Tohoku-Oki acaecido en el año 2011. El punto rojo indica el sitio de perforación de las expediciones 343/343T del IODP para el proyecto JFAST. La placa del Pacífico (PAC) se hunde por debajo de la placa Norteamericana (NAP) en la Fosa de Japón, en el área marina de la porción septentrional de Japón (inserto).

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 15ORSUMM 14 ULDPDRLNG 15

–200

–1 500

–3 500

–5 000

Altu

ra c

on re

spec

to a

l niv

el d

el m

ar, m

Latit

ud

Longitud

–8 000

–10 000

44°

43°

42°

41°

40°

39°

38°

37°

36°

35°

34°138° 139° 140° 141° 142° 143° 144° 145° 146° 147°

Fosade Japón

Sitio de perforaciónTohoku-Oki, 2011

EP

PAC

PHS

NAP

Volumen 26, no.2 33

Mediante la utilización de técnicas de perforación sin tubo ascendente, los ingenieros obtuvieron medi-ciones LWD en un pozo perforado hasta 850,5 m [2 791 pies] bfm en un sitio de perforación de la pendiente hacia tierra de la Fosa de Japón. La pro-fundidad total del pozo fue de 7 740 m [25 394 pies] por debajo del nivel del mar (bnm) (arriba). Los geó-logos utilizaron los datos LWD obtenidos con el servicio de generación de imágenes durante la perforación geoVISION y las herramientas de resistividad de arreglo compensada arcVISION para identificar y caracterizar la zona de falla del borde de placa. En esta expedición, los científi-cos también obtuvieron 21 núcleos que abarca-ron los dos objetivos principales de la falla en un pozo independiente para extracción de núcleos perforado hasta 844,5 m [2 771 pies] bfm.

Los investigadores determinaron que la estruc-tura general en el emplazamiento de perforación está compuesta por un prisma superior de fango-litas falladas y plegadas en contacto tectónico con una secuencia de sedimentos de escaso espesor que fueron depositados sobre la placa entrante del Pacífico. Existe un contacto tectónico a apro-ximadamente 820 m [2 690 pies] bfm, definido por una zona delgada de arcillas intensamente

cizalladas e interpretado como el nivel de despren-dimiento del borde de placa. Los científicos llega-ron a la conclusión de que el nivel de desprendimien- to del borde de placa era la localización más proba-ble del deslizamiento de falla producido durante el episodio acaecido en Tohoku-Oki en el año 2011. Mediante la utilización del análisis de fluidos, iden-tificaron otra localización posible del movimiento reciente de la falla a aproximadamente 700 m [2 300 pies] bfm. Y mediante la comparación de los registros de imágenes con las observaciones de los núcleos, identificaron una zona fracturada y bre-chiforme, a aproximadamente 720 m [2 360 pies] bfm, que contenía fallas. Los científicos eligieron la zona situada a 720 mbfm y el nivel de desprendi-miento a 820 mbfm como los objetivos principales para el observatorio de medición de temperatura.

Los datos derivados de los registros, especial-mente las imágenes de resistividad, ayudaron a los científicos a comprender el régimen de esfuer-zos locales. Los registros de imágenes adquiridos durante la perforación revelaron la existencia de ovalizaciones por ruptura de la pared del pozo que reflejaron diferencias en diversos dominios de esfuerzos locales a lo largo del pozo. A profundida-des someras, el esfuerzo de compresión horizon-

tal máximo, σHmax, parecía variable. A niveles más profundos dentro del prisma, entre 537 y 820 m [1 762 y 2 690 pies] bfm, el σHmax exhibía una sola orientación preferencial formando un ángulo en sentido horario de aproximadamente 20° res-pecto de la dirección de convergencia de las placas. Las fallas y la estratificación en todo el prisma sedimentario superior también mostraban un rumbo predominantemente noreste, consistente con la contracción horizontal aproximadamente paralela a la dirección de convergencia de placas.

En julio de 2012, unos 16 meses después del terremoto de Tohoku-Oki, el personal del CDEX y un grupo de científicos adicionales llevaron a cabo la expedición 343T, una corta extensión técnica del proyecto JFAST. Durante esta expedición, los ingenieros instalaron un observatorio con sensores de temperatura y presión para detectar la rúbrica de temperatura residual del desplazamiento de la falla previo a su disipación. Durante la instalación del observatorio de temperatura, la tripulación de la embarcación Chikyu perforó hasta una profundidad de 854,8 m [2 804 pies] bfm en un tirante de agua de 6 897,5 m [22 630 pies] alcanzando una pro- fundidad total (TD) de 7 752,3 m [25 434 pies] bfm.35 Cada uno de los 55 termómetros del observatorio

31. Lin W, Conin M, Moore JC, Chester FM, Nakamura Y, Mori JJ, Anderson L, Brodsky EE, Eguchi N and the Expedition 343 Scientists: “Stress State in the Largest Displacement Area of the 2011 Tohoku-Oki Earthquake,” Science 339, no. 6120 (8 de febrero de 2013): 687–690.

32. Brodsky EE, Ma K-F, Mori J, Saffer DM y los participantes del Simposio Internacional de las ICDP/SCEC: “Rapid Response Fault Drilling Past, Present, and Future,” Scientific Drilling 8 (Septiembre de 2009): 66–74.

33. Para obtener información detallada sobre el proyecto JFAST, consulte: “Importance for Understanding the

Devastating Tsunami from the 2011 Tohoku Earthquake,” JAMSTEC: Japan Trench Fast Drilling Project, http://www.jamstec.go.jp/chikyu/exp343/e/science.html (Se accedió el 18 de abril de 2014).

34. Expedition 343/343T Scientists: “Expedition 343/343T Summary,” en Chester FM, Mori J, Eguchi N, Toczko S and the Expedition 343/343T Scientists (eds): Actas del Programa Integrado de Perforación Oceánica 343/343T, 2013, http://publications.iodp.org/proceedings/343_343T/EXP_REPT/CHAPTERS/343_101.PDF (Se accedió el 15 de mayo de 2014).

35. La profundidad total del pozo C0019D estableció una nueva longitud récord para las operaciones de perforación científica ya que superó la longitud total de 7 049,5 m [23 128 pies] (un tirante de agua de 7 034 m [23 077 pies] más una profundidad del lecho submarino de 15,5 m [50,9 pies]) registrada por la embarcación Glomar Challenger en 1978, en el abismo Challenger de la Fosa de las Marianas, el punto conocido más profundo del lecho marino.

> Sección sísmica interpretada a partir de la línea HD33B, que atraviesa el sitio C0019 del proyecto JFAST cerca de la Fosa de Japón. La placa del Pacífico se hunde por debajo del prisma sedimentario frontal de sobrecorrimiento de la placa Norteamericana. En este sitio, se perforaron tres pozos a través del prisma sedimentario y el nivel de desprendimiento. En el pozo C0019B se obtuvieron mediciones LWD (los pozos no se muestran). En el pozo C0019E, se extrajeron núcleos. Los científicos instalaron un observatorio en el pozo C0019D para obtener mediciones de temperatura en la zona sismogénica cerca del nivel de desprendimiento. (Adaptado de Expedition 343/343T Scientists, referencia 34.)

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 16ORSUMM 14 ULDPDRLNG 16

Prisma sedimentario frontal

Desprendimiento

Pilar tectónico GrabenTope del basalto

Placa del Pacífico: corteza oceánica ígnea

Fallas normales o directas

Tope de la arcilita pelágica

Fangolita hemipelágica

Línea HD33B

Prof

undi

dad,

mbn

m

mbfm (metros por debajo del fondo marino)Sitio C0019

0

200

400

600

800

1 000

6 500NO SE

7 000

7 500

8 000

8 500

10 mi

0 1km

Relleno de fosa, depósitode transporte masivo

Tope de la ftanitaestratificada

34 Oilfield Review

cuenta con su propio registrador de datos. Ésta era la primera vez que se intentaba medir las temperaturas residuales en una falla de borde de placa inmediatamente después de haberse experimentado un terremoto en una fosa oceánica. En abril de 2013, la embarcación para investigación Kairei de la agencia JAMSTEC retornó al sitio del observatorio, y los científicos recuperaron el arreglo de sensores tras nueve meses de operación. La sarta completa de sensores

fue recuperada utilizando un vehículo operado en forma remota, que localizó, desenganchó y recuperó el arreglo en un pozo que cubre el borde de placa.

Los científicos dirigieron un esfuerzo inten-sivo hacia el análisis de datos LWD y de muestras de núcleos provenientes de las expediciones del proyecto JFAST y llegaron a la conclusión de que una sola falla primaria asociada con el borde de placa había admitido el gran deslizamiento pro-ducido durante la ruptura ocasionada por el

terremoto de Tohoku-Oki; además, determinaron que éste era el sitio en el que se había producido la mayor parte del movimiento histórico interplaca. Se observó que la deformación se localizaba en una capa de arcilla pelágica de menos de 5 m de espesor, lo cual sugirió que las propiedades fric-cionales de la arcilla pelágica de esta área consti-tuyen un factor importante que controla el comportamiento dinámico de los sismos por sub-ducción regional y del origen de los tsunamis.36

> Campo de temperaturas residuales del fondo marino. La temperatura residual es la diferencia entre la temperatura registrada y la temperatura pronosticada a partir del gradiente geotérmico de fondo. Un mapa de tiempo-profundidad (izquierda) de los datos provenientes del arreglo de termistores (círculos amarillos) muestra temperaturas elevadas en el intervalo de profundidad comprendido entre 810 m [2 657 pies] y 820 m [2 690 pies], cerca de la profundidad estimada de la zona de falla de desprendimiento. Los períodos sin recolección de datos se muestran en blanco. Las perturbaciones inducidas por la perforación produjeron un descenso de las temperaturas en agosto de 2012. Las temperaturas se incrementaron a una profundidad de 760 m [2 493 pies] tras el terremoto de 7,4 Mw experimentado en diciembre de 2012. Un perfil en profundidad de las temperaturas residuales entre agosto de 2012 y abril de 2013 (derecha), obtenido con la técnica de lapsos de tiempo (técnica de repetición), muestra el desarrollo de la temperatura en cinco tiempos discretos. Los científicos modelaron la anomalía de temperatura para estimar el calor generado por fricción resultante del terremoto de Tohoku-Oki del año 2011. (Adaptado de Fulton et al, referencia 38.)

Temperatura residual, °C0,5–0,5 0

Oilfield Review SUMMER 14Ultradeep Drilling Fig. 17ORSUMM 14 ULDPDRLNG 17

660

680

700

720

740

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770

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810

820

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Fecha

Terremoto local de 7,4 MW de magnitud

Ago. 2012 Oct. 2012 Dic. 2012 Feb. 2013 Abr. 2013

1º de oct. de 2012

1º de ago. de 2012

1º de abr. de 2013

1º de feb. de 2013

1º de dic. de 2012

Tem

pera

tura

, °C

0,50

0,25

–0,25

–0,50

0

Volumen 26, no.2 35

Los investigadores efectuaron experimentos de fricción a alta velocidad además de análisis geo-químicos, mineralógicos y microestructurales de las muestras de rocas recuperadas de la zona de desprendimiento del borde de placa y de los sedi-mentos adyacentes y observaron reducciones de bajos esfuerzos asociadas con esfuerzos de corte bajos, máximos y de estado estacionario, y atribuye-ron estos bajos esfuerzos a la abundancia de efec-tos de presurización térmica y arcillas débiles.37

Mediante la utilización de los datos obtenidos con el arreglo de sensores de temperatura, los científicos observaron una anomalía de tempera-tura de 0,31°C [0,56°F] en la falla del borde de falla (página anterior). Mediante la combinación de estos datos con las propiedades medidas de las rocas, lograron estimar tanto la cantidad de ener-

gía disipada durante el terremoto como un coefi-ciente de fricción aparente de 0,08. Se cree que este coeficiente muy bajo de fricción dinámica facilitó el deslizamiento significativo que se pro-dujo en la falla de Tohoku-Oki.38 Estos resultados del proyecto JFAST ayudaron a la comunidad científica a comprender mejor la generación de terremotos y tsunamis.

Los desafíos y el futuroLos avances significativos producidos en las últi-mas décadas en la tecnología de perforación, extracción de núcleos y perfilaje han permitido a los ingenieros del IODP alcanzar las profundida-des de la zona sismogénica. No obstante, es pre-ciso superar otros desafíos técnicos para poder extender este logro a fronteras aún más profundas. Las expendiciones del IODP pronto explorarán sitios de perforación candidatos en formaciones de rocas duras, de gran espesor, con tirantes de agua de hasta 4 500 m [14 800 pies] y temperatu-ras de fondo de pozo de hasta 250°C [480°F]. Pueden ser necesarias nuevas técnicas de inicia-ción de la perforación de pozos o nuevos sistemas de perforación en el fondo marino para iniciar la perforación de pozos en ambientes corticales de rocas desnudas. Los sistemas livianos de tubos ascendentes de fibra de carbono podrían exten-der la profundidad de las operaciones de perfora-ción con tubo ascendente. Además, puede ser necesario contar con BOPs electrohidráulicos para aguas ultra profundas. Los perforadores están considerando el empleo de tuberías de revesti-miento expansibles para proteger la superficie de las paredes de los pozos ultra profundos.

Debido al incremento del tiempo y los costos asociados con las operaciones de perforación con tubo ascendente a grandes profundidades, los equipos a cargo del proyecto a bordo de la embar-cación Chikyu están abandonando gradualmente la práctica tradicional de extracción de núcleos completos de las operaciones de perforación científica para aprovechar al máximo las técnicas de adquisición de registros de lodo, LWD y MWD con muestreo y extracción de núcleos al azar. Para asegurar la alta calidad y cantidad de los núcleos recuperados, podrán requerirse barrenas ultra duras de un compuesto policristalino de diamante para la extracción de núcleos en forma-ciones ultra duras. Es necesario desarrollar tubos extractores de núcleos para uso a 300°C [572°F] y 7 000 mbfm.39

Las estimaciones de temperatura para los proyectos existentes en las zonas sismogénicas no exceden los 150°C [300°F], pero los proyectos futuros serán más exigentes. Actualmente, las herramientas MWD y LWD para altas temperatu-ras poseen límites de temperatura de 175°C [350°F], que probablemente deban ser extendidos. Hoy, las herramientas estándar de perfilaje con cable están diseñadas para 175°C y algunas de ellas para 150°C solamente. Existen, aunque en forma limitada, herramientas de adquisición de registros para condiciones de alta presión y alta temperatura (HPHT) diseñadas para 260°C [500°F] y 207 MPa [30 000 lpc], pero no todas las mediciones pueden obtenerse con estas herra-mientas especiales. Algunos cables de perfilaje utilizados para correr las herramientas están diseñados para operar sólo hasta aproximada-mente 200°C-250°C [390°F-480°F], si bien, al igual que sucede con las herramientas HPHT, existe una oferta limitada de cables de alta resis-tencia para condiciones HPHT.40 Para desarrollar herramientas y procesos que respondan al desa-fío, será necesaria una asociación estrecha y per-manente entre la comunidad científica y las compañías proveedoras de servicios.

En la próxima década, el plan de ciencias del IODP continuará enfocándose a largo plazo en las zonas sismogénicas, los terremotos y los desastres naturales. Además, los investigadores emprende-rán expediciones destinadas a responder interro-gantes relacionados con el cambio climático global y la presencia y distribución de los recur-sos minerales e hidrocarburíferos, incluidos los hidratos de gas. Explorarán las profundidades de la biosfera y estudiarán la naturaleza y la exten-sión de las poblaciones microbianas. Algunos de los beneficios potenciales de estos emprendi-mientos serán el descubrimiento de microorganis-mos útiles para fines médicos o de otro tipo, tales como el secuestro de dióxido de carbono [CO2] o su conversión en metano [CH4].41 Sin embargo, el mayor desafío será quizás el logro de la ambición largo tiempo albergada de perforar pozos ultra pro-fundos hasta el manto terrestre, el sueño frustrado del proyecto Mohole de la década de 1960. La dis-continuidad de Mohorovicic, o Moho, constituye el límite sísmico fundamental que marca la transición entre la corteza terrestre y su manto superior, pero su naturaleza geológica es poco conocida. Hoy, se está avanzando firmemente hacia un proyecto Mohole para el siglo XXI.42 —HDL

36. Chester FM, Rowe C, Ujiie K, Kirkpatrick J, Regalla C, Remitti F, Moore JC, Toy V, Wolfson-Schwehr M, Bose S, Kameda J, Mori JJ, Brodsky EE, Eguchi N, Toczko S and the Expedition 343 and 343T Scientists: “Structure and Composition of the Plate-Boundary Slip Zone for the 2011 Tohoku-Oki Earthquake,” Science 342, no. 6163 (6 de diciembre de 2013): 1208–1211.

37. Ujiie K, Tanaka H, Saito T, Tsutsumi A, Mori JJ, Kameda J, Brodsky EE, Chester FM, Eguchi N, Toczko S and the Expedition 343 and 343T Scientists: “Low Coseismic Shear Stress on the Tohoku-Oki Megathrust Determined from Laboratory Experiments,” Science 342, no. 6163 (6 de diciembre de 2013): 1211–1214.

38. Fulton PM, Brodsky EE, Kano Y, Mori J, Chester F, Ishikawa T, Harris RN, Lin W, Eguchi N, Toczko S and the Expedition 343, 343T and KR12-08 Scientists: “Low Coseismic Friction on the Tohoku-Oki Fault Determined from Temperature Measurements,” Science 342, no. 6163 (6 de diciembre de 2013): 1214–1217.

39. Para obtener más información sobre el desarrollo de tecnología para ambientes de aguas ultra profundas, consulte: “Ultra-Deep Drilling Technology,” JAMSTEC: Center for Deep Earth Exploration, http://www.jamstec.go.jp/chikyu/eng/developtech/deepdrill/ (Se accedió el 20 de abril de 2014).

40. Para obtener más información sobre las tecnologías de adquisición de registros HPHT, consulte: DeBruijn G, Skeates C, Greenaway R, Harrison D, Parris M, James S, Mueller F, Ray S, Riding M, Temple L y Wutherich K: “Tecnologías para alta presión y alta temperatura,” Oilfield Review 20, no. 3 (Invierno de 2008/2009): 52–67.

Para obtener más información sobre la presión y el muestreo HPHT, consulte: Avant C, Daungkaew S, Behera BK, Danpanich S, Laprabang W, De Santo I, Heath G, Osman K, Khan ZA, Russell J, Sims P, Slapal M y Tevis C: “Comprobación de los límites en condiciones de pozos extremas,” Oilfield Review 24, no. 3 (Marzo de 2013): 4–19.

41. Para obtener más información sobre la aplicación de la ciencia de perforación en la exploración del interior de la Tierra, consulte: JAMSTEC: Research and Development Center for Ocean Drilling Science, http://www.jamstec.go.jp/ods/e/ (Se accedió el 16 de julio de 2014).

42. Para obtener más información sobre el proyecto Mohole, consulte: Pilisi N y Whitney B: “Initial Feasibility Study to Drill and Core the Ocean Mantle,” Scientific Drilling 12 (Septiembre de 2011): 46–48.