1. Introducción

Las investigaciones sobre los sellos y reservorios se realizan a través del método de registros geofísicos y la caracterización de las formaciones geológicas se realiza principalmente por muestras de canal y, de menor forma, por núcleos debido a su escasez. Cabe anotar que sobre las primeras se ha realizado en gran número de investigaciones. Los registros apoyan estos estudios con la información continua que brindan de las distintas propiedades. Tanto los reservorios como los sellos presentan características generales en cuanto a sus propiedades. En la práctica, en el caso de los sellos las características no se presentan tan claramente en todos los casos, y constituye un problema en muchas ocasiones, atribuir las rocas arcillosas a alguna formación, sin ambigüedad.

Dentro de la Provincia Petrolera Norte Cubana (Fig.1), se ha tratado de establecer en varias ocasiones la diferencia existente entre las electrofacies de la Formación Vega Alta (^{Kantchev, et al., 1978}) y de la Formación Constancia (^{Truitt y Pardo, 1953}), ya que ambas tienen cierto contenido de arcilla que se manifiesta de forma muy similar. Los estudios realizados hasta el momento han resultado inconclusos por falta de integración entre la información litológica y el conjunto de registros completos que ayudan a definir las particularidades de cada una.

La Formación Constancia está constituida por rocas arcillo-aleurolítico-bituminosas con presencia de dolomitización e intercalación eventual de calizas. Estas rocas arcillosas presentan recristalización y fracturas rellenas por calcita y bitumen. La Fomación Constancia es pre tithoniana y se desarrolló en un ambiente nerítico relacionado con el escenario del synrift continental, en el momento en que se produjo la ruptura del supercontinente Gondwana y la formación del océano original Tethis. Esta unidad se considera como una transición entre las rocas clásticas sinrift y las rocas carbonatadas propias de la Formación Cifuentes que sobreyace en la Unidad Téctono Estratigráfica. Puede afirmarse, de manera preliminar, que el corte estudiado en Placetas Central, fundamentalmente en el yacimiento Varadero, es eminentemente terrígeno y está formado por alternancias complejas de arenita y limolita cuarcífera con argilita, y subordinadamente, sedimentos carbonatados (Fig. 2). Por el contrario, en Placetas Occidental, donde se encuentra el yacimiento Boca de Jaruco, las secciones estudiadas son predominantemente carbonatadas, con rocas terrígenas en cantidad subordinada (^{Valladares et al., 1997}; ^{Flores et al., 2020}). También, presenta una abundancia de fragmentos vegetales fosfatizados, que son muy probablemente restos de plantas continentales.

Fuente: Derecha: Tomado de https://www.granma.cu/cuba/2016-10-07/la-ruta-del-petroleo-en-cuba-segunda-parte-o7-10-2016-14-10-10. Izquierda: Tomado de https://researchgate.net/figure/Figura-2-Ubucacion-geografuca-del-archipielago-cubano

Figura 1 Ubicación de las provincias gasopetroleras cubanas. 

Foto: Rolando García-Sánchez.

Figura 2 Secuencia de la Formación Constancia. Areniscas cuarcíferas en una antigua cantera al este del poblado Sierra Morena, provincia de Villa Clara, Cuba. 

El sello de la acumulación en la Formación Vega Alta es la secuencia del Paleoceno que sobreyace a los horizontes productores en los que predominan las características de una secuencia arcillosa con pequeños lentes de reservorios. En ella están presentes varios tipos de minerales arcillosos, tales como la montmorillonita, hidromica, clorita y caolinita (^{Castro, 2017a}). De igual manera, ^{Hernández et al., 2000} y ^{Gómez et al., 2018}, han determinado que el corte de la formación presenta una facies terrígena, de gran espesor, que constituye un olistostroma caracterizado por un fuerte poligenismo con fragmentos que provienen de la destrucción de las facies de margen continental, del arco volcánico y su cobertura y del complejo ofiolítico. También presenta una facies calcáreo-arcilloso-silícea, la cual constituye el sello regional específicamente, en la que se incluyen las rocas arcilloso-silíceas y las margas que componen la parte más baja del corte de la formación Vega Alta. Sin embargo, todas estas litofacies aparecen también en forma de intercalaciones muy complejas (Fig. 3).

El objetivo de este trabajo es presentar una valoración detallada de las características que muestran las rocas arcillosas en distintos pozos y asociar sus particularidades definidas por la integración de los elementos geólogo-geofísicos a las formaciones Constancia y Vega Alta. Para realizar la caracterización de las unidades se tomaron diferentes intervalos de rocas arcillosas descritas en los pozos, y se integraron con el análisis cualitativo de los registros geofísicos, gráficos de propiedades cruzadas, textura reflejada en las imágenes de pared de pozo y una estadística sencilla de las propiedades petrofísicas. Se tuvo en cuenta el concepto de electrofacies (EF) que corresponde al conjunto de respuestas de los perfiles que caracteriza a un estrato y permite distinguirlo de otros. Todas las respuestas de los perfiles (eléctricos, nucleares, acústicos, de buzamientos y otros), que indican los aspectos cuantitativos (valores de perfil) y cualitativos (características de las curvas) representan los componentes de las electrofacies (^{Serra, 1985}). Las electrofacies se vinculan a litotipos definidos, como arena, caliza, arcilla y serpentinita entre otros. Cuando se alternan de forma regular estos litotipos, forman paquetes dentro de las formaciones muy útiles en las correlaciones de pozos.

Fuente: ^{Morales (2008).}

Figura 3 Secuencias de Formación Vega Alta en superficie. Izquierda: fragmentos y bloques de calizas algunos estratificados, areniscas y silicitas en matriz arcillosa o limo arcillosa. Derecha: Transición del olistostroma grano y matriz sostenido a las facies arcillosas. 

2. Método y materiales

El trabajo desarrollado consistió en el análisis de los registros de cada formación con la descripción litológica bien definida y con la edad establecida. También se utilizó de forma conjunta el registro de imágenes FMI, que define la textura de las rocas, y un análisis gráfico de propiedades cruzadas en donde la agrupación de puntos permite definir la litología y las propiedades de las rocas. También se utilizaron gráficos de estrellas para visualizar los valores de máximo y mínimo promedio de los registros en las formaciones estudiadas para cada uno de los pozos.

La realización de este estudio se basó en el uso de los registros convencionales de pozo, tales como: gamma natural espectral (CGR- Gamma computado torio+potasio), SGR (Gamma total), THOR (torio en ppm), POTA (potasio % o fracción), URAN (uranio en ppm). Los registros eléctricos de resistividad utilizados fueron los siguientes: LLD (laterolog profundo en Ohm-m), LLS (Laterolog somero en Ohm-m), MSFL (Microlaterolog en Ohm-m) y HRLA (Laterolog de varios radios de investigación: RLA1 a RLA5, Ohm-m).

Los registros de porosidad corresponden a NPHI (Porosidad neutrónica en fracción), DPHI (Porosidad por densidad, también DPHZ, en fracción) y SPHI (Porosidad por sónico, fracción). Además, se usaron los registros de la cavernometría (CAL), el factor fotoeléctrico (PEF) y la densidad (RHOB).

Con las curvas resultantes se preparó el registro compuesto de cada pozo estudiado para la caracterización de los intervalos arcillosos. También se confeccionaron gráficos de propiedades cruzadas neutrón-densidad (NPHI-RHOB) para analizar el grado de heterogeneidad litológica.

Con la ayuda de las imágenes eléctricas realizadas a la pared del pozo (fullbore formation micro imager, (FMI - Imágenes eléctricas de pared de pozo en Ohm-m) se analizó la imagen de la roca de la Fig. 4. De ella se puede inferir la presencia de intervalos arcillosos en los pozos por el color oscuro de la imagen estática y su textura se detalla por el contraste de colores en la imagen dinámica.

Figura 4 a. Comportamiento típico en el FMI de arena arcillosa. Se aprecia una textura donde la arcilla se intercala por capas con rocas arcillosas e inclusiones más duras; b. Comportamiento típico de arcilla en abundante matriz; c. Caliza con capas finas de arcilla intercaladas. Tomadas de los registros de imágenes de los pozos. 

La representación de gráficos de estrella propuesto por ^{Serra (1985),} es un análisis estadístico sencillo, pero ilustrativo, de los valores registrados. Dentro de los gráficos, cada rama o eje representa un registro con la variación máxima-mínima que al unir estos puntos de cada eje aparece una forma característica para cada electrofacies. Solo basta la variación en un solo eje para establecer la diferencia entre dos electrofacies. También la diferencia entre las figuras formadas por los valores máximos y mínimos expresa la homogeneidad de la roca analizada, el grado de variabilidad de un litotipo o la presencia de varios litotipos. En la Fig. 5(a) se ilustran los registros y el orden en que aparecen los ejes en los gráficos de estrella que se construyeron y (b) la forma más típica con esta distribución de ejes, para la arena, la arcilla y la caliza presentes en las formaciones analizadas.

Figura 5 a) Orden de los ejes para los gráficos de estrella. Las escalas de los ejes son las siguientes: SGR y CGR - 0 a 200 GAPI; THOR 0 a 15 PPM; POTA 0 a 10 %; RT 1 a 1000; NPHI 0 a 0.6; RHOB (RHOZ) 1.71 a 2.8 g/cm3. b) Gráficos para los diferentes tipos de roca presentes en las formaciones analizadas. 

La integración del conocimiento de la litología típica de las formaciones, los gráficos litológicos de propiedades cruzadas, los registros compuestos para definir visualmente los intervalos, los registros de imágenes (FMI) para conocer texturalmente la roca y los valores representados estadísticamente por métodos gráficos, conlleva a la definición del término Electrotipo (ET), que corresponde a un conjunto de comportamientos por intervalos en registros compuestos, gráficos de propiedades cruzadas, estadística de valores en forma de gráficos de estrellas y textura observada en el FMI.

3. Resultados y discusión

Como resultado del estudio del comportamiento de los registros geofísicos frente a los sellos o rocas arcillosas y areno arcillosas, se clasificaron convencionalmente cuatro grupos litológicos o electrotipos, que se definen seguidamente y posteriormente se presentan los modelos para cada electrotipo en distintos pozos.

Electrotipo 1: Arenas arcillosas. Los registros presentan valores moderados de torio y potasio, con poco uranio o sin uranio superados incluso por el gamma total en intervalos de reservorio por sus elevados valores de uranio. A su vez, la resistividad es baja y la porosidad es alta. En el registro de imágenes eléctricas (FMI) hay una diversidad de texturas y estructuras como: brechas grandes y medianas, capas gruesas y finas, pliegues y contenido arcilloso. Estas arenas son típicas de las formaciones descritas como Vega Alta, en el tope de las formaciones que constituyen el reservorio, o entre mantos y escamas de reservorios.

Electrotipo 2: Arcillas y arenas o calizas en capas delgadas y muy plegadas. Los registros son muy homogéneos, con valores de bajos a moderados de torio y potasio y con alguna presencia de uranio. Al mismo tiempo, la resistividad es baja y la porosidad es de media a muy baja. En el FMI se observa una estructura finamente laminada y muy plegada, donde se alternan las arenas o los carbonatos con las arcillas, y es la principal diferencia con el electrotipoanterior; de no contarse con este registro es imposible su identificación. Se encuentra ocasionalmente entre secciones del reservorio.

Electrotipo 3: Arcillas. En los registros, los valores son de altos a muy altos de torio y potasio mientras que el uranio puede estar o no presente. En cuanto a la resistividad es de baja a muy baja y la porosidad de alta a muy alta. En el FMI se aprecia un gran contenido arcilloso con textura clástica gruesa, abundante matriz arcillosa por intervalos y brechas pequeñas de elementos más resistivos correspondientes a otros litotipos dispersos. Se presenta intercalada con las electrofacies de los grupos anteriores en el tope de las formaciones que constituyen el reservorio o entre los mantos y las escamas de los reservorios.

Electrotipo 4: Arcillas y arenas. Dentro de los registros los valores son de altos a muy altos en torio y potasio y hay presencia de uranio. La resistividad es de baja a muy baja y la porosidad es de alta a muy alta. En el FMI se aprecia un gran contenido arcilloso con textura clástica gruesa y abundante matriz arcillosa, pero también están presentes, ya sea en bandas o en brechas, la manifestación de otras litologías. Aunque se puede encontrar en la Formación Vega Alta, también aparece de forma general en la Formación Constancia (^{Castro, 2017b}).

3.1 Modelos del ET 1: Arenas arcillosas

En los gráficos de propiedades cruzadas en los pozos PE-15RE y STC-100 para distintos intervalos arcillosos (Fig. 6), se aprecia la variabilidad litológica. En ellos hay desde arenas cuarcíferas hasta calizas y calizas algo arcillosas, en distinta proporción en cada pozo. Las rocas más arenosas se distinguen por su baja densidad como por ejemplo en el pozo STC-100.

Figura 6 Gráfico de propiedades cruzadas de los pozos PE-15RE (izquierda) y STC-100 (derecha). 

En la Fig. 7 aparece el registro compuesto con baja resistividad y alta porosidad. Por otro lado, los rayos gamma medios en las zonas arcillosas implican la presencia de otros componentes además de las arcillas. El gamma total puede ser menor que en los reservorios, como el intervalo que está a continuación de A. En las imágenes eléctricas de la pared del pozo en los intervalos ejemplificados se aprecian capas gruesas, zonas brechadas y algún pliegue. La coloración indica la presencia de otras litologías además de arcilla.

Figura 7 Registro compuesto de los pozos PE-15RE a la izquierda, con los intervalos arcillosos A y B; A representado en la imagen de FMI, y STC 100 con los intervalos arcillosos A y B; B aparece en la imagen de FMI a la derecha. 

En la Fig. 8 se muestran los gráficos de estrellas que resumen los valores promedios de los registros en los intervalos estudiados de los pozos. En el pozo PE-15RE en el tope del reservorio (A) donde los valores moderados de torio y potasio son su característica principal. Por otra parte, en el pozo STC 100 (A y B) donde se intercalan en el reservorio y se observa la poca variación de máximo-mínimo se puede afirmar que hay poca variación en su composición. Llama la atención el parecido de los gráficos de estos pozos a la estrella de la arena típica por tanto sus valores tienen influencia, aunque no sea un componente mayoritario.

Figura 8 Gráficos de estrella con el promedio de valores máximos y mínimos de los intervalos arcillosos analizados en los pozos PE 15RE, intervalo A, STC 100 intervalos A y B, y su similitud con el gráfico de la arena. 

Las determinaciones de la presión capilar de mercurio se utilizan para estimar la capacidad del sello. En estudios realizados en numerosas litologías de sellos se obtuvo una clasificación basada en la altura de la columna de hidrocarburos capaz de ser sostenida por esas rocas. Por consiguiente, se puede concluir que las litologías arcillosas caracterizadas por poca presencia de fracción arenosa (litologías no grano soportadas) con un volumen reducido de porosidad intergranular presentan las mejores propiedades sellantes (^{Choquette y Pray, 1970}; ^{Folk, 1980}; ^{Morales, 2021}). Este es el caso de este grupo de rocas areno-arcillosas que sirven de sello en la Formación Vega Alta.

3.2. Modelos del ET 2: Arcillas y arenas o calizas, en capas delgadas muy plegadas

En la Fig. 9 se presentan los gráficos de propiedades cruzadas para los pozos FRN-1002ST, STC-100 y YUM- 400 donde la agrupación cerrada de puntos indica que hay homogeneidad litológica. En los dos primeros predominan las arenas cuarcíferas algo arcillosas de baja densidad, mientras que en el tercero se presentan calizas un tanto arcillosas, las cuales se identifican por su porosidad hacia los valores bajos.

Figura 9 Gráfico de propiedades cruzadas de los pozos FRN-1002ST (a), STC-100 (b) y YUM-400 (c), con grupos de puntos que indican homogeneidad por su cercanía. 

En el registro compuesto de la Fig. 10 se puede apreciar la homogeneidad litológica por la poca variabilidad de los registros, su carácter arenoso en los dos primeros pozos y su carácter calcáreo en el tercero. Por la separación de las curvas neutrónica y de densidad las imágenes de FMI, frente del pozo, muestran las capas finas muy plegadas en los tres pozos, por lo tanto, es la firma distintiva de este grupo.

Figura 10 Registro compuesto del pozo FRN-1002ST (a), STC-100 (b) y YUM-400 (c), con el intervalo arcilloso en cada uno de ellos representado en una imagen de FMI. 

Las gráficas de estrella presentan patrones cercanos a las arenas similares al grupo anterior, ya que la composición litológica es la misma con menor variabilidad entre el mínimo y el máximo para el primer pozo (Fig. 11). Tienen similitud con el gráfico característico de las arenas.

Figura 11 Gráficos de estrella con el promedio de valores máximos y mínimos de los intervalos con arcillas arenosas muy plegados en los pozos FRN 1002, STC 100 y comparación con patrón de arena. 

3.1. Modelos del ET 3: Arcillas

En la Fig. 12 se muestran los gráficos de propiedades cruzadas para los pozos YUM-211RE2 y 400, donde aparecen las rocas muy arcillosas que tienden a agruparse sobre y debajo de la línea de la dolomita en la zona de alta porosidad.

Figura 12 Gráfico de propiedades cruzadas de los pozos YUM-211RE (izquierda) y YUM-400 (derecha). 

En la Fig. 13 se muestran los registros compuestos que presentan valores máximos de rayos gamma con un alto contenido de torio, potasio y uranio. Junto a la imagen de FMI se denota una abundante matriz arcillosa y pequeñas brechas de otros componentes.

Figura 13 Izquierda: Registro compuesto del pozo YUM 211-RE2 con los intervalos arcillosos A y B; A representado en la imagen de FMI. Derecha: pozo YUM-400 con los intervalos arcillosos A, B y C; B en la imagen. 

La estadística de los valores de los registros puede apreciarse en los gráficos de estrella de la Fig. 14. Su característica principal son los altos valores de torio, potasio y uranio y la separación moderada de máximo mínimo, que indica la poca variabilidad litológica con un comportamiento similar a la estrella de la arcilla.

Figura 14 Gráficos de estrella con el promedio de valores de los intervalos arcillosos A y B analizados en el pozo YUM-211RE2 y YUM-400 en el intervalo B y gráfico para la arcilla. 

En estos pozos el electrotipo presenta un gran desarrollo que alterna con intervalos de los reservorios. Tiene todas las características de una roca con componentes arcillosos en un elevado porcentaje.

3.2. Modelos del ET 4: Intercalaciones de arcillas, arenas y calizas

En la Fig. 15 se exponen los gráficos de propiedades cruzadas en los intervalos de los pozos LIT y VDW-1001 de composición arcillosa, carbonatada y arenosa.

Figura 15 Gráfico de propiedades cruzadas que reflejan la composición heterogénea de intervalos de los pozos LIT y VDW-1001. 

En la Fig. 16 se muestran los registros compuestos de los pozos LIT y VDW-1003 donde se señalan los intervalos arcillosos con el detalle de la imagen FMI. En el pozo LIT se manifiesta muy bien la heterogeneidad conglomerática de la composición, mientras que en el pozo VDW-1003 se observa que en el intervalo la matriz arcillosa con un clasto carbonatado hacia el centro.

Figura 16 Registro compuesto del pozo LIT a la izquierda, con la imagen FMI; en la parte derecha está representado el pozo VDW-1001 con la imagen FMI. 

En los gráficos de estrella de la Fig. 17 aparecen los pozos LIT y VDW-1001 asignados a la Formación Constancia. La característica más notable es la separación de máximo-mínimo, la cual indica la variabilidad litológica, donde los valores mínimos se acercan a la estrella de la arena y los máximos a la estrella de la arcilla definiendo dos poblaciones litotípicas independientes.

Figura17 Gráficos de estrella con el promedio de valores de los intervalos arcillosos analizados en los pozos LIT y VDW 1001 y los gráficos de la arena y la arcilla. 

La Formación Constancia se caracteriza por su heterogeneidad litológica en donde alternan arcillas similares a las del electrotipo 3 con rocas arenosas y arenas similares a las del electrotipo 1; también pueden estar presentes los carbonatos. Esta formación corresponde a electrotipo compuesto. La presencia de uranio corresponde a los restos fosfatizados que integran su composición.

Por último, este tipo de estudio integral permite, también, caracterizar otras formaciones dentro de la provincia gasopetrolífera norte cubana, donde las formaciones en las unidades tectonoestratigráficas guardan relación por su composición y edad. Esto ocurre con la Formación Vega (^{Kantchev et al., 1978}), con el sello de las unidades tectono estratigráficas Camajuaní, Manacas (^{Pszczólkowski et al., 1975}) y Sierra del Rosario. Las Figs. 18, 19 y 20, corresponden al análisis del intervalo arcilloso.

Figura 18 Gráfico de propiedades cruzadas del pozo MN-1X, que representa al intervalo arcilloso de la Formación Manacas. 

Figura 19 Registro compuesto del pozo MN-1X, con la imagen FMI de la Formación Manacas. 

Figura 20 Gráfico de estrella con el promedio de valores del intervalo arcilloso analizado el pozo MN-1X. Su característica principal está en los valores moderados de torio y potasio, que lo lleva a una semejanza con la estrella de la arena típica. 

En la Formación Constancia se identifican arenas arcillosas (electrotipo 1), donde los gráficos de propiedades cruzadas muestran la dispersión de puntos hacia las arcillas. En los registros compuestos se aprecian lecturas moderadas de los rayos gamma. En la imagen eléctrica estática de pared de pozo la coloración es semioscura y en la imagen dinámica la textura es de brechas muy finas. En los gráficos de estrella son cercanos al patrón de la arena.

4. Conclusiones

En este trabajo se integran los elementos geólogo-geofísicos disponibles para estudiar las diferencias y similitudes que presentan las rocas arcillosas en diferentes contextos y se analiza la identificación con las formaciones señaladas.

Las arcillas analizadas de las formaciones Vega Alta y Constancia se clasificaron en cuatro grupos de comportamientos, que responden a su composición y propiedades. Estas fueron identificadas como electrotipos por su relación con los registros de pozo.

En la mayoría de los casos, en las rocas identificadas dentro de la Formación Vega Alta las arcillas no se destacan por la alta radiactividad en la mayor parte del espesor, ya que el componente arcilloso contiene inclusiones de otras rocas como lo confirman las imágenes de la textura variable en el electrotipo 1. Esta aparece en el tope de las formaciones carbonatadas que constituyen reservorios o entre mantos o escamas de ellas.

El registro de imágenes es determinante para definir el grupo 2, que, en el caso de arenas y arcillas plegadas puede confundirse con el grupo anterior por su composición similar. Se presenta ocasionalmente entre secciones del reservorio.

El electrotipo 3 es el único que corresponde a una arcilla o al menos a una roca con componentes arcillosos en un elevado porcentaje, con altas lecturas de gamma computado. Aparece con gran desarrollo solo en los pozos ejemplificados YUM 400 y 211RE.

La Formación Constancia responde a un electrotipo compuesto por el 1 (rocas areno-arcillosas) y el 3 (arcillas), y se destaca el aumento de las lecturas de uranio por la materia orgánica de los restos fosfatizados.