Vol 4, No 3 (2013) - Revista Cubana de Ingeniería

Transcripción

Vol. IV 2013
3
ISSN 2223-1781
ESTUDIO DE LAS DIMENSIONES DE LA INTEGRACIÓN DE
LAS TIC EN UNA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA CUBANA
EVALUCIÓN DE LAS PRESTACIONES DE MORTEROS
ESTRUCTURALES FABRICADOS CON ÁRIDOS RECICLADOS
MIXTOS DE DIFERENTE COMPOSICIÓN
NUEVAS TENDENCIAS DE LA EXPLORACIÓN SÍSMICA
DURABILIDAD DEL PERFIL DE ALUMINIO LACADO EN
LAS CONDICIONES DE CLIMA TROPICAL
DISEÑO DE LA SEÑAL EXCITADORA Y DEL FILTRO
ADOPTADO PARA UN RADAR DE COMPRESIÓN DE PULSOS
Revista del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, La Habana, Cuba
REVISTA CUBANA
DE INGENIERÍA
Vol. IV, No. 3, 2013
septiembre - diciembre
DIRECTOR Y EDITOR TÉCNICO
Dr. Gonzalo González Rey
Vicerrectoría de Investigación y Posgrado
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae
e-mail:[email protected]
MIEMBROS DEL COMITÉ EDITORIAL
Dr. Ángel Regueiro Gómez
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría
La Habana. Cuba
e-mail: [email protected]
Dr. Jorge Laureano Moya Rodríguez
Facultad de Ingeniería Mecánica
Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
Villa Clara. Cuba
Dr. Tomás Cañas Louzau
Centro de Referencia de Enseñanza Avanzada
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría
La Habana. Cuba
Ing. Odiel Estrada Molina
Departamento de Geoinformática
Universidad de las Ciencias Informáticas
La Habana. Cuba
Dr. José Antonio Vilan Vilan
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
Universidad de Vigo. Vigo. España.
Ing. Raúl Gutiérrez Perucho
Escuela de Ingeniería. Instituto Tecnológico de Estudios Superiores
de Monterrey Aguascalientes. México
REVISORES INVITADOS
MSc. Jorge Torres Gómez
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría. Cuba
Dr. Emilio R. Escartin Sauleda
Dr. Ing. Juan José Howland Alberar
Dra. Silvia de la Concepción Valladares Amaro
Centro de Investigaciones del Petróleo. Cuba
Dr. Amaury Palacio Rodríguez
Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa. Cuba
MSc. Lianis de los Ángeles Columbié Lamorú
Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa. Cuba
Dr. Rey Segundo Guerrero Proenza
Universidad de Granma. Cuba
Ing. Manuel Sánchez Castillo
Centro de Neurociencias de Cuba
Ing. Cyndi González Alfonso
Ing. Alberto Carmona Rodríguez
Empresa de Gas Manufacturado. Cuba
MSc. Ing. Eduardo Jesús Pérez García
Empresa de Producciones Industriales. Cuba
Dr. José Luis García Calvo
Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja. Madrid. España
Dra. Luz Marina Ocampo Carmona
Universidad Nacional de Colombia. Colombia
MSc. Ing. Ángela Bermúdez Castañeda
Universidad de Antioquia. Colombia
Ing. Carlos Luis Lasarte
Combustión,Energía y Ambiente. Carabobo. Venezuela
Ing. Samuel Rosario Francia
Universidad Nacional Mayor de San Marcos. Perú
EDITOR EJECUTIVO
Yusnier Ferrer Granado
Jefe de Departamento de Comunicación
EDITORA
Lic. Mayra Arada Otero
DISEÑO DE CUBIERTA
Alex Álvarez Martínez
DISEÑO INTERIOR
Yaneris Guerra Turró
COMPOSICIÓN COMPUTARIZADA Y REALIZACIÓN
Maritza Rodríguez Rodríguez
REVISOR DE TEXTOS EN INGLÉS
Ing. Raúl Ernesto García García
Nuestra Revista pueder ser visitada a través del sitio web: http://
rci.cujae.edu.cu
La correspondencia puede dirigirse a:
Revista Cubana de Ingeniería
Calle 114, No. 11901, e/ Ciclovía y Rotonda, Apartado 6028, Cujae,
Marianao, La Habana, Cuba.
PROPÓSITOS Y ALCANCE
VISIÓN
La Revista Cubana de Ingeniería se propone contribuir a la comunicación entre los
profesionales de la ingeniería y se concibe como un foro en el que se presentan artículos
científico-técnicos en las variadas áreas de la ingeniería, con un destaque de resultados
novedosos y aportes de relevancia para la profesión. De esta manera, la revista se propone
contribuir a la actualización de profesionales, investigadores, profesores y estudiantes de
ingeniería, a la discusión científica nacional e internacional y, por consiguiente, al desarrollo
tecnológico y científico de Cuba en el área de la ingeniería.
PÚBLICO
La Revista Cubana de Ingeniería se dirige especialmente a la comunidad académica y científica,
nacional e internacional, centrada en el tema de la ingeniería. Ingenieros, investigadores,
profesores o gerentes que trabajen en alguna de las ramas de la ingeniería o en cualquier
ciencia o tecnología afín constituyen el universo de lectores y contribuyentes de la revista.
TEMÁTICA Y ALCANCE DE LA REVISTA
Una lista, que no pretende ser completa, de los temas de interés para la revista incluye contenidos
en la solución de problemas, aplicaciones y desarrollo de la ingeniería civil, eléctrica, electrónica,
hidráulica, industrial, informática, química, mecánica, mecatrónica y metalúrgica, además de
contenidos asociados con la ingeniería de materiales, bioingeniería, transporte, geofísica,
reingeniería y mantenimiento. También se consideran apropiados, artículos orientados a la
formación de las nuevas generaciones de ingenieros, incluidos los programas de estudio, las
tecnologías educativas, la informática aplicada, la gerencia universitaria y las relaciones universidadindustria.
Puesto que la práctica de la ingeniería obliga cada vez más a la interacción de sus diversas
disciplinas, esta revista le asigna la primera prioridad de publicación a los artículos donde se
preste atención a la integración multidisciplinaria, a los desarrollos interdisciplinarios y a las
aplicaciones prácticas.
A fin de asegurar una alta calidad del contenido, todos los trabajos publicados serán arbitrados.
REVISTA CUBANA
CUBANA
REVISTA
DE INGENIERÍA
INGENIERÍA
DE
SUMARIO/CONTENTS
EDITORIAL 4
 ENSEÑANZA DE LA INGENIERÍA
ESTUDIO DE LAS DIMENSIONES DE LA INTEGRACIÓN DE LAS
TIC EN UNA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA CUBANA
/ A STUDY OF THE ICT INTEGRATION DIMENSIONS IN A
CUBAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY 5
Ariane Álvarez Álvarez
Lourdes Hernández Rabell
Juan Francisco Cabrera Ramos
Elsa Herrero Tunis
 INGENIERÍA CIVIL
EVALUACIÓN DE LAS PRESTACIONES DE MORTEROS
ESTRUCTURALES FABRICADOS CON ÁRIDOS RECICLADOS
/ EVALUATION OF
STRUCTURAL MORTARS MADE WITH MIXED RECYCLED
AGGREGATES WITH DIFFERENT COMPOSITION 15
MIXTOS DE DIFERENTE COMPOSICIÓN
Iván Martínez Herrera
Elier Pavón de la Fé
Nelson Díaz Brito
 INGENIERÍA GEOFÍSICA
NUEVAS TENDENCIAS DE LA EXPLORACIÓN SÍSMICA / NEW
TENDENCIES IN SEISMIC EXPLORATION 23
Guillermo Miró Pagés
Emilio R. Escartin Sauleda
Hilda Esther Amador Longoria
MODELACIÓN DE VELOCIDADES SÍSMICAS EN EL SECTOR
PLEGADO CUBANO /
MODELLING OF SEISMIC VELOCITIES IN THE
NORTHERN AREA OF CUBAN FOLDED BELT 33
NOROCCIDENTAL DEL CINTURON
Mercedes Cristina García Sánchez
Alberto Helio Domínguez Gómez
Vol. IV, No. 3, 2013
Tres números al año
 INGENIERÍA QUÍMICA
DURABILIDAD DEL PERFIL DE ALUMINIO LACADO EN LAS
/ DURABILITY OF
LACQUERED ALUMINIUM PROFILE CONSIDERING
TROPICAL WEATHER CONDITION 41
CONDICIONES DE CLIMA TROPICAL
Lilia del Carmen González Ortega
Brenda Luisa McNeil Montañes
Rigoberto Marrero Águila
EFECTO CORROSIVO DEL AGUA ACOMPAÑANTE DEL
CO2 SOBRE EL ACERO DE
LOS DUCTOS / CORROSIVE EFFECT OF FORMATION
WATER IN PETROLEUM WITH HIGH CONTENTS OF CO2 ON
STEEL PIPELINES 47
PETRÓLEO CONTAMINADA CON
Alexander Cueli Corugedo
Yosmari Adames Montero
Juan Davis Harriett
Yischy Rivera Beltrán
 TELECOMUNICACIONES
DISEÑO DE LA SEÑAL EXCITADORA Y DEL FILTRO
ADAPTADO PARA UN RADAR DE COMPRESIÓN DE PULSOS
/
DESIGN OF EXCITATORY SIGNAL AND MATCHED FILTER
FOR COMPRESSED PULSED RADAR 53
Heriberto García López
Emedin Rodríguez Águila
Nelson Chávez Ferry
Argel González Padilla
DEMODULACIÓN DE SEÑALES DIGITALES MEDIANTE
PIC18F4550 / DEMULATOR OF
DIGITAL SIGNAL BY MICROCHIP PIC18F4550 61
MICROCONTROLADORES
Karel Toledo de la Garza
Jorge Torres Gómez
EDITORIAL
.....................................................................................................
La necesidad de responder de forma rápida, eficaz y con la necesaria calidad a los problemas de la tecnología y los
servicios ha promovido el desarrollo acelerado e imprescindible de normas nacionales e internacionales.
Actualmente la comunidad profesional de ingenieros se enfrenta a una infraestructura industrial global y cambiante,
que impone la necesidad de encontrar un justo equilibrio entre las soluciones definidas a los problemas
tecnológicos y los servicios, la influencia en el cambio climático, el medio ambiente y la estimulación de un
crecimiento económico y social. En este entorno complejo, donde la calidad actúa como una variable q ue
interrelaciona la producción con las exigencias del mercado, se demuestra que la normalización técnica global es
un importante instrumento capaz de liderar un cambio positivo y asegurar la aplicación de la ciencia y la tecnología
al progreso de la industria y el comercio.
Las normas permiten establecer aptitud de un producto para ser empleado, la compatibilidad en sistemas, la
intercambiabilidad con otros, el control de la diversidad, la seguridad, la protección al medio ambiente y la protección
del producto, entre otras finalidades. En este sentido, se puede afirmar que la comprensión, el fortalecimiento y la
aplicación intensiva y extensiva de la normalización técnica global potencian el desarrollo de la actividad productiva
de cualquier país que intente penetrar en los mercados globales con productos y servicios de calidad certificada.
Desde los años 40 del pasado siglo, fue apreciada de manera ineludible, la necesidad de establecer una
normalización internacional que contribuyera a romper las barreras técnicas y comerciales entre los países. Esta
situación motivó que en octubre del año 1943 fuera establecida la Organización Internacional para la Normalización
(ISO), con la misión de promover el desarrollo de la normalización en el mundo y el objetivo de facilitar el intercambio
internacional de bienes y servicios, así como el desarrollo de la cooperación intelectual, científica, tecnológica y
económica. Actualmente, el desarrollo de lo relacionado con la normalización internacional ha tenido tal impacto y
expansión, que en enero del 2013 se reportaba una participación en ISO de 164 países y funcionando 224 comités
técnicos con actividad en 2 544 grupos de trabajo y responsables de la edición y aprobación de 19 573 normas
ISO. Particularmente, en Cuba se dispone de 4 371 normas cubanas (NC) de las cuales alrededor del 60 % de
ellas se encuentran armonizadas con las normas internacionales derivadas del trabajo de 113 comités técnicos de
normalización.
A partir de 1970, fue designado el 14 de octubre como el Día Mundial de la Normalización. En Cuba, cada año en
esta fecha, se realiza una celebración por parte de la dirección de la Oficina de Normalización Nacional, como
representante del país en la ISO, donde son homenajeadas aquellas personas con una labor relevante en la
normalización y se reconoce el trabajo de los comités técnicos destacados. Todo lo anterior, y más, hace que
Revista Cubana de Ingeniería se una a la conmemoración del próximo Día Mundial de la Normalización con un
merecido reconocimiento a la familia de más de 1 500 expertos y profesionales responsables de la elaboración y
aprobación de las normas cubanas que trabajan activamente en la normalización nacional garantizando la inserción
y competitividad de los productos y servicios cubanos en un mundo globalizado con una marcada economía abierta
y de primacía para los mercados competitivos.
Durante varios años, en mi condición de miembro activo de comités técnicos de normalización nacionales e
internacionales, he tenido la posibilidad de presentar algunos de mis resultados derivados del trabajo en la
normalización en eventos profesionales, y siempre al concluir la ponencia me place trasmitir una idea que evidencia
la inmensa labor y poco reconocimiento que reciben aquellos que trabajamos anónimamente y sin ánimo de lucro en
estos temas, pero que sentimos la satisfacción de saber que contribuimos a la construcción de una sociedad mejor.
En general, no es usual una valoración importante de las normas, y mucho menos que sean apreciadas por su
efecto económico, impacto técnico y su consecuencia social. Sin embargo, toda esta situación varía cuando la
ausencia de estas empieza a causar inconvenientes. Lo cierto es que el desarrollo de la sociedad y de la vida
misma sería extremadamente difícil sin normas que establezcan especificaciones, acuerdos, reglas, orientaciones,
o definiciones de características, para asegurar que los materiales, productos y servicios garanticen su propósito.
Un análisis de cualquier escenario permite apreciar cómo las normas facilitan y ayudan todos los aspectos de la
vida diaria. De alguna manera, las normas ayudan a organizar nuestras vidas, a facilitarlas y hacerlas más
confortables, prosperas, más seguras,…..simplemente las normas ayudan a lograr un mundo mejor.
Dr. Gonzalo González Rey
Director y Editor Científico
Vol. IV, No. 3, septiembre - diciembre, 2013, pp. 5 -14
ENSEÑANZA DE LA INGENIERÍA
Estudio de las dimensiones
de la integración de las TIC
en una universidad tecnológica cubana
Artículo Original
Correo electrónico:[email protected]
Elsa Herrero Tunis
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba
Resumen
El trabajo está dirigido a caracterizar la situación que presenta la integración de las Tecnologías de la
Información y las Comunicaciones (TIC) en el proceso de enseñanza-aprendizaje (PEA) en el Instituto
Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae. Determinar el estado actual de la integración de
las TIC como variable fundamental de investigación, requirió por una parte establecer los niveles a
considerar y, por otra, su operacionalización en dimensiones e indicadores. En la selección de los
niveles se tuvieron en cuenta estudios similares realizados en otros contextos educativos a tono con
el enfoque que se defiende, el cual reconoce la integración de las TIC en el PEA como un proceso que
transita por diferentes etapas y que se distinguen por proponer un avance progresivo, conducente a
transformaciones creativas en la docencia a partir de las ventajas de las TIC. Se establecieron para el
análisis como dimensiones: una pedagógica, una tecnológica y una relacionada con la política
institucional. La aplicación y el procesamiento de diferentes instrumentos establecen pautas para un
modelo de acompañamiento al profesor con el fin de llevar a planos superiores la necesaria integración de las TIC en una institución universitaria cubana encargada de formar ingenieros y arquitectos.
Palabras claves: integración de las TIC en la educucaión, formación con TIC, teleformación en la
universidad
Recibido: 21 de junio del 2013
Aprobado: 12 de agosto del 2013
INTRODUCCIÓN
El desarrollo exponencial de las Tecnologías de la
Información y las Comunicaciones (TIC), el acceso a las
redes y la disponibilidad de dispositivos para el intercambio
de información caracterizan el contexto educativo actual. Ello
impone un cambio de cultura para formar las nuevas
generaciones de profesionales, en lo cual las instituciones
de educación superior desempeñan un papel fundamental y
el mayor reto recae en los profesores.
Muchos expertos coinciden en señalar que para la
educación, la brecha digital se está desplazando del acceso
a los usos que se hace de esta tecnología. Se insiste en la
necesidad de atender la formación docente y los modos de
hacer en las aulas, para aprovechar mejor las posibilidades
de las TIC. [1].
En este sentido diferentes investigaciones han demostrado
que la disponibilidad de computadoras no garantiza que se
exploten en todo su potencial ni que produzcan un cambio
en las formas en que se enseña y se aprende [2]. Su
presencia en las instituciones no es suficiente para alcanzar
la transformación en los procesos de enseñanza-aprendizaje
de las asignaturas [3].
Revista Cubana de Ingeniería . Vol. IV, No. 3, septiembre - diciembre, 2013, pp. 5 - 14, ISSN 2223 -1781
Estudio de las dimensiones de la integración de las TIC en una universidad tecnológica cubana
Las TIC, en opinión de los autores de este trabajo, deben
abordarse en las instituciones de educación superior con un
enfoque de integración, donde se valoren armónicamente
aspectos tecnológicos y pedagógicos, a tono con las políticas
educativas del contexto concreto en que se integran.
En Cuba se asume este desafío, lo cual se evidencia en
los documentos programáticos de la política social del país,
específicamente en el ámbito educativo. Se hace énfasis en
el uso racional de las TIC en la labor educativa de los
profesores y la necesaria actualización de los programas
académicos en función del desarrollo alcanzado por estas.
El Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría,
Cujae, como universidad de ciencias técnicas, ha priorizado
este tema y ha desarrollado por muchos años una estrategia
de tecnología educativa, en respuesta a la creciente
necesidad de desarrollar acciones tendientes a alcanzar una
integración de las TIC en los procesos de formación. En
particular el Centro de Referencia para la Educación Avanzada
(CREA) desde su fundación en 1998 hasta la fecha, ha
liderado en la Cujae investigaciones que apuntan a esta línea.
Hoy se desarrolla por el CREA el proyecto: Modelo de
acompañamiento al profesor para la integración de las TIC
en el proceso de enseñanza-aprendizaje [4], en el marco de
un programa ramal del Ministerio de Educación Superior. El
referente de integración y los niveles en que esta se puede
expresar en una institución, estudiados y asumidos por esta
investigación, así como el análisis de los resultados de aplicar
diferentes instrumentos posibilitaron hacer un análisis del
estado real de la integración de las TIC en la Cujae.
El presente trabajo constituye un punto de partida para
elaborar como meta, un modelo de acompañamiento al
profesor, con el propósito de llevar a planos superiores la
necesaria integración de las TIC en los procesos formativos.
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
Muchos académicos que abordan la temática, plantean la
necesidad de que la integración de las TIC responda a
necesidades y demandas educativas y no a un imperativo
tecnológico, este grupo aspira a que la tecnología se convierta
en un elemento que aumente la eficiencia del proceso de
enseñanza-aprendizaje y se subordine a los objetivos
educativos [5 -11].
Otra arista identificada en las concepciones de integración
consultadas, es la idea de que ella se manifiesta como un
proceso multifactorial, orientado a la transformación del
proceso de enseñanza-aprendizaje, con una alta implicación
de los profesores.
La visión de integración que se comparte
En la presente investigación se asume la integración de
las TIC en el PEA como "...un proceso planificado,
contextualizado, sistémico, continuo y reflexivo, orientado a
la transformación de la práctica pedagógica tomando en
cuenta las posibilidades de las TIC con la finalidad de
incorporarlas armónicamente al PEA para satisfacer los
objetivos educativos" [12]. En la esencia de esta concepción
6
está la subordinación de la tecnología como herramienta a
la concepción pedagógica y el reto de plantear objetivos
educativos para propiciar un aprendizaje desarrollador y
favorecer la formación a lo largo de la vida.
Para dar respuesta a la estrategia de tecnología educativa,
en la dirección de materializar la concepción de integración
de las TIC asumida, el CREA ha llevado a vías de hecho las
siguientes acciones:
• Constitución en el año 2004 del Grupo de producción de
materiales educativos digitales con el objetivo de desarrollar
un área especializada para la realización de materiales
educativos basados en el uso de las TIC. El proceso de
producción de recursos educativos digitales se realiza a través
de un equipo multidisciplinario, que capacita, asesora y
apoya a los profesores en la elaboración y utilización de los
recursos, a su vez utiliza, produce y renueva de forma
permanente sus herramientas informáticas.
• Selección de la plataforma Moodle para conformar el
entorno virtual de aprendizaje de la universidad. Las ventajas
que presenta esta herramienta para la gestión del PEA en
modalidades no presenciales e incluso como apoyo a la
enseñanza presencial y la efectividad que ha demostrado a
través de su generalización en un gran número de
instituciones educativas, sumado a sus posibilidades de
actualización y mejora respaldada por una comunidad de
desarrolladores, llevó a proponerla como entorno de
formación, tanto en la formación de pregrado como en
posgrado.
• Las asignaturas, disciplinas y cursos en general, que se
incorporan a la plataforma, cuentan con un "arreglo
didáctico", resultado del proyecto para el rediseño de las
asignaturas de las carreras de ciencias técnicas a partir de
un modelo técnico pedagógico que incorpora las
TIC [10] [13].
• Creación de los Centros Virtuales de Recursos (CVR),
herramienta que aglutina comunidades virtuales de práctica
de profesores a través de un conjunto de servicios y ayudas
para apoyar los procesos docentes y de investigación. Las
funciones de los CVR son: superación de profesores,
producción de materiales educativos y difusión de
herramientas informáticas [12].
Definición operacional de la variable integración de
las TIC en el PEA
Investigaciones realizadas por especialistas que han
estudiado a profundidad la temática, reconocen la proposición
de ACOT [14] como la más elaborada sobre los niveles de
integración de las TIC por los docentes, ella plantea que los
profesores en el proceso de integración transitan a través de
cinco etapas: entrada, adopción, adaptación, apropiación e
invención. Por tener puntos de contacto con la estrategia
de tecnología educativa y la concepción que se ha venido
construyendo en el CREA, este esquema fue asumido en el
presente estudio. Para el análisis se adecuaron cada una
de las etapas a las condiciones propias del contexto de la
universidad (tabla 1).
Ariane Álvarez Álvarez - Lourdes Hernández Rabell - Juan Francisco Cabrera Ramos - Elsa Herrero Tunis
Tabla 1
Aspectos más relevantes que distinguen los niveles de integración TIC por los profesores en el PEA*
Entrada
Adopción
Adaptación
Apropiación
- Adquirir habilidades
básicas en TIC
- Se gana cultura en las
potencialidades de las TIC
- Baja frecuencia de uso
- Dominio de herramientas
TIC elementales
- Inicio del uso de las TIC en
la asignatura como
complemento y apoyo a la
clase tradicional
- Producción de materiales
- Solución de problemas
- Se definen funciones
con herramientas más
pedagógicas y
didácticas de las TIC en complejas
- Alto trabajo colaborativo
la práctica docente
- Experimentan nuevos - Explotación del
entorno virtual
métodos
- Aumenta frecuencia de -Transformación del PEA
uso
- Rediseño de medios
de enseñanza
Invención
- Generación de conocimiento
- Creación de nuevas
herramientas para cumplir
objetivos educativos
- Diseño didáctico innovador
- Sentida necesidad en el uso
sistemático
* Elaboración propia, basada en el proyecto ACOT (Apple Classroom of Tomorrow)
Se puede apreciar que las etapas a transitar, contemplan
los niveles alcanzados por el profesor en cuanto a su actividad
pedagógica, la frecuencia de uso que hace de las TIC en el
PEA, el grado de explotación y la efectividad lograda, hasta
alcanzar un uso creativo e innovador. A partir de este referente
y para el control y análisis de la variable fundamental de la
investigación: la integración de las TIC al PEA, se tuvieron
en cuenta tres dimensiones: una pedagógica, una
tecnológica y una referida a la política institucional. Cada
una de ellas fue conceptualizada según el alcance e
intencionalidad de la investigación, que está encaminada a
brindar un modelo de acompañamiento al profesor, para lograr
que la integración de las TIC tenga un efecto transformador
en el PEA.
El criterio de que fueran esas las tres dimensiones a
considerar, tiene sus antecedentes en cómo ha sido
defendida siempre la unidad entre lo pedagógico y lo
tecnológico en los modelos formativos elaborados en la
universidad, en la propia evolución y desarrollo que ha tenido
la concepción de integración de las TIC en el marco de
investigaciones realizadas en el CREA, en la estrategia
institucional de tecnología educativa asumida por más de
10 años y en cómo ha sido estudiada esta problemática en
otros países [15]. Cada una de las dimensiones se explica a
continuación.
Dimensión pedagógica: Por la importancia del papel del
profesor en los fines del estudio, la dimensión pedagógica
es considerada aquella que contempla, por una parte, la
planificación y desarrollo del proceso de enseñanzaaprendizaje desde la posición del profesor y por otra, su
actitud y preparación en función de la integración de las TIC.
Para medir el comportamiento de esta dimensión, los
indicadores se definieron con la intención de revelar lo singular
del contexto educativo en estudio, en correspondencia con
los niveles de integración asumidos:
1. La presencia de las TIC en la planificación de las clases
de la asignatura. Se detalla si es tenido en cuenta en cada
componente didáctico: en el objetivo, en el contenido a
desarrollar, en el método a emplear, en los medios de
enseñanza-aprendizaje y en la evaluación.
2. Comunicación profesor-estudiante a través de las TIC,
precisando no solo las herramientas empleadas para la
comunicación, sino también en las funciones didácticas
asignadas a esa comunicación: aclaración de dudas,
discusión de temas, realización de tareas, información del
profesor, entre otras.
3. Preparación del profesor en el uso de las TIC en la
educación, se indaga sobre su participación en acciones de
superación, su autopreparación, acciones que realiza en las
actividades metodológicas de su colectivo de asignatura y
departamento.
4. Participación del profesor en la producción de materiales
con las TIC y trabajo en equipo.
5. Uso de materiales con soporte TIC por el profesor con
diferentes fines didácticos.
6. Actitud o disposición del profesor para el uso de las TIC
en el PEA.
Dimensión tecnológica: La dimensión tecnológica fue
concebida como la fusión de la disponibilidad tecnológica
(entendida por: disponer de red, intranet, biblioteca virtual,
laboratorios de computación, herramientas para la
producción de materiales educativos digitales y de
comunicación, software) y el soporte técnico (entendido por
personal informático que apoya la labor de profesores y
personal que da mantenimiento a la tecnología) en función
de la integración de las TIC al proceso de enseñanzaaprendizaje.
Para facilitar la caracterización de esta dimensión fueron
considerados como indicadores los siguientes:
1. Infraestructura tecnológica en función de la docencia.
2. Sistemas en línea para el trabajo colaborativo en redes.
3. Software en función de la docencia, utilizados
fundamentalmente como medios de enseñanza.
4. Soporte técnico a profesores y estudiantes en el proceso
de integración de las TIC, equipos de producción de
materiales educativos, asesores en el trabajo de las
7
herramientas, sitios con ayudas para el trabajo con
herramientas TIC.
Dimensión política institucional: El estudio de esta
dimensión se pone en función de la estrategia de tecnología
educativa adoptada por la universidad para la integración de
las TIC en el PEA, desde la figura del profesor.
Para valorar su comportamiento los indicadores se
enfocaron a los siguientes aspectos:
1. Declaración de empleo de las TIC en los programas
docentes y/o planes de estudio.
2. Exigencia del uso de las TIC en el plan de resultados
del profesor.
3. Presencia de acciones asociadas a la integración de
las TIC en el PEA en el plan de actividades metodológicas
del departamento.
4. Oferta a los profesores de diferentes formas de
superación en el empleo de las TIC en la docencia.
Metodología aplicada
En esta etapa de la investigación prevalece un enfoque
descriptivo. En el proceso de elaboración de los instrumentos
se consultaron estudios validados internacionalmente
[16 - 18]. Los métodos empíricos se apoyaron en la aplicación
de instrumentos que previamente fueron sometidos a una
revisión por expertos y a la realización de una prueba piloto.
En este estudio participaron siete jefes de las comisiones
nacionales de carrera*, considerados como directivos
académicos, 69 profesores y 162 estudiantes, en su mayoría
de 3ro. y 4to. años, con representación de todas las facultades
y carreras de la universidad.
Se aplicaron como técnicas de recogida de datos:
encuestas en línea a profesores, estudiantes y directivos
académicos, para ello se empleó la herramienta Lime Survey,
que permite registrar y procesar las encuestas de forma
automática, utilizando el correo electrónico para su
distribución; revisión de documentos normativos vinculados
al desarrollo de la estrategia de tecnología educativa en la
institución; estadísticas sobre el uso de la infraestructura
tecnológica y los servicios disponibles, registros o trazas de
los accesos de estudiantes y profesores a la plataforma de
teleformación (Moodle),al sitio Web de teleclases y videos
científicos de la universidad, a los Centros Virtuales de
Recursos (CVR); y los reportes sobre el uso de los
laboratorios de computación por los estudiantes en las
diferentes áreas.
Las figuras 1 y 2 refieren preguntas contenidas en las
encuestas en línea, aplicadas a profesores, en particular para
medir la situación de los indicadores establecidos en la
dimensión política institucional y en la dimensión pedagógica.
* La Comisión Nacional de Carrera en Cuba define los planes de
estudio de cada carrera en el sistema de universidades del Ministerio de Educación Superior (MES).
8
Fig. 1. Pregunta del instrumento encuesta a profesores para
medir estado de la dimensión política institucional
Fig. 2. Pregunta del instrumento encuesta a estudiantes
vinculada a indicadores de la dimensión pedagógica
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El análisis de los resultados se discute a partir de la
situación de cada una de las dimensiones, teniendo en cuenta
el comportamiento de los indicadores desde la visión de
profesores, estudiantes y directivos académicos.
Dimensión pedagógica
El gran reto que enfrentan los docentes va más allá del
dominio de las TIC, está en adoptar nuevos métodos,
estrategias de enseñanza para guiar el aprendizaje, enseñar
a aprender. No obstante, es propio en la primera etapa de
integración de las TIC al PEA (entrada) que se reproduzcan
los modelos precedentes, arraigados en la práctica docente.
Con relación a la presencia de las TIC en la planificación
de los componentes didácticos de la asignatura, los
profesores cuando preparan las clases hacen el énfasis en
el uso de las TIC como medios de enseñanza. La presencia
de las TIC en los objetivos aunque no despreciable, se enfoca
hacia el empleo de herramientas y en menor medida a la
función mediadora de estas. La evaluación es la categoría
más desfavorecida, lo que en gran parte está condicionado
por las vías establecidas tradicionalmente para medir los
resultados de los estudiantes.
La figura 3 resume en qué medida tienen los profesores
presentes las TIC en sus clases, de acuerdo con los
componentes didácticos.
Fig. 3. Presencia de las TIC en la preparación de clases por
los profesores (%) de acuerdo con los componentes
didácticos
Al realizar el análisis en el entorno virtual, conformado por
la plataforma de teleformación Moodle, se encontraron
disponibles 180 asignaturas de las diferentes carreras que
se estudian en la institución, de las cuales se usan en la
docencia solamente un 16 %. Los profesores que aportaron
los contenidos de estos cursos, no definieron previamente
una estrategia para el uso de los mismos una vez publicados,
lo que provocó bajo nivel de interacción de los estudiantes y
profesores en el entorno virtual.
El cambio en las funciones y asesoría que desarrolla el
grupo de producción de materiales educativos digitales del
CREA ha permitido una participación más activa del profesor
con sus estudiantes en la plataforma Moodle. En un inicio la
metodología de trabajo concebía al profesor aportando los
contenidos y los técnicos se encargaban de la configuración
de la asignatura en el sitio de la plataforma. Desde el año
2009 son los profesores los que realizan esta tarea, bajo la
asesoría del grupo de producción y con el acompañamiento
de sus técnicos. Sin embargo, este aumento de la actividad
del profesor, todavía no es notable con relación a la cantidad
de asignaturas que tienen presencia en el entorno virtual y
con los niveles de interactividad a alcanzar con los
estudiantes.
No obstante, hay señales positivas con una marcada
tendencia a elevar el nivel de integración, por ejemplo, se ha
incrementado el número de profesores que investigan
alrededor de la inclusión de la plataforma en el sistema de
medios. Resultados asociados a ello son: el incremento de
tesis de maestría defendidas vinculadas al tema en el
programa académico de posgrado del CREA, ponencias en
eventos educativos relacionados con el uso de la plataforma
de teleformación como apoyo a la enseñanza en el pregrado
y un pequeño grupo de profesores innovadores que cuentan
con experiencias de buenas prácticas en la integración de
las TIC en su actividad docente.
Aunque el uso de las TIC en el PEA es un aspecto a medir
en las observaciones a clases y en los planes de resultados
de los profesores, los autores consideran necesario
establecer un grupo de indicadores más a tono con la
concepción de integración implícita en la estrategia de
tecnología educativa.
A continuación se muestran los resultados en relación
con la elaboración y uso de medios apoyados en las TIC por
los profesores.
La figura 4 representa el porcentaje de profesores que
participa en la elaboración de materiales educativos digitales
con diversos fines didácticos en el proceso de enseñanzaaprendizaje.
El mayor porcentaje de profesores participa en la
elaboración de tareas y cuestionarios con apoyo de las TIC;
31 % de los profesores elaboran multimedia; en igual medida
están los porcentajes de profesores que producen esquemas
y mapas y los que rediseñan sus cursos para trabajar en el
entorno virtual Moodle, y por último, solo un 9 % se involucra
en la producción de laboratorios virtuales. Ninguno de los
valores sobrepasa el 50 %, lo cual indica que todavía hay
una gran parte de los profesores que no acuden a la
elaboración de medios con las TIC para apoyar su trabajo
docente.
El análisis de la figura 5 evidencia que el mayor porcentaje
de profesores emplea los medios para hacer presentaciones
y demostraciones y en menor cantidad son usados aquellos
que permiten la interacción y colaboración. Es interesante
destacar que el mayor porcentaje está asociado a aquellas
funciones donde el papel del profesor es protagónico, sin
embargo, aquellas como la interacción y colaboración que
requieren una mayor participación del estudiante, son las
menos favorecidas por la selección del profesor. Este
resultado es una evidencia más en el camino que queda por
recorrer en la comprensión por el profesor de la necesidad
de potenciar el aprendizaje y el trabajo independiente del
estudiante a través de las TIC.
Es opinión de los autores que la actualización de los
programas de las asignaturas y disciplinas en los planes de
estudio, los cambios en el currículo y la ampliación de los
escenarios de aprendizaje, son palancas que impulsan el
rediseño en la práctica pedagógica con una concepción
renovadora de integración de las TIC.
9
Fig. 4. Relación de profesores (%) en la elaboración de medios
sustentados en las TIC
Fig. 5. Relación de profesores (%) en el uso de las TIC en el
PEA
Dimensión tecnológica
La disponibilidad tecnológica es reconocida en la Cujae
como el principal freno a la integración de las tecnologías en
el PEA. Investigaciones anteriores [12,19] muestran que los
profesores atribuyen la falta de integración de las TIC a la
limitada cantidad de computadoras disponibles. Ello se ratifica
en esta investigación, el 86 % de los jefes de carrera, el
62 % de profesores y el 87 % de estudiantes encuestados
manifiesta que la disponibilidad tecnológica resulta muy
insuficiente para lograr niveles altos de integración de las
TIC al PEA. Sin embargo, en opinión de los autores, esta no
es la causa fundamental, los propios objetivos educativos y
los programas docentes son los que conducen a experimentar
metodologías para enseñar con TIC y cambiar la práctica
pedagógica.
La necesidad de elev ar las prestaciones de las
computadoras disponibles es uno de los principales
reclamos. El 65 % de los profesores encuestados considera
que las computadoras no tienen los requerimientos para el
manejo de programas profesionales indicados en los planes
10
de estudio de las diferentes carreras, sin embargo, sí pudieran
ser explotadas para la interacción en plataformas de
teletormación.
Las computadoras disponibles en los laboratorios son
empleadas por el 13 % de los estudiantes fuera del horario
de clases. Sin embargo, muchos de ellos manifiestan hacerlo
con una frecuencia alta y valoran sus condiciones técnicas
y de acceso como aceptables para las actividades que
desarrollan. Si este número se contrasta con el número de
estudiantes por computadora se puede decir que hay un
grupo de estudiantes que usan las computadoras de la
institución de forma intensiva y otros que no acceden a ellas.
Evidentemente, entre los que no acceden a los laboratorios
se encuentran aquellos que cuentan con medios propios.
La plataforma de teleformación por ejemplo, estuvo
disponible en un 83,4% de las 24 h diarias durante el curso
2011-2012 según datos del sistema de continuidad de
servicios, sin embargo, los mecanismos para la creación de
cuentas de acceso y de asignación de permisos a profesores
todavía no son lo suficientemente flexibles, lo que podría ser
una de las causas para el limitado uso de este recurso. Solo
el 19 % de los profesores encuestados considera bueno el
acceso a la plataforma y menos del 25 % la utiliza.
La teleformación y en general el proceso docente en la
universidad se apoyan en el uso de un conjunto de
herramientas y servicios, a los que se accede a través de la
red. La figura 6 ilustra cómo los profesores valoran la
disponibilidad de diferentes servicios y recursos en función
de la teleformación.
Las herramientas y servicios que más se aprovechan en
función de la docencia son: el correo electrónico, internet,
los sitios públicos ftp, donde se comparte documentación
asociada a las asignaturas y los sitios web de las facultades
(intranet). Estos servicios y medios han logrado un uso
armónico, al responder a las necesidades esenciales de los
profesores de compartir información y comunicarse con sus
estudiantes, pero solo garantizan estar en un nivel de entrada
o de inicio a la adopción en la integración de las TIC en el
PEA.
Fig. 6. Apreciación por los profesores (%) de la disponibilidad
de la tecnología asociada a la teleformación
En la figura 7 se muestra la valoración de los profesores
(%) sobre las fuentes de soporte técnico que están a su
disposición para emplear las TIC en el trabajo docente.
Aunque el grupo de producción de materiales educativos
digitales dispone para los profesores de servicios de filmación
de teleclases y videos científicos, su elaboración y uso no
ha llegado a constituir una prioridad de los departamentos
docentes. Se ha constatado que este servicio es muy poco
demandado por los profesores, lo cual está asociado en gran
medida al desconocimiento del mismo.
Se observa que el mayor porcentaje de los profesores
valora altamente la ayuda y experiencia de sus colegas para
utilizar las TIC, y en menor escala el apoyo en estudiantes
aventajados.
La disponibilidad de una red de altas prestaciones, la
existencia de centros virtuales de recursos con posibilidades
de soporte a la teleformación, el grupo de producción de
materiales educativos digitales con su servicio de filmación
de teleclases y soporte a la producción de materiales
educativos digitales, el servicio de correo, el acceso de todos
los estudiantes y profesores a internet, la plataforma de
teleformación con espacio para todas las asignaturas, entre
otros, son componentes de un potencial de la infraestructura
de la Cujae que puede garantizar niveles superiores
(adaptación y apropiación) de integración de las TIC en su
PEA.
Al profundizar en el análisis de esta situación se constató
que las respuestas a los instrumentos aplicados, no toman
en consideración las computadoras personales con que
cuentan los profesores y estudiantes, ni otros equipos
portátiles que ellos pueden emplear para la formación.
Al consultar a los estudiantes sobre sus posibilidades de
acceso a la tecnología no se incluyeron sus teléfonos
inteligentes entre los medios de utilidad para el estudio. No
obstante, se abordó el tema con varios grupos y sobre ello
refieren que no son compatibles con los materiales educativos
disponibles en la red. Este tema debe ser investigado, pues
la Cujae cuenta con una infraestructura de red inalámbrica
que propicia el uso de estos medios.
Fig. 7. Valoración de los profesores (%) sobre las fuentes
empleadas como soporte técnico
Si a la disponibilidad de la infraestructura institucional se
suman los medios propios de los estudiantes y profesores,
se puede asumir que una parte no despreciable de los
mismos tienen acceso a medios para su formación a través
de las TIC, tales como teléfonos inteligentes, tabletas,
laptops, computadoras de escritorios y equipos de DVD con
puerto USB que pueden ser empleados con fines educativos.
Dimensión política institucional
La concepción de una estrategia de integración de las TIC
es una condición fundamental para lograr avances
significativos a nivel institucional. En el proyecto estratégico
de la Cujae aparece claramente definida la intención de
trabajar por la integración de las TIC. En los documentos
normativos se hace referencia tanto al uso de sistemas de
gestión para la docencia, como al empleo de los laboratorios
de tecnología educativa, explotación de la plataforma de
teleformación y plan de superación de profesores en la
aplicación de las TIC.
El 54 % de los jefes de las comisiones nacionales de
carrera, que participaron en la investigación, manifiestan que
los planes de estudio de sus carreras, poseen una estrategia
para la integración de las TIC que consideran adecuada.
El 46 % valora la presencia de las TIC en buena medida y
todos manifiestan que los medios disponibles resultan
medianamente suficientes en la carrera que representan.
La dirección de la universidad orientó desde el año 2004,
el montaje de todas las asignaturas de primero a tercer año
del plan de estudios vigente, en la plataforma de
teleformación. Actualmente se incluyen las asignaturas de
todos los años académicos y se hace énfasis en el uso que
da a estos espacios.
Alrededor del 35 % de los profesores que poseen cursos
montados en la plataforma inactivos desde su publicación,
han comenzado a retomar sus credenciales de acceso para
su gestión y a familiarizarse con las herramientas del entorno
virtual. Algunos se han incorporado al entrenamiento que
facilita el CREA para el rediseño de asignaturas y su montaje
en la plataforma Moodle. El 57 % de los profesores que han
cursado este entrenamiento en sus tres últimas ediciones,
manifiestan como su principal motivación la necesidad de
montar su asignatura y lograr un buen dominio de la
plataforma.
Sobre las vías de superación en TIC empleadas por los
profesores, el 61% de los encuestados manifiestan haber
participado en talleres, cursos y entrenamiento para la
producción de materiales. Es apreciable que un 39 % expresa
que se superan de manera autodidacta.
En los últimos cuatro años se han incorporado nuevas
vías para la superación en TIC, a partir de la publicación de
materiales para la autosuperación en la red y el fomento de
consultorías en línea. No obstante, estos servicios son poco
usados. Se ha constatado que apenas acceden a ellos un
6 % de los profesores.
11
El 42 % de los encuestados aprecian como una vía de
superación el apoyo en profesores con experiencia en el
uso de las TIC, lo que muestra una tendencia a la difusión
de las innovaciones en el colectivo docente y la promoción
de buenas prácticas.
El trabajo metodológico es abordado en este estudio como
una de las vías en que se manifiesta la política institucional.
Según el 36 % de los profesores encuestados la integración
de las TIC es abordada siempre o casi siempre en la
preparación metodológica de los departamentos docentes,
mientras el 31 % opina que ello ocurre a veces. En opinión
de los autores por la información levantada y la experiencia
en la interacción con profesores y directivos, aún la
preparación metodológica no aborda con profundidad el
impacto de las TIC en la transformación del PEA.
El trabajo metodológico en los colectivos de asignaturas
y disciplinas acerca del uso de las TIC se dirige
fundamentalmente al uso de herramientas y a la producción
de materiales educativos digitales. En la figura 8 se aprecia
que los aspectos más abordados en esta actividad son: el
uso de software profesionales, el diseño didáctico de los
materiales y en menor medida el sistema de evaluación.
Fig. 8. Valoración por los profesores (%) de los aspectos sobre
las TIC abordados en la preparación metodológica
Otro indicador valorado como parte de la dimensión política
institucional es la exigencia del uso de las TIC plasmada en
el plan de resultados de los profesores. Si bien es cierto que
se constata la presencia de este elemento en los planes,
los resultados de su materialización son formales y no
muestran una intencionalidad hacia la transformación del PEA
con las TIC.
Las acciones con el propósito de integrar las TIC
manifiestas en la política institucional, demandan mayor
seguimiento y control para alcanzar el nivel deseado. Los
autores de esta investigación valoran muy necesario una
mayor interacción entre los directivos, profesores y
estudiantes, en aras de impulsar la integración de las TIC
desde esta dimensión.
CONCLUSIONES
El estudio realizado desde las dimensiones pedagógica,
tecnológica y política institucional revela elementos distintivos
12
en la caracterización de los niveles de integración de las TIC
alcanzados por los profesores en el proceso de enseñanzaaprendizaje.
Se puede afirmar que los profesores emplean las TIC en
sus asignaturas como complemento y apoyo a la clase
tradicional, incursionan en la producción de materiales,
fundamentalmente para realizar presentaciones y diferentes
tipos de tareas, precisando sus funciones didácticas. Han
trabajado en el rediseño didáctico de sus cursos para
incorporarlo al entorno virtual con la plataforma Moodle,
apoyados por técnicos y asesores de un grupo especializado.
Hay un reconocimiento por los profesores y los directivos de
la importancia de incorporar las TIC para transformar el
proceso docente, pero esta idea está todavía más a nivel de
discurso que de actuación en la práctica pedagógica. La
integración de las TIC en el proceso de enseñanzaaprendizaje debe erigirse como una necesidad sentida por
los profesores para lograr nuevas metas en la calidad de las
acciones de enseñanza y en las habilidades a formar en los
estudiantes.
El análisis realizado a partir de los resultados de los
indicadores de cada dimensión, permite situar la variable
integración de las TIC en el proceso de enseñanzaaprendizaje en el Instituto Superior Politécnico José Antonio
Echeverría en los niveles de adopción y adaptación, según
la clasificación asumida en esta investigación (tabla 1).
La situación identificada alrededor de esta problemática,
comparte elementos semejantes con investigaciones y
estudios que se realizan en instituciones de educación
superior a nivel internacional.
Las acciones de superación en el uso de las TIC dirigidas
a los profesores, la constitución de grupos especializados
para asesorar y apoyar al profesor en la producción de
medios, la disponibilidad de herramientas y configuración
de entornos virtuales para desarrollar los procesos formativos
crean las condiciones necesarias en la dirección de lograr la
integración de las TIC, sin embargo, es evidente que todo
ello aún resulta insuficiente en la materialización de este
objetivo.
El profesor como guía y máximo responsable de la dirección
del proceso de enseñanza-aprendizaje, necesita ser
"acompañado" precisamente en el transcurso de este
proceso, cuando está poniendo en práctica las acciones que
forman parte de la estrategia para integrar las TIC en su
asignatura. El profesor requiere asesoría y apoyo de los
especialistas, intercambio y debate en el colectivo de su
asignatura sobre la implementación de nuevas propuestas,
compartir las experiencias de buenas prácticas en el uso de
las TIC de profesores innovadores, valoración de los
resultados obtenidos y evaluación de las transformaciones
ocurridas en ese proceso. A su vez todas estas acciones
deben estar relacionadas y formar parte de un sistema que
funcione como tal.
Una propuesta de modelo de acompañamiento al profesor
en la integración de las TIC en el proceso de enseñanza-
aprendizaje surge como respuesta a los resultados obtenidos
en el estudio realizado y es objeto de las posteriores acciones
de este colectivo de investigación.
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13
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Superior Politécnico José Antonio Echeverría, La Habana,
Cuba,2004.
AUTORES
Diseñadora Industrial, Profesora Asistente, Coordinadora de
Producción de Materiales Educativos, Centro de Referencia
para la Educación de Avanzada (CREA), Instituto Superior
Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba
Licenciada en Educación, Doctora en Ciencias de la Educación, Profesora Titular, Centro de Estudio de Matemática
para Ingeniería (CEMAT), Instituto Superior Politécnico José
Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba
Licenciado en Cultura Física, Doctor en Ciencias de la Educación, Profesor Auxiliar, Coordinador del Programa de Educación, CREA, Instituto Superior Politécnico José Antonio
Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba
Elsa Herrero Tunis
Licenciada en Educación, Doctora en Ciencias Pedagógicas, Profesora Titular, CREA, Instituto Superior Politécnico
José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba
A Study of the ICT Integration Dimensions in a Cuban
Technological University
Abstract
A characterization of the actual integration for the Information Technologies and the Communications
(ICT) in the teaching and learning process (TLP) at the Instituto Superior Politécnico José Antonio
Echeverría (Cujae) is presented in this report. To determine the present condition of the ICT integration
as a fundamental fact-finding variable required to establishing the levels to be considered and its
implementation with dimensions and indicators. In the levels selection, similar studies were taken
into account in different educational contexts according to the defended approach. This approach
recognizes the integration of the ICT in the TLP as a process that goes through different moments,
which are distinguished by stating a convenient progressive advance for creative transformations in
education, due to the advantages given by the ICT. Different dimensions were established for the
analysis: One pedagogic, another technological and the other one related with the institutional policies.
The application and the processing of different instruments give guidelines for a model of accompaniment
to the professor with the aim of leading the necessary integration of the ICT, in a Cuban university
institution in charge of educating engineers and architects, to higher standards.
Key words: integration of the ICT in education, education with ICT, tele education in college
14
Vol. IV, No. 3, septiembre - diciembre, 2013, pp. 15 - 21
INGENIERÍA CIVIL
Evaluación de las prestaciones de
morteros estructurales fabricados con
áridos reciclados mixtos de diferente
composición
Artículo Original
Nelson Díaz Brito
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, La Habana, Cuba
Resumen
En el presente estudio se analizan las propiedades mecánicas y de durabilidad de morteros estructurales fabricados con sustitución total de áridos naturales por áridos reciclados. Estas propiedades se
comparan con las presentadas por un mortero patrón elaborado con árido natural. Se emplearon tres
áridos reciclados de composición mixta procedentes de tipologías típicas de viviendas de La Habana
y un árido natural que posee una elevada calidad entre los que se comercializan en la ciudad. Se
utilizó una dosificación gravimétrica 1:2 para todos los morteros, con el objetivo de obtener una resistencia a compresión superior a los 40 MPa, para el posible uso de los morteros en la fabricación de
elementos de ferrocemento. Los resultados muestran que los morteros preparados con áridos reciclados poseen menores prestaciones tanto mecánicas como de durabilidad que el mortero patrón, pero
en función de la composición de los áridos estas prestaciones difieren considerablemente. Los morteros fabricados con áridos reciclados de composición cerámica mayoritaria brindaron las mejores
prestaciones, mecánicas y de durabilidad entre los morteros reciclados.
Palabras claves: áridos reciclados, residuos de construcción y demolición, morteros estructurales
Recibido: 22 de abril del 2013
INTRODUCCIÓN
En La Habana se generan aproximadamente 1000 m3
diarios de residuos de construcción y demolición (RCD) [1],
según estimados a partir de datos contabilizados por la
Oficina Nacional de Estadísticas (ONE) de Cuba. La mayor
parte de estos se depositan en vertederos comunes, lo que
provoca su contaminación e imposibilita su posterior
utilización. Esto es debido a la falta de una infraestructura
tecnológica adecuada y a deficiencias políticas en el manejo
de estos residuos.
La mayoría de los RCD sin contaminar existentes en La
Habana son de tipo mixto, debido a la ausencia de
demoliciones selectivas. Los RCD resultantes contienen
materiales de diferente naturaleza (cerámico, hormigón,
morteros, cal, yeso, etc.), que demandan el desarrollo de
aplicaciones para su tratamiento.
La construcción de viviendas con interés social, es un tema
de vital importancia en la actualidad. El déficit habitacional
existente demanda la construcción de un número
considerable de viviendas cuyo costo no puede ser elevado,
pues sería inviable económicamente. El diseño y desarrollo
de elementos de ferrocemento permite fabricar, con
consumos reducidos de materiales, elementos constructivos
para viviendas. Para la construcción de estos elementos se
necesitan morteros de altas prestaciones, que sean capaces
tanto de soportar los esfuerzos estructurales como de brindar
protección al refuerzo.
Evaluación de las prestaciones de morteros estructurales fabricados con áridos reciclados mixtos de diferente composición
Las actuales exigencias de sostenibilidad en la
construcción promueven el empleo de materiales con menor
impacto ecológico [2]. La utilización de áridos reciclados
como sustitución de áridos naturales, contribuirían no solo a
la protección de recursos naturales no renovables, sino
además con la disminución de los volúmenes de residuos
generados y un menor consumo de energía, contribuyendo
al descenso de los costes totales del sector de la
construcción [3].
Estudios anteriores han demostrado la posibilidad de
sustituir áridos naturales por áridos reciclados mixtos en
morteros de albañilería con buenos rendimientos [4], [5].
El posible uso de áridos reciclados mixtos para morteros
estructurales, potenciaría aún más el uso de RCD en el
desarrollo de elementos constructivos, contribuyendo a
la sostenibilidad de la industria de materiales del país.
Las propiedades de durabilidad de morteros estructurales
con utilización de áridos reciclados no han sido muy
estudiadas internacionalmente. Los estudios que tratan el
tema muestran que la incorporación de áridos reciclados
provoca el decrecimiento de las prestaciones de los
morteros, principalmente debido al mortero adherido a los
áridos que provoca un debilitamiento en la relación entre el
cemento y los áridos y a los mayores índices de porosidad
y absorción de los áridos reciclados [6-8].
En este estudio se estudian las propiedades mecánicas y
de durabilidad de morteros estructurales con un 100% de
sustitución de áridos naturales por áridos reciclados mixtos.
Se utilizó una dosificación gravimétrica 1:2 para la fabricación
de todos los morteros.
En la tabla 2 se muestra la nomenclatura utilizada para
cada residuo, la tipología constructiva de la que proviene,
así como el elemento mayoritario en su composición. Tal y
como se puede observar, la mayor parte de los escombros
obtenidos de cada una de las tipologías están compuestos
por los elementos de cubierta y paredes, también poseen
otros materiales como baldosas, mortero, yeso, etc., pero
en bajos porcentajes.
Los áridos reciclados se obtuvieron a partir de la trituración
de la parte gruesa (material retenido en el tamiz de 4,76mm)
de los RCD. Para la trituración se empleó una máquina de
mandíbulas de poca capacidad a escala de laboratorio. La
introducción de los materiales en la máquina se realiza de
forma manual, con lo que se evita la incorporación de
impurezas que son removidas por los operarios. Una vez
triturado el material, para la fabricación de los morteros se
utilizó la fracción que pasaba por el tamiz de 4,76 mm. La
composición química de los tres tipos de áridos reciclados
se describe en la tabla 3, fue determinada luego de la ignición
de estos a 950ºC.
Las normas cubanas NC 657: 2008 y NC 251: 2005,
establecen las propiedades a cumplir por los áridos finos
para su empleo en morteros de albañilería y hormigones. En
ellas se admite la presencia de cantidades de yeso siempre
que el contenido de SO3 no sobrepase el 1% del peso total
del árido seco. En la tabla 3 se observa que los tres áridos
reciclados cumplen con este requisito, de ahí que se toleren
los bajos índices de yeso que pueden poseer estos áridos.
Propiedades físicas de los áridos utilizados
Además de los áridos reciclados se utilizó una arena
natural (AN) procedente de la cantera Arimao ubicada en la
provincia de Cienfuegos (a unos 240 km de La Habana). Esta
arena posee muy buenas propiedades físicas comparadas
con otros áridos naturales comercializados en la ciudad, pero
la distancia a la que se encuentra la cantera es considerable.
En la figura 1 se muestra la distribución granulométrica de
los áridos utilizados.
La arena natural (AN) muestra una granulometría un tanto
discontinua, al pasar una gran parte del material por los
tamices de mayor tamaño (2,38 mm y 1,19 mm) y luego
presentar un bajo contenido de las partículas más finas
(0,297 mm y 0,149 mm). Se puede observar como todos los
áridos reciclados presentaron un mayor contenido de finos
que el natural. Entre los áridos reciclados el AR1 mostró la
mayor cantidad de partículas finas, lo que provoca un aumento
de la superficie específica y por ende una mayor necesidad
de agua, pero puede presentar la ventaja de poseer una mejor
matriz de áridos con menor espacio entre partículas.
MATERIALES Y MÉTODOS
Cemento
Se utilizó un cemento Portland P-35 con un peso específico
de 3,12 g/cm3 (determinado según lo descrito en la norma
cubana NC 523: 2007), superficie específica de 3089 g/cm2
(determinado a través del permeabilímetro de Blaine) y
resistencia a compresión de 35 MPa a los 28 días. El
cemento proviene de la fábrica René Arcay del Mariel, ubicada
en la provincia de Artemisa, aledaña a La Habana. Esta fábrica
es la principal abastecedora de cemento de La Habana. En
la tabla 1 se muestra la composición química del cemento.
Producción y composición de los áridos reciclados
Para este estudio se utilizaron 3 áridos reciclados
procedentes de dif erentes fuentes de residuos de
construcción y demolición (RCD). Todas las fuentes de RCD
eran de composición mixta. Las composiciones de los RCD
responden a las tipologías de viviendas comunes existentes
en La Habana.
Tabla 1
C om posición química del cem ento
F e 2O 3
C P -350
16
2,74
M nO
0,05
TiO 2
0,29
C aO
61,11
K 2O
0,79
P 2O 5
0,14
S iO 2
21,34
A l2 O 3
5,89
M gO
1,68
Na 2 O
0,50
Iván Martínez Herrera - Elier Pavón de la Fé - Nelson Díaz Brito
Tabla 2
C aracterísticas de los RC D
Tipología constructiva de la
vivienda
C omposición
fundamental
Nomenclatura
del árido
reciclado
obtenido
RC D -1
C ubierta de tejas cerámicas
y paredes de mampuesto
El residuo obtenido es
mayormente cerámico
Mayoritariamente
cerámico
A R1
RC D -2
C ubierta de hormigón
armado y paredes de
ladrillos cerámicos
Mayoritariamente
mortero y
cerámica
AR2
RC D -3
C ubierta de hormigón
armado y paredes de
bloques de hormigón
P rincipalmente
hormigón
AR3
Nomenclatura
Ta bla 3
C o m p o sició n q uím ica d e los á rido s re ciclad o s
F e 2O 3
M nO
TiO 2
C aO
K 2O
P 2O 5
S iO 2
A l2 O 3
MgO
Na 2 O
S O3
A R1
4 ,9 3
0 ,08
0 ,3 8
2 6,0 9
0 ,83
0 ,0 8
4 7 ,4 3
1 3 ,2 9
3 ,8 2
2,2 1
0,0 8
A R2
2 ,11
0 ,04
0 ,2 2
4 6,4 7
0 ,43
0 ,1
1 6 ,6 1
4 ,9 3
1 ,54
0,2 9
0,3 1
A R3
1,7 1
0 ,08
0 ,1 7
6 5,3 0
0 ,37
0 ,1
1 3 ,2 4
3 ,4 2
5 ,7 7
0,2
0,0 1
La tabla 4 muestra las propiedades físicas de los áridos
naturales y reciclados utilizados. Para la determinación de
la densidad y la absorción de agua se siguió lo descrito en
la norma cubana NC 177: 2002. Se empleó la norma
NC 181: 2002 para la determinación del peso unitario suelto
y la NC 182: 2002 para determinar el porcentaje de material
que pasa por el tamiz no. 200 (< 0,074 mm).
Como se puede observar en la tabla 4, la absorción de
agua de los áridos reciclados es mayor que la del árido
natural, de la misma manera, la densidad de los reciclados
es menor que la de la arena natural, este fenómeno ya se
había verificado en otras investigaciones [4], [9], [10].
Aunque la arena AN presenta un módulo de finura
comparable al de los áridos reciclados, la cantidad de finos
(material que pasa por el tamiz 0,074 mm) es solo del 1%,
siendo menor que la de los áridos reciclados. Para áridos
reciclados este material fino está compuesto principalmente
por arcilla, por lo que debe prestarse atención a este valor y
no admitir porcentajes elevados (NC 251: 2005).
Tabla 4
Propiedades físicas de los áridos estudiados
Fig. 1. Distribución granulométrica de los áridos estudiados
Propiedades
AN
AR1
AR2
AR3
Densidad (kg/dm3)
2,6
2,13
2,1
2,11
Absorción de agua (%)
1,3
4,71
6,79
6,27
Peso unitario suelto (kg/dm3) 1,48
1,25
1,16
1,29
Módulo de finura
2,93
2,78
2,94
3,12
Material más fino que el
tamiz de 0,074 mm (%)
1
13
11,3
8
Revista Cubana de Ingeniería . Vol. IV, No. 3, septiembre - diciembre, 2013, pp.15 - 21, ISSN 2223 -1781
17
Fabricación de los morteros
La norma cubana NC 656:2008, establece las dosificaciones
y especificaciones para morteros estructurales. Para morteros
tipo III-2 (arena pasada por tamiz de 4,76 mm y 45 MPa de
resistencia a compresión a los 28 días), se propone una
dosificación volumétrica 1:2 (cemento: aridos). La norma exige
una fluidez de 190±5mm (medido en la mesa de sacudidas).
Para este estudio, se utilizó una dosificación gravimétrica
1:2, pues la diferencia en el peso unitario suelto existente
entre los áridos reciclados y los naturales, provocaría en
caso de dosificar por volumen, que los contenidos de
cemento fueran diferentes entre los morteros con respecto
al peso de total de materiales. Además, para la elaboración
de piezas prefabricadas es viable la utilización de
dosificaciones gravimétricas.
En esta investigación se utiliza una fluidez de 210±5mm,
buscando un mortero más fluido que el fijado por la norma,
con el objetivo de lograr una adecuada compactación con
una menor energía. La relación agua/cemento (a/c) utilizada
fue la mínima posible para cada mortero, alcanzándose la
f luidez deseada con la uti lización de un adit iv o
superfluidificante de base acrílica con retardo de fraguado
(Dynamón SRC 20).
Se confeccionaron probetas prismáticas de 40x40x160
mm para la determinación de las propiedades en estado
endurecido de los morteros, excepto para la retracción que
se utilizaron probetas de 25x25x180 mm. Se emplearon tres
probetas para la medición de cada propiedad, excepto la
resistencia a compresión donde se realizaron 6 mediciones
a partir de las tres probetas analizadas a flexión. Se
confeccionaron 12 probetas de 40x40x160 mm para cada
dosificación propuesta.
Todas las probetas de mortero se desencofraron a las
24 h y se curaron sumergidas en agua hasta la edad de
ensayo. La selección de las probetas para la realización de
los ensayos se realizó de forma aleatoria.
Ensayos realizados
Los morteros se trabajaron con una fluidez constante de
210±5 mm. En todos los morteros se determinó la capacidad
de retención de agua de acuerdo a la norma NC 169: 2002,
para ello se utilizó un molde cilíndrico de 100 mm de diámetro
y 25 mm de profundidad. Mediante este ensayo, el mortero
fresco se somete a un tratamiento de succión empleando
un papel de filtro especificado como substrato y se determina
la capacidad de retención de agua de los morteros según la
cantidad de agua absorbida por los papeles de filtro.
Ta b la 5
C a ra c te rís ti c a s d e lo s m o rte ro s e s tru c tu ra le s
A todos los morteros fabricados se les determinó las
propiedades mecánicas de resistencia a flexión y resistencia
a compresión de acuerdo con la norma NC 173: 2002. Se
detectaron las propiedades de durabilidad; capacidad de la
absorción capilar según lo establecido en la norma NC 171:
2002, la retracción por secado al aire, siguiendo la norma
C490/C490M-11 y la resistividad eléctrica.
La medición de la resistividad eléctrica en morteros no
está normalizada en Cuba. Su medición se realizó sobre
probetas a la edad de 28 días con iguales condiciones de
fabricación y curado que las empleadas para la flexión y
compresión.
Para la determinación de la retracción, se confeccionaron
probetas prismáticas de 25x25x280mm. A 24 h de
hormigonadas se desencofraron las probetas y se
mantuvieron en un ambiente con 85±5% de humedad relativa
y 24±5C de temperatura, midiéndose las variaciones de
longitud durante 90 días.
Retención de agua
La norma cubana NC 656: 2008 recomienda un valor mínimo
de retención de agua del 85 %. En la tabla 6 se muestran
los valores de retención de agua obtenidos por los morteros
estudiados.
Se puede observar que todos los morteros cumplieron con
el valor de retención de agua establecido por la norma cubana.
Las diferencias entre los morteros reciclados fueron mínimas.
El alto contenido de finos que presentaban los áridos
reciclados favoreció el buen desempeño de esta propiedad.
El mortero patrón (MEP) mostró los menores índices de
retención, esto se debe al bajo contenido de finos que posee
la arena natural (AN), como se observa en la figura 1.
Resistencia a flexión y compresión
Según la NC 656: 2008, para morteros tipo III-2, se exige
un valor mínimo de resistencia a compresión de 45 MPa a
los 28 días. Aunque las dosificaciones del presente trabajo
se realizaron gravimétricamente, se tomará dicho valor como
referencia.
La tabla 7 muestra la resistencia a flexión y a compresión
de los morteros fabricados. Se puede observar que solo el
mortero patrón y uno de los morteros reciclados (MER-1)
alcanzaron la resistencia mínima exigida por la norma
cubana.
Ta b la 6
P ro p ie d a d e s d e lo s m o rte ro s e n e sta d o fre s c o
D o s ifi c a c i ó n
vo lu m é tric a
Á ri d o
a /c
A d i ti vo
(% )
M o rte ro s
F luid e z (m m )
R e te nc ió n d e a g ua (% )
MEP
1 :2
AN
0 ,4 3
0 ,3
MEP
219
9 0 ,7
M E R -1
1 :2
AR1
0 ,5 8
0 ,7
M E R-1
223
9 5 ,4
M E R -2
1 :2
AR2
0 ,5 2
0 ,6
M E R -2
216
9 4 ,9
M E R -3
1 :2
AR3
0 ,5 0
0 ,6
M E R -3
225
9 4 ,6
N o m e nc la tu ra
18
En la figura 2 se muestran los valores de resistencia a
compresión y el rango de su dispersión. Se puede destacar
que el mortero fabricado con el árido reciclado AR1 obtuvo
valores de resistencia próximos al valor fijado por la norma
cubana (45MPa) para morteros 1:2 dosif icados
volumétricamente. El resto de los morteros reciclados
analizados se alejaron más de este resultado, pero obtuvieron
valores en el entorno de los 40 MPa, resistencia considerable
para valorar su utilización en diferentes aplicaciones, como
elementos prefabricados de ferrocemento. La mayor relación
a/c que presentan los morteros reciclados es uno de los
factores determinantes en las menores prestaciones de
resistencia a compresión alcanzadas por estos en
comparación con el de árido natural.
Estudios anteriores han alcanzado resultados similares,
en Corinaldesi y Moriconi [11], se emplearon áridos
reciclados provenientes de un único material, reportándose
un decrecimiento de las prestaciones mecánicas con
respecto a un mortero convencional, pero con valores
aceptables teniendo en cuenta la necesidad de la
reutilización de los RCD.
Absorción capilar
Para todos los morteros analizados en este estudio, los
índices de absorción capilar son bajos. El mortero patrón,
como se observa en la figura 3, presentó los menores valores.
Los poros capilares son creados por la evaporación del agua
libre existente dentro de la pasta del mortero. En general,
los morteros fabricados con árido reciclado requirieron mayor
cantidad de agua para alcanzar valores aceptables de fluidez,
lo que provoca la aparición de mayor cantidad de poros
capilares y como consecuencia el aumento de la capacidad
de absorción capilar.
Resistividad
En la tabla 7 se muestran los valores de resistividad
obtenidos por cada uno de los morteros estudiados. Los
morteros fabricados con árido AR1 presentaron los índices
más elevado de esta propiedad.
La composición del árido AR1, al ser mayoritariamente
cerámico (tabla 4), provocó este comportamiento. Resulta
interesante tener en cuenta este desempeño, porque en
elementos de ferrocemento fabricados con áridos de
composición similar al estudiado, brindaría una buena
protección al refuerzo del elemento.
Tabla 7
Propiedades mecánicas y de durabilidad de los morteros estructurales
Morteros
Resistencia a
flexión (MPa)
Resistencia a
compresión
(MPa)
Absorción
capilar a 7
días (g/cm 2 )
Retracción a
90 días (%)
Resistividad
(k  - cm)
MEP
7,3
49,6
0,22
-0,084
48,1
MER-1
7,7
44,33
0,29
-0,138
55,9
ME R-2
4,1
39,1
0,31
-0,167
28,8
ME R-3
7
42,2
0,41
0,141
24,1
Fig. 2. Resistencia a compresión a 28 días de los morteros,
valor mínimo, máximo y promedio
Fig. 3. Absorción capilar de los morteros a la edad de 28 días
19
Los morteros MER-2 y MER-3 presentaron valores bajos
de resistividad si se comparan tanto con el mortero patrón
como con el mortero reciclado MER-1. La mayor porosidad
que presentan los áridos reciclados unido a la mayor relación
a/c que demandan los morteros reciclados provoca este
comportamiento. Solo el mortero reciclado MER-1 por la
composición propia del árido AR1 no presenta índices
similares.
Retracción
La retracción fue mayor en los morteros preparado con
áridos reciclados que para el mortero fabricado con árido
natural (figura 5). Los resultados obtenidos por Miranda y
Selmo [12] guardan relación con estos resultados,
sin embargo, definieron que la alta presencia de material
fino (<75µm) era el principal factor que afectaba esta
propiedad; en dicho estudio no se muestra este
comportamiento, pues el mortero reciclado con mayor
contenido de material fino (MER-1) presentó el menor valor
de retracción entre todos los morteros reciclados.
Fig. 4. Retracción de los morteros estudiados
CONCLUSIONES
Las prestaciones tanto mecánicas como de durabilidad
de los morteros estructurales, con sustitución total de árido
natural por reciclado, decrecen de manera general, con
respecto a las de un mortero patrón fabricado con áridos
naturales.
La composición de los áridos reciclados tiene influencia
sobre las propiedades de los morteros, el árido reciclado
que poseía una composición mayoritaria de material cerámico
dio como resultado el mortero con mejores prestaciones, a
pesar de necesitar una relación a/c ligeramente superior que
el resto de los morteros reciclados.
Los morteros reciclados de menores resistencias
mecánicas, alcanzaron valores de compresión en el entorno
de los 40 MPa, valor considerable teniendo en cuenta el
hecho que los áridos reciclados empleados son de tipo mixto.
20
El mortero fabricado con áridos de composición cerámica
mayoritaria alcanzó los valores de resistividad más elevados,
superiores incluso al mortero patrón, lo que puede favorecer
la protección de armaduras de refuerzo en elementos
armados de ferrocemento o similares.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean agradecer a la Agencia Española
de Cooperación Internacional para el Desarrollo (AECID,
al Ministerio de Asuntos Exteriores y de Cooperación)
por la financiación aportada al proyecto que da origen al
presente trabajo. Igualmente, quisieran reconocer la
contribución brindada por el personal del Laboratorio de
Materiales de Construcción del Centro de Estudios de
Construcción y Arquitectura Tropical (CECAT) y del Centro
de Servicios Técnicos de Ingeniería y Tecnología de la
Construcción (CITEC).
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materials finer than 75 lm on mortar properties".
Construction and Building Materials. 2006, vol. 20,
pp. 615-624. ISSN: 0950-0618.
AUTORES
Ingeniero Civil, Instructor, Departamento de Ingeniería Civil,
Facultad de Ingeniería Civil, Instituto Superior Politécnico José
Ingeniero Civil, Máster en Ciencias, Asistente, Facultad de
Ingeniería Civil, Instituto Superior Politécnico José Antonio
Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba
Nelson Díaz Brito
Ingeniero Civil, Máster en Ciencias, Profesor Auxiliar, Facultad de Ingeniería Civil, Instituto Superior Politécnico José
Evaluation of Structural Mortars Made with Mixed Recycled
Aggregates with Different Composition
Abstract
In the present study are analyzed the mechanical and durability properties of structural mortars made
with total replacement of natural aggregates by recycled aggregates. These properties are compared
with those provided by a standard mortar made with natural aggregate. Three different compositions of
mixed recycled aggregates from typical housing typologies of Havana and a natural aggregate which
has high quality were used. A 1:2 gravimetric mix proportion for all mortars was used, in order to obtain
a compressive strength above 40 MPa. The results show mortars containing recycled aggregates have
lower mechanical and durability performances than standard mortar, but depending on the composition
of aggregate these benefits differ considerably. The mortars containing recycled aggregates with a
majority ceramic composition gave the best mechanical and durability performances among the recycled
mortars.
key words:recycled aggregates, construction and demolition waste, structural mortars
21
INGENIERÍA GEOFÍSICA
Nuevas tendencias de la exploración
sísmica
Artículo de Reflexión
Emilio Ricardo Escartin Sauleda
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana Cuba
Centro de Investigaciones del Petróleo, La Habana, Cuba
Resumen
El presente artículo es resultado de un trabajo de investigación bibliográfica realizado por los grupos
de investigación GEOPET y GEOMAT del Departamento de Geociencias del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae, a fin de dar respuesta a una reciente propuesta de temas de
colaboración formulada por la Unión Cubapetróleo (CUPET) en el ámbito de las relaciones tradicionales existentes entre las instituciones citadas; el trabajo a la vez persiguió el propósito de actualizar
información con vistas a la impartición de la asignatura Métodos sísmicos para la prospección y
exploración de hidrocarburos que se imparte por los autores de este articulo en el cuarto año de la
carrera de Ingeniería Geofísica en la Facultad de Ingeniería Civil de la Cujae. El tema objeto de
investigación se enfocó en las nuevas posibilidades tecnológicas del método sísmico de exploración
a escala internacional, en especial en lo concerniente a la etapa de explotación de los yacimientos de
petróleo y gas y a la exploración de depósitos de gas no convencional, aspectos a los cuales se
dedica esta publicación.
Palabras claves: exploración, explotación, sísmica, petróleo, gas
Recibido: 2 de agosto del 2013
Aprobado: 1 de septiembre del 2013
INTRODUCCIÓN
Como es conocido, el empleo gradualmente creciente de
los hidrocarburos fósiles con fines energéticos comenzó en
los albores del pasado siglo XX. Desde entonces, los métodos
geofísicos y en especial los sísmicos, han constituido la
herramienta fundamental en la prospección petrolera. Desde
el año 1914 en que fue patentado el sismógrafo mecánico
por L. Mintrop, extraordinario ha sido el desarrollo de esta
técnica hasta el momento presente. En la tabla 1 se recogen
en forma sintetizada algunos de los hitos principales que
han marcado el desarrollo de la sísmica durante el siglo XX.
En numerosas publicaciones de Geofísica Aplicada se
exponen con amplitud los fundamentos teóricos y los
aspectos prácticos esenciales relativos al método sísmico
de reflexión [1].
Este método tiene una relevante importancia en el
contexto de la Geofísica Aplicada ya que tradicionalmente
el mismo ha ocupado y sigue ocupando el liderazgo mundial
en la exploración petrolera.
Adicionalmente, desde hace algunos años, también la
sísmica de reflexión viene desempeñando un importante rol
en la evaluación y el desarrollo de campos petroleros (sísmica
Nuevas tendencias de la exploración sísmica
de explotación de reservorios); la experiencia indica que en
la medida que se obtienen nuevos datos sísmicos 3D en el
entorno de los yacimientos o se procesan los disponibles
con nuevos software de elaboración, con frecuencia se logran
refinar sus modelos geológicos lo que incide en el
establecimiento de políticas más acertadas de explotación
de dichos yacimientos.
Año
Logro alcanzado
1914
Sismógrafo mecánico de L. Mintrop
1917
Es patentado el método sísmico de prospección
1923
Empleo del método de refracción en Méjico y en
Texas (USA)
1931
Realización de perfilajes de refracción
1933
Empleo de agrupamientos de geófonos/canal
El presente artículo es resultado de un trabajo de
investigación bibliográfica realizado por los grupos de
investigaciones GEOPET y GEOMAT del Departamento de
Geociencias del Instituto Superior Politécnico José Antonio
Echeverría, Cujae a fin de dar respuesta a una reciente
propuesta de temas de colaboración formulada por la Unión
Cubapetróleo (CUPET) en el ámbito de las relaciones
tradicionales existentes entre las instituciones citadas; el
trabajo a la vez persiguió el objetivo de actualizar información
con vistas a la impartición de la asignatura Métodos sísmicos
para la prospección y exploración de hidrocarburos, que se
imparte por los autores en el cuarto año de la carrera de
Ingeniería Geofísica en la Facultad de Ingeniería Civil de la
Cujae y de reflexionar sobre las aparentes tendencias de
desarrollo futuro de este método geofísico. El tema objeto
de investigación se enfocó en las nuevas posibilidades
tecnológicas del método sísmico de exploración a escala
internacional, en especial en lo concerniente a la etapa de
explotación de los yacimientos de petróleo y gas, y a la
exploración de depósitos de gas no convencional, aspectos
a los cuales está dedicada la presente publicación.
1936
Aparición del método de recepción dirigida
regulada y de la registración sísmica reproducible
EXPLORACIÓN SÍSMICA MODERNA
1942
Aparición de los cortes de tiempos
1944
Realización del primer volumen apreciable de
observaciones en el mar
1950
Aparición de primeros indicios del surgimiento del
método del punto de reflexión común
1952
Registración analógica en cinta magnética
1953
Aparición de los primeros registros con el
Vibroseis
1954
Empleo del carotaje acústico
Tabla 1
Principales etapas de desarrollo del método sísmico de
prospección [1] (modificado de Sheriff R.E. et al., 1995)
1961-1962 Empleo de la deconvolución de señales sísmicas
1965
Empleo de fuentes neumáticas de excitación
1972
Aparición del método del punto brillante
1974
Registración en forma digital de las señales
sísmicas
1975
Aparición de la sismoestratigrafía
1976
Introducción de la sísmica 3D
Décadas
80-90
Desarrollo de modernos hardware y software para
el procesamiento y la interpretación. Métodos de
búsqueda directa de hidrocarburos
2000
hasta el
presente
Sísmica de yacimientos. Sísmica para la
exploración de gases no convencionales
24
Como es conocido, los métodos sísmicos se basan en el
estudio de la propagación a través del medio geológico de
ondas elásticas excitadas artificialmente mediante
explosiones, golpes en el suelo, vibraciones, etc. Al penetrar
estas ondas en las profundidades del subsuelo, las mismas
encuentran en su recorrido diferentes fronteras de
discontinuidad de las velocidades de propagación de estas
a través del medio y/o de las densidades que las caracterizan,
las que generalmente coinciden con distintos tipos de
fronteras geológicas. Cuando esta situación tiene lugar, ocurre
que una parte de la energía de la onda original retorna a la
superficie del terreno en forma de ondas reflejadas (o
refractadas) las que son susceptibles de ser registradas en
esta mediante dispositivos especiales denominados geófonos
(o hidrófonos en el caso de los trabajos marinos).
Estos sensores son colocados a lo largo de líneas
generalmente rectilíneas (perfiles) espaciadas entre sí a
distancias que oscilan entre varios kilómetros (sísmica 2D)
y decenas de metros (sísmica 3D) y los mismos son
conectados a equipos especiales (estaciones sísmicas o
sismógrafos), los que permiten obtener sismogramas, es
decir, registros del movimiento del terreno (figuras 1 y 2).
Al analizar los sismogramas, habitualmente es posible
evaluar entre otros atributos, el tiempo de recorrido de las
ondas, o sea, el intervalo transcurrido entre los instantes de
excitación y de arribo de las mismas a la superficie; a partir
de esto, pueden ser calculados diferentes datos de mucha
utilidad tales como las velocidades de propagación de las
ondas longitudinales (Vp) y/o transversales (Vs) a través de
los estratos del subsuelo, sus profundidades de yacencia,
etc., lo que permite lograr la visualización de estos.
Guillermo Miró Pagés - Emilio Ricardo Escartin Sauleda - Hilda Esther Amador Longoria
Las etapas principales de la exploración sísmica petrolera
moderna mediante el MPRC son:
1. Adquisición de los datos sísmicos.
2. Procesamiento de la información.
3. Interpretación geológica.
En la monografía [3] se incluye el artículo titulado "La
sísmica de reflexión petrolera a inicios del nuevo milenio:
estado del arte", en el que se expone una descripción de las
etapas anteriormente referidas en el campo de la búsqueda
de nuevas trampas estructurales y estratigráficas en el
momento actual.
A continuación se hará referencia a algunas de las
aplicaciones más actuales de los métodos de exploración
sísmica en la esfera de la explotación de los yacimientos
conocidos y de la prospección de gases a escala
internacional.
Fig. 1. Principios de trabajo de la exploración sísmica [2]
Fig. 2. Imagen de dos líneas para exploración 2D y de una
malla densa 3D de perfiles [2]
Actualmente, la exploración sísmica con fines petroleros
a nivel mundial, se realiza principalmente mediante el
método del punto de reflexión común (MPRC), también
conocido como método del punto medio común (MCMP por
sus iniciales en idioma inglés), el que permite obtener
información ondulatoria redundante de las fronteras
reflectoras objeto de estudio y cuyo adecuado procesamiento
posibilita generalmente incrementar la resolución de las
imágenes y reforzar el efecto de las señales útiles en
detrimento de los ruidos.
Esta técnica, que ha probado ampliamente su efectividad
a lo largo de decenios, es responsable de la gran mayoría
de los hallazgos de trampas petroleras en todo el mundo,
gracias a la visualización que propicia de estas.
Hacia finales del pasado siglo, las perforaciones
confirmaron no menos del 70 % de las estructuras
pronosticadas por la sísmica en el subsuelo, aunque debe
significarse que aún la mayoría de las que son perforadas,
carecen de interés petrolero, lo que entraña un permanente
reto para este método.
APLICACIÓN DE LA SÍSMICA A LA
EXPLOTACIÓN DE LOS YACIMIENTOS
PETROLÍFEROS
Entre los logros tecnológicos en el campo de la sísmica
que más han propiciado el aumento de su capacidad
informativa en los últimos años, se destacan aspectos tales
como la introducción del registro, procesamiento e
interpretación digital de los datos, las tecnologías de
adquisición 3D, la sísmica de pozos, el registro
multicomponente, las técnicas de atributos, adopción de
nuevos paradigmas de trabajo con la aplicación de
tecnologías de visualización mediante realidad virtual
inmersiva, etc. [1, 4 - 8], todos los cuales han coadyuvado a
que el método sísmico haya alcanzado nuevas posibilidades
de exploración, que resultaban imposibles de predecir en un
pasado reciente.
Inicialmente, la aplicación de la sísmica se concentró en la
exploración, etapa que hoy continúa constituyendo un
importante campo de su aplicación. Sin embargo, actualmente,
en relación a la necesidad de incrementar los índices de
explotación de los yacimientos conocidos por la declinación
observada en la tendencia de nuevos hallazgos, este método
alcanza también un importante protagonismo en diversas
facetas del estudio de los yacimientos lo que es reportado por
distintas fuentes [9].
Es conocido que los ingenieros petroleros necesitan contar
con modelos confiables sobre los yacimientos petrolíferos
que explotan a fin de tomar decisiones acertadas para la
producción y el desarrollo de estos. Frecuentemente
necesitan respuestas a interrogantes que los geofísicos
pueden ayudar a aclarar, tales como: ¿Cuál es el volumen
de porosidades en las rocas? ¿Cuál es el grado de
interconexión entre los poros (permeabilidades)? ¿Cuáles
son los tipos de fluidos confinados en el reservorio? ¿Cuál
es el régimen de energía/presión que puede propiciar el fluido
de los hidrocarburos? ¿Cuál es la geometría de las capas
de rocas porosas e interconectadas? ¿Existen barreras al
flujo de fluidos (fallas sellantes, barreras estratigráficas, etc.)?
25
Los siguientes métodos pueden ayudar al esclarecimiento
de estas incertidumbres:
• Sísmica, gravimetría y otros datos geólogo-geofísicos
de superficie.
• Perfilaje sísmico vertical (conocido generalmente como
VSP por sus iniciales en idioma inglés), tomografía entre
pozos, carotaje acústico y otros datos geofísicos de pozos.
• Muestras de núcleos tomadas en los pozos del
yacimiento.
• Datos de producción y del régimen de presiones del
yacimiento.
En lo referente a la sísmica, hay que resaltar la relevante
contribución de los llamados atributos en la visualización de
las anomalías de interés. Según la definición que se ha dado
en [10] : " Por atributo se entiende cualquier información
derivada de los datos sísmicos obtenida bien a partir de
mediciones directas, por la lógica o la experiencia basada
en el razonamiento".
Un atributo no es más que una magnitud sísmica
directamente medida o derivada de una medición. Todos los
atributos de horizontes y de formaciones resultan en realidad
interdependientes, siendo cada uno de los diferentes
atributos, portadores de información de interés. Esta
información suele ser revelada mediante la adecuada
visualización del atributo.
Generalmente se considera que los atributos básicos
caracterizan: tiempos de recorrido, amplitudes, velocidades,
frecuencias, polaridad, atenuación de la ondícula y
coherencia entre trazas.
En el artículo [7] su autor plantea importantes
consideraciones acerca del uso y abuso que se le ha dado
en los últimos años a los atributos, alertando que aunque
las computadoras son magníficas herramientas, las
respuestas exploratorias todavía solo pueden ser halladas
en la mente de los hombres.
Las investigaciones geofísicas dedicadas al estudio de los
yacimientos, en las que son ampliamente empleadas las
técnicas de atributos referidas anteriormente, han sido
agrupadas en la llamada geofísica de reservorios [1] la que
ha sido subdividida en tres vertientes:
• Geofísica para la delimitación de los reservorios:
consiste en el empleo de la sísmica para precisar los límites
del reservorio y localizar fallas y otras "barreras" al flujo de
los fluidos.
En [11] se muestran siete casos históricos sobre la
aplicación de sísmica 3D y dos sobre la aplicación del VSP
para la delimitación de yacimientos y se reporta el logro de
la reanimación de la producción de un campo petrolero que
aparentemente estaba agotado, como resultado de una mejor
estrategia de explotación trazada sobre la base de la
información que aportó un nuevo levantamiento sísmico 3D
realizado en el área.
• Geofísica para la descripción de los reservorios:
presupone el empleo de la sísmica para ayudar a esclarecer
importantes características internas de un campo, tales
como los espesores netos de las formaciones del reservorio
y de las zonas no porosas, las porosidades asociadas a las
distintas litologías, los coeficientes de Poissón, etcétera.
26
Uno de los parámetros de mayor interés es generalmente
la permeabilidad; la cual, la mayoría de las veces, puede ser
medida únicamente en los núcleos de pozos por lo que su
muestreo resulta insuficiente. Sin embargo, según evidencia
la experiencia [11] la permeabilidad es groseramente
proporcional a la porosidad, la que a su vez puede ser inferida
a partir de las amplitudes y/o de las velocidades sísmicas.
• Geofísica para el servicio a la explotación de los
reservorios: implica la utilización de datos sísmicos
adquiridos repetidamente una vez transcurridos ciertos lapsos
de tiempo (técnica conocida como sísmica 4D), para el
monitoreo del movimiento de los fluidos en los yacimientos
en el marco de los procesos de recuperación secundaria.
Los atributos generalmente valorados con este fin son las
amplitudes y las velocidades ya que con frecuencia el gas,
el petróleo y el agua que rellenan los poros de las rocas
influyen en los valores de las velocidades y de las densidades
y por lo tanto se expresan en variaciones de los contrastes
de reflectividad con las formaciones adyacentes, que se
manifiestan a su vez en los datos sísmicos con el decursar
del tiempo.
En diversas publicaciones se aborda el papel actual del
método sísmico y la amplia gama de tareas que resuelve
tanto en la exploración como en el estudio de los campos
petroleros y los positivos impactos que esto acarrea.
• En el artículo referido en [12], por ejemplo, se tratan
interesantes experiencias sobre este tema concluyéndose
que "...los datos sísmicos pueden incrementar el valor de
los activos en todas las etapas de la vida productiva del
yacimiento". Durante la etapa de evaluación, los ingenieros
de perforación se apoyan en modelos tridimensionales
geomecánicos y de presión basados sobre datos sísmicos
para predecir la posible ubicación de sitios riesgosos del
subsuelo, tales como zonas de flujo aguas subterráneas, de
altas presiones de poros, etcétera.
Durante la etapa de desarrollo se confeccionan mapas de
las propiedades de los yacimientos en los intervalos entre
pozos, utilizando datos sísmicos calibrados con información
de estos. Posteriormente los grupos de producción emplean
levantamientos de sísmica 4D para detectar eventuales
cambios de saturación y de presión acaecidos con el decursar
del tiempo, a fin de lograr un mejor emplazamiento de nuevos
"pozos de relleno" y de prolongar la vida productiva del
yacimiento.
En otros trabajos de publicación más reciente [13 -16] se
exponen ejemplos de aplicaciones combinadas de la sísmica,
la geofísica de pozos y la petrofísica al estudio de
yacimientos, lo que tiene también una gran actualidad.
APLICACIÓN DE LA SÍSMICA
A LA EXPLORACIÓN Y EXPLOTACIÓN
DE YACIMIENTOS DE GAS
Desde su surgimiento, el método sísmico de prospección
concentró su atención en la búsqueda de petróleo;
actualmente, junto a esta misión, la sísmica presta también
una importante prioridad a la prospección de gases, la que
adquiere creciente relevancia en el presente cuando los
yacimientos petroleros parecen comenzar a declinar en
muchas regiones del mundo y atendiendo también al efecto
menos nocivo sobre el medio ambiente de la explotación de
estos con relación a la del petróleo. Hoy son publicados
numerosos artículos que destacan la importancia perspectiva
de esta f uente por sus impactos energéticos y
medioambientales [17].
Antes de valorar las posibilidades existentes de detectar
los gases naturales acumulados en el subsuelo, es menester
referirse brevemente a la naturaleza de estos [18].
Al parecer, no existe una explicación única acerca de cómo
se forman los gases naturales. La mayoría de los yacimientos
en que ellos se encuentran han sido descubiertos en cuencas
sedimentarias y su génesis ha estado asociada a la
deposición y posterior transformación a altas temperaturas
de materia orgánica (gas termogénico), lo que ha dado lugar
a la formación de aquellos. Sin embargo, según se
reporta [19], estos también pueden formarse a partir de otros
procesos de transformación anaerobia de materia orgánica
por diversas bacterias, a temperaturas relativamente bajas
(gas biogénico) y a partir de compuestos de carbón sometidos
a altas presiones y temperaturas.
Actualmente, en la literatura técnica especializada, se
diferencian los gases convencionales de los que no lo son;
estos últimos se asocian con los gases naturales que se
encuentran contenidos en formaciones rocosas "de difícil
producción", es decir, que requieren técnicas de estimulación
especiales para extraer este recurso. Los gases naturales
asociados a yacimientos de carbón, a arenas compactas,
a formaciones de esquistos y a hidratos en los fondos
marinos, son todos ejemplos de gases no convencionales [20].
El trabajo "Sistemas petroleros no convencionales" [21]
constituye una abarcadora compilación de artículos
dedicados a este tema.
Es un hecho reconocido que la mayoría de las cuencas
petroleras en todo el mundo, localizadas tanto en áreas
terrestres como marinas, se "expresan" mediante
emanaciones gaseosas que llegan a la superficie o través
de distintos tipos de anomalías sísmicas, lo que confiere a
la identificación e interpretación de estas últimas una gran
importancia para la exploración.
A continuación se tratarán brevemente los hidrocarburos
gaseosos y las posibilidades modernas del método sísmico
para su prospección.
Hidrocarburos gaseosos
Gas biogénico
Hoy en día se estima que el gas biogénico representa el
20 % o más de todo el gas confinado en el subsuelo terrestre.
Los sistemas someros de gas biogénico constituyen un
recurso inapreciable actualmente, en la medida que las
demandas de gas natural aumentan. Los pozos perforados
para la búsqueda de gas biogénico, frecuentemente tienen
bajas tasas de aprovechamiento [19] lo que puede parecer
poco rentable; sin embargo, no es menos cierto que la poca
profundidad de estos, abarata considerablemente este tipo
de exploración. Consecuentemente, los sistemas someros
de gas biogénico pueden resultar ideales para operadores
domésticos pequeños y para contribuir al desarrollo de países
emergentes.
Gas termogénico
Aparentemente existen controversias acerca de la
génesis del gas prof undo; algunos especialist as
consideran que la mayor parte del metano existente en
los subsuelos del mundo es de origen inorgánico y que
se hallan vastas reservas de él, aún no descubiertas, a
profundidades mayores de 5 000 m.
No obstante [22], la mayoría de los investigadores que
estudian este tema, sustentan el origen orgánico del metano
y sostienen que los gases naturales pueden ser hallados a
variadas profundidades aunque la mayor parte de ellos se
forma en rocas sometidas a altas presiones y temperaturas
durante un prolongado período de tiempo.
Indicadores sísmicos sobre la existencia de gases
en el subsuelo
En los últimos años han sido detectados numerosos
yacimientos de hidrocarburos en diferentes regiones del
mundo gracias a la manifestación de distintos tipos de
anomalías de gas; por ejemplo, según ha sido estimado,
más del 75 % de todas las cuencas petrolíferas del mundo
presentan en su superficie manifestaciones de este tipo. La
identificación de las emanaciones gaseosas se lleva a cabo
con distintas técnicas entre las que predominan las de
teledetección, el RADARSAT y las de exploración sísmica.
En la figura 3, por ejemplo, se muestra una anomalía
acústica que se expresa hasta en el tirante de agua, atribuida
a emanaciones gaseosas en la bahía de Cárdenas, al norte
de Cuba [23] Esta anomalía inicialmente, fue interpretada
como un ruido no definido en el registro, pero posteriormente
al procesamiento de los datos, se concluyó que estos
supuestos ruidos, constituían en realidad emanaciones
gaseosas posiblemente asociadas a zonas de debilidad
tectónica existentes en el corte geológico del subfondo
marino, lo que ratificó el interés gasopetrolífero de la región.
Fig. 3. Ejemplo de columna acústica localizada hacia el centro
de la imagen, detectada mediante sísmica de alta resolución
en la bahía de Cárdenas [23]
27
El objetivo principal del método sísmico ha sido desde su
surgimiento, ubicar en el subsuelo la presencia de fronteras
de discontinuidad de las velocidades de propagación de las
ondas elásticas a través de las rocas, las que como muestra
la experiencia, muchas veces se hallan estrechamente
relacionadas con importantes horizontes geológicos.
En diferentes fuentes bibliográficas básicas concernientes
al método sísmico [1] se han expuesto importantes
consideraciones respecto al comportamiento de las
velocidades y de las fronteras sísmicas asociadas
principalmente a las variaciones de estas.
Durante muchos años, la mayoría de los investigadores
dedicados a la prospección sísmica, consideraron que las
variaciones de velocidades asociadas a los cambios de
litología entre capas que yacían consecutivamente, eran la
causa de la formación de las reflexiones sísmicas dentro de
los medios geológicos; hoy en día, sin embargo, también se
reconoce el importante papel que juegan otros factores en la
formación de estas.
Históricamente, la sísmica concentró su atención en la
detección indirecta de eventuales acumulaciones de
hidrocarburos v inculadas principalmente con altos
estructurales. En la actualidad, el desarrollo tecnológico
alcanzado por el método permite a este en ocasiones, detectar
directamente los hidrocarburos en el subsuelo [7, 24, 28]
sobre la base de las posibilidades que existen hoy en día de
registrar reflexiones sutiles procedentes de fronteras
asociadas a variaciones de velocidades vinculadas a cambios
de los tipos de fluidos confinados en los espacios porales
de las rocas sedimentarias.
Hoy en día es conocido que las fronteras que separan
arcillas de arenas subyacentes saturadas con gas, con
frecuencia provocan una fuerte reflexión con polaridad negativa
cuya detección constituye el objetivo del método del punto
brillante (identificado en idioma inglés como bright spot) y
que el contacto horizontal gas-agua salada o gas-petróleo
inmerso en un paquete de rocas terrígenas como las
areniscas, a veces se expresa en las secciones sísmicas
de ondas P como una frontera reflectora aproximadamente
plana (figura 4), detectable mediante el llamado método del
punto plano (identificado en idioma inglés como flat spot).
También ha sido conf irmada la efectividad que
frecuentemente tiene la técnica sísmica AVO (Amplitud
Versus Offset), para detectar capas saturadas de gas,
basada, en el al análisis de las variaciones de las amplitudes
de las reflexiones sísmicas asociadas a los cambios del
coeficiente de Poissón () a lo largo de las fronteras
investigadas [18].
Las anomalías sísmicas mencionadas, han sido registradas
en numerosas áreas de todo el mundo, asociadas a distintas
profundidades y referidas tanto a gases termogénicos (a
mayores profundidades) como a biogénicos (a profundidades
más someras). Según se ha considerado, "cuando los flat
spots son identificables, resultan el indicador más definitivo
e informativo sobre la existencia de hidrocarburos en el
28
subsuelo" [1]; no obstante, es importante tener en cuenta
que según ha demostrado la experiencia, no siempre estos
tipos de anomalías están asociados a concentraciones de
gas con valor comercial y que a veces incluso no responden
a la existencia de hidrocarburos en absoluto, sino a otros
diversos factores sísmicos y/o geológicos.
Fig. 4. Anomalía similar a un flat spot, observada en una
sección sísmica adquirida en la cuenca del Cauto, Cuba [18]
APLICACIÓN DE LA SÍSMICA A
LA EXPLOTACIÓN DE LOS YACIMIENTOS
DE GASES NO CONVENCIONALES
En numerosos artículos recientemente publicados y en
múltiples contribuciones presentadas en eventos actuales
dedicados a las Geociencias se aborda el tema de los
llamados gases no convencionales [29- 32]. Una definición
ofrecida sobre el término "gas no convencional" (GNC)
aparece expuesta en [32] donde dice textualmente: "El gas
no convencional es aquel tipo de gas confinado en el subsuelo
cuya extracción solo puede ser lograda por estimulación
(fracturación) hidráulica mediante pozos horizontales
especialmente perforados a ese fin"; tanto en esta publicación
como en [30], se exponen detalles sobre la explotación de
estos gases lo que releva la necesidad de hacerlo en el
presente artículo que está enfocado a las tecnologías
geofísicas más adecuadas para su prospección.
A pesar de la innegable solución energética que este tipo
de gas aporta, hay que señalar que actualmente se discute
a escala internacional sobre sus aparentes consecuencias
perniciosas al medio [33 - 35].
En la figura 5 se ilustran las acumulaciones típicas de
gases naturales que se manifiestan en el subsuelo.
En las diferentes facetas de la exploración de los GNC se
emplea ampliamente el método sísmico principalmente en
su modalidad 3D. El principal objetivo de la sísmica, al igual
que en la exploración petrolera tradicional, es identificar los
rasgos estratigráficos y estructurales que pueden ser
limitantes o facilitadores para la producción de gas. El análisis
de atributos sísmicos (principalmente coherencia y curvatura)
es muy importante en la exploración de GNC pues
proporciona valiosa información sobre discontinuidades,
fallas, fracturas, carsismo y sus efectos en las rocas
gasíferas. Los resultados de la interpretación de los mapas
de atributos sísmicos permiten visualizar la variación de las
propiedades composicional, petrofísica y geomecánica de
las litofacies, lo que puede sugerir que algunas sean más
favorables para la perforación horizontal que otras.
En distintas publicaciones actuales se ref ieren
experiencias sobre la aplicación de la sísmica tanto activa
como pasiva a la exploración y explotación del GNC
[36-38, 43].
En el artículo [37] que resume los resultados del taller
"Geofísica para los gases no convencionales", celebrado en
Hamburgo, Alemania, el 9 de marzo de 2012, por ejemplo,
se abordan importantes interrogantes tales como:
¿Necesitamos una geofísica no convencional en la
exploración y el desarrollo de hidrocarburos no
convencionales? ¿Cuáles son los métodos geofísicos
apropiados para explorar los hidrocarburos no
convencionales? ¿Cómo debemos adaptar los programas
de exploración y las medidas de sondeos? ¿A qué
propiedades de los testigos se debe prestar atención en el
caso de los no convencionales? ¿Es posible utilizar las
directrices de interpretación existentes para las medidas de
fondo de pozo? ¿Qué métodos geofísicos se pueden añadir
a la exploración sísmica para mejorar las imágenes
subterráneas? ¿Qué métodos sísmicos especiales existen
para permitir o mejorar las interpretaciones?
por fracturas y ruido pasivo, cuyo análisis e interpretación
es útil para estimar las propiedades elásticas de las
diferentes capas investigadas y para orientar un empleo más
racional de los procesos de fracturación hidráulica.
• El procesamiento sísmico de coherencia ayuda en la
identificación de los sistemas de fallas, lo que es de suma
importancia para optimizar la orientación de los pozos.
• La inversión conjunta de los datos PP y PS proporciona
una determinación más confiable de la densidad, la
impedancia y los índices de fracturación, lo que ha sido
comprobado en varios casos de estudio de gas esquisto.
Algunas de las publicaciones consultadas resaltan también
la gran utilidad de la sísmica para optimizar la orientación de
los pozos, partiendo de que este método puede aportar una
valiosa información para caracterizar sistemas de fallas,
propiedades geomecánicas y estados tensionales de los
macizos de rocas que son investigados, sobre la base de
los efectos de anisotropía que se observan a menudo en los
datos sísmicos 3D y que se expresan mediante variaciones
de amplitudes y de tiempos de registro de las ondas sísmicas,
asociados a las variaciones de los azimuts de registro y
mediante el empleo de sísmica multicomponente, vinculados
a la birrefringencia de las ondas transversales.
Por otra parte, se aprecia que resulta muy prometedora la
aplicación combinada de la sísmica marina de reflexión y
del método electromagnético para cuantificar volúmenes de
hidratos de gas [18]. Esta fuente de gas no convencional es
universalmente aceptada como la más voluminosa y
perspectiva a escala internacional, por abundar en los
océanos de todo el mundo y muy recientemente aparecen
reportes sobre la introducción de nuevas tecnologías para
su explotación [44, 45].
MIRANDO AL FUTURO
Fig. 5. Distribución esquemática de las acumulaciones de gas
natural en el subsuelo (convencional y no convencional) [30]
Algunas de las principales conclusiones derivadas de este
taller fueron las siguientes:
• La nueva geofísica requiere del registro completo de
tres componentes de los parámetros elásticos (sísmica
multicomponente).
• Si se emplean sistemas de monitoreo permanente, en
muchas ocasiones se logran detectar microsismos inducidos
Resulta muy difícil conjeturar pronósticos sobre las
tendencias de desarrollo futuro de una tecnología de
investigación tan dinámica como la sísmica petrolera. Sin
embargo, basada a la revisión realizada sobre su estado del
arte y los previsibles retos que se avecinan, puede suponerse
que algunos de los principales elementos que incidirán en
su ev olución f utura a escala internacional serán
probablemente los siguientes:
1. Necesidad de desarrollar nuevos proyectos en variados
y más complejos ambientes tales como zonas de aguas
profundas y ultraprofundas, árticas y cinturones plegados,
para la exploración de capas subsalinas, yacimientos en
reservorios carbonatados altamente heterogéneos, rocas
ígneas y metamórficas con sistemas de fracturas poco
predecibles, etcétera.
2. Prioridad de incrementar el índice de recuperación de
hidrocarburos en campos conocidos.
3. Exploración y explotación de hidrocarburos no
convencionales (combinación de sísmica activa y pasiva).
4. Contínuo y vertiginoso desarrollo y perfeccionamiento
de las tecnologías y capacidades de cómputo.
29
5. Incremento del número de canales de registro
telemétrico e incorporación de las posibilidades que ofrece
la nanotecnología al diseño de nuevos equipos de medición.
6. Ascendente rol de la sísmica de pozos.
7. Mayor acento del papel del modelaje y de la migración
en profundidad.
8. Más generalizada y extendida consideración del papel
de la anisotropía sísmica.
9. Más acentuado empleo de las técnicas de visualización
y de realidad virtual.
10. Integración de los datos sísmicos con los de otras
ramas de las geociencias a fin de incrementar la confiabilidad
de los pronósticos exploratorios.
Los aspectos anteriormente referidos, al igual que otros
que no fueron identificados actualmente, pero cuyas
posibilidades exploratorias vayan siendo evidenciadas,
deberán constituir temas de atención por el claustro de la
carrera de Ingeniería Geofísica a fin de irlos incorporando a
los planes y programas de estudio para brindar el más sólido
y actualizado nivel a los egresados de la misma en el futuro.
CONCLUSIÓN
En la literatura técnica relativa al método sísmico resaltan
las posibilidades tecnológicas actuales y perspectivas de
este a escala internacional, en especial las concernientes a
la etapa de explotación de los yacimientos de hidrocarburos
y a la exploración de depósitos de gas no convencional, las
que deben ser consideradas a los efectos de su posible
implementación en la prospección del subsuelo cubano y
abordadas en la enseñanza del método sísmico en la carrera
universitaria de Ingeniería Geofísica.
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geniería Civil, Instituto Superior Politécnico José Antonio
Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba. Miembro de la Sociedad Cubana de Geología y de la Sociedad Geofísica
del Brasil
AUTORES
Ingeniera Geofísica, Máster en Ciencias, Centro de Investigaciones del Petróleo, La Habana, Cuba
GUILLERMO MIRÓ PAGÉS
Ingeniero Geofísico, Doctor en Ciencias Geológicas, Profesor Titular, Departamento de Geociencias, Facultad de In-
Emilio Ricardo Escartín Sauleda
Ingeniero Geofísico, Doctor en Ciencias Geológicas, Profesor Titular, Departamento de Geociencias, Facultad de Ingeniería Civil, Instituto Superior Politécnico José Antonio
Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba. Miembro de la Sociedad Cubana de Geología
New Tendencies in Seismic Exploration
Abstract
The present article reflects the result of a work of bibliographical investigation carried out by research
groups GEOPET and GEOMAT Department of Geosciences of the Cujae in order to give answer to a
recent proposal about collaboration topics formulated by the Union Cubapetróleo (CUPET) in an
environment of the existent traditional relationships among the mentioned institutions; at the same
time the work pursued the purpose to upgrade information with a view to the teaching of the subject
«Seismic Methods for prospecting and exploration of hydrocarbons» which is imparted at the fourth
course of Geophysical Engineering career in the Faculty of Civil Engineering of Cujae. The aim of the
research was the new technological possibilities of the seismic method of exploration at international
scale, especially concerning to the stage of oil fields exploitation and to the exploration of deposits of
non conventional gas, aspects to which the present publication is dedicated.
Key words:exploration, exploitation, seismic, oil, gas
32
INGENIERÍA GEOFÍSICA
Modelación de velocidades sísmicas en
el sector noroccidental del Cinturón
Plegado Cubano
Artículo Original
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, La Habana, Cuba
Resumen
Durante las etapas de procesamiento e interpretación de los datos sísmicos adquiridos mediante el
método de punto medio común, es requisito indispensable trabajar con leyes de velocidades de
propagaciones de las ondas sísmicas que sean confiables, sobre todo en escenarios geológicos
complejos como el Cinturón Plegado Norte Cubano, a fin de ubicar confiablemente posibles objetivos
de interés petrolero yacentes en el subsuelo. Este artículo tiene como objetivo mostrar el trabajo de
confección de un modelo de velocidades realizado en un sector marino de dicha región geológica, que
integra datos derivados del procesamiento digital tanto de hodógrafos de pozos como de superficie.
Estos últimos fueron obtenidos a partir de líneas sísmicas ejecutadas durante los levantamientos 2D
del año 2009, procesados con migración después y antes de la suma en tiempo. El estudio realizado
permitió confeccionar un nuevo modelo sismogeológico de la región investigada el cual permite identificar posibles horizontes de interés petrolero existentes en la misma.
Palabras claves: velocidad sísmica, cinturón plegado, modelo, yacimiento de petróleo
Recibido: 24 de abril del 2013
Aprobado: 16 de julio del 2013
INTRODUCCIÓN
A todo lo largo del sector noroccidental de Cuba y más
allá de su costa norte, se extiende la región geológica del
llamado Cinturón Plegado, en una franja de 30 - 40 km de
ancho desde la costa hasta la parte f rontal de los
cabalgamientos, ubicada costa afuera (Bloque 37) (figura 1),
el que abarca una extensa zona de aguas profundas, con
variaciones del fondo marino en el área seleccionada para la
presente investigación que oscilan desde los 400 m hasta
los 1 600 m aproximadamente.
La exploración de estas áreas geológicas constituye
objetivo principal de menor riesgo para la perforación en
Cuba, ya que en las mismas, formadas como resultado de
una complicada evolución tectónica, se encuentran los más
grandes y productivos yacimientos de hidrocarburos
descubiertos en el país.
El Cinturón Plegado Cubano ha tenido su origen vinculado
a los procesos de convergencia que tuvieron lugar en el Caribe
desde comienzos del Cretácico, desarrollado de conjunto
con el Cinturón Plegado de las Antillas Mayores, asumiendo
la existencia en él, de terrenos alóctonos e importantes
mantos de sobrecorrimientos. Resulta conveniente destacar
que en el caso de Cuba estos procesos se extendieron hasta
el Terciario y posteriormente, los movimientos del Cinturón
Plegado han continuado pero más lentamente.
El Bloque 37 abarca la parte frontal de los cabalgamientos
en el mar, y en profundidad, en este sector, se han verificado
Modelación de velocidades sísmicas en el sector noroccidental del Cinturón Plegado Cubano
mantos tectónicos al sur, caracterizados por la conjugación
de rocas de la unidad tectono-estratigráfica (UTE), Placetas
con sus formaciones: Constancia, Cifuentes, Ronda, Morena,
Santa Teresa, Carmita, Amaro y La cubierta paleogénica
Vega Alta. Esta unidad tectono-estratigráfica está presente
en muchos pozos perforados en tierra pertenecientes a la
franja norte de crudos pesados de Cuba, como es el caso
del pozo Boca de Jaruco 500.
Aunque hasta el momento no se han revelado en pozos
perforados verticales e inclinados, dirigidos hacia esta zona
marina, la UTE Camajuaní, no se descarta la posibilidad que
en los últimos mantos o apilados puedan aparecer rocas
pertenecientes a esta unidad tectono-estratigráfica con sus
correspondientes sedimentos sinorogénicos como se
muestra posteriormente. En pozos perforados en Varadero
existen evidencias de afloramientos de la UTE Camajuaní,
los cuales tienen, en profundidad, similitud geológica con el
sector de esta investigación.
En general, el cuadro sísmico del Cinturón Plegado Cubano
corresponde a estructuras muy imbricadas y compuestas
por pliegues tipo dúplex [1]. La complejidad geológica de
este escenario motiva la necesidad de realizar serios análisis
de las velocidades sísmicas a modo de esclarecer la
profundidad de las envolventes de estos pliegues, entre otros
intereses.
El estudio de las velocidades sísmicas constituye un
aspecto de capital importancia ya que como es conocido,
precisamente la incertidumbre en el conocimiento de las
velocidades constituye el talón de Aquiles de los métodos
de prospección sísmica, lo que limita en ocasiones la
efectividad de la exploración petrolera, por lo que el estudio
de este aspecto siempre tiene especial interés.
Atendiendo a lo anterior, en los pasados años han sido
realizados diferentes trabajos investigativos en Cuba [2] y el
mundo [3 - 7], dedicados a este importante tema; su estudio
es un acápite obligado tanto en el procesamiento como en
la interpretación de los datos sísmicos, posibilitando una
mejor comprensión del medio geológico y reduciendo el rango
de error durante la cartografía de los altos estructurales, lo
que se traduce en la disminución del riesgo durante la
exploración petrolera.
Con el progreso tecnológico de los últimos años, los
métodos sísmicos permiten actualmente detectar eventuales
trampas gasopetrolíferas en condiciones sismogeológicas
caracterizadas por fuertes cambios laterales y verticales de
velocidades los que dan lugar a un complejo campo
ondulatorio [1], por tanto, ante este problema fue necesario
mejorar la interpretación sísmica del sector a partir de un
análisis y procesamiento adecuado de las velocidades,
cotejadas y calibradas con datos de pozos.
De este modo, el objetivo del presente trabajo, es obtener
un modelo del campo de las velocidades sísmicas
correspondiente al sector de interés a partir de un análisis
integrado de los datos del perfilaje sísmico vertical,
VSP (por sus siglas en inglés) del pozo Boca de Jaruco 500
34
(BJ-500) y de los datos de las velocidades derivadas del
procesamiento sísmico de la línea 35.
Partiendo de lo anteriormente expuesto, la hipótesis se
formula atendiendo a que los datos de velocidades derivadas
del procesamiento sísmico permiten obtener modelos de
velocidades útiles para la interpretación geológica de la región,
facilitando el análisis de la variación de las velocidades de
todo el territorio de interés.
Como resultado de esta investigación, se confecciona por
la línea sísmica 35 de este sector, un modelo de velocidades
de intervalos derivadas del procesamiento con algoritmos de
la migración antes de la suma en tiempo (PSTM), que facilita
la reinterpretación de la línea y contribuye a la confección de
un nuevo modelo sismogeológico, que a su vez permite inferir
con más detalle, las características estructurales de los
complejos de rocas carbonatadas fracturadas del Cretácico
Inferior y del Jurásico Superior, que constituyen el principal
objetivo exploratorio con fines petroleros en esta región.
Para el desarrollo de esta investigación se utilizaron los
siguientes materiales:
• Líneas del levantamiento sísmico marino 2D ejecutado
por la compañía PETROBRAS (Petróleos Brasileños),
durante el año 2009 (figura 1), procesadas mediante
algoritmos de migración después y antes de la suma en
tiempo, cuyos resultados fueron utilizados para la
interpretación geólogo-geofísica del área en cuestión [8].
• Datos de perfilaje sísmico vertical (VSP) y geológicos
del pozo Boca de Jaruco 500 [9] ubicado aledaño a la zona
investigada (figura 1).
• Estación de trabajo (PC) para elaborar los modelos de
velocidades.
Fig. 1. Mapa de ubicación del área de investigación [1]
Mercedes Cristina García Sánchez - Alberto Helio Domínguez Gómez - Guillermo Miró Pagés
Con todos estos datos y recursos se elaboró el modelo de
velocidades siguiendo los siguientes pasos:
• Recopilación y preparación de los datos.
• Confección de la base de datos del campo de velocidades
sísmicas.
• Elaboración del modelo de velocidades.
A continuación se exponen las tareas realizadas en el
marco de cada uno de los pasos anteriormente enunciados.
Recopilación y preparación de los datos
De los datos primarios derivados de los procesamientos
de migración después y antes de la suma en tiempo de la
línea sísmica 35. Se extrajo la información siguiente:
identificación de la línea, cantidad de punto común de
profundidad o CDP (por sus siglas en inglés), tiempos de
llegadas de las ondas, velocidades de intervalos y velocidades
de raíz medias cuadráticas o Vrms (por sus siglas en inglés).
Se seleccionaron los datos de profundidades y velocidades
medias (Vmed) determinadas sobre la base de datos de VSP
en el pozo Boca de Jaruco 500.
Confección de la base de datos del campo de
velocidades sísmicas
Se tabuló la información de los datos derivados del
procesamiento sísmico de la línea 35 antes mencionados
y se tabularon los datos del pozo Boca de Jaruco 500.
Así quedó conformada la base de datos con la que se
trabajó en la presente investigación.
Elaboración del modelo de velocidades
Las velocidades sísmicas pueden ser medidas tanto por
métodos sísmicos de superficie como de pozos (perfilaje
sísmico vertical, registro acústico, etc).
Los datos de velocidades derivados de los hodógrafos de
pozos (registros acústicos o VSP) constituyen la información
más confiable con que se cuenta, ya que en este caso, los
tiempos de propagación de las ondas, de cuyas mediciones
se derivan aquellas, son medidos directamente en intervalos
de profundidades de estos, aunque esta información puede
ser referida rigurosamente solo a los sitios donde ellos son
perforados; por su parte, los datos de velocidades derivados
del procesamiento de las líneas sísmicas, caracterizan a
dicho parámetro a lo largo de la profundidad existente hasta
los horizontes reflectores y el espacio abarcado por éstas,
pero son menos precisos y están asociados a tiempos de
registro y no a profundidades directamente; por esta razón,
fue necesario referir estos últimos a profundidades, con la
finalidad de poder analizar combinadamente las velocidades
y profundidades calculadas a partir, tanto de la sísmica de
superficie como la de pozo.
Datos de velocidades derivados del procesamiento de la
línea sísmica
Los datos de las velocidades derivadas del procesamiento
de la línea sísmica registrada en superficie mediante los
algoritmos de migración después y antes de la suma en
tiempo, corresponden a las llamadas Vrms (velocidad de
raíz media cuadrática) y Vint (velocidad de intervalo); estas
velocidades son definidas y calculadas del siguiente modo:
Velocidad de raíz media cuadrática (Vrms): "Es aquella
con la cual la onda se propaga a través de capas del subsuelo
que tienen diferentes velocidades de intervalo según una
trayectoria específica y es generalmente mayor que la
velocidad media" [10].
El cálculo de la velocidad de raíz media cuadrática (Vrms)
exige el conocimiento de las Vint y de los tiempos de
recorridos de las ondas a través de los intervalos respectivos,
cuantificándose mediante la siguiente expresión:
2
Vrms 
Vint.
 ti
* ti
(m / s )
(1)
donde:
Vint: Velocidad de intervalo (m/s).
ti: Tiempo de recorrido para cada intervalo (ms),
respectivamente.
Velocidad de intervalo (Vint.): "Representa a la velocidad
sísmica que caracteriza a un determinado intervalo de
profundidades, es decir, es la velocidad correspondiente al
medio geológico confinado por dos fronteras aproximadamente paralelas" [10]. Esta viene dada por:
Vint . 
Z2  Z1
(m / s )
t 2  t1
(2)
donde:
Z1 y Z2: Profundidades del "techo" y el "piso" del intervalo (m).
t1 y t2: tiempos de viajes de la onda en el "techo" y en el
"piso" del intervalo, respectivamente (ms).
Un procedimiento para determinar la velocidad de intervalo
se basa en el empleo de la siguiente ecuación, la que permite
determinar esta en una serie de capas planas y paralelas, a
partir de las Vrms. Esta viene dada por:
2
2
2
2
* 
*
Vint  Vrms 2 t 2 Vrms 1 t 1 (m/s)
t 2  t1
(3)
donde:
Vrms1: Vrms hasta el primer reflector (m/s).
Vrms2: Vrms hasta el segundo reflector (m/s).
t1: Tiempo de viaje hasta el primer reflector (ms).
t2: Tiempo de viaje hasta el segundo reflector (ms).
Datos de velocidades derivados del VSP en pozos
La velocidad sísmica derivada de los registros VSP es
conocida como velocidad media y constituye el resultado de
dividir la profundidad Z que existe hasta un horizonte dado
entre el tiempo T empleado por el rayo sísmico en alcanzar
el mismo según la normal a este desde la superficie terrestre.
La velocidad media con frecuencia es calculada a partir de
los hodógrafos de las primeras entradas del perfilaje sísmico
vertical o de los sismocarotages.
35
VMed . 
Z
(m/s)
T
(4)
donde:
Z: Profundidad hasta un horizonte dado (m).
T: Tiempo empleado por el rayo sísmico en alcanzar la
profundidad hasta el horizonte considerado según la normal
a este desde la superficie terrestre (s).
Conversión de tiempo a profundidad
En muchas áreas (como la abarcada por este trabajo) no
se cuenta con los resultados del procesamiento de las líneas
sísmicas mediante algoritmos de migración en profundidad,
por lo que es preciso recurrir a procesos de conversión tiempoprofundidad a fin de poder realizar la interpretación geológica
de la información disponible.
La expresión utilizada para convertir los tiempos de
recorrido en profundidades en el caso tratado es:
H  Hfm  T * V / 2 (m)
(5)
donde:
Hfm: Profundidad del fondo marino (m).
T: Intervalo de tiempo de recorrido total de la onda entre
el fondo marino y el horizonte de interés determinado a partir
de la sección sísmica (ms).
V: Velocidad del procesamiento, ya sea Vrms o Vint;
ambas velocidades se obtienen de las secciones de las líneas
sísmicas en función de los tiempos de registro (m/s).
Un importante elemento a considerar para el cálculo de la
conversión tiempos-profundidades en áreas de aguas
profundas como la de esta investigación es la influencia de
la capa de agua, para lo cual es necesario determinar la
profundidad del fondo marino, teniendo en cuenta la velocidad
de propagación de las ondas a través del tirante de agua
cuyo valor es aproximadamente constante.
Las profundidades del fondo marino fueron calculadas por
la expresión:
Hfm 
t 
(m)
2
Fig. 2. Gráfico de relación Vint (H) empleando gráficos XY o
de dispersión
(6)
donde:
: Velocidad de propagación de las ondas sísmicas a través
del tirante de agua, cuyo valor es constante y del orden de
1 500 m/s en el área de los trabajos.
t: Tiempos registrados de la reflexión de la onda sísmica
en la frontera del fondo marino (ms).
Una vez determinadas las profundidades del fondo marino,
se procedió a calcular las de los reflectores subyacentes a
este, a partir de la expresión 5, utilizando para esto los valores
de Vrms y Vint lo que permitió elaborar tablas de relación de
valores velocidades (Vrms, Vint.) y profundidades (H), Vrms
(H) y Vint (H).
36
Los datos de Vrms, Vint, de la línea 35 derivados de la
migración después de la suma y de la migración antes de la
suma en tiempo y las profundidades calculadas asociadas
a estas, fueron graficados en una hoja de cálculo de Excel
utilizando para ello gráficos XY o de dispersión. La figura 2
muestra la dependencia Vint (H) de la profundidad.
De los gráficos de la figura 2 se seleccionaron las
velocidades y profundidades más representativas siguiendo
las pendientes de la curva.
Comparación de las velocidades sísmicas calculadas
A fin de validar el grado de confiabilidad de las velocidades
calculadas a partir de los procesamientos de la línea sísmica
35 (Vrms y Vint), se procedió a comparar los datos de estas
con las Vmed del pozo BJ 500, mediante la confección en
Excel, de gráficos de relación V (H) (figuras 3 y 4) lo que
permitió confirmar el grado de proximidad existente entre
las velocidades de superficie Vint y las Vmed del pozo
(figura 4), ya que sus tendencias son similares, no ocurriendo
lo mismo con los resultados de los valores de las Vrms con
las Vmed del pozo (figura 3), pues existen diferencias de
valores Vmáx  500 m/s.
Fig. 3. Relación de las velocidades y las profundidades Vrms(Hvrms) derivadas de los procesamientos con algoritmos de
migración postsuma en tiempo, y migración presuma en
tiempo, PSTM (por sus siglas en inglés) de la línea sísmica
35 y Vmed- (H) derivada del pozo Boca de Jaruco 500
Al analizar los gráficos referidos (figura 3), llama la atención
el desplazamiento hacia la derecha de las curvas de Vmed
del pozo en relación a las de Vrms, el cual es atribuido a la
influencia del tirante de agua sobre los valores de esta última,
en áreas de aguas profundas, como la investigada en el
presente trabajo.
En los gráficos de la figura 4 se pone de manifiesto que
las velocidades de intervalos son las más aproximadas a las
del pozo, sobre todo, las velocidades de intervalos derivadas
del procesamiento de migración antes de la suma en tiempo
por lo que éstas fueron las escogidas para la elaboración del
modelo de velocidades.
Modelo de velocidades de intervalos
Una v ez establecido que las Vint deriv adas del
procesamiento de la sísmica de superficie, eran las
adecuadas para la elaboración del modelo de velocidades,
este fue confeccionado para la sección correspondiente a
línea sísmica 35 adquirida durante el año 2009 a partir de los
parámetros presentes en el corte sísmico:
Por el eje X los CDP.
Por el eje Y el tiempo convertido a profundidad y la velocidad
correspondiente a cada XY.
Por las coordenadas XY las velocidades correspondientes
a cada punto.
A partir de los datos anteriores fueron elaboradas las
isolíneas de velocidades a lo largo del corte seleccionado
como modelo presentado en la figura 5.
Las tonalidades de la escala de colores en el modelo,
representan los valores de las velocidades que caracterizan
a la línea 35, asociados a cada valor de profundidad.
Fig. 4. Relación de las velocidades y las profundidades Vint(Hvint) derivadas de los procesamientos con algoritmos de
migración postsuma en tiempo, y migración presuma en
tiempo, PSTM (por sus siglas en inglés) de la línea sísmica 35
y Vmed- (H) derivada del pozo Boca de Jaruco 500
Fig. 5. Modelo de velocidades correspondiente a la línea
sísmica 35 en la región de los trabajos, utilizando las Vint
derivadas de la aplicación de algoritmos de migración antes
de la suma en tiempo, PSTM (por sus siglas en inglés) y las
profundidades asociadas a ellas con la trayectoria del eje de
anomalías de velocidades (A-A)
Al analizar el modelo que aparece en la figura 5 llama la
atención la existencia de un aparente eje de anomalías de
velocidades (A-A) incrementándose estas en dirección tierramar, lo cual sugiere el posible ascenso de complejos de
rocas más compactas según la misma. Este análisis
combinado de las velocidades, no solo permitió obtener
información de interés sobre la constitución de la región
investigada, el mismo facilitó también la interpretación
sísmica de la línea 35, contribuyendo a la construcción de
un modelo sismogeológico detallado del área en cuestión,
como el que se observa en la figura 6.
Una vez elaborado el modelo de velocidades a lo largo de
la línea 35, este fue calibrado con el pozo BJ 500. Esta
calibración incluyó los siguientes pasos:
• Identificación de las profundidades correspondientes a
los límites de las unidades tectono-estratigráficas (UTE) en
la columna del pozo y de las velocidades asociadas a estas.
• Cálculo de las profundidades de las fronteras en la línea
sísmica basado en los tiempos de registros y datos de
velocidades del modelo más el sitio de ubicación del pozo.
• Extrapolación lateral de los intervalos litoestratigráficos
anteriormente referidos sobre la base del modelo de velocidad
y a la sección sísmica migrada antes de la suma en tiempo
a lo largo de la línea 35.
La calibración de los datos de la línea sísmica 35 con los
datos del pozo Boca de Jaruco 500, posibilitó la delimitación
de intervalos de velocidades presentes tanto en el pozo como
en la línea sísmica, a las cuales se les asoció las
profundidades correspondientes, lo que permitió conocer a
qué profundidad y con qué velocidad, puede aparecer en la
línea sísmica la UTE Placetas con sus respectivos grupos
formacionales.
37
El análisis de estos datos condujo a las siguientes
conclusiones:
• En el modelo de velocidades realizado por la línea 35
puede identificarse un eje que caracteriza cualitativamente
la variación espacial de las velocidades (figura 5).
• En el modelo se manifiestan inversiones de velocidades,
lo cual resulta típico de los escenarios geológicos complejos
como los cinturones plegados.
• Existe una buena correlación entre las profundidades
calculadas por este procedimiento y las correspondientes al
pozo BJ 500, lo que valida el empleo del modelo de las
velocidades derivadas del procesamiento para la cartografía
de las profundidades de las fronteras objeto de estudio en el
área investigada.
Llama la atención que el efecto de las discrepancias entre
las profundidades es mayor para los valores menores de
estas, lo cual pudiera ser atribuido a que precisamente para
ellas tienen más influencia las diferencias en trayectorias
entre los rayos sísmicos que dan lugar a las mediciones en
superficie y en pozo.
Una vez convertida la sección correspondiente a la línea
sísmica 35, de tiempos a profundidades (mediante la
ecuación número 5) y elaborado el modelo de velocidades,
fueron extrapolados los horizontes geológicos identificados
en el pozo hacia la línea sísmica, lo que permitió estimar la
cartografía de los complejos de rocas carbonatadas
fracturadas del Cretácico Inferior y del Jurásico Superior, que
constituyen el principal objetivo exploratorio con fines
petroleros en esta región, obteniéndose el modelo sismogeológico que aparece en la figura 6, siendo este, el resultado
final de la reinterpretación de la línea sísmica 35.
A la izquierda de la figura 6, se observan los datos de
pozos referidos a los distintos grupos formacionales,
correlacionados hacia el noroeste con posibles pliegues tipo
dúplex que parecen identificarse en la sección sísmica en el
área correspondiente a la parte norte del Cinturón Plegado y
Cabalgado Cubano; también se observan en el corte,
aparentes apilados inferiores, situados a profundidades
mayores a las del pozo, los que sugieren la posible existencia
de la UTE Camajuaní en la región investigada.
La confección e interpretación del modelo de velocidades,
contribuyó a definir con mayor seguridad los aspectos antes
mencionados al servir de apoyo a la reinterpretación de la
línea sísmica 35, constituyendo la novedad científica del
presente trabajo.
Resulta importante destacar que este tipo de modelo de
velocidades sísmicas y su interpretación, se presenta por
primera vez en el Centro de Investigaciones del Petróleo de
Cuba y ya se aplica en otras regiones exploratorias con fines
petroleros [11].
CONCLUSIONES
Como resultado del presente trabajo ha sido elaborado un
modelo del campo de velocidades sísmicas por la línea 35
ubicada en el área del sector noroccidental del Cinturón
Plegado Cubano.
Las velocidades de intervalos derivadas del procesamiento
con algoritmos de migración antes de la suma en tiempo,
utilizadas para la confección del modelo de velocidades,
resultaron ser comparativamente las más aproximadas a los
datos del pozo con perfilaje sísmico vertical (VSP) disponible
en la región.
Fig. 6. Modelo sismogeológico del sector investigado
38
Con el apoyo del modelo de velocidades y los datos del
pozo Boca de Jaruco 500 fue elaborado un nuevo y
fundamentado modelo sismogeológico del área investigada.
REFERENCIAS
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LÓPEZ, Juan Guillermo. "Caracterización sísmica de una
estructura potencialmente petrolera revelada al norte de
Varadero. En VII Congreso Cubano de Geofísica (Geofísica
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y procesamiento de las ondas refractadas para el estudio
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dataseismic.com/descargas/soporte_05.pdf?. [Consultado
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download/?publication=44550. [Consultado en Enero 2012].
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procesamiento post suma en tiempo de las líneas sísmicas
marinas adquiridas en el 2009". En VII Congreso Cubano
de Geofísica (Geofísica 2013), V Convención Cubana de
Ciencias de la Tierra, GEF2-P5, pp. 128-135.
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de tiempo-profundidad y análisis de atributos sísmicos.
Propiedades físicas para datos del Golfo de México. Tutor,
Milagrosa Aldana, Flavio Oliver [en línea]. Decanato de
estudios profesionales. Informe de pasantía presentado
ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito
parcial para optar al título de Ingeniero Geofísico,
Sartenejas, Venezuela [ref. Mayo 2009]. Disponible en
web: www. usb. v e/ geocoo rdweb/ t e si s/ Pre/ Jose
Enrique%20Fernandez-Concheso.pdf. [Consultado en
Octubre 2011].
11. DOMÍNGUEZ, Alberto Helio et al. "Metodología para
la interpretación sísmica 3D estructural en la faja
septentrional cabalgada de Cuba". En VII Congreso
Cubano de Geofísica (Geofísica 2013), V Convención
Cubana de Ciencias de la Tierra, GEF2-P4, pp. 118127. ISSN 2307-499X.
AUTORES
Ingeniera Geofísica, Centro de Investigaciones del Petróleo,
La Habana, Cuba
Ingeniero Geólogo, Máster en Geología, Investigador Auxiliar,
Ingeniero Geofísico, Doctor en Ciencias Geológicas, Profesor Titular, Departamento de Geociencias, Facultad de Ingeniería Civil, Instituto Superior Politécnico José Antonio
Echeverría. Miembro de la Sociedad Cubana de Geología y
de la Sociedad Geofísica del Brasil
39
Modelling of Seismic Velocities in the Northern Area of Cuban
Folded Belt
Abstract
During the stages of processing and interpretation of the acquired seismic data using the Common
Mid Point Method, it is necessary to work with velocities laws of propagation of the seismic waves to
be the most reliable possible, mainly in complex geologic scenarios as the Cuban folded belt northern
area, in order to locate possible petroleum objectives in the underground. This paper has as objective
to illustrate the work of making a velocities model carried out in a marine sector of this geologic
region, which integrates derived data from digital processing of wells and surface hodograph. The last
ones were obtained from seismic lines carried out during the 2D seismic survey of 2009, processed
with post stack and pre stack time migration. The study allowed making a new sismogeologic model
of the investigated region which allows to identifying possible places of oil interest in the area.
Key words: seismic velocity, folded belt, model, deposits of petroleum
40
INGENIERÍA QUÍMICA
Durabilidad del perfil de aluminio lacado
en las condiciones de clima tropical
Artículo Original
Centro de Tecnología y Calidad (CTEC), Ministerio Industrias, La Habana, Cuba
Resumen
En la actualidad son muchos los productores de carpintería de aluminio lacado en el mundo y en Cuba
son cada vez más las obras en las que se observa la instalación de puertas y ventanas de aluminio
lacado. La calidad de esta carpintería se ha visto reducida en un número considerable de instalaciones ubicadas en la zona norte costera de la capital y del resto del país. En este trabajo se someten
a ensayo de exposición natural en el banco del Laboratorio de Ensayos de Tropicalización ubicado en
Cojímar, los perfiles lacados de cinco lugares de procedencia, con el objetivo de evaluar su comportamiento y crear por primera vez en el país, un reglamento que regule las especificaciones para la
utilización de estos perfiles lacados en las condiciones del clima tropical de Cuba, el que será de
estricto cumplimiento para productores e importadores de estos materiales. Los resultados obtenidos
han permitido la modificación de la norma establecida para el espesor de este recubrimiento lacado,
a valores que permitan la correcta durabilidad de estos materiales y eliminar la falla de los perfiles
debida a la erosión provocada por la severidad de este clima.
Palabras claves: aluminio, lacado, erosión, tropical, durabilidad
Recibido: 12 de junio del 2013
INTRODUCCIÓN
El desarrollo de la arquitectura y la necesidad de la
búsqueda de materiales más resistentes han condicionado
la aparición de la carpintería de perfiles de aluminio lacado.
Estos perf iles lacados, por sus características y
composición, proporcionan propiedades que facilitan el
diseño, la operación, la resistencia y la belleza, por lo que
revisten una gran importancia en el contexto integral de una
obra, fundamentalmente, en aquellas que constituyen un
volumen importante en el plan de construcciones sociales
actual, y son ampliamente utilizados tanto en las obras
arquitectónicas de nueva creación, como en la restauración
y recuperación de las ya existentes. Pero es importante
destacar que no se trata de producir y comercializar puertas
o ventanas en demasía, sino encontrar, mediante la
introducción de tecnologías y sobre la base de los estudios
necesarios para cada obra, la mejor solución para garantizar
el máximo de ahorro energético y lograr el decorado
requerido, todo esto al menor costo posible y con la mayor
calidad y durabilidad prevista.
En Europa existen organizaciones rectoras para dichos
productos, como Qualicoat, que se ha dedicado al estudio
del comportamiento de estos recubrimientos y han
establecido directrices que tienen que ser cumplidas por los
productores para ser reconocidos y poder optar por su sello
de calidad. Hasta el momento, estas especificaciones son
Durabilidad del perfil de aluminio lacado en las condiciones de clima tropical
las exigidas en el país, tanto para los productores como
para los comercializadores de aluminio lacado.
Esta carpintería en Cuba se ha instalado en todo el país,
en todos los ambientes, desde rural, industrial y marino
costero y ha ocurrido que en algunas de las obras de carácter
social y turístico enclavadas principalmente en la zona
costera norte del país, la carpintería de aluminio lacado
empleada ha presentado problemas relacionados con las
propiedades protectoras y decorativas del recubrimiento y
por tanto se ha visto reducida la durabilidad de la misma a
menor tiempo del previsto, provocando pérdidas económicas.
Por la no existencia de una norma o documento cubano
para regir las especificaciones de estos perfiles lacados, ya
sean importados o lacados, en el país se usan las directrices
concernientes a la marca de calidad para los revestimientos
por termolacado (líquido o polvo) del aluminio destinado a la
arquitectura, presididas por Qualicoat, que es una
organización mundial de la calidad destinada a mantener y
promover la calidad de las lacas, pinturas y otros
recubrimientos utilizados para la protección del aluminio y
sus aleaciones para aplicaciones arquitectónicas, con sede
oficial en Zurich, Suiza. Hoy en día son miembros de
Qualicoat países de África, Asia, Australia, la mayoría de
los países de Europa y recientemente América; tanto como
empresas lacadoras o como por productores de diferentes
tipos de pinturas. A través de los inspectores de estos
laboratorios se ejecutan las inspecciones para el
otorgamiento de la licencias de Qualicoat. En sus directivas
se plantean los métodos de ensayo y las exigencias que
deben ser cumplidas por los productores e importadores de
perfiles de aluminio lacados.
Los perfiles son sometidos a una serie de ensayos [1]
físicos, mecánicos, químicos y climáticos acelerados
(resistencia a la niebla salina, a la humedad y temperatura
con condensación en atmósfera constante y al envejecimiento
acelerado con ciclos alternados de radiaciones y
condensación que simulan el efecto de la sucesión del día y
la noche de forma acelerada sobre los recubrimientos
lacados) y climático natural, en tiempo real por un período
mínimo de al menos un año. Las directrices de Qualicoat,
proponen para este ensayo y es la que aceptan para el
otorgamiento de la licencia a la estación de ensayos
naturales de la Florida, Estados Unidos. Esta estación de
ensayos del sur de la Florida se encuentra localizada
aproximadamente a 33 km al nordeste del centro de Miami,
en una región rural libre de contaminación, con clima
subtropical. Dicha región ha mantenido por mucho tiempo
un banco de localización para ensayos ambientales, dadas
las condiciones típicas de gran humedad y elevada radiación
ultravioleta y temperatura, que garantiza un ambiente
subtropical muy específico para ensayos de exposición al
exterior. Unos 1 685 mm de precipitación anual dan lugar a
períodos extensos de humedad que caracterizan la
agresividad típica de esta región. [1]
El laboratorio de ensayos de tropicalización ubicado en
Cojímar, está autorizado y cuenta con todo el equipamiento
necesario para la certificación de estos perfiles lacados, por
lo que desde hace años está dedicado al control de estos
materiales, realizando los ensayos físicos, químicos,
42
mecánicos y climáticos acelerados. El ensayo de exposición
natural no se realizaba por el largo período de tiempo que
requiere y por esa razón se emplea la comprobación del
cumplimiento de todas las especificaciones establecidas en
las directrices de Qualicoat en el resto de los ensayos.
Para la realización de este trabajo primeramente se
sometieron a ensayos paramétricos y climáticos en
exposición natural los perf iles lacados terminados
(certificados por Qualicoat) de cinco procedencias, las
cuales serán nombradas con las letras A, B, C, D, E, en
correspondencia con la política de secreto y confidencialidad
del laboratorio. De cada una de las procedencias se dispuso
de un total de 10 muestras (9 en ensayos y una de testigo
para comparación v isual) lo que hace un total de
50 muestras de perfiles de aluminio lacado.
De manera uniforme para todas las muestras fue usado
como recubrimiento lacado la misma pintura, de la cual se
tienen los certificados de homologación otorgados por
Qualicoat y el mismo tratamiento superficial no crómico.
Estos aspectos fueron los que limitaron la inclusión de más
procedencias en la investigación y por otra parte no todas
las importaciones de perfiles de aluminio lacado, ya sean
destinados a la producción de carpintería como a otros fines,
pasan por los controles establecidos para certificar su calidad
y por ende no es posible tener acceso a las muestras
necesarias para determinar su calidad.
Primeramente, se procedió a la determinación para las
muestras de cada una de las procedencias, del parámetro
espesor [2] del recubrimiento lacado y de acuerdo con los
resultados las muestras se clasificaron en tres rangos para
cada una de las procedencias para delimitar y evaluar el
comportamiento de las mismas después de la realización
del ensayo natural.
Los rangos en que fueron divididas las muestras fueron
las siguientes:
Grupo 1: Espesores entre 60 y 70 µm.
Grupo 2: Espesores entre 70 y 90 µm.
Grupo 3: Espesores superiores a 90 µm.
A su vez se determinó el brillo [3] del recubrimiento de
cada de las muestras de cada grupo, para clasificarlas y
tomar este parámetro como referencia del comportamiento
del recubrimiento después de ser sometido a este ensayo
de exposición natural en la estación de Cojímar.
Además de estas determinaciones, se comprobaron la
composición química de la aleación de los perfiles extruidos
de aluminio (para clasificar la aleación en AA6060 [4] o
AA6063 [5] y se comprobó la dureza Brinell (entre
65 y 75 HB) de la misma para descartar las interferencias
que pudieran ocasionar las diferencias de estos parámetros
en cada una de las muestras y tratar de lograr una
homogeneidad en la investigación, por lo que las muestras
Lilia del Carmen González Ortega - Brenda Luisa McNeil Montañes - Rigoberto Marrero Águila
para cada una de las procedencias están en igualdad de
composición química y de dureza [6].
Los perfiles deben exponerse durante un año en expositores
orientados al Sur e inclinados 45º con respecto a la
horizontal [7] en la estación natural marino-costera de
Cojímar [8]. Después de la exposición se limpiarán las
muestras expuestas.
El brillo será medido en un ángulo de 60º antes y después
de la exposición. La evaluación de la medición permitirá
establecer la categoría según la siguiente orientación:
Categoría 1(0-30 unidades)
Categoría 2 (31-70 unidades)
Categoría 3 (71-100 unidades)
La media residual del brillo después del ensayo debe ser
al menos del 50 % del brillo inicial según las exigencias del
ensayo [1].
Las características meteorológicas de la estación natural
marino - costera de Cojímar, Habana del Este, Habana, Cuba,
se muestran en la tabla 1.
Tabla 1
Datos meteorológicos promedio de la estación marino-costera de
exposición natural del Labet en el período de exposición
Variables de caracterización de la
atmósfera
Promedio de la humedad relativa (%)
Precipitaciones:
Cantidad (mm/año)
pH
Promedio de insolación diaria (horas/día)
Datos promedio en el
período
85,4
1 591
5-7
7,2
Índice medio diario de SO2 depositado
en (mg/m2 día)
26,4
Índice medio diario de Cl- depositado en
(mg/m2 día)
202,3
El desarrollo de este ensayo de exposición natural, fue
monitoreado cada tres meses para controlar el
comportamiento de los valores del espesor y del brillo del
recubrimiento y en cada una de las etapas los perfiles se
manifiestan en una tendencia a los resultados finales similar
para todas las procedencias. Los resultados obtenidos al
final del ensayo mantuvieron la propensión a la disminución
del espesor ya desde el primer trimestre de exposición.
Los valores de las determinaciones de espesor del
recubrimiento lacado de las muestras (antes y después del
ensayo natural) que se exponen en la tabla 2, muestran
claramente la disminución que se produce en este parámetro
cuando las muestras se ponen en contacto con el clima
tropical marino-costero de Cuba.
La gran concentración de iones cloruro en la atmósfera,
combinados con cantidades importantes de dióxido de azufre
y la elevada humedad relativa (tabla 1) son las condiciones
climatológicas principales que caracterizan la gran
agresividad corrosiva de la estación de ensayos natural
de Cojímar, lo cual sin dudas, constituye la causa principal
que determina la aparición de signos de desgaste en el
recubrimiento lacado del perfil de aluminio, causa de la
reducción de la calidad de la carpintería en un número
considerable de instalaciones, ubicadas en la zona norte
costera de la capital y del resto del país.
Se observan, al concluir el ensayo de exposición
natural, pérdidas de espesor de más de 8 µm en el grupo
1 (espesores entre 60 y 70 µm), lo que queda demostrado
por el hecho de que han fallado sistemas de carpintería
colocados en la zona costera en instalaciones turísticas,
a pesar de que estuvieran certificados por Qualicoat, los
perfiles usados para su fabricación. Los valores de espesor
del grupo 1, es decir, las muestras de espesores entre
60 y 70 µm, al ser expuestos pierden espesor hasta el
punto de quedar la inmensa mayoría en un espesor final
por debajo de 60 µm, valor reconocido por Qualicoat como
el mínimo permisible para garantizar calidad y durabilidad.
Como se observa, los valores de pérdidas de espesor
pueden sobrepasar las 8 µm en muchos de los casos,
por lo que teniendo en cuenta esto es recomendable elevar
a 70 µm el valor mínimo de espesor para el recubrimiento
lacado.
También se observan pérdidas mayores (desgaste mayor),
de hasta más de 25 micras en el grupo 3 (espesores por
encima de 90 µm), pero en estos casos quedan por encima
del espesor límite mínimo normado, por lo que es más difícil
el fallo por pérdida del espesor.
Estableciendo una correlación entre el espesor y el brillo
del recubrimiento, en la tabla 3 se puede notar que a medida
que aumenta el espesor, el brillo del recubrimiento tiende a
disminuir, observándose los menores valores para el grupo 3
(espesores superiores a 90 µm), aunque igualmente las
diferencias del brillo antes y después del ensayo se
encuentran en los límites normados por Qualicoat (menores
del 50 % del valor inicial).
Las mayores pérdidas del brillo se producen en las
muestras con espesores de recubrimiento lacado por encima
de 90 micras y como el brillo en estas muestras es menor,
resulta entonces más fácil el cambio o caída en la
clasificación a una escala menor.
A continuación se muestran las gráf icas del
comportamiento del espesor y el brillo del recubrimiento
lacado antes y después de los ensayos para cada una de
las procedencias (figuras 1-5). En el eje de las x se
representan las denominaciones de las muestras para cada
procedencia (A a la E) sometidas a ensayos (9 réplicas) y
en el eje de la y, se representan los valores de brillo (unidades
de brillo) y espesor del recubrimiento lacado (µm).
43
Tabla 2
E spesor promedio del recubrimiento lacado antes y después del ensayo de exposición natural
E nsayo de envejecimiento natural
(1 año)
P rocedencia
A
B
C
D
E
E spesor promedio del recubrimiento al com enzar el ensayo
Grupo 1
E spesor
promedio
(µm)
63,2-66,9
60,7-65,1
61,5-69,8
64,1-66,3
61,3-64,5
E spesor promedio del recubrimiento al term inar el ensayo
56,6-58,3
54,2-58,1
53,0-61,3
56,2-58,7
53,8-56,6
Grupo 2
E spesor
promedio
(µm)
71,1-77,4
78,3-85,1
71,4-79,4
86,8-90,1
66,1-73,7
Grupo 3
E spesor
promedio
(µm)
71,6-74,9
66,8-69,3
69,4-76,1
63,2-71,2
78,4-80,7
91,5-98,7
112-114
104-113
108-113
92,9-112
81,3-84,3
85,3-86,3
84,9-89,2
86,6-89,1
79,8-85,9
T a b la 3
D e te rm in a c io n e s d e l b rillo d e l re c u b rim ie n to la c a d o a n te s y d e s p u é s d e l e n s a y o d e
e n v e je c im ie n to n a tu ra l e n la e s ta c ió n d e C o jím a r p o r e l p e río d o d e 1 a ñ o
E n s a y o d e e n v e je c im ie n to n a tu ra l( 1 a ñ o )
P ro c e d e n c ia
A
B
C
D
E
B rillo p ro m e d io d e l re c u b rim ie n to a n te s d e l e n s a y o
(
u
n
id
a
d
e
s
d
e
G ru p o 1
B rillo p ro m e d io
b rillo )
9 3 ,2 -9 4 ,7
9 4 ,0 -9 7 ,3
9 5 ,3 -9 6 ,3
9 5 ,1 -9 6 ,0
9 4 ,8 -9 5 ,5
B rillo p ro m e d io d e l re c u b rim ie n to a l te rm in a r e l e n s a y o
8 8 ,3 -8 9 ,9
8 9 ,4 -9 2 ,3
9 0 ,1 -9 1 ,2
9 0 ,5 -9 1 ,1
8 9 ,4 -9 0 ,8
(
u
n
id
a
d
e
s
d
e
G ru p o 2
b rillo )
9 0 ,1 -9 2 ,8
9 3 ,9 -9 5 ,3
9 3 ,3 -9 4 ,0
9 3 ,0 -9 3 ,6
8 6 ,1 -8 7 ,7
8 7 ,3 -8 9 ,1
8 8 ,5 -9 0 ,2
8 8 ,0 -8 9 ,8
8 6 ,3 -8 8 ,2
8 4 ,0 -8 7 ,7
8 0 ,1 -8 2 ,0
8 1 ,7 -8 5 ,4
8 0 ,0 -8 1 ,8
8 2 ,4 -8 7 ,8
(
u
n
id
a
d
e
s
d
e
G ru p o 3
9 2 ,3 -9 3 ,5
b rillo )
7 4 ,5 -8 0 ,6
44
6 7 ,8 -6 9 ,4
6 5 ,0 -7 5 ,9
6 3 ,1 -6 8 ,9
6 8 ,2 -7 7 ,4
Lilia del Carmen González Ortega - Brenda Luisa McNeil Montañes - Rigoberto Marrero Águila
COMPORTAMIENTO DEL ESPESOR Y EL BRILLO
PROCEDENCIA D: EXPOSICIÓN NATURAL
COMPORTAMIENTO DEL ESPESORY ELBRILLO
PROCEDENCIA A: EXPOSICIÓN NATURAL
110
100
90
80
70
60
A4
.1
A4
.2
A4
.3
A4
.4
A4
.5
A4
.6
A4
.7
A4
.8
A4
.9
50
Espesor Promedio
ANTES
120
Espesor Promedio
DESPUÉS
100
Brillo del
Recubrimiento
ANTES
Brillo del
Recubrimiento
DESPUÉS
Fig. 1. Comportamiento del espesor y brillo para las muestras
A4.1 a A4.9. Procedencia A
110
Espesor Promedio
ANTES
110
100
Espesor Promedio
DESPUÉS
90
Espesor Promedio
DESPUÉS
90
80
Brillodel
Recubrimiento
ANTES
70
60
50
D4.1 D4.2 D4.3 D4.4 D4.5 D4.6 D4.7 D4.8D4.9
COM PORTAM IENTO DEL ESPESOR Y EL BRILLO
PROCEDENCIA E: EXPOSICIÓN NATURAL
120
Espesor Promedio
ANTES
110
100
Espesor Promedio
DESPUÉS
90
80
80
70
60
.9
.7
.8
B4
B4
.5
.4
.6
B4
B4
B4
.2
.3
B4
B4
B4
B4
.1
50
Brillodel
Recubrimiento
DESPUÉS
D4.1 a D4.9. Procedencia D.
COMPORTAMIENTO DEL ESPESOR Y EL BRILLO
PROCEDENCIA B: EXPOSICIÓN NATURAL
120
Espesor Promedio
ANTES
Brillo del
Recubrimiento
ANTES
70
Brillo del
Recubrimiento
DESPUÉS
50
Brillo del
Recubrimiento
ANTES
60
E4.1 E4.2 E4.3 E4.4 E4.5 E4.6 E4.7 E4.8 E4.9
Brillo del
Recubrimiento
DESPUÉS
E4.1 a E4.9. Procedencia E
B4.1 a B4.9. Procedencia B
COMPORTAMIENTO DEL ESPESOR Y ELBRILLO
PROCEDENCIA C: EXPOSICIÓN NATURAL
Espesor Promedio
ANTES
120
110
100
Espesor Promedio
DESPUÉS
90
80
Brillo del
Recubrimiento
ANTES
70
60
C4
.1
C4
.2
C
4.
3
C
4.
4
C
4.
5
C
4.
6
C
4.
7
C
4.
8
C
4.
9
50
Brillo del
Recubrimiento
DESPUÉS
C4.1 a C4.9. Procedencia C
Como puede observarse en los gráficos del 1 al 5, para
cada una de las procedencias se mantienen las mismas
condiciones. A medida que el espesor aumenta, el brillo
disminuye y las pérdidas son mayores, tanto en el espesor
como en el brillo en los perfiles con espesor de recubrimiento
por encima de las 90 micras y es generalizada la situación
de la pérdida de espesor a valores por debajo de 60 micras
en la mayoría de los perfiles del grupo 1.
CONCLUSIONES
1. El clima marino-costero existente en Cuba ejerce una
gran influencia sobre los espesores de los recubrimientos
lacados sobre perfiles de aluminio, provocando su
disminución en algunos casos hasta valores por debajo de
los recomendados por Qualicoat para garantizar la
durabilidad.
2. De acuerdo con los resultados obtenidos se recomienda
la modificación de la especificación de espesor de
recubrimiento establecida en las directrices de Qualicoat para
garantizar la durabilidad de los perfiles de aluminio lacado
en el clima costero de Cuba a un rango de (70-90) µm.
45
3. Con la realización de este trabajo se ha demostrado
que resulta de extrema importancia perfeccionar en el país
mecanismos que obliguen tanto a productores como a
importadores de carpintería de aluminio lacado a enfrentar
los controles que garanticen la conformidad de sus productos
con el clima tropical de Cuba.
REFERENCIAS
1. SHOPPING, A. Directrices concernientes a la marca de
calidad para los revestimientos por termolacado (líquido o
polvo) del aluminio destinado a la arquitectura. 13a edición.
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www.aselaclacados.com/qualicoat/especificaciones.pdf
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3. NORMA ESPAÑOLA UNE EN ISO 2813: 99. Pinturas y
barnices. Determinación del brillo especular de
recubrimientos no metálicos, con un ángulo de 20°; 60° y
85°. AENOR (Asociación Española de Normalización y
Certificación). Madrid, España, 2010.
4. NORMA ESPAÑOLA UNE 38350: 2001. Aluminio y
aleaciones de aluminio para forja. Serie 6000. EN AW6060. AENOR (Asociación Española de Normalización y
Certificación), Madrid, España, 2010.
5. NORMA ESPAÑOLA UNE 38337: 2001. Aluminio y
aleaciones de aluminio para forja. Serie 6000. EN AW6063. AENOR (Asociación Española de Normalización y
Certificación). Madrid, España, 2010.
6. NORMA ASTM (American Standard of Testing Materials)
E 10: 2007. Determinación de la dureza Brinell de
materiales metálicos. West Conshohocken, PA 194282959. United States of America.
7. NORMA ESPAÑOLA UNE EN ISO 2810:05 Pinturas y
Barnices. Envejecimiento natural de recubrimientos.
Exposición y evaluación. AENOR (Asociación Española
de Normalización y Certificación). Madrid, España, 2010.
8. GONZÁLEZ PRADA, Candelaria; MARRERO ÁGUILA,
Rigoberto. "Factores ambientales y su influencia en la
agresividad corrosiva de la estación de ensayos de Cojímar.
Comparación con otras estaciones". Revista CENIC
Ciencias Químicas. ISSN 0254-0525. vol. 36, núm. 3, 2005.
pp. 181-185. Disponible en Web: http://www.redalyc.org/
pdf/1816/181620584007.pdf
AUTORES
Ingeniera Química, Laboratorio de Ensayos de Tropicalización
(LABET), Centro de Tecnología y Calidad (CTEC), Ministerio
de Industria, La Habana, Cuba
Ingeniera Química, Laboratorio de Ensayos de Tropicalización
(LABET), Centro de Tecnología y Calidad (CTEC), Ministerio
de Industria, La Habana, Cuba
Ingeniero Químico, Doctor en Ciencias, Profesor Titular, Facultad de Ingeniería Química, Instituto Superior Politécnico
José Antonio Echeverría,Cujae, La Habana, Cuba
Durability of Lacquered Aluminium Profile Considering
Tropical Weather Conditions
Abstract
Searching for solutions against the degradation of materials by corrosion effect, is a common practice
to use alloys such as aluminium instead of steel due to the advantages obtained. The lacquered
aluminium profiles can substitute other materials like wood, in the carpentry production, becoming an
economic saving. There is an increasingly use of aluminium replacing other traditional materials in
the constructions in process, but its quality has been reduced in a considerable amount of installations.
In this research, aluminium profiles from five different sources were submitted to a trial in natural
exposition conditions at the Tropical weather condition Testing Lab, in order to evaluate their behaviour
and establish, for the first time in our country, standing rules for lacquered aluminium profiles to be
strictly fulfilled by manufacturers and importers. The results will allow modifying thickness standards
of this type of coating, to guaranty its durability and to eliminate the failures provoked by our high
severe weather conditions.
Key words: lacquered, aluminium, corrosion testing, weather conditions, durability
46
INGENIERÍA QUÍMICA
Efecto corrosivo del agua acompañante
del petróleo contaminada con CO2 sobre
el acero de los ductos
Artículo Original
Juan Davis Harriett
Yischy Rivera Beltrán
Resumen
La corrosión del acero al carbono en tuberías de conducción de petróleo destinado a la venta, es un
problema grave, debido a que se producen grandes pérdidas materiales, económicas y en algunos
casos, daños a terrenos productivos. El propósito de este trabajo es determinar la agresividad del
agua acompañante del petróleo contaminada con CO2 (g), sobre el acero de construcción de los
oleoductos, teniendo en cuenta las variaciones de temperatura que ocurren durante el trasiego de
petróleo. Se empleó la técnica electroquímica de resistencia de polarización lineal (LPR) para determinar la velocidad de corrosión del acero debida al agua acompañante del petróleo contaminada con
dióxido de carbono. Se demostró que el aumento de la temperatura y de la condición de saturación
del CO2 en el agua acompañante del petróleo, acentuó el fenómeno de corrosión que experimentó el
acero. Los resultados de los espectros de ruido electroquímico y los valores de índice de localización calculados, demuestran la presencia de corrosión localizada en la superficie del acero
(API 5L X - 52). Este resultado fue complementado por la técnica de microscopía óptica que permitió
corroborar la pobre adherencia de las capas que se depositan sobre el metal y que la aparición de
eventos localizados aumenta en el medio que se investigó con el incremento de la temperatura y
concentración de CO2.
Palabras claves: corrosión electroquímica, agua acompañante del petróleo, oleoductos
Recibido: 26 de marzo del 2013
Aprobado: 28 de junio del 2013
INTRODUCCIÓN
Los oleoductos son conducciones metálicas de diferentes
diámetros, empleados en el transporte de petróleo y de sus
productos refinados a grandes distancias. Estos parten de
los yacimientos petrolíferos o de las refinerías, y desembocan
en puertos de embarque, refinerías o grandes centros de
consumo (áreas de almacenamiento, industrias y otros).
Gracias a las ventajas económicas que ofrece la conducción
de fluidos por oleoductos soterrados a largas distancias, se
hace necesario disminuir al máximo la corrosión interior del
tubo, ya que mediante estos se translada toda la producción
de perforación y extracción de petróleo.
El petróleo no es conductor eléctrico, de ahí que se
considere no corrosivo, más cuando están presentes
sustancias como: CO2(g), H2S(g) en el agua de capa [1] estas
se consideran impurezas en la misma y les imparten el
carácter corrosivo y están presentes en muchos campos de
producción de gas y crudo.
El hecho de que el proceso de separación del agua del
petróleo no sea totalmente eficiente, provoca que cierta
cantidad de agua recorra el ducto en forma de emulsión
Efecto corrosivo del agua acompañante del petróleo contaminada con CO2 sobre el acero de los ductos
petróleo-agua la que al ir avanzando el fluido se quede retenida
dentro del tubo [2], en los lugares más bajos de su recorrido,
lo que trae como consecuencia la ocurrencia del fenómeno
de corrosión interior de la tubería de tipo localizada.
En medio acuoso, el dióxido de carbono (CO2(ac)) ataca
al acero no aleado y la velocidad de corrosión depende del
valor de pH de la solución y de la temperatura [3].
Esta disolución lleva a la formación de ácido carbónico:
H 2O l   CO2 g   H 2CO3 ac 
(ácido carbónico), el cual es un ácido débil porque las
disociaciones son pocas:
H 2CO3  ac   H   ac   HCO3  ac  (ion carbonato)
Por otra parte, la disolución del gas CO2, genera CO2 en
estado acuoso lo que se representa como:
CO2 g   H2O l   CO2ac   H 2O l 
CO2ac   H2O l   HCO3 ac   H  ac  K /  ac 
HCO 3  ac   H 2Ol   CO3 2  ac   H 3O  ac K / / ac 
Se observa que la reducción normal del H+ a H2 y la de las
especies de HCO3 probablemente se le añadan a la
reacción catódica.
Las fallas por corrosión en países industrializados ocupan
el 33 % y en la industria petrolera, la corrosión por CO2 es
28 %, superior a la de H2S que es un 18 % [4].
Por la importancia económica que representa para el país
el transporte de los crudos desde los yacimientos hacia las
estaciones centrales, se trabaja en la determinación del
mecanismo de corrosión de este gas indeseable disuelto en
una proporción de agua retenida por problemas
operacionales.
El presente trabajo tiene como objetivo determinar la
agresividad del agua acompañante del petróleo contaminada
con CO2 (g), sobre el acero de construcción de los oleoductos,
teniendo en cuenta las variaciones de temperatura que
ocurren durante el trasiego de petróleo [5]. La temperatura
es uno los factores que influye en la velocidad de corrosión
de la instalación objeto de investigación.
Se realizaron ensayos electroquímicos para el acero de
los oleoductos en presencia de agua de capa, de formación
o acompañante del petróleo, extraída del tanque de aguas
residuales a temperaturas de 50 oC y 70 oC, en ausencia y
presencia de dióxido de carbono (CO2) a una condición de
saturación. Para dichos ensayos en condiciones dinámicas
se diseñó una celda de vidrio en forma de U de 700 mL de
capacidad, de 3 bocas: la boca central para el puente salino,
con electrodo calomel saturado, otra para el agitador y la
que le corresponde al sensor de trabajo. Se montó la celda
48
electroquímica en un termostato que permitió regular la
temperatura del ensayo. Luego se conectó al equipo Field
Machine mediante cables recubiertos, donde un terminal va
a la celda y la otra al equipo, que se encarga de recibir las
señales de los procesos de corrosión y expresarlas en valores
gráficos y numéricos.
Las técnicas electroquímicas empleadas fueron la
resistencia de polarización lineal (LPR) según la Norma
ASTM G-59 [6] y la de ruido electroquímico, según la
Norma ASTM G-199[7]. Por la gran cantidad de datos,
que se genera en la técnica de LPR y a pesar que esta
se procesa estadísticamente por el software, se le realizó
la prueba de Dixon como tratamiento estadístico para el
análisis de los valores más alejados con una probabilidad
de 95 %. Para el tratamiento estadístico se utilizó la Norma
ASTM G 16-95 [8].
Para caracterizar el medio, es decir, el agua de capa
objeto de la investigación, se procedió a la determinación
de parámetros físico-químicos como son: cloruros (Norma
ISO 9297) [9], sulfuros (Norma APHA 4500) [10], pH a
25 0C (Norma ISO 10523) [9], densidad (Norma ALPHA:98
Edición 20 ) [10] y la conductividad a 25 0C (Norma
APHA 2510) [10] .
El agua de capa o de formación se contaminó con CO2
según adecuación a la Norma NACE -1D -182 [11].
Para la identificación de las capas de depósitos se utilizó
un microscopio óptico de luz reflejada, modelo Axiovert 25
de la Zeiss.
La determinación de la composición físico-química del agua
de capa, se presenta en la tabla 1. En esta se puede observar
que el valor de pH (7,90), denota la capacidad tampón al
evitar que los niveles de pH del agua lleguen a ser
demasiados básicos o ácidos.
Teniendo en cuenta la alta concentración de cloruros y la
baja resistividad del agua de capa, puede considerársele un
parecido con el agua de mar (25  x cm), filtrada a través de
las rocas sedimentarias, dada su proximidad a las costas.
El agua de capa es un medio altamente corrosivo,
característica que le confiere además de los cloruros y la
baja resistividad, la contaminación de CO2.
Resultados de los ensayos electroquímicos
En la presente investigación, los factores externos que
influyen sobre la corrosión electroquímica son: la
temperatura, el movimiento relativo del medio corrosivo (agua
de capa) y la presencia de una mayor concentración del
contaminante CO2 (g) en el agua de capa con relación a la
estructura metálica.
En la tabla 2 se observa, en todos los casos, valores de
velocidad de corrosión elevada. Esto se debe entre otros
factores al aumento de la movilidad iónica de las especies
en solución que favorece a los procesos anódicos y catódicos
que son los responsables de las magnitudes de velocidad
Alexander Cueli Corugedo - Yosmari Adames Montero - Juan Davis Harriett - Yischy Rivera Beltrán
Tabla 1
Composición físico-química del agua de capa
Índices
Agua de capa
Cloruros (mg / L)
19 534
Sulfuros (mg/ L)
220
Alcalinidad (mg/L) (Ca CO3)
657
0
pH (25 C)
7,90
En la figura 1 se presenta también la influencia de la
temperatura y los contaminantes en la velocidad de corrosión
obtenidos por la técnica de LPR de forma gráfica. El ensayo
correspondiente al agua de capa sin contaminación adicional
(curva verde ), presenta un ligero incremento de la velocidad
de corrosión en el rango de temperaturas 35-50° C. A partir
de este valor el aumento es proporcional, no siendo así
cuando se contamina el medio con CO2 (g) donde existe un
ligero aumento del parámetro que se mide debido a la
hidrólisis del CO2 (g) y a la formación del ácido carbónico
(H2CO3 (ac)) que al ser muy inestable, se reduce rápidamente
y pueden presentarse algunos eventos localizados.
El resultado que se obtiene con la técnica de ruido
electroquímico para el acero del ducto en las condiciones
evaluadas a las temperaturas de 50 y 70 °C se presenta en
las figuras 3 y 4. En todos los casos, se aprecian fluctuaciones
marcadas de potencial seguidas de recuperaciones
exponenciales concernientes a posibles eventos localizados
[3]. La presencia del CO2 y el aumento de la temperatura a
70 °C favorecen el incremento de transitorios que advierten
eventos de localización en la superficie del metal y la
formación de capas poco protectoras.
Velocidad de Corrosión
(mm/ año)
que se reportan [5]. Al analizar las temperaturas que se
ensayan: 50 y 70 0C, se denota que las velocidades de
corrosión aumentan al cambiar dicho factor externo, siendo
más acentuado cuando se alcanza la temperatura de 70 0C.
El incremento de la velocidad de corrosión se hace
marcado cuando se contamina el sistema de estudio con
CO2 y se hace extrema cuando se aumenta además la
temperatura, reportándose el valor más elevado de todos los
ensayos (6,814 3 mm/ año).
En la investigación se llevó a cabo el análisis de la influencia
que ejerce el movimiento de la solución corrosiva en la
velocidad de corrosión del acero en agua de capa. En
condiciones estáticas (figura 1), se obtiene un aumento de
la velocidad de corrosión a medida que la temperatura del
medio se eleva. Se destaca que dichos valores son menores
que los obtenidos en condiciones dinámicas (figura 2).
Lo anterior guarda relación con lo planteado por la literatura
donde la velocidad de corrosión aumenta, al aumentar la
velocidad del medio corrosivo cuando el proceso está bajo
control catódico de difusión, tal como ocurre con el hierro en
agua de mar.
12
10
8
H2O capa
6
H2O capa + CO2
4
2
0
20
3
Densidad (25 ºC)
1,025 g/cm
Conductividad (25 o C) ( mS/cm)
Resistividad
35
50
65
48,8
21  x cm
Fig. 1. Comportamiento de la velocidad de corrosión Vs.
temperatura en condiciones estáticas
Ta bla 2
Resulta do s d el ensa yo d e resistencia de po larización linea l e n co nd iciones dinámica s
Ensa yos
P ot. Rep .
(mV)
LPR
(o hm/cm 2 )
Icorr (mA /cm 2 )
V corr(mm/ a ño)
A gua d e cap a (50 o C )
- 64 8
7 4 0,39 4 3
0 ,0 35 6 5
0,42 4 7
A gua d e cap a (70 o C )
- 65 2
6 5 ,9 58 0
0 ,3 97 7 0
4 ,6 29 0
A gua d e cap a
(5 0o C ) + C O 2 (g)
- 65 4
12 3, 8 78
0 ,2 11 05
2,39 6 9
A gua d e cap a
(7 0o C ) + C O 2 (g)
- 66 8
12 3,08 8 7
0 ,5 84 4
6,81 4 3
donde:
Pot. Rep: Potencial de reposo.
LPR: Resistencia de polarización lineal.
Icorr: Corriente de corrosión.
Vcorr: Velocidad de corrosión determinadas por LPR.
49
Velocidad de corrosión (mm/año)
30
25
20
H2O capa
H2O capa + CO2 (g)
15
10
La Norma ASTM G-199 [7] empleada en la técnica de ruido
electroquímico, permite conocer el índice de localización de
picaduras y establece que con valores superiores a 0,1 existe
corrosión localizada, mientras que a valores cercanos a 1,
plantea el predominio de este tipo de mecanismo.
En la tabla 3 se muestran los índices de localización para
cada ensayo realizado, obteniéndose un aumento proporcional
del parámetro que se mide con la temperatura.
5
Ta b la 3
Índ i c e d e lo c a liza c i ó n (L I)
0
20
35
50
65
E ns a yo s
o
Temperatura ( C)
Corriente (mA/cm2)
Fig. 2. Comportamiento de la velocidad de corrosión Vs.
temperatura (condiciones dinámicas)
Potencial (mV)
Tiempo (Minutos)
Tiempo (Minutos)
Corriente (mA/ cm2)
Fig. 3. Espectro de ruido electroquímico del agua de capa
a 50 0C con dióxido de carbono
LI
1
A g ua d e c a p a a 5 0 °C
0 ,1 8
2
A g ua d e c a p a a 7 0 °C
0 ,4 4
3
A g ua d e c a p a a 5 0 °C + C O 2
0 ,6 2
4
A g ua d e c a p a a 7 0 °C + C O 2
0 ,8 2
Análisis de las micrografías obtenidas mediante
microscopia óptica
Se realizó posteriormente el estudio de la morfología de
las capas de depósitos formados y el tipo de corrosión que
se observó por visualización de cambios en la superficie
después de la remoción de los productos de la corrosión por
microscopía óptica [3].
En la figura 5 se muestra la morfología de la capas de
depósito sobre la superficie del metal, las que se caracterizan
por ser poco adherentes y porosas, que se van desarrollando
con el aumento de la temperatura de ensayo [2]. Este
aspecto es muy importante y falla en los diferentes modelos
que se han desarrollado para describir la corrosión del acero
en presencia de CO2.
En presencia de CO2 (g), la velocidad de corrosión aumenta
en este medio y se incrementa aun más con el ascenso de
la temperatura, lo que puede atribuirse este comportamiento,
a la pobre adherencia de las capas que se depositan sobre
la superficie del metal, que las clasifica como no protectoras.
Se debe tener en cuenta, la particularidad de que con el
aumento de la temperatura, las capas se fracturan con mayor
facilidad y hay una mayor aparición de eventos localizados
con tendencia a la picadura.
Potencial (mV )
Tiempo (Minutos)
Tiempo(Minutos)
Fig. 4. Espectro de ruido electroquímico del agua de capa a
70 0C dinámicas con dióxido de carbono
50
Fig. 5. Micrografías obtenidas mediante microscopia óptica a
200 X del acero ducto en agua de capa a la temperatura
de 70 0C con CO2
Alexander Cueli Corugedo - Yosmari Adames Montero - Juan Davis Harriett - Yischy Rivera Beltrán
La técnica de microscopia óptica evidenció la pobre
adherencia de las capas que se depositan sobre el metal,
que se fracturan con mayor facilidad y que incremento la
aparición de eventos localizados con el aumento de la
temperatura y presencia de CO2 en el medio que se investigó.
CONCLUSIONES
1. El agua de capa es un medio altamente corrosivo,
característica que le confiere además de los cloruros y la
baja resistividad, la contaminación adicional de CO2.
2. Los resultados de los espectros de ruido electroquímico
y los valores de índice de localización calculados en ambos
medios corrosivos, demuestran de forma general la presencia
de corrosión localizada en la superficie del acero.
3. La técnica de microscopía óptica evidenció la pobre
adherencia de las capas de productos de corrosión, que se
depositan sobre el metal y la aparición de eventos localizados
en el medio corrosivos, que aumentan en presencia de CO2
y el factor temperatura evaluado.
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corrosión por CO2 + H2S en tuberías de acero al carbono".
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N1/RLMMArt09S01N1-p251.pdf
51
AUTORES
Ingeniero Químico, Laboratorio de Corrosión, Centro de
Investigaciones del Petróleo (CEINPET), La Habana, Cuba
Ingeniera Química, Máster en Corrosión, Laboratorio de
Corrosión, Centro de Investigaciones del Petróleo
(CEINPET), La Habana, Cuba.
Juan Davis Harriett
Ingeniero Químico, Laboratorio de Corrosión, Centro de
Investigaciones del Petróleo (CEINPET), La Habana, Cuba
Yischsy Rivera Beltrán
Ingeniera Metalúrgica, Laboratorio de Corrosión, Centro de
Investigaciones del Petróleo (CEINPET) La Habana, Cuba
Corrosive Effect of Formation Water in Petroleum with High
Contents of CO2 on Steel Pipelines
Abstract
The corrosion of the carbon steel pipelines of petroleum, is a serious problem, because big economic
and material losses take place and in some cases damages to productive lands. The purpose of this
work is to determine the aggressiveness of the formation water of the petroleum contaminated with
CO2 (g), on the construction steel of the pipelines, keeping in mind the variations of temperature that
happens during the course of petroleum. The Linear Polarization Resistance (LPR) was used to
determine the corrosion rate of the steel. It was demonstrated that the increase of the temperature
and the saturation condition of CO2 in the formation water of the petroleum, increase the corrosion in
the steel. The spectra of electrochemical noise results and the localization index calculated demonstrate
the presence of corrosion located in the API 5L X - 52 steel surface. This result was complemented by
the Optic Microscopy technique that allowed corroborating the poor adherence of the layers that were
deposited on the metal and the appearance of located events increases in the environment that was
investigated with the increment of the temperature and CO2 concentration.
Key words: electrochemical corrosion, formation water, steel pipelines
52
TELECOMUNICACIONES
Diseño de la señal excitadora y del filtro
adaptado para un radar de compresión
de pulsos
Artículo Original
Fuerzas Armadas Revolucionarias (FAR), La Habana, Cuba
Argel González Padilla
Resumen
El presente artículo aborda el empleo de la técnica de compresión de pulsos de radar, haciendo
énfasis en la modulación lineal de frecuencia (MLF). Se plantean las características principales del
filtro adaptado como elemento encargado de la compresión del pulso y se derivan operaciones
algebraicas para eliminar el efecto de la fase de la señal recibida en la capacidad de detección.
Se modela una estructura hardware para la conformación del pulso transmitido en lenguaje de
descripción de hardware de circuitos integrados de muy alta velocidad (VHDL). El resultado obtenido
es un primer paso en la actualización técnica de radares para aumentar el poder de resolución de los
mismos.
Palabras claves: radar, modulación lineal de frecuencia (MLF), filtro adaptado,lenguaje de descripción
de hardware de circuitos integrados de muy alta velocidad (VHDL)
Recibido: 28 de septiembre del 2012
Aprobado: 18 de junio del 2013
INTRODUCCIÓN
La mayor parte de los radares instalados en Cuba son
sistemas implementados con transmisores que operan sobre
la base de tecnologías de tubos al vacío. Estos son equipos
voluminosos y pesados que para lograr una resolución de
6 s hacen uso de pulsos de pequeña duración y bajo
porcentaje del ciclo útil; por este motivo requieren suministros
de altos niveles de potencia de 180 kW para lograr la energía
mínima necesaria requerida en el proceso de detección.
El presente artículo tiene el objetivo de contribuir con la
modernización de estos sistemas de radar mediante la
adaptación del transmisor de estado sólido TCI-10/25-03 [1]
a un radar de la banda métrica. Los transmisores de estado
sólido son equipos que operan sobre la base de circuitos
integrados, por lo que en comparación con los transmisores
de tubos al vacío son equipos más pequeños y menos
pesados que requieren de un menor consumo de potencia
con 25 kW, lo que permite manejar mayores anchos de banda
con buena eficiencia [2].
Debido a que los transmisores de estado sólido operan
con bajos niveles de potencia de transmisión, la energía de
la señal disminuye al continuar transmitiendo con la misma
duración de pulso, y por consecuente se afecta la probabilidad
de detección; por otra parte este transmisor de estado sólido
no logra transmitir su potencia en 6  s. El inconveniente de
la potencia de transmisión puede ser resuelto aumentando
el tiempo de duración de la señal transmitida, ya que esto
permite mantener la energía por pulso utilizando la potencia
de transmisión disponible de 25 kW [2].
Diseño de la señal excitadora y del filtro adaptado para un radar de compresión de pulsos
E
Pt  
2
(1)
donde:
DISEÑO DEL TRANSMISOR
La señal transmitida se diseña modulada linealmente en
frecuencia para lograr una expansión del espectro de la
misma, esta modulación consiste en hacer un incremento
de la frecuencia instantánea de forma lineal a partir de la
frecuencia de inicio de barrido f0, verificándose temporalmente
una ley cuadrática de fase y constante de modulación 
como indica la ecuación (2):
x(t )  cos[2 (f0 t 
 2
t )]
2
0  t 
Am plit ud
t
Filtro
Adaptado
t
2/B = t c
t
Fig.1. Proceso de compresión de pulsos de radar
54
(2)
El eco de esta señal proveniente del blanco será procesado
por un filtro adaptado, caracterizado por un retardo de grupo
que es lineal e inverso al aplicado a la señal en el trasmisor
Amplitud
Pt : Potencia de transmisión.
 : Duración del pulso transmitido.
Sin embargo, un pulso más largo hace que la resolución
se deteriore en la detección de los blancos suficientemente
cercanos entre sí. Con esta solución se puede transmitir la
energía necesaria pero no con la resolución deseada de
6 s. Esto puede ser revertido a través del proceso de
compresión de pulsos de gran ancho de banda y empleando
como receptor un filtro adaptado (FA).Esta técnica permite
transmitir un pulso de gran duración y comprimir el eco
recibido hasta obtener un pulso estrecho que garantice el
rango de resolución deseado [2-3]. La figura 1 muestra el
efecto de la compresión de pulsos, la señal transmitida con
un ancho temporal de  segundos es reducida al pasar por
el FA a c= 2/B s cuando es modulada linealmente en
frecuencia (MLF), donde B representa el ancho de banda de
la señal transmitida. Con base en el FA es posible conformar
con el transmisor de estado sólido una señal con 43,2 s de
duración de 25 kW de potencia, esta con igual energía que
la señal conformada por el transmisor de tubos al vacío de
6 s de duración y 180 kW de potencia. La modulación MLF
en conjunto con el FA logra la compresión de 43,2 s a 6 s,
de modo que finalmente no se pierde resolución.
A la salida del FA se obtiene la función de autocorrelación
de la señal recibida, dado que esta forma un par transformado
con la densidad espectral de potencia de la señal, es de
esperar que mientras mayor sea el contenido de frecuencia
de la modulación mayor será la compresión de dicho pulso
a la salida del filtro.
La implementación de la técnica de compresión de pulsos
parte de la transmisión de una señal de gran ancho de banda,
lo cual puede ser logrado a través de técnicas de modulación
que esparcen el espectro de dicha señal antes de ser
transmitida. Existen dos esquemas de modulación para
aumentar el ancho de banda del pulso transmitido, la
modulación de la frecuencia instantánea y la modulación
de fase.
De las modulaciones abordadas por la literatura científica
sobresalen la modulación lineal y no lineal de frecuencia
(MLF y MNLF), así como la modulación por código de fase
(MCF) como las más utilizadas.
De estas la MLF resulta ser la más aplicada e investigada
por ser muy fácil de implementar en software y en hardware
[4-6]. La principal desventaja que presenta la MLF es que
junto al lóbulo principal son generados lóbulos laterales
temporales del pulso comprimido, que pueden llegar a
enmascarar blancos de poca superficie efectiva de reflexión
por lo que es requerido aplicar algún método para reducir el
nivel de estos lóbulos. Sin embargo, este inconveniente puede
ser asumido en comparación con las ventajas que ofrece su
uso, principalmente su fácil implementación en hardware a
diferencia de la MNLF y la MCF [3].
El presente artículo propone el diseño en lenguaje de
descripción de hardware del esquema transmisor-receptor
con la modulación MLF y el FA en su versión no coherente,
este último con modificaciones para realizar una detección
independiente de la fase del eco recibido. Este esquema
funciona como sistema acoplado al transmisor de estado
sólido y en su conjunto presenta los beneficios de menor
consumo de potencia, mayor portabilidad y se preserva la
capacidad de detección y resolución.
Revista Cubana de Ingeniería . Vol. IV, No. 3, septiembre - agosto, 2013, pp. 53 - 59, ISSN 2223 -1781
Heriberto García López - Emedin Rodríguez Águila - Nelson Chávez Ferry - Argel González Padilla
en la modulación. De esta forma las frecuencias más altas
al inicio del pulso se van a retrasar y sumar de forma
coherente con las frecuencias más bajas al final del
mismo, provocando una compresión del pulso a la salida
de dicho filtro.
El diseño de la señal a transmitir fue realizado en el entorno
de Simulink del programa de simulación MatLab. El objetivo
perseguido fue conformar el argumento del coseno de la señal
descrita en (2) y luego realizar el cálculo de la función
trigonométrica mediante un bloque para lenguaje de
descripción de hardware (HDL) de la librería hdllib de este
mismo entorno. La figura 2 muestra el diseño propuesto.
En el diseño de la figura 2 se logra el efecto del incremento
discreto del tiempo mediante la multiplicación de los valores
de un contador por el tiempo de muestreo Tm, luego se
multiplica por f0 en una rama y se eleva al cuadrado y se
multiplica por en la otra, ambas se suman y con esto se
conforma el argumento de la señal trigonométrica excepto
por el valor de 2 ,el cual es añadido por el bloque encargado
de calcular el coseno de dicha suma. Los motivos de
multiplicación por la ventana de Kaiser son explicados en el
apartado del receptor.
Con el objetivo de corroborar el correcto funcionamiento
del mismo y obtener una representación más clara de la
señal obtenida se realizó una simulación sin el efecto de la
ventana de Kaiser y con baja frecuencia de muestreo. El
resultado se muestra en la figura 3, donde se observa cómo
la frecuencia va aumentando paulatinamente con el
incremento de la cantidad de muestras.
El radar de la banda métrica a modernizar hace uso de un
pulso de 6 s y una potencia de transmisión de 180 kW, la
máxima potencia disponible en el transmisor de estado sólido
es de 25 kW, para conservar con igual valor la energía y no
empeorar la capacidad de detección el nuevo pulso debe
tener una duración de 43,2 s, esto obtenido mediante la
ecuación (1).
La MLF permite obtener un ancho de banda de B = 2 / c,
donde  c representa el ancho del pulso comprimido como
muestra la figura 1, para obtener una resolución de 6 s es
necesario que la señal tenga un ancho de banda de
333 kHz. Este radar está sintonizado a una frecuencia intermedia
de 30 MHz lo cual conlleva que la frecuencia de inicio de barrido
tome un valor correspondiente a la diferencia entre 30 MHz y
la mitad del ancho de banda de la señal igual a 29,833 5 MHz,en
una etapa posterior esta señal será trasladada hasta los
180 MHz que es la portadora del transmisor. El valor de  es la
razón entre el ancho de banda y la duración del pulso igual a
7,708 3 .109, teniendo en cuenta estos valores se realizó la
simulación; el resultado se muestra en la figura 3.
Una vez diseñado y simulado en el entorno de Simulink el
esquema de transmisión de la señal se prosiguió al diseño
en VHDL. Los bloques utilizados pertenecen a la librería hdllib
de MatLab, estos permiten generar un código secuencial en
lenguaje VHDL. Para la aplicación en un dispositivo FPGA
(Field ProgrammableGateArray-campo de arreglo de
compuertas programables) es necesario que el sistema sea
síncrono, por lo que es importante realizar algunos cambios
al código generado por Simulink con este fin; así como
también adaptarlo para que la señal tome valores válidos
durante la duración del pulso y sea cero hasta tanto no haya
transcurrido el período de repetición.La frecuencia de
repetición se fijó en 300 Hz, lo cual, como indica la ecuación,
permite obtener un alcance máximo de 500 km (3)[2].
D
Fig. 2. Esquema propuesto para el diseño de la señal MLF
Fig. 3. Señal MLF obtenida en la primera simulación. Los
parámetros de la señal son: fm= 1MHz, T = 3ms, B = 15 kHz,
f0 = 1 kHz,  = 7,708 3.109
c
2fr
(3)
donde:
D : Representa el rango de alcance máximo inambiguo.
c : Representa la velocidad de la luz en el vacío.
fr : Representa la frecuencia de repetición del pulso.
La figura 4 muestra la simulación realizada en el software
Quartus II para la tarjeta EP2C20F484C7de la familia
Altera [7], esto para bajas frecuencias de muestreo con el
objetivo de verificar el diseño y sin el empleo de la ventana de
Kaiser.
Fig. 4. Simulación de la señal MLF en el software Quartus II
55
DISEÑO DEL RECEPTOR
El diseño del receptor se basó fundamentalmente en el
esquema propuesto en [8] con algunas modificaciones; el
objetivo del diseño consiste en realizar una detección
independiente de la fase de la señal recibida como se indica
en la ecuación (4). De emplearse el típico receptor no
coherente [9] con receptores de correlación en fase y
cuadratura se obtiene que la amplitud máxima de la señal
recibida varía con la fase como se indica en la figura 5, tal
efecto es producido por la falta de ortogonalidad entre las
funciones base indicadas en la relación (5) mediante las
funciones trigonométricas cos(x)y sen(x).
SRx  Ar cos[2 (f0 t 
SRx  Ar cos[2 (f0t 
t 2
)  ]
2
(4)
t 2
t 2
)]cos( )  Ar sen[2 (f0t 
)]sen()
2
2
(5)
de la modulación MLF (t), las mismas son independientes
de la fase  de la señal recibida. En (6) se puede observar
que con la operación del receptor de correlación no coherente
(Sout_s+Sout_i)2 no se evita el efecto de la fase y se obtienen
resultados como el que se muestra en la figura 5.
Las ecuaciones planteadas en (6) pueden ser abordadas
considerando como variables independientes cos()y
sen( ), cuando se despejan ambas en la ecuación (7) puede
emplearse la relación trigonométrica cos2()+ sen2( )=1 y
derivarse así las operaciones a realizar con Sout_sy Sout_ipara
obtener un receptor independiente de la fase de la señal
recibida.
cos( ) 
sen( ) 
A r (Sout _ i Ss  Sout _ sCs )
2
2
s
Ar (SsCc  C )
A r (Sout _ i Cs  Sout _ sCc )
2
2
s
Ar (SsCc  C )
cos( )2  sen( )2  sen( ) 
1


(Sout _ i Ss  Sout _ sCs )
A r (SsCc  C 2s )
(Sout _ i Cs  Sout _ sCc )
A r (SsCc  C 2s )
(Sout _ i Ss )2  2(Sout _ i Ss )(Sout _ sCs )  (Sout _ sCs )2
Ar 2 (SsCc  C 2s )2
(Sout _ i Cs )2  2(Sout _ i Cs )(Sout _ sCc )  (Sout _ sCc )2
Ar 2 (SsCc  C 2s )2
(7)
Finalmente se puede observar que es posible despejar
la amplitud de la señal recibida para obtener una relación
con la salida de los filtros adaptados independiente de la
fase (8).
Fig. 5. Efecto de la fase en la amplitud máxima del receptor de
correlación no coherente
Con el objetivo de desarrollar un receptor independiente
de la fase de la señal transmitida se plantea el desarrollo
analítico de la salida del receptor de correlación en fase y
cuadratura con los resultados mostrados en (6) [8].
T
Sout _ s   (SRx ) * (MLFs (t ))dt  Ar Cs cos( )  Ar Ss sen( )
0
T
Sout _ i   (SRx ) * (MLFc (t ))dt  Ar Cc cos( )  Ar Sc sen( )
0
(6)
Donde Sout_s y Sout_iindican la salida de ambos filtros de
correlación en fase y en cuadratura, mientras que MLFs(t) y
MLFc(t) indican las funciones bases de la modulación. Las
constantes Cs, Cc y Ss aparecen como resultado de aplicar
la integral al producto de la señal recibida y la función base
56
Ar 2 
Sout _ i 2 (Ss2  Cs2 )  2Sout _ i Sout _ sCs (Ss  Cc )  Sout _ s2 (Cs2  Cc2 )
(SsCc  Cs2 )2
(8)
La ecuación (8) indica el conjunto de operaciones a realizar
con Sout_sy Sout_i,con el fin de obtener un receptor que recupere
para cualquier valor de fase la amplitud de la señal recibida
Ar. Los resultados de este receptor se muestran en la
figura 6 con Ar=1, estos resultan contrastantes con respecto
a la figura 5, a partir de que la amplitud máxima del receptor
no varía con la fase y además se recupera en valor.
Al igual que el transmisor se diseña, el receptor en el
entorno de Simulink con los bloques de la librería hdllib, los
resultados se muestran en la figura 7. Los bloques de filtro
digital hacen función del cálculo de autocorrelación cuando
se almacena en sus coeficientes las funciones bases
muestreadas, estos se implementan con las megafunciones
del software Quartus II [10].
Fig. 6. Resultados con las operaciones de la ecuación (8)
Fig. 7. Esquema de recepción propuesto
Para implementar el diseño de la figura 7 en VHDL se
debe tener en cuenta las capacidades de almacenamiento
del Cyclone II instalado en la tarjeta EP2C20F484C7. En
este caso es posible el almacenamiento de 2 000 muestras
para cada filtro de la figura 7 con 12 bits de precisión, no
obstante la señal transmitida como se muestra en la figura 4
requiere de 3 000 muestras para su representación teniendo
en cuenta la relación de Nyquist [11].
Para lograr la reducción de 3 000 a 2 000 muestras se
emplea el truncamiento con la ventana de Kaiser [12] con el
objetivo de controlar espectralmente los lóbulos laterales y
el ancho de banda de la señal transmitida original. La señal
almacenada en fase queda como se muestra en la figura 8,
a diferencia de lo que se presenta en la figura 4 su envolvente
termina siendo controlada por la forma de la ventana de
Kaiser, las constantes Cs, Cc y Ss de la figura 7 se calculan
por la relación (9) empleandola ventana [13].
T
Cs   cos[2 (f0 t 
0
0
t 2
)]kaiser 2 (t )dt
2
(9)
Por otra parte, si se recibe con funciones bases modificadas
por la ventana de Kaiser se hace necesario transmitir con
esta ventana dado que se desea realizar una detección
óptima; por tal motivo se incorpora este elemento en el diseño
del transmisor de la figura 2. La versión final del diseño es
transmitir una forma de onda como se muestra en la figura 8
y recibir mediante el esquema de la figura 7. En la figura 9
se presenta el resultado del empleo del esquema transmisorreceptor propuesto cuando se recibe una señal con desfasaje
 = 3 /2, la amplitud del lóbulo principal resulta en 6,11 s,
lo cual representa un error de 1,8 % del valor esperado de
compresión de 6 s.
t 2
t 2
)]sen[2 (f0 t 
)]kaiser 2 (t )dt
2
2
T
Cc   cos2 [2 (f0 t 
0
T
Ss   sen 2 [2 (f0 t 
t 2
)]kaiser 2 (t )dt
2
Fig. 8. Señal MLF para los parámetros reales de diseño en
el software Quartus II con empleo de la ventana de Kaiser
57
Fig. 9. Señal de salida del filtro adaptado para una fase de 3 /2
CONCLUSIONES
Con el objetivo de contribuir a la modernización del radar
de la banda métrica mediante la adaptación de un
transmisor de estado sólido, se propuso el empleo de la
modulación MLF, por lograr las tasas de compresión
necesarias y por ofrecer una fácil implementación en
software y en hardware.
A través del análisis del receptor no coherente se
realizaron manipulaciones al mismo para independizar la
amplitud máxima a su salida de la fase de la señal de
arribo. Estos cambios aunque introducen más aritmética
de procesamiento permiten conservar la probabilidad de
detección.
Se diseñó la señal a transmitir y el receptor asociado
en lenguaje VHDL mediante el software Quartus II con el
fin de lograr su implementación en FPGA. Esta plataforma
permitió implementar un receptor en tiempo real y la
posibilidad de reprogramar su funcionamiento, lo cual
posibilita además un nivel de empaquetado tal que
beneficia mucho su instalación.
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Manual Rlease1.2 TCI-10/25-03". Padua, Italia, 134 pp.
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N0. 00EX364, 695-698 pp. ISBN 0-7803-5743-4.
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Compression Technique for X-band Radar," presented at
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International Bhurban Conference on 2007, Islamabad.
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Reference Manual" [ref. febrero2006].Disponible en la
W e b : h t t p : / / w w w. i f e . e e . e t h z . c h / e d u c a t i o n /
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8.MORALES GUERRA, Andy L.; LÓPEZ MOYANO,
Jorge F. "Contribución a la modernización de radares
de banda métrica mediante el diseño de un receptor
para una señal de sondeo modulada linealmente en
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Instituto Superior Politecnico José Antonio Echeverria,
La Habana, Cuba. 2011.
9. SKLAR,Bernard. Digital Communications, Fundamentals and Applications, second edition, Prentice Hall, 2001,
953 pp. ISBN 0-13-084788-7.
10. ALTERA. "FIR Compiler: User Guide" [ref. Abril 2009].
Disponible en la web: http://www.altera.com/literature/ug/
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11. CARLSON, A. Bruce; CRILLY, Paul B.; RUTLEDGE,
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Signals and Noise in Electrical Communication, fourth
edition, McGraw-Hill, USA, 2002, 853 pp. ISBN 0-07011127-8.
12. Alan, V.; Oppenheim, Ronald. Discrete-Time Signal
Processing, second edition New Jersey, USA, 1998.823
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13. ÁGUILA R., Emedin; LÓPEZ G., Heriberto. "Diseño
de un radar de compresión de pulsos, de la banda métrica,
empleando modulación lineal de frecuencia: Desarrollo
en FPGA de la señal excitadora para un transmisor a
estado sólido". Director: Argel González Padilla. Tesis
de Diploma, Instituto Superior Politecnico José Antonio
Echeverria, La Habana, Cuba. 2012.
AUTORES
Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica, Fuerzas
Armadas Revolucionarias, La Habana,Cuba
Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica, Fuerzas
Armadas Revolucionarias, La Habana,Cuba
Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica, Doctor en
Ciencias Técnicas, Doctor en Ciencias, Profesor Titular, Departamento de Telecomunicaciones y Telemática, Facultad
de Ingeniería Eléctrica, Instituto Superior Politécnico José
Argel Gónzalez Padilla
Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica, Máster en
Ciencias, Profesor Asistente, Departamento de Telecomunicaciones y Telemática, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae,
La Habana, Cuba
Design of Excitatory Signal and Matched Filter for
Compressed Pulsed Radar
Abstract
In this paper is presented pulse compression technique in radar, focusing on Linear Frequency
Modulation (LFM). Matched Filter characteristics are the elements considered for pulse compression,
algebraic operations are derived to avoid the signal phase effect received by detection capacity. A
hardware system for pulse compression in language description hardware is implemented. The product
obtained is a first step in radar techniques to improve resolution capacity.
Key words: radar, lineal frequency modulation (LFM), matched filter, very-high-speed integrated circuits
hardware description language (VHDL).
59
TELECOMUNICACIONES
Demodulación de señales digitales
mediante microcontroladores
PIC18F4550
Artículo Original
Complejo de Investigaciones Tecnológicas Integradas (CITI), La Habana, Cuba
Jorge Torres Gómez
Resumen
El presente artículo aborda el empleo de un bloque detector de envolvente para demodular señales
BFSK (Binary Frequency Shift Keying, modulación digital de dos frecuencias) que pueda ser usado
en aplicaciones donde se desconoce el tiempo del símbolo de la fuente. Presenta una estructura
interna caracterizada por cuatro filtros del tipo FIR (Finite Impulse Response, respuesta finita al
Impulso), que son inherentemente estables y se implementan siempre por una misma ecuación de
diferencias genérica. Para validar el demodulador, se implementa en un PIC18F4550 de microchip
interconectado con una computadora a través del puerto USB. Para gestionar la operación del sistema, se desarrolla en la computadora un software en Matlab que incluye la estimación de las frecuencias de la modulación a través del algoritmo de la transformada rápida de Fourier, así como el envío y
recepción de las señales moduladas y demoduladas. En el microcontrolador se realiza la convolución
entre las muestras de entrada a los filtros y sus coeficientes, apoyándose en dos tablas almacenadas
en memoria que sustituyen la operación de multiplicación, esto con el objetivo de asegurar la rapidez
de respuesta del sistema. La solución final permite demodular señales BFSK a través de la interconexión de Matlab con el PIC18F4550. Se efectúa un análisis costo-beneficio teniendo en cuenta la
demora de procesamiento en el PIC, el consumo de memoria de código y de datos y se compara con
los resultados obtenidos en la implementación sobre un FPGA (Field Programmable Gate Array,
arreglo de compuertas programables) Spartan3E de Xilinx.
Palabras claves: BFSK, demodulación, detector de envolvente, PIC18F4550, señales digitales
Recibido: 21 de mayo del 2013
INTRODUCCIÓN
La modulación digital es el proceso mediante el cual se
incorpora la información que poseen determinados símbolos
digitales en forma de onda compatibles con las características
del canal; lo que se logra variando la fase, amplitud o frecuencia
de una señal denominada portadora. Este proceso se lleva a
cabo en el bloque transmisor, que es el encargado de acoplar
la señal al canal de comunicaciones para combatir efectos
indeseables, tales como la distorsión de amplitud, el ruido, la
atenuación y la interferencia. El receptor debe realizar el
proceso inverso para así recuperar el mensaje.
FSK (Frequency Shift Keying) es una de las modulaciones
digitales con empleo en las comunicaciones satelitales y en
los enlaces inalámbricos [1,2]. Entre las modulaciones
empleadas se encuentra BFSK en la cual, la información va
contenida en la frecuencia instantánea de la portadora [3], que
cambia de acuerdo con dos símbolos digitales: 0 y 1; los cuales
se asocian cada uno a frecuencias distintas, quedando la señal
modulada como se muestra en la ecuación (1):
Si (t ) 
2E
cos(w i t   ) [V] 0  t  T, i  1,2,..., M (1)
T
Siendo:
E : Energía de la señal [J].
T : Tiempo de símbolo [s].
wi: Frecuencia angular [rad/s].
 : constante de fase [rad].
Demodulación de señales digitales mediante microcontroladores PIC18F4550
A la portadora se le asignan dos frecuencias diferentes,
cada una destinada a identificar un símbolo durante el tiempo
que dure este en la fuente. En la figura 1 se presenta un
ejemplo de la modulación BFSK; la gráfica superior muestra
la información binaria o mensaje y la inferior el tono modulado
donde la frecuencia cambia para cada símbolo de información.
El tiempo que dura el símbolo en la fuente (Ts) o el bit (Tb)
coinciden debido a que es una modulación binaria.
Las señales con las cuales se opera, se encuentran
almacenadas en formato para archivos de sonido tipo
Microsoft WAVE (extensión.wav), de las cuales no se conoce
el tiempo de símbolo y esto conlleva utilizar métodos que
prescindan de este parámetro para demodular.
Fig. 1. Señal moduladora y modulada BFSK
De los métodos consultados en la literatura científica que
pueden ser útiles para la demodulación, el detector de
correlación es el que presenta mejores resultados en cuanto
a la relación señal-ruido (SNR), dado que maximiza la
probabilidad a posteriori [4]. No obstante, para su
funcionamiento se necesita contar con la sincronía del tiempo
de símbolo [5]. Dentro de los demoduladores que no emplean
el tiempo de símbolo se encuentra el demodulador basado
en autosincronía [6], el cual es muy complejo de implementar
producto de sus parámetros dinámicos. Además, presenta
un alto consumo de recursos en hardware debido al bloque
de tangente inversa y al oscilador controlado por voltaje que
son necesarios implementar. Por otra parte, el detector
diferencial [7] es de fácil implementación y consume pocos
recursos; pero tiene la desventaja de que es muy complejo
lograr un retardador con valor dependiente de la frecuencia
de trabajo. Entre los demoduladores con filtrado adaptativo,
se encuentran los que almacenan una señal de
referencia [8] para la demodulación y los que recuperan la
frecuencia instantánea de la señal recibida [9]; ambos
requieren pocos recursos de cómputo en su implementación.
No obstante, los demoduladores con filtrado adaptativo que
62
almacenan una señal de referencia resultan muy vulnerables
a los efectos indeseables del canal, dado que su convergencia
es dependiente del carácter estacionario de la señal recibida.
Los que recuperan la frecuencia instantánea convergen de
forma lenta cuando la separación de frecuencia supera un
kilohertz, típico en las señales satelitales a procesar.
El demodulador basado en el detector de envolvente [10]
fue escogido por su fácil implementación debido a la simetría
de sus elementos. Con solo implementar un filtro FIR, con
coeficientes declarados como genéricos, diseñado y replicado
de forma conveniente, para que se comporte como pasabanda o pasa-bajo se puede sintetizar el demodulador en lo
fundamental. El demodulador tiene como ventaja el bajo
consumo de recursos en hardware y el empleo de la misma
cantidad de multiplicadores que el detector que utiliza el
filtro adaptativo Notch, y tiene como limitación de que se
necesitan filtros de un orden elevado para separar las
frecuencias cuando la separación entre las mismas sea
pequeña; cuestión esta última que hará consumir más
recursos y mayor tiempo de procesamiento. Se pueden
aplicar variantes para reducir su costo computacional
mediante el empleo de la modulación delta-sigma [11].
En la figura 2 se presenta el diagrama en bloques del
demodulador analizado. En este se emplean dos filtros pasabanda sintonizados a las frecuencias de transmisión
f1 y f2, dos detectores de envolvente a la salida de los filtros
pasa-banda que se componen de etapas de rectificación y
filtrado pasa-bajo y por último una etapa de decisión, que se
encarga de determinar el símbolo transmitido al calcular la
mayor envolvente. Dicha demodulador no necesita del
conocimiento previo del tiempo de símbolo, pues se basa en
medir los niveles de la amplitud y no tiene en cuenta la forma
del espectro en la frecuencia. Dicha solución permite su
empleo como demodulador de señales BFSK en tiempo real,
siempre que el tiempo de procesamiento por cada muestra
sea menor que el tiempo de muestreo del sistema.
Fig. 2. Detector de envolvente
Karel Toledo de la Garza - Jorge Torres Gómez
Existen tres posibles soluciones de implementación del
demodulador de la figura 2: en una computadora, en un FPGA
o en un microcontrolador. Para este caso se selecciona la
variante de implementación en un microcontrolador debido a
las grandes ventajas en cuanto al bajo costo de estos
dispositivos en el mercado y a la frecuencia de operación
del PIC18F4550 que es comparable con la del Spartan3E,
FPGA del fabricante Xilinx. La variedad de periféricos incluidos
actualmente en la mayoría de los microcontroladores es muy
sugerente para la realización de diseños complejos que
requieren la integración de numerosas funcionalidades. El
aspecto negativo fundamental que presentan estos
dispositivos es que el tamaño de la memoria de código y de
datos en ocasiones puede ser insuficiente y requeriría el
uso de memoria externa. Además, el PIC18F4550 es un
microcontrolador de 8 bits, lo cual indica que los registros
internos del PIC son de igual cantidad y la unidad aritmética
lógica (ALU) también realiza operaciones con datos de esta
longitud. Esto trae como consecuencia que la ejecución de
instrucciones para ejecutar operaciones con datos mayores
de 8 bits, requiera de varios ciclos de máquina.
CONFORMACIÓN DEL SISTEMA EN EL PIC
El demodulador de la figura 2 es muy sugerente para su
implementación en un microcontrolador, con vistas a
emplearse en un sistema portable que funcione en tiempo
real. La propuesta de sistema que se muestra en la figura 3,
con motivos de validación consiste en emplear una
computadora que almacene las señales moduladas y reciba
las señales demoduladas de un PIC18F4550 de Microchip.
Ambos bloques se comunican entre sí mediante una interfaz
USB. En la computadora se desarrolló un programa en Matlab
que permite controlar la operación del sistema. Esta
aplicación carga la señal de un archivo .wav para luego estimar
las frecuencias de trabajo f1 y f2, hallando los máximos de la
transformada rápida de Fourier (FFT). Estos valores de
frecuencia son utilizados para obtener los coeficientes
correspondientes a cada filtro del detector de envolvente.
Los coeficientes de los filtros se calculan mediante el empleo
del método de la ventana de Kaiser, la cual requiere de
dos parámetros:  que define la forma de la ventana y
N = M + 1 que es el número de muestras o longitud. Variando
estos parámetros se puede ajustar el ancho del lóbulo
principal y la amplitud de los lóbulos secundarios, lo cual
permite controlar el efecto Gibbs. Este método es superior
a los otros de ventana dado que permite, a través de la
variación de los parámetros  y N, ajustar sus características
para así lograr las especificaciones del filtro deseadas [12].
El detector de envolvente necesita de la conformación de
cuatro filtros FIR, dos para cada rama, definidos a partir de
una ecuación en diferencias genérica dada por la
ecuación (2):
N 1
coef
y (n ) 

i 0
w i  x (n  i )
(2)
Fig. 3. Esquema general del sistema PC - PIC
La respuesta del filtro y(n), depende de la suma de
productos de las entradas retardadas y los coeficientes wi
del filtro en cuestión. En este diseño se supone conocida la
amplitud de las señales a demodular, en este caso
normalizadas entre -1 y 1. El detector de envolvente está
conformado por dos ramas, como se muestra en la figura 2.
La implementación de este esquema permite fijar el umbral
de detección a la salida, esto independiente de la amplitud
de la señal recibida. No obstante, en los casos en los cuales
la amplitud de la señal recibida sea conocida es posible
implementar una sola rama del detector, lo cual reduce el
consumo de hardware a la mitad.
Para acelerar el procesamiento en el PIC al obtener la
respuesta de los filtros utilizando la ecuación (2), se propone
emplear datos enteros con precisión de 8 bits con signo en
cada una de las operaciones, además de definir la
multiplicación y adición por medio de tablas almacenadas
en la memoria de datos del PIC. Primero, los coeficientes
calculados en Matlab y la señal a demodular se llevan a
escala de 42, así por ejemplo, se asocia el 42 con el máximo
de la señal de entrada. Esta escala garantiza que no ocurra
un desbordamiento al efectuarse la multiplicación del máximo
de la señal de entrada por el máximo valor de los coeficientes
y por tanto el resultado final no supera 127. Con estos nuevos
coeficientes se conforma una matriz que contiene tantas
filas como cantidad de coeficientes y 84 columnas que
representan todos los posibles valores positivos y negativos
que puede tomar la señal modulada. En cada fila se
almacenan los resultados de multiplicar el coeficiente
correspondiente con cada posible valor a tomar por la señal
modulada. Las dos matrices, una para el filtro pasabanda y
otra para el pasabajo, son enviadas inicialmente al
microcontrolador. Se desea sustituir la operación de
multiplicar números con precisión de punto flotante por una
búsqueda del valor correspondiente en la tabla almacenada
en memoria de código. La envolvente obtenida es enviada a
la computadora a través de la interfaz USB.
Para medir el tiempo de procesamiento en el PIC se utiliza
a Timer0 como temporizador en modo de 16 bits y trabajando
con un oscilador a 48 MHz. Cada vez que se desborda el
timer se activa la interrupción y se incrementa una variable
63
que indica cuántas veces se ha ejecutado la subrutina, siendo
posible al terminar el procesamiento leer los registros de
conteo del Timer0 y el valor de la variable para así estimar la
demora de procesamiento de la señal BFSK.
El diagrama en bloques que describe el funcionamiento
de la aplicación en el PIC se muestra en la figura 4.
Primeramente se configuran los parámetros generales del
microcontrolador, los periféricos que se van a utilizar y se
declaran e inicializan las variables. Se reciben las tablas
correspondientes a los coeficientes de cada filtro y la cantidad
de muestras a demodular. Una vez configurados todos los
parámetros del sistema se comienza a esperar que la
aplicación de Matlab envíe la primera muestra, se demodula,
se transmite la muestra procesada a la computadora y se
repite este proceso cíclicamente hasta que se procesa la
señal completa. El sistema queda listo para una próxima
demodulación. La etapa de decisión se implementa en Matlab
debido a que pueden existir oscilaciones en la envolvente,
como se muestra en la figura 5, causadas por el ruido de
cuantificación que se introduce al redondear a enteros todos
los valores de la señal y los coeficientes de los filtros.
Fig.4. Diagrama en bloques de la aplicación en el PIC
Fig.5. Envolvente de la rama superior del demodulador
implementado en el PIC
64
CONFORMACIÓN DEL SISTEMA
EN EL FPGA
El diseño consiste en emplear una computadora que
almacena las señales moduladas y recibe las señales
demoduladas por una tarjeta Xilinx Starter Kit con circuito
FPGA Spartan3E. Ambos bloques se comunican entre sí
mediante una interfaz serie RS-232 o Ethernet. En la
computadora se desarrolló un programa en Matlab, con una
interfaz gráfica de usuario que permite controlar la operación
del sistema y que presenta además un panel de control donde
se seleccionan las opciones de demodulación mediante las
funciones propias del Matlab o mediante el empleo del circuito
FPGA.
Cuando se activa la acción de efectuar la demodulación
por medio del FPGA, el programa calcula de forma
automática, los coeficientes de los filtros a partir de la
determinación de las frecuencias de trabajo f1 y f2, de la
misma manera que en el sistema con PIC. Los coeficientes
de cada uno de los filtros se calculan empleando el método
de la ventana de Kaiser. Estos coeficientes y la señal a
demodular se envían al circuito FPGA mediante la
comunicación RS-232 o Ethernet, ambas variantes fueron
implementadas. A medida que el demodulador BFSK situado
en el circuito FPGA procesa las señales, se envían las
envolventes de las mismas hacia la aplicación de Matlab.
Por último, la etapa de decisión puede ejecutarse en Matlab
y se determina la señal demodulada.
En el circuito FPGA se implementa un procesador
MicroBlaze configurado con varios periféricos conectados al
bus PLB: el controlador estándar de interf az
RS-232 xps_uartlite y el de Ethernet xps_ethernetlite,
además del módulo IP del demodulador BFSK especialmente
diseñado para esta investigación. Para este diseño se
consume el 28 % de los Slices del Spartan-3E y 3 de sus
20 multiplicadores de 18 bits. La figura 6 muestra el esquema
general del circuito sintetizado en FPGA.
Microblaze es el que se encarga de realizar en el FPGA,
todas las operaciones de convolución entre la señal y los
coeficientes del filtro correspondiente, además de gestionar
la comunicación con la computadora. Primeramente se
cargan los coeficientes de los filtros calculados en Matlab
hacia el FPGA. Se comienza por enviar desde Matlab a
Microblaze el número de coeficientes de cada uno de los
filtros FIR que se emplearán. En Microblaze se crea un
arreglo para almacenarlos en la memoria interna del FPGA.
Al término de recibir cada secuencia de coeficientes, el
procesador MicroBlaze envía una confirmación al programa
Matlab para indicar que está listo para recibir nuevas
secuencias. De esta forma se envían todos los coeficientes
de cada tipo de filtro. Luego de la recepción de todos los
coeficientes solo falta decodificar la dirección apropiada en
el módulo IP Detector de Envolvente y enviarle los
coeficientes de cada filtro y sus señales correspondientes.
Una vez que se han almacenado todos los coeficientes de
cada uno de los filtros en el módulo IP correspondiente, se
envía la señal modulada BFSK. Las muestras se envían desde
Matlab hacia Microblaze y de este hacia el módulo IP Detector
Karel Toledo de la Garza - Jorge Torres Gómez
de Envolvente. Luego de procesadas por cada la rama
superior, se efectúa el proceso inverso y se reciben en el
programa Matlab. Este proceso se repite hasta que se
demodulen todas las muestras de la señal BFSK. La etapa
de decisión se implementa con la interfaz de usuario para
extraer la secuencia binaria.
demodular 1 267 muestras/s, sin el empleo de las tablas
mencionadas. Por el contrario, la solución propuesta que
demodula muestras de 8 bits demora 508,9 us por cada
muestra, el equivalente a 1 965 muestras/s. En teoría, si se
implementa en paralelo el funcionamiento de cada rama
utilizando dos microcontroladores, uno para implementar el
filtro pasabanda y el otro para el filtro pasabajo, debería
duplicarse la velocidad del sistema permitiendo demodular
hasta aproximadamente 4 000 muestras/s. Tal velocidad del
sistema limita el funcionamiento a señales cuyo ancho de
banda sea menor que 4 kHz. Esta se explica debido a que
la frecuencia máxima de muestreo es 4 kHz, limitada por la
cantidad de muestras que puede procesar el PIC en un
segundo, y por tanto, el ancho de banda útil de la señal
debe ser menor que este valor.
En el FPGA la velocidad de procesamiento supera la del
PIC sin la limitante de analizar el ancho de banda de la señal
a demodular, sin embargo, el bajo costo de los PIC en el
mercado frente a los FPGA supone una solución aceptable
para futuras aplicaciones en tiempo real.
CONCLUSIONES
Fig. 6. Esquema general del sistema PC - FPGA
RESULTADOS
En el PIC18F4550 la memoria de datos y de código es un
factor crítico para aplicaciones que requieren manejo de datos
de gran precisión con números en punto flotante de 32 bits.
De los 32 kB de memoria de código en el PIC18F4550 se
utiliza el 38 % y de los 2 kB de memoria de datos entre el
62 % y el 65 %. De utilizar variables de tipo float, equivalente
a 4 bytes, el procesador tiene que reservar 4 espacios de
memoria para cada variable. De igual manera, al realizar
operaciones aritméticas como la suma o la multiplicación
de números con precisión de punto flotante, el código en
ensamblador generado es muy extenso provocando que se
llene rápidamente la memoria del microcontrolador. Por el
contrario, la solución propuesta reduce la utilización de la
memoria de datos ya que se emplean enteros de 8bits con
signo y requiere almacenar en memoria de código ambas
tablas que sustituyen la operación de multiplicación de
números con precisión de punto flotante.
El Spartan3E del tipo XC3S500E tiene disponible para su
utilización 4656 Slices, 9312 SliceFlipFlops, 9312 LUTs y
20 multiplicadores de 18 bits. De estos recursos, el módulo
IP Detector de Envolvente es el que consume la mayor
cantidad: 34 % del total de Slices y el 23 % de las LUTs, por
lo que se puede deducir que los Slices son los elementos
más críticos en el Spartan3E. El consumo de Slices de todo
el dispositivo se encuentra alrededor del 60 %.
El sistema basado en el FPGA Spartan3E demodula
muestras de 16 bits en 7,34 us, a una velocidad de
136 240 muestras/s. Por otra parte, el tiempo de
procesamiento para demodular una muestra de 32 bits en el
PIC18F4550 es de 789 us, es decir, el sistema podría
Se implementó el detector de envolvente para demodular
señales BFSK en un microcontrolador PIC18F4550 de la
familia de Microchip. Se propuso una solución utilizando dos
tablas almacenadas previamente en memoria que sustituyen
la operación de multiplicación con números de punto flotante
por una búsqueda y lectura de un valor de 8 bits. Estos
datos son fácilmente manejados por el microcontrolador
debido a que sus registros internos son de 8 bits y así se
logra reducir en 280 us a la variante de implementar una
convolución con tipos de datos con precisión de punto flotante
de 32 bits. El sistema tiene la limitante de que solo es
permisible su utilización para señales con ancho de banda
menor que 4 kHz debido a la cantidad de muestras que puede
procesar en un segundo. Su bajo coste en el mercado
posibilita su utilización en diseños de clasificadores y
demoduladores de señales digitales para aplicaciones en
tiempo real.
En el FPGA Spartan3E de Xilinx se obtienen mejores
resultados en cuanto a velocidad debido al paralelismo que
caracteriza la filosofía de trabajo de estos dispositivos y
garantiza una gama más amplia de aplicación en cuanto al
ancho del espectro de las señales a demodular. No obstante,
el costo de estos dispositiv os supera al de los
microcontroladores y en alguna medida podría estarse
subutilizando el dispositivo en cuanto a capacidad y velocidad
de procesamiento.
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AUTORES
Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica, Complejo
de Investigaciones Tecnológicas Integradas (CITI), Instituto
Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba
Jorge Torres Gómez
Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica, Máster en
Sistemas de Comunicación, CITI, Instituto Superior
Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba
Envelope Detector Development for BFSK signals in
PIC18f4550
Abstract
This paper concerns demodulator-based Envelope Detector for recovery information in BFSK (Binary
Frequency Shift Keying) signal applied upon applications where time symbol synchronization is
unknown. Its structure is characterized by 4 filters which are considered in the present article by FIR
(Finite Impulse Response), these are unconditionally stables and are always implemented by the
same generic difference equation. Towards validating the demodulator, the system is implemented on
a Microchip PIC18F4550 interfaced to the PC through USB port, besides in order to manage the
system’s operation, it is developed a Matlab application on PC that includes modulation frequency
estimation by Fast Fourier Transform method, as well as sending and receiving the modulated and
demodulated signals. The convolution between the input samples and the filter coefficients is made in
the microcontroller by relying on two tables stored in memory which
Key words: BFSK, demodulator, envelope detector, PIC18F4550, digital signal
66

Vol 4, No 3 (2013) - Revista Cubana de Ingeniería

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