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La histéresis en las curvas de presión capilar - Drenaje e imbibición
por Marcelo A. Crotti (Última modificación -
13 de agosto de 2003).
Los fenómenos capilares poseen historia, y esto se traduce en que
la relación entre Presión Capilar y Saturación no es biunívoca. De hecho,
como veremos, existen innumerables curvas de Presión Capilar para describir el
comportamiento de un mismo medio poroso frente a un determinado juego de
fluidos.
Sin embargo, pese a la diversidad de curvas posibles,
algunas de ellas son las que se identifican como "Las curvas de Presión
Capilar" de un medio poroso. Esto es posible gracias a que en la
naturaleza existen mecanismos y condiciones habituales que permiten diferenciar
estas curvas de todo el conjunto restante.
Drenaje e Imbibición
El drenaje es el proceso por el cual la fase no-mojante
desplaza, del medio poroso, a la fase mojante. Es un proceso forzado (no
espontáneo) pues las fuerzas capilares tienden a retener la fase mojante dentro
de la estructural capilar. En este proceso siempre existe una presión umbral
asociada a las fuerzas capilares originadas en los capilares de mayor diámetro.
La imbibición es el proceso espontáneo de
desplazamiento, con una fase mojante, de la fase no-mojante. Este proceso no
requiere aplicación de fuerzas externas al sistema roca-fluidos, por lo que no
existen presiones umbral.
En la Fig. 1 se muestra un ejemplo sencillo donde los
procesos de imbibición y drenaje, originan diferentes saturaciones de
equilibrio. este ejemplo permite apreciar la razón por la que existe el
denominado fenómeno de histéresis (diferentes recorridos de ida y de vuelta)
en las curvas de presión capilar.
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| Fig.1 - Diferente resultado final como consecuencia
de seguir dos caminos alternativos
(Drenaje e Imbibición) en una estructura capilar idealizada. |
En la Fig. 1, el capilar cilíndrico "A" permite
establecer, en base al ascenso capilar, que el agua es la fase mojante en este
sistema.
Los capilares "B" y "C" son
idénticos. Ambos poseen un abultamiento en su parte central, pero en su parte
inferior y en su parte superior poseen idéntico diámetro que el capilar
"A".>
- De acuerdo con las flechas incluidas en el esquema, el
capilar "B" ha sufrido un proceso de drenaje, quedando con el
abultamiento totalmente lleno de agua.
- El Capilar "C" fue sometido a un proceso de
imbibición. En este caso el abultamiento central. impidió alcanzar el
nivel de agua obtenido en los capilares "A" y "B".
La curva principal de Drenaje.
Conforme a la historia regular de llenado de las trampas
de hidrocarburos, éstas se encontraban originalmente saturadas al 100 % con
agua. Durante el llenado, el hidrocarburo desaloja una parte del agua conforme a
una curva de drenaje como la indicada en la Fig. 2.
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| Fig. 2 - A medida que aumenta la diferencia de
presión entre el agua y el hidrocarburo comienza a recorrerse la curva de drenaje que parte de Sw = 100%. |
En este esquema se asume que el agua es la fase mojante y
que el hidrocarburo (gas o petróleo) es la fase no-mojante.
La Imbibición.
Si por alguna razón, el drenaje se interrumpe y comienza
un desplazamiento con agua (por pérdida del sello de la trampa o por inyección
de agua durante la explotación de un reservorio), la presión capilar del
sistema evoluciona conforme a la curva de imbibición esquematizad en la Fig. 3.
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| Fig. 3 - Se interrumpe el drenaje y se comienza con
el proceso de Imbibición. |
Tal como se observa en la Fig. 3, el desplazamiento del
hidrocarburo no es completo durante la imbibición, pues parte del mismo queda
retenido en la estructura poral bajo la forma de Saturación residual de
petróleo (Sor).
Un drenaje adicional.
Si con posterioridad al proceso de imbibición
esquematizado con la curva "II", se inicia un nuevo proceso de
drenaje, este evoluciona conforme a una curva del tipo "III",
esquematizada en la Fig. 4.
NOTA: Las curvas "III" y
"III" constituyen un ciclo estable. Pueden recorrerse indefinida
cantidad de veces sin sufrir alteraciones.
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| Fig. 4 - Las curvas "II" y
"III" constituyen un ciclo "cerrado" de Imbibición
y drenaje. |
Si más adelante se continúa el proceso de drenaje (se
aumentan las fuerzas capilares), la curva capilar puede representarse por la
curva "IV", esquematizada en la Fig. 5.
NOTA: La curva "IV" es una
continuación perfecta (sin solución de continuidad) del camino iniciado con la
curva "I".
Otro proceso de Imbibición.
Al haber continuado la curva "I", ya no es
posible reproducir el camino correspondiente a la curva "II". Si se
produce un nuevo proceso de imbibición, se origina un nuevo camino (Curva
"V"), tal como se indica en la Fig. 6.
Importante: La curva "V" conduce a
un valor de Sor más grande que el correspondiente a la curva "II".
Esto obedece a que el hidrocarburo contactó una parte más grande de la
estructura poral y, por lo tanteo, tuvo acceso a capilares no
contactados por el drenaje inicial. En consecuencia, al retirar el
hidrocarburo existen más lugares donde el mismo puede quedar atrapado.
En consecuencia, tal como se deduce de la Fig. 6, el valor
de Sor no es una propiedad del medio poroso. También interviene la historia de
saturaciones en la magnitud final de Sor.
Discusión
Pregunta
Habiendo tantas curvas de presión capilar asociadas a un
medio poroso con un determinado juego de fluidos, ¿Cuál es la curva que debe
usarse en la caracterización de reservorios?.
Respuesta
En principio, la curva principal de drenaje es la adecuada
para describir el proceso de acumulación de hidrocarburos en la trampa. En
otras palabras, es la curva que debe usarse para la estimación del OOIP.
Observación: Para que esto sea
válido, la mojabilidad del sistema debe ser la que se indicó. Esto es
totalmente cierto en sistemas gas-agua, pero debe verificarse para sistemas
petróleo-agua.
Para describir el proceso de inundación con agua del
reservorio (acuífero natural o inyección), debe emplearse la curva de
imbibición correspondiente, que incluye un valor de Sor.
Observación: La curva de Imbibición que
parte de Swirr es adecuada, en principio, para describir el comportamiento de
aquellas zonas de la estructura que se encuentran en Swirr al comienzo de la
explotación. Para la zona de transición capilar son innumerables las curvas
necesarias (una para cada Sw inicial).
Mas temas sobre la distribución de fluidos en el reservorio
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