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Los sellos capilares y las capas semi-permeables

por Marcelo A. Crotti (Última modificación - 12 de agosto de 2003).

Los conceptos a discutir en esta página permiten explicar muchos fenómenos, aparentemente anómalos, relacionados a la acumulación y distribución de hidrocarburos en el subsuelo. Lo que se analiza en detalle es la habilidad de ciertas estructuras porosas para permitir el paso de unos fluidos e impedir el paso de otros. Simultáneamente, los conceptos que se introducen, permiten entender los fundamentos del método "patrón" utilizado para determinar curvas de presión capilar en Laboratorio.

El "Sello" Capilar.

El proceso de imbibición produce el ingreso espontáneo de la fase mojante dentro de una estructura capilar.  Para retirar la fase que ingresa espontáneamente (o impedir su ingreso) es necesario aplicar una presión que contrarreste las fuerzas capilares generadas espontáneamente.

Esta situación se ilustra en la Fig. 1. En dicha figura se esquematizan dos capilares cilíndricos, idénticos en todo sentido, excepto en que uno de ellos es abierto y el otro cerrado en el extremo superior.

El comportamiento del capilar abierto ya fue discutido en el texto: conceptos básicos sobre las curvas de presión capilar . En dicha página se vio que la columna de agua se eleva hasta que la presión hidrostática de dicha columna compensa exactamente la presión capilar desarrollada en el sistema. Y, cuando el sistema alcanza el equilibrio, la diferencia de presión entre fases, en un lado y otro del menisco capilar, es la presión conocida como presión capilar.

Fig. 1 - Un capilar abierto y un capilar cerrado. El capilar cerrado puede encerrar un
 fluido sobre-presurizado, retenido por fuerzas capilares  

En el capilar cerrado se ha generado una presión adicional en el gas (P2 >P1), equivalente a la presión capilar. De este modo se previene el ascenso capilar y (aunque las presiones absolutas son diferentes), la diferencia de presión entre fases, de un lado y otro del menisco capilar, es idéntica a la que se obtiene en el capilar abierto.

Sin embargo, aunque el fenómeno es simple, cuando se observa en detalle la Fig. 1 nos encontramos con un fenómeno llamativo: En el capilar cerrado tenemos un gas sobre-presurizado que no se escapa del sistema, sino que permanece retenido aunque un extremo del capilar esté abierto. Este fenómeno sería imposible si no existiera una interfase, como la indicada, en el extremo abierto.

NOTA: El capilar cerrado podría estar horizontal o invertido (siempre bajo el nivel de agua) y, aún así, el gas se mantendría sobre-presurizado dentro de la cámara. Debe tenerse en cuenta que el diámetro empleado en el esquema es mucho mayor que el correspondiente a un verdadero capilar.   

Esta capacidad de retener un fluido presurizado como consecuencia de la acción de fuerzas capilares es lo que se da en llamar sello capilar. En otras palabras, el extremo abierto del tubo, permanece "sellado" por acción de las fuerzas capilares. Para romper este "sello" es necesario aplicar una presión mayor a la correspondiente presión capilar del sistema.

Las Membranas semi-Permeables 

La Fig 2 muestra una cámara estanca (esquematizada con un cuadro rojo) separada del sistema abierto por una membrana capilar saturada con agua. El agua es la fase mojante del sistema. 

La membrana que denominamos "Membrana Capilar" está formada por una matriz impermeable y un número considerable de capilares muy finos, todos de diámetro similar.

Fig. 2 - Una cámara aislada con una membrana "capilar".  El capilar "completo" muestra
 el nivel de agua correspondiente al ascenso capilar de este sistema. 

En la figura, sólo para ayudar a visualizar los fenómenos se incluye un capilar mas largo que los otros de la membrana. Esta capilar "completo" muestra el ascenso capilar espontáneo que se produce cuando las presiones dentro y fuera de la cámara estanca son iguales.

Si la presión dentro de la cámara se aumenta (P2>P1), tal como se muestra en la Fig. 3, esta presión no se libera al exterior (por la acción del sello capilar) pero el nivel de agua en el capilar "completo" disminuye sensiblemente, dado que no es necesaria una columna de agua tan grande como la de la Fig. 2 para compensar la presión capilar del sistema.

Fig. 3 - Se aumenta la presión dentro del recipiente cerrado. El nivel de líquido 
disminuye dentro del capilar "completo" y el sello capilar impide la fuga de gas. 

NOTA: Si, en las condiciones indicadas por la Fig. 3, se volcara agua libre dentro del recipiente aislado, la diferencia de presión interna y externa haría fluir esa agua libre a través de la membrana hasta alcanzar nuevamente la situación indicada en dicha figura. En otras palabras, la membrana es un sello para el gas pero no para el agua. Se denominan membranas semi-permeable a estos medios porosos que dejan pasar al fluido mojante y retienen el fluido no-mojante.

Cuando se aumenta más la presión interna se llega a la situación esquematizada en la Fig. 4.

Fig. 4 - La presión interna (P3) equilibra exactamente la presión capilar del sistema.  

En este caso se llega al límite de presión que soporta la membrana semi-permeable. Ésta es la Presión Umbral (PU) de la membrana. 

A presiones superiores a la presión PU el sello capilar se rompe y la membrana deja de comportarse como semi-permeable pues permite el paso de ambos fluidos. Este es el caso de la Fig. 5.

Fig. 5 - El exceso de presión interna "rompe" el sello capilar. 

Las características aquí discutidas, se presentan frecuentemente en las estructuras de los reservorios de hidrocarburos. Como se vio, las rocas permeables pueden actuar como sellos de trampas, siempre que la presión de las columnas de fluidos no generen presiones superiores a la presión umbral de estas rocas.

Una característica importante de estos sistemas es que, aunque impidan el paso de hidrocarburos, al ser permeables al agua, permiten la transmisión de presión y el aporte de agua desde estructuras cercanas.

Por razones didácticas, en esta página se analizó un caso en que la membrana semi-permeable está en la base de la estructura. Sin embargo los conceptos desarrollados son válidos para sellos laterales y/o sellos superiores.

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Última actualización 1 de marzo 2007