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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.
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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.
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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.
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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.
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| 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.
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| 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.
Mas temas sobre la distribución de fluidos en el reservorio
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