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Obtención de curvas de presión capilar - Método de inyección de mercurio
por Marcelo A. Crotti (Última modificación - 06 de agosto de 2003).
En la página Conceptos básicos sobre las curvas de presión capilar se
comparan, en términos generales, el método de inyección de mercurio con otros
métodos rutinarios para la obtención de curvas de presión capilar en medios
porosos. En esta página se profundiza sobre las particularidades del método de
inyección de mercurio, haciendo hincapié en los aspectos que diferencian sus
resultados de los obtenidos mediante las otras metodologías. En una
página complementaria (Presión
Capilar por Inyección de Mercurio) se muestra
un ejemplo típico de medición y los cálculos pertinentes para obtener las
curvas de distribución de diámetros porales.
Características Generales y Metodología
Experimental
El mercurio se comporta como fase no mojante frente a la
gran mayoría de los minerales que constituyen la matriz porosa de las rocas de
interés para la acumulación de hidrocarburos. En otras palabras, una roca
porosa, puesta en contacto con mercurio, no sufre el proceso espontáneo de
imbibición. Por el contrario, para introducir el mercurio en la red poral es
necesario vencer (mediante la aplicación de una presión externa) las fuerzas
capilares que se oponen al ingreso de esta fase líquida.
Por dicha razón, el juego de fluidos aire-mercurio es
apto para la medición de fenómenos capilares en medios porosos naturales. Sin
embargo las curvas obtenidas presentan semejanzas y diferencias importantes con
las que se obtienen con los sistemas gas-agua, gas-petróleo y
agua-petróleo.
La Fig. 1 muestra un esquema, muy simplificado, del equipo empleado
rutinariamente para realizar estas mediciones (el diseño original pertenece a
Purcell1).
La muestra, limpia y seca, se pesa, se introduce en la celda de medición y
se aplica alto vacío a todo el conjunto con una bomba adecuada (no mostrada en
la imagen). La Fig. 1 ilustra el momento en que se realiza la primera medición
volumétrica en la bomba de desplazamiento. En ese momento el mercurio sólo
llega hasta el enrase inferior de la celda.
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Fig. 1 - Lectura inicial durante la determinación de Presión Capilar
por
Inyección de Hg |
La Fig. 2 muestra el estado del sistema, cuando el mercurio alcanza el enrase
superior (Nota: aunque no se indica en detalle en las figuras, ambos enrases se
realizan en forma visual empleando marcas pre-establecidas en las ventanas
inferior y superior del equipo).
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| Fig. 2 - El Mercurio alcanza el enrase superior |
En el punto ejemplificado por la Fig. 2, no se ejerce presión adicional
mediante la bomba de mercurio. Hasta ese momento la bomba se emplea solamente
para inundar con Hg la cámara previamente evacuada con la equipo de alto
vacío.
La diferencia de lecturas, entre las posiciones de bomba en ambas figuras,
permite calcular el volumen no ocupado por la muestra. Habiendo calibrado
la celda con anterioridad, este valor permite calcular el volumen aparente
("bulk") de la muestra empleada.
Nota: Para realizar este cálculo se asume que el mercurio aún
no invadió el medio poroso. Esta suposición es válida, en general, para
muestras con permeabilidad menor a 1 Darcy que no presentan macroporos o
fisuras discernibles a simple vista.
A partir de este punto se comienza con la medición de presión capilar
propiamente dicha. En otras palabras se comienza a realizar la serie de
mediciones Presión-Volumen que se traducen a valores de Presión
Capilar - Saturación de fase mojante mediante las calibraciones
adecuadas y el conocimiento del VP de la muestra.
- Presión Capilar = P. de fase no mojante - P de fase mojante.
= P Hg - P vacío = P Hg
- Sat de fase mojante (%) = (VP - V Hg inyectado)
/ VP * 100
El ensayo se continúa hasta que se aplica la máxima
presión capilar programada obteniéndose, en este proceso, la curva de drenaje
de la fase mojante.
Nota: Si durante la despresurización del
sistema, se registran los nuevos pares de valores Presión Hg - Volumen de
Bomba, en este proceso se obtiene la curva de Imbibición de la fase mojante.
El proceso de medición completo (entre 20 y 30 pares de
valores Presión-Volumen) insume entre 1 y 2 horas de medición.
La Inyección de Mercurio y la Swirr
En todos los demás sistemas rutinarios para la medición
de presión capilar, la fase mojante
(agua o petróleo) es básicamente incompresible mientras que, en el caso del
sistema mercurio-aire, la fase mojante (aire) es muy compresible. De hecho, en
vez de aire se emplea alto vacío para tornar aún más compresible a la fase
mojante. Esta característica genera algunas diferencias fundamentales
entre el procedimiento de inyección de mercurio y las demás técnicas de
medición.
| Comparación
entre Inyección de Mercurio y otras Metodologías |
| Otras metodologías |
Inyección de Hg |
| Requieren una vía de eliminación de la fase mojante.
Ejemplo: el gas puede invadir una fracción de la red poral sólo en la
medida que se retire una cantidad equivalente de agua o de petróleo. |
No requiere eliminación de la fase mojante: El mercurio puede invadir el medio poroso sin retirar otro fluido
pues la red poral se encuentra inicialmente en condiciones de alto vacío. |
| Poseen un límite para la eliminación de la fase
mojante. Una vez que se alcanza una saturación en que la fase mojante se
hace discontinua, ésta deja de fluir y por lo tanto no puede eliminarse
cantidades adicionales por incremento de presión en la fase no-mojante.
Cuando se desplaza agua, el límite de desplazamiento se conoce como
Swirr. |
No hay límite para la inyección de mercurio en la
red poral.
Como la fase "desplazada" es vacío, el mercurio puede invadir el
100 % del VP de la muestra. No puede obtenerse el valor de Swirr a partir
de esta medición |
| Requieren muestras bien conformadas. |
Puede trabajarse con muestras mal conformadas y, con
algunas precauciones pueden emplearse "cuttings" para las
mediciones. |
| No permiten una descripción completa de los
diámetros porales del sistema. La existencia de fases residuales impide
alcanzar las diámetros más pequeños con la fase no-mojante. |
Permite una descripción completa de los diámetros
porales del sistema. La inexistencia de fases residuales permite alcanzar
(con la aplicación de las presiones adecuadas), las diámetros más
pequeños con la fase no-mojante. |
De las diferencias mencionadas, el punto mas destacable es
el que se refiere a la imposibilidad de estimar el valor de Swirr mediante
la medición de presión capilar por inyección de Hg. Lamentablemente
esta operación (estimación del valor de Swirr a partir de la curva de
inyección de Hg) es una práctica frecuente, basada en la supuesta equivalencia
de todas las curvas de presión capilar. Pero, como se mencionó a lo largo de
esta página, la equivalencia entre la curva de inyección de Hg y las otras
curvas rutinarias, se pierde cuando la fase mojante se hace discontinua.
En los otros métodos, cuando el agua o el petróleo se
hacen discontinuos, no es posible disminuir su saturación por aumento de la
presión en la fase no-mojante, pero en el caso de inyección de Hg cuando el
vacío se hace "discontinuo", no hay impedimento para que el
mercurio sigue invadiendo el medio poroso a medida que se incrementa la
presión aplicada sobre él.
Esta situación fue puesta de manifiesto incluso en la
publicación original de Purcell1. En dicha publicación
Walter Rose incluye la siguiente observación:
"…. For it can be anticipated on
theoretical grounds, and indeed it can be established from an examination of
Purcell's data (c.f. Purcell's Figures 2 through 8), that
"irreducible" minimum wetting phase saturations ... ... will not be a
result of the mercury penetration method, since this procedure involves a
compression rather than a flow of the wetting phase as desaturation occurs. It
is evident then that the data reported by Purcell reflect principally on a
complete distribution of pore radii... ..., providing information not directly
derivable from conventional capillary pressure curves and leading to a method
for approximating permeabilities and lithology characteristics of porous media.
However, it must be emphasized that exact equivalence between conventional
capillary pressure data and that obtained by the mercury penetration method is
not to be expected as a common result...."
Que puede traducirse al castellano, como sigue:
".... Por lo que puede anticiparse con fundamentos
teóricos, y verdaderamente puede establecerse a partir de un examen de los
datos de Purcell (Figs 2 a 8) que la saturación mínima ("irreductible")
de fase mojante... ... no es un resultado del método de inyección de
mercurio puesto que este procedimiento involucra una compresión más que un
desplazamiento de la fase mojante durante la desaturación. Es evidente,
por lo tanto, que los datos reportados por Purcell reflejan principalmente una
distribución completa de radios porales... ... brindando información no
directamente derivable de las curvas convencionales de presión capilar y
conduciendo a a una metodología para estimar permeabilidades y características
litológicas de los medios porosos. Sin embargo, debe enfatizarse que no se
espera, como resultado habitual, la equivalencia exacta entre los datos
convencionales de presión capilar y los obtenidos por inyección de
mercurio...".
A lo que Purcell responde (en la discusión incluida junto
con el artículo original)
"... Mr. Rose has very aptly
pointed out certain conditions which must be satisfied if exact equivalence
between mercury capillary pressures and those obtained by other means is to be
obtained; likewise he has indicated that all of these conditions are not
necessarily fulfilled. It would seem appropriate, therefore, to state that the
author does not intend to imply, as indicated by Mr. Rose, that the mercury
penetration method is exactly equivalent to conventional procedures but instead
has chosen to show experimentally (as evidenced by Figures 2 to 8.inc.) that for
the various types of formations studied and over the range of permeabilities and
porosities encountered a reasonable similarity exists between mercury and water/air
capillary pressures. In the paper no conclusions are drawn from the comparison
tests other than the one of similarity between the two types of curves and this
same conclusion has been obtained by Mr. Rose for his fritted glass plates.
Furthermore, it should be pointed out that only one application of capillary
pressure data, namely that of estimating permeability, is discussed..."
Que traducido al castellano indica, como es natural, la
aceptación de los comentarios de Rose:
"... Mr Rose ha señalado, muy adecuadamente, las
condiciones que deben cumplirse para una equivalencia exacta entre las curvas de
inyección de mercurio y las obtenidas por otros métodos. Adicionalmente ha
señalado que esas condiciones no necesariamente se cumplen. Es adecuado, por lo
tanto, establecer que el autor (Purcell) no pretendió establecer, tal como
indica Mr Rose, que el método de inyección de Hg es exactamente equivalente a
los métodos convencionales, sino que prefirió mostrar experimentalmente que
para los diversos tipos de formación estudiados y en el rango de
permeabilidades y porosidades encontrados, existe una razonable similitud entre
la presión capilar de mercurio y la del sistema aire-agua. En la publicación
no se sacan conclusiones a partir de la comparación de curvas más allá de la
similitud mencionada y la misma conclusión ha sido obtenida por Mr Rose con
placas de vidrio "fritado". Más aún, debe ser señalado que sólo
se discute una aplicación de los datos de presión capilar: La estimación de
permeabilidad...".
En la Fig. 3 se incluyen, a modo ilustrativo, las figuras
mencionadas en los párrafos precedentes. En la comparación visual se observa
tanto la similitud general mencionada por Purcell como la tendencia de la curva
de inyección de mercurio a continuar con el ingreso de fase no-mojante más
allá del punto de Swirr establecido para la curva aire-agua.
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| Fig. 3 - Datos presentados por Purcell1 |
La diferencia entre curvas convencionales y curvas de
inyección de mercurio es mucho más dramática cuando se trabaja a presiones
mayores a las empleadas por Purcell. En tanto que las curvas convencionales
evolucionan sólo hasta alcanzar el valor de Swirr, la curva de Hg continúa
hasta alcanzar valores muy cercanos a "0", con presiones superiores a
los 10,000 psia. Cualquiera que sea el límite superior de presión empleado en
la inyección de mercurio, la curva parece estar alcanzando el valor de Swirr
aunque el valor verdadero de esta magnitud se haya superado notoriamente.
En otras palabras: las curvas convencionales y la curva de
inyección de Hg son básicamente equivalentes mientras la fase mojante no se
hace discontinua y comienzan a separarse progresivamente a partir del valor de
Swirr.
En la página Presión
Capilar por Inyección de Mercurio se muestra, con un ejemplo, el tipo de resultados que se obtiene con el método
de inyección de mercurio y se describe en detalle el procedimiento de cálculo
para obtener las curvas de distribución de diámetros de gargantas porales.
Conclusiones Principales de estas Páginas y Algunas
Recomendaciones Especiales
En función de los desarrollos presentados pueden
resumirse las limitaciones y ventajas que presentan las curvas de inyección de
mercurio para caracterizar muestras de medios porosos.
Ventajas:
- Es un método rápido. En general la medición (sobre
muestras previamente acondicionadas) requiere entre 1 y 2 hs.
- La elevada tensión superficial del mercurio permite
obtener mayor sensibilidad que con otras metodologías para caracterizar
presión umbral o detalles "finos" de la estructura poral.
- Se puede aplicar a muestras mal conformadas o muestras
representativas de "cutting".
- Permite desarrollar elevadas presiones capilares.
- Permite caracterizar el medio poroso en función de
la distribución de diámetros de gargantas porales.
Desventajas:
- No permite obtener valores de Swirr.
- Sólo se puede trabajar sobre muestras secas. En
algunos casos existe una notable diferencia entre la permeabilidad de las
muestras secas y las que contienen saturaciones de agua propias del
reservorio. En estos casos las curvas de inyección de mercurio pueden
apartarse notablemente de las obtenidas por otras vías.
- Inutiliza las muestras para usos posteriores. Es un
método destructivo.
Recomendaciones:
- Registrar siempre el volumen de Hg retenido en el medio
poroso luego de la descompresión del mercurio. Esta fase no-mojante
residual puede correlacionarse con otras fases residuales (gas o petróleo)
del mismo medio poroso.
- Extender las mediciones hasta la máxima presión
posible. De esta forma se dispone de mayor cantidad de datos para
correlacionar o identificar diferentes tipos de rocas.
Discusión
El 12 -08-03 Nicolás Tellería escribió
"... Si bien hace mas de una década que no trabajo
con curvas de Pc, lo que recuerdo es que tenía la idea, errónea por cierto, de
que se podía estimar razonablemente la Swirr a partir de las curvas de Pc con
Hg. Me queda totalmente claro las diferencias conceptuales que vos realizás. Ahora
te pregunto, ¿no existe un valor de Pc "razonable" que se puede
asumir para limitar la extensión de la curva y llegar así a un valor de Swirr
que sea asimilable al obtenido por los otros métodos (obviamente exceptuando
los casos de sobrepresión a los que haces referencia)?. En otras palabras, en
función de los mecanismos más generales de migración y acumulación de
petróleo, ¿no podemos considerar algún límite para la Pc?... "
Respuesta:
En realidad hay varias maneras de hacer "malabarismos"
para estimar Swirr a partir de las curvas de Hg.
- Conociendo la máxima presión capilar del sistema, se
puede "entrar" por el eje de presiones y obtener Sw. El tema
es que no se puede saber si este procedimiento nos conduce a estimaciones de
Sw que sean inferiores al valor de Swirr, a menos que dispongamos de un dato
más sólido. Además, las curvas comienzan a separarse antes de alcanzar
Swirr (esto se ve en las curvas del trabajo de Purcell), porque algunos
capilares van quedando aislados antes que otros.
- Cuando la distribución de diámetros porales muestra
heterogeneidades marcadas, haciendo algo parecido a lo que se hace con los
perfiles de Resonancia Magnética, se puede considerar que los poros grandes
tienen fluidos desplazables y los poros chicos corresponden a fluidos
residuales. Pero, si la distribución es continua, no se pueden sacar
conclusiones simples.
Donde SI resulta adecuada la curva de inyección de
mercurio es en la estimación de la magnitud de la zona de transición capilar.
En otras palabras, con los coeficientes adecuados, esta curva aporta
información para estimar el espesor de reservorio con significativas
saturaciones móviles de ambas fases.
En pocas palabras ocurre como con toda la información de
reservorio: si se emplea con cuidado y criterio siempre es útil. El
problema surge cuando se supone que la medición puede brindar información para
la que no está diseñada y se usan los resultados sin un previo análisis
crítico.
Mas temas sobre la distribución de fluidos en el reservorio
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Referencias
1.- Purcell. W. R. "Capillary Pressure -
Their Measurement Using Mercury and the Calculation of Permeability Therefrom",
Trans. AIME, 1949 - pág. 39-48
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