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La Relación entre la Porosidad y la Saturación de Agua

por M. Crotti, E. Cabello y S. Illiano (Última modificación - 22 de septiembre de 2000)

La Porosidad es uno de los parámetros fundamentales para la evaluación de todo reservorio. También es uno de los parámetros más simples y conceptualmente mejor definidos del medio poroso1. Por estas características, cuando se dice que una roca tiene un 20.2 % de porosidad, todos creemos tener en claro el significado de la expresión. Sin embargo en la definición de porosidad existen algunos supuestos tan básicos que no suelen analizarse en la práctica. En esta categoría entra la definición de Espacio Poral y Matriz Rocosa. Existe un acuerdo general en que el Volumen Poral a considerar, para la evaluación del reservorio, no debe incluir aquellos poros que no están conectados con los canales principales del sistema. A nivel de mediciones clásicas de laboratorio se habla de una "porosidad efectiva" (asociada a la red de poros interconectados) y una porosidad total (que incluye también los poros "aislados" de la red interconectada).

A nivel de laboratorio, la diferencia se cuantifica haciendo dos mediciones consecutivas sobre el mismo medio poroso:

  • Sobre la roca consolidada. Donde los poros no conectados se evalúan como formando parte de la matriz porosa y no del VP.
  • Sobre la misma roca luego de desagregarla por procesos mecánicos, de modo que todos los poros quedan expuestos y accesibles para su invasión con el fluido de medición.

La diferencia en el volumen de la matriz rocosa se atribuye a la generación de nuevos espacios porales conectados con el exterior, en la segunda de las operaciones. La anterior es una descripción conceptual de la metodología clásica para evaluar la porosidad total y la porosidad efectiva del medio poroso. En la práctica, en nuestros reservorios (mayoritariamente areniscas), esta diferencia suele ser pequeña (inferior a una unidad de porosidad).

Sin embargo en todo el desarrollo previo se dio por sentado que existen dos volúmenes perfectamente definidos en toda roca: el Volumen Poral (VP) y el Volumen de Granos (VG). Se acepta que algunos poros no estén conectados y, por lo tanto, con algunas herramientas se los incluya dentro del VG del sistema, pero no existen dudas de que son poros, como se pone de manifiesto al desagregar la muestra.

De hecho, las herramientas de resonancia magnética popularizaron otro uso del término "Porosidad Efectiva". Conforme con esta nueva definición se elimina de la porosida "efectiva" el volumen de agua "inmóvil" (ligada a la estructura de la matriz porosa).

Esta situación presenta aspectos teóricos y aspectos prácticos. Desde el punto de vista teórico se acepta que algunas capas moleculares de agua integran la estructura de algunas arcillas2. En estos casos puede afirmarse que el volumen de agua involucrado en estas capas forma parte del VG. También existen minerales (tales como el yeso), que incorporan moléculas de agua en su estructura cristalina.

En base a lo expuesto, para unificar criterios y definiciones, algunas mediciones de Laboratorio sobre coronas se emplean básicamente para "calibrar" los resultados de las mediciones de Perfilaje. Genéricamente este es el caso de la Porosidad, Densidad de Granos y Saturación de Agua (Particularmente Swirr, para el cálculo de reservas).

Sin embargo, en la práctica existen diferentes metodologías para efectuar las mediciones de Laboratorio. Las mediciones básicas (Porosidad, densidad de granos y permeabilidad al gas) se realizan regularmente sobre muestras "limpias" y "secas". Por otra parte las mediciones o ensayos especiales pueden realizarse sobre muestras "limpias y secas" o sobre muestras "nativas" (que conservan los fluidos originales, al comienzo de la medición).

La discusión crítica de este artículo se centra en la equivalencia entre las diferentes clases de mediciones (en laboratorio y en la etapa de perfilaje) y en la integración de la información básica con la derivada de estudios especiales. Para establecer una base adecuada de comparación es necesario destacar que la porosidad nunca se emplea como dato independiente para cálculos de reservorios. En el cálculo de reservas, el objetivo del reservorista es el volumen de hidrocarburos del sistema, pero como este es un dato no medible en forma directa, se lo obtiene regularmente como la diferencia entre el total de espacio poral disponible y el espacio poral ocupado con agua.

Volumen de Hidrocarburos = Volumen de Roca x Porosidad x (1 - Saturación de Agua)

De este modo, la medición de porosidad lleva aparejada (siempre) una medición de saturación de agua, para que el dato sea usable en la evaluación de la reserva de hidrocarburos. Podemos plantear, entonces, diversos escenarios, que se corresponden con la práctica regular.

Análisis Comparativo.

Supongamos que estamos evaluando el contenido de hidrocarburos en un trozo de roca arcilloso, de 100 cm3 de volumen total. La metodología más simple y precisa de laboratorio, para esta medición, se basa en el empleo de un equipo de extracción continua (Dean-Stark). En esta medición la roca se coloca en un equipo donde se mantiene tolueno en ebullición (110 °C), que se recicla por condensación en un refrigerante. En el camino de retorno del fluido condensado se coloca una trampa que acumula toda el agua co-destilada junto con el tolueno. El tolueno reciclado gotea sobre la roca eliminando, por lavado miscible, la fase orgánica retenida inicialmente en el medio poroso. Cuando el sistema deja de recoger agua en la trampa se asume que el lavado de la roca es completo. A continuación la roca se seca llevándola a peso constante.

Supongamos que durante el ensayo se recogieron los siguientes datos:

Peso inicial de la roca. 224.71 g Incluye el peso de los fluidos presentes inicialmente en la roca.
Peso final de la roca. 205.00 g Luego de la extracción de fluidos y secado hasta peso constante.
Volumen de agua extraído. 8.00 cm3 Volumen recogido en la trampa durante el lavado.

Que permiten obtener los siguientes resultados:

Perdida de peso. 19.71 g Diferencia entre el peso inicial y final de la roca.
Petróleo inicial en la roca. 11.71 g La diferencia entre la perdida total de peso y el peso de agua recogido en la trampa.
Volumen original de petróleo. 14.64 cm3 Obtenido a partir del dato previo en base a una densidad de petróleo de 0.80 g/cm3.
Volumen Poral. 22.64 cm3 La suma de los volúmenes de petróleo y agua.
Porosidad. 22.64 % El volumen total es de 100 cm3
Saturación de agua. 35.33 %> En las condiciones iniciales.
Saturación de petróleo. 64.69 % En las condiciones iniciales.

Si un análisis posterior nos indica que esta roca posee una cantidad importante de smectita, podremos objetar (teóricamente) que la medición no es representativa de la "realidad" del reservorio, dado que "sabemos" que este tipo de arcillas incluyen en su estructura una capa de 2 moléculas de agua de espesor. Y el procedimiento de laboratorio empleado (lavado a 110 °) elimina el agua propia de la arcilla. Si en base a esta consideración solicitamos al laboratorio que realice un secado en condiciones de humedad controlada, los datos posiblemente varíen con respecto a los ya analizados.

Supongamos que luego de realizar el proceso especial de secado la muestra presenta un peso de 206.00 g y un VP=21.64 cm3. Los datos son consistentes (aumento de 1 g y disminución del VP en 1 cm3) pues el agua unida a la arcilla mantiene una densidad cercana a 1.0 g/cm3. En ese caso podríamos rehacer las cuentas y expresar los resultados de la siguiente forma:

Volumen poral. 21.64 cm3 Obtenido por una medición independiente luego del secado en condiciones de humedad controlada.
Porosidad. 21.64 % Refleja la disminución del VP en un mismo volumen total de roca.
Saturación de petróleo. 67.65 % El mismo volumen que en el ensayo anterior, pero en un VP menor.
Saturación de agua. 32.35 % El porcentaje del VP no ocupado por petróleo.

Sólo para ejemplificar el uso de la información, supongamos que esta roca, analizada en el laboratorio, es representativa del comportamiento medio del reservorio que se está caracterizando. En ese caso parece válido informar los resultados de las siguientes formas alternativas:

  • Si aceptamos que el agua de las arcillas está ocupando una fracción del VP del sistema, entonces podemos decir que la roca posee una porosidad de 22.6 % con una saturación de agua de 35.3 %.
  • Si aceptamos que el agua de las arcillas forma parte de la estructura de los minerales, podemos decir que la roca posee una porosidad de 21.6 % con una saturación de agua de 32.4 %.

Cada caso tiene en cuenta una evaluación diferente de la función del agua dentro del medio poroso. Sin embargo, en ambos casos resulta que el 14.6 % del volumen total de la roca está ocupado por un fluido que no es agua. Y no debe perderse de vista que este es el resultado que se intenta evaluar al caracterizar la reserva de hidrocarburos.

Las siguientes figuras muestran en forma gráfica las diferentes situaciones:

La influencia de adoptar uno u otro criterio se pone de manifiesto cuando se analizan las fuentes de datos (y su uso) para los cálculos de reservorio. Para hacer este análisis conviene tener en cuenta los siguientes puntos:

  • La operación de secado convencional (vacío a 75-80 °C, o Presión atmosférica a 105-110 °C), se realiza en una jornada de trabajo.
  • La operación de secado en condiciones de humedad controlada consume entre 1 y 2 semanas de operación.
  • No todos los laboratorios disponen de facilidades para mediciones en condiciones de humedad controlada. En esta categoría entran casi todos los laboratorios portátiles que permiten realizar mediciones en las locaciones con limitada tecnología.
  • Durante las mediciones estándar de porosidad y permeabilidad no se mantienen las condiciones de humedad controlada. Se trabaja con gases secos en ambas mediciones. Esta situación obliga a realizar las operaciones de forma más rigurosa si se trabaja con secado bajo humedad controlada (mínima exposición de la muestra a los gases secos o al ambiente).
  • Las mediciones de saturación irreductible de agua y las propiedades de flujo multifásico se realizan mediante ensayos especiales (Presión Capilar, Permeabilidad Relativa, etc). Es una práctica recomendada de Laboratorio que después de realizar estos ensayos especiales, se verifique la no alteración de la muestra, mediante la remedición de sus propiedades básicas. Si estas mediciones deben realizarse después de un secado en condiciones de humedad controlada, los tiempos de medición se prolongan notablemente y la operación de control pasa a tener un costo considerable.
  • Para respetar la mojabilidad de las muestras de reservorio es frecuente que las mediciones especiales de flujo se realicen sobre muestras frescas (no lavadas). En este caso el balance de fluidos, que permite evaluar la historia de saturaciones del sistema durante las mediciones de laboratorio, se cierra (casi obligatoriamente) mediante una determinación de saturaciones por el método de Dean-Stark. Y en este caso la roca se somete a 110 °C y presión atmosférica durante un tiempo prolongado (varias horas).

Como ya se mencionó, la caracterización de las reservas emplea el dato de porosidad junto con el de saturación de agua, dado que lo que interesa regularmente es el VP no ocupado por agua. En consecuencia, si la saturación de agua en laboratorio se realiza por lavado y secado intensivo, es necesario que el dato de porosidad asociado, se obtenga en las mismas condiciones.

Debe distinguirse, entonces, entre necesidades prácticas y evaluaciones teóricas para decidir el mecanismo adecuado de caracterización de los medios porosos naturales.

En resumen, para la generación del juego de datos Porosidad-Sw, es conveniente elegir el método que resulte más simple y repetitivo. Sin embargo, es necesario que estos juegos de datos se empleen consistentemente con los resultados provenientes de otra fuente.

A modo de ejemplo conviene tener en cuenta que los perfiles de Resonancia magnética no incluyen el agua de arcillas en el resultado, en tanto que otros perfiles y las mediciones de laboratorio "definen" el espacio poral con criterios diferentes. Por lo tanto resulta inconsistente emplear la porosidad de RMN con Swirr obtenida en laboratorio por medición de Dean-Stark. En un caso el agua de arcillas se evalúa como perteneciente a la roca y en el otro se considera que ocupa una fracción del VP.

Recomendaciones

En base a todo el desarrollo, las recomendaciones para la evaluación consistente de las propiedades analizadas en esta página, son las siguientes:

  • Emplear metodologías simples. Excepto en el caso de contraindicaciones severas, debe recurrirse a : lavado y secado convencional.
  • Las diferencias con RMN deben cuantificarse, justificarse y emplearse para entender el comportamiento del medio poroso. Lo ideal es realizar mediciones de RMN sobre muestras de laboratorio para hacer todo el cierre de información.
  • Es muy importante verificar si el lavado y secado convencional altera (daña) el medio poroso. Esta verificación debe realizarse por comparación de las propiedades de la roca "fresca" (en estado nativo) y la roca lavada. Es particularmente importante verificar la reproducibilidad de los datos el volver a saturar la muestra con fluidos representativos del reservorio.
  • Unificar el significado de las expresiones empleadas, de modo que todos los profesionales involucrados en el análisis, empleen los mismos términos para hacer referencia a las mismas propiedades del sistema.

Bibliografía citada:

1 - Thomas and Pugh.: “Analyzing Standard Core Analysis”, The Log Analyst, March-April, 1989, pág. 72.

2 - Bush, D. C., Jenkins, R. E.: “Proper Hydration of Clays for Rock Property Determinations”, JPT, July 1970, pág 800.

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Última actualización 1 de marzo 2007