MATERIAL TÉCNICO: Los sellos capilares y las capas semi-permeables

Los sellos capilares y las capas semi-permeables

por: Marcelo A. Crotti.

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.

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.

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.

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

A presiones superiores a la presión P_U 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.

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.