MATERIAL TÉCNICO: Método de inyección de mercurio
Obtención de curvas de presión capilar – Método de inyección de mercurio
por: Marcelo A. Crotti.
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.
Figura 1: Lectura inicial durante la determinación de Presión Capilar por Inyección de Hg
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.
Figura 1: 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…”.
Figura 3: Datos presentados por Purcell 1
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:
■ 1 Es un método rápido. En general la medición (sobre muestras previamente acondicionadas) requiere entre 1 y 2 hs.
■ 2 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.
■ 3 Se puede aplicar a muestras mal conformadas o muestras representativas de “cutting”.
■ 4 Permite desarrollar elevadas presiones capilares.
■ 5 Permite caracterizar el medio poroso en función de la distribución de diámetros de gargantas porales.
Desventajas:
■ 1 No permite obtener valores de Swirr.
■ 2 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.
■ 3 Inutiliza las muestras para usos posteriores. Es un método destructivo.
Recomendaciones:
■ 1 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.
■ 2 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
Pregunta:
Habiendo tantas curvas de presión capilar asociadas a un medio poroso con un determinado juego de fluidos, ¿Cuál es la curva que debe usarse en la caracterización de reservorios?.
Respuesta:
En principio, la curva principal de drenaje es la adecuada para describir el proceso de acumulación de hidrocarburos en la trampa. En otras palabras, es la curva que debe usarse para la estimación del OOIP.
Observación: Para que esto sea válido, la mojabilidad del sistema debe ser la que se indicó. Esto es totalmente cierto en sistemas gas-agua, pero debe verificarse para sistemas petróleo-agua.
Para describir el proceso de inundación con agua del reservorio (acuífero natural o inyección), debe emplearse la curva de imbibición correspondiente, que incluye un valor de Sor.
Observación: La curva de Imbibición que parte de Swirr es adecuada, en principio, para describir el comportamiento de aquellas zonas de la estructura que se encuentran en Swirr al comienzo de la explotación. Para la zona de transición capilar son innumerables las curvas necesarias (una para cada Sw inicial).