Principales factores de control de las propiedades de transporte de fluidos en rocas carbonáticas marinas y continentales: Estudio experimental y teórico integrado sobre la relación entre la permeabilidad y la capilaridad

Abstract

La predicción de las propiedades de transporte de fluidos es una labor de importancia primordial en áreas científicas de gran interés económico. Las dificultades encontradas en describir y predecir cualquier problema ingenieril relacionado con el flujo de fluidos en medios rocosos carbonáticos es un desafío compartido entre los investigadores dedicados a este tema, atribuido principalmente al gran número de variables a ser consideradas. Las texturas de origen primario y secundario, la composición mineralógica, la porosidad y la distribución de tamaño de poro, la proporción clasto/matriz/cemento/tipo de poro, el arreglo espacial de los elementos texturales y estructurales, entre otros, actúan simultáneamente a escala de poro hasta escalas superiores, impactando sobre un único parámetro de conjunto investigado. Como resultado, los modelos de predicción clásicos no describen correctamente las propiedades de transporte de fluidos, debido a la pobre relación encontrada entre los resultados experimentales y las estimaciones teóricas. Esto podría deberse, en parte, a la exclusión de parámetros claves en las teorías existentes, a la simplificación excesiva de las ecuaciones generalizadas y a la aplicación inadecuada de modelos determinísticos para evaluar medios porosos caóticos. Esta investigación tiene como objetivo desarrollar modelos de flujo monofásico en rocas carbonáticas de agua dulce y marinas, con el propósito de describir procesos de flujo reales, tanto en medios no saturados (capilaridad) como saturados (permeabilidad), a partir de un enfoque teórico y experimental. Para ello, primero se cuantifican en profundidad los factores intrínsecos de las rocas y posteriormente se determina su control sinérgico sobre el comportamiento del flujo de fluidos. Con base en la conceptualización adecuada del espacio poroso interconectado, como también en la selección y parametrización de las variables petrológicas y petrofísicas más significativas, se introducen nuevas ecuaciones empíricas de regresión lineal múltiple y soluciones semi-analíticas para estimar la permeabilidad. La atención se centra en modelos de predicción de la permeabilidad a partir de la imbibición capilar, la estructura del poro y la mojabilidad, asumiendo que el frente capilar en el ensayo de imbibición espontánea alcanza un estado de saturación completa como el presentado en la permeabilidad absoluta. En esta investigación se escogieron tres tipos de dolomías fracturadas y dos travertinos de la Cordillera Bética (SE de España), y una caliza lacustre de la Cuenca de Madrid (Centro de España), comercializadas como mármoles y ampliamente utilizadas como material de construcción. A fin de verificar los modelos de permeabilidad e identificar los principales factores de control, también se estudiaron y se compararon algunas rocas sedimentarias adicionales provenientes de España (biocalcarenita, biocalcirrudita, oosparita y arenisca) y dos rocas volcánicas (tobas de lapilli) de la Isla de Madeira, Portugal. En conjunto, estas rocas además de presentar una petrogénesis y composición mineralógica diferenciada, también exhiben una amplia gama de características petrográficas que proporcionan distintos grados de conectividad, porosidades, distribuciones de tamaño de poro, coeficientes de absorción de agua por capilaridad y de permeabilidades al agua. El análisis de componentes principales y los modelos de regresión propuestos para las dolomías fracturadas demostraron claramente, por un lado, que el sistema poroso en medios no saturados debe ser modelado a partir de la combinación de tubos capilares con geometría diferente representando la matriz (cilíndricos) y las fisuras (prismas rectangulares) y, por otro lado, que la cuantificación detallada del tamaño de la fisura permitió una predicción más precisa de la permeabilidad en medios saturados. Los resultados experimentales confirman que las propiedades de transporte y su comportamiento anisotrópico dependen en gran medida de la tipología de las fisuras, de las características texturales, de la mineralogía y de la distribución espacial de todos los elementos constituyentes de la fábrica de la roca. Las fisuras con gran apertura generan una succión capilar débil, por lo que no se hallan activas en el transporte de agua por capilaridad, pero son vitales para controlar la permeabilidad. Las brechas tipo «crackle» con clastos pequeños, alto contenido de cemento dolomítico y alta densidad de fisura de tipo interclasto, muestran una fuerte succión capilar. Sin embargo, el alto contenido de cemento calcítico produce tasas anormalmente bajas del ascenso capilar, causadas por una posible contaminación de la superficie de los poros, indicando un estado de mojabilidad parcial con un ángulo de contacto mayor que cero. La buena correlación entre la permeabilidad y los factores geométricos de la fisura ofreció una base adecuada para identificar direcciones permeables preferentes. Adicionalmente, se encontró un valor de densidad de fisura crítica (umbral de percolación) que definió la permeabilidad isotrópica de la matriz. Finalmente, se presenta un nuevo modelo lineal práctico y simple, aplicable a dolomías brechoides, que relaciona la permeabilidad con la capilaridad, la densidad de fisura y la porosidad efectiva. El análisis de estos resultados reveló que el uso del análisis multivariante en dolomías con porosidad de tipo dual es considerablemente más preciso en comparación con los enfoques convencionales. El espacio poroso de las calizas, travertinos, tobas, rocas bioclásticas y areniscas estudiadas se describe como un medio poroso homogéneo constituido por un grupo de tubos capilares paralelos. El análisis estadístico también mostró fuertes correlaciones entre los parámetros petrofísicos de las variedades petrológicas evaluadas. Diversas propiedades fundamentales se ajustan a diferentes expresiones lineales y múltiples, en las cuales la permeabilidad al agua se expresa como una función generalizada de las propiedades. La relación entre la permeabilidad y la porosidad se discute en el contexto de la influencia de la conectividad de los poros y la mojabilidad. Como consecuencia, se propone un modelo generalizado para estimar la permeabilidad en medios porosos homogéneos que incluye información sobre la tasa de fluidos del agua (coeficiente de absorción capilar), propiedades del agua (densidad y viscosidad), mojabilidad (tensión interfacial y ángulo de contacto) y estructura del poro (radio medio del poro y porosidad). Los resultados indican que el radio de poro umbral, en el que el agua percola a través de la roca, logra la mejor descripción del sistema poroso. La ecuación propuesta se compara con las ecuaciones de Carman-Kozeny y Katz- Thompson y alcanza predicciones muy precisas de la permeabilidad al agua en el rango de 0.01 a 1000 mD. Otro aspecto significativo de esta ecuación consiste en el hecho de que reveló que valores altos de ángulos de contacto permiten obtener resultados confiables en la predicción de la permeabilidad, especialmente en rocas con alto contenido de calcita. Por tanto, se propone una ecuación para estimar la permeabilidad a partir de la sortividad intrínseca en lugar de la capilaridad, eliminando la existencia de cualquier estado de mojabilidad parcial y logrando así una excelente correlación entre los resultados predichos y los experimentales. Una regresión lineal simple que relaciona el coeficiente de absorción capilar con la raíz cuadrada de la permeabilidad, proporcionando por primera vez un alto coeficiente de correlación (R = 0.991) en rocas altamente heterogéneas y anisotrópicas, específicamente en tobas de lapilli, sugiere que en ausencia de calcita no se espera una absorción anormal de agua por capilaridad y, por consiguiente, este tipo de modelo podría aplicarse de manera muy efectiva en estos casos. En resumen, este estudio ha demostrado que a través de la implementación de un enfoque sistemático que incluye la configuración real del sistema poroso de la roca, la identificación correcta de las variables petrológicas y petrofísicas relacionadas directamente entre sí, la determinación de su efecto sinérgico y, finalmente, la elección adecuada del modelo de permeabilidad a ser aplicado, es factible obtener estimaciones precisas de la permeabilidad.