DETERMINACIÓN DE LA PERMEABILIDAD DE LAS ROCAS A TRAVÉS DE DIVERSOS PERMEÁMETROS

Hola amigos Steemians y aficionados a la ciencia. Hoy estaremos inmiscuidos en el mundo subterráneo explorando el yacimiento y las características que nos ofrece este maravilloso mundo. Estaremos conversando sobre una propiedad petrofísica de suma importancia a la hora de explotar un pozo y ponerlo a producir ¿Saben de qué se trata? no es otra que la permeabilidad de las rocas.

_{Fotografía y diseño propio del autor @ennyta}

Arriba hice mención de un término interesante que tal vez no conozcas: YACIMIENTO.

El yacimiento se conoce como una unidad geológica de volumen limitado el cual consta de diversas propiedades que son esenciales para la vida productiva del mismo. Si es de mencionar alguna pues se toma en cuenta la permeabilidad.

¿Qué es la permeabilidad?

La permeabilidad es una característica que hace referencia a la movilidad de los fluidos dentro del medio poroso, es decir, desplazarse dentro de este, por lo que es relevante manejar con gran precisión todos los términos que están involucrados con esta propiedad, debido a que forma parte de uno de los factores prioritarios para corroborar si la producción del yacimiento es rentable.

Por medio del análisis de la permeabilidad presente en el yacimiento se puede conocer la tasa de producción, esto implica la cantidad de hidrocarburo que se lograría obtener a lo largo de un tiempo previamente estimado.

Una forma de determinar si un material es permeable o no consiste en hacer fluir un flujo a través del material en un tiempo determinado y si sale la misma cantidad de fluido que el que entró, o relativamente igual, entonces se trata de un material permeable, tal como se muestra en la imagen:

_{Representación de un fluido atravesado un medio poroso [Diseño creado por el autor @ennyta]}

No todas las rocas son permeables, las arcillas por ejemplo, tienen como caracerística una permeabilidad pobre, es decir es un material impermeable y lo podemos observar en la cotidianidad al toparnos con un terreno arcilloso y ver como el agua se empoza en la superficie, no es absorbida como pasaría por ejemplo en un terreno arenoso.

La representación que rige al fluido cuando atraviesa el medio poroso es expresada a través de la ley de Darcy, la cual indica que:

“La velocidad de un fluido homogéneo en un medio poroso es proporcional al gradiente de presión e inversamente proporcional a la viscosidad del fluido, la constante de proporcionalidad K es la permeabilidad”.

La teoría de Darcy expresa:

“Un medio poroso tiene la permeabilidad de un Darcy cuando un fluido de una sola fase con una viscosidad de un centipoise y que satura totalmente el medio poroso, fluye a través de él bajo condiciones de flujo viscoso a una tasa de un cm³ por segundo, por un área transversal de un cm², por cm de longitud y bajo un diferencial de presión de una atmósfera”.

La ecuación para determinar la permeabilidad basándose en la teoría de Darcy es la siguiente:

Donde:
q: tasa de flujo, cm³/seg
A: área, cm²
μ: viscosidad, centipoes
ΔP: diferencial de presión, atm
L: longitud, cm
k: permeabilidad, Darcy

¿Cuáles son los rangos de permeabilidad manejados en la industria?

La permeabilidad de las formaciones productoras varían según las características que predominan en las rocas, es normal que exista la heterogeneidad en el yacimiento, lo que quiere decir (enfocándonos sólo en la permeabilidad) que existirán áreas con una alta permeabilidad y muy próximo a eso existirán áreas con baja permeabilidad.

Los valores de permeabilidad van desde 0.1 mD (miliDarcy, así se manejan las unidades en el campo petrolero) hasta mayores de 13000 mD. La permeabilidad mínima que permite la explotación y una producción rentable económicamente de un yacimiento depende de varios factores, aparte de todos los que intervienen en la ecuación de Darcy, también influye el tipo de fluido, la saturación de agua y el precio actual del crudo.

En un yacimiento consolidado, los rangos de permeabilidad se manejan de la siguiente manera:

Tipos de permeabilidad

De acuerdo a las fases almacenadas en el medio poroso, la permeabilidad se puede clasificar en:

• Permeabilidad absoluta (K): Cuando existe un único fluido o fase y satura completamente el medio poroso, se dice que estamos presente ante una permeabilidad absoluta.

• Permeabilidad efectiva (Ke): Cuando existe más de una fase en el medio poroso y fluyen simultáneamente, por ejemplo un yacimiento de gas-agua y vemos como se desplaza el gas en presencia del agua a través del medio poroso, se dice que estamos presente ante una permeabilidad efectiva.

• Permeabilidad relativa (Kri): Es la relación entre la permeabilidad efectiva y la permeabilidad absoluta. Esta permeabilidad es función de la saturación de los fluidos que intervienen en la roca, si existe un solo fluido entonces la permeabilidad relativa será igual a 1.
  

  

¿Qué factores afectan la permeabilidad de las rocas?

Los factores que afectan la permeabilidad son, en gran medida, los mismos que afecta la porosidad de las rocas, y eso es porque la permeabilidad de las rocas es directamente proporcional a su porosidad, entre los factores podemos encontrar los siguientes:

• La presión de las capas suprayacentes: también se puede conocer como presión de sobrecarga y se refiere a la fuerza que ofrece los estratos superiores sobre los inferiores. A medida que aumenta esa presión la permeabilidad disminuye, ya que por el peso los estratos sobre las rocas reducen el tamaño de los poros por efecto del confinamiento haciendo entonces más tortuoso el recorrido del fluido que desea fluir a través de la formación.

_{Representación de la disposición de los estratos y la presión de sobrecarga [Diseño creado por el autor @ennyta]}

• Forma y tamaño de los granos: Mientras más arreglados y homogéneos estén los granos de la roca, es decir, mientras su tamaño y forma sean similares, mayor será la permeabilidad. Pero si existen granos de diferentes tamaños la permeabilidad se verá reducida ya que los espacios vacíos entre lo granos más grandes se verán obstruidos por los granos más pequeños, lo cual provocará que el fluido no pueda fluir con facilidad.

_{Representación de la forma, tamaño y distribución de los granos en un medio poroso [Diseño creado por el autor @ennyta]}

• Daño a la formación: La permeabilidad se puede ver afecta por los daños ocurrido en la formación rocosa durante los procesos de perforación, por una parte ocurre la fracturación que amplia los canales porosos y por otro lado si llega a ocurrir una pérdida de circulación los ripios se introducen en los espacios vacíos haciendo que la permeabilidad disminuya.

¿Cómo determinar la permeabilidad en el laboratorio?

La permeabilidad puede ser determinada en el laboratorio haciendo uso de equipos especializados, los cuales reciben el nombre de permeámetros. El objetivo principal en la realización de estas experiencias es obtener un enfoque más real acerca de lo que sucede en el propio yacimiento en un laboratorio con muestras reales, visualizando y analizando de forma práctica la manera en la que los fluidos se desplazan dentro del medio poroso.

Para determinar la permeabilidad tanto para el gas como para el líquido se determina de la siguiente manera:

Determinación de permeabilidad efectiva al gas

Para esto se necesitan de los siguientes materiales y equipos:

• 1 Pinza.
• Muestras de núcleo de arena consolidada.
• Vernier: Para medir la longitud y el diámetro de las muestras.
• Permeámetro de Ruska a gas.

Procedimiento:

Se toman las muestras que se desea analizar su permeabilidad, ellas son núcleos de roca tomada directamente desde el yacimiento durante la perforación. Una vez obtenido los núcleos se anotan sus dimensiones haciendo uso del Varnier, tanto la longitud como su diámetro. Además para la determinación de la permeabilidad con el permeámetro, ya se conoce la viscosidad del fluido que fluye a una tasa establecida.

Núcleos de roca	Varnier

Luego se introduce la muestra en el portanúcleos del permeámetro de Ruska y se hace pasar un flujo de nitrógeno (un gas inerte) o aire. Para la primera prueba del permeámetro con la muestra, la válvula se pone en operación en la opción large y se regula la presión a 0.25 atm. Luego se anota la altura alcanzada por el flotador, si el valor visualizado está por encima de 20 divisiones entonces la opción large es la correcta y se mide la permeabilidad.

_{Permeámetro de Ruska a gas [Foto del autor @ennyta]}

Si el flotador queda por debajo de las 20 divisiones, se debe poner la opción Medium e incrementar la presión a 0.5 atm. Pero si el flotador no alcanza el nivel en el tubo large ni en el medium a las presiones respectivas, entonces se debe poner la opción small e incrementar la presión a 1 atm.

Curva de calibración: Gráfica para determinar la tasa de flujo tomada de la Guía de Laboratorio de Yacimientos UDO. (Autor: Arditi, L.)

Una vez determinado el flujo a trabajar: large, medium o small, se debe tomar esa lectura, además del valor de la presión que se usó durante la experiencia y la temperatura. Luego para determinar la permeabilidad se hace uso de la ecuación de Darcy y de la curva de calibración para conocer las tasas de flujo. En la gráfica se muestra en el eje de las ordenadas los volúmenes alcanzados por el flotador según las medidas de large, medium y small y en el eje de las abscisas las tasas de flujo correspondientes.

Determinación de la permeabilidad absoluta a líquido

Para esto se necesitan los siguientes materiales y equipos:

• 1 Pinza.
• Muestra de núcleo de arena consolidada.
• Equipo de saturación: conformado por un bulbo con válvula conectado a través de una manguera a un matraz erlenmeyer.
• Vaso de precipitado de 500ml.
• Bomba de vacío.
• Permeámetro de Ruska a líquido.
• olución de cloruro de sodio (NaCl).

Procedimiento:

Primero se debe saturar el núcleo de roca con el fluido a trabajar, y para esto se utiliza una solución de NaCl al 3% y un equipo de saturación conectado a una bomba de vacío.

_{Equipo de saturación [Foto del autor @ennyta]}

Una vez saturada la muestra se coloca en el portanúcleos del permeámetro de Ruska a líquido y se llena el portanúcleo con el mismo fluido utilizado para saturar la muestra por medio de una manguera que se muestra en la parte izquierda del permeámetro.

_{Permeámetro de Ruska a líquido [Foto del autor @ennyta]}

Similar con el procedimiento del permeámetro de Ruska a gas, se abre la válvula de la bomba de nitrógeno o aire y se regula la presión a 30 lbs. Una vez hecho esto se regula entonces la presión a 1 atm para empezar la experiencia. Se abre la válvula para dejar fluir el fluido que satura la muestra y se toma un cronómetro para medir el tiempo que tardará en desplazarse 10 cm³ de ese fluido por el núcleo de roca.

Para determinar la permeabilidad se hace uso de la ecuación de Darcy, es conocido la viscosidad del fluido a usar en la experiencia, la tasa de flujo se determina a través de la relación entre el volumen de fluido desplazado que es de 10 cm³ y el tiempo medido que tardó ese fluido en atravesar el núcleo de roca. Se observa la presión que alcanzó durante este proceso y de ese modo se puede conocer el valor de "K".

¿Por qué es importante los cálculos de la permeabilidad en la Industria Petrolera?

La permeabilidad toma un papel muy importante en la industria petrolera, ya que es una propiedad que indica cuánto fluido puede, posiblemente, fluir a través del medio poroso con el fin de poder explotarlo y obtener la mayor producción de manera rentable económicamente. Una buena permeabilidad en conjunto a otras propiedades que se comporten de manera positiva, permitirán al ingeniero de petróleo evaluar el comportamiento y potencial del yacimiento a la hora de la planificación y explotación de los pozos. Un área con buena permeabilidad y, por supuesto, con presencia de hidrocarburo es un atractivo ligado al tema de la producción.

Conclusiones

• La permeabilidad es una propiedad imprescindible de la roca lo cual es favorable para la planificación de la producción de pozos.
• El tamaño de la muestra (núcleo de roca) no influye en el valor de la permeabilidad determinado en el laboratorio haciendo uso de los permeámetros de Ruska.
• La viscosidad es una propiedad de los fluidos que afecta directamente la permeabilidad de la roca, por lo tanto la permeabilidad determinada por el permeámetro a líquido será menor que la de gas, debido a que el gas fluye más rápido entre los poros de la roca en relación al líquido.
• Mientras más grande, homogéneo y de tamaño similares sean los granos de las rocas mayor será la permeabilidad.

Referencias bibliográficas

1. Bruzual, G. Caracterización física de los yacimientos. Primera edición. (2007).

2. Nolen-Hoeksema, R. El flujo de fluidos a través de los poros. [Revista en línea]. Disponible en:https://www.slb.com/~/media/Files/resources/oilfield_review/spanish14/aut14/define_perm.pdf

3. Escobar, F. Fundamentos de la ingeniería de yacimientos. Universidad Surcolombiana. Nieva-Colombia.

4. Paris, M. Fundamentos de la ingeniería de yacimientos. Maracaibo, Venezuela. (2009).

5. Arditi, L. Guía de Laboratorio de Yacimientos UDO. Barcelona, Venezuela. (2006).