DETERMINACIÓN DE PERMEABILIDAD Y DETERMINACIÓN DE PERMEABILIDAD Y LA LEY DE DARCY PARA MATERIALES SÓLIDOS LA LEY DE DARCY PARA MATERIALES SÓLIDOS Objetivo General
Objetivo General
El objetivo gener
El objetivo general es la determal es la determinación del coeficiente de inación del coeficiente de permeabilidad permeabilidad parapara tres tipo estratos poros.
tres tipo estratos poros.
Objetivo Especifico Objetivo Especifico
El objetivo específico es la
El objetivo específico es la determinacióndeterminación::
Determinación del coeficiente de permeabilidad para Determinación del coeficiente de permeabilidad para tres comotres como
ArcillaArcilla LimoLimo ArenaArena
Conocimiento teórico Conocimiento teórico
requerido.-La formación de los yacimientos de petróleo o gas requieren de cuatro etapas La formación de los yacimientos de petróleo o gas requieren de cuatro etapas en su evolución diagenética dentro de una cuenca sedimentaria: entierro en su evolución diagenética dentro de una cuenca sedimentaria: entierro profundo
profundo bajo bajo sedimentos, sedimentos, calentamiento calentamiento y y presión, presión, migración migración de de loslos hidrocarburos desde la fuente (roca madre) hasta una zona porosa (roca hidrocarburos desde la fuente (roca madre) hasta una zona porosa (roca almacén) y ser retenidos
almacén) y ser retenidos por rocas impermeables (trampa petrolífera).por rocas impermeables (trampa petrolífera).
El yacimiento de petróleo puede ser primario, cuando se encuentra en la El yacimiento de petróleo puede ser primario, cuando se encuentra en la misma roca en la que se ha formado, o bien ser un yacimiento secundario, misma roca en la que se ha formado, o bien ser un yacimiento secundario, cuando se formó en un sitio lejano y ha ido fluyendo hasta el lugar en el que cuando se formó en un sitio lejano y ha ido fluyendo hasta el lugar en el que yace ahora, movimiento con el que
yace ahora, movimiento con el que cambiaron algunas de sus propiedades.cambiaron algunas de sus propiedades. Lo normal en un yacimiento primario es encontrar la siguiente disposición: Lo normal en un yacimiento primario es encontrar la siguiente disposición: una capa superior de arcilla impermeable, por debajo de ella una capa de una capa superior de arcilla impermeable, por debajo de ella una capa de arenas impregnadas de gas
arenas impregnadas de gas natural (hidrocarburos gaseosonatural (hidrocarburos gaseosos), por debajo s), por debajo arenasarenas impregnadas de petróleo (hidrocarburos líquidos) y, por último, una capa impregnadas de petróleo (hidrocarburos líquidos) y, por último, una capa inferior de arenas impregnadas de agua salada. Con esta colocación, el estrato inferior de arenas impregnadas de agua salada. Con esta colocación, el estrato impermeable superior atrapa al petróleo en el
impermeable superior atrapa al petróleo en el mismo sitio donde se formó y nomismo sitio donde se formó y no deja que escape, sólo puede separarse siguiendo un gradiente de densidad del deja que escape, sólo puede separarse siguiendo un gradiente de densidad del
agua salada que contenía (más densa) y del llamado gas natural (grupo de gases menos densos que el petróleo).
La petrofísica hace uso de varias fuentes de información para obtener parámetros petrofísicos tales como: porosidad, permeabilidad y saturaciones. Los perfiles, muestras de núcleo, datos de producción y medición de presiones proporcionan mediciones cuantitativas de los parámetros petrofísicos de la formación en las cercanías del pozo para luego integrar toda esta información. Con la integración de esta información la petrofísica obtiene propiedades físicas como la porosidad, permeabilidad y saturaciones.
El petróleo crudo y el gas natural se acumulan en los poros infinitesimales de las rocas y no en las lagunas en el subsuelo como se suele pensar. La porosidad junto con la permeabilidad es la propiedad física más importante de
un reservorio hidrocarburífero.
Describiéndolos brevemente tendríamos:
POROSIDAD: Es una propiedad de la roca que describe los espacios que se encuentran entre la matriz de la roca, por lo tanto, la porosidad es una indicación de la capacidad de almacenar fluidos en una roca.
PERMEABILIDAD: Es la medida de la capacidad de una roca de transmitir fluidos y es una constante proporcional. Esta propiedad de las rocas está relacionada a la porosidad pero no es dependiente de esta
SATURACIONES: Se llama saturación de un determinado fluido (gas natural, petróleo crudo o agua) a la fracción del volumen de poro que es ocupado por
este fluido.
Profundizando un poco más con el tema de la permeabilidad y la ley de Darcy, conforme a los objetivos de la práctica tenemos:
El estudio del movimiento de fluidos en medios porosos tiene un papel muy importante en la ingeniería petrolera especialmente durante la extracción de los fluidos de la formación hacía los pozos de producción y en la inyección de fluidos desde la superficie hacía la formación.
Anteriormente se mencionó que la permeabilidad es una propiedad de las rocas, la cual está relacionada a la porosidad pero no es dependiente de ella. La permeabilidad es función de:
• Del tamaño de los pasajes que conectan los poros de la roca. • El tamaño de los granos de la roca.
• La distribución de los granos.
En el cuál el tamaño y distribución de los granos que componen la roca es determinante en la permeabilidad de la roca. Una formación compuesta por granos grandes y cuya distribución de tamaño es buena resultaran en poros con diámetros de buen tamaño, por lo tanto, se tendrán conexiones más grandes entre los poros. Esto resultara en una alta permeabilidad de la roca y una presión capilar baja.
La permeabilidad de los reservorios hidrocarburiferos puede ser obtenida de diferentes fuentes, estas son:
• Análisis de muestras de núcleo • Análisis de pruebas de pozo • Datos de producción
• Registros de pozo
La ley de Darcy es válida en un medio saturado, continuo, homogéneo e isótropo y cuando las fuerzas inerciales son despreciables (Re<1).
La Ley de Darcy es una de las piezas fundamentales de la mecánica de los suelos. A partir de los trabajos iniciales de Darcy. A través de estos trabajos posteriores se ha podido determinar que mantiene su validez para la mayoría
de los tipos de flujo de fluidos en los suelos. Para filtraciones de líquidos a velocidades muy elevadas y la de gases a velocidades muy bajas, la ley de Darcy deja de ser válida.
Para suelos de mayor permeabilidad que la arena media, deberá determinarse experimentalmente la relación real entre el gradiente y la velocidad para cada suelo y porosidad estudiados.
LEY DE DARCY: enuncia 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:
Donde v es la velocidad aparente en centímetros por segundo e igual a q/A, donde q es la caudal volumétrico del flujo, en centímetros cúbicos por segundo, y A es el área de la sección transversal total o aparente de la roca, en centímetros cuadrados. En otras palabras, A incluye tanto el área del material sólido (esqueleto mineral) de la roca como también el área de los canales porosos. La viscosidad del fluido, µ, se expresa en centi-poises, y el gradiente de presión, dP/dl, tomado en la misma dirección que q y v, en atmósferas por centímetro. La constante de proporcionalidad, k, es la permeabilidad de la roca expresada en darcys. La permeabilidad puede denominarse como la conductividad del fluido y es similar al término de conductividad eléctrica. El signo negativo indica que si se toma el flujo positivo en la dirección positiva de l, la presión disminuye en esa dirección y la pendiente dP/dl es negativa. GRADIENTE HIDRÁULICO: Es la magnitud vectorial determinada por el incremento de potencial del agua por unidad de distancia. El gradiente hidráulico (i) se define como la pérdida de energía experimentada por unidad de longitud recorrida por el agua; es decir, representa la pérdida o cambio de potencial hidráulico por unidad de longitud, medida en el sentido del flujo de
agua.
i = Δh/l
Donde:
i: Gradiente hidráulico (adimensional).
Δh: Diferencia de potencial entre dos puntos del acuífero (ht1-ht2).
LA CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA: Representa la mayor o menor facilidad con la que el medio deja pasar el agua a través de él por unidad de área transversal a la dirección del flujo. Tiene las dimensiones de una velocidad (L T-1).
La ley de Darcy se aplica sólo en la región de flujo laminar. En flujo turbulento, que ocurre a altas velocidades, el gradiente de presión aumenta a una rata mayor que la del flujo. Afortunadamente, excepto en casos de muy altas ratas de inyección o de producción en la vecindad del pozo, el flujo en el yacimiento y en la mayoría de las pruebas hechas en el laboratorio es laminar y la ley se cumple.
Materiales, reactivos y
equipos.-Equipos y materiales • 3 Permeámetros
• Mangueras para conexión a la llave de agua • 3 Probetas de 1L • 3 Probetas de 2L • 3 Cronómetros • 3 Termómetros • 1 Regla • Marcadores Reactivos • Arena • Arcilla • Limo
• Agua
Técnica ó
Procedimiento.-- Compactamos el material en cada aparato y se satura con agua. - Introducimos una cantidad determinada de agua.
- Se mide el nivel inicial de agua en cada aparato.
- Se anota el tiempo de salida de la primera gota de agua por la manguera del permeámetro.
- Cada 5 minutos se mide el nivel de agua en cada aparato y la cantidad de agua recogida en una probeta
Datos y Cálculos
Datos Limo
N° Tiempo (min) Caudal (ml/min)
1 300 11 2 600 12 3 900 14 4 1200 14 5 1500 13 6 1800 13 7 2100 13 8 2400 13 9 2700 13 10 3000 13 11 3300 13 12 3600 13 13 3900 13
Altura de agua =13.9 cm Altura de arena = 18cm Altura total = 31.9
Temperatura = 20 °C
Arena
N° Tiempo (min) Volumen (ml)
1 618 420 2 754.8 500 3 900 585 4 1200 766 5 1500 939 6 1800 1105 7 2100 1271 8 2400 1433 9 2700 1600 10 3000 1764 11 3300 2071 Altura de agua =16.5 cm Altura de arena = 18cm Altura total = 31.9 Temperatura = 20 °C A=361cm A=400cm
Observaciones y Conclusiones
Según una tabla la tabla de Valores de coeficientes de permeabilidad en los diferentes tipos de suelos estratificados daremos la siguiente conclusión y observaciones:
Para la primera experimentación para la
Arena.-En las observaciones se pudo ver que no se realizó una buena compactación y a su vez a la recolección de los datos existo una mala manipulación pero pese a la mala toma de datos se llegó a la conclusión que pese a los malas tomas de datos los cálculos fueron satisfactorio teniéndose dentro de rango de la tabla de suelos estratificados encontrándose el rango de esta tabla de 10−2 10−5
teniéndose un buen resultado mostrado en los cálculos
Para la segunda experimentación para
Limo.-Las observaciones más claras que se puede tener son las siguientes: que existió una mala compactación del estrato lo cual, que al momento de aumentar un nivel de agua necesaria para obtener buenos datos, se removió el estrato, a su vez se puede decir que tomaron datos relevantes para algunos cálculos auxiliares lo cual, nos da la siguiente conclusión: que la experimentación salió correcta dando los valores de la permeabilidad correctos según la tabla mencionada anteriormente que para limo es de
10−5 10−9 teniéndose una muy buena permeabilidad
Para la tercera experimentación para
Arcilla.-En la arcilla no se pudo obtener un resultado claro debido a que no salió ni una gota de agua durante todo el laboratorio observándose que se aumentó un nivel de agua para que exista mucha más presión aun eso no hubo eso puede demostrar que la arcilla tiene muy baja permeabilidad pero si tiene alta porosidad como se menciona en el marco teórico que es porosidad y que es permeabilidad.
Limo
Arcilla
Cuestionario
¿Qué medidas de seguridad se deben tomar en laboratorio antes, durante y después de la práctica?
- No jugar con los materiales de laboratorio ya que puede ser muy perjudicial para todos.
- No debe haber bancas o sillas en el laboratorio para evitar la distracción del estudiante.
- dejar las mochilas, abrigos y ortos afuera y entrar con lo necesario lápiz y papel para datos por ejemplo.
- Entrar con batas o guarda polvos para cuidar el cuerpo.
- Prohibido consumir alimentos y bebidas ala hora de realizar los experimentos.
- Verificar que todos los materiales queden en su lugar.
Averiguar valores de permeabilidad de rocas petroleras y suelos de arena, limo y arcilla. ¿Cuál es la diferencia entre estos dos tipos de materiales porosos?
Grado de permeabilidad Valor de k (cm/s) Elevada Superior a 10 -1
Media 10 -1 a 10 -3 Baja 10 -3 a 10 -5
Muy baja 10 -5 a 10 -7
Prácticamente impermeable Menor de 10 -7
¿Cómo se clasifica la permeabilidad y que tipo de permeabilidad se ha determinado en laboratorio?
- La permeabilidad absoluta es una característica intrínseca del medio poroso para transmitir fluidos.
- Cuando más de un fluido llena los poros de un material, la presencia de otras fases interfiere con el flujo de una fase fluida. Permeabilidad
efectiva se denomina la capacidad de transporte de una fase fluida en presencia de otras fases. Es una característica de tanto el medio
como la influencia de otras fases en el flujo de un fluido.
- La permeabilidad relativa es la permeabilidad efectiva normalizada por un valor característico de la permeabilidad, o es el valor de permeabilidad efectiva dividida por una medida de la permeabilidad, por lo general la permeabilidad absoluta.
- Se ha determinado la permeabilidad absoluta.
¿Qué factores afectan la determinación de la permeabilidad?
El coeficiente de permeabilidad puede cambiar considerablemente dependiendo del contenido de huecos en el material y la temperatura del agua en el momento de ensayo. El mismo suelo puede presentar como su situación, diferente coeficiente de permeabilidad:
- El contenido de vacíos de la muestra es directamente proporcional al coeficiente de permeabilidad, es decir, la más grande de los huecos, mayor será el valor del coeficiente de permeabilidad;
- La temperatura del agua es otro factor que va a cambiar el final resultado el valor del coeficiente de permeabilidad, si hay un aumento de la temperatura del agua, habrá una reducción en la viscosidad y, por lo tanto, el agua fluirá más fácilmente a través de la muestra vacía, reduciendo tiempo necesario para pasar a través. Por lo tanto, el coeficiente aumenta, es decir, los suelos ensayados a temperaturas más altas tienen coeficientes de permeabilidad más altos;
¿Qué consideraciones se deben hacer para tomar K(conductividad hidráulica) como k(permeabilidad)?
K no es lo mismo que k ya que K es función de las propiedades de rocas y fluidos.
Debe tomarse en cuenta :
La densidad(ρ), gravedad (g) y es inversamente proporcional a la viscosidad
¿Qué K y k y que se ha medido en laboratorio?
K=conductividad hidráulica [m/s]. (Se ha determinado en la práctica) k=coeficiente de permeabilidad [m2].
¿Qué es la ley de Darcy y que restricciones tiene?
En dinámica de fluidos y la hidrología, la ley de Darcy es un derivado fenomenológico ecuación constitutiva que describe el flujo de un fluido a través de un medio poroso. La ley fue formulada por Henry Darcy basado en los resultados de experimentos publicados en 1856 sobre el flujo de agua a través del lecho de arena. También es la base científica de la permeabilidad de fluidos utilizados en ciencias de la tierra.
Un error al aplicar la ley de Darcy a un reservorio de hidrocarburo es que en los reservorios de hidrocarburos la migración es ascendente y no descendente como hemos hallado;
No introduce factor de corrección entre la viscosidad y la temperatura;
Si la temperatura del fluido es mayor o menor a 20 °C hay que hace una corrección.
¿Comentar con criterio que modificaciones se deben hacer a la práctica para mejorarla?
- Aumentar el tiempo de la práctica para poder realizar los experimentos de laboratorio.
- Que cada grupo logre realizar el experimento con los tres materiales disponibles.
- Implementar otras formas de determinar la permeabilidad experimentalmente.
- Utilizar otros materiales porosos aparte de la arcilla, limo y arena.
Bibliografía
• http://www.agua.org.py/images/stories/biblioteca/subterraneas/javier-sanchez_flujo-en-medios-porosos---ley-de-darcy.pdf • https://es.wikipedia.org/wiki/Yacimiento_petrol%C3%ADfero • http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.24 8.52.100/1107/A5.pdf?sequence=5 • http://www.chil.org/agua/wiki/gradiente-hidraulico • https://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_hidr%C3%A1ulica • Franco Fabian Sivila
