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
- Autores: Nora Cueto Mendoza
- Directores de la Tesis: María Ángeles García del Cura (dir. tes.), David Benavente García (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat d'Alacant / Universidad de Alicante ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Carlos Cañaveras (presid.), Patricia Vázquez Menéndez (secret.), Rafael Fort González (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias Experimentales y Biosanitarias por la Universidad de Alicante
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RUA
- Resumen
- español
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 estudio 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.
- English
Predicting fluid transport properties in highly complex carbonate rocks is of major economic importance. Describing and predicting fluid flow within carbonate media, however, is challenging given the number of variables that must be considered. These include among others primary vs. secondary rock textures, mineralogical composition, porosity and pore size distributions, clast/matrix and cement/pore ratios which altogether impact the petrophysical parameters influencing such fluid transport properties. Classical predictive models have failed in accurately describing fluid transport properties evidencing a significant lack of agreement between theoretical estimations and experimental results. This could be partially related to factors excluded by the oversimplified theoretical framework, which consist of generalized equations inadequately applied via deterministic models for assessing chaotic porous media.
This study develops single-phase flow models in marine and fresh water carbonate rocks to describe fluid flow processes more realistically in both unsaturated (capillarity) and saturated media (permeability). First it applies a combined theoretical and experimental framework were such intrinsic factors are evaluated in-depth for determining their synergetic control over fluid flow behavior.
By conceptualizing the pore system and choosing the most meaningful petrological and petrophysical properties that could be parametrized, this study offers new empirical equations and semi-analytical solutions for estimating permeability. For this purpose, focus was placed in developing predictive models of permeability from capillary imbibition, pore structure and wettability. This was made possible by assuming that the saturation state of the wetted zone in a capillary imbibition test is the same as the saturation state in the saturated permeability test. For developing the models, three types of fractured dolostones and two travertines from the Betic Cordillera (SE of Spain), and one lacustrine limestone variety from the Madrid Basin (Central Spain), which are marketed as commercial marble and have been extensively used as construction and building materials were chosen. To test the novel permeability models proposed here and to identify what parameters are critical, other sedimentary rocks from Spain (biocalcarenite, biocalcirrudite, oosparite, sandstone) and two volcanic rocks (lapilli tuff) from Madeira Island, Portugal, were also studied. In addition to petrogenesis and differential mineralogical composition, these stones also exhibit a wide range of petrographic characteristics that confer them with distinct degrees of connectivity, porosities, pore size distributions, water absorption coefficient by capillarity and permeabilities.
A principal component analysis and a regression modeling approach was developed using brecciated dolostones. For such fractured rocks these approaches clearly demonstrate that the porous network in non-saturated media must be modeled using a combination of discrete geometrical capillary tubes representative of both the matrix (cylindrical) and the fissures (rectangular prism). Conversely, for saturated media these approaches showed that a detailed quantification of fissure sizes enables a more accurate prediction of permeability. The experimental data confirms that anisotropy in transport properties is closely dependent on fissure typology, textural characteristics, mineralogy, and spatial distribution of the whole rock. It also shows that enlarged-fissures exert a weak capillary suction and are not active in capillary water transport. Yet, enlarged-fissures exert a crucial control over permeability. Crackle breccias with small clasts, significant dolomite cement contents and interclast fissure densities exhibited strong capillary suction. However, a dominance of calcite cement produces abnormally low rates of capillary rise likely caused by pore surface contamination, indicating a partial wetting state with a contact angle greater than zero. The good agreement between permeability and fissure’ geometry offered a suitable basis for identifying preferred permeable directions. In addition, a critical fissure density seems to define the isotropic matrix permeability. Finally, a new practical and simplified linear regression model for complex marine carbonate rocks relating permeability to capillarity, fissure density and effective porosity is provided. The multivariate statistical analysis conducted in these dual porosity dolostones is quite precise as compared to conventional approaches.
The pore space of limestones, travertines, tufas, bioclastic rocks and sandstone studied here are described as a homogeneous porous medium comprised of a bundle of parallel capillary tubes. The statistical analysis so conducted revealed strong correlations among petrophysical parameters of the petrological varieties studied here. Several fundamental properties were fitted into discrete linear and multiple regression models in which water permeability was expressed as a generalized function of other properties. Accordingly, the permeability-porosity relation is discussed in the context of the influence exerted by pore connectivity and wettability. In consequence, a generalized model for estimating permeability in homogeneous porous media that includes information about water fluid rate (water absorption coefficient by capillarity), water properties (density and viscosity), wetting (interfacial tension and contact angle) and pore structure (pore radius and porosity) is proposed. The application of this generalized model was then examined in terms of the type of pores that contribute to water transport and wettability. The results also indicate that defining the threshold pore radius controlling water percolation throughout the rock allows for a better description of the pore system. This generalized model reaches very accurate predictions of water permeability in the range of 0.01 to 1000 mD when compared against both the Carman-Kozeny's and Katz-Thompson's equations.
Another significant aspect of this equation is that it unravels that high contact angle values enable more reliable results when predicting permeability, particularly in rocks with an abundance of calcite. From this result, an up-scaling relation in which permeability is estimated from intrinsic sorptivity rather than capillarity is also proposed. This suppresses the difficulty linked to an incomplete wetting state and allows achieving excellent agreement between predicted and experimental results.
A powerful simple linear regression relating the capillary absorption coefficient with the square root of permeability, is, for the first time, significantly correlated (R = 0.991) in highly heterogeneous and anisotropic rocks, specifically in lapilli tuff. This suggests that in the absence of calcites the abnormal absorption of water by capillarity should not be expected and therefore that this kind of model could be fully applied to other cases.
In summary, this study has proven that through the implementation of a stepwise approach which includes the real rock porous systems configuration, the correct identification of more directly related petrological and petrophysical variables, the determination of synergetic effect among them and, finally, the adequate election of the permeability model to be applied, is feasible to obtain accurate permeability estimations.
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