Differentiation: Why and how?

La porosimetr ía de mercurio es una técnica sencilla y rápida, que se basa en el hecho de que el mercurio es un metal líquido que no moja, y por lo tanto, necesita que se

Técnicas y Métodos de Trabajo someta bajo presión para que penetre en el sistema poroso. A medida que la presión aumenta, el mercurio va introduciéndose en poros cada vez más pequeños. La relación entre la presión ejercida sobre el mercurio, p, y el tamaño de los poros (radio,

r) está regulada por la ecuación de Washburn (1921):

r

p = 2σcosθ , (3-1)

donde σ (480 erg·c m-2) es la tensión superficial del mercurio y θ (130º) es el ángulo de contacto entre el mercurio y la superficie del poro. Esta ecuación supone que el poro tiene una geometr ía cilíndrica.

La caracterización del sistema poroso con esta técnica se basa en aumentar la presión de inyección y medir el volumen de mercurio que entra en la roca, de esta forma se obtiene la curva de intrusión. Por otro lado, llegado al punto máximo de presión y volumen de mercurio intruido en la roca, se decrece gradualmente la presión (para forzar la salida del mercurio), registrando la curva de extrusión (Fig. 3-1). La diferencia de volumen de los poros durante la curva de intrusión (entrada de mercurio en el material) y el ocupado durante la extrusión (salida de mercurio), para una mis ma presión, se debe a la dificultad que tiene el mercurio en abandonar los poros tipo

cuello de botella o throat, y a la variación del ángulo de contacto del mercurio

(Rodr íguez García y García Ruiz, 1995). Este fenómeno, denominado histéresis, da una idea de la porosidad atrapada, la cual es muy importante en la retención de fluidos y, por lo tanto, en la alteración de la roca.

De esta técnica se puede obtener información del volumen de mercurio intruido y, por lo tanto, la porosidad conectada. Además, se puede calcular la distribución de tamaños de poros derivando la curva acumulada de intrusión con respecto al radio. Si se considera que el sistema poroso está formado por poros tipo chamber situados entre los poros tipos throat (apartado 2.6), la porosimetría de intrusión de mercurio proporciona principalmente información acerca de los poros tipo throat.

Debido a la relevancia de este tipo de poros en los fenómenos de transporte de fluidos en la roca y en su durabilidad, en la presente Tesis se va a utilizar la caracterización del sistema poroso principalmente con porosimetr ía de mercurio. El intervalo de radios de poros que se puede determinar a partir de esta técnica comprende desde 0.002 a 100 µm.

El área superficial, S [m2/g], de todos los poros se puede obtener aplicando la siguiente ecuación:

Capítulo 3

∫

donde p es la presión a la que se intruye un incremento de volumen de mercurio dV, y

Vtot es el volumen total intruido ( Dullien, 1992).

Fig. 3-1. Curv as de intrusión-extrusión de la roca BC-2.

En la apartado 2.6, se estudió que la porosimetr ía de mercurio también podía cuantificar la morfología del poro mediante la teor ía de Fractales ( Mandelbrot, 1982). Fig. 3-2 muestra dos ejemplos típicos de las rocas utilizadas en la presente Tesis: BC- 3 y BR-5. De esta representación se puede concluir que los datos obtenidos de la dimensión fractal no son muy precisos para las rocas estudiadas y el equipo utilizado. Por ello, aunque la Teoría de Fractales es una teoría que se aplica ampliamente en el estudio del sistema poroso de las rocas, la obtención experimental de la dimensión fractal es muy compilada y difícil de interpretar, dando en ocasiones veces resultados incoherentes. Por lo tanto, en la presente Tesis no se ha caracterizado la morfología de los poros con esta metodología.

La mayor limitación de la porosimetr ía de mercurio se debe a la propia complejidad del sistema poroso de la gran mayoría de los sólidos naturales. En primer lugar, la técnica está basada en el modelo de tubos capilares (apartado 2.6), hecho que no se cumple en este tipo de rocas. En segundo lugar, la geometr ía de las conexiones entre poros de diferente dimensión (throat y chamber) provoca que los poros tipo chamber se caractericen incompletamente y, que los poros tipo throat (menor sección) se sobreestimen. Además, las presiones empleadas en el desarrollo

1E-3 0.01 0.1 1 10 100 0 20 40 60 80 100 V ol um en A cum ul ado [% ] log r [µm] Curva de intrusión Curva de extrusión

Técnicas y Métodos de Trabajo de un ensayo de porosimetría son tan elevadas que puede surgir la cuestión de si la estructura porosa natural puede ser dañada y modificada durante el mis mo. Sin embargo, no hay que olvidar que el daño producido por la presión dependerá de la calidad del material.

Fig. 3-2. Obtención de la dimensión fractal para las rocas BC-3 y BR-5.

Todas estas limitaciones, no significan que la utilización de esta técnica no sea adecuada para el estudio del sistema poroso. Por el contrario, es una técnica muy resolutiva siempre que se lleve a cabo combinada con otras técnicas adicionales que permitan obviar las limitaciones anterior mente señaladas.

El porosímetro que se ha utilizado para caracterizar el sistema poroso es un Autoscan-33, del Instituto de Geología Económica, CSIC-UCM. Los rangos de presión del equipo varían entre 0.003-414 MPa. Las probetas utilizadas tienen una geometr ía cilíndrica, con un tamaño de 8 mm de diámetro por 5 cm de longitud. Éstas deben estar limpias y secas antes de introducirse al portamuestras (penetrómetro).

Es necesario comentar que los datos obtenidos en la presente Tesis se han realizado trabajando en modo de intrusión; sin embrago, se usará el tér mino de porosimetr ía de mercurio sin especificar que es de intrusión.