Permeabilidad: Definición, Tipos y Factores que la afectan

La permeabilidad de yacimientos de petróleo y gas es una propiedad clave que influye directamente en la eficiencia de producción de hidrocarburos.

Esta característica fundamental regula la facilidad con la que los fluidos se desplazan a través de los poros interconectados de la roca, permitiendo que los hidrocarburos fluyan hacia los pozos de extracción.

La capacidad de comprender y caracterizar adecuadamente esta propiedad es esencial para optimizar la explotación de los yacimientos y maximizar la producción de petróleo y gas.

A lo largo de este artículo, exploraremos la importancia y los factores que influyen en la permeabilidad de yacimientos, crucial para la ingeniería de producción de hidrocarburos.

Definición de Permeabilidad

La permeabilidad es una propiedad física fundamental que describe la facilidad con la que un fluido, como el petróleo, puede fluir a través de los poros interconectados de una formación rocosa.

Se trata de una característica esencial en la ingeniería de yacimientos de petróleo, ya que influye directamente en la productividad y en la cantidad de hidrocarburos que se pueden recuperar del yacimiento.

La permeabilidad se mide en unidades de darcy (D) o milidarcy (mD), y su valor puede variar ampliamente según las características de la roca y los fluidos presentes.

Importancia en la Ingeniería de Yacimientos de Petróleo

La permeabilidad es uno de los parámetros clave que los ingenieros de yacimientos consideran al evaluar la capacidad de producción y el potencial de recuperación de petróleo en una formación. Su importancia radica en los siguientes aspectos:

• Determina la Productividad del Yacimiento: La permeabilidad es un factor crítico que afecta la velocidad a la que el petróleo y los fluidos asociados pueden fluir hacia los pozos de producción. Una roca con alta permeabilidad permite un flujo más fácil, lo que resulta en una mayor producción de petróleo y una mejor eficiencia de los pozos. Por otro lado, una baja permeabilidad puede limitar el flujo y requerir técnicas de estimulación o recuperación mejorada para lograr una producción significativa.

• Define la Estrategia de Producción: La permeabilidad influye en el comportamiento del yacimiento y puede determinar la estrategia de producción a seguir. En yacimientos con alta permeabilidad, es más probable que el petróleo fluya naturalmente hacia los pozos, mientras que en yacimientos de baja permeabilidad, puede ser necesario implementar técnicas de estimulación, como fracturamiento hidráulico o sistemas de levantamiento artificial, para mejorar la productividad.

• Impacto en la Recuperación de Hidrocarburos: La permeabilidad también afecta la cantidad de petróleo que puede recuperarse de un yacimiento. En general, una alta permeabilidad facilita el movimiento de los fluidos y permite una mayor recuperación primaria. Sin embargo, en yacimientos de baja permeabilidad, una parte significativa del petróleo puede quedar atrapada en la matriz de la roca, lo que requiere técnicas de recuperación secundaria o mejorada para liberar más petróleo.

• Optimización de la Inversión: Al evaluar un yacimiento petrolífero, comprender la permeabilidad es esencial para tomar decisiones informadas sobre la viabilidad económica de la explotación. Los yacimientos con alta permeabilidad pueden ser más rentables de desarrollar debido a su mayor capacidad de producción, mientras que los yacimientos con baja permeabilidad pueden requerir mayores inversiones en tecnologías de recuperación mejorada.

• Diseño de Inyección de Fluidos: En proyectos de recuperación secundaria, como la inyección de agua o gas, la permeabilidad juega un papel crucial en el diseño de la estrategia de inyección. La permeabilidad afecta la capacidad de la formación para recibir y distribuir adecuadamente los fluidos inyectados, lo que puede mejorar la eficiencia de barrido y aumentar la recuperación de petróleo.

Tipos de Permeabilidad

Permeabilidad Absoluta

También conocida como permeabilidad intrínseca, es la capacidad de flujo de un solo fluido a través de la roca por unidad de área y gradiente de presión.

Se mide en unidades de darcy o milidarcy y es una propiedad inherente de la roca.

La permeabilidad absoluta es relevante cuando solo un fluido, como petróleo o agua, fluye a través de la formación.

Permeabilidad Efectiva

Es la permeabilidad efectiva de un yacimiento considerando la interacción entre varios fluidos presentes, como petróleo, gas y agua.

A medida que los fluidos fluyen simultáneamente a través de la roca, las fuerzas de capilaridad y saturación pueden afectar la permeabilidad real del yacimiento para un determinado fluido.

Permeabilidad Relativa

Es una medida adimensional que compara la capacidad de flujo de un fluido específico con respecto al flujo de otro fluido.

Por lo general, se expresa como una relación entre la permeabilidad absoluta del fluido de interés y la permeabilidad absoluta del fluido referencial (permeabilidad efectiva), como la permeabilidad relativa de petróleo con respecto a la permeabilidad relativa de agua.

La permeabilidad relativa es especialmente relevante en procesos de recuperación mejorada, como inyección de agua o gas, donde la movilidad de los fluidos es crucial para mejorar la producción de petróleo y gas.

Factores que afectan a la Permeabilidad

La permeabilidad está afectada en el yacimiento por los mismos factores que afectan la porosidad, tales como la presión de sobrecarga, grado de compactación de la roca, tamaño y distribución de los granos, entre otros.

Además, es conveniente considerar que las medidas de las permeabilidades son afectadas por el deslizamiento en las paredes y por la presencia de líquidos reactivos.

Porosidad

La porosidad de la roca, que se refiere al volumen de espacios vacíos (poros) en relación con el volumen total de la roca, juega un papel fundamental en la permeabilidad. A mayor porosidad, más espacio hay para que los fluidos fluyan a través de la roca, lo que generalmente se traduce en una mayor permeabilidad.

Tamaño y forma de los poros

La forma y tamaño de los poros también son importantes. Poros más grandes y bien conectados pueden permitir un flujo más eficiente de los fluidos, mientras que poros pequeños y mal conectados pueden reducir la permeabilidad.

Fracturación

Las fracturas en la roca pueden actuar como conductos adicionales para el flujo de fluidos, aumentando la permeabilidad en ciertas situaciones. La presencia de fracturas puede ser natural o inducida, por ejemplo, mediante fracturamiento hidráulico.

Daño en la Formación

La perforación de pozos y las operaciones de producción pueden causar daños en la formación, lo que puede disminuir la permeabilidad localmente.

El daño a la formación puede ser causado por el taponamiento del espacio poroso por partículas sólidas, por aplastamiento mecánico o desintegración del medio poroso, o por efectos de fluidos, tales como la creación de emulsiones o cambios en la permeabilidad relativa.

El taponamiento de los poros por partículas sólidas es el más agresivo de estos mecanismos y puede venir de varias fuentes, incluyendo la inyección de sólidos dentro de la formación, dispersión de arcillas dentro de la matriz de la roca, precipitación, y desarrollo bacterial.

Procesos de Diagénesis

La diagénesis es el conjunto de procesos físicos y químicos que ocurren en una roca sedimentaria a medida que se convierte en una roca sólida. Estos procesos pueden tener un impacto significativo en la permeabilidad de la roca.

Durante la diagénesis, pueden ocurrir varios cambios en la roca, como la cementación y recristalización. La formación de minerales cementantes puede llenar los poros y disminuir la capacidad de flujo de los fluidos.

Si los poros se llenan con minerales, se forman barreras que dificultan el movimiento de los fluidos a través de la roca, lo que resulta en una reducción de la permeabilidad.

Efecto Klinkenberg

Medidas de permeabilidad para varios fluidos (gas, líquidos) y diferentes gradientes de presión dan resultados diferentes. La pequeña dimensión transversal de los canales en los cuales el fluido circula dentro del medio poroso debe ser destacada.

De acuerdo a la teoría cinética de los gases, las moléculas pueden considerarse como minúsculas esferas con diámetros de aproximadamente unas diez milésimas de un micrón, separadas por distancias las cuales son aproximadamente diez veces sus propios tamaños a la presión atmosférica.

Estas moléculas se mueven a muy altas velocidades (del orden de magnitud de la velocidad del sonido) y chocan de una forma aleatoria. La longitud promedio de este movimiento se llama camino libre de paso de las moléculas.

La permeabilidad de un gas es una función de dicho camino libre promedio y, por lo tanto, depende de los factores que lo afectan tales como: presión, temperatura y clase de gas.

En el caso específico de la presión, la longitud promedio de este movimiento, es inversamente proporcional a ella.

A presiones cercanas a la atmósfera, la mayor parte de las colisiones constantemente tendrán lugar entre las moléculas y no contra las paredes, debido al número de moléculas presentes por unidad de volumen.

De otra manera, a muy bajas presiones, la fricción interna debido a los choques entre las moléculas tiende a desaparecer y el flujo es claramente afectado por la proporción relativa de choques con las paredes. El flujo molecular ocurre entonces y el coeficiente de viscosidad no es altamente significativo.

Cuando el camino libre es pequeño, es de esperar que la permeabilidad de los gases se aproxime a la de los líquidos.

Reacciones entre fluidos y yacimiento

El agua se le considera un líquido no reactivo, la presencia de arcillas expansivas en muchos yacimientos causa que se convierta en el líquido reactivo que más frecuente.

Los líquidos reactivos alteran la geometría interna del medio poroso, bien por la expansión de la arcilla, disolución del cemento que une a los granos o arrastre de las partículas desprendidas durante el flujo.

La salinidad y la alcalinidad del agua parecen ser los factores más importantes que entran en juego en este efecto.

La inyección de agua fresca en una muestra arcillosa da permeabilidad cero. La inyección de agua fresca en un yacimiento conduce a una reducción en la permeabilidad, especialmente si hay arcillas presentes.

Presión de Sobrecarga

Cuando una muestra se extrae de la formación, se le elimina toda la presión de sobrecarga. La roca se expande libremente en todas las direcciones cambiando parcialmente la forma de los caminos de flujo dentro del núcleo.

La compactación de la muestra debida a la presión de sobrecarga puede producir tanto como el 60% de reducción en la permeabilidad de la formación.

Fuente:

• Bear, J. (1972). Dynamics of Fluids in Porous Media. New York: American Elsevier Publications.
• Mannucci, J. (n.d.). Caracterización Física de Yacimientos. Maracaibo, Ven.: Mannyron Consultores.
• McCain, W. D. (1990). The Properties of Petroleum Fluids. Tulsa, Oklahoma: PennWell Books.

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