La estructura de los poros es un término común empleado para caracterizar la porosidad , el tamaño de los poros, la distribución del tamaño de los poros y la morfología de los poros (como la forma de los poros, la rugosidad de la superficie y la tortuosidad de los canales de los poros) de un medio poroso . [1] [2] Los poros son las aberturas en las superficies de una matriz porosa impermeable en las que pueden habitar gases, líquidos o incluso partículas microscópicas extrañas. [3] La estructura de los poros y el flujo de fluido en medios porosos están íntimamente relacionados.
Con radios de poros a micronanoescala, conectividad compleja y heterogeneidad significativa, [4] la complejidad de la estructura de los poros afecta la conductividad hidráulica y la capacidad de retención de estos fluidos. [5] La permeabilidad intrínseca es el atributo influenciado principalmente por la estructura de los poros, y los factores físicos fundamentales que gobiernan el flujo y la distribución del fluido son la relación superficie-volumen del grano y la forma del grano. [6]
La idea de que el espacio poroso esté formado por una red de canales a través de los cuales puede fluir el fluido es particularmente útil. Las aberturas de los poros son secciones comparativamente delgadas que dividen las porciones relativamente grandes conocidas como cuerpos porosos. Otras analogías anatómicas incluyen "vientre" o "cintura" para la región amplia de un poro y "cuello" o "garganta" para la parte constrictiva. Los cuerpos porosos son espacios intergranulares con dimensiones que generalmente son significativamente más pequeñas que las de las partículas circundantes en un medio donde predomina el espacio poroso textural, como la arena. Por otro lado, un agujero de gusano [7] puede considerarse como un solo poro si su diámetro es prácticamente constante a lo largo de su longitud.
Dichos poros pueden tener uno de tres tipos de límites: (1) constricción, que es un plano que atraviesa la parte localmente más estrecha del espacio poroso; (2) interfaz con otro poro (como un agujero de gusano o una grieta); o (3) interfaz con sólido. [8]
La proporción de espacio vacío en un medio poroso se llama porosidad . [9] Se determina dividiendo el volumen de los poros o huecos por el volumen total. Se expresa como porcentaje o fracción decimal entre 0 y 1. La porosidad de la mayoría de las rocas oscila entre menos del 1% y el 40%.
La porosidad influye en el almacenamiento de fluidos en sistemas geotérmicos, campos de petróleo y gas y acuíferos , lo que hace evidente que juega un papel importante en la geología . El movimiento y transporte de fluidos a través de formaciones geológicas, así como el vínculo entre las propiedades generales de la roca y las características de minerales particulares, están controlados por el tamaño y la conectividad de la estructura porosa. [10]
Se midieron el volumen total de las muestras y el volumen del espacio poroso para calcular las porosidades.
Medición del volumen del espacio poroso
Se utilizó un pirómetro de helio para calcular el volumen de los poros y se basó en la Ley de Boyle . (P 1 V 1 =P 2 V 2 ) y gas helio, que pasa fácilmente a través de pequeños orificios y es inerte, para identificar la fracción sólida de una muestra. Una cámara de muestra con un volumen conocido es donde se coloca el núcleo. Se aplica presión a una cámara de referencia con un volumen conocido. El gas helio ahora puede pasar de la cámara de referencia a la cámara de muestra gracias a la conexión entre las dos salas. El volumen de la muestra sólida se calcula utilizando la relación entre las presiones inicial y final. El volumen de poros, calculado por el picnómetro de helio, es la diferencia entre el volumen total y el volumen sólido. [11]
Normalmente, el radio efectivo del cuerpo o cuello del poro se utiliza para definir el tamaño de los poros. [8] La posición, la forma y la conexión de los poros en los sólidos son solo algunos de sus numerosos atributos y el aspecto más sencillo de visualizar de un poro es probablemente su tamaño o su extensión en una sola dimensión espacial .
En comparación con otros factores como la forma de los poros, se puede argumentar que el tamaño de los poros tiene el mayor o más amplio impacto en las características de los sólidos. Por lo tanto, utilizar el tamaño de los poros o la distribución del tamaño de los poros para describir y contrastar diversas sustancias porosas es definitivamente conveniente y valioso. [12]
Los tres rangos principales de tamaño de poro (la clasificación actual de tamaño de poro recomendada por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) son los siguientes: [12]
La abundancia relativa de cada tamaño de poro en un volumen típico de suelo está representada por la distribución del tamaño de poro. Está representado por la función f(r), cuyo valor es proporcional al volumen total de todos los poros cuyo radio efectivo está dentro de un rango infinitesimal centrado en r. Y se puede pensar que f(r) tiene componentes texturales y estructurales. [8]
La porosimetría de intrusión de mercurio [13] y la adsorción de gas [14] son técnicas comunes para determinar la distribución del tamaño de los poros de materiales y fuentes de energía.
Cuando se estudia la distribución del tamaño de los poros utilizando la técnica de adsorción de gas que utiliza la isoterma de adsorción de nitrógeno o argón a sus temperaturas de ebullición, es posible determinar el tamaño de los poros desde el nivel molecular hasta unos pocos cientos de nm. Las limitaciones precisas del sensor de presión y la estabilidad de la temperatura del refrigerante dan como resultado un tamaño de poro máximo observado de poco más de 100 nm en un entorno realista. [15]
La porosimetría del mercurio determina la distribución del tamaño de los poros y cuantifica la cantidad de incursión asociada aplicando presión al mercurio que no moja. El tamaño de los poros puede estimarse fácilmente utilizando este método y oscila entre unos pocos nm y 1000 m. El material debe ser lo suficientemente robusto para soportar la presión, ya que la intrusión de mercurio requiere 140 MPa de presión para poros menores de 10 nm. Además, utiliza la idea para determinar el tamaño de los poros del cuello de la botella de tinta. [15]
Se espera que la relación entre el tamaño de los poros y la distribución del tamaño de los poros en un sistema poroso construido aleatoriamente sea monótona: los poros más grandes están conectados a partículas más grandes. La relación entre el tamaño de los poros y el tamaño de las partículas se complica por la naturaleza no aleatoria de la mayoría de los suelos. Se pueden encontrar poros grandes tanto en partículas grandes como pequeñas, incluidas las arcillas, que promueven la agregación y, por lo tanto, el desarrollo de grandes poros interagregados. Las subdivisiones de una distribución de tamaño de poro en medios estructurados aleatoriamente pueden expresar características más específicas de los suelos con conceptualizaciones más complejas, como la histéresis de la retención de agua del suelo. [8]
La morfología de los poros es la forma, la rugosidad de la superficie y la tortuosidad de los canales de los poros que representan las fases líquida y gaseosa. [dieciséis]
La tortuosidad de los canales de los poros es una cantidad geométrica única que se utiliza no sólo para medir las características de transporte del sistema poroso, sino también para expresar la sinuosidad y complejidad de las rutas de percolación interna . [17] [18] [19]
La toruosidad está íntimamente relacionada con el comportamiento de transporte de la conductividad eléctrica , la permeación de fluidos, [20] la difusión molecular y la transferencia de calor en geociencias , lo que afecta parámetros petrofísicos como la permeabilidad, la difusividad efectiva , la conductividad térmica y el factor de resistividad de la formación. [18] [21]
La definición estándar de rugosidad superficial para medios porosos se basa en el valor promedio de las coordenadas verticales medidas en comparación con una altura relativa de la superficie, como la rugosidad cuadrática media o la rugosidad aritmética. Sin embargo, la falta de consideración de la topología fractal llevó a que la definición de la altura relativa de la superficie se considerara en realidad inadecuada. [22] [23]
La relación entre "área de superficie real" y "área de superficie lisa geométrica" se utilizó como segunda definición de rugosidad de la superficie. Esta definición se ha aplicado en varias investigaciones para alterar ecuaciones de flujo o medir el área interfacial fluido-fluido. [24] [25]
La idea fundamental de la geometría fractal es de donde proviene la tercera definición de rugosidad de la superficie, [26] en la que se modifican las superficies de los poros (bidimensionales) o todo el medio poroso (tridimensional) utilizando ajustes de dimensiones fractales , lo que resulta en mayores dimensiones. dimensiones de superficie o dimensiones de medios reducidas. [27] Ocasionalmente se utiliza el exponente de rugosidad de Hurst, una definición similar. Esta cantidad, que va de 0 a 1, está relacionada con la dimensión fractal.