La estructura de poros es un término común empleado para caracterizar la porosidad , el tamaño de poro, la distribución del tamaño de poro 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 la matriz porosa impermeable de las superficies en las que pueden habitar gases, líquidos o incluso partículas microscópicas extrañas. [3] La estructura de poros y el flujo de fluidos en medios porosos están íntimamente relacionados.
Con radios de poro a escala micronanométrica, conectividad compleja y heterogeneidad significativa, [4] la complejidad de la estructura de poro 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 poro, y los factores físicos fundamentales que rigen 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 está formado por una red de canales a través de los cuales puede fluir el fluido es particularmente útil. Las aberturas de los poros son las 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 los huecos intergranulares con dimensiones que son generalmente 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.
Estos 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 un sólido. [8]
La proporción de espacio vacío en un medio poroso se denomina porosidad . [9] Se determina dividiendo el volumen de los poros o huecos por el volumen total. Se expresa como un porcentaje o como una fracción decimal entre 0 y 1. La porosidad para la mayoría de las rocas varía de menos del 1% al 40%.
La porosidad influye en el almacenamiento de fluidos en sistemas geotérmicos, yacimientos de petróleo y gas y acuíferos , lo que hace evidente que desempeña un papel importante en la geología . El movimiento y el 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 midió 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 agujeros 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 ir desde la cámara de referencia a la cámara de muestra gracias a la conexión entre las dos cámaras. El volumen del sólido de muestra se calcula utilizando la relación entre las presiones inicial y final. El volumen de poro, calculado por el picnómetro de helio, es la diferencia entre el volumen total y el volumen del 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 única 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 varias sustancias porosas es definitivamente conveniente y valioso. [12]
Los tres rangos principales de tamaño de poro (la clasificación actual del 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 representada 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 por intrusión de mercurio [13] y la adsorción de gas [14] son técnicas comunes para determinar la distribución del tamaño de poro de materiales y fuentes de energía.
Al estudiar la distribución del tamaño de poro mediante la técnica de adsorción de gas utilizando la isoterma de adsorción de nitrógeno o argón a sus temperaturas de ebullición, es posible determinar el tamaño de poro desde el nivel molecular hasta unos pocos cientos de nm. Las restricciones precisas del sensor de presión y la estabilidad de temperatura del refrigerante dan como resultado un tamaño de poro máximo observado de apenas un poco más de 100 nm en un entorno realista. [15]
La porosimetría de mercurio determina la distribución del tamaño de los poros y cuantifica la cantidad de intrusión asociada aplicando presión al mercurio no humectante. El tamaño de los poros se puede estimar fácilmente utilizando este método y varía de unos pocos nm a 1000 µm. El material debe ser lo suficientemente robusto para soportar la presión, ya que la intrusión de mercurio requiere 140 MPa de presión para poros más pequeños que 10 nm. Además, utiliza la idea para determinar el tamaño de los poros del cuello del tintero. [15]
Se espera que la relación entre el tamaño de poro y la distribución del tamaño de poro en un sistema poroso construido aleatoriamente sea monótona: los poros más grandes están conectados a partículas más grandes. La relación entre el tamaño de poro y el tamaño de partícula se complica por la naturaleza no aleatoria de la mayoría de los suelos. Se pueden encontrar poros grandes tanto en partículas grandes como diminutas, incluidas las arcillas, que promueven la agregación y, por lo tanto, el desarrollo de grandes poros interagregados. Las subdivisiones de una distribución del 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. [16]
La tortuosidad de los canales porosos es una cantidad geométrica única que se utiliza no solo 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 permeabilidad 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 de la superficie para un medio poroso se basa en el valor promedio de la coordenada vertical medida 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 altura relativa de la superficie se considerara inadecuada en la realidad. [22] [23]
La relación entre el "área de superficie real" y el "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 las ecuaciones de flujo o medir el área de la interfaz 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) mediante ajustes de dimensión fractal , lo que da como resultado dimensiones de superficie más grandes o dimensiones de medios reducidas [27] . El exponente de rugosidad de Hurst, una definición similar, se utiliza ocasionalmente. Esta cantidad, que abarca de 0 a 1, está relacionada con la dimensión fractal.