Estudio de Permeabilidad de las rocas

1. Estudio de Permeabilidad
de las rocas
Facultad de Ciencias de la Construcción y Ordenamiento Territorial
Ingeniería Civil en Obras Civiles
Mauricio Celedón Vega
Alfredo Talamilla Vega
Richard Cortes Contreras
Profesor : Ricardo Pinilla Del Canto

2. Permeabilidad
Propiedad que permite el paso de un fluido a través de los poros interconectados de
una roca sin que se dañen ni se desplacen las partículas de la roca.
Esta determina la relación entre la velocidad y el gradiente hidráulico, que da origen al
flujo de agua a través de la roca.
Depende de las propiedades físicas de la roca y de su historia geológicas

3. Tipos de permeabilidad
De acuerdo a las fases almacenadas en el medio poroso, la
permeabilidad se puede clasificar en:
•Permeabilidad absoluta (K): Cuando existe un único fluido o fase
y satura completamente el medio poroso, se dice que estamos
presente ante una permeabilidad absoluta.
•Permeabilidad efectiva (Ke): Cuando existe más de una fase en
el medio poroso y fluyen simultáneamente, por ejemplo un
yacimiento de gas-agua y vemos como se desplaza el gas en
presencia del agua a través del medio poroso, se dice que estamos
presente ante una permeabilidad efectiva.
•Permeabilidad relativa (Kri): Es la relación entre la
permeabilidad efectiva y la permeabilidad absoluta. Esta
permeabilidad es función de la saturación de los fluidos que
intervienen en la roca, si existe un solo fluido entonces la
permeabilidad relativa será igual a 1.

4. Permeabilidad en las rocas
Las intersticios de la roca, en cuanto a los caminos por lo que pasa el flujo subterráneo y la
circulación, se clasifican en :
A) Poros : Son los intersticios intergranulares que hay entre los granos de los sedimentos
clásticos consolidados y no consolidados ,o en las tobas volcánicas sueltas

5. Permeabilidad en las rocas
B) Fisuras: Son fracturas o grietas en la roca que se originaron debido a esfuerzos posteriores a la
formación de la rocas; diaclasas o juntas

6. Permeabilidad en las rocas
C) Cavidades : Presente en las rocas carbonatadas y en los tubos de lava de las rocas volcánicas

7. ¿Qué factores afectan la permeabilidad de las
rocas?
La presión de las capas suprayacentes: o presión de sobrecarga y se refiere a la
fuerza que ofrece los estratos superiores sobre los inferiores. A medida que
aumenta esa presión la permeabilidad disminuye, ya que por el peso los estratos
sobre las rocas reducen el tamaño de los poros por efecto del confinamiento
haciendo entonces más tortuoso el recorrido del fluido que desea fluir a través
de la formación.
Forma y tamaño de los granos: Mientras más arreglados y homogéneos estén los
granos de la roca, es decir, mientras su tamaño y forma sean similares, mayor
será la permeabilidad.
Daño a la formación: La permeabilidad se puede ver afecta por los
daños ocurrido en la formación rocosa durante los procesos de
perforación, por una parte ocurre la fracturación que amplia los
canales porosos y por otro lado si llega a ocurrir una pérdida de
circulación los ripios se introducen en los espacios vacíos haciendo
que la permeabilidad disminuya.

8. Porosidad
Es el espacio vacío (área de color negro en la imagen) que no está ocupado por los
granos que es el material sólido de la roca (área de color azul en la imagen). Los poros
permiten el almacenamiento de los fluidos: petróleo, agua y/o gas

9. Tipos de porosidad
Según la comunicación de los poros
 Porosidad efectiva: conocida como porosidad
interconectada, se denomina así al porcentaje de espacio
vacío (poros) conectados entre sí, es decir que se pueden
comunicar uno con otro, con respecto al volumen total de la
roca. Este tipo de porosidad facilita la circulación de los
fluidos por las rocas.
Porosidad no efectiva: conocida como porosidad no
interconectada, se denomina así al porcentaje de espacio
vacío (poros) que no están conectados entre sí, es decir
poros aislados o cerrados, por lo tanto el fluido no podrá salir
ni desplazarse por esta zona.
Porosidad absoluta: También conocida como porosidad
total, se denomina así al porcentaje del espacio vacío (poros)
total, tanto los poros interconectados como los no
interconectados, con respecto al volumen total de la roca, es
decir es la sumatoria de la porosidad efectiva y la no efectiva.

10. Tipos de porosidad
•Según su origen y tiempo de deposición de las capas
•Porosidad primaria: También conocida como intergranular o incluso como porosidad
original, se denomina así a aquella que tiene origen durante el proceso de deposición de
los sedimentos que dan origen a la formación de las rocas, por lo tanto los espacios vacíos
dejados por los sedimentos después de su deposición original se conoce como porosidad
primaria. Este proceso es propio de las rocas sedimentarias como las areniscas detríticas y
las calizas oolíticas.
•Porosidad secundaria: También conocida como porosidad inducida o vugular. Se denomina
así a la porosidad originada luego del proceso geológico de deposición de los sedimentos
para la formación de las rocas. Por lo tanto este tipo de porosidad puede clasificarse en:
• Porosidad formada por acción de lixiviación de las aguas subterráneas: Es la porosidad
formada por efecto de la erosión por aguas subterráneas e incluso esta agua puede disolver
materiales solubles dejando el espacio vacío al paso del agua. Se conoce como lixiviación al
proceso de arrastre por el agua de lluvia desde estratos superficiales hasta los más profundos.
• Porosidad por fractura: Es la porosidad formada por acción de las fuerzas tectónicas, esto se
conoce como diastrofismo.
• Porosidad por dolomitización: Esta porosidad se origina por la sustitución de una molécula de
calcio por una de magnesio, es decir las rocas calizas se convierten dolomías, las cuales son
rocas más porosas.

11. Ley de Darcy 1856
Ley de Darcy ,es una ley experimental que define
el movimiento de filtración en un medio poroso
saturado. Dicha ley dice que la velocidad del
fluido en medio poroso es proporcional al
gradiente hidráulico a través del coeficiente de
permeabilidad.
Solo es valida para régimen de agua subterránea laminares
acuíferos homogéneos e isótropos,(sedimentos clásticos y
rocas sedimentarias)

12. Clasificación rocas según propiedades
hidrogeológicas
La hidrogeología es la ciencia que estudia las aguas
subterráneas, trata de su origen y formación, así
como de su movimiento y características físicas,
químicas y biológicas.
ACUÍFEROS
Un acuífero es una formación geológica, formada por
una o más capas de rocas (gravas, arenas, caliza…),
situada en la zona saturada, capaz de almacenar y
transmitir al agua libre en cantidades importantes. Se
caracteriza, por poseer una permeabilidad
significativa y una extensión y espesor considerables.
Constituyen almacenes de enormes reservas que
pueden ser utilizadas, mediante obras de captación.

13. Clasificación rocas según propiedades
hidrogeológicas
•Acuíferos detríticos: son acuíferos de rocas o sedimentos
detríticos. Su permeabilidad se debe a la porosidad intergranular
(de tipo primario). Si las rocas están parcialmente consolidadas o
cementadas, la porosidad puede ser además de tipo secundario,
por fisuración, disolución. Son todos los materiales con tamaño
de grano de arena: arenas, arcosas, areniscas, gravas,
conglomerados, etc.
•Acuíferos fisurados y/o kársticos: se correspondes con acuíferos
en rocas carbonatadas (calizas/dolomías) o bien otro tipo de
rocas que presenten diaclasado, fracturación y/o disolución
(rocas ígneas, metamórficas, detríticas bien consolidadas…).
Poseen permeabilidad debida a grietas y fisuras, tanto de origen
mecánico como de disolución. Se encuentran entre las calizas,
dolomías, yesos, granitos, basaltos…, siendo los dos primeros los
tipos más importantes.
•Acuíferos mixtos: su porosidad se debe a un conjunto de todas las
anteriores causas. Un ejemplo pueden ser las arenas calcáreas o
calcarenitas.

15. Permeabilidad en los diferentes tipos de
rocas
ROCAS ÍGNEAS
Son permeables en zonas donde las fisuras
están abiertas. Normalmente el ancho de
las fisuras y por lo tanto la permeabilidad
decrecen con la profundidad

16. Permeabilidad en los diferentes tipos de
rocas
ROCAS METAMORFICAS
Son normalmente permeables en zonas
donde las fisuras están abiertas. Estas se
forman por meteorización a una cierta
profundidad

17. Permeabilidad en los diferentes tipos de
rocas
ROCAS SEDIMENTARIAS
Según sus propiedades hidrogeológicas
existen una gran variedad de rocas
sedimentarias y forman los acuíferos mas
importantes.
Pueden presentar varios tipos de
intersticios y poseen un gran rango de
permeabilidad

18. Ensayos en laboratorio
Permeámetro de Ruska
es un equipo que sirve para medir la
permeabilidad absoluta en muestras cilíndricas
de núcleos de perforación ,haciendo pasar un
gas (nitrógeno o aire) de viscosidad conocida a
través de una muestra a la cual se le ha
determinado previamente la longitud y a
diámetro. Y así calcular la presión, temperatura
y tasa de flujo del gas a través de la roca es
medida

19. Procedimiento con gas
Se toman las muestras que se desean analizar su
permeabilidad, ellas son núcleos de roca tomados
directamente desde el yacimiento durante la perforación. Una
vez obtenidos los núcleos se anotan sus dimensiones haciendo
uso del Varnier, tanto la longitud como su diámetro. Además
para la determinación de la permeabilidad con el
permeámetro, ya se conoce la viscosidad del fluido que fluye a
una tasa establecida.
Luego se introduce la muestra en el portanúcleos del
permeámetro de Ruska y se hace pasar un flujo de nitrógeno
(un gas inerte) o aire. Para la primera prueba del permeámetro
con la muestra, la válvula se pone en funcionamiento en la
opción grande y se regula la presión a 0,25 atm. Luego se
anota la altura alcanzada por el flotador, si el valor visualizado
está por encima de 20 divisiones, entonces la
opción grande es la correcta y se mide la permeabilidad.

20. Procedimiento con gas
Si el flotador queda por debajo de las 20 divisiones, se
debe poner la opción Medium e incrementar la presión
a 0.5 atm. Pero si el flotador no alcanza el nivel en el
tubo grande ni en el medio a las presiones respectivas,
entonces se debe poner la opción pequeña e
incrementar la presión a 1 atm.
Una vez determinado el flujo a trabajar: grande,
mediano o pequeño , se debe tomar esa lectura,
además del valor de la presión que se usó durante la
experiencia y la temperatura. Luego para determinar la
permeabilidad se hace uso de la simulación de Darcy y
de la curva de calibración para conocer las tasas de
flujo. En la gráfica se muestra en el eje de las ordenadas
los volúmenes alcanzados por el flotador según las
medidas de large , medium y small y en el eje de las
abscisas las tasas de flujo correspondientes.

21. Procedimiento con liquido
Primero se debe saturar el núcleo de roca con el fluido a trabajar, y para
esto se utiliza una solución de NaCl al 3% y un equipo de saturación
conectado a una bomba de vacío.
Una vez saturada la muestra se coloca en el portanúcleos del
permeámetro de Ruska a líquido y se llena el portanúcleo con el mismo
fluido utilizado para saturar la muestra por medio de una manguera que
se muestra en la parte izquierda del permeámetro.

22. Procedimiento con liquido
Similar con el procedimiento del permeámetro de Ruska a gas, se abre la
válvula de la bomba de nitrógeno o aire y se regula la presión a 30
lbs. Una vez esto hecho se regula entonces la presión a 1 atm para
empezar la experiencia. Se abre la válvula para dejar fluir el fluido que
satura la muestra y se toma un cronómetro para medir el tiempo que
tardará en viajar 10 cm 3 de ese fluido por el núcleo de roca.
Para determinar la permeabilidad se hace uso de la ecuación de Darcy, es
conocida la viscosidad del fluido a usar en la experiencia, la tasa de flujo
se determina a través de la relación entre el volumen de fluido desplazado
que es de 10 cm 3 y el tiempo medido que tardó ese fluido en atravesar el
núcleo de roca. Se observa la presión que alcanzó durante este proceso y
de ese modo se puede conocer el valor de "K".

23. Ensayo in situ
Las pruebas de permeabilidad de laboratorio son útiles
cuando la estructura que se forma está formada por un
material que puede considerarse homogéneo, isótropo,
o anisótropo. En cambio, en las formaciones naturales,
generalmente compuestas por mantos distintos, con
variaciones importantes tanto en la disposición de los
mismos como en las características de los materiales, es
difícil estudiar el escurrimiento a partir de un número
limitado de ensayes sobre muestras inalteradas. En
mantos de arena y grava es casi imposible obtener
especímenes inalterados. En estos casos es necesario
recurrir a las pruebas de campo.
El tipo de prueba de permeabilidad útil en cada caso
particular depende de numerosos factores, tales como
tipo de material, localización del nivel freático y
homogeneidad o heterogeneidad de los distintos
estratos del suelo, en cuanto a permeabilidad se refiere.

24. Ensayos in situ
Ensayo lefrac
El ensayo Lefranc es uno de los ensayos de permeabilidad,
in situ.Consiste en introducir, o bombear agua desde un
sondaje, donde la cavidad es mantenida constante, a una
determinada profundidad. Se aplica principalmente a suelos
sueltos. Para suelos rocosos fracturados se utiliza, para el
mismo fin, el ensayo Lugeon.

25. Ensayos in situ
Ensayo lefranc
Ensayo con carga hidráulica constante: se introduce bombea en un pozo de sondeo el caudal
necesario para mantener el pozo a un nivel constante. Se base hipótesis se un flujo laminar,
medio isótropo y homogéneo con un régimen permanente

26. Ensayos in situ
Ensayo lefranc
Ensayo con carga hidráulica variable: se introduce un determinado volumen de agua en la
cavidad de infiltración y se mide la variación del nivel piezométrico en el pozo a lo largo del
tiempo (suelos poco permeables )

27. Ensayos in situ
Ensayo Lugeon
es un tipo de investigación geotécnica realizado en el
interior de un sondeo (ensayo in situ), que define el valor
de la permeabilidad (K) en rocas (macizos rocosos)
variablemente fracturados, donde se introduce agua a
presión constante en tramos aislados y semi aislados.
Consiste en medir el volumen de agua que se consigue
inyectar en el suelo durante un tiempo determinado, en
otras palabra mide caudal en un tramo de una longitud a
una presión constante.
Las mediciones se efectúan en 5 niveles de presión, en las
cuales el agua es inyectada. Antes de empezar se define la
presión máxima que va ser utilizada esta no debe exceder
la presión de confinamiento esperada de la profundidad de
la perforación. Permeabilidad se determina
r: radio de la perforación de prueba