1 Introducción
El proceso de acumulación de gas en los sedimentos marinos se produce por diversas vías, acumulándose en los estratos superficiales, que en el caso de las arcillas superficiales impiden que el gas escape a la columna de agua, debido a su baja permeabilidad, formándose con el paso del tiempo un suelo gaseoso.
El comportamiento del gas en la naturaleza depende de la presión, temperatura y volumen, y cuando este se deposita en los sedimentos marinos desplaza al agua de poro, llenándose los vacios con gas, normalmente metano producido biogénicamente o termogénicamente. Es decir, se forman burbujas de gas no disuelto, que pasan a integrarse a la estructura del suelo, esta nueva estructura se comportará de manera diferente dependiendo del tipo de suelo y del tamaño de las burbujas.
Se ha determinado que el gas modifica las propiedades de los suelos de cimentación, como es la generación de exceso de presión de poro y como consecuencia, una disminución en el esfuerzo efectivo y, por lo tanto, una menor carga a la estimada, si se compara con un suelo libre de gas. Otro posible efecto es la diminución en la cohesión, debido a la presencia de burbujas de gas en el agua intersticial, propiedad que está relacionada con la resistencia al esfuerzo cortante del suelo.
Para entender el comportamiento de una arcilla conteniendo gas metano, se requieren conocer parámetros de compresibilidad y de resistencia provenientes de pruebas de laboratorio y de campo, tal como se realiza para una arcilla sin gas y una alternativa para obtener parámetros mecánicos de una arcilla conteniendo gas metano, es efectuar pruebas en laboratorio a muestras reconstituidas de arcilla con gas, evitando así la problemática asociada al muestreo y expansión de la muestra, al disminuir la presión confinante del suelo.
Durante esta investigación se realizaron diferentes tipos de pruebas a muestras especialmente preparadas para determinar cómo varían las características de compresibilidad y de resistencia al esfuerzo cortante en un suelo con gas. Con los resultados obtenidos en laboratorio, es posible conocer la probable variación de las características mecánicas de la arcilla con gas metano, mediante la comparación de los resultados con los de una arcilla sin gas y desarrollar conceptos que permitan comprender mejor el comportamiento de la arcilla con gas.
Los resultados han permitido un mejor entendimiento de cómo el gas metano es atrapado dentro de la arcilla marina y como la nueva estructura (i.e., láminas de arcilla, agua de poro y gas metano) se comporta cuando presiones externas son aplicadas en el lecho marino. Así mismo, los datos obtenidos muestran alguna claridad de cómo la compresibilidad, resistencia al esfuerzo cortante y resistencia normalizada al corte son afectadas por la presencia de burbujas de gas dentro de la estructura de la arcilla.
2 Método para generar burbujas de gas metano en muestras de arcilla
Para reproducir en laboratorio las burbujas de gas dentro de la arcilla se utilizó “Zeolita Tipo A” y se eligió gas metano por su disponibilidad en el mercado y a su relativamente fácil manipulación en laboratorio. La zeolita tiene la propiedad de absorber moléculas de gas bajo presión y liberar las moléculas adsorbidas a favor de componentes polarizados, como el agua, generándose así, las burbujas de gas metano dentro de la arcilla.
El mezclar lodo de arcilla con la zeolita saturada con gas metano permitió la generación de burbujas de gas uniformemente distribuidas dentro de la estructura de arcilla, Figura 1, conforme el gas se fue liberando de la zeolita. Este método permitió la creación y distribución de burbujas de gas metano dentro de la arcilla, representando, hasta cierto punto, los procedimientos de acumulación que ocurren naturalmente en los ambientes marinos (Nava et al., 2008).
Figura 1. Muestra de arcilla marina reconstituida con gas metano
2.1 Procedimiento para Reconstituir las Muestras de Arcilla Marina con y sin Gas Metano
Para reconstituir las muestras se utilizó arcilla marina del Golfo de México. La estructura de las muestras de arcilla fue destruida en su totalidad para crear una sola muestra de lodo arcilloso, con un contenido de agua de aproximadamente 150 por ciento.
Posterior a la mezcla de arcilla con zeolita saturada con gas metano, la muestra resultante se consolido en un gran consolidometro por incrementos para producir muestras de arcilla blanda y firme (empleando 48.3kPa y 193.2kPa, respectivamente) sin y con gas metano.
Una vez consolidado el lodo arcilloso con y sin zeolita saturada con gas metano, se obtuvieron sub-muestras y se realizaron ensayes para determinar las características de compresibilidad (pruebas de consolidación a deformación constante), de resistencia al esfuerzo cortante (pruebas de torcómetro, veleta miniatura y pruebas triaxiales no consolidadas no drenas, con medición de presión de poro) y de resistencia normalizada al esfuerzo cortante (pruebas de corte simple directo estáticas a 5 por ciento de deformación por hora y rápidas a 100 y 1 000 por ciento de deformación por hora).
2.2 Apariencia de la arcilla marina con gas metano
La Figura 2 muestra como el gas metano afecta la textura y apariencia de una muestra de arcilla. Las fotografías muestran a una arcilla con el 7 por ciento de zeolita saturada con gas metano, antes y después de realizar una prueba de Consolidación a Deformación Constante (CRS, por sus siglas en ingles). Antes de realizarse la prueba de CRS (Figura 2a), son visibles pequeños vacios circulares, indicando la presencia de pequeñas burbujas de gas metano distribuidas uniformemente. Posterior a la prueba (Figura 2b), se observan pocos vacios de mayor tamaño, indicando la formación de grandes burbujas de gas, creadas por la unión de muchas burbujas pequeñas. Estas marcas indican que se generó una emanación o expulsión de gas, debido a que la carga aplicada no pudo ser soportada por las láminas de arcilla y el gas. Este fenómeno es similar a lo que ocurre en los suelos marinos, indicando como se forman los montículos de lodo.
(a) (b) (C)
Figura 2. Arcilla marina con el 7 por ciento de zeolita saturada con gas metano antes (a) y después (b) de la prueba de consolidación a deformación constante. (c) Rayos X de una muestra reconstituida de arcilla marina con gas metano al 7 por ciento.