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ANÁLISE DAS PROPRIEDADES PETROFÍSICAS DAS ROCHAS SEDIMENTARES DA BACIA RIO DO PEIXE
Tercio Rodrigues Barreto de Matos 1; Lanna Caroline Normando1; Leyllanne Renalle Batista de
Almeida2; José Agnelo Soares2
1Universidade Federal de Campina Grande, Unidade Acadêmica de Engenharia Mecânica [email protected], [email protected]
2Universidade Federal de Campina Grande, Unidade Acadêmica de Mineração e Geologia –[email protected], [email protected]
RESUMO
O presente trabalho investiga as propriedades físicas de rochas sedimentares oriundas da bacia Riodo Peixe, localizada nas proximidades do município de Sousa, Paraíba. Para realização dacaracterização petrofísica, foram necessárias algumas etapas realizadas: extração de amostras derochas em campo; confecção de plugues; secagem, pesagem e medição de suas dimensões;realização dos ensaios de densidade de grãos e porosidade; ensaios elastodinâmicos. A densidadedos grãos apresentou valores médios de 2,6 g/cm³, como esperado para os conglomerados.Entretando, algumas amostras, apresentaram estes valores um pouco acima possivelmente devido àexistência de cimentação carbonática e outras muito abaixo da média, possivelmente devido àpresença de argila intercristalina. Já densidade total e a velocidade das ondas compressionaiscisalhantes apresentaram relação inversa com a porosidade, conforme o esperado. Embora estasúltimas tenham apresentado um considerável grau de dispersão. Para a maioria das amostras o graude anisotropia foi baixo, inferior a 10%. Por fim, os módulos elásticos apresentaram relação inversacom a porosidade, à exceção da razão de Poisson, que não apresenta relação alguma, sendoutilizado para fins de indicação litológica.
Palavras Chave: Petrofísica, Bacia do Rio do Peixe, Rochas Sedimentares.
1. INTRODUÇÃO
A Petrofísica é uma especialidade que misturaconhecimentos de engenharia de petróleo,geofísica, e geologia, que determinaquantitativamente as propriedades da rocha efluidos nele presentes. Ela não se resumeapenas ao estudo de caracterização dereservatórios, pois pode ser empregada emproblemas que vão da geo-engenharia e dageologia ambiental até a determinação deestruturas de grande escala na litosferaterrestre.
O trabalho desenvolvido teve como objetivoidentificar as propriedades petrofísicas de 30amostras de conglomerados retiradas da
formação Antenor Navarro localizada naBacia Rio do Peixe, especifica localizada nasimediações da cidade de Sousa, Paraíba.
1.1 Localização da área de estudo
A Bacia do Rio do Peixe está situada noextremo oeste do Estado da Paraíba,compreendendo três sub-bacias sedimentares(Brejo das Freiras, Sousa e Pombal),separadas por altos do embasamento eperfazendo uma área total de 1250 Km2. Amaior delas é a Sub-bacia Sousa com cerca de675 Km2 , seguida pela de Brejo das Freiras,com 500 Km2 e Pombal comaproximadamente 75 Km2 . Os litotipos destabacia compõem o Grupo Rio do Peixe.www.conepetro.com.
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Figura 1 – Localização da Bacia do Rio doPeixe.
Fonte: (ANP, 2013).
1.2 Geologia da Bacia Rio do Peixe
O Grupo Rio do Peixe (Cretáceo Inferior) éconstituído pelas formações Antenor Navarro(inferior), Sousa (intermediária) e RioPiranhas (superior) designadas por Costa(1964), as quais são compostaspredominantemente por sedimentos terrígenoscontinentais de origem flúvio-lacustres,corroborando com a proposta de Mabesoone& Campanha (1973/1974).
O embasamento das bacias constitui-se, emespecial, de rochas metamórficas de alto grau,que se alinham preferencialmente nasdireções Nordeste-Sudoeste e Leste-Oeste. Asrochas predominantes no embasamento sãomigmatitos, granitos, gabros e anfibolitos. Osprincipais tipos litológicos distribuídos nasbacias são brechas e conglomeradosbrechoides, arenitos, siltitos, argilitos efolhelhos. Por vezes ocorre cimentação
carbonática nas rochas, sendo que o carbonatopode vir a constituir até mesmo margas eníveis centimétricos de calcário (HASUI Y,.2012)
1.3 Área de coleta das amostras
As 30 amostras foram colhidas na região daformação Antenor Navarro. Os pontos decoletas das amostras foram numa mesma área,variando somente a direção às quais foramretiradas das rochas (direção vertical,horizontal e inclinações).
Figura 2: Mapa simplificado da bacia Rio doPeixe com as falhas principais.
Fonte: (modificado de JARDIM DE SÁ,2010).
1.4 Propriedades Petrofísicas
Archie (1950) introduziu o termo“petrofísica”, onde a descreve como “o estudodas propriedades físicas das rochas que dizemrespeito à distribuição de fluidos em seusespaços porosos”. As propriedades estudadasneste trabalho são: Porosidade, densidadetotal, densidade de grãos e propriedadeswww.conepetro.com.
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elásticas (módulo de Young, razão dePoisson).
1.4.1 Porosidade
A porosidade é a medida da capacidade dearmazenamento de fluidos nos espaços vaziosde uma rocha, a qual pode estarinterconectada ou não, sendo uma daspropriedades das rochas mais importantespara a engenharia de reservatórios.
De acordo com TEIXEIRA et al (2009),porosidade é uma propriedade física definidapela relação entre o volume de poros (Vp) e ovolume total (Vt) de um certo material,conforme descrito na Eq. (1):
ϕ=V p
V t
(1)
1.4.2 Densidade total e de grãos
A Densidade total do solo consiste na relaçãoentre a massa e o volume real, considerandoos volumes da matriz sólida e da porosidadetotal (g/cm3). Densidade de grãos é a relaçãoentre a massa de uma amostra de solo e ovolume que ocupam as partículas do solo,desconsiderando o volume dos poros (g/cm3);
Também denominada de densidade real ereflete as características do solo em relação aoseu peso e volume real. Esta característica éimutável; ambientes com maiores teores dematéria orgânica, em geral, apresentam menordensidade de partículas, por fatores físicos dosolo, sendo este, um agregador do solo.
Geralmente, os resultados da densidade departícula são expressos em gramas porcentímetro cúbico (g/cm3), e variam entre oslimites de 2,3 a 2,9 g/cm3, em média. Adensidade de partícula é uma característicaque varia com a composição das partículas,
não sendo afetada por variação no seutamanho.
1.4.3 Propriedades elásticas
As propriedades elásticas das rochas sãodeterminadas pela elasticidade dos mineraisque as compõem e pela importância e pelamorfologia das descontinuidades,denominadas fissuras e fraturas. Emparticular, as velocidades de propagação dasondas sísmicas longitudinais, ondas P, e dasondas transversais (S) variamsignificativamente com a presença dedescontinuidades.
O módulo de Young ou módulo deelasticidade é um parâmetro mecânico queproporciona uma medida da rigidez de ummaterial sólido. É a razão entre a tensão (σ)exercida e a deformação () unitária sofridapelo material (Eq. 2):
E=σε
(2)
A razão entre a deformação transversal e adeformação longitudinal associadas a umatensão longitudinal aplicada é a razão dePoisson (υ). Esta relação é descrita na Eq. 3:
υ=ε2
ε1
(3)
O Módulo de Volume ou deIncompressibilidade (K), é uma medida darazão entre a tensão e a sua correspondentedeformação quando um corpo está sendosubmetido a uma tensão 3D de compressão euniforme. A tensão (σ) é relativa à mudançano volume (ΔV). Uma expressão para owww.conepetro.com.
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cálculo do módulo de incompressibilidade édescrita na Eq. (4):
K=σ
ΔV /V (4)
O módulo de cisalhamento (G) descreve arazão entre a tensão (σ) de cisalhamento e asua correspondente deformação decisalhamento (s), sendo uma medida daoposição à deformação angular provocadapela tensão cisalhante, conforme descrito naEq. (5):
G=σε s
(5)
Segundo BASSIOUNI (1994), as quatroconstantes elásticas, E, υ, K e G sãoparâmetros interdependentes. Assim, utiliza-se a relação proposta nas Eqs. (6) e (7):
G=E
2(1+υ )(6)
K=E
3(1−2υ )(7)
2. METODOLOGIA
2.1 Preparação das Amostras
As atividades referentes à confecção decorpos de prova foram todas realizadas nasala de preparação de amostras. As amostrasna maioria das vezes chegam como blocos derochas, originalmente retirados em campo,
onde posteriormente são dimensionadas paraos tamanhos, espessuras, e característicasexigidas nos ensaios. Os ensaios realizados noLaboratório de Petrofísica, de forma geral,utilizam de plugues de rochas com formatocilíndrico.
Durante a fase de preparação das amostras, 4amostras foram danificadas e portantodescartadas, visto que não seriam possívelrealizar os ensaios devido a incompatibilidadecom os equipamentos. Assim, o numero totalforam de 26 amostras submetidas aos ensaios.
Os equipamentos encontrados na sala depreparação das amostras são: serra (Figura 3)e retificadora (Figura 4). Visto que asamostras geralmente chegam com formatos deblocos, a plugadeira de bancada é utilizadapara a extração dos plugues no formatocilíndrico. A serra é utilizada para realizar umcorte transversal nesse cilindro para atenderos tamanhos requisitados. Após o corte, cadaamostra é levada para a retificadora com oobjetivo de nivelar as suas extremidades,deixando-as paralelas entre si, masperpendiculares em relação ao eixo docilindro.
Figura 3: Serra.
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Figura 4: Retificadora.
Após a sua confecção, os plugues foramsubmetidos a uma secagem por 24h em umaestufa com temperatura interna de 80°C.Posteriormente, todas as amostras forampesadas utilizando uma balança de precisão, etiveram suas dimensões de comprimento ediâmetro mensurados utilizando-se umpaquímetro digital sendo feitas três mediçõesde comprimento e três de espessura, em cadaplugue e em diferentes posições, a fim deobter a média desses valores.
A tabela 1 apresenta todos os dados referentesao peso e a média das medidas decomprimento (L) e espessura (D) dasamostras.
Tabela 1: Dados referentes ao peso e a médiadas medidas de comprimento (L) e espessura(D) das amostras.
2.2 Ensaios de Densidade de Grãos ePorosidade
Na realização dos ensaios de porosidade e dedensidade de grãos utilizou-se o equipamentoULTRA-PORO/PERM 500 (Figura 5), defabricação da CORELAB INS-TRUMENTS.
Figura 5: Equipamento ULTRA-PORO/PERM 500.www.conepetro.com.
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Para a realização dos ensaios petrofísicos deporosidade, cada plugue de rocha é instaladoindividualmente dentro do copo matriz. Umaválvula é aberta e o gás é liberado para dentrode uma célula de referência com volume (V1)conhecido. A pressão P1 é lidaeletronicamente pelo aparelho. Em seguidapermite-se que o gás se expanda através deuma conexão ao copo matriz, de volume Vcopo
também conhecido, o qual contém o pluguejuntamente com discos metálicos de volumeVdiscos. Após a estabilização da expansão dogás, esse passa a ocupar os vazios no copomatriz, além do volume V1, o que resulta emuma queda de pressão do gás para um nívelP2.
Sendo a fração da porosidade definida comosendo a razão entre o volume de poros e ovolume total da amostra, é necessária autilização da Lei de Boyle simplificada paracaso isotérmico (Eq. 8) para determinar ovolume de grãos a partir da expansão de umamassa conhecida de gás (hélio/nitrogênio)para dentro do copo matriz.
P1V 1=P2V 2(8)
Uma vez que a amostra se encontra secapode-se assumir que a sua massa correspondeà massa de sua fase sólida, sendo a densidadede grãos dada pela razão entre a massa doplugue e o volume de grãos medido. Com aporosidade e a densidade de grãos pode-seestimar a densidade total da rochadesprezando a densidade do ar que preencheos poros da rocha.
2.3 Ensaios de propriedades elásticas
Para a realização dos ensaios de propriedadeselásticas empregou-se o equipamento
AUTOLAB 500 (Figura 6), fabricado pelaNER (New England Research). Esseequipamento é responsável por medir o tempode trânsito das ondas elásticas no plugue. Asondas elásticas medidas são a onda P (sepropaga no sentido axial do plugue) e duasondas S (S1 e S2, que são polarizadas emdireções mutuamente ortogonais eperpendiculares ao eixo do plugue).
Figura 6 - Autolab500®
Para a medição das velocidades elásticas (P eS), o plugue é introduzido dentro um cilindrode borracha o qual é atarraxado entre os doiscabeçotes que possuem os transdutorespiezoelétricos (transmissor e receptor). Otransmissor recebe um sinal elétrico e otransforma em uma vibração mecânica. Essavibração se propagará através do material, aamostra, indo de encontro ao outro transdutor(receptor) onde esse converte essa vibraçãoem um sinal elétrico. Então é medido o tempode trânsito das ondas P, S1 e S2 entre ostransdutores.
Os ensaios foram realizados com todas asamostras secas e à temperatura ambiente,sendo que única variável foi a pressão deconfinamento. O experimento tem início awww.conepetro.com.
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uma pressão de confinamento de 43,5MPa,mas as medições das ondas só começamquando essa pressão estabiliza-se em 40MPa.Feita a primeira medição, as demais foramfeitas para as pressões de 35, 30, 25, 20,15,10, e 5MPa. Ao final do ensaio, é geradoum arquivo pdf contendo todas asinformações coletadas.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A figura 7 apresenta a densidade de grãoscontra a porosidade. Conforme o esperado,não foi identificado nenhuma relação entreessas variáveis, uma vez que a densidade degrão é função da litologia. Os valores obtidosapresentaram uma média de 2,6 g/cm³,estando dentro do esperado para as amostrasestudadas (conglomerados). Algumasamostras, entretanto, apresentaram densidadede grãos acima do esperado, possivelmentedevido à existência de cimentaçãocarbonática. Observa-se também que uma dasamostras apresenta densidade de grãos muitoabaixo da média, possivelmente devido àpresença de argila intercristalina.
Figura 7: Relação entre a densidade de grãos ea porosidade.
A Figura 8 apresenta a relação da densidadetotal com a porosidade. A densidade total édada pela razão entre a massa e o volume totalda amostra. Ela é função tanto da densidadedos grãos minerais quanto do fluido contidonos poros. Como todas as amostras foramensaiadas secas, a densidade total éinfluenciada apenas pela densidade de grãos epelo valor da porosidade. Com isso, éobservado que quanto maior a porosidade daamostra, menor será o valor de densidade totalda mesma, pois o ar contido nos porosapresenta uma densidade bem menor que adensidade da matriz rochosa. A dispersãoobservada pode ser causada pela a variaçãocomposicional das amostras.
Figura 8: Relação da densidade total com aporosidade.
A Figura 9 apresenta a relação entre avelocidade da onda P e a porosidade medidanas amostras. Foram utilizados os dadosobtidos a pressão confinante de 40 MPa. Deum modo geral, observa-se uma tendêncialinear inversa entre as variáveis, comoesperado, com razoável dispersão.
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Figura 9: Relação entre a velocidade da ondaP e a porosidade.
A Figura 10 apresenta as relações entre asvelocidades da onda cisalhante S1 (VS1) coma porosidade, a uma pressão confinante de 40MPa. Assim como a onda VP, a onda S1
seguiu um padrão inversamente proporcionalà porosidade.
Figura 10: Relação entre a velocidade de ondacisalhante S1 (VS1) com a porosidade.
A Figura 11 apresenta as relações entre asvelocidades da onda cisalhante S2 (VS2) coma porosidade, a uma pressão confinante de 40MPa. Nota-se um padrão aproximado aoobtido para a onda S1.
Figura 11: Relação entre a velocidade de ondacisalhante S2 (VS2) com a porosidade.
A Figura 12 apresenta a relação entre a razãodas velocidades das ondas S1 e S2 com aporosidade. Essa razão indica o grau deanisotropia das amostras. Observou-se que amaioria das amostras apresenta anisotropiabaixa (inferior a 10%). Porém, duas amostrasapresentaram anisotropia considerável (entre10% e 25%). Conforme esperado, observa-seque a anisotropia independe da porosidade, eé influenciada por outros fatores intrínsecos àrocha.
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Figura 12: Relação entre a razão dasvelocidades das ondas S1 e S2 com a
porosidade.
A Figura 13 apresenta a relação entre omódulo de incompressibilidade e aporosidade. Observa-se relação de tendêncialinear inversamente proporcional, comoobservado para as ondas P e S. Isto ocorreporque a velocidade de propagação de onda éinfluenciada diretamente pelos móduloselásticos.
Figura 13 Relação entre módulo deincompressibilidade e porosidade.
A Figura 14 apresenta a relação entre omódulo de cisalhamento e a porosidade.Observa-se padrão semelhante ao obtido parao módulo de incompressibilidade.
Figura 14: Relação entre o Módulo decisalhamento e a porosidade.
A Figura 15 apresenta a relação entre a razãode Poisson e a porosidade. Como esperado,não foi observada correlação entre asvariáveis. Conforme a literatura, rochassedimentares apresentam valores docoeficiente de Poisson em torno de 0.25. Asamostras analisadas obedecem a esse padrão.
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Figura 15: Relação entre a Razão de Poisson ea porosidade.
4. CONCLUSÕES
A densidade dos grãos apresentou valoresmédios de 2,6g/cm³, estando dentro doesperado para as amostras estudadas(conglomerados). Algumas amostras,entretanto, apresentaram densidade de grãosacima do esperado, possivelmente devido àexistência de cimentação carbonática.Observa-se também que uma das amostrasapresenta densidade de grãos muito abaixo damédia, possivelmente devido à presença deargila intercristalina.
Observou-se relação inversa entre a densidadetotal das amostras e a porosidade. Isso ocorredevido à presença de ar nos poros, que possuidensidade bem menor que a densidade darocha. A dispersão observada pode sercausada pela a variação composicional dasamostras.
Para as ondas P e S, de um modo geral,observa-se uma tendência linear inversa entreas variáveis, como esperado, com razoáveldispersão.
Observou-se que a maioria das amostrasapresenta anisotropia baixa (inferior a 10%).Porém, duas amostras apresentaramanisotropia considerável (entre 10% e 25%).Conforme esperado, observa-se que aanisotropia independe da porosidade, e é
influenciada por outros fatores intrínsecos àrocha.
De maneira geral, os módulos elásticosapresentam relação inversa com a porosidade,à exceção da razão de Poisson, que nãoapresenta relação alguma, sendo utilizadopara fins de indicação litológica.
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