INVESTIGAÇÃO LABORATORIAL NO ÂMBITO DO ESTUDO

DAS PROPRIEDADES POROELÁSTICAS DAS ROCHAS

Samuel Pedrosa Guerreiro

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Geológica e de Minas

Juri

Presidente: Prof. Dr. António Jorge Gonçalves de Sousa

Orientadora: Prof.ª Dr.ª Maria Matilde Mourão de Oliveira Carvalho Horta Costa e Silva

Vogal: Prof. Dr. Pedro Calé da Cunha Lamas

Outubro de 2013

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I. Agradecimentos

No final deste trabalho, pretendo manifestar o meu sincero agradecimento a todos aqueles que

de algum modo deram o seu contributo para que esta dissertação fosse realizada.

Primeiramente, agradeço à Professora Doutora Matilde Costa e Silva a maneira como orientou

a minha investigação. A sua cordialidade e disponibilidade permanentes, os ensinamentos

transmitidos e o espírito crítico construtivo com que analisou o meu trabalho foram as notas

dominantes da sua orientação. Sinto-me igualmente grato pela liberdade de acção que me permitiu, a

qual foi decisiva para o meu desenvolvimento técnico e pessoal.

Em segundo lugar, agradeço ao Engenheiro Gustavo Paneiro a partilha de conhecimentos e o

apoio prestado na execução dos ensaios laboratoriais e tratamento de resultados, mas também pela

disponibilidade e empenho manifestados nesses momentos, que contribuíram activamente para a

realização e enriquecimento deste trabalho.

Deixo também um agradecimento à Geóloga Ângela Pereira pela utilidade das informações

facultadas acerca das amostras utilizadas e prontidão com que me recebeu.

Agradeço ao Senhor Paulo Fernandes pela colaboração, tempo e apoio dispendidos na

execução dos ensaios, mas também pelas sugestões na resolução de problemas técnicos

relacionados.

Deixo também uma palavra de agradecimento aos Colegas e Amigos que me apoiaram e

instigaram desde o ínicio deste curso.

Por fim, desejo agradecer aos meus Pais e irmão, pelo seu amor e carinho manifestados em todos os

momentos e por terem compreendido e aceitado sempre a necessidade de tantos outros mais

ausentes.

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II. Resumo

A presente dissertação tem como objectivo estudar, experimentalmente, o efeito dos estados

de tensão e pressão de injecção de água na variação das propriedades poroelásticas das rochas,

pretendendo-se apresentar evidências da importância de se considerar tais propriedades como

variáveis dinâmicas, uma vez que quer a produção de hidrocarbonetos, quer a extracção de minerais

produzem significativas alterações nos parâmetros de deformabilidade, resistência, porosidade e

permeabilidade dos maciços rochosos.

A metodologia laboratorial consistiu no recurso a uma célula de compressão triaxial

convencional que após devidamente adaptada permitiu testar diferentes condições de ensaio,

referentes a diferentes pressões de confinamento e de injecção de água. Em cada ensaio, fez-se

aumentar a tensão axial até à rotura e, simultaneamente, foram registando-se os valores necessários

à determinação das propriedades poroelásticas (parâmetros de deformabilidade, porosidade,

permeabilidade, velocidade das ondas P e emissões acústicas) da rocha estudada: calcários

microbialitos, considerados como “análogos” ao Pré-sal brasileiro em Portugal.

Os resultados obtidos evidenciam que todas as propriedades poroelásticas da rocha estudada

dependem não só da magnitude da tensão axial, como também da pressão de injecção de água e de

confinamento, sobretudo desta última. Deste modo, constatou-se que o sucesso de actividades

antrópicas que envolvam alterações de estados de tensão, nomeadamente a produção de fluidos,

abertura de cavidades, estabilização de estruturas geológicas e contenção de resíduos perigosos,

devem levar em consideração o efeito dessas perturbações nas propriedades das rochas.

Palavras –chave

Pré-sal

Ensaios triaxiais

Propriedades poroelásticas

Resistência

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III. Abstract

This work intends to experimentally investigate the effect of stress states and injection water

pressure in the variation of the poroelastic properties of rocks. It’s also of interest to show the

importance of considering these properties as dynamic variables since either the hydrocarbon

production or mineral exploitation produces a great variation of the strength parameters, deformation,

porosity and permeability of rock masses.

The experimental methodology consisted in using a standard triaxial cell (two main stresses

equal to each other) which allowed performing different test conditions, defined by a value of confining

pressure and another one of injection water pressure. For each experiment it was increased the axial

stress till the macroscopic failure and, simultaneously, they were being recorded the values needed for

the calculation of the poroelastic properties (strength parameters, porosity, permeability, P-wave

velocities and acoustic emissions) of the studied rock: Microbialites Limestones considered as

“equivalent” to the brazilian “Pre-salt” in Portugal.

The results highlighted that all the poroelastic properties depend not only on the axial stress, but

also on the injection water pressure and confining pressure, mostly on this last one. Thus, it was found

that the success of anthropogenic activities involving stress state disturbance, namely fluid production,

cavities opening, geologic structures stabilization and dangerous waste disposal, must take into

account the effect of those disturbances on rock properties.

Keywords Pre-salt

Triaxial tests

Poroelastic properties

Strength

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IV. Índice Geral

1. INTRODUÇÃO .............................................................................................................................. 12

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................................... 15

2.1. Alteração de estados de tensão em reservatórios ................................................................ 15

2.2. Enquadramento geológico do Pré-sal brasileiro ................................................................... 16

2.3. Propriedades poroelásticas ................................................................................................... 18

2.3.1. Propriedades físicas ...................................................................................................... 19

2.3.2. Propriedades mecânicas ............................................................................................... 22

2.4. Ensaios triaxiais ..................................................................................................................... 24

2.5. Estudos anteriores sobre a influência de tensões nas propriedades das rochas ................. 26

2.5.1. Células triaxiais.............................................................................................................. 26

2.5.2. Influência da trajectória de tensões ............................................................................... 27

2.5.3. Influência da composição mineralógica, grau de cimentação e estrutura dos poros ... 38

2.5.4. Influência da porosidade e permeabilidade iniciais ....................................................... 39

2.5.5. Influência de pressão neutra na permeabilidade .......................................................... 41

2.5.6. Influência do grau de heterogeneidade sedimentar ...................................................... 42

3. AMOSTRAS, EQUIPAMENTOS E METODOLOGIA ................................................................... 45

3.1. Amostras ................................................................................................................................ 45

3.2. Equipamentos ........................................................................................................................ 48

3.2.1. Célula triaxial ................................................................................................................. 48

3.2.2. Dispositivo de carregamento axial (Prensa) .................................................................. 50

3.2.3. Sistema de medição e registo de extensões ................................................................. 51

3.2.4. Equipamento de injecção de água pressurizada .......................................................... 52

3.2.5. Sistema de medição e registo do tempo de propagação de ondas longitudinais ......... 53

3.2.6. Sensores de emissões acústicas .................................................................................. 53

3.3. Metodologia ........................................................................................................................... 54

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................................................... 61

4.1. Estudo da influência da pressão de confinamento e pressão de injecção de água nas

propriedades poroelásticas ............................................................................................................... 62

4.2. Estudo da relação entre propriedades poroelásticas ............................................................ 68

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS .......................................................................................................... 73

5.1. Conclusão .............................................................................................................................. 73

5.2. Propostas para trabalhos futuros .......................................................................................... 75

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................................... 76

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V. Lista de Figuras

Figura 2.1 - Mapa de localização das bacias sedimentares da margem Leste Meridional brasileira. O

polígono em azul (delimitado pelo pontilhado em azul), representa as rochas reservatório do “Pré-sal”,

segundo Estrella, 2008. Os limites das bacias são definidos pelas linhas pretas pontilhadas ........... 17

Figura 2.2 - Ilustração de diferentes índices de porosidade ............................................................... 19

Figura 2.3 - Ilustração dos diferentes métodos de cálculo do módulo de Young a partir de uma curva

tensão vs. extensão .............................................................................................................................. 23

Figura 2.4 - Emissão acústica por acção de uma pressão triaxial numa amostra de granito porfiróide

(dimensões 100 x 50 mm). (a) Fase primária, (b) Fase secundária, (c) Fase de nucleação, (d) Fase de

rotura total ............................................................................................................................................ 24

Figura 2.5 - Representação esquemática do sistema de carregamento triaxial verdadeiro ............... 27

Figura 2.6 - Compressão hidrostática: tensão efectiva média versus (a) redução de porosidade, (b)

permeabilidade, (c) velocidade das ondas P e (d) velocidade das ondas S, durante compressão

hidrostática ........................................................................................................................................... 28

Figura 2.7 - Regime frágil (dilatância): tensão efectiva média versus (a) redução de porosidade, (b)

permeabilidade, (c) velocidade das ondas P e (d) velocidade das ondas S, para dois ensaios de

compressão triaxial (não hidrostática) com pressões de confinamento de 12 e 30 MPa ..................... 30

Figura 2.8 - Regime dúctil ou semi-frágil (compactação): tensão efectiva média versus (a) redução de

porosidade, (b) permeabilidade, (c) velocidade das ondas P e (d) velocidade das ondas S, para

quatro ensaios de compressão triaxial (não hidrostática) com pressões de confinamento de 50, 70, 90

e 110 MPa ............................................................................................................................................. 31

Figura 2.9 - Variação das velocidades de propagação das ondas P e S com a pressão efectiva

média, durante os testes hidrostáticos, para vários ângulos de propagação ....................................... 32

Figura 2.10 - Evolução da porosidade e permeabilidade do arenito Rothbach em função da tensão

efectiva média sob um estado de tensão triaxial. (A) Regime cataclástico (165 MPa de pressão

efectiva de confinamento). O gráfico menor à esquerda representa a tensão de corte vs. deformação

axial. A escala é de 0-20% para a deformação e de 0-350 MPa para a tensão de corte; (B) Regime

frágil (5 MPa de pressão efectiva de confinamento). Notar a diferença de escala, comparada com a

figura (A). A escala é de 0-6% para a deformação e de 0-80 MPa para a tensão de corte ................ 33

Figura 2.11 - Alteração de permeabilidade no arenito Red Wildmoor durante carregamento e

descarregamento hidrostático .............................................................................................................. 34

7

Figura 2.12 - Alteração de permeabilidade no arenito Red Wildmoor durante carregamento triaxial

sob diferentes pressões de confinamento ............................................................................................ 34

Figura 2.13 - Redução da porosidade de um arenito em função do aumento da tensão efectiva

média, usando 3 diferentes trajectórias de tensão, isotrópica (linha a cheio), uniaxial (a tracejado

grosso) e carregamento proporcional (a tracejado fino) ...................................................................... 35

Figura 2.14 - Variação da permeabilidade sob diferentes trajectórias de tensão num arenito de

reservatório ............................................................................................................................................ 36

Figura 2.15 - Efeito da direcção de carga (axial ou radial) na permeabilidade axial do arenito

Castlegate ............................................................................................................................................ 37

Figura 2.16 - Redução relativa de permeabilidade sob aumento de pressão hidrostática de 3,45 para

34,5 MPa ............................................................................................................................................... 40

Figura 2.17 - Evolução da permeabilidade (k) das rochas com o aumento do carregamento aplicado

............................................................................................................................................................... 41

Figura 2.18 - Efeito da pressão neutra na permeabilidade do arenito Croslands Hill sob diferentes

trajectórias de tensão (hidrostática, triaxial e triaxial verdadeira) ......................................................... 42

Figura 2.19 - Gráficos de relação entre carga axial, permeabilidade, etapa (step) de carregamento e

número de emissões acústicas (AE) para um provete com índice de homogeneidade (m) de 1,5 ..... 43

Figura 2.20 - Mapas sequenciais de localização de fontes de EA (assinaladas com círculos) durante

rotura do provete (m = 1,5) da Figura 2.19 (para localização das etapas “steps”, ver Figura 2.19). A

dimensão dos círculos indica a magnitude das EA .............................................................................. 43

Figura 2.21 - Curva tensão vs. extensão axial, localização de fracturas (“zona degradada”) e

permeabilidade espacial para cada estágio de ensaio (a-h) ................................................................ 44

Figura 3.1 - Localização do afloramento da Formação de Cabaços na Praia de Pedrógão (Leiria)

onde foram recolhidas as amostras de calcários microbialitos ............................................................. 45

Figura 3.2 - Localização do estrato de Pré-sal no afloramento da Formação de Cabaços, a diferentes

escalas................................................................................................................................................... 46

Figura 3.3 - Ilustração de um corpo de prova após carotagem, já identificado (à esquerda) e corpo de

prova aberto após rotura (à direita) ....................................................................................................... 47

Figura 3.4 - Representação esquemática do conjunto geral de uma célula triaxial convencional (célula

de Hoek) ................................................................................................................................................ 48

8

Figura 3.5 - Componentes básicos da célula triaxial (à esquerda) e respectivo conjunto geral (à

direita) .................................................................................................................................................... 49

Figura 3.6 - Dispositivo de carregamento axial (à esquerda) e pormenor da respectiva unidade de

controlo (à direita) .................................................................................................................................. 50

Figura 3.7 - Model P3 Strain Indicator and Recorder recente (à esquerda) e antigo (à direita) .......... 51

Figura 3.8 - Representação esquemática da constituição geral de um extensómetro de resistência

eléctrica de comprimento lo. .................................................................................................................. 51

Figura 3.9 - Esquema representativo da ELE Pressure Test 1700 (à esquerda) e respectivo

equipamento real utilizado (à direita) ................................................................................................... 52

Figura 3.10 - Esboço do equipamento utilizado: Ultrasonic Testing .................................................... 53

Figura 3.11 - Ilustração do dispositivo experimental utilizado no estudo das emissões acústicas ..... 54

Figura 3.12 - Pormenor da disposição dos extensómetros eléctricos, dois axiais e um transversal, a

um provete de ensaio ........................................................................................................................... 57

Figura 3.13 - Colação de silicone na célula triaxial para vedar a saída de água pressurizada .......... 57

Figura 3.14 - Destaque da posição dos transdutores de ondas P, à esquerda, e posição dos

transdutores de emissões acústicas (a vermelho), entrada de óleo de confinamento (a amarelo) e de

água (a azul), à direita ........................................................................................................................... 58

Figura 3.15 - Visão geral do conjunto de montagem do ensaio ........................................................... 59

Figura 4.1 - Tensão axial vs. (a) extensões (axiais e transversais), (b) velocidades das ondas P, (c)

redução de porosidade, (d) nível de água na bureta, (e) permeabilidade, (f) somatório de emissões

acústicas, (g) coeficiente de Poisson e (h) módulo de Young ............................................................. 65

Figura 4.2 - Curva típica tensões vs. extensões num ensaio à compressão uniaxial e

correspondentes variações do módulo de Young, coeficiente de Poisson e variação volumétrica ..... 68

9

VI. Lista de Tabelas

Tabela 3.1 - Resumo das condições de ensaio adoptadas ................................................................. 56

Tabela 4.1 - Resumo das condições de ensaio adoptadas para cada provete validado .................... 62

Tabela 4.2 - Valores das propriedades poroelásticas em função da tensão axial σ (MPa) e fases de

Bieniawski, para cada condição de ensaio .......................................................................................... 69

10

VII. Lista de Símbolos e Abreviaturas

Ainda que ao longo do texto se refira o significado da maioria dos símbolos e notações utilizados,

apresenta-se de seguida uma listagem dos mais relevantes.

– porosidade

– volume de vazios

– volume total

– massa saturada do provete

– massa seca do provete

– caudal

– área da secção transversal do provete

– comprimento da trajectória de fluxo

– peso específico do fluido

– viscosidade do fluido

– perda de carga hidráulica por unidade de comprimento no sentido do escoamento

– diferença de pressão entre extremidades da trajectória de fluxo

– conductividade hidráulica

– permeabilidade

– permeabilidade vertical

– permeabilidade horizontal

– velocidade de propagação das ondas P

– velocidade de propagação das ondas S

– trajectória de tensões

– tensão

– tensão principal máxima

11

– tensão principal intermédia

– tensão principal mínima

– tensão neutra ou intersticial

− tensão efectiva

pressão de confinamento

pressão de injecção de água

– módulo de Young

– extensão axial

– extensão transversal

– extensão volumétrica

– coeficiente de Poisson

– diâmetro

– emissões acústicas

– Institutional Society of Rock Mechanics

IST – Instituto Superior Técnico

– Laboratório de Geomecânica do IST

12

1. INTRODUÇÃO

São muitas as acções levadas a cabo no âmbito dos vários campos da Ciência e da

Engenharia responsáveis pela variação dos estados de tensão actuantes sobre os corpos geológicos

em que essas actividades são implementadas. Estas, por sua vez, podem conduzir a alterações mais

ou menos significativas das propriedades desses mesmos corpos. De entre as propriedades de maior

interesse na área da Engenharia de Petróleos e de Minas, destacam-se a porosidade e a

permeabilidade. Ainda assim, o estudo e o conhecimento de outras propriedades físicas, como a

velocidade de propagação de ondas sísmicas, e das propriedades resistentes dos materiais

rochosos, podem ser igualmente bastante úteis.

No âmbito do campo da Engenharia de Minas, e até certo ponto também da Engenharia Civil, o

cohecimento das referidas propriedades é crucial em projectos que envolvam a abertura de

cavidades, como túneis e poços, no controlo da fracturação hidráulica, na estabilidade de taludes de

rochas, minas e barragens e nas operações de desmonte de rochas com explosivos. No caso da

Engenharia de Petróleos, a porosidade e a permeabilidade estão directamente associadas à

productividade e lucratividade de um reservatório de hidrocarbonetos; a resistência e a velocidade de

propagação das ondas sísmicas são importantes para o estudo da estabilidade dos maciços ou para

a análise da existência de danos nas paredes dos poços.

Além da aplicabilidade do estudo das referidas propriedades no contexto da Engenharia de

Minas e de Petróleos, é igualmente oportuno destacar a importância do seu conhecimento no âmbito

da Engenharia do Ambiente. No domínio da Engenharia Ambiental, as propriedades das rochas, em

particular a porosidade e a permeabildade, são relevantes em estudos e projectos de remediação de

solos contaminados, bem como na contenção, superficial ou subterrânea, de resíduos perigosos.

A importância do estudo das principais propriedades físicas e mecânicas é evidente ao nível de

diferentes áreas da Ciência e da Engenharia. No entanto, no presente trabalho, procura efectuar-se

um estudo focado na Engenharia de Minas e de Petróleos. Devido à maior magnitude das alterações

de tensões no campo da Engenharia de Petróleos (ou de reservatórios de hidrocarbonetos) e

subsquentemente, pela existência de um número muito mais significativo de estudos, a presente

investigação acabará por debruçar-se maioritariamente sobre esse campo da engenharia. Seja como

for, é de ressalvar que as conclusões daí resultantes serão igualmente válidas para as demais áreas

que se ocupam do entendimento das mesmas propriedades. Finalmente, é oportuno referir que

apesar da permeabilidade ser a propriedade mais recorrentemente abordada na bibliografia

encontrada, a evidente relação entre esta propriedade e as demais que interessam a esta

investigação faz com que facilmente se estabeleçam as conclusões desejadas.

Na presente dissertação pretende-se, por via laboratorial, estudar a influência da variação do

estado de tensão nas propriedades poroelásticas das rochas. De entre tais propriedades destacam-

se as fisícas – porosidade, permeabilidade e velocidades de ondas acústicas longitudinais (tipo P) – e

as mecânicas – módulo de Young, coeficiente de Poisson e resistência à compressão triaxial. A

evolução destes parâmetros é analisada em simultâneo com a monitorização das emissões

acústicas. Pretende-se ainda identificar nos gráficos obtidos as diferentes fases do comportamento

13

mecânico típico de rochas sujeitas a compressão uniaxial e averiguar visualmente a existência de

eventuais relações entre as propriedades estudadas.

Nesse sentido foram realizados ensaios convencionais de compressão triaxial, para diferentes

pressões de confinamento e pressões neutras. Para tal usaram-se provetes cilíndricos provenientes

de rochas carbonatadas de particular interesse para a engenharia de reservatórios de

hidrocarbonetos: Calcários Microbialitos integrantes da Formação de Cabaços (Leiria), considerados

como “análogos” ao Pré-sal brasileiro em Portugal.

O equipamento que permitiu a realização destes ensaios foi uma célula triaxial convencional

existente no Laboratório de Geomecânica do Instituto Superior Técnico (LABGEOMEC). Antes de

cada ensaio, esta célula foi previamente adaptada à finalidade do presente estudo, já que foi

concebida apenas para a determinação dos parâmetros de deformabilidade dos materiais rochosos

ensaiados. Deste modo, um dos objectivos deste trabalho de investigação consistiu também no

desenvolvimento das adaptações necessárias no equipamento utilizado.

A dissertação está organizada em 5 capítulos.

O capítulo 1 constitui a presente Introdução, na qual se definem o problema e objectivos da

dissertação, se faz uma descrição dos diversos capítulos e, por último, se apresentam as principais

limitações do estudo.

O capítulo 2 – Revisão Bibliográfica – apresenta uma compilação bibliográfica de informação já

publicada estruturada em cinco subcapítulos. O primeiro subcapítulo, Introdução, constitui uma

abordagem mais detalhada do problema em estudo; o segundo, Enquadramento Geológico do Pré-

sal brasileiro, explica a origem e localização actual das unidades de Pré-sal brasileiro e descreve de

forma sucinta a evolução cronológica de exploração destas unidades; o terceiro, Propriedades

Poroelásticas, define as propriedades que são objecto de estudo na dissertação, mencionando

formas de determinação das mesmas em laboratório; o quarto, Ensaios Triaxiais, descreve as

tipologias de ensaios triaxiais e apresenta a metodologia de execução dos mesmos; o quinto e último,

Estudos Anteriores sobre a Influência de Tensões nas Propriedades das Rochas, constitui o “Estado

da Arte”, onde se apresentam as principais conclusões obtidas no âmbito de trabalhos já publicados e

que manifestaram ser relevantes para este estudo.

O capítulo 3 – Materiais, Equipamentos e Metodologia – encontra-se dividido em três

subcapítulos. No primeiro subcapítulo, Materiais, faz-se o enquadramento geológico-geográfico das

amostras ensaiadas e tecem-se considerações acerca da preparação dos corpos de prova para os

ensaios. Seguidamente, no subcapítulo Equipamentos, descrevem-se os equipamentos utilizados e

alguns detalhes de montagem dos mesmos. Por fim, o terceiro subcapítulo, Metodologia, descreve a

metodologia experimental adoptada no laboratório, destacando as principais limitações encontradas e

as condições de ensaio escolhidas.

O capítulo 4 – Resultados e Discussão – apresenta os resultados experimentais obtidos e a

respectiva discussão. O primeiro subcapítulo foca-se no estudo influência da pressão de

confinamento e pressão de injecção de água nas propriedades em estudo. O segundo subcapítulo

caracteriza-se pela identificação das diferentes fases do típico comportamento mecânico das rocha

14

sujeitas a ensaios de compressão uniaxial e, por último, pelo averiguamento da existência de

eventuais relações entre as referidas propriedades.

O capítulo 5, Conclusões, apresenta uma súmula dos resultados obtidos. Segue-se um

subcapítulo, Propostas para Trabalhos Futuros, onde se começa por apontar as recomendações que

derivam directamente do estudo, mas referindo também outras de âmbito mais geral ou de carácter

mais teórico.

Os resultados deste estudo encontram-se sobretudo condicionados por limitações a nível dos

equipamentos utilizados. A célula não foi concebida para estudos que envolvam a utilização de água,

nomeadamente estudos de permeabilidade ou de pressão neutra não nula, pelo que o sucesso do

estudo estará condicionado pela introdução de pequenas modificações ou adptações desse

equipamento. De qualquer modo, não será possível aplicar pressões de confinamento e de injecção

de água que superem as potencialidades oferecidas pelos equipamentos e respectivas modificações

introduzidas.

Por outro lado, a tipologia do dispositivo de carga axial (prensa não rígida) utilizada não permite

que se efectuem medições fiáveis das propriedades de interesse após a rotura macroscópica dos

provetes, pelo que não serão apresentados resultados relativos a essa fase de ensaio.

Por último, o facto de o estudo recorrer a amostras de conveniência, nomeadamente

fragmentos de rocha de dimensão relativamente reduzida que se encontravam desprendidos da

rocha origem e portanto mais expostos a agentes de meteorização que esta última, inviabiliza a

obtenção de resultados generalizáveis às verdadeiras unidades consideradas “análogas” ao Pré-sal

brasileiro em Portugal. Além disso, o facto de estas unidades manifestarem uma marcada anisotropia

e heterogeneidade, e de não ser possível, na maioria dos casos, identificar a orientação in situ das

amostras recolhidas (à sua escala), poderá estar na origem de discrepâncias mais ou menos

significativas entre os resultados obtidos para cada amostra ensaiada, dependendo da sua posição

na célula triaxial.

15

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Alteração de estados de tensão em reservatórios

Ainda que existam alguns estudos que demonstrem a marcada dependência das propriedades

das rochas em relação às variações dos estados de tensão, normalmente, os engenheiros de

reservatórios não levam em consideração o efeito das tensões in situ na produção, considerando que

a permeabilidade é constante durante a produção de petróleo (Soares et al., 2002).

No entanto, a assumpção anterior não corresponde à realidade dos reservatórios petrolíferos.

De facto, durante a fase de produção de um poço, é induzido um decréscimo das pressões neutras e

um subsequente aumento das tensões efectivas. Por sua vez, verifica-se uma compactação

(diminuição do volume dos poros ou da matriz) associada a uma deformação irreversível da estrutura

da rocha que é responsável pela diminuição da permeabilidade e recuperação de hidrocarbonetos.

A produtividade de um reservatório, seja de hidrocarbonetos ou de quaisquer outros fluidos,

depende essencialmente da porosidade, da permeabilidade e da “compressibilidade” dos poros da

rocha. No entanto, estas propriedades são fortemente dependentes da alteração do estado de tensão

a que o corpo está sujeito. Rhett & Teufel (1992) afirmam que uma boa gestão de reservatórios

requer a determinação da trajectória de tensões através da medição do estado tensional sob

condições iniciais de reservatório e, do mesmo modo, periodicamente durante a produção.

A alteração do estado de tensão a que um corpo geológico está sujeito pode resultar da

abertura de cavidades, da injecção ou produção de fluidos e ainda da ocorrência de eventos

tectónicos e variações de temperatura a que aquele é submetido.

A redução da porosidade e da permeabilidade – e, consequentemente, o aumento da

velocidade das ondas sísmicas – sob o ponto de vista geológico, pode ter origem a dois níveis

distintos: a cimentação natural dos poros por outros minerais e a compactação induzida por diversas

actividades antrópicas, como a perfuração ou a produção (e injecção) de fluidos.

De facto, um dos problemas mais conhecidos associados ao efeito da mecânica das rochas, à

escala dos reservatórios, é precisamente a sua compactação e subsequente subsidência da

superfície terrestre (Fjaer et al., 2008). De entre os principais problemas operacionais ligados à

subsidência destacam-se o risco de inundações no campo de actividade, a segurança da plataforma,

o colapso do revestimento dos furos e ainda a ocorrência de eventos sísmicos. Apesar de não ser

muito recorrente, a subsidência pode gerar graves problemas. Assim sendo, é necessário para a

indústria em questão prever possíveis compactações e subsidências, para que as plataformas e os

revestimentos sejam convenientemente projectados e ainda, entre outros motivos, para que se

adoptem estratégias apropriadas de perfuração e de injecção e produção de fluidos (Fjaer et al.,

2008).

A compressibilidade e o subsequente mecanismo de produção depende substancialmente da

rigidez do corpo rochoso. Assim, as rochas brandas, de menor dureza, são caracterizadas por uma

maior compressibilidade dos poros, sendo a produção predominantemente induzida pela

compactação dos poros. Pelo contrário, nas rochas mais rígidas (com um módulo de rigidez,

16

aproximadamente, 10 GPa), e portanto menos compressíveis, o principal mecanismo de produção é a

compressibilidade dos fluidos dos poros.

Além disso, o decréscimo de pressão neutra resultante da produção, que como se viu pode

induzir fenómenos de compactação, é igualmente responsável por alterar a porosidade,

permeabilidade e anisotropia da permeabilidade, o que terá implicações futuras ao nível da

recuperação.

A compactação, muitas vezes, está intimamente relacionada com o conceito de dano

mecânico. Este conceito pode ser definido pela degradação irreversível da resistência ou rigidez da

rocha e alteração das suas propriedades de fluxo, como resultado de mudanças permanentes do

arranjo dos grãos, que por sua vez, estão associadas a deformações plásticas (Dusseault & Gray,

1992). O dano mecânico pode manifestar-se de duas formas distintas: pelo bloqueio da trajectória

dos fluidos com partículas finas resultantes desse processo, diminuindo a permeabilidade, ou pela

quebra do cimento, permitindo uma circulação mais livre dos fluidos.

2.2. Enquadramento geológico do Pré-sal brasileiro

Neste capítulo é feita uma breve abordagem ao enquadramento geológico das formações

rochosas que constituem o designado “Pré-sal” existente ao longo da margem Leste Meridional

brasileira, já que os ensaios experimentais se debruçaram sobre uma tipologia de rocha considerada

“análoga” a essas formações – calcários microbialitos integrantes da Formação de Cabaços. Na

Figura 2.1 é possível visualizar um mapa de localização das bacias sedimentares da referida margem

Leste Meridional brasileira.

Segundo Estrella (2008), o Pré-sal é uma unidade de rocha reservatório de composição

calcária ligada a acções microbianas. Através de conclusões da análise de testes geológicos, em

Novembro de 2007, a Petrobras relata o seguinte: “…As rochas do Pré-sal são reservatórios que se

encontram abaixo de uma extensa camada de sal, que abrange o litoral do Estado do Espírito Santo

até Santa Catarina, ao longo de mais de 800 km de extensão por até 200 km de largura, em lamina

de água que varia de 1500 m a 3000 m e soterramento entre 3000 e 4000 metros…”.

O Pré-sal é, portanto, uma rocha de natureza carbonática. As rochas carbonáticas são um tipo

de rocha sedimentar, de origem química ou bioquímica, compostas maioritariamente por minerais

carbonáticos. Os principais minerais carbonáticos são a calcite e aragonite (CaCO3) e a dolomite

(CaMg (CO3) 2). Dentro das rochas carbonáticas distinguem-se duas variedades: as detríticas, que

apresentam na sua constituição grãos aloquímicos (ex. oólitos, oóides e bioclastos), e as orgânicas

(reef rocks), consistindo em depósitos in situ constituídos por organismos sésseis.

Os reservatórios do Pré-sal formaram-se entre 123 e 113 milhões de anos e a sua origem está

relacionada com o processo de fragmentação do Gondwana (Estrella, 2008). Esta fragmentação

consistiu na separação das duas placas tectónicas sobre as quais se localizam os actuais continentes

de África e América (do Sul). A zona de afastamento entre estes dois continentes corresponde ao

designado Atlântico Sul, muito referido no âmbito do estudo do Pré-sal.

17

Figura 2.1 - Mapa de localização das bacias sedimentares da margem Leste Meridional brasileira. O

polígono em azul (delimitado pelo pontilhado em azul), representa as rochas reservatório do “Pré-sal”, segundo

Estrella, 2008. Os limites das bacias são definidos pelas linhas pretas pontilhadas. Fontes: BDEP, Nov. 2009 e

Estrella, 2008

Antes da formação destas rochas calcárias, houve um período de intenso tectonismo e

fragmentação do Gondwana. Estes movimentos abriram fossas com direcções NNE-SSW que foram

preenchidas por água, formando lagos com profundidades e composições diferenciadas. Num

determinado momento, houve condições para a proliferação de fitoplânctons nesses lagos, que

depois de mortos foram soterrados, vindo a formar os folhetos geradores de petróleo e gás (Estrella,

2008).

A evolução da dinâmica da crosta conduziu à interligação desses lagos com um oceano

próximo, formando um golfo estreito e alongado. Uma vez instaladas condições de relativa

estabilidade tectónica, este golfo criou condições ambientais adequadas para que florescessem

organismos microbianos que iriam formar as rochas carbonáticas constituintes dos reservatórios do

Pré-sal (Estrella, 2008).

18

A pesquisa de reservatórios de hidrocarbonetos abaixo da camada de sal (Pré-sal) iniciou-se

na bacia de Sergipe-Alagoas, em 1963 (Milani & Araujo, 2003). Nas décadas de 1970 e 1980, com a

perfuração de mais de 150 poços em águas rasas nas bacias de Campos e Espírito Santo (Simões

Filho, 2008 – citado em Papaterra, 2010), foram descobertas acumulações em reservatórios

carbonáticos (coquinas) atribuídos ao andar Barremiano (Castro, 2006). Porém, não se atingiu uma

produção comercial, devido ao reduzido volume de tais descobertas.

Em Angola, a produção comercial de hidrocarbonetos, em grande escala, em reservatórios de

origem lacustre no intervalo Pré-sal, ocorre desde a década de 1970, na sua margem continental da

região offshore de Cabinda (Lomando, 1998 – citado em Papaterra, 2010).

Em 2004, os avanços nas técnicas de processamento de dados sísmicos possibilitaram a

retoma das pesquisas por reservatórios de hidrocarbonetos na bacia de Santos, Brasil. Nessa altura,

foram então descobertas importantes acumulações de petróleo leve e gás natural nas bacias de

Santos e Campos. A partir daí, novas descobertas e poços foram feitos, constituindo o Pré-sal,

actualmente, uma das reservas mais importantes a nível mundial. Em Portugal, a presença de rochas

com características semelhantes às do Pré-sal brasileiro verifica-se directamente em afloramentos da

Formação de Cabaços (Leiria, Portugal). É esta semelhança que resulta no interesse por aprofundar

o estudo e conhecimento, ainda bastante insipientes, sobre a rocha considerada como análoga ao

Pré-sal brasileiro em Portugal. Esta formação será oportunamente descrita na secção 3.1.

2.3. Propriedades poroelásticas

Algumas propriedades das rochas têm uma importância particular no planeamento, execução e

custo dos projectos de engenharia onde se observam modificações do estado de tensão in situ dos

maciços rochosos neles envolvidos.

Os critérios mais correntes de classificação do "material rocha" baseiam-se, na sua maioria,

nos parâmetros módulo de elasticidade ( ), resistência à compressão simples ( ) e velocidade de

propagação das ondas sísmicas do tipo P e S ( ), por serem, por um lado, valores que

facilmente podem ser obtidos através de ensaios e, por outro, por caracterizarem de modo

significativo o comportamento elástico da rocha. Os parâmetros anteriormente mencionados

dependem de outros, como a porosidade e a permeabilidade. O estudo das emissões acústicas é

igualmente relevante neste trabalho.

Nesta secção, com base na literatura existente, são definidas e apresentadas as metodologias

para a determinação em laboratório das principais propriedades poroelásticas das rochas:

propriedades físicas (porosidade, permeabilidade e velocidade das ondas sísmicas do tipo P e S) e

mecânicas (parâmetros de deformabilidade e emissões acústicas).

19

2.3.1. Propriedades físicas

2.3.1.1. Porosidade

As rochas são constituídas por aglomerados de minerais, que formam a matriz rochosa, e por

espaços vazios disseminados por essa matriz. No estudo da porosidade, porém, a importância recai

sobre o estudo dos vazios.

Os vazios podem corresponder a poros (porosidade granular) e/ou a fissuras (porosidade

fissural). A porosidade granular é geralmente a que permite maiores acumulações de fluidos; a

porosidade fissural, embora não possibilite normalmente armazenar significativas quantidades de

fluidos, é igualmente importante já que consiste em trajectórias de maior permeabilidade, por onde

existe maior facilidade de migração dos fluidos. Neste trabalho, não será feita distinção entre as duas

tipologias de vazios e assumir-se-à sempre que o conceito genérico de porosidade se refere ao

somatório das porosidades granular e fissural.

A porosidade em rochas carbonáticas é dependente da textura, estrutura (fabric) e geometria

de fracturas (Ahr, 2008) (ver Figura 2.2).

Figura 2.2 - Ilustração de diferentes índices de porosidade. Fonte: USP, Brasil (2012)

Em termos numéricos, a porosidade ( ) é dada pela razão entre o volume de vazios ( ) de

uma amostra de rocha e o seu volume total ( ), sendo geralmente expressa em percentagem:

A nível da engenharia de reservatórios no presente estudo, o interesse recai sobre a

porosidade efectiva, pois é aquela que reflecte o grau de intercomunicação entre os vazios,

permitindo a circulação dos fluidos. A porosidade efectiva é definida pela razão entre o volume de

vazios conectados e o volume total da rocha. Daqui por diante, a porosidade efectiva será

simplesmente designada de porosidade.

A nível laboratorial, existem algumas metodologias de determinação da porosidade de uma

rocha. A metodologia mais seguida é a definida pela ISRM (Brown, 1981). De acordo com esta,

começa-se por saturar, a vácuo, o corpo de prova com um dado fluido de peso volúmico (g/cm³),

obtendo-se a massa saturada . O valor da massa seca é conseguido colocando o corpo de

prova numa estufa a aproximadamente 100ºC, deixando-se, após esse período, que o corpo arrefeça

num dessecador durante 30 minutos. Posteriormente, conhecendo o volume total do corpo ( ), é

possível calcular a porosidade efectiva:

20

O cálculo da variação percentual da porosidade ( ) de uma amostra sujeita a um estado de

tensão, o que interessa para este estudo, é dado pela razão entre a variação da extensão volumétrica

( ) e o volume total ( ) da amostra:

2.3.1.2. Permeabilidade

São inúmeras as investigações que dão conta da forte influência de tensões na

permeabilidade, uma das propriedades mais importantes no âmbito do estudo de Engenharia de

Reservatórios.

Na Geomecânica, a permeabilidade caracteriza a facilidade de escoamento de um fluido

através de um meio rochoso. É o arranjo dos constituintes da parte sólida das rochas e não

simplesmente a sua composição, que fundamentalmente determina a permeabilidade da rocha

(Bruno, 1994).

O estado de tensão instalado na rocha influencia consideravelmente a sua permeabilidade. O

aumento das tensões de compressão provoca o fecho das fissuras e a diminuição da permeabilidade,

mas, a partir de um certo limite, o aumento das tensões pode iniciar o aparecimento de novas

fracturas provocando o aumento da permeabilidade. A variação da permeabilidade da rocha pode

também ser consequência da pressão da água que circula nos seus vazios e descontinuidades: o

aumento da pressão da água tende a abrir as fissuras, aumentando a permeabilidade.

A base da teoria (ou lei) do escoamento em meios granulares porosos foi estabelecida por

Darcy e é válida no regime de escoamento laminar, com velocidade constante, num meio poroso

homogéneo e isotrópico. A unidade de permeabilidade é a de área, sendo comum designá-la por

darcy (D) ou milidarcy (mD). Deste modo, considerando a condutividade hidráulica dependente da

natureza do meio e propriedades dos fluidos – densidade e viscosidade – que o atravessam, a Lei de

Darcy pode ser escrita como se segue:

Onde é o caudal (m³/s); , a permeabilidade intrínseca (m² ou D); , a densidade do fluido;

, a viscosidade do fluido (Pa );

, a perda de carga hidráulica e A, a área da secção transversal

de fluxo (m²).

21

O conceito de permeabilidade intrínseca, muitas vezes designada apenas de permeabilidade, à

semelhança do que será feito neste trabalho, não considera as propriedades dos fluidos que

atravessam a rocha, levando em consideração apenas as propriedades do meio poroso.

A partir da Lei de Darcy, anteriormente exposta, a seguinte equação pode ser obtida para a

determinação laboratorial da permeabilidade k das amostras:

Onde é o caudal; , o comprimento da trajectória de fluxo (equivalente ao comprimento do

provete); , a viscosidade do fluido; P, a diferença de pressão entre as extremidades da trajetória de

fluxo (faces opostas do provete) e A, a área da secção transversal do provete.

2.3.1.3. Velocidade das ondas sísmicas

As ondas sísmicas, também designadas por ondas ultra-sónicas ou acústicas, correspondem a

perturbações mecânicas que se propagam como ondas elásticas através de um material. Essa

propagação ocorre como resultado da transferência de energia cinética entre sucessivas partículas

materiais.

As ondas sísmicas são um importante método indirecto de prospecção geológica, já que a sua

propagação está intimamente relacionada com as propriedades do meio que atravessam, permitindo

conhecer a estrutura subterrânea. De facto, a velocidade de propagação das ondas acústicas

depende das propriedades elásticas e da densidade do material, as quais, por sua vez, dependem de

outras propriedades como a porosidade (Fjaer et al., 2008). É esta teórica relação evidente entre

porosidade, permeabilidade e velocidade das ondas que despoleta o interesse em estudá-las em

simultâneo.

A velocidade de propagação das ondas acústicas pode ser significativamente afectada

(redução) pela existência de descontinuidades, especialmente se estas se encontrarem não

preenchidas. Assim, a velocidade das ondas pode ser utilizada para detectar a presença e até

mesmo a abundância de descontinuidades. O estudo desta propriedade permite identificar a

ocorrência de fracturações da rocha ou rotura dos poços, ou simplesmente a ocorrência de

deformações volumétricas mais ou menos significativas.

Os dois tipos de ondas sísmicas que são geralmente do interesse da engenharia e da geologia

de engenharia são as ondas do tipo P (primárias ou longitudinais) e as do tipo S (secundárias ou

transversais). Como sugere a designação de cada uma destas, as ondas P são as que se propagam

mais rapidamente, em que as partículas do corpo vibram na direcção de propagação da onda e as

ondas S, mais lentas, as partículas vibram na direcção perpendicular à de propagação.

A determinação laboratorial da velocidade de propagação das ondas sísmicas pode realizar-se

através de dois métodos.

O primeiro método requer a existência de uma fonte de geração de vibração (o emissor) e um

receptor desse mesmo sinal. Conhecendo a distância ( ) que medeia estes dois sistemas – o emissor

22

e o receptor – e o intervalo de tempo ( ) que a onda demora a percorrer a referida distância, a

velocidade de propagação da onda ( ) vem dada por:

O segundo método baseia-se no conhecimento da densidade ( ) e parâmetros de

deformabilidade da rocha, nomeadamente o módulo de Young ( ) e coeficiente de Poisson ( ). A

determinação laboratorial da velocidade das ondas sísmicas do tipo P ( ) e S ( ), através desta

metodologia, é realizada através das seguintes fórmulas que derivam (Kolsky, 1963) da Lei de Hooke:

2.3.2. Propriedades mecânicas

2.3.2.1. Parâmetros de deformabilidade

Os parâmetros elásticos são geralmente determinados recorrendo a ensaios de compressão

uniaxial, embora tal também seja possível recorrendo a ensaios triaxiais standard, desde que se siga

a metodologia descrita na secção 2.4.

O módulo de Young ( ), também designado por módulo de deformabilidade ou de elasticidade,

é uma medida de deformabilidade da rocha. Em termos numéricos, é geralmente dado pelo declive

da curva tensão vs. extensão (curva σ-ε) na região elástica:

O coeficiente de Poisson ( ) é uma medida da expansão transversal em relação à contracção

longitudinal da amostra. Assim, numericamente, é dado pela razão entre o declive de ambas as

curvas tensão vs. extensão (axial e transversal):

As definições acima baseiam-se na simplificação de que a resposta tensão-deformação é

linear, o que não se verifica na realidade. Assim, destacam-se as seguintes alternativas comummente

aceites para a determinação do módulo de Young (Figura 2.3):

23

Módulo inicial, dado pelo declive do troço inicial da curva σ-ε;

Módulo da secante, medido pelo declive da recta definida por dois pontos pré-definidos da

curva σ-ε;

Módulo da tangente, baseado no declive da tangente para uma dada percentagem da tensão

máxima de pico.

Figura 2.3 - Ilustração dos diferentes métodos de cálculo do módulo de Young a partir de uma curva

tensão vs. extensão. Adaptado de Fjaer et al., 2008

2.3.2.2. Emissões acústicas

A partir de testes de carregamento laboratoriais levados a cabo por Kaiser (1950), citado em

Lopes (2009), observou-se que quando as amostras eram sujeitas a cargas superiores às tensões

anteriormente experimentadas, essas começavam a produzir emissões acústicas. Assim, este

fenómeno tem sido largamente utilizado na determinação de estados de tensão in situ (Fjaer et al.,

2008).

Além do campo de aplicação referido anteriormente, as emissões acústicas servem também

como auxiliar na interpretação de sonic logs e medições sísmicas, no estabelecimento de correlações

com a resistência da rocha e, em última instância, na avaliação da diferença entre os módulos de

deformabilidade estático e dinâmico (Fjaer et al., 2008).

As emissões acústicas são ondas elásticas transientes que resultam de bruscas variações

localizadas do estado de tensão numa amostra. Em materiais porosos, como as rochas, a variação

súbita do estado de tensão pode estar associada ao crescimento de fracturas pré-existentes e/ou ao

colapso dos poros ou grãos da rocha (Fjaer et al., 2008).

Em particular, à escala laboratorial e à temperatura ambiente, a fissuração, a nucleação e a

propagação de fracturas são consideradas as principais fontes de EA (Lockner, 1993). A localização

(espacial e temporal) das emissões acústicas permite visualizar a evolução da fractura da fase inicial

até à rotura macroscópica (Xinglin et al., 2004), como se apresenta na Figura 2.4.

24

Figura 2.4 - Emissão acústica por acção de uma pressão triaxial numa amostra de granito porfiróide

(dimensões 100 x 50 mm). (a) Fase primária, (b) Fase secundária, (c) Fase de nucleação, (d) Fase de rotura

total. Adaptado de Xinglin et al., 2004

2.4. Ensaios triaxiais

Neste subcapítulo abordam-se as principais metodologias adoptadas na execução dos ensaios

triaxiais.

Os ensaios triaxiais podem ser realizados sob diferentes condições de drenagem: condições

drenadas ou não drenadas.

Em condições drenadas, os orifícios existentes nos pistões de carregamento são abertos

durante os ensaios, sendo possível manter a pressão neutra a um determinado nível pretendido. Na

maioria das vezes, os referidos orifícios encontram-se abertos para a atmosfera, o que faz com que a

pressão neutra seja nula e as tensões efectivas igualem as tensões totais (Fjaer et al, 2008). No

presente estudo, apenas um dos orifícios (o de saída) foi mantido à pressão atmosférica; o outro

serviu para a entrada de água pressurizada no interior da célula. Nestes casos, a menos que se

disponha de um manómetro que permita efectuar medições da pressão neutra, apenas é possível

conhecer o valor da pressão de água nas extremidades do provete. Deste modo, ao longo deste

trabalho, será feita referência não à designação de “pressão neutra” mas à de “pressão de injecção

de água”.

Em condições não drenadas, os fluidos não têm a possibilidade de migrar do interior da

amostra, de modo que a pressão neutra aumenta durante o carregamento da amostra. São ensaios

menos utilizados, essencialmente aplicados a rochas de muito baixa permeabilidade, como xistos ou

argilitos.

A nível laboratorial, cada ensaio de mecânica das rochas está associado a determinadas

condições de tensão, ou seja, a uma determinada trajectória de tensões. Deste modo, é possível

simular diferentes tensões e determinar a influência de cada uma delas nas propriedades

poroelásticas das rochas.

25

A trajectória de tensões é definida pela razão da variação entre a tensão efectiva mínima ( ) e

a tensão efectiva máxima ( ), a partir das condições iniciais de reservatório. É geralmente denotada

por K e vem, matematicamente, definida por:

A trajectória de tensões pode variar entre 0 e 1. Uma trajectória unitária (K = 1) corresponde a

um ensaio drenado de compressão triaxial hidrostática. Uma trajectória nula (K = 0) representa um

ensaio drenado com tensão de confinamento constante, podendo, portanto, tratar-se de um ensaio de

compressão uniaxial (ou simples) ou triaxial convencional (também designado por axissimétrico ou

standard). Os ensaios triaxiais convencionais são muito comuns, nomeadamente na avaliação da

estabilidade de furos ou outras cavidades. Em geral, a metodologia destes testes consiste em

aumentar as duas tensões principais mínimas (tensão ou pressão de confinamento) e a máxima até

um determinado nível pré-estabelecido e a partir daí aumentar apenas a tensão máxima até à rotura,

mantendo as mínimas constantes. Uma simplificação dos ensaios triaxiais, são os ensaios não

confinados, geralmente designados por uniaxiais. Como sugere a designação, a tensão axial é

aumentada até à rotura, mantendo a tensão mínima (pressão de confinamento) nula.

Os ensaios hidrostáticos são geralmente realizados para determinar o módulo volumétrico (bulk

modulus) da rocha. Como se viu, representam a parte prévia dos ensaios triaxiais, sendo o aumento

das tensões principais indiferenciado (carregamento isotrópico) até à rotura. Tanto o ensaio

hidrostático como o triaxial standard, exceptuando o uniaxial, podem ser conduzidos sob condições

drenadas ou não drenadas (Fjaer et al., 2008).

Outro teste comummente usado, como por exemplo em estudos de estabilidade de fundações,

mas também na engenharia de reservatórios, para simular a compactação durante a produção e a

compressibilidade da rocha, é o teste edométrico (Fjaer et al., 2008). É executado em condições de

compressão uniaxial com constrangimento lateral (ausência de deformação lateral) da amostra.

Por último, destaca-se o ensaio triaxial verdadeiro. Sabe-se que as rochas estão sujeitas a

estados de tensão in situ em que as três tensões principais são diferentes entre si. A aplicação de

três tensões independentes a nível laboratorial, por meio de ensaios triaxiais verdadeiros, é de

máximo interesse na simulação de condições reais. Contudo, devido à maior complexidade inerente à

realização destes ensaios, o conhecimento do efeito de estados de tensão verdadeiros na variação

das propriedades das rochas é ainda muito insipiente e nem sempre possível de realizar

laboratorialmente.

Daqui por diante, entenda-se um ensaio triaxial como um teste triaxial convencional. Sempre

que se pretenda fazer referência a um ensaio hidrostático ou triaxial verdadeiro, serão essas as

designações consideradas. Do mesmo modo, sempre que nada for dito em contrário, supõe-se que

os ensaios são do tipo de compressão e realizados em condições drenadas.

26

2.5. Estudos anteriores sobre a influência de tensões nas propriedades

das rochas

Este subcapítulo apresenta os principais ensaios e resultados experimentais já publicados no

âmbito do estudo do efeito das tensões nas propriedades das rochas. A apresentação dos resultados

encontra-se organizada em grupos distintos. Cada grupo corresponde a um determinado factor que

mostrou poder influenciar, mais ou menos significativamente, a taxa de variação daquelas

propriedades no decorrer da aplicação de tensões. No primeiro grupo (secção 1.5.2), o factor cuja

influência nas propriedades das rochas se estuda é a trajectória de tensões; no segundo (secção

1.5.3), a composição mineralógica, grau de cimentação e estrutura dos poros; no terceiro (secção

1.5.4), a permeabilidade e porosidade iniciais; no quarto (secção 1.5.5), a pressão neutra e; no quinto

(secção 1.5.6), o grau de heterogeneidade.

2.5.1. Células triaxiais

Os primeiros ensaios a propósito do estudo do efeito de tensões nas propriedades das rochas-

reservatório debruçam-se apenas sobre estados tensionais hidrostáticos. A relação entre tensões e

essas propriedades é, no entanto, bastante variável. Estudos anteriores mencionam factores como a

trajectória de tensões, a composição mineralógica, o grau de heterogeneidade, o grau de cimentação,

a estrutura e forma dos poros da rocha, de forma a explicar tal variabilidade.

A percepção de que estados de tensão in situ se afastavam consideravelmente da condição

hidrostática, na maioria dos casos, levou a que na década de 90 se intensificasse a realização de

ensaios sob estados de tensão não hidrostática, particularmente os designados ensaios triaxiais

verdadeiros.

Os primeiros ensaios triaxiais verdadeiros forma realizados em provetes cilíndricos, por Handin

et al. (1967) e em provetes cúbicos por Mogi (1970), Gau et al. (1983) e Amadei & Robison (1986) e

Esaki & Kimura (1989). Esta tipologia de ensaios caracteriza-se pela aplicação das três tensões

principais, de modo independente, às faces dos corpos de prova.

Mogi (1970) deverá ter sido o primeiro autor a criar um equipamento que permitia a aplicação

de três tensões uniformes e independentes entre si, tendo inclusive demonstrado que a resistência da

rocha é função da tensão principal intermédia.

Entretanto, até aos dias de hoje, novas células triaxiais verdadeiras têm vindo a ser

desenvolvidas e modificadas. Cada uma delas é indicada para diferentes geometrias de corpos de

prova e permite a aplicação de valores de tensão máxima distintos. Algumas células, além de

permitirem a medição de parâmetros mecânicos (resistência e deformabilidade), permitem também

determinar algumas propriedades petrofísicas das rochas, como a permeabilidade e a velocidade de

propagação das ondas acústicas P e S. Um exemplo desse tipo de equipamento é o sistema de

carregamento triaxial desenvolvido depois de King et al. (1995), por Al-Harthey et al. (1998a),

apresentado na Figura 2.5.

27

Figura 2.5 - Representação esquemática do sistema de carregamento triaxial verdadeiro depois de King

et al., 1995. Adaptado de Al-Harthy et al., 1998a

2.5.2. Influência da trajectória de tensões

Estudos anteriores, no âmbito do estudo da influência da compactação sobre a permeabilidade

e a velocidade de propagação de ondas sísmicas nas rochas, referem que as deformações

volumétricas, as propriedades de fluxo e as propriedades elásticas estão intimamente relacionadas, já

que todas elas dependem de um número limitado de parâmetros intrínsecos como a porosidade,

densidade de fracturas e propriedades elásticas da matriz e fluidos que compõem a rocha (Fortin et

al., 2005).

Observações de campo e ensaios laboratoriais constataram, recentemente, a formação de

bandas de compactação em arenitos porosos (Mollema & Antonellini, 1996; Olsson & Holcomb, 2000;

Bésuelle, 2001; Klein et al., 2001).

Por um lado, Vajdova et al. (2005) e Holcomb & Olsson (2003) mostraram que a

permeabilidade através de bandas de compactação era geralmente reduzida uma ou duas ordens de

grandeza, podendo funcionar essas bandas como barreiras à passagem de fluidos. Contudo, Zhu &

Wong (1997) constataram que não existia uma relação directa entre a evolução da permeabilidade e

as deformações volumétricas durante a compactação de arenitos.

Por outro lado, Scott et al. (1993) mostraram que a velocidade de propagação das ondas

acústicas era claramente afectada durante a deformação de arenitos porosos. Porém, mais uma vez,

a relação entre porosidade (deformação volumétrica) e as propriedades elásticas parece não ser

linear, devido à ocorrência de dois fenómenos competitivos. O primeiro fenómeno é referente ao dano

mecânico da rocha (1995), associado à rotura dos grãos que a constituem, que é responsável pela

diminuição da velocidade das ondas sísmicas; o segundo, verificado por Schumbnel et al. (2005),

corresponde ao fecho das (micro)fracturas e compactação induzidos pelo aumento da tensão média

actuante, registando-se um aumento da velocidade.

28

Com base nestas investigações, Fortin et al. (2005) estudaram pela primeira vez a evolução

simultânea de deformação volumétrica, velocidade de ondas acústicas e permeabilidade num

conjunto de provetes retirados de uma amostra do arenito Bleurswiller com 25 % de porosidade.

Foram realizados ensaios de compressão triaxial (hidrostática e triaxial convencional) para diferentes

pressões de confinamento, 12, 30, 50, 70, 90, 110 MPa, com pressão neutra constante de 10 MPa. O

estudo procurava averiguar a eventual existência de correlações entre as referidas variáveis e ainda

associar observações microestruturais ao modo de rotura dos corpos de prova.

A primeira etapa de ensaios realizou-se sob condições de compressão hidrostática. Os

resultados obtidos encontram-se resumidos na Figura 2.6, onde é possível, em função da tensão

efectiva média, individualizar seis domínios de diferente resposta mecânica das amostras testadas:

A0-A1, A1-P*, P*-A2, A2-A3, A3-A4 e A4-A5.

Figura 2.6 - Compressão hidrostática: tensão efectiva média versus (a) redução de porosidade, (b)

permeabilidade, (c) velocidade das ondas P e (d) velocidade das ondas S, durante compressão hidrostática.

Adaptado de Fortin et al., 2005

Segundo os mesmos autores, o troço não-linear inicial da curva (A0-A1) corresponde ao fecho

das fracturas pré-existentes na rocha, verificando-se, consequentemente um aumento da velocidade

29

das ondas P e S até à tensão efectiva média de 50 MPa. Durante esta fase a permeabilidade

mantém-se constante (k ≈ 2,45 x m²).

Na região sucessiva (A1-P*), a porosidade e a permeabilidade manifestam um decréscimo

linear, ao passo de que a velocidade das ondas atinge o seu valor máximo (próximo de 3900 m/s,

para as ondas P e 2275 m/s, para as ondas S). Atingido o ponto P*, começam a observar-se

aceleradas compactações anelásticas, verificando-se grandes deformações para pequenos

incrementos de tensão aplicada. Como consequência, é observável um acentuado decréscimo quer

da velocidade das ondas acústicas e da porosidade, quer da permeabilidade em quase uma ordem

de grandeza.

Porém, a partir do ponto A2, observa-se uma discrepância entre a evolução da porosidade e da

velocidade das ondas: ao passo de que a primeira propriedade continua a diminuir, a segunda

aumenta. Este comportamento deve-se à actuação dos dois micromecanismos competitivos. O

primeiro mecanismo, relativo ao rotura dos grãos e à subsequente redução da porosidade,

predominando na zona P*-A2, está associado a um decréscimo das velocidades das ondas sísmicas;

o segundo, relativo ao colapso dos poros e à diminuição da porosidade, sendo predominante na zona

A2-A3, corresponde a um aumento das mesmas velocidades. A permeabilidade, à semelhança da

porosidade, mantém a tendência de decréscimo com o aumento da tensão efectiva média aplicada.

O troço A3-A4 corresponde à fase de fim de carregamento (relaxamento), aos 245 MPa,

registando-se uma diminuição da porosidade e permeabilidade e um aumento das velocidades das

ondas P e S. Tais observações evidenciam a ocorrência de fenómenos característicos do regime de

viscoelasticidade.

Finalmente, a amostra é lentamente descarregada (A4-A5), observando-se o comportamento

contrário ao descrito na fase precedente: a permeabilidade aumenta de 2,6 x para 6,2 x

m², e a velocidade das ondas P e S, como resultado da abertura das fracturas criadas durante a

rotura dos grãos e o colapso dos poros, diminui quase 25 % e 45 %, respectivamente.

A segunda série de ensaios realizou-se sob condições triaxiais convencionais, tendo-se

aplicado pressões de confinamento (Pc) de 12 e 30 MPa, que são caracterizadoras de um regime

frágil, onde a rotura é do tipo macroscópica. Os resultados obtidos encontram-se representados na

Figura 2.7, sendo possível individualizar três domínios e comparar os dados deste série de ensaios

com os anteriores (em condições hidrostáticas de tensão).

Em ambos os casos (Pc = 12 e 30 MPa) e à semelhança da situação observada em condições

hidrostáticas, o primeiro troço corresponde ao fecho das microfissuras, pelo que a velocidade das

ondas aumenta e a porosidade e permeabilidade diminuem ligeiramente. Após este troço, a resposta

mecânica das amostras é linear.

O ponto C’ marca o ínicio do fenómeno de dilatância, registando-se um ligeiro decréscimo da

porosidade e da velocidade das ondas P e S. A fase final de dilatância, por sua vez, está associada à

rotura macroscópica da rocha, observando-se uma redução brusca dos valores das propriedades

mencionadas. No caso de Pc = 30 MPa, porém, não são visíveis alterações de permeabilidade, o que

está concordante com a variação da porosidade (praticamente nula).

30

Figura 2.7 - Regime frágil (dilatância): tensão efectiva média versus (a) redução de porosidade, (b)

permeabilidade, (c) velocidade das ondas P e (d) velocidade das ondas S, para dois ensaios de compressão

triaxial (não hidrostática) com pressões de confinamento de 12 e 30 MPa. Adaptado de Fortin et al., 2005

Ao contrário do caso anterior (Pc = 12 e 30 MPa), na terceira série de ensaios, para pressões

de confinamento entre 50 e 110 MPa, verificou-se que o modo de rotura estava associado a uma

apreciável redução anelástica da porosidade, com a formação das designadas “bandas de

compactação”, não sendo agora possível identificar superfícies de rotura macroscópica. Estas

bandas, originadas uma vez atingido o ponto C*, estão também associadas a reduções drásticas da

permeabilidade e da velocidade das ondas acústicas, como se pode visualizar na Figura 2.8.

Assim, constata-se que a grande diferença entre o regime frágil, manifestado para pressões de

confinamento de 12 e 30 MPa, e o regime dúctil (ou semi-frágil), para pressões de 50 a 110 MPa, na

fase final de ensaio, reside na forte redução da porosidade e permeabilidade neste último caso, ao

passo de que no primeiro não são praticamente registadas alterações nos valores dessas

propriedades. Em ambos os regimes, porém, verifica-se uma diminuição significativa da velocidade

das ondas sísmicas.

31

Figura 2.8 - Regime dúctil ou semi-frágil (compactação): tensão efectiva média versus (a) redução de

porosidade, (b) permeabilidade, (c) velocidade das ondas P e (d) velocidade das ondas S, para quatro ensaios

de compressão triaxial (não hidrostática) com pressões de confinamento de 50, 70, 90 e 110 MPa. Adptado de

Fortin et al., 2005

Ora, considerando os estudos levados a cabo no presente artigo, foi possível concluir que

apesar de os três parâmetros estudados manifestarem um comportamento coerente entre eles, esses

não são linearmente correlacionáveis entre si, devido à ocorrência de dois micromecanismos

competitivos que precisam de ser quantificados de forma mais precisa: a rotura dos grãos e o colapso

dos poros.

Estudos sobre a influência do estado tensional hidrostático sobre a velocidade de propagação

de ondas sísmicas P e S, para vários ângulos de propagação, foram conduzidos no âmbito da Tese

de Mestrado de Lopes (2009). A pressão efectiva foi aumentada, continuamente, de 5 a 95 MPa,

seguida de uma descompressão até à pressão mais baixa. Os resultados referentes ao ensaio,

podendo ser visualizados na Figura 2.9, evidenciam um aumento da velocidade de propagação das

ondas com o aumento da tensão efectiva, sendo esse aumento mais pronunciado na fase inicial de

carregamento.

32

Figura 2.9 - Variação das velocidades de propagação das ondas P e S com a pressão efectiva média,

durante os testes hidrostáticos, para vários ângulos de propagação. Lopes, 2009

Com vista à identificação da ocorrência de colapso dos poros das rochas, Soares et al. (2002)

também realizaram ensaios de compressão triaxial com medição simultânea da permeabilidade e da

velocidade das ondas P, aplicando diferentes trajectórias de tensão. Os ensaios foram executados

recorrendo a um calcário dúctil, heterogéneo e de alta porosidade (20-35 %), proveniente da Bacia de

Campos, Brasil. Apesar da diferença de composição mineralógica entre a rocha deste estudo e a do

de Fortin et al. (2005), os resultados obtidos são concordantes, à excepção de que Soares et al.

(2002) mencionam a ocorrência de uma diminuição significativa da permeabilidade no troço inicial do

gráfico tensão vs. extensão.

David et al. (1994) também estudaram o efeito da tensão na porosidade e permeabilidade em

arenitos de porosidades entre 14 e 35 %. É de notar o caso particular do arenito Rothbach

(porosidade de 23 %), testado sob um estado de tensão hidrostático que, em termos daquelas

propriedades e à excepção do troço inicial correspondente ao fecho das microfissuras do corpo de

prova (em que se registou um decréscimo significativo da permeabilidade), manifestou um

comportamento bastante concordante com o descrito no estudo de Fortin al et. (2005).

À semelhança de Fortin et al. (2005), também Zhu & Wong (1997) analisaram a evolução da

porosidade e permeabilidade numa série de arenitos durante a fase de transição do regime frágil para

o cataclástico. Estes arenitos tinham porosidades iniciais compreendidas entre 14 e 35 %, tal como

os arenitos das investigações de David et al. (1994). Basicamente, os corpos sujeitos a um regime

frágil, caracterizado por uma baixa pressão de confinamento, sofreram nessa fase um notável

aumento da porosidade e uma diminuição da permeabilidade; pelo contrário, nos corpos em regime

dúctil, onde as pressões de confinamento eram maiores, registou-se uma diminuição quer da

porosidade, quer da permeabilidade. Estes resultados encontram-se apresentados na Figura 2.10.

33

Figura 2.10 - Evolução da porosidade e permeabilidade do arenito Rothbach em função da tensão

efectiva média sob um estado de tensão triaxial. (A) Regime cataclástico (165 MPa de pressão efectiva de

confinamento). O gráfico menor à esquerda representa a tensão de corte vs. deformação axial. A escala é de 0-

20% para a deformação e de 0-350 MPa para a tensão de corte; (B) Regime frágil (5 MPa de pressão efectiva de

confinamento). Notar a diferença de escala, comparada com a figura (A). A escala é de 0-6% para a deformação

e de 0-80 MPa para a tensão de corte. Adaptado de Azevedo, 2005

Zhu & Wong (1997) explicam a evolução díspare entre a porosidade e a permeabilidade no

regime frágil como resultado do aumento de tortuosidade induzida pela dilatância do corpo. Como

consequência, verifica-se um aumento da porosidade e uma diminuição da permeabilidade, uma vez

que aumenta o percurso dos fluidos no meio em estudo.

Esta tendência, porém, não é observada para o arenito de menor porosidade (14,5 %) testado,

o Darley Dale. Deste modo, Zhu & Wong (1997) sugerem um limite de porosidade de 15 %, abaixo do

qual a permeabilidade, em vez de diminuir, aumenta durante a dilatância.

O modo de rotura nos dois regimes é distinto. No regime frágil verifica-se a formação de uma

banda de cisalhamento (superfície de rotura) que atravessa o corpo de prova, registando-se

dilatância; no regime dúctil apenas é observado um forte estado de compactação, não sendo visível

uma rotura macroscópica da amostra.

Holt (1990) realizou um conjunto de ensaios sob condições hidrostáticas e não hidrostáticas de

tensões em amostras de um arenito de afloramento (Red Wildmoor) caracterizado por alta porosidade

34

(25 %) e alta permeabilidade. A partir dos resultados obtidos (Figura 2.11 e Figura 2.12) foi possível

concluir que a diminuição da permeabilidade, devido ao aumento da tensão aplicada, é mais

significativa para estados de tensão não hidrostáticos. Estes resultados foram posteriormente

confirmados por King et al. (2001).

Figura 2.11 - Alteração de permeabilidade no arenito Red Wildmoor durante carregamento e

descarregamento hidrostático. Adaptado de Holt, 1990

Figura 2.12 - Alteração de permeabilidade no arenito Red Wildmoor durante carregamento triaxial sob

diferentes pressões de confinamento. Adaptado de Holt, 1990

De notar que uma comparação entre os ensaios triaxiais não hidrostáticos realizados por Fortin

et al. (2005) levam a concluir que, uma vez atingido o ponto C (transição do domínio elástico para o

plástico), a redução da porosidade, permeabilidade e velocidade das ondas P e S tende a ser tanto

mais pronunciada quanto maior for a pressão de confinamento aplicada. Esta tendência pode ser

percepcionada através das anteriores Figura 2.7 e Figura 2.8.

35

Popp & Kern (2000) também demonstraram que nos casos em que existam condições para o

aumento da permeabilidade durante ensaios de compressão triaxial, esse aumento tende a ser mais

significativo para pressões de confinamento menores.

Não obstante, Holt et al. (2003), citado em Fjaer et al. (2008), demonstraram que a redução da

porosidade durante o carregamento é praticamente independente da trajectória de tensão, tal como

sugere a Figura 2.13. Esta conclusão apenas perde validade para rochas de elevada porosidade, em

que a dano do corpo de prova pode provocar uma permanente redução da porosidade (Holt et al.,

2000, citado em Fjaer et al., 2008).

Figura 2.13 - Redução da porosidade de um arenito em função do aumento da tensão efectiva média,

usando 3 diferentes trajectórias de tensão, isotrópica (linha a cheio), uniaxial (a tracejado grosso) e

carregamento proporcional (a tracejado fino). Holt et al., 2003, citado em Fjaer et al. 2008

Azeemuddin et al. (1995) realizaram ensaios triaxiais com duas rochas distintas de alta

porosidade (18 %): o calcário Indiana e o arenito Berea. Com o aumento da tensão de corte, o

calcário manifestou um comportamento dúctil, caracterizado por uma redução contínua da

permeabilidade e o arenito, uma diminuição inicial da permeabilidade e um aumento posterior, após o

início da dilatância. As mesmas conclusões já haviam sido obtidas por Morita et al. (1992).

Esta observação, referente ao comportamento do arenito Berea, contraria os resultados obtidos

nos trabalhos oportunamente mencionados de Zhu & Wong (1995) e Holt (1990). De facto, estes

últimos autores, para rochas com porosidades superiores a 15 %, relataram unicamente a existência

de uma redução da permeabilidade com o aumento da tensão. Tal contradição não parece poder ser

explicada satisfatoriamente.

Estudos executados por Rhett & Teufel (1992) procuraram estudar a influência de diferentes

trajectórias de tensão (1,00; 0,75; 0,50; 0,25 e 0,15) na permeabilidade de arenitos de dois

reservatórios do Mar do Norte, com porosidades compreendidas entre 13 e 20 %. Os autores

constataram que a permeabilidade do reservatório pode ser severamente afectada pela trajectória de

tensão. Como se pode visualizar na Figura 2.14, o aumento da permeabilidade foi superior para

trajectórias menores, situações em que a tensão de corte é mais elevada, promovendo a ocorrência

de dilatância ao invés de bandas de compactação. Esta é, aliás, a explicação de Rhett & Teufel

36

(1992) para os dados obtidos. Resultados análogos foram obtidos por Ferfera et al. (1997), os quais

apontam o efeito de compensação entre a compactação e a dilatância como promotor do aumento da

permeabilidade com a redução da trajectória de tensão.

Figura 2.14 - Variação da permeabilidade sob diferentes trajectórias de tensão num arenito de

reservatório. Adaptado de Rhett & Teufel, 1992

Bruno et al. (1991) investigaram a influência da anisotropia de tensões na permeabilidade de

três arenitos distintos, todos eles fracamente cimentados. Os ensaios foram conduzidos sob

condições triaxiais com tensões aplicadas até 15 MPa. Partindo-se de um estado hidrostático

equivalente a uma pressão de 3 MPa, aumentou-se apenas ou a tensão axial ou a tensão radial, de

forma a estudar o efeito de cada uma destas tensões na permeabilidade axial da rocha. Observou-se

que no caso da aplicação da tensão radial, perpendicular à direcção de fluxo, a diminuição da

permeabilidade foi mais significativa comparativamente com a direcção axial que, praticamente, não

induziu alterações na permeabilidade. A Figura 2.15 refere-se a um dos arenitos testados, o

Castlegate (porosidade média de 26% e permeabilidade de 900 mD), e apresenta o comportamento

descrito anteriormente.

Segundo Bruno (1994), a redução diferencial da permeabilidade deve-se à orientação da

microfissuração induzida pela tensão. Devido ao facto de as microfissuras de tracção se

desenvolverem predominantemente na direcção paralela à de fluxo, em casos de significativa tensão

de corte, a permeabilidade nessa direcção pode até mesmo aumentar, já que passa a existir um

efeito compensatório da compactação.

Um estudo intensivo conduzido por Heffer & Dowokpor (1990) e Heffer et al. (1994), citados em

Azevedo (2005), permitiu concluir que a anisotropia de tensões conduz a anisotropias de

permeabilidade. Assim, a estratégia de perfuração de poços, injectores ou produtores, deve

considerar as direcções das tensões principais, já que delas depende a permeabilidade e a produção.

37

Figura 2.15 - Efeito da direcção de carga (axial ou radial) na permeabilidade axial do arenito Castlegate.

Adaptado de Bruno et al., 1991

Morita el al. (1992) mostraram, através de ensaios triaxiais usando o arenito Berea, à

semelhança de Bruno et al. (1991), que a permeabilidade na direcção axial se mantém praticamente

constante durante grande parte do referido ensaio, ao passo de que na direcção transversal, diminui.

Na iminência da rotura macroscópica, porém, a rocha dilata e ambas as permeabilidades aumentam

consideravelmente.

Recorrendo a arenitos de baixa porosidade (12 %) e baixa permeabilidade (0,1 mD) e medindo

e (permeabilidade vertical e horizontal, respectivamente) para diferentes trajectórias de tensão,

Khan & Teufel (2000) verificaram que a direcção de maior permeabilidade era a direcção paralela à

de tensão máxima. Além disso, a anisotropia de permeabilidade aumenta à medida que os ensaios se

afastam da condição hidrostática de tensões. Em particular, para trajectórias de tensão nulas,

situação em que se acentua a abertura ou fecho preferencial das microfissuras, a permeabilidade

transversal diminui e a axial, de um modo global, aumenta.

Heiland (2003) debruçou-se sobre o estudo da influência da tensão de corte na permeabilidade

de um arenito de baixa porosidade (entre 6 e 9 %). Para tal recorreu a uma célula de compressão

triaxial convencional, aplicando pressões de confinamento até 20 MPa, sob diferentes taxas de

deformação axial. Os resultados obtidos evidenciam um decréscimo inicial da permeabilidade,

induzido pela compactação, e um acréscimo da mesma uma vez atingido o início da dilatância do

corpo de prova. Contudo, o valor da permeabilidade inicial apenas foi recuperado no domínio de pós-

rotura.

Um estudo precedente, da autoria de Zoback & Byerlee (1975), realizado com o granito

Weasterly (muito baixa porosidade) e sob condições de pressão de confinamento efectiva de 140 e

38

390 MPa, evidenciou um aumento da permeabilidade de aproximadamente 3 vezes, como resultado

da aplicação de tensões de corte na ordem de 80 % da resistência de pico.

Comparando os resultados de Heiland (2003a) e Zoback & Byerlee (1975) e os anteriores de

Zhu & Wong (1997), é possível concluir que arenitos de baixa porosidade inicial (inferior a 15 %) têm

um comportamento intermédio entre as rochas cristalinas e os arenitos de elevada porosidade.

2.5.3. Influência da composição mineralógica, grau de cimentação e estrutura dos

poros

Ao contrário da generalidade dos sólidos, as rochas são materiais porosos que incorporam

diferentes escalas e estruturas de poros – tais como poros básicos, fracturas de diversas escalas e

vazios resultantes da ausência de contacto local entre os grãos minerais que constituem o material

rochoso – nos quais o fluido presente pode ser água, óleo ou gás. Assim, o estudo da permeabilidade

deve levar em consideração a estrutura dos poros (Shangxian & Shangxu, 2005). De facto, ainda de

acordo com os autores acima citados, o decréscimo de permeabilidade ou porosidade é mais

significativo nas rochas fracturadas que nas rochas porosas. De qualquer modo, não considerando a

estrutura dos poros, a variação da permeabilidade com a alteração do estado de tensões é maior que

a variação da porosidade.

De facto, nos trabalhos de Ostermier (1993, 1996, 2001), sob condições hidrostáticas de

tensões, observou-se que a redução relativa da permeabilidade em turbiditos do Golfo do México é

geralmente cerca de quatro a cinco vezes superior à redução da porosidade, tal como já havia sido

verificado por outros autores.

Outras investigações realizadas no âmbito do estudo da variação de porosidade durante a

depleção de um reservatório demonstram que, na maioria dos casos, a redução da porosidade devido

a esse factor, a depleção, é bastante reduzida – tipicamente inferior a 1 % (Fjaer et al., 2008). É

também expectável que as alterações no valor dessa propriedade sejam heterogéneas, não só

devido à heterogeneidade da rocha, mas também devido à geração de deformações localizadas da

rocha.

Com o intuito de estudar o efeito do grau de cimentação e dimensão dos poros na

permeabilidade de rochas, Davis & Davis (2001) conduziram um conjunto de ensaios de compressão

hidrostática em arenitos de reservatório não-consolidados (porosidade > 25 %) e consolidados

(porosidade < 20 %). Os resultados permitiram concluir que a taxa de redução da permeabilidade é

função da estrutura dos poros. Em rochas não consolidadas, a referida taxa é superior para poros

maiores; em rochas consolidadas, a redução é mais significativa para poros menores.

Bruno et al. (1991) concluíram também que a diminuição da quantidade e resistência do

cimento tende a aumentar a sensibilidade da permeabilidade em relação às tensões. De facto, o

arenito Kern River, praticamente não consolidado, mostrou ser o mais sensível à tensão; observações

contrárias foram feitas em relação ao arenito Salt Wash, o mais fortemente cimentado.

Ruistuen et al. (1999), procurando estudar o efeito da depleção no comportamento mecânico e

hidráulico das rochas, conduziram ensaios triaxiais em dois arenitos distintos: o Etive, fracamente

39

cimentado (porosidade de 25 %) e o Tarbot, mais cimentado (porosidade de 21 %). Os resultados

obtidos foram claramente distintos. O arenito menos cimentado apresentou uma redução de

permeabilidade para todas as trajectórias de tensão e o mais cimentado apenas para trajectórias não

nulas (associadas a menores tensões de corte). No entanto, para as trajectórias de tensões maiores,

foi no arenito mais cimentado que a redução de permeabilidade foi mais significativa. Esta última

observação contradiz os resultados previamente obtidos por Bruno et al., (1991).

Estudos da autoria de Jia-Jyun Dong et al. (2010) conduzidos no âmbito do estudo da

influência da composição mineralógica na porosidade e permeabilidade de um arenito e um argilito

demonstraram que a permeabilidade do argilito era mais sensível à pressão de confinamento efectiva

em relação ao arenito, possivelmente devido à existência de microfracturas no argilito. No entanto, no

que se refere à porosidade, ambas as rochas manifestaram uma sensibilidade semelhante à

alteração da pressão confinante, tendo a redução do valor de porosidade sido na ordem de 10-20%

quando se aumentou a referida pressão de 3 para 120 MPa. No âmbito do mesmo ensaio

experimental, constatou-se que parte da redução da permeabilidade e porosidade registada durante a

fase de carregamento é irreversível durante a fase de descarga.

É oportuno ainda notar que também Fortin et al. (2005) haviam constatado que o arenito

testado, o Bleurswiller, não apresentava os mesmos valores de resistência à compressão hidrostática

que outros arenitos, nomeadamente os arenitos Diemelstadt e Bentheim, apesar de possuirem os três

aproximados tamanho dos grãos e porosidade inicial. A referida resistência à compressão isotrópica

mostrou variar entre 135 MPa no arenito Bleurswiller e 390 MPa no arenito Bentheim. Segundo Fortin

et al. (2005), a explicação para tal discrepância de valores reside no facto de a composição mineral

de um arenito ser um parâmetro-chave no controlo da pressão efectiva para a qual se dá o início do

colapso dos poros.

2.5.4. Influência da porosidade e permeabilidade iniciais

A taxa de produção é largamente dependente da permeabilidade da rocha. A permeabilidade

pode variar de modo significativo devido a heterogeneidades e fracturas, já que constituem barreiras

ou canais de circulação preferencial de fluidos. Do ponto de vista microscópico a permeabilidade é

controlada pelos seguintes parâmetros: porosidade, dimensão e forma dos poros e dos grãos, e

tortuosidade.

Ao contrário de Holt et al. (1990), citado em Azevedo (2005), Kilmer et al. (1987) efectuou

ensaios de compressão hidrostática (com aumento de pressão de 3,45 para 34,5 MPa) em arenitos

de baixa (1 mD) e muito baixa permeabilidade (0,01 mD), tendo sido observada uma diminuição da

permeabilidade de 50% e de 80 a 99 %, respectivamente.

A comparação entre os resultados de Kilmer et al. (1987) e Holt (1990) levam a considerar que

a redução da permeabilidade é maior em rochas de baixas permeabilidade e porosidade iniciais, onde

a permeabilidade se deve essencialmente a fracturas e a poros estreitos facilmente fechados pela

aplicação de estados de tensão. Tal observação, visível na Figura 2.16, foi suportada através de

40

diversos estudos anteriores levados a cabo por outros autores, nomeadamente Fatt & Davis (1952),

Vairogs et al. (1971), Yale (1984) e Scutjens et al. (2004).

Figura 2.16 - Redução relativa de permeabilidade sob aumento de pressão hidrostática de 3,45 para 34,5

MPa. Adaptado a: dados de Kilmer et al. (1987) (△); Yale (1984) (□); e Holt (1990) (◊)

De modo inverso, segundo Holt (1990), Bruno (1994) e Sarda et al.(1998), casos em que se

observa redução da permeabilidade durante o ensaio, incluindo durante a rotura, são mais

observados em rochas de elevadas porosidade e permeabilidade iniciais, e em condições de relativa

elevada pressão de confinamento. Tal redução pode ser explicada pela ocorrência de colapso dos

grãos, criando uma barreira ou, como sugerido por Holcomb & Olsson (2003), pela formação e

propagação de uma banda de compactação horizontal contendo grãos esmagados.

Yale & Crawford (1998) realizaram um conjunto de ensaios de compressão triaxial, com

diferentes trajectórias de tensões, para estudar a influência da porosidade inicial na permeabilidade.

Para tal usaram calcários de porosidade variável entre 14 e 42 %. Concluíram que rochas de menor

porosidade inicial tendiam a apresentar aumentos mais significativos de valores de permeabilidade,

como resultado da microfissuração e rotura por cisalhamento. Em estudos anteriores, estes autores

haviam também observado que, para rochas de alta porosidade inicial, a permeabilidade era

dependente da trajectória de tensão, sendo que os ensaios que se afastavam mais da condição

hidrostática de tensões, apresentavam reduções mais acentuadas de permeabilidade.

De modo contrário, é de notar que Rhett & Teufel (1992) e Ferfera et al. (1997) haviam

demonstrado que a redução de permeabilidade nas rochas era maior em ensaios conduzidos sob

estados de tensão hidrostáticos.

Estudos qualitativos acerca da influência do estado de tensão na evolução da permeabilidade

de uma rocha da autoria de Ferfera et al. (1997) permitem sintetizar as principais observações que

foram igualmente feitas por outros autores a esse nível. Tal evolução pode ser dividida em três fases

distintas (ver Figura 2.17): a primeira fase, em que há decréscimo acentuado não linear de

permeabilidade, devido ao fecho das microfissuras; a segunda fase, associada à deformação elástica

41

dos poros, resultando numa diminuição linear de permeabilidade e; a terceira fase, no domínio pós-

elástico (plástico), em que pode haver aumento (dilatância) ou redução de permeabilidade

(compactação). Os dois comportamentos descritos que a rocha pode assumir dependem da

porosidade inicial da rocha. No caso das rochas de alta porosidade, o dano mecânico provoca o

movimento de grãos que se depositam na garganta dos poros, conduzindo ao estreitamento dos

canais de fluxo e à redução da permeabilidade (Zhu & Wong, 1995). Nas rochas de baixa porosidade,

em que há baixa conectividade entre os poros da rocha, o dano é caracterizado por gerar

fissuramento do corpo, aumentando a permeabilidade devido ao aumento da referida conectividade

entre os poros.

Figura 2.17 - Evolução da permeabilidade (k) das rochas com o aumento do carregamento aplicado,

segundo Ferfera et al., 1997. Adaptado de Azevedo, 2005

2.5.5. Influência de pressão neutra na permeabilidade

Al-Harthy et al. (1998b) realizaram duas séries de ensaios recorrendo ao equipamento de

compressão triaxial verdadeiro já oportunamente apresentado (Figura 2.5). Na primeira série de

ensaios estudaram o efeito da pressão neutra na permeabilidade para diferentes trajectórias de

tensão, encontrando-se os resultados apresentados na Figura 2.18. Estes autores verificaram que o

aumento da pressão neutra conduz ao aumento da permeabilidade, sendo maior a variação no caso

hidrostático de tensões. Esta observação permite concluir que o efeito da pressão neutra na

permeabilidade depende da trajectória de tensão.

42

Figura 2.18 - Efeito da pressão neutra na permeabilidade do arenito Croslands Hill sob diferentes

trajectórias de tensão (hidrostática, triaxial e triaxial verdadeira). Adaptado de Al-Harthy et al., 1998b

2.5.6. Influência do grau de heterogeneidade sedimentar

Além de estudarem o efeito da anisotropia de tensões na permeabilidade, através de ensaios

triaxiais verdadeiros, Crawford & Swart (1994) analisaram o efeito das heterogeneidades litológicas

nessa mesma propriedade. Observaram que a oscilação e complexidade do comportamento da

permeabilidade em função da tensão é tanto maior quanto mais heterogénea for a rocha. Para rochas

mais homogéneas, porém, a permeabilidade tende claramente a diminuir, especialmente a sua

componente horizontal.

Hudson & Tang (2010) realizaram ensaios triaxiais que procuravam relacionar tensões axiais

com permeabilidade e emissões acústicas (EA) em rochas (grau de homogeneidade de 1,5). Os

respectivos resultados apresentam-se na Figura 2.19, onde é possível notar que existe uma relação

entre o nível de tensão axial e a permeabilidade da amostra. A zona correspondente ao fecho das

microfissuras não se encontra representada.

É possível observar que a permeabilidade decresce na zona elástica (sobretudo no início desta

fase) devido ao carregamento e começa a aumentar ligeiramente na região plástica (pré-rotura),

como resultado da propagação das microfracturas. Na fase que segue à de tensão máxima de pico, a

permeabilidade aumenta drasticamente, já que ocorre a formação e coalescência de macrofracturas.

A rotura macroscópica está associada a um número muito significativo de EA e resulta numa rápida

queda da tensão axial.

43

Figura 2.19 - Gráficos de relação entre carga axial, permeabilidade, etapa (step) de carregamento e

número de emissões acústicas (AE) para um provete com índice de homogeneidade (m) de 1,5. Adaptado de

Hudson & Tang, 2010

A sequência de mapas de localização das fontes de EA durante o processo de carregamento

axial é apresentada na Figura 2.20. Observa-se que até cerca de 85 % da tensão de pico, as EA

estão distribuídas ao longo do provete, o que indica que há uma deformação uniforme da amostra até

este nível de tensão (ver Figura 2.20a). A Figura 2.20b evidencia que, no momento (step) 58 as EA

se localizam sobretudo na zona de nucleação. Esta zona corresponde ao local onde ocorre,

posteriormente, a rotura macroscópica, como sugere a Figura 2.20c.

Figura 2.20 - Mapas sequenciais de localização de fontes de EA (assinaladas com círculos) durante rotura

do provete (m = 1,5) da Figura 2.19 (para localização das etapas “steps”, ver Figura 2.19). A dimensão dos

círculos indica a magnitude das EA. Hudson & Tang, 2010

Segundo os mesmos autores, Hudson & Tang (2010), uma análise da Figura 2.19 e 2.20

permite constatar que embora o crescimento de fracturas se possa iniciar para baixos níveis de

tensão devido à existência de heterogeneidades, grandes variações de permeabilidade ocorrem

44

apenas quando o nível de tensão é suficientemente elevado para criar trajectórias de fluxo

conectadas entre si (fluxo contínuo). Estas variações dos valores de permeabilidade devido à

iniciação, propagação e coalescência de fracturas para estados de tensão de compressão foi relatada

por vários investigadores e está de acordo com as bem conhecidas curvas de comportamento

mecânico das rochas durante os ensaios de compressão uniaxial.

Yuan & Harrison (2005), citados em Hudson & Tang (2010), recorreram a modelos para

demonstrar o desenvolvimento da curva completa tensão vs. extensão, a degradação mecânica da

rocha e a evolução da permeabilidade (ver Figura 2.21). Verifica-se que o desenvolvimento mais

acentuado de fracturas (associadas à degradação ou dano mecânico) ocorre após se atingir a tensão

máxima de pico. Além disso, a permeabilidade é significativamente mais elevada nas zonas da

amostra que correspondem à localização preferencial das referidas fracturas.

Figura 2.21 - Curva tensão vs. extensão axial, localização de fracturas (“zona degradada”) e

permeabilidade espacial para cada estágio de ensaio (a-h). Adaptado de Yuan & Harrison (2005) citados em

Hudson & Tang (2010)

45

3. AMOSTRAS, EQUIPAMENTOS E METODOLOGIA

No terceiro capítulo são descritos os materiais, os equipamentos e os detalhes de montagem

dos mesmos, e a metodologia utilizados nesta investigação experimental.

3.1. Amostras

A investigação laboratorial conduzida no âmbito deste trabalho baseou-se no recurso a um

único tipo de rochas. Tratam-se de calcários microbialitos do Jurássico superior (Oxfordiano),

apresentam aspecto folheado e integram a Formação de Cabaços. As amostras que serviram esta

pesquisa foram recolhidas nas imediações do afloramento rochoso desta formação, o qual intersecta

a Praia de Pedrogão (ver Figura 3.1), pertencente ao concelho e distrito de Leiria, Portugal.

Figura 3.1 - Localização do afloramento da Formação de Cabaços na Praia de Pedrógão (Leiria) onde

foram recolhidas as amostras de calcários microbialitos

Estas rochas (calcários microbialitos) foram sugeridas como “análogas” dos reservatórios

carbonatos do Pré-sal brasileiro (Bacia de Santos), ainda que existam outras tipologias de calcários

na região de Leiria que possam também ser consideradas “análogas” a esses mesmos reservatórios.

De ora avante, os calcários microbialitos utilizados nos ensaios experimentais serão,

simplificadamente, designados de “Pré-sal”.

Como já oportunamente referido, o interesse particular pelo estudo do Pré-sal brasileiro

prende-se com a sua importância enquanto rocha reservatório de uma das maiores reservas de

hidrocarbonetos descobertas a nível mundial, nos últimos anos. Deste modo, em Portugal, a

46

Formação de Cabaços vem apontada como uma das potenciais unidades geradoras de

hidrocarbonetos.

A Formação de Cabaços, apesar de amplamente conhecida na Bacia Lusitânica, surge em

afloramento de reduzida expressão espacial e vertical nesta região, localizando-se em zona afectada

por falhas e está inserida em mancha cartográfica que, na Folha 26-D e respectiva Notícia Explicativa

(Zbyszewski & Almeida, 1960), integra o conjunto globalmente atribuído às Formações de Montejunto

(Oxfordiano médio e superior) e de Alcobaça (Kimmeridgiano) (Azerêdo et al., 2010).

Os vários níveis que compõem o afloramento da Formação de Cabaços correspondem a

calcários argilo-detríticos (localmente brechóides), margas, arenitos e arenitos brechóides, todos em

geral ferruginosos. Os níveis calcários e margosos contêm carófitas e ostracodos, geralmente

abundantes, gastrópodes, bivalves e, no topo, Heteroporella lusitanica (Ramalho, 1970); a fauna de

ostracodos é típica de águas doces-salobras, como a maioria das espécies também identificadas

nesta Formação (Azerêdo et al., 2010).

Na Figura 3.2 é destacada, a diferentes escalas, a localização do estrato de Pré-sal no

afloramento da Formação de Cabaços na Praia de Pedrógão.

Figura 3.2 - Localização do estrato de rocha análoga ao Pré-sal brasilerio no afloramento da Formação de

Cabaços, a diferentes escalas

As amostras recolhidas, cerca de duas dezenas, consistiram em blocos de Pré-sal, de forma

irregular, que se encontravam desprendidos da correspondente rocha origem e cujas dimensões

médias rondavam 20 a 30 cm de diâmetro.

A preparação dos provetes, a partir das amostras recolhidas, realizou-se no Laboratório de

Geomecânica do Instituto Superior Técnico (LABGEOMEC), seguindo as normas da ISRM.

Os provetes foram cortados em forma cilíndrica, recorrendo a uma caroteadora, de modo que

os seus diâmetro e comprimento os possibilitassem de serem utilizados na célula triaxial dos ensaios.

Deste modo, obtiveram-se provetes com 40 mm de diâmetro e 84 mm de comprimento. Estas

dimensões garantiam um diâmetro e comprimento pelo menos 10 vezes superiores à dimensão do

maior grão da amostra e comprimento de onda, como estabelecem as normas.

Os topos foram cortados segundo planos paralelos entre si e perpendiculares ao eixo dos

provetes, tendo-se também procurado garantir a ausência de quaisquer irregularidades, de modo a

47

assegurar uma distribuição uniforme das cargas aplicadas. É igualmente relevante a colocação da

célula triaxial no centro do prato inferior do dispositivo de carregamento, pela mesma razão.

As amostras recolhidas foram observadas, em termos de imperfeições – nomeadamente veios

e descontinuidades –, para que se pudesse escolher a direcção de corte dos provetes. Esta

observação, bem como a realização de fotografias de todos os provetes, é também útil no auxílio à

interpretação de resultados nas fases posteriores.

É de notar a variabilidade geológica que pode existir entre rochas sedimentares carbonáticas

do mesmo tipo, mesmo quando pertencentes ao mesmo estrato. A origem, a intensidade e tempo de

actuação dos agentes de transporte, o ambiente de deposição e as alterações físico-químicas, que

afectam a composição, compactação e cimentação, bem como a posterior exposição aos agentes de

meteorização, podem variar bastante para o mesmo tipo de rocha, especialmente em camadas de

grande extensão longitudinal. É, portanto, expectável que se possa registar alguma variabilidade

entre as propriedades que são objecto deste estudo, já que são condicionadas pelos factores

supracitados.

Em particular, é de notar que as amostras utilizadas se encontravam fortemente sujeitas a

processos de meteorização física e química pelo facto de os blocos, já de dimensões relativamente

reduzidas, se encontrarem expostos a agentes como o sol, chuva, vento, acção dos seres vivos e

períodos de alternância entre emersão-imersão em água salgada do mar. De facto, nalguns casos,

houve dificuldade na carotagem das amostras devido ao estado de fracturação e alteração em que já

se encontravam.

Após a realização dos provetes, estes foram devidamente referenciados (através da letra P,

seguida de um número), de modo a que se pudesse estabelecer uma identificação unívoca dos

mesmos. Na Figura 3.3 apresenta-se um destes provetes, quer antes do ensaio, quer após a rotura,

sendo perceptível a heterogeneidade do mesmo.

Figura 3.3 - Ilustração de um corpo de prova após carotagem, já identificado (à esquerda) e corpo de

prova aberto após rotura (à direita)

48

3.2. Equipamentos

De entre os equipamentos utilizados nos ensaios destacam-se os seguintes: o sistema de

compressão triaxial, constituído pela célula triaxial convencional (ou célula de Hoek), dispositivo de

carregamento axial (prensa) e macaco hidráulico, o de medição e registo de extensões, o de

introdução de água pressurizada no interior da célula, e os de registo de velocidade de propagação

de ondas longitudinais e de emissões acústicas.

3.2.1. Célula triaxial

Na realização dos ensaios recorreu-se a uma célula triaxial convencional adaptada a provetes

cilíndricos. Este equipamento, daqui em diante designado simplesmente de célula triaxial, permite

aplicar estados tensionais em que duas das tensões principais são independentes e outras duas são

sempre iguais entre si, como por exemplo: ≠ = .

O conjunto geral da célula triaxial, como se apresenta na Figura 3.4 , compreende os seguintes

componentes básicos: corpo da célula (1), tampas (inferior e superior; 2), pistões de carga, com

extremidades do tipo esférico (3-5) e manga de vedação de borracha (ou, simplesmente, manga ou

camisa; 6). À excepção da camisa, todos os restantes componentes são feitos de aço inoxidável.

Figura 3.4 - Representação esquemática do conjunto geral de uma célula triaxial convencional (célula de

Hoek). Adaptado de: www.controls-group.com

A Figura 3.5 mostra os componentes básicos da célula triaxial utilizada nos ensaios (à

esquerda) e ilustra uma visão em perspectiva do respectivo conjunto geral (à direita).

49

Figura 3.5 - Componentes básicos da célula triaxial (à esquerda) e respectivo conjunto geral (à direita)

A célula triaxial utilizada destina-se a provetes de 42 mm de diâmetro máximo. Além dos

componentes acima enumerados, possui uma válvula que permite a purga de ar, a qual serve

também para a aplicação de pressões de confinamento por meio da entrada de óleo no interior da

célula, conseguida através de um macaco hidráulico. O macaco está acoplado a um manómetro

digital, de precisão 0,1 MPa, que permite efectuar leituras do valor da referida pressão de

confinamento.

A camisa serve para isolar o provete do óleo de confinamento, as tampas para fixarem a

camisa (impedindo, assim, a fuga de óleo sob pressão) e os pistões constituem o meio através do

qual os carregamentos provenientes da prensa são transmitidos ao corpo de prova.

Os pistões podem possuir um canal interior para entrada ou saída de fluidos, o que pode

interessar em ensaios com pressão neutra não nula e/ou de permeabilidade. Nesse caso, o fluido é

injectado num dos pistões (numa das faces do provete), por meio de uma mangueira que o liga ao

equipamento de injecção (sob pressão), e percola até ao pistão da face oposta, atravessando a

amostra. É a diferença de pressão entre as duas faces que promove o fluxo, já que a face oposta à

de injecção se encontra aberta à pressão atmosférica. Por outro lado, o corpo da célula possui um

orifício (oil inlet) para aplicação de uma pressão de confinamento.

A célula triaxial apresentada não se encontrava em condições de ser imediatamente utilizada.

O interesse em introduzir água sob pressão no interior da célula exigiu que se recorresse a um

material com propriedades vedantes. É de referir que este equipamento apenas permite efectuar

medições de permeabilidade na direcção axial. Por outro lado, devido a questões de disponibilidade

espacial no conjunto geral da célula para introduzir os dispositivos de medição de deformações

(extensómetros eléctricos), constatou-se a necessidade de realizar uns rasgos ao longo de todo o

comprimento do pistão superior.

Todas as actividades experimentais foram desenvolvidas no Laboratório de Geomecânica do

IST (LABGEOMEC).

50

3.2.2. Dispositivo de carregamento axial (Prensa)

Utilizou-se uma prensa ELE modelo Compact, com 1560 kN de capacidade de carga, que

permite a aplicação de carregamentos axiais. Pode, portanto, ser usada em ensaios de compressão

uniaxial ou de compressão triaxial desde que, neste último caso, se disponha também de uma célula

triaxial (já oportunamente descrita).

Este equipamento possibilita a determinação da resistência à compressão uniaxial do corpo de

prova (rocha ou argamassa), bem como do módulo de elasticidade E e coeficiente de Poisson .

Na Figura 3.6 apresenta-se a prensa utilizada e o pormenor da unidade de controlo de carga.

Figura 3.6 - Dispositivo de carregamento axial (à esquerda) e pormenor da respectiva unidade de controlo

(à direita). Fonte: ELE Digital

A prensa liga-se no interruptor 3 (on-off). O carregamento é feito através do controlo da

alavanca 1, mantendo o circuito do óleo fechado, girando-se para tal o manípulo 2 no sentido horário.

O descarregamento, por sua vez, é conseguido girando-se o manípulo no sentido contrário (anti-

horário).

A alavanca 1 pode ser colocada na posição “máximo” ou “mínimo”, consoante a velocidade de

carregamento pretendida seja maior ou menor, respectivamente. Em geral, na fase prévia de ajuste

da célula triaxial aos pratos da prensa, dada a ordem de grandeza dos deslocamentos (dos pratos)

pretendidos, recorre-se à posição “máximo”; posteriormente, na fase de realização do ensaio

propriamente dito, passa-se para a posição “mínimo”, já que os deslocamentos são muito inferiores

aos da fase precedente. Além do movimento entre as posições “máximo-mínimo”, a alavanca 1 é

dotada de movimento rotacional, para que se possa controlar com maior precisão a velocidade de

carregamento, especialmente durante o decorrer dos ensaios.

O anteriormente referido valor da velocidade de carregamento, pace (KN/s), é definido pela

ISRM, dependendo do diâmetro do provete, e pode ser visualizado (e alterado) no visor digital da

prensa. O visor apresenta ainda os valores de carga axial (kN) no decorrer dos ensaios, incluindo o

respectivo valor máximo registado, bem como a existência de desvios em relação à velocidade

programada, por meio de simbologia.

51

3.2.3. Sistema de medição e registo de extensões

As extensões resultantes da aplicação de carregamentos nos ensaios laboratoriais foram lidas

e registadas por um Model P3 Strain Indicator and Recorder recente e outro mais antigo (Figura 3.7).

Trata-se de um equipamento portátil, alimentado a bateria e destina-se ao uso extensómetros de

resistência eléctrica. Tem precisão de 1 με e aceita conexões do tipo full- half- and quarter-

Wheatstone bridge, tendo-se recorrido à última tipologia.

Figura 3.7 - Model P3 Strain Indicator and Recorder recente (à esquerda) e antigo (à direita)

Os extensómetros podem ser mecânicos, ópticos, acústicos ou eléctricos; por limitações

relacionadas com a utilização da célula triaxial, optou-se pelos eléctricos.

Os extensómetros de resistência eléctrica (ou simplesmente eléctricos) consistem numa grelha

(filamento) condutora extremamente sensível que é colada, embebida ou impressa numa pequena

porção de material isolante (papel ou plástico), de maneira a acompanhar as deformações deste

último (Figura 3.8).

Figura 3.8 - Representação esquemática da constituição geral de um extensómetro de resistência

eléctrica de comprimento lo. Fonte: Tokyosokki Ken Kyujo Co., Ltd

A medição de deformações é assim possível devido à alteração de geometria do filamento que

constitui o extensómetro, a qual se reflecte num aumento ou diminuição de resistência à passagem

de corrente eléctrica. Por sua vez, essa variação de resistência traduz-se num determinado valor de

52

deformação que é lido no equipamento anterior. A sensibilidade de um extensómetro à variação de

resistência eléctrica unitária, que depende do tipo de material que forma o filamento, é definida pelo

gage factor (GF).

É de referir, porém, que os extensómetros de resistência eléctrica são também sensíveis a

variações de temperatura. Para anular este indesejável efeito sobre as medições efectuadas,

recorrem-se a outros pares de extensómetros (de igual resistência e gage factor), designados por

compensadores.

Por fim, destaca-se a importância das configurações de pontes. São estas configurações, com

uma fonte de energia eléctrica e diferença de potencial conhecida, que permitem medir diferenciais

tão pequenos na resistência deste tipo de extensómetros.

3.2.4. Equipamento de injecção de água pressurizada

Recorreu-se a um equipamento de injecção de água pressurizada, a ELE Pressure Test 1700,

que serve para induzir fluxos de água através das amostras ensaiadas.

Trata-se de um sistema que permite injectar água, a pressão constante, até um valor máximo

de 1700 KPa.

A Figura 3.9 apresenta, respectivamente, um esquema representativo do equipamento e

Pressure Test 1700 utilizado.

O equipamento é ligado no botão on-off (5) e o controlo do valor de pressão de injecção de

água é feito através da rotação do manípulo (1). O equipamento possui um recipiente (capacidade de

1 L; 2) que é cheio com água desareada e o canal (9) serve de pressurizador dessa água através do

óleo introduzido previamente no orifício (7). A saída de água faz-se pelas válvulas (3). A partir da

válvula (8) é possível libertar as bolhas de ar aprisionadas no interior do recipiente e através da

válvula (6) faz-se a recarga com a água desareada.

Figura 3.9 - Esquema representativo da ELE Pressure Test 1700 (à esquerda) e respectivo equipamento

real utilizado (à direita). Fonte: ELE International 2005

53

3.2.5. Sistema de medição e registo do tempo de propagação de ondas longitudinais

A determinação do tempo de propagação das ondas sísmicas longitudinais ou do tipo P (ou

simplesmente ondas P) através de provetes de rocha fez-se recorrendo a um equipamento de ultra-

som (Ultrasonic Testing).

A partir dos valores dos tempos registados é possível calcular a respectiva velocidade de

propagação das ondas P, e ainda o módulo de elasticidade dinâmico dessas amostras.

O Ultrasonic Testing (Figura 3.10) é constituído por 2 transdutores piezoeléctricos, um emissor

e um receptor de ondas P, com frequência predominante em torno de 55 KHz. Estes transdutores são

ligados a uma central de registo do tempo compreendido entre a emissão e a recepção do sinal.

Para a execução do ensaio posiciona-se estavelmente cada um dos transdutores em faces

opostas (topos) do provete. De forma a garantir um contacto adequado, é previamente aplicado um

filme de vaselina entre esses dois materiais de natureza distinta, os transdutores e o provete.

Figura 3.10 - Esboço do equipamento utilizado: Ultrasonic Testing. Gama, 1998

Antes do início de cada ensaio é recomendável verificar se o equipamento se encontra

calibrado. Para tal lê-se o tempo de propagação das ondas P no provete padrão (referenciado com o

nº 1 na Figura 3.10). A calibração é conseguida rodando o parafuso de calibração (nº 8 na Figura

3.10), usando uma chave de fendas, até se atingir o valor 51 μs (valor padrão).

Os registos dos tempos de propagação das ondas P, lidos no visor digital do equipamento,

bem como das dimensões dos provetes, recorrendo a uma craveira, devem ser guardado para

cálculos futuros.

3.2.6. Sensores de emissões acústicas

O acompanhamento das emissões acústicas, originadas pela alteração do estado de tensão a

que um corpo está sujeito, permite observar, temporal e espacialmente, a evolução da fracturação

desde a escala microscópica até à de rotura macroscópica.

A monitorização das emissões acústicas neste estudo fez-se recorrendo a dois transdutores

piezocerâmicos (PZC), cada um deles ligado a um amplificador e um sistema de aquisição,

54

processamento e visualização dos dados recebidos, como é possível observar na Figura 3.11. Os

sensores (transdutores) são acoplados à superfície da amostra (ou da célula triaxial contendo a

amostra) e encaminham as ondas acústicas para o referido sistema de aquisição de dados, após

melhoramento do sinal nos amplificadores.

Figura 3.11 - Ilustração do dispositivo experimental utilizado no estudo das emissões acústicas

3.3. Metodologia

Os testes laboratoriais levados a cabo neste trabalho consistiram em sujeitar corpos de prova a

estados de tensão triaxiais variáveis e em medir, simultaneamente, as principais propriedades de

interesse na caracterização mecânica das rochas. Para a aplicação dos estados de tensão variáveis

recorreu-se a uma célula triaxial convencional (não verdadeira). Este equipamento permite aplicar

duas tensões principais independentes entre si.

De entre as propriedades de interesse para este trabalho, como já oportunamente enumeradas

em capítulo anteriores, destacam-se as seguintes: porosidade, permeabilidade, velocidade de

propagação de ondas sísmicas do tipo P, parâmetros de deformabilidade (E e ) e emissões

acústicas. A medição e registo destas propriedades foi possível graças ao acoplamento dos vários

equipamentos à referida célula triaxial.

Neste estudo, fez-se sempre variar (aumentando-a) a tensão vertical, mantendo constantes as

duas tensões principais horizontais, correspondentes à também designada pressão de confinamento.

O estudo experimental foi sempre conduzido sob o mesmo tipo (triaxial convencional) e programa de

ensaio. O programa de ensaio consistiu, para cada experiência, em aumentar a pressão de

confinamento até ao valor pretendido e em fixar a tensão axial também nesse valor, de modo a que

se iniciassem os ensaios em condições hidrostáticas de tensões, possibilitando a determinação dos

parâmetros de deformabilidade, tal como sugere a secção 2.4 – Ensaios Triaxiais.

À excepção das emissões acústicas, todas as restantes propriedades foram registadas

manualmente, a intervalos regulares de força axial da prensa de 2 kN. Este intervalo foi estabelecido

55

com base no valor da força de rotura do provete e no número recomendável de ensaios para a

traçagem das curvas tensão vs. deformação. A velocidade de carga (pace), segundo as normas da

ISRM e para o diâmetro (D) dos provetes em estudo, deve estar compreendida entre 0,5-1 MPa/s.

Ora, multiplicando o valor médio desse intervalo (0,75 MPa/s) pelo valor da secção transversal dos

provetes ( D²/4), obtém-se uma velocidade de carga de 0,6 kN/s (valor a introduzir através das

opções do visor da prensa utilizada).

Os primeiros ensaios realizados procuraram simplesmente permitir registos de permeabilidade

e deformações (axiais e transversais) e validar os equipamentos e metodologias de ensaio. O

sucesso destes primeiros ensaios não foi imediato, devido a diversos problemas que foram sendo

encontrados resultantes de limitações da célula triaxial e extensómetros itilizados. De facto, a célula

triaxial não foi concebida para que se pudessem introduzir fluxos de água sob pressão e efectuar

medições de permeabilidade. O primeiro problema encontrado foi precisamente o de vedar a célula

com um material que não permitisse a fuga da água injectada sob pressão dentro da célula, pelo que

se procurava simultaneamente um material resistente e não poroso. Por outro lado, importava

garantir que o material fosse de fácil aplicação e remoção (não definitivo), já que não se pretendia

realizar apenas um ensaio, mas um número que fosse representativo para o presente estudo.

Após algumas tentativas em solucionar as limitações acima descritas, recorrendo a materiais

que se revelaram ineficazes, passou a utilizar-se, sistematicamente, silicone. Foram usados dois tipos

de silicone: um de secagem normal e mais resistente, e um silicone de secagem rápida, que embora

menos resistente, permitia reduzir a duração dos “tempos-mortos”.

O segundo problema encontrado, embora não fosse sistemático como o anterior, estava

relacionado com os extensómetros. Para determinados valores de pressão de confinamento,

sobretudo para valores mais elevados, embora bastante variáveis dependendo do ensaio, os

extensómetros ficavam inoperacionais, não permitindo que fossem feitas leituras de extensões.

Pensou-se que os extensómetros que se estavam a utilizar pudessem não ser adequados às

dimensões do provete. Nesse sentido, testaram-se outros tipos de extensómetros eléctricos.

Contudo, apesar de se ter encontrado a tipologia de extensómetros que parecia melhor se ajustar aos

ensaios laboratoriais, em alguns casos o problema persistia.

Mais tarde, a percepção de que, em algumas ocasiões, ambos os pares de extensómetros

(axiais e transversais) perdiam a sua operacionalidade simultaneamente, levou a considerar-se a

hipótese de que poderia existir uma limitação no funcionamento do equipamento de registo das

extensões dos provetes. Assim, optou-se por recorrer a um segundo equipamento de registo, de

forma a que cada um desses dois equipamentos apenas efectuasse medições referentes a um dos

pares de extensómetros (ou os axiais ou os transversais).

Embora este último procedimento tivesse permitido resolver o referido problema na maioria dos

ensaios, pontualmente, o par de extensómetros transversais ou o par de axiais (especialmente este

último) perdia a sua funcionalidade no decorrer do ensaio. De modo a minimizar esta limitação,

decidiu-se começar a utilizar-se um par de extensómetros transversais, mas dois pares de

extensómetros axiais. A colocação de dois pares transversais, além dos referidos anteriormente, não

foi concretizada devido a limitações de tempo e complexidade de montagem que tal procedimento

56

requereria. De qualquer modo, esta solução final já permitiu obter resultados satisfatórios, pelo que se

manteve sempre esta última metodologia.

No decorrer dos primeiros ensaios, constatou-se também que os valores de pressão de

injecção de água (Pw) e pressão de confinamento (Pc) estavam limitados, inferior e superiormente,

pelo desempenho funcional de alguns materiais, nomeadamente do silicone e dos extensómetros.

Relativamente a Pw, estabeleceu-se um limite máximo com base no respectivo valor que

conduzia ao rompimento do silicone, levando à fuga da água injectada sob pressão e

consequentemente ao decréscimo da pressão neutra. O limite mínimo dependia do valor para o qual

deixava de verificar-se fluxo de água através do provete, impossibilitando a medição de

permeabilidades.

Em relação a Pc, o limite máximo foi estabelecido com base na funcionalidade dos

extensómetros e na existência de fluxo de água a atravessar a amostra. Ora, sendo que o aumento

de conduz ao fecho dos vazios das rochas, dificultando (ou mesmo impedindo) o fluxo de água e,

em alguns casos, a inoperacionalidade dos extensómetros, impôs-se um limite máximo. O limite

mímino para Pc estabeleceu-se a partir da verificação do respectivo valor para o qual se começava a

registar um fluxo de água anormalmente elevado, o que indiciava a forte probabilidade de passar a

existir um fluxo através da zona compreendida entre a camisa e o provete.

Constatou-se que os valores limites de Pw eram 50 e 100 KPa e de Pc, 1,0 e 2,5 MPa. É de

notar, porém, que o limite superior de Pw poderia ser aumentado se o tempo de secagem fosse

superior. Tendo em conta os objectivos propostos para o presente estudo e a disponibilidade de

tempo, optou por realizar-se sempre o mesmo programa de ensaios e as condições que são

apresentadas na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 - Resumo das condições de ensaio adoptadas

O número de ensaios a realizar diariamente foi estabelecido com base no tempo mínimo de

secagem do silicone.

Uma vez superadas as limitações dos equipamentos encontradas ao longo do trabalho

experimental e fixadas as condições de ensaio, estabeleceu-se uma metodologia final a seguir em

todos esses ensaios, a qual se encontra descrita nos parágrafos seguintes.

Todos os provetes foram obtidos por meio de carotagem de amostras de Pré-sal, colhidas na

Praia de Pedrogão (Leiria), de acordo com as normas estabelecidas pela ISRM. À medida que se

57

foram obtendo os provetes, procedeu-se à sua saturação em água desareada – o mesmo fluido

usado para fluxo durante as medições de permeabilidade –, por um período de pelo menos 24 horas.

Posteriormente, procede-se à colagem dos extensómetros eléctricos num dos provetes

previamente saturados, como se ilustra na Figura 3.12. O provete é revestido com fita isoladora (para

minimizar o contacto com a água no interior da célula triaxial) e se coloca no interior de uma camisa e

este último conjunto dentro da célula triaxial.

Figura 3.12 - Pormenor da disposição dos extensómetros eléctricos, dois axiais e um transversal, num

provete de ensaio

Após esta fase, aplica-se o silicone nas zona de contacto entre os pistões e o corpo da célula

(zona por onde se poderá dar a fuga de água pressurizada), como se ilustra na Figura 3.13,

aguardando-se algumas horas (dependendo do tipo de silicone) pela sua secagem. Findo o tempo de

secagem, coloca-se a célula triaxial na prensa hidráulica e ajusta-se, por meio da aplicação de uma

carga muito reduzida, os pratos metálicos desta última à célula, assegurando um alinhamento

adequado. Este procedimento garante também a estabilidade da célula durante as próximas

operações.

Figura 3.13 - Colocação de silicone na célula triaxial para vedar a saída de água pressurizada

De seguida, quando se liga o equipamento de registo de extensões, deve verificar-se se os

compensadores se encontram operacionais e que são também eles ligados a esse equipamento, e

que o tipo de ponte e gage factor se ajustam ao ensaio em questão.

58

Posteriormente, colocam-se os transdutores de medição do tempo de propagação das ondas

P, previamente calibrados, e de emissões acústicas devidamente posicionados sobre a superfície da

célula triaxial (ver Figura 3.14). Em concreto, relativamente às ondas acústicas, o emissor e o

receptor das ondas, na impossibilidade de os introduzir directamente em contacto com o provete

rochoso, tal como se fez neste estudo, devem ser instalados sobre os pistões da célula triaxial

segundo o mesmo eixo vertical, medindo e anotando-se a distância entre eles.

Figura 3.14 - Destaque da posição dos transdutores de ondas P, à esquerda, e posição dos transdutores

de emissões acústicas (a vermelho), entrada de óleo de confinamento (a amarelo) e de água (a azul), à direita

O passo seguinte consiste em encher de água desareada o interior da célula triaxial, ligando-

se, para tal a Pressure Test 1700 (com uma pressão mínima) à célula por meio de uma mangueira,

como se ilustra na Figura 3.14.

De seguida, aplica-se a pressão de confinamento pré-estabelecida (ver Figura 3.14),

recorrendo a um macaco hidráulico (óleo), mantendo a mangueira de entrada de água desacoplada à

célula, para que a pressão da água induzida por Pc possa dissipar-se sem danificar o silicone.

Posteriormente, aplica-se a tensão axial ( ) equivalente ao valor de Pc, de modo a iniciarem-se os

ensaios em condições hidrostáticas de tensões, como sugerem as especificações da secção 2.4. Por

fim, aplica-se a pressão de injecção de água Pw pré-definida. É de acautelar que tanto como Pw

devem ser aumentadas de forma muito gradual, de forma a evitar picos de sobrepressão que possam

romper o silicone, perdendo-se a função de vedante necessária à realização dos ensaios. Estas

conclusões foram estabelecidas com base em observações efectuadas ao longo dos primeiros

ensaios.

Os últimos passos consistem na ligação de uma outra mangueira, previamente acoplada a uma

bureta de elevada precisão, ao orifício do pistão oposto ao de injecção de água, e no accionamento

de todos os equipamentos de medição das propriedades de interesse.

59

A Figura 3.15 apresenta uma visão geral do conjunto de montagem dos equipamentos

utilizados nos ensaios experimentais.

Figura 3.15 - Visão geral do conjunto de montagem do ensaio

É importante referir que entre cada uma das etapas anteriormente descritas, se deve verificar a

resistência de todos os pares de extensómetros utilizados, dado que se tratam de materiais bastante

sensíveis e cuja inoperacionalidade inviabiliza a realização dos ensaios. Além disso, todos os

provetes devem ser fotografados antes e após a realização do ensaio, registando-se a presença de

eventuais anomalias ou outro tipo de aspectos relevantes (como, por exemplo, a direcção de

carotagem face à de deposição sedimentar) que possam ser observados e auxiliar numa futura

análise de resultados.

Após aguardar-se o tempo necessário ao estabelecimento de um regime estacionário de água

e à estabilização dos valores das extensões, o ensaio deve ser imediatamente iniciado.

Durante o ensaio, o qual é conduzido até à rotura macroscópica dos provetes, devem ser

efectuados registos dos seguintes parâmetros: força axial (kN), tempos (s), extensões, tempo de

propagação das ondas P (μs) e nível de água na bureta (ml). A partir destes registos é possível,

posteriormente, determinar todos os parâmetros de interesse.

Em particular, conhecendo as extensões (axiais e transversais) em função da força axial

aplicada, determinam-se os parâmetros elásticos (E e ν). Para efeitos de cálculo destes parâmetros

considerou-se o método da secante (ver secção 1.3.2.1), definindo-se os dois pontos necessários ao

uso do método correspondentes a 1/3 e 1/2 da tensão de rotura (domínio elástico). As tensões (σ)

são calculadas dividindo a força axial (F) pela secção transversal (A) das amostras (σ = F/A).

Também conhecendo o tempo de propagação das ondas P ( ), sabendo a distância entre o

emissor e receptor das referidas ondas ( ), a sua velocidade de propagação ( ) em cada um dos

diferentes materiais que atravessam (à excepção do meio em que se pretende determinar essa

velocidade) e o comprimento de cada um dos materiais por elas atravessados ( e ), é possível

calcular a velocidade de propagação das ondas P na amostra ensaiada recorrendo à equação

60

apresentada na secção 2.3.1.3. Dado que as ondas atravessam dois materiais de natureza diferente

(aço e rocha) e que apenas interessa determinar a velocidade de propagação no provete rochoso

( ), aquela equação pode apresentar-se como se segue:

Sendo:

No que respeita à medição da permeabilidade, dispondo da diferença de níveis de água na

bureta para um determinado intervalo de tempo de ensaio, calcula-se o fluxo ou caudal de água que

atravessa a amostra. Por sua vez, é possível determinar a permeabilidade k usando a equação

seguinte, que é derivada da Lei de Darcy oportunamente referida na secção 2.3.1.2:

Onde é o fluxo; , o comprimento da trajectória de fluxo (equivalente ao comprimento do

provete); , a viscosidade do fluido de circulação na amostra; Δ , a diferença de pressão entre as

extremidades da trajectória de fluxo (faces opostas do provete) e , a área da seção transversal do

provete.

É oportuno ressalvar que corresponde ao valor lido directamente no equipamento injector

de água sob pressão numa das extremidades do provete, uma vez que a extremidade oposta à de

entrada de água se encontra aberta para a atmosfera e, portanto, à pressão atmosférica.

61

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Este capítulo apresenta os resultados obtidos nos ensaios triaxiais convencionais realizados

com a rocha “análoga” ao Pré-sal brasileiro em Portugal, integrante da Formação de Cabaços (Leiria),

já oportunamente descrita. Os resultados correspondem à evolução das propriedades poroelásticas

dessa rocha durante a fase de carregamento (aumento de tensão axial), para diferentes pressões de

injecção de água e confinamento. As propriedades poroelásticas ou parâmetros estudados são os

seguintes: parâmetros de deformabilidade (módulo de Young e coeficiente de Poisson), velocidade de

propagação das ondas P, porosidade, permeabilidade e emissões acústicas.

Em seguida, é adoptada a convenção de que tensões compressivas e correspondentes

extensões (associadas a compressão) são positivas. As pressões de injecção de água e de

confinamento são designadas, respectivamente, por Pw e Pc (onde Pc ). As designações

“axial” e “transversal” referem-se a direcções de posicionamento da amostra na célula triaxial e não à

orientação das mesmas in situ. Por último, sempre que nada for dito em contrário, assume-se a

designação simplificada de “tensão” como sendo a tensão principal máxima σ (axial) no âmbito da

execução dos referidos ensaios triaxiais.

Seguindo sempre o mesmo programa de ensaios – o triaxial convencional – testaram-se 24

provetes, tendo sido utilizados 8 provetes para cada pressão de confinamento: Pc = 1 MPa, Pc = 1,5

MPa e Pc = 2,5 MPa. Para cada um destes três grupos de pressão de confinamento distinta,

adoptaram-se duas pressões de injecção de água (Pw = 50 kPa ou Pw = 100 kPa), o que perfez seis

condições de ensaio diferentes. Assim, a mesma condição de ensaio foi testada recorrendo a um

conjunto de 4 provetes.

É de ressalvar que para alguns provetes não são apresentados registos de todas as

propriedades de interesse para o estudo, devido à perda de operacionalidade dos respectivos

equipamentos de medição durante os ensaios ou por assumirem um comportamento que se afastava

consideravelmente dos demais ensaios realizados sob as mesmas condições, tendo sido

descartados. Por esta razão, de forma a aumentar a representatividade do estudo realizado,

executou-se uma nova série de ensaios com provetes provenientes das amostras restantes em

laboratório. Nesta fase, procurou repetir-se as condições de ensaio em que os resultados se

apresentavam mais díspares, para averiguar a eventual inviabilidade de alguns dos resultados

obtidos. A Tabela 4.1 permite visualizar em que condições, em termos de pressão de confinamento e

pressão neutra, foram testados todos os provetes utilizados nos ensaios laboratoriais cujos resultados

se consideraram válidos.

62

Tabela 4.1- Resumo das condições de ensaio adoptadas para cada provete validado

Pc (MPa) Pw (kPa) Provetes

1,0 50 P10, P13, P15, P16, P39

100 P14, P12, P33, P35, P36, P40

1,5 50 P20, P22, P24, P27

100 P23, P25, P26, P31, P37, P38

2,5 50 P17, P29, P30, P32

100 P7, P18, P19, P21

Efectuaram-se medições de porosidade dos provetes utilizados nos ensaios, e obtiveram-se

valores que variam entre 1,2 e 2,8 %.

4.1. Estudo da influência da pressão de confinamento e pressão de

injecção de água nas propriedades poroelásticas

Em primeiro lugar, procede-se à tentativa de análise simultânea de ambas as variáveis que

definiram as condições de cada ensaio realizado. Esta metodologia de análise de resultados reveste-

se de interesse, já que cada teste laboratorial foi realizado em condições definidas por um valor de

pressão de confinamento e outro de injecção de água.

Na Figura 4.1 apresentam-se os gráficos relativos ao estudo de cada propriedade, para as seis

condições ensaio distintas adoptadas. É de referir que para o estudo das emissões acústicas apenas

foi possível obter dois registos completos, já que o facto de se utilizar um dispositivo de carregamento

(prensa não rígida) que produzia vibrações cujas magnitudes interferiam com os registos daquela

propriedade, inviabilizou a realização de um estudo mais abrangente.

As deformações medidas para pressões de confinamento de 1,0, 1,5 e 2,5 MPa são

características daquelas ocorridas em regime frágil. Após se atingir a tensão axial máxima (situação

correspondente ao ponto de maior ordenada dos gráficos), ocorre rotura macroscópica por corte,

típica de amostras ensaiadas em regime frágil.

Em relação à Figura 4.1(a) observa-se que, de um modo geral, o aumento da pressão de

confinamento é acompanhado dum aumento da tensão máxima de pico (resistência à compressão

triaxial) e de uma diminuição da deformação transversal da amostra, sobretudo visível nas fases

finais do ensaio. Além disso, a taxa de deformação é superior (e também mais instável) para a menor

pressão de confinamento, Pc = 1,0 MPa. Por sua vez, o aumento da pressão de injecção de água

parece tender a aumentar não só a tensão de pico, como também a taxa de deformações (axiais e

transversais); exceptua-se o caso em que Pc = 1,5 MPa e Pc = 2,5 MPa, para a primeira e segunda

observações anteriores, respectivamente.

A Figura 4.1(b) mostra que o aumento da pressão de confinamento tende a conduzir a uma

diminuição da velocidade das ondas P; em particular, os maiores valores desta propriedade

63

(considerando todas as fases do ensaio) atingem-se para Pc = 1 MPa e os menores, para Pc = 2,5

MPa. Porém, esta observação apenas é válida para Pw = 100 kPa, não sendo possível observar

nenhuma tendência para Pw = 50 KPa. Outra observação díspare reside no comportamento final

destes gráficos: para Pc = 2,5 MPa, a velocidade das ondas P aumenta (ou mantém) e para Pc = 1

MPa, diminui. A análise da variável pressão de injecção de água não permite estabelecer uma

tendência clara entre esta e a velocidade das ondas P.

(a)

(b)

64

(c)

(d)

(e)

(e)

65

Figura 4.1- Tensão axial vs. (a) extensões (axiais e transversais), (b) velocidades das ondas P, (c)

redução de porosidade, (d) nível de água na bureta, (e) permeabilidade, (f) somatório de emissões acústicas, (g)

coeficiente de Poisson e (h) módulo de Young

(f)

(g)

(h)

66

Relativamente ao terceiro gráfico (Figura 4.1(c)) verifica-se que o aumento da primeira variável

(Pc), faz com que a dilatância se inicie mais precocemente (i.e. para menores percentagens da

tensão de pico) e que aumente o valor de porosidade (volume) final da amostra (exceptuando para o

gráfico relativo à condição definida por Pc = 1 MPa e Pw = 100 kPa, o qual manifesta um

comportamento anómalo, não tendo sido considerado nesta análise). Além disso, observou-se que o

único caso em que o volume incial não é recuperado (nem mesmo na fase de pré-rotura) é

correspondente a Pc = 2,5 MPa. No que se refere à segunda variável (Pw), o aumento desta parece

traduzir-se também num início de dilatância mais antecipado e numa diminuição do volume final da

amostra, especialmente para Pc = 1 MPa, tal como seria de esperar pelo andamento das respectivas

curvas tensão vs. extensão (axial e transversal).

Uma análise da Figura 4.1(d), em termos de pressão de confinamento, não permite traçar uma

tendência geral dos gráficos relativos a cada condição de ensaio, como se fez para alguns dos casos

anteriores. É apenas observável que a variação (aumento) do nível de água na bureta, durante a fase

inicial do ensaio, é mais significativa para Pc = 1 MPa; como consequência, na Figura 4.1(e) observa-

se que a permeabilidade inicial é superior para esta condição. Por outro lado, a descida do nível de

água, registada no final de alguns ensaios, é mais pronunciada para Pw = 100 kPa; em termos de

permeabilidade, para este valor de pressão de água, a permeabilidade inicial e a respectiva taxa de

redução ao longo do ensaio apresentam-se mais baixas, comparativamente com a situação

equivalente a Pw = 50 kPa.

Uma análise da Figura 4.1(f) evidencia que ambas as curvas tensão vs. somatório de emissões

acústicas apresentam um comportamento muito semelhante. Durante a fase compreendida entre o

ínicio do ensaio e cerca de dois terços da tensão máxima de pico ocorrem poucos eventos de

emissões acústicas; após esta fase, verifica-se um aumento acentuado da taxa de emissões

acústicas, a qual se mantém aproximadamente constante até à rotura macroscópica das amostras

(inclusive após rotura, como se pode observar numa das curvas).

Em seguida é apresentada uma discussão dos resultados obtidos, a qual será realizada em

duas fases diferentes: primeiramente, apenas considerando a pressão de confinamento como

variável (fixando a pressão de injecção de água) e, posteriormente, tomando apenas a pressão de

injecção de água como variável (fixando a pressão de confinamento).

Os resultados obtidos, quer para uma ou outra variável, de um modo geral são suportados pela

bibliografia disponível consultada.

A tensão de rotura, tal como se observa neste estudo, é proporcional à pressão de

confinamento pela generalidade das teorias de rotura, nomeadamente a de Mohr-Coulomb. Além

disso, para pressões de confinamento menores, a amostra assume maior liberdade para se deformar

na direcção transversal, mas também na axial, pelo que os resultados estão de acordo com o

expectável.

Em relação aos resultados obtidos para a velocidade de propagação das ondas P, acredita-se

que o aumento da pressão de confinamento ao traduzir-se num aumento da pressão neutra, conduz a

uma diminuição da área de contacto entre os grãos constituintes da rocha. Esta justificação serve

67

apenas para o caso em que Pw = 100 kPa, já que para Pw = 50 kPa foram obtidos resultados

diferentes.

A redução de porosidade depende da relação entre extensões (axiais e transversais),

aumentando com a diminuição da razão entre extensões transversais e axiais. Ora, observando-se

extensões transversais muito mais significativas para Pc = 1,0 MPa (para os mesmos valores de

extensões axiais), seria de esperar que o aumento de volume da amostra se iniciasse muito mais

precocemente que para as outras condições de maior pressão de confinamento, tal como se

observou nos resultados obtidos. Em particular, o volume final das amostras para condições de Pc =

2,5 MPa é significativamente menor que para Pc =1,5 MPa. A discussão de resultados considerada

para a porosidade pode ser estendida à análise do coeficiente de Poisson, uma vez que estas duas

propriedades dependem dos mesmo parâmetros, nomeadamente das extensões axiais e

transversais. De facto, é perfeitamente notável a semelhança de comportamento de ambos os

gráficos a que estas propriedade se referem. Em relação ao módulo de Young, dado que a taxa de

extensões axiais é sensivelmente constante ao longo de todo o ensaio, à excepção da fase final (pré-

rotura), esta propriedade apresenta valores concordantes com esse andamento descrito. Por último, é

de notar que na fase final de ensaio o coeficiente de Poisson tende a aumentar consideravelmente,

ao passo de que o módulo de Young apresenta o comportamento inverso (de um modo geral diminui

bruscamente). Esta tendência deve-se ao facto de nessa etapa de ensaio, as deformações

aumentarem marcadamente, mas com maior expressão para as deformações transversais.

Em relação à permeabilidade, a taxa de variação desta propriedade, bem como o respectivo

valor máximo, parece ser superior para pressões de confinamento menores. Segundo Holt (1990),

seria expectável que a redução de permeabilidade fosse superior para pressões de confinamento

mais elevadas. Contudo, esta comparação foi estabelecida a partir de arenitos de elevada porosidade

inicial e pressões de confinamento superiores em quase uma ordem de grandeza, pelo que se

considera que se mantém a validade dos resultados deste trabalho.

Pelo contrário, Bruno et al. (1991) e Morita et al. (1984) constataram que a aplicação de

tensões radiais (ou de confinamento) levavam à diminuição muito significativa da permeabilidade na

direcção axial, especialmente na fase inicial de ensaio. Tais observações servem de suporte às

efectudas no presente estudo, onde para pressões de confinamento maiores, a permeabilidade axial

no início do ensaio se mostrou mais reduzida que para pressões menores.

Na última fase do ensaio, a permeabilidade assume valores negativos. Estes valores surgem

como resultado da descida do nível de água na bureta utilizada para efeitos de cálculo dos valores

desta propriedade, como já referido. Assim, não foi possível percepcionar se nesta fase a

permeabilidade da rocha tenderia a diminuir ou a aumentar.

Sabe-se que o aumento da pressão neutra, que é proporcional à pressão de injecção de água

na amostra, conduz à diminuição das tensões efectivas, já que parte do carregamento passa a ser

suportado pela água, aliviando a “matriz” rochosa. Do mesmo modo, quer as deformações, quer a

tensão de pico são controladas pelas tensões efectivas e não pelas tensões totais (Fjaer et al., 2008).

Este fenómeno explica a razão pela qual a taxa de extensão transversal nas últimas etapas de ensaio

e a tensão de pico das amostras são superiores para a maior pressão de injecção de água, Pw = 100

68

kPa. Analogamente, vem justificado o facto de a redução de porosidade, que é determinada pela

relação entre extensões transversais e axiais, ser mais elevada para Pw = 50 kPa (na fase final do

ensaio).

Para a velocidade das ondas P, os resultados não podem ser justificados satisfatoriamente.

Acredita-se que o facto desta propriedade depender de vários parâmetros (densidade, módulo de

Young e coeficiente de Poisson) que se sabe que variam dependendo das condições de ensaio, pode

estar na origem das discrepâncias verificadas.

Pelo estudos de Al-Harthy et al., 1998b, a permeabilidade tende a aumentar com o aumento da

pressão neutra. Contudo, é de notar que a conclusão destes autores se baseou na análise de uma

rocha diferente (um arenito), provavelmente com uma porosidade muito superior, e para um intervalo

de pressões neutras superiores que não contemplam as adoptadas neste estudo. Como justificação

para o observável nos resultados obtidos neste trabalho, poder-se-á considerar que pressões de

água mais elevadas tenderão a gerar tipologias de escoamento que possam conduzir ao entupimento

de algumas das trajectórias de fluxo, diminuindo assim a permeabilidade. Além disso, é de salientar

que, segundo Crawford & Swart (1994), quanto mais heterogénea for a rocha, mais complexa e

imprevisível tende a ser a evolução da permeabilidade. Ora, sendo a rocha utilizada neste trabalho,

na maior parte dos casos, significativamente heterogénea, é expectável que se verifique algum

“desvio” na evolução desta propriedade com o aumento da tensão.

4.2. Estudo da relação entre propriedades poroelásticas

A última etapa da análise de resultados procura identificar, nos gráficos relativos a cada uma

das seis condições de ensaio adoptadas (ver Figura 4.1), as principais fases do comportamento

mecânico típico de uma rocha e, posteriormente, averiguar visualmente a existência de eventuais

relações entre as propriedades poroelásticas das amostras estudadas.

A curva típica de comportamento mecânico (curva tensão vs. extensão) de uma rocha, obtida a

partir de um ensaio de compressão uniaxial, bem como as correspondentes variações do módulo de

Young, coeficiente de Poisson e volume encontram-se representadas na Figura 4.2.

Figura 4.2 - Curva típica tensões vs. extensões num ensaio à compressão uniaxial e correspondentes

variações do módulo de Young, coeficiente de Poisson e volume. Rocha, 1985

69

Neste momento é de notar que os ensaios deste trabalho foram executados sob condições de

pressão de confinamento não nula, ao contrário do que sucede num ensaio de compressão uniaxial.

Por essa razão, ressalva-se desde já que poder-se-ão observar algumas diferenças entre os

resultados obtidos e os teoricamente expectáveis para ensaios naquelas condições (compressão

uniaxial).

Através de uma observação do conjunto de gráficos (de cada propriedade) para cada condição

de ensaio testada é possível, analogamente ao proposto por Rocha (1985), identificar quatro fases

que delimitam diferentes tipos de comportamento da amostra (também frequentemente designadas

por fases de Bieniawski). Cada uma destas fases corresponde a um intervalo de valores

característicos de tensão axial. A Tabela 4.2 apresenta os valores das propriedades estudadas em

função da tensão axial σ (MPa), com indicação (a cores distintas) das diferentes fases referidas.

Estes valores serviram de base para a obtenção dos gráficos ilustrados na anterior Figura 4.1.

Tabela 4.2 - Valores das propriedades poroelásticas em função da tensão axial σ (MPa) e fases de Bieniawski,

para cada condição de ensaio

70

Uma análise do diagrama tensão vs. extensão permite constatar que é durante a primeira fase

(Fase I) que se regista a menor taxa de variação da extensão transversal com o aumento de tensão;

contrariamente, a extensão axial mantém a taxa de crescimento análoga às das fases sucessivas. É

também nesta fase que as taxas de aumento de velocidade das ondas P e de redução de porosidade

da amostra são mais pronunciadas, e a permeabilidade assume o valor máximo.

A seguir, na Fase II, observa-se um trecho rectilíneo quer para as extensões axiais, quer para

as transversais. As taxas de aumento de velocidade das ondas P e redução de porosidade são

constantes com a tensão aplicada, embora sejam inferiores à da fase precedente. Os valores mais

elevados de permeabilidade atingem-se durante estas duas primeiras etapas.

Na fase seguinte (Fase III), o diagrama tensão vs. extensão mantém o andamento rectilíneo em

termos de extensões axiais, mas a taxa de crescimento das extensões transversais acentua-se,

sobretudo na fase final do trecho que lhe corresponde. A velocidade das ondas continua a aumentar

de forma constante, embora a uma taxa ligeiramente inferior à do trecho anterior. A porosidade

continua a diminuir, mas uma taxa progressivamente menor, até que, a partir da Fase III, se inverte

esta tendência; nesse momento, atinge-se o valor máximo de redução de porosidade, sendo essa

redução equivalente a 0,46 % do valor de porosidade inicial (antes do ensaio) em termos médios. No

final desta fase, a permeabilidade é praticamente nula, atingindo o valor mínimo.

No último trecho (Fase IV), ambas as extensões, transversais e axiais (sobretudo as primeiras),

passam a crescer mais rapidamente com o aumento do nível de tensão. A velocidade das ondas P

continua a aumentar até praticamente ao final do referido trecho, momento em que se inverte o

andamento, de tal modo que se passa a observar um ligeiro decréscimo de velocidade na iminência

da rotura, na maioria dos casos apresentados. Nesta fase, a porosidade vai aumentando

progressivamente, até que, também para aquele nível de tensão, se observa um aumento brusco do

volume da amostra; no final do ensaio (representado pelo último ponto dos gráficos), o volume final é

sempre, na generalidade, superior ao volume inicial (antes do início do ensaio), apesar da rocha

continuar comprimida.

71

Os resultados obtidos aparentam uma satisfatória concordância com o expectável. De seguida,

discutem-se estes resultados, procurando-se averiguar, simultaneamente, a eventual existência de

relações entre as propriedades estudadas.

Como consequência do fecho das microfracturas, seria à partida de esperar que o diagrama

tensão vs. extensão (axial e transversal) apresentasse um trecho inicial ligeiramente curvo. Porém,

esta tendência não foi observada no andamento das extensões axiais. O facto de se ter iniciado o

ensaio em condições hidrostáticas de tensões, o que teria conduzido ao fechamento prévio parcial

das microfracturas poderá justificar a ausência de curvatura em relação ao gráfico dessas extensões.

Ora, dado que a taxa de variação da extensão axial, nesta fase inicial, se mantém constante e a da

extensão transversal é a menor registada durante todo o ensaio, o valor do coeficiente de Poisson

sofre um incremento nesta mesma fase. De modo análogo, devido ao fecho das microfracturas, é

nesta fase que a redução de porosidade e aumento da velocidade de propagação das ondas são

mais significativos.

Na Fase II, observa-se uma andamento rectilíneo de ambas as curvas de extensão (axial e

transversal), pelo que se espera que o módulo de deformabilidade e coeficiente de Poisson sejam

constantes. A taxa de redução de porosidade continua a aumentar, ainda que a um ritmo mais lento

que no ínicio do ensaio; consequentemente, a velocidade de propagação das ondas sísmicas

também continua a aumentar, mas uma taxa inferior. A permeabilidade (ao depender da porosidade,

como sugere Fjaer et al. 2008), deverá também decrescer ao longo desta fase, à semelhança do que

se verificou nos resultados obtidos.

Na Fase III, caracterizada pelo início da microfracturação, observa-se um aumento progressivo

da taxa de crescimento das extensões transversais, ao passo de que as extensões axiais se mantém

constantes. Esta situação traduz-se num módulo de Young constante, mas num aumento progressivo

do coeficiente de Poisson, como se pôde observar. Como consequência do aumento da taxa de

crescimento das extensões transversais (em relação às axiais), vai-se registando uma redução de

porosidade sucessivamente menos pronunciada, até que, no final do trecho da terceira fase, o

volume se torna estacionário (podendo mesmo começar a aumentar, dependendo do nível de

extensão transversal atingido, tal como se verificou nos resultados deste trabalho). É,

consequentemente, nesta fase que se atinge o valor mínimo de porosidade. Ainda assim, à

semelhança das observações efectuadas nos estudo de Shangxian & Shangxu (2005) e Ostermier

(1993, 1996 e 2001), a redução relativa de permeabilidade é sempre mais significativa que a redução

de porosidade. Em particular, segundo Fjaer et al. (2008) a redução de porosidade,

independentemente da trajectória de tensões, é tipicamente inferior a 1 %; de facto, neste estudo,

não considerando o gráfico que apresentava um comportamento anómalo (referente às condições Pc

= 1,0 MPa e Pw = 100 kPa), verificou-se que a redução (máxima) de porosidade era de 0,8 %.

A fase final (Fase IV), é caracterizada pelo acentuar do volume fracturado, verificando-se um

aumento significativo dos valores das extensões axiais e tranversais, em especial destas últimas.

Assim, o volume da amostra vai aumentando, sendo o respectivo valor final superior ao incial (apesar

da amostra continuar comprimida). Este fenómeno de aumento de volume na vizinhança ou iminência

da rotura macroscópica é conhecido por dilatância, traduzindo-se frequentemente numa diminuição

72

da velocidade de propagação das ondas sísmicas, em virtude do elevado número de fracturas

desenvolvidas durante esta fase. O trecho desta fase termina quando se atinge o valor máximo de

tensão, momento em que se criam fracturas com dimensões da ordem de grandeza das dimensões

da amostra (fracturas macroscópicas).

Os resultados precedentes são, de um modo geral e analisando as diferentes fases como um

todo, satisfatoriamente suportados pelos estudos levados a cabo por diversos autores,

nomeadamente por Fortin et al. (2005). Estes autores observaram também, para pressões de

confinamento de 12 e 30 MPa, os seguintes aspectos no comportamento geral dos gráficos dos seus

trabalhos: grande relação entre a variação de porosidade e permeabilidade; aumento de velocidade

das ondas sísmicas e redução de porosidade mais significativos no início do ensaio, quando ocorre o

fechamento de microfracturas; apreciável aumento de volume da amostra após o início do fenómeno

de dilatância, que assinala a iminência de rotura (comportamento também sugerido por Ferfera et al.,

1997, para rochas de baixa porosidade incial) e; ocorrência de rotura por cisalhamento ou corte

(caracterizada por uma superfície de rotura que atravessa o provete). É apenas de ressalvar que,

segundo Fortin et al. (2005), seria de esperar que o início de redução da velocidade das ondas P se

desse para níveis de tensão mais baixos (mais afastados da tensão máxima de pico). No entanto, há

que notar que não só se tratam de rochas de natureza diferente, como também as condições de

ensaio, em particular as pressões de confinamento, são diferentes. Além disso, é de referir que os

trabalhos de Soares et al. (2002), sob calcários dúcteis e heterogéneos, também conduziram a

resultados semelhantes aos de Fortin et al. (2005), à excepção de se ter registado um significativo

decréscimo de permeabilidade na fase inicial, servindo estes mesmos resultados de suporte adicional

áqueles que foram obtidos neste estudo. As velocidades das ondas P, segundo a Lopes (2009),

tendem sempre a aumentar durante o carregamento hidrostático, sendo este aumento mais

pronunciado na fase inicial de ensaio. Contudo, a taxa de crescimento das ondas P, no estudo deste

autor, mostrou ser significativamente mais reduzida que a observável neste trabalho. O facto de os

estudo de Lopes (2009) se terem debruçado sobre rochas diferentes (de origem magmática) e sobre

um estado de tensões hidrostático, pode explicar as referidas diferenças. Relativamente à

permeabilidade, são vários os autores que se referem a uma diminuição dessa propriedade durante

os ensaios triaxiais, com excepção para a fase final, correspondente ao início da fracturação da rocha

(Heiland, 2003; Holt, 1990; Zhu & Wong, 1997; Azeemuddin et al., 1995; Ferfera et al., 1997).

73

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

5.1. Conclusão

O estudo conduzido nesta dissertação objectivou analisar de que forma as propriedades

poroelásticas das rochas, em particular uma rocha “armazém” de hidrocarbonetos em Portugal

(calcários microbialitos análogos ao Pré-sal brasileiro), podem ser influenciadas pela variação da

magnitude das tensões nela actuantes. Realizaram-se ensaios de compressão triaxial, recorrendo a

uma célula triaxial convencional, simulando diferentes condições de ensaio.

As actividades antrópicas envolvendo os maciços rochosos, no âmbito de diversas áreas da

Ciência e Engenharia, traduzem-se frequentemente em perturbações dos estados de tensão pré-

existentes. Estas perturbações podem conduzir a significativas deformações, frequentemente

irreversíveis (associadas ao dano mecânico), que por sua vez podem alterar em grande escala as

propriedades poroelásticas das rochas.

Com este trabalho percepcionou-se que a alteração das condições de ensaio, determinadas

por um valor de pressão de confinamento e de injecção de água, é relevante em estudos que

envolvam o conhecimento das propriedades das rochas. Além disso, independentemente das

condições de ensaio, observou-se a existência de uma relação evidente entre as diversas

propriedades tal como sugere a bibliografia consultada (Fjaer et al., 2008; Hudson & Tang, 2010;

Soares et al., 2002; entre outros)

Em relação ao estudo da primeira variável, a pressão de confinamento, verificou-se que as

taxas de deformações, em especial das transversais e sobretudo nas últimas fases de ensaio, eram

significativamente superiores para a pressão de confinamento mais baixa. Deste modo, é para este

valor de pressão de confinamento que se começa a verificar um aumento de volume (dilatância) mais

precocemente. A permeabilidade e a velocidades das ondas P mostraram-se, de um modo geral,

mais elevadas para menores valores da referida pressão; estas observações parecem ser justificadas

pelo facto de ocorrer uma redução do índice de vazios mais significativa, no caso da primeira

propriedade, e pela diminuição da pressão neutra e consequente aumento do contacto entre os grãos

constituintes da rocha, no caso da segunda. A tensão máxima de pico (ou resistência à compressão

triaxial) mostrou-se superior para maiores pressões de confinamento, tal como sugere, a título de

exemplo, a teoria de rotura de Mohr-Coulomb.

Os resultados obtidos no estudo da segunda variável, a pressão de injecção de água,

evidenciam a ocorrência de deformações (nas fases finais de ensaio) e tensões de pico ligeiramente

superiores para a pressão mais elevada (100 kPa). A pressão neutra, que é superior para pressões

de injecção de água maiores, conduz a uma redução das tensões efectivas (as quais controlam a

deformabilidade e resistência da rocha). O valor máximo de redução de porosidade e a velocidade de

propagação das ondas P são, de um modo geral, superiores para a pressão de água mais elevada.

Os resultados anteriores demonstram que uma vez que os maciços geológicos são sensíveis à

alteração dos estados de tensão, é relevante manter a pressão neutra, nessas formações, tão

próxima quanto possível do respectivo valor inicial. Uma solução prática, por exemplo, passa pela

74

injecção de fluidos (simultânea à extracção) nos referidos maciços, sendo essa uma prática

recorrente no âmbito da engenharia de reservatórios.

Apesar de ambas as variáveis estudadas poderem induzir variações significativas nas

propriedades poroelásticas das rochas, foi a variável “pressão de confinamento” que evidenciou mais

marcadamente essa situação.

Uma comparação entre as fases do comportamento das curvas apresentadas no subcapítulo

4.2 e a curva típica de comportamento mecânico à compressão uniaxial (e correspodentes variações

dos parâmetros de deformabilidade), revelam uma grande proximidade entre ambas, sendo

igualmente possível identificar fortes relações entre as propriedades estudadas. É na primeira fase

que se observa a menor taxa de extensões transversais e as maiores taxas de aumento da

velocidade das ondas P e de redução de porosidade, situações estas motivadas pelo fechamento das

microfracturas da rocha. Na segunda fase, o comportamento da rocha é elástico e as propriedades

variam menos significativamente com a tensão aplicada. A terceira fase é essencialmente

caracterizada pelo aumento da taxa de deformações transversais, o que se traduz na estagnação (ou

mesmo aumento) da porosidade. Na quarta fase, caracterizada pela propagação instável de

microfracturas, a rocha deforma-se a taxas superiores às das etapas precedentes, especialmente em

termos de deformações transversais; esta situação, sobretudo visível no final desta fase (iminência de

rotura) traduz-se no aumento de volume da amostra e diminuição da velocidade das ondas P.

Ainda que tenha sido possível estabelecer conclusões satisfatórias, considera-se que um maior

número de ensaios deverá ser realizado, a fim de clarificar, por exemplo, o andamento (ou valores) do

gráfico referente ao estudo da redução de porosidade para a condição definida por Pc = 1,0 MPa e

Pw = 100 kPa, já que o comportamento deste se apresentou fortemente alterado pela ocorrência de

registos aparentemente anómalos.

É importante notar, porém, que uma relação directa entre as propriedades das rochas e o

estado de tensão não é ainda conhecida, no sentido em que o efeito das tensões nessas

propriedades deverá depender de diversos factores, entre eles: mecânicos, petrofísicos e magnitude

e trajectória de tensões. Esta conclusão foi estabelecida através dos estudos realizados pelos vários

autores mencionados ao longo do texto desta dissertação, sendo muitos deles contraditórios. Na

realidade, os grãos que constituem a parte sólida das rochas podem manifestar comportamentos a

nível microscópico muito distintos, nomeadamente (Han & Dussealt, 2003): sofrer mudanças de

forma, no domínio elástico; girar, deslizar e rearranjar-se; sofrer fracturamento ou esmagamento,

associados à deformação plástica e; bloquear a garganta dos poros devido ao movimento de

partículas desalojadas por deformação de cisalhamento.

Contudo, é relevante notar que foi possível verificar que a maioria dos gráficos referentes às

propriedades estudadas apresentam um comportamento que é concordante com a generalidade dos

resultados obtidos pelos autores mencionados na bibliografia consultada (em particular, Fortin et al.,

2005; Soares et al. 2002; Holt, 1990; Hudson & Tang, 2010), nomeadamente os gráficos relativos à

redução de porosidade, permeabilidade e emissões acústicas. Assim, constata-se que o fenómeno

físico que serve de explicação dos resultados obtidos para pressões de confinamento mais elevadas

é igualmente válido para pressões mais baixas (como as adoptadas neste trabalho).

75

Neste estudo não foi possível, na maioria dos casos, percepcionar visualmente a orientação

das amostras no campo. No entanto, na análise do efeito de tensões nas propriedades poroelásticas

das rochas, esta informação é relevante na obtenção de resultados mais fiáveis e representativos,

pelo que, sempre que possível, deverá ser levada em consideração.

Em jeito de conclusão final, pode dizer-se que os conhecimentos provenientes de

investigações conduzidas no âmbito do estudo da influência de tensões nas propriedades das rochas

se encontram ainda numa fase insipiente, existindo ainda um campo muito vasto que deverá

continuar a ser explorado em linhas de investigação futuras.

5.2. Propostas para trabalhos futuros

As principais limitações encontradas no decorrer da presente investigação estão relacionadas

com a tipologia de célula triaxial utilizada. Deste modo, propõe-se que, futuramente, se realizem os

ensaios triaxiais laboratoriais recorrendo a uma célula como a que se encontra em fase de montagem

no LABGEOMEC, a qual apresenta as vantagens seguidamente enumeradas:

aumentar a magnitude das pressões de confinamento e pressões neutras;

dispor de um dispositivo de carregamento rígido e cujas vibrações produzidas durante o seu

funcionamento não afectem o registo das propriedades de interesse, nomeadamente das emissões

acústicas;

medir simultaneamente todas as propriedades estudadas, através de um sistema de leituras

automáticas, garantindo maior precisão nos registos efectuados.

Pretende-se com estas melhorias efectuar simulações e previsões mais realistas das condições

in situ em que se inserem as amostras testadas.

Por fim, propõe-se ainda que se estude mais detalhadamente as emissões acústicas, já que

esta propriedade está associada às diferentes fases do comportamento mecânico das rochas (Xinglin

Lei et al., 2004; Hudson & Tang, 2010), o que poderia permitir explicar mais satisfatoriamente a

variação das restantes propriedades estudadas. A nível de campo, o estudo das emissões acústicas

é relevante porque possibilita, por exemplo, avaliar o dano mecânico induzido pela produção de

hidrocarbonetos e prever a ocorrência de eventuais colapsos das formações geológicas.

76

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