Luciana Andrade Peixoto Silva

Caracterização do Comportamento Mecânico

do Carvão da Formação Rio Bonito, Camada

Barro Branco - SC

Dissertação de Mestrado

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio.

Orientador: Prof. Eurípedes do Amaral Vargas Jr. Co – Orientador: Dr. Erick Slis Raggio Santos

Rio de Janeiro Fevereiro de 2011

Luciana Andrade Peixoto Silva

Caracterização do Comportamento Mecânico

do Carvão da Formação Rio Bonito, Camada

Barro Branco – SC

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada

Prof. Eurípedes do Amaral Vargas Jr. Orientador

Departamento de Engenharia Civil – PUC-Rio

Dr. Erick Slis Raggio Santos Co-orientador

CENPES/Petrobras

Dr. Antônio Claudio Soares CENPES/Petrobras

Dra. Raquel Quadros Velloso Departamento de Engenharia Civil – PUC-Rio

Prof. José Eugenio Leal

Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico - PUC-Rio

Rio de Janeiro, 04 de Fevereiro de 2011

Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, da autora e do orientador.

Luciana Andrade Peixoto Silva

Graduou-se em Engenharia Civil pela Universidade Federal Fluminense em 2004. Ingressou no mestrado na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro – PUC-Rio em 2008, desenvolvendo dissertação na linha de pesquisa de Mecânica das Rochas.

Ficha Catalográfica

CDD 624

Silva, Luciana Andrade Peixoto

Caracterização do Comportamento Mecânico do Carvão da Formação Rio Bonito, camada Barro branco, SC/ Luciana Andrade Peixoto Silva; orientador: Eurípedes do Amaral Vargas Jr.; co-orientador: Erick Slis Raggio Santos. – 2011.

128 f: il. (color); 30,0 cm. Dissertação (mestrado)–Pontifícia Universidade

Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, 2011.

Inclui referências bibliográficas.

Engenharia Civil – Teses. 2. Carvão 3.

Caracterização Mecânica 4. Armazenamento Geológico de CO2 5. CCS I. Vargas Jr, Eurípedes do Amaral. II. Santos, Erick Slis Raggio. III. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. IV. Departamento de Engenharia Civil. V. Título.

A meu filho Felipe e minha sobrinha Lara: são eles os responsáveis pela minha constante renovação.

Agradecimentos

A Deus, causa primária de todas as coisas.

Aos meus pais Rachel e Renato e meu segundo pai João, pessoas essenciais em

minha formação moral e intelectual.

Ao meu filho Felipe, seus olhinhos me motivaram a seguir sempre em frente.

Tudo que faço é por você. Te amo!

A toda minha família, em especial a minha querida irmã Fabiana, minha sobrinha

Lara e meus enteados Bernardo, Gabriel e Luca, pelo apoio nesse período de

muitas renúncias.

Ao meu amado marido Pedro, pelo companheirismo e apoio, por ter me levantado

nos momentos difíceis e por ter vibrado comigo nos momentos de conquistas.

Sem dúvida não seria possível realizar esse sonho sem ele.

Ao admirável professor Franklin Antunes; nunca irei esquecer os ensinamentos

transmitidos por ele, tanto humanos quanto técnicos. Registro minha profunda

admiração pessoal e profissional por ele.

Ao meu orientador, professor Eurípedes do Amaral Vargas Jr., pela seriedade e

competência no exercício de sua profissão. Foram suas aulas de Mecânica das

Rochas as responsáveis pelo meu direcionamento na linha de pesquisa escolhida.

Ao meu co-orientador, Erick Slis Raggio Santos, pelos conhecimentos

transmitidos e pela confiança em meu trabalho; além de co-orientador, foi um

grande amigo.

Ao Antônio Cláudio, pessoa importantíssima na minha caminhada no CENPES:

seus conselhos e conhecimentos contribuíram muito nesse trabalho.

Aos meus amigos do Laboratório de Mecânica das Rochas do CENPES, Marcos

Dantas, Marcus Soares, Rafael e Rodrigo, pela ajuda nos ensaios e por acharem

um jeito de levantar meu ânimo nos momentos de desespero. Aprendi muito com

eles.

Ao Julio, pela difícil preparação das amostras de carvão; se não fosse sua

competência profissional, não haveria corpos de prova.

Aos meus amigos da PUC, em especial a Cristiane, Carla, Luis, David, Victor,

Silvestre e Danilo, pelo convívio e pelo aprendizado a mim proporcionado.

À professora e amiga Michele Casagrande, pela colaboração indispensável, pelo

exemplo e pelo incentivo.

A todos do laboratório de Estruturas e de Geotecnia da PUC, em especial ao meu

amigo Euclides.

A Patrícia Osterreicher, pelas conversas, desabafos, além do aprendizado a mim

proporcionado.

A Rita, pela paciência dispensada a todos os alunos, até mamadeira ela me ajudou

a fazer quando tive que levar o Felipe em dia de aula.

A Raquel Velloso que sempre esteve pronta para esclarecer minhas dúvidas a

contribuir no que fosse necessário.

A Débora Pilotto, sua contribuição e seu conhecimento em geologia foram muito

importantes na reta final do meu trabalho.

A professora Deane Roehl pela sua importante ajuda no momento que mais

precisei.

A todos do SIECESC, em especial a Cleber Gomes e Luciane Garavaglia pelo

acolhimento em Santa Catarina e por me proporcionarem o contato com a

Carbonífera Criciúma.

À Carbonífera Criciúma, que gentilmente cedeu amostras de carvão para o

desenvolvimento da pesquisa. Um agradecimento especial à geóloga Lisiane,

pelos esclarecimentos prestados sobre o carvão.

A todos os professores e funcionários do Departamento de Engenharia Civil da

PUC-Rio.

Ao CENPES pelas excelentes instalações cujo uso me foi permitido.

À CAPES e à PUC-Rio, pelo apoio financeiro.

A Helena Drummond, pela colaboração indispensável na apresentação do meu

trabalho.

Às minhas amigas de longa data que indiretamente me ajudaram muito nessa

jornada. São elas: Bruna, Alda, Débora, Nanda, Ana Helena e Flávia. A certeza de

não estar só nos fortalece!

Enfim, a todos que de certa forma contribuíram para que eu conseguisse alcançar

este grande objetivo que escolhi.

Resumo

Silva, Luciana Andrade Peixoto; Vargas, Eurípedes do Amaral; Santos, Erick Slis Raggio. Caracterização do Comportamento Mecânico do Carvão da Formação Rio Bonito, Camada Barro Branco - SC. Rio de Janeiro, 2011. 128p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

Os mecanismos envolvidos na produção de metano e no seqüestro de CO2

no carvão são complexos, tendo em vista grande quantidades de fatores

envolvidos no processo. O entendimento do comportamento mecânico do

carvão assim como a caracterização de sistema poroso é de fundamental

importância para o êxito de um projeto de explotação. Esse trabalho visou à

caracterização de amostras de carvão oriundas da camada Barro Branco. A fim

de caracterizar o sistema poroso do material, uma campanha de análises foi

programada como: microtomógrafo, microscopia eletrônica de varredura

(MEV), micropermiametria e porosimetria por injeção a mercúrio. Ensaios

mecânicos foram realizados visando à caracterização mecânica do material e a

validação de um modelo constitutivo. O carvão apresentou comportamentos

mecânicos de resistência e deformabilidade consistentes e com pouca

variabilidade, o que permitiu um ajuste confiável da envoltória de resistência

deMohr-Coulomb bem como o do modelo constitutivo elastoplástico de Lade-

Kim.

Palavras-chave

Carvão; Caracterização Mecânica; Armazenamento Geológico de CO2; CBM, ECBM.

Abstract

Silva, Luciana Andrade Peixoto; Vargas, Eurípedes do Amaral (advisor); Santos, Erick Slis Raggio (co-advisor). Characterization of the Mechanical Behavior of Coal Belonging to Rio Bonito Formation, SC. Rio de Janeiro, 2011. 128p. MSc. Dissertation - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

Mechanisms involved in geological storage of CO2 and eventual production

of methane are complex due to a number of different factors involved. One of

the important factors to be taken into account is the geomechanical behaviour

of coal, key to the success of the exploration as well as the characterization of

the pore structure of the material.Coal can be regarded as a sedimentary rock

possessing two perpendicular families of microfissures called cleats.This work

presents results of an experimental program aiming at the characterization of

the mechanical properties of coal from the Barro Branco formation. A

constitutive model (Lade-Kim´s model) was tested in order to check its validity

in the representation of the stress-strain-strength behaviour of the coal. Lade-

Kim´s model is well accepted for the representation of the mechanical

behaviour of soft rocks. Furthermore, in order to characterize the porous

structure of the material, a number of tests were performed such as: X Ray

Micro CT scan, scanning electron microscopy, minipermeameter determination

of permeability and mercury injection porosimetry.

Keywords

Coal; Mechanical Characterization; Geological CO2 sequestration; CBM; ECBM.

Sumário

1. Problema e Relevância da Pesquisa 16

1.1. Relevância da Pesquisa e Objetivos 18

1.2. Organização do Trabalho

18

2. Geologia 20

2.1. Carvão 20

2.2. Bacia do Paraná 22

2.2.1. Formação Rio Bonito 23

2.2.1.1. Camada Barro Branco

25

3. Carvão Mineral como Rocha Reservatório 26

3.1. Processos de Recuperação CBM/ECBM 26

3.2. Porosidade e Permeabilidade 28

3.3. Comportamento Mecânico 34

3.3.1. Carvão Mineral

39

4. Materiais e Métodos 44

4.1. Considerações Iniciais 44

4.2. Origem do Carvão Ensaiado 44

4.3. Caracterização Mineralógica 48

4.4. Estrutura Porosa do Carvão 49

4.4.1. Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) 49

4.4.1.1. Lâmina Delgada 50

4.4.1.2. Amostra Retangular de Seção Polida 50

4.4.2. Microtomógrafo 50

4.4.3. Porosimetria por Injeção a Mercúrio 50

4.4.4. Micropermeametria 52

4.5. Caracterização Mecânica 54

4.5.1. Preparação dos Corpos de prova 55

4.5.2. Tomografia 57

4.5.3. Equipamento 58

4.5.4. Ensaios Triaxiais 60

4.5.5. Ensaios Hidrostáticos 60

4.5.6. Ensaio de Compressão Uniaxial 62

4.5.7. Ensaio Brasileiro

62

5. Ensaios e Análises 63

5.1. Composição Mineralógica 63

5.2. Sistema de Fraturas 64

5.3. Tomografia e Microtomografia 69

5.4. Micropermeametria 71

5.5. Porosimetria por Injeção a Mercúrio 73

5.6. Ensaios de Compressão Triaxial 74

5.6.1. Ciclos de Carregamento e Descarregamento 79

5.6.2. Influência da Tensão Confinante 81

5.7. Ensaios Hidrostáticos 84

5.7.1. Ensaio Hidrostático Bulk 84

5.7.2. Ensaio Hidrostático com Ciclos de Descarga/Recarga 86

5.8. Critério de Ruptura de Mohr-Coulomb 92

5.9. Modelo Constitutivo Elasto-plástico de Lade-Kim

94

6. Conclusões 99

6.1. Sugestões para Futuros Trabalhos

101

7. Referências bibliográficas 103

Anexos 108

Apêndice A - Fotos dos Corpos de Prova 109

Apêndice B - Tomografia dos Corpos de Prova 114

Apêndice C - Resultados dos Ensaios Mecânicos 120

Lista de figuras

Figura 1 - Esquema ilustrando a formação do carvão, com mudanças nos parâmetros principais usados na determinação do rank 21Figura 2 - Localização da Bacia do Paraná na América do Sul, distribuição das jazidas de carvão no Rio Grande do Sul e Santa Catarina e Litoestratigrafia mostrando a formação Rio Bonito, de idade Permiana. 23Figura 3 - Perfil estratigráfico típico da formação Rio Bonito 24Figura 4 - Croqui esquemático da camada de carvão Barro Branco 25Figura 5 - Poço de produção de metano em projetos de CBM 27Figura 6 - Processo de recuperação avançada de Metano 28Figura 7 - Modelo do fluxo de metano mostrando a dessorção, difusão e fluxo de Darcy 29Figura 8 - Gás nos poros e fraturas, com as forças de van der Walls 30Figura 9 - Dupla porosidade no carvão 32Figura 10 - Permeabilidade versus tensão efetiva 34Figura 11 - Modos de falha típicos de um material friccional 35Figura 12 - Comportamento típico de um ensaio de compressão volumétrica em materiais friccionais

37

Figura 13 - Comportamento tensão vs. deformação típico para carregamento deviatórico

38

Figura 14 - Influência do tamanho dos corpos de prova em resultados dos ensaios uniaxiais

39

Figura 15 - Resultados de compressão uniaxial com materiais da camada de carvão Barro Branco

40

Figura 16 - Envoltória de resistência do carvão as camada Bonito presente na Mina Fontanella em Santa Catarina segundo o critério de Hoek-Brown

41

Figura 17 - Presença de silikensides 41Figura 18 - Variação do volume da matriz com o decréscimo da pressão de gás

42

Figura 19 - Visita à Mina de Verdinho localizada no município de mesmo nome da Carbonífera Criciúma

45

Figura 20 - Camada Barro Branco 46Figura 21 - Mapa de localização das amostras de Mineira II – Verdinho, Eixo SWI – CMT2

46

Figura 22 - Croqui referente à amostra 1 47Figura 23 - Croqui referente à amostra 2 47Figura 24 - Croqui referente à amostra 3 48

Figura 25 - Croqui referente à amostra 4 48Figura 26 - Fotos das amostras oriundas do bloco 1 51Figura 27 - Micropermeâmetro modelo Mineperm-100 53Figura 28 - Micropermeâmetro 53Figura 29 - Amostra utilizada para análise de permeabilidade nas seis arestas 54Figura 30 - Amostra referente ao bloco 3 de carvão 55Figura 31 - Fita adesiva para evitar a propagação de fissuras na amostra 56Figura 32 - Faceamento do corpo de prova 56Figura 33 - Esquema da célula triaxial utilizada 58Figura 34 - Foto do sistema de teste geomecânico MTS 815 59Figura 35 – Preparação dos extensômetros axial e lateral em corpo de prova 59Figura 36 - Protocolo de ensaio proposto para ensaio hidrostático cíclico com ensaio triaxial final 61Figura 37 - Protocolo de ensaio proposto para o ensaio hidrostático 62Figura 38 - Difratograma da amostra analisada do carvão 63Figura 39 - Em 1 caulinita; em 2 pirita 64Figura 40 - Fratura no CP 7 onde o corpo de prova quebrou 65Figura 41 - Calcita preenchendo a fratura do CP 7 66Figura 42 - MEV da seção polida da amostra de carvão. 67Figura 43 - MEV da seção polida. 67Figura 44 - MEV da seção polida 68Figura 45 - Fraturamento regular no carvão, geometria ortogonal dos cleats 68Figura 46 - Imagem obtida no MEV mostrando preenchimento dos cleats 69Figura 47 - Imagem tomográfica das amostras CP 5 em (a) e CP 7 em (b) 70Figura 48 - Imagem obtida através do microtomógrafo com amostra irregular do carvão 71Figura 49 - (a) Localização dos pontos A e E sobre o nódulo de pirita; (b) Pontos onde foram realizadas as leituras 71Figura 50 - Envoltórias de tensões plotadas no gráfico p x q 75Figura 51 - Distribuição do coeficiente de Poisson contra módulo de elasticidade 76Figura 52 – Curvas tensão-deformação do ensaio triaxial realizado no CP 4 77Figura 53 - Nódulos de pirita no CP 4 77Figura 54 - Tomografia realizada nos corpos de prova antes do ensaio

78

Figura 55 – Ensaio triaxial realizado no CP 2 com tensão confinante de 1 MPa

79

Figura 56 - Ensaio realizado no CP 4 com tensão confinante de 2,5 MPa 80Figura 57 - Ensaio realizado no CP 1 com tensão confinante de 14 MPa 80Figura 58 - Comportamento deformação volumétrica-deformação axial com ciclo de carga-descarga e recarga 81Figura 59 - (a) Curvas tensão-deformação axial; (b) curvas deformação volumétrica-deformação axial para o carvão 82Figura 60 - Superfície de ruptura do CP 3 com tensão confinante de 3 MPa 83Figura 61 - Superfície de ruptura do CP1 com tensão confinante de 14 MPa 84Figura 62 - Carta de ensaio hidrostático 85Figura 63 - Curvas de compressibilidade Bulk do carvão – amostra CP 12 85Figura 64 - Carta de ensaio hidrostático cíclico realizado - amostra CP 13 87Figura 65 - Curvas de compressibilidade Bulk do carvão – amostra CP 13 88Figura 66 - Trajetória de tensões passando pela curva de fechamento 89Figura 67 - Ensaios triaxiais com tensão confinante de 14 MPa, sendo um com efeito da compactação. 90Figura 68 - Método de Casagrande para obtenção da tensão de pré-adensamento 91Figura 69 - Curvas tensão-deformação dos ensaios com 14 MPa de tensão confinante 92Figura 70 - Envoltória de ruptura de acordo com o critério de Mohr-Coulomb 93Figura 71 - a) Plano de ruptura do CP 3 com tensão confinante de 5 MPa. (b) Plano de ruptura do CP 1 com tensão confinante de 14 MPa. 94Figura 72 - Curvas tensão-deformação – Tensão confinante de 5 MPa 95Figura 73 - Curvas tensão-deformação – Tensão confinante de 14 MPa 96Figura 74 - Curvas tensão-deformação – Tensão confinante de 20 MPa 96Figura 75 - Curvas tensão-deformação - Ensaio hidrostático cíclico 97Figura 76 - Superfícies de ruptura referentes aos modelos de Mohr-Coulom e Lade-Kim com superfície de fechamento em um ensaio hidrostático de 20 MPa 97Figura 77 - Representação gráfica da trajetória desviadora com σ3 = 14 MPa junto às envoltórias de Lade-Kim 98

Lista de tabelas

Tabela 1 - Ensaios realizados nos corpos de prova 54

Tabela 2 - Características dos corpos de prova preparados 57

Tabela 3 - Resultados do ensaio de micropermeametria 72

Tabela 4 - Resultado do ensaio de micropermeametria sobre a amostra retangular

72

Tabela 5 - Resultados obtidos no porosímetro de mercúrio 73

Tabela 6 - Parâmetros elásticos e de deformabilidade obtidos nos ensaios triaxiais

74

Tabela 7 - Resultados das deformações plásticas da amostra CP13 86

Tabela 8 - Parâmetros do modelo de Lade-Kim 94

16

1 Problema e Relevância da Pesquisa

A demanda por matéria-prima e energia é crescente na sociedade

contemporânea.

Neste cenário em expansão surge também a necessidade do aperfeiçoamento

do potencial da matriz energética mundial, aliado a inovações tecnológicas

ambientalmente sustentáveis.

O metano extraído de leitos de carvão é uma fonte cada vez mais

significativa de gás natural. Durante as últimas duas décadas, operadores nos

Estados Unidos têm com sucesso adaptado técnicas utilizadas em campos

petrolíferos na produção de metano em camadas profundas de carvão. Em 1996

foi atingida uma produção de 28 milhões de m3 a partir de 6.000 perfurações em

CBM (Coalbed Methane), representando 5% da produção total de gás natural nos

Estados Unidos. Na Europa, Ásia e Oceania o CBM também já é parte

significativa da matriz energética destes locais. (Gale & Freund, 2001)

Historicamente esse metano era considerado um fator de risco para a

segurança no processo de mineração do carvão e era ventilado para a atmosfera.

Recentemente, porém, as empresas começaram não só a capturar o metano

encontrado na mina de carvão como a recuperar o mesmo contido nas jazidas de

camada de carvão profundas.

Os leitos de carvão são considerados atraentes como reservatórios de gás,

tendo em vista que o carvão é capaz de armazenar de seis a sete vezes mais gás

em volume do que as rochas reservatório de gás convencional.

Os mecanismos de produção e armazenamento de gás em camadas de

carvão são diferentes comparados aos reservatórios convencionais. O carvão é

tanto a rocha geradora como a rocha reservatório de metano, em que a maioria do

gás é armazenada no estado adsorvido na superfície do carvão e em quantidades

menores, como gás livre no sistema de cleats. (Karacan, 1999)

17

Dentro de um contexto mundial de tendência ao aquecimento global

(causado pelas emissões de gases do efeito estufa – principalmente por meio da

queima de combustíveis fósseis), tecnologias limpas deverão ser desenvolvidas.

A aplicação dessas tecnologias deverá fazer parte do portfólio da indústria

carbonífera como:

Gaseificação in situ de carvão em jazidas não mineráveis;

Captura e armazenamento de CO2 em camadas de carvão;

Extração do metano;

Recuperação avançada de metano em camadas de carvão por meio

da injeção de CO2 (Enhanced Coal Bed Methane – ECBM)

Por se tratar de assuntos relativamente novos na indústria, diversas

instituições de pesquisa desenvolvem trabalhos nesta área.

No Brasil o CEPAC – Centro de Excelência e Pesquisa sobre

Armazenamento Geológico de CO2 em junho de 2009 iniciou um projeto-piloto de

recuperação de metano contido em camada de carvão e recuperação avançada de

metano, por meio da injeção de CO2 na camada de carvão. O projeto está situado

em Porto Batista (município de Triunfo/RS), na jazida de Charqueadas. Neste

local, o carvão se encontra a aproximadamente 320 metros de profundidade. O

primeiro poço já foi perfurado e caracterizado, e será utilizado para a injeção de

CO2 em um total estimado de 100 toneladas. Um segundo poço está sendo

perfurado, a uma distância de 20 metros do primeiro, e será utilizado para a

produção do metano. Este projeto é pioneiro na América Latina, e um dos poucos

no mundo visando avaliar o potencial de recuperação de metano do carvão e a

capacidade de armazenamento de CO2 neste meio (Cepac, 2010).

O sucesso nos projetos de CBM/ECBM depende de boa caracterização

geológica da camada de carvão. A caracterização geológica abrange os aspectos

relacionados às estimativas in situ de recursos de carvão e gás contido, aspectos

estruturais, hidrogeológicos, geomecânicos e petrográficos. Além dos fatores

acima mencionados, os critérios de seleção ainda incluem a relação rocha

capeadora com a profundidade de ocorrência das camadas de carvão, além do

estudo dos sistemas de cleat do carvão e sua relação com a permeabilidade e

transporte de CO2, água e gás contidos e/ou injetados nas camadas de carvão em

projetos de CBM/ECBM.

18

As rochas são materiais geralmente heterogêneos e de comportamento

mecânico bastante complexo. Dependendo do tipo de carregamento uma mesma

rocha pode se comportar plasticamente, exibindo deformação acentuada, ou

abruptamente, falhando mecanicamente e exibindo descontinuidades discretas.

Nessa abordagem, o presente trabalho busca contribuir para um melhor

entendimento do comportamento geomecânico do carvão como rocha

reservatório.

1.1.Relevância da Pesquisa e Objetivos

O tema proposto para este estudo foi escolhido levando-se em consideração

a demanda da indústria carbonífera no sul do país por empregar novas tecnologias

para exploração do carvão, além da demanda de diversos setores da indústria de

petróleo no que diz respeito ao sequestro geológico de CO2, visando avaliar o

potencial nas camadas de carvão do Brasil..

Este trabalho tem como objetivo principal estudar o comportamento

mecânico do carvão. Buscam-se evidências experimentais para um melhor

entendimento dos mecanismos que regem o comportamento do mesmo.

Para alcançar este objetivo foram traçadas as seguintes atividades:

Analisar o comportamento do carvão em termos de tensão-

deformação-resistência para diferentes tensões confinantes, como

também o comportamento ao longo de ciclos de carregamento e

descarregamento;

Com os resultados de resistência dos ensaios, ajustar envoltórias de

resistência de acordo com o critério de Mohr-Coulomb;

Validar um modelo constitutivo que represente o carvão

Caracterizar o sistema poroso do carvão.

1.2. Organização do Trabalho

A presente pesquisa foi executada em cinco etapas, a seguir descritas: (1)

identificação do problema e objetivos da pesquisa; (2) revisão da literatura

existente sobre o assunto; (3) planejamento e execução do programa experimental

de laboratório; (4) análise e discussão dos resultados e (5) redação final.

19

A primeira etapa consistiu na discussão relacionada ao comportamento do

carvão, tendo em vista o pouco conhecimento dos envolvidos diante desse

material. Uma visita à mina subterrânea de Verdinho em Santa Catarina,

pertencente à Mineradora Criciúma S/A, foi feita para melhor compreensão da

rocha. A partir daí delineou-se o projeto de pesquisa.

A segunda etapa consistiu na revisão da literatura existente, nacional e

internacional, a respeito do tema deste trabalho, priorizando trabalhos científicos

que pudessem fornecer subsídios para o desenvolvimento do programa

experimental adequado à pesquisa proposta. Tal revisão é apresentada no capítulo

2.

Na terceira etapa, presente no capítulo 4, é apresentada a descrição do

programa experimental, com a apresentação dos métodos utilizados, dos materiais

utilizados na pesquisa e os detalhes a cerca da preparação dos corpos de prova.

No capítulo 5 são apresentados os resultados obtidos e feitas as análises e

discussões referentes aos ensaios de laboratório e aos modelos utilizados,

buscando uma melhor compreensão do comportamento mecânico do carvão como

rocha reservatório de gás.

A síntese de todo conhecimento adquirido é apresentada no capítulo 6, onde

estão dispostas as principais informações coletadas durante as etapas anteriores,

apresentando-se as conclusões do trabalho e sugestões para as próximas pesquisas.

2 Geologia

2.1. Carvão

O carvão é uma rocha sedimentar combustível contendo mais que 50% em

peso e mais que 70% em volume de material orgânico, tendo sofrido soterramento

e compactação de uma massa vegetal em ambiente anaeróbio, em bacias

originalmente pouco profundas, possuindo altos teores de carbono e diminuição

dos teores de oxigênio e hidrogênio nas sucessivas etapas do processo de

carbonificação, processo natural da transformação do carvão.

Para se iniciar a formação do carvão são necessárias várias condições

conjugadas:

Desenvolvimento de uma vegetação continental que permita o acúmulo de

substância vegetal;

Condições de proteção contra decomposição total, fato que ocorre quando

houver cobertura imediata pela água;

Após o acúmulo subaquoso deve ocorrer o soterramento contínuo e

prolongado por sedimentos.

Outro fator geológico de grande importância na formação de grandes jazidas

de carvão é a instabilidade tectônica, ocasionando repetidas vezes as condições

para a formação das turfeiras. No Brasil, esse processo não é favorável, uma vez

que, localizado em uma zona de pouca atividade tectônica, a espessura de nossas

jazidas é em geral pequena.

O principal constituinte do carvão é a celulose (C6H10O) e dependendo das

condições de pressão e temperatura, e do tempo de sua atuação, sua transformação

pode gerar, progressivamente, turfa, linhito, carvão (também chamado de carvão

betuminoso) ou antracito, de acordo com o grau de maturação ou carbonificação.

21

Figura 1– Esquema ilustrando a formação do carvão, com mudanças nos parâmetros principais usados na determinação do rank; M.V> - matéria volátil, R – reflectância da vitrinita e PC – poder calorífico (Levandowski, 2009)

O carvão é constituído por matéria mineral e macerais, sendo os macerais

responsáveis pela aparência lamelar do carvão. (Muller et al., 1987 apud Weiss,

2003). Os macerais podem ser classificados em três grupos: vitrinita, liptinita e

inertinita. Segundo Correia da Silva (1990) os carvões brasileiros são ricos em

matéria mineral e apresentam grandes quantidades de tecidos oxidados de plantas,

que são os macerais do grupo da inertinita.

No que se refere à matéria mineral, os constituintes mais comuns são os

minerais de argila, carbonatos, sulfetos e quartzo (Muller et al., 1987 apud Weiss,

2003).

O rank ou grau de carbonificação refere-se ao grau de maturação do carvão.

O carvão varia o rank de sub-betuminoso A a betuminoso alto volátil A, da

mina de Candiota a sudoeste, no Rio Grande do Sul, até o nordeste da jazida Sul-

Catarinense, em Santa Catarina, de acordo com a classificação ASTM (American

Society for Testing and Materials) D 388. Nos jazimentos carboníferos

22

conhecidos no Brasil, a matéria carbonosa é encontrada desde a fase de linhito até

o antracito. O linhito tem suas ocorrências mais importantes localizadas no setor

ocidental do Estado do Amazonas e na Bacia do Jatobá em Pernambuco. Já as

reservas de carvão betuminoso e sub-betuminosos estão distribuídas pelo extremo

sul do País, na região leste da Bacia do Paraná, distribuídas pelos Estados do

Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul.

2.2. Bacia do Paraná

Os depósitos de carvão de Santa Catarina localizam-se na porção sudeste da

Bacia do Paraná, uma grande bacia sedimentar gonduânica intratectônica que se

estende do centro ao sul do Brasil, incluindo parte do Uruguai e Argentina (Fig. 2)

(Silva et al., 2000).

A bacia do Paraná é uma bacia intracratônica preenchida por rochas

sedimentares e vulcânicas, com desenvolvimento entre o Ordoviciano e o

Cretáceo.

Suas camadas geralmente se encontram horizontalizadas, mas ocorrem

variações locais importantes devido ao basculamento de blocos junto a

falhamentos. As falhas que afetam essas rochas são predominantemente de

gravidade, com feições que obedecem a dois padrões principais: NE-SW e NW-

SE; com menor freqüência, ocorre padrão E-W (Silva et al., 2000).

A Bacia do Paraná é caracterizada da base para o topo por três grupos

pertencentes ao período Permiano: Grupo Itararé (Formação Rio do Sul), grupo

Guatá (Formações Rio Bonito e Palermo) e Passa Dois (formações Irati, Serra

Alta, Teresina e Rio do Rasto). O Grupo São Bento (formações Botucatu e Serra

Geral) representa o período Jurássico e Cretáceo da Era Mesozóica.

As camadas de carvão de Santa Catarina, objeto do presente trabalho,

localizam-se na Formação Rio Bonito pertencente ao Grupo Guatá.

23

Figura 2 – Localização da Bacia do Paraná na América do Sul, distribuição das jazidas de carvão no Rio Grande do Sul e Santa Catarina e Litoestratigrafia mostrando a formação Rio Bonito, de idade Permiana. (Kalkreuth et al., 2003 apud Levandowski, 2009)

2.2.1 Formação Rio Bonito

Segundo Silva (2000) a Formação Rio Bonito é dividida em três unidades

litoestratigráficas, da base ao topo: Membros Triunfo, Paraguaçu e Siderópolis.

O Membro Triunfo (Rio Bonito inferior) é constituído essencialmente por

arenitos e conglomerados cinza-claros a esbranquiçados. Ocorrem localmente

conglomerados constituídos de areia grossa, grânulos e seixos de composição

variada (quartzo, folhelho, argilito e siltito). O Membro Triunfo é interpretado

como formado em um ambiente flúvio-deltaico, devido às suas características

litológicas e sedimentares.

O Membro Paraguaçu (Rio Bonito Médio) é formado principalmente por

siltitos e folhelhos cinza-médio a esverdeados. Sua sedimentação ocorreu em um

ambiente marinho de plataforma rasa, de caráter transgressivo sobre os

sedimentos flúvio-deltaicos do membro.

O Membro Siderópolis (Rio Bonito Superior) é formado por arenitos com

intercalações de siltito cinza, siltitos carbonosos e leitos e camadas de carvão. Os

carvões têm gênese ligada ora a extensos mangues (camada Bonito), ora a

depósitos de transbordamento (Camada Irapuá, Camadas “A” e “B”), ora a

extensos pantanais (Camadas Barro Branco e Ponte Alta). Os depósitos de carvão

24

contínuos são relacionados aos pantanais e mangues, e depósitos cuja gênese se

ligaria a depósitos de transbordamento. Segundo Caye et al. (1975) o principal

responsável pela formação das turfeiras seria o afundamento contínuo durante os

depósitos que provocava fases de estagnação com formação de baixios ricos em

restos vegetais. Na camada Barro Branco, a turfeira instalou-se sobre depósitos

distributários deltaicos superiores, formando extensa área de pantanal, e na

camada Bonito a turfeira instalou-se diretamente sobre uma planície de fácies

marinha regressiva. (Zingano, 2002)

Figura 3: Perfil estratigráfico típico da formação Rio Bonito (modificado Caye et al., 1975 apud Zingano, 2002)

25

2.2.1.1 Camada Barro Branco

A camada Barro Branco sempre foi a mais importante camada de carvão

ocorrente em Santa Catarina, apesar da lavra da camada Bonito também

apresentar volume expressivo no total extraído no estado.

A camada de carvão Barro Branco é constituída por um leito superior de

carvão denominado forro, seguido pela intercalação de delgados leitos de carvão,

siltito e raramente arenitos finos, cujo conjunto é nomeado como quadração. Em

seguida a porção inferior constituída essencialmente por carvão é denominada de

banco.

Figura 4: Croqui esquemático da camada de carvão Barro Branco

3. Carvão Mineral como Rocha Reservatório

No decorrer deste capítulo será apresentada uma revisão da literatura sobre

as propriedades geomecânicas do carvão.

Inicialmente serão expostos conceitos básicos sobre a técnica de

recuperação de metano (CBM) e recuperação avançada de metano (ECBM) em

camadas de carvão. Após, serão apresentadas características do carvão que

influenciam diretamente o desempenho do reservatório.

Na sequência, uma revisão a respeito das propriedades geomecânicas. Com

base na literatura internacional e nacional procurou-se abranger todas as

informações disponíveis até o momento sobre o assunto em questão.

3.1. Processos de Recuperação CBM/ECBM

O metano encontra-se tanto adsorvido na matriz do carvão quanto disperso

em seus poros e foi gerado durante seu processo de formação. O reservatório de

metano em camadas de carvão pode ter uma quantidade de gás cinco vezes

superior à de uma rocha reservatório convencional de mesma porosidade devido à

parcela armazenada por adsorção (Gale & Freund, 2001 apud Heemann et al.,

2009).

O CH4 é recuperado convencionalmente por despressurização do

reservatório (Fig. 1) e sua recuperação avançada (ECBM) consiste na injeção de

N2 ou CO2 (Heemann et al., 2009). Tais técnicas são capazes de recuperar 90% ou

mais do gás existente nas camadas de carvão, enquanto a CBM recupera

tipicamente 50% (Galé & Freund, 2001).

27

Figura 5 - Poço de produção de metano em projetos de CBM

A injeção de N2 tem como objetivo diminuir a pressão parcial do metano

para promover a dessorção deste carvão, aumentando rapidamente a taxa de

produção de metano. O avanço de N2 no poço de produção ocorre rapidamente;

quando a presença de N2 no gás produzido atinge um valor excessivo (± 50%), a

injeção deve ser interrompida (Gale & Freund, 2001 apud Hermann et al., 2009).

No que tange à injeção de CO2 (Fig. 2), este é injetado preferencialmente na

camada de carvão portadora de CH4. Esse processo de adsorção de CO2 promove

a dessorção do metano que pode ser recuperado na forma de gás livre na razão

aproximada de 2 mol de CO2 para cada mol de metano (Hermann et al., 2009).

Devido à baixa permeabilidade do reservatório, um número grande de poços

se faz necessário a fim de alcançar uma produção de gás significativa.

28

Figura 6 - Processo de recuperação avançada de metano (Cepac, 2010)

3.2. Porosidade e Permeabilidade

A fração do volume da rocha ocupada pelos poros, também denominada de

volume poroso, é definida pela relação

Onde Vp é o volume do espaço poroso e V o volume total aparente da

rocha.

Quando os poros da rocha são interconectados torna-se possível o fluxo de

fluidos no meio poroso e a rocha é dita permeável. Quando a rocha não apresenta

volume poroso ou apresenta poros isolados é dita impermeável. Darcy definiu

uma grandeza que mensura o grau de permeabilidade de pacotes de areia quando

submetidos ao fluxo de água que hoje evoluiu para o conceito de permeabilidade

de solos e rochas.

A permeabilidade depende, entre outros aspectos, da geometria dos

condutos formados pelos poros interconectados. Poros mais fechados tendem a

oferecer maior resistência ao fluxo de fluidos, assim como estrangulamentos

conhecidos por "garganta de poros". Quando um solo ou rocha é submetido a

29

esforços compressivos e exibe deformações, o volume do arcabouço do material

(volume aparente) se reduz. Como o arcabouço é mais compressível que os grãos

da rocha em si, é natural que haja redução do volume poroso do material e

conseqüente constrição da geometria dos poros, conduzindo a uma redução da

permeabilidade. (Santos, 2009)

A terminologia do processo de CBM utiliza o termo permeabilidade em dois

sentidos diferentes, porém relacionados entre si. Em um deles, o termo é utilizado

para descrever a migração de gás através da matriz orgânica do carvão. Por

analogia, esse transporte seria similar à difusão de um gás em polímeros porosos.

Neste caso a permeabilidade pode ser denominada uma permeabilidade intrínseca,

que é dependente da natureza da matéria orgânica do carvão. No segundo sentido,

o termo permeabilidade é utilizado para descrever o transporte de gases na

camada de carvão através de sistemas de fraturas (naturais ou induzidas). Ambos

os processos são importantes para a produção e armazenamento de gás, porém as

leis que governam os dois processos são diferentes. (White et al., 2004) Modelos

atuais indicam que o metano adsorvido após a dessorção na fase gasosa deve se

difundir através da estrutura dos microporos na matriz de carvão até alcançar as

fraturas, seguindo o fluxo de Darcy (Fig. 3) (Gamson et al., 1996).

Figura 7 – Modelo do fluxo de metano mostrando a dessorção, difusão e fluxo de Darcy (modificado de Gamson et al., 1996)

A permeabilidade é um atributo fundamental na análise de produção de

metano e armazenamento de CO2 nos reservatórios de carvão. O gás é

armazenado nesses reservatórios por adsorção, que provoca alterações no

comportamento desse material afetando diretamente a permeabilidade do carvão.

30

Quando o gás é dessorvido, a matriz do carvão sofre uma diminuição de volume.

Por outro lado, a matriz sofre inchamento no processo de adsorção. Esse

fenômeno tem um considerável impacto na permeabilidade do reservatório, uma

vez que afeta a abertura ou fechamento das fraturas do material. (Lu & Connell,

2010).

Outro processo que afeta a permeabilidade do carvão é o aumento da tensão

efetiva no reservatório na fase de produção primária de metano, que diminui a

permeabilidade do reservatório devido à compressão das fraturas (Palmer &

Mansoori, 1998).

A adsorção física envolve atrações intermoleculares fracas devido à força

eletrostática e de Van der Waals (Van Krevelen, 1993 apud Taske, 2000).

Figura 8 - Gás nos poros e fraturas, com as forças de van der Walls (modificado de Butland, 2006) O carvão é caracterizado como tendo dupla porosidade: macroporos,

conhecidos como cleats circundando a matriz com microporos (Gamson et al.,

1996). Embora grande parte do gás adsorvido no carvão esteja nos microporos, a

permeabilidade nesse local é muito baixa (Gray, 1987). Porém, segundo Chalmers

e Bustin (2007), quanto mais microporosidade tiver o carvão, maior a área

superficial e, portanto, maior a capacidade de armazenamento.

O fluxo principal dos gases é determinado por propriedades dos cleats. Os

cleats são pequenas fraturas formadas durante o processo de carbonificação.

31

Existem dois tipos de cleats no carvão, os chamados face cleats e os butt cleats.

Geralmente os face cleats são contínuos por todo reservatório enquanto os butt

cleats são descontínuos, terminando na interseção com o face cleat. (Harpalani et

al., 1997). O estudo das propriedades dos cleats – como tamanho, espaçamento,

conexão, abertura, preenchimento mineral e padrão de orientação – é essencial

para o êxito na exploração e produção do reservatório (Heemann et al., 2009). Em

estudo recente (Karacan et al., 1999) mostrou-se que a maioria dos macroporos e

fraturas, mesmo preenchidos por minerais, são mais permeáveis ao fluxo de gás

que a matriz do carvão e constituem a trajetória preferencial de escoamento do

mesmo.

Outro fator importante que afeta a porosidade no carvão é a composição

macerálica. Karacan & Mitchel (2003) observaram que a densidade da argila e da

inertinita aumentam com a adsorção de CO2, enquanto a densidade da vitrinita

diminui, sugerindo ser o efeito de inchamento o responsável por tal redução.

A freqüência dos cleats é afetada pelo rank. Em carvões de baixo grau de

carbonificação há baixa densidade dos cleats, nos carvões betuminosos há alta

densidade e nos de alto grau de carbonificação os cleats voltam a ocorrer em

baixa densidade (Heemann et al., 2009).

A petrologia dos cleats é outro atributo importante e que ganhou atenção

devido à alteração causada pela precipitação de minerais na geometria e

conectividade dos sistemas de cleats, que afetam claramente o aumento da

permeabilidade do reservatório (Laubach et al., 1997).

32

Figura 9 - Dupla porosidade no carvão (adaptado de Ganson et al., 1996)

Os efeitos de argilas e outros minerais diagenéticos sobre as características

do reservatório e a interação com os fluidos no poço são preocupações rotineiras

em reservatórios areníticos e carbonáticos. Estudos feitos em amostras de carvão

sugerem que os minerais diagenéticos presentes na superfície das fraturas também

precisam ser considerados na caracterização e na interação dos fluidos no

reservatório (Kevin et al., 1995). A maioria dos dados sobre a fração mineral no

carvão é relacionado ao teor de cinzas e seus efeitos sobre a qualidade do carvão

como material combustível. As cinzas se originam a partir de matérias vegetais

siliciosas, argila e silte detríticos e minerais diagenéticos. (Kevin et al., 1995).

Na mineração, cada mineral tem um impacto na qualidade do carvão; porém

visto como reservatório de gás, as alterações diagenéticas no sistema de fraturas,

devido à precipitação de minerais autigênicos, podem obstruir ou preservar a

porosidade das fraturas e assim a habilidade de conduzir o fluido (Laubach et al.,

1998).

A determinação da porosidade no carvão pode ser obtida por meio de

diversas técnicas. Cada técnica tem sua limitação em termos de acessibilidade à

estrutura interna do carvão e da interação do adsorbato com o carvão (Taske,

2000). A variedade dos tamanhos dos poros no carvão é tão grande que diferentes

métodos devem ser utilizados.

33

Wu (1995) encontrou para o carvão oriundo da Bacia de Bowen uma

porosidade de 6,6% a 8,4%. Essa porosidade foi determinada saturando as

amostras em água e em seguida secando-as por 24 horas.

Diversos autores notaram que a porosidade medida utilizando adsorção de

CO2 é maior que a medida utilizando gás hélio (Toda, 1972); Rodrigues, 2002;

Mahajan, 1991). Mahajan sugere que o dióxido de carbono pode penetrar nos

microporos, inacessíveis ao hélio, que apenas penetra nos poros por difusão

(Mahajan, 1991 apud Taske, 2000).

Estudos comparativos entre as porosidades no carvão medidas com

diferentes gases (He, N2, CH4 e CO2) realizados por Rodrigues & Sousa (2002)

também observaram diferentes resultados. O fato do volume de gás obtido para a

célula vazia ser o mesmo para os diferentes gases leva à conclusão que os

diferentes valores da porosidade são resultados da relação entre a estrutura do

carvão e o gás.

Guo & Kantzas (2008) mostraram que a permeabilidade no carvão possui

características diferentes para o CO2, He e CH4. A permeabilidade ao gás hélio

tem uma forte dependência com a tensão efetiva. À medida que a tensão aumenta

a permeabilidade diminui devido ao fechamento dos cleats no carvão. Com gases

como metano e o dióxido de carbono, que são gases adsorvidos pelo carvão, a

permeabilidade depende, além da trajetória de tensão, do inchamento e

encolhimento da matriz do carvão provocado pela adsorção e dessorção do gás.

Jikich & Smith (2009) também analisaram a permeabilidade do carvão

usando He, CH4 e CO2. Eles notaram que para os três fluidos a permeabilidade

diminui com o aumento da pressão confinante.

Huy et al. (2010) observaram o mesmo efeito da pressão confinante sobre a

permeabilidade no carvão (fig. 6). Eles também perceberam diferentes

permeabilidades para amostras oriundas do mesmo local.

34

Figura 10 – Permeabilidade versus tensão efetiva (Huy et al., 2010).

Kiyama et al. (2010) simularam os cenários ocorridos durante os testes no

campo de Yubari, que foi o primeiro explotado no Japão utilizando a técnica de

recuperação avançada de metano utilizando CO2. Nesse campo o CO2 foi injetado

na camada de carvão a 900m de profundidade e o metano foi coletado em um

poço de observação. O estudo mostrou que o efeito do inchamento após adsorção

do gás tem um impacto significativo sobre a permeabilidade do reservatório, com

redução dapermeabilidade após a injeção de CO2.

Connel et al. (2010) realizaram ensaios triaxiais com medição das

deformações, a fim de analisar a permeabilidade do material.

3.3. Comportamento Mecânico

A análise de tensões e deformações de estruturas é uma tarefa complexa,

particularmente no caso de materiais friccionais, tais como rochas brandas ou

pouco consolidadas.

O material friccional é uma abstração contínua de materiais cuja resistência

mecânica é função do grau de confinamento ao qual o mesmo está submetido.

Este comportamento é observado, por exemplo, em rochas de gênese sedimentar,

constituídas por grãos que podem ser unidos ou não por um meio cimentante ou

coesivo. Estes grãos podem ter dimensões tão ínfimas quanto reticulados

cristalinos de minerais e grãos de dimensões visíveis a olho nu. O aumento do

confinamento é traduzido em um maior intertravamento da estrutura interna dos

35

materiais friccionais, contribuindo com a coesão na resistência ao cisalhamento

(Santos, 2009).

Os três principais modos de falha deste tipo de material são ilustrados na

Figura 7 e são definidos por três regiões:

Figura 11 - Modos de falha típicos de um material friccional

Região I – tração direta: os materiais friccionais apresentam

resistência à tração bem inferior à resistência à compressão. Um

valor típico é 1:10. Em maciços rochosos a ruptura à tração surge em

casos de flexão de camadas de rocha, em tração direta associada ao

cisalhamento de descontinuidades não persistentes ou bordas de

fraturas e em fenômenos de fraturamento hidráulico. Na Figura 7

este modo de falha é ilustrado por um ensaio de fraturamento

hidráulico realizado em corpo de prova de gesso;

Região II – cisalhamento: caracterizado pela formação ou ativação

de uma superfície de ruptura devido a esforços de cisalhamento. À

falha por cisalhamento está associado em geral um aumento de

volume do material, denominado de dilatância, e que se deve ao

rearranjo do material trabalhado no plano de falha no caso de rochas

brandas e às rugosidades das superfícies de ruptura em

deslocamentos no caso de rochas competentes. Na Figura 7 este

modo de falha é ilustrado por uma falha de cisalhamento devido à

concentração de esforços decorrente da escavação de uma cavidade

circular;

36

Região III – colapso da estrutura: falha compressiva na qual a

estrutura da rocha sofre uma redução de volume e se caracteriza pela

fragmentação da rocha, rotação de grãos e colapso da estrutura

porosa. Na Figura 7.3 este modo de falha é ilustrado por duas

análises de lâmina de material em microscópio: uma efetuada com

material de rocha intacta e a outra com material obtido de rocha

ensaiada em laboratório, exibindo a redução no volume poroso,

quebra de agentes cimentantes e bordas de grãos com compactação

da estrutura e geração de material particulado de fina granulometria.

Do ponto de vista microestrutural, este tipo de material é intrinsicamente

descontínuo, caracterizado por pelo menos duas fases distintas:

Arcabouço sólido ou matriz da rocha: subdivide-se em grãos e

agente cimentante (Jaeger & , 2007; Goodman, 1989)

Fluido contido no espaço poroso.

Um bom modelo constitutivo macroscópico para materiais friccionais deve

reproduzir os três modos de falhas principais citados anteriormente, além de

características deformacionais do meio. O desenvolvimento de deformações

recuperáveis e irrecuperáveis associados aos mecanismos detalhados

anteriormente ocorre concomitantemente durante o carregamento, e a forma como

estas deformações se desenvolvem depende da trajetória de carregamento e da

proximidade do estado de tensão à superfície de critério de falha. A parcela

recuperável, também denominada de elástica, demonstra-se não linear e pode ser

isolada nas trajetórias de descarregamento e recarregamento (Goodman, 1989).

A figura 8 representa um exemplo de comportamento tensão-deformação

para um ensaio de compressão hidrostática, no qual se observam quatro regiões

bem definidas (Goodman, 1989).

37

Figura 12 - Comportamento típico de um ensaio de compressão volumétrica em materiais friccionais (Goodman, 1989)

Região A: fechamento de fissuras pré-existentes na rocha,

caracterizado pelo desenvolvimento de grandes deformações com

baixo grau de confinamento. Este comportamento, apesar de ser

atribuído à existência de descontinuidades na rocha, é modelado nos

modelos constitutivos como uma propriedade do meio contínuo. As

deformações não recuperáveis observadas nos descarregamentos se

devem às fissuras que permanecem fechadas após descarregamento;

Região B: carregamento puramente elástico da rocha. A depender do

grau de consolidação esta região pode não ocorrer;

Região C: colapso da estrutura porosa da rocha, envolvendo grandes

deformações irrecuperáveis e grande dissipação de energia devido à

quebra do agente cimentante quebra e rotação de grãos;

Região D: travamento da estrutura. O meio se torna mais denso e

intertravado, aumenta a área de contato entre os grãos

proporcionando um melhor desenvolvimento de cadeias de tensões

intergranulares. A resistência e rigidez do material aparentam crescer

indefinidamente, pelo menos na região de interesse para engenharia.

38

O comportamento ao cisalhamento é mais complexo e é exemplificado na

Figura 9 com as regiões definidas na sequência (Goodman, 1989).

Figura 13 - Comportamento tensão vs. deformação típico para carregamento desviatórico (Goodman, 1989)

Região 1: fechamento das fissuras, assim como na compressão

volumétrica;

Região 2: comportamento elástico;

Região 3: criação de novas fissuras no material nas regiões mais

solicitadas. Nesta fase o crescimento das fissuras é estável,

significando que elas crescem até um comprimento definido;

Região 4: aumento na densidade de microfissuração, eventualmente

coalescendo microfissuras;

Região 5: fraturamento macroscópico pela coalescência das

microfissuras;

Região 6: deslizamento nos planos de falha produzidos.

Finalmente, o comportamento à tração idealizado para estes materiais é

bastante simplificado. Existe uma região da envoltória de esforços solicitantes

que, quando ultrapassada, se admite que o material tenha falhado à tração.

(Santos, 2009)

39

3.3.1 Carvão Mineral

A dificuldade em se estudar um reservatório de carvão deve-se ao fato de

que grandes variações geológicas estão presentes em um mesmo reservatório, tais

como: descontinuidades de grande porte e natureza diversa (fraturas, falhas,

intrusões), presença de estruturas numa escala bem menor, destacando-se as

inclusões de minerais não carbonosos (nódulos de pirita, lentes/camadas de

carbonato concentrado, por exemplo) e por pequenas descontinuidades intrínsecas

desse tipo de rocha (cleats). (Gonzatti, 2007). Esses fatores influenciam

diretamente a resistência e deformabilidade da rocha.

Diversas pesquisas com foco na caracterização mecânica do carvão foram

desenvolvidas com objetivo de atender à demanda da indústria da mineração, ou

seja, à estabilidade estrutural das minas.

Bieniawski (1968) estudou o efeito escala na resistência à compressão

uniaxial em carvões da África do Sul. Foram realizados ensaios em corpos de

prova cúbicos com arestas de aproximadamente 2 cm a 2m. Ele associou o

decréscimo da resistência em função do aumento do tamanho do corpo de prova à

densidade de descontinuidades nos mesmos.

Figura 14 - Influência do tamanho dos corpos-de-prova em resultados dos ensaios uniaxiais (adaptado de Bieniawski, 1968)

40

Hobbs (1964) analisou a influência da pressão confinante sobre as

características de resistência e deformabilidade do carvão. Em geral, ele observou

que a direção do carregamento não influenciou a resistência do material; os corpos

de prova foram preparados com diferentes orientações. Em relação ao modulo de

Young, foi notado um aumento do seu valor com o aumento da pressão

confinante. Hobbs atribuiu as mudanças no módulo de Young ao efeito da

compactação, ocorrida devido ao material se tornar menos frágil sob aumento da

pressão.

Estudos realizados na camada Barro Branco mostraram que a

heterogeneidade, como presença de siltitos e folhelhos carbonosos, proporciona

resultados distintos no que diz respeito à resistência do material. Essa

variabilidade presente na camada de carvão deverá ser considerada para melhor

aproveitamento do reservatório, uma vez que se trata de rochas com diferentes

características de resistência e deformabilidade.

Figura 15 - Resultados de compressão uniaxial com materiais da camada de carvão Barro Branco (adaptado de Cientec, 1990; Zorzi et al., 1998, Agostini et al., 2002; apud Gonzatti, 2007)

Gonzatti (2007) estudou o comportamento mecânico do carvão proveniente

da camada Bonito na Bacia Carbonífera Sul-Catarinense. Foram realizados sete

ensaios de compressão uniaxial e 11 de compressão triaxial, sendo que em oito

corpos de prova se realizou ensaio multiestágio.

Os parâmetros da envoltória de resistência da rocha intacta foram calculados

segundo o critério de Hoek-Brown apresentado na figura13. Gonzatti (2007)

41

observou fraturas que evidenciavam slickensides nas amostras de carvão

conforme visto na figura 12.

Figura 16 - Envoltória de resistência do carvão as camada Bonito presente na Mina Fontanella em Santa Catarina segundo o critério de Hoek-Brown (Gonzatti, 2007).

Figura 17 - Presença de slickensides (Gonzatti, 2007)

Atualmente, estudos mecânicos são desenvolvidos em carvão com foco no

reservatório de gás. Viete & Ranjith (2005) analisaram a influência da adsorção de

42

CO2 nas propriedades mecânicas do carvão. Os resultados dos ensaios uniaxiais

indicaram que a adsorção do CO2 provoca redução na resistência à compressão e

no módulo de elasticidade do material na ordem de 13% e 26%, respectivamente.

Nos ensaios triaxiais não foi observada mudança significativa nesses resultados.

Gentzis et al. (2006) realizaram ensaios em carvões oriundos de minas

ativas do Canadá. Os resultados mostraram uma envoltória de resistência não

linear, e aumento da resistência à compressão de 8,6 MPa a 80,8 MPa com o

aumento da tensão confinante. Os valores do módulo de deformabilidade variaram

de 1,12 a 5,07 GPa e o coeficiente de Poisson variando de 0,26 a 0,48.

Deisman et al. (2008) analisaram diferentes trajetórias de tensões em

amostras de carvão oriundos da Bacia de Alberta, Canadá. Utilizou-se critério de

ruptura de Hoek-Brown com GSI de 85 para representar as descontinuidades

presentes. Os seguintes parâmetros foram encontrados: σci = 20.5 MPa, mi = 16,7e

a = 0.5.

Considerando os impactos causados pelo declínio da pressão no

reservatório, Harpalani (1999) em seu estudo sobre a compressibilidade do

carvão, notou uma redução de volume com a redução da pressão do gás na

amostra, provavelmente ocasionada pela dessorção do gás metano presente. Em

relação ao gás hélio a mudança de volume é linear conforme apresentado na

Figura 14.

Figura 18 - Variação do volume da matriz com o decréscimo da pressão de gás (Harpalani, 1999).

43

Connel et al. (2010), a partir do acoplamento entre pressão, deformação e

processos geomecânicos, propuseram uma correlação da variação da

permeabilidade que assume as seguintes hipóteses simplificadoras: deformação

uniaxial, tensão vertical total constante, propriedades geomecânicas constantes

(Módulo de Young e Coeficiente de Poisson não sendo função da pressão nem da

tensão), Compressibilidade constante, coeficiente de Biot unitário, deformação do

poro e deformação total coincidentes. Essas hipóteses podem levar a erros e

merecem estudos complementares.

4 Materiais e Métodos

4.1. Considerações Iniciais

O programa experimental estabelecido tem como objetivo principal

caracterizar o carvão e obter os parâmetros de deformabilidade e resistência do

material.

Além dos ensaios mecânicos, foram realizadas análises de microscopia

eletrônica de varredura, porosimetria de injeção a mercúrio, imagens no

tomógrafo e microtomógrafo, e ensaios de permeabilidade utilizando

micropermeâmetro.

As etapas do programa experimental proposto são detalhadamente descritas

nesse capítulo, bem como a descrição dos materiais utilizados na pesquisa, os

métodos utilizados na preparação das amostras, detalhes de execução e

equipamentos utilizados nos ensaios.

Os ensaios triaxiais deste programa experimental foram realizados no

Laboratório de Mecânica das Rochas do CENPES- Petrobras.

4.2. Origem do Carvão Ensaiado

As atividades práticas apresentadas neste trabalho tiveram como fonte de

informações e materiais para ensaios em laboratório a Mina de Verdinho da

Carbonífera Criciúma, localizada no Município de Verdinho – SC.

Encontra-se em exploração nessa mina a camada de carvão Barro Branco da

Formação Rio Bonito, com rank ASTM de um carvão betuminoso médio volátil.

A coleta de amostras foi feita manualmente em frente de lavra ativa a

aproximadamente 200 m de profundidade com talhadeira e marreta e estocadas

em filmes plásticos. Esses locais estão indicados na figura 21.

45

Em visita realizada ao local, entendeu-se que o forro seria a melhor opção

de estudo devido à sua maior homogeneidade frente às outras divisões da camada

Barro Branco.

Inicialmente foram enviados três blocos de carvão denominados de amostras

1, 2 e 3. Durante a preparação das amostras, percebeu-se que o bloco 2

apresentava características diferentes em relação aos outros blocos, sugerindo ser

outro tipo de material. Tal observação foi corroborada diante dos resultados dos

ensaios triaxiais. Segundo informações da equipe de geologia da mina, por meio

de análise visual, acredita-se que o bloco 2 seja siltito carbonoso, porém não foi

possível realizar análises específicas para caracterizar a rocha.

Diante de tal cenário, houve necessidade do envio de um quarto bloco de

carvão para conclusão dos estudos.

Figura 19 – Visita à Mina de Verdinho localizada no município de mesmo nome da Carbonífera Criciúma.

46

Figura 20 – Camada Barro Branco

Figura 21 - Mapa de localização das amostras de Mineira II Verdinho, Eixo SWI – CMT2. Amostrado o forro do pilar da galeria SE 8 travessão TR 21/22 em um total de 3 amostras

A amostra 1 foi coletada da galeria SE 8 Travessão TR 21 ESWI (CMT2)

com a seguinte descrição: camada de carvão Barro Branco com altura de 1,84 m

47

de camada total subdividida em forro, quadração (destacada a veia denominada de

coringa), siltito barro branco e banco. Ressalta-se que o forro não apresenta

quantidades relevantes de estéril nesse ponto e é bastante piritoso.

Figura 22 - Croqui referente à amostra 1

A amostra 2 foi coletada da galeria SE 8 Travessão TR 21/22 ESWI

(CMT2) com a seguinte descrição: camada de carvão Barro Branco com altura de

2,00 m de camada total, subdividida em forro, quadração (destacada a veia

denominada de coringa), siltito barro branco e banco. Ressalta-se que o forro

apresenta lentes de siltito carbonoso nesse ponto e é bastante piritoso.

Figura 23 - Croqui referente à amostra 2

A amostra 3 foi coletada da galeria SE 8 Travessão TR 22 ESWI (CMT2)

com a seguinte descrição: camada de carvão Barro Branco com altura de 1,95 m

de camada total, subdividida em arenito realçado do teto imediato, forro,

quadração (destacada a veia denominada de coringa), siltito barro branco e banco.

Ressalta-se que o forro é piritoso nesse ponto.

48

Figura 24 - Croqui referente à amostra 3

A amostra 4 foi coletada da Galeria SE 13 Travessão TR 31 ESEII (CMT2)

com a seguinte descrição: camada de carvão Barro Branco com altura de 1,90 m

de camada total, subdividida em: forro, quadração (destacada a veia denominada

de coringa), siltito barro branco e banco. Forro piritoso nesse ponto.

Figura 25 - Croqui referente à amostra 4

4.3 Caracterização Mineralógica

A identificação dos minerais presentes no carvão estudado foi obtida via

difração de raio X sob a forma de amostra total (método do pó), onde a amostra é

pulverizada e desorientada de forma a se obter o maior número possível de

reflexões (picos). A amostra é seca sempre em temperatura inferior a 600 C para

que os argilominerais não percam água de sua estrutura.

Na amostra em pó cerca de aproximadamente 1 g do material pulverizado

ou desagregado é depositado em um sulco na lâmina de vidro procurando-se

49

observar a desorientação das partículas, onde todos os minerais ou estruturas

cristalinas são analisados.

Vale ressaltar que o método dificilmente identifica estruturas cristalinas que

ocorram em quantidades inferiores a 3 - 5% na amostra analisada.

Para realização do ensaio de difratometria foi utilizado um difratômetro

Siemens – Bruker AXD D5000. Este equipamento pertence ao Laboratório de

Difração de Raio X do Instituto de Geociências da Universidade Federal do Rio

Grande do Sul.

4.4 Estrutura Porosa do Carvão

Tendo em vista a grande importância da estrutura porosa do carvão no êxito

da exploração do reservatório, foram realizadas diferentes análises com objetivo

de obtenção de dados como: porosidade, sistemas de cleats e material de

preenchimento das fraturas.

4.4.1 Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV)

Foram realizadas duas análises de microscopia eletrônica de varredura: uma

em lâmina delgada e outra em uma amostra retangular de seção polida. O

objetivo, além de obter a composição mineralógica das amostras foi analisar o

sistema de cleats no carvão assim como o material cimentante presente nas

fraturas.

A técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV) permite observar as

amostras com grande aumento e resolução das imagens, possibilitando a descrição

direta da laminação, textura, orientação e superfície dos minerais. Esta técnica é

possível acoplar o analisador EDS (“Energy Disperse Spectrometry”) que identifica a

constituição química do material em pontos selecionados da amostra.

50

4.4.1.1. Lâmina Delgada

A lâmina foi confeccionada pelo técnico Tarcísio Raimundo do Instituto de

Geociência da UFRJ.

Primeiramente foram produzidas fotografias no Laboratório de

Processamento Digital de Imagens (LDPI) pertencente ao Departamento de

Engenharia dos Materiais da PUC-Rio.

A análise de MEV foi realizada no Laboratório de Microscopia Eletrônica

pertencente ao mesmo departamento, utilizando o Digital Scanning Microscope –

Modelo DSM 960 – Marca Zeiss, operando em alto vácuo a 20 kV.

4.4.1.2 Amostra Retangular de Seção Polida

Foi realizada microscopia eletrônica em duas amostras retangulares de

carvão de seções polidas pertencentes ao bloco 3. Tais amostras foram analisadas

ao microscópio eletrônico de varredura (MEV) JEOL JSM 6460-LV, em imagens

por elétrons retroespalhados, operando em alto vácuo a 15 kV e com distância de

trabalho de 10 mm. As microanálises foram realizadas pelo Sistema SIX da

Thermo-Noran acoplado ao MEV no Laboratório de Microscopia Eletrônica do

CENPES.

4.4.2. Microtomógrafo

Foram realizadas análises no microtomógrafo modelo SkyScan 1173,

pertencente ao Laboratório de Geologia Sedimentar, no Instituto de Geociências

da UFRJ.

4.4.3 Porosimetria por Injeção a Mercúrio

A fim de se obter a distribuição de tamanhos de poros do carvão, utilizou-se

a técnica de porosimetria por injeção de mercúrio.

51

A técnica consiste na intrusão de mercúrio que determina a distribuição de

volume de poros acessíveis a uma determinada pressão. Quanto maior a pressão,

menor será a abertura mínima de poro a que o mercúrio tem acesso.

Neste trabalho a seguinte nomenclatura da IUPAC (International Union of

Purê and Applied Chemistry) referente aos tamanhos de poros foi considerada:

Nome IUPAC

Macroporos > 50 nm

Mesoporos 2 – 50 nm

Microporos 0,4 – 2 nm

Vale ressaltar que no carvão apenas é calculada a distribuição de

macroporos e mesoporos devido ao tamanho do átomo de mercúrio inacessível

aos microporos.

Não foi considerado nesse trabalho um fator de correção devido à

compressibilidade. Resultados apresentados por Toda e Toyoda (1972) indicaram

que o crescimento de poros em pressões acima de 10 MPa é devido inteiramente à

compressibilidade do carvão.

Foram analisadas amostras irregulares oriundas dos três blocos.

Figura 26 – Fotos das amostras oriundas do bloco 1

52

A técnica consiste na intrusão de mercúrio que determina a distribuição de

volume de poros acessíveis a uma determinada pressão. Quanto maior a pressão,

menor será a abertura mínima de poro a que o mercúrio tem acesso.

O equipamento utilizado na análise é um Micromeritics AutoPore IV 9500

com quatro portas de baixa pressão (para pontos da análise abaixo da pressão

atmosférica) e duas portas de altas pressão para pressões até 60000psi.

O volume total (bulk) da amostra é obtido subtraindo-se do volume do

penetrômetro (conhecido) o volume de mercúrio injetado até o primeiro ponto de

pressão. Este primeiro ponto de pressão é escolhido de modo que o mercúrio seja

capaz de amoldar-se às irregularidades superficiais da amostra sem penetrar em

nenhum poro.

A porosidade da amostra é obtida dividindo-se o volume de mercúrio

deslocado até 60.000 psi pelo volume total (bulk) da amostra.

A curva de distribuição de diâmetros de gargantas de poros é obtida

empregando-se a equação de Laplace (Eq. 1)

377.1450cos2

2377.1450cos2

PC

Dr

PC

(1)

Sendo:

PC Pressão capilar [psi]

Tensão superficial [dina/cm]; para o Hg, 480 dina/cm

Ângulo de contato [graus]; para o sistema Hg/ar/sólido, 140°

r Raio de garganta de poros [angstrons]

D Diâmetro de garganta de poros [angstrons]

4.4.4 Micropermeametria

Os ensaios de micropermeametria tiveram como principal objetivo analisar

a heterogeneidade e anisotropia da permeabilidade no carvão, realizando o ensaio

em diferentes direções.

53

O equipamento utilizado foi um micropermeâmetro modelo Mineperm-100

da ResLab pertencente ao laboratório de testemunhos do CENPES. O

equipamento utiliza o gás nitrogênio.

Figura 27 - Micropermeâmetro modelo Mineperm-100

Figura 28 - Micropermeâmetro

Para a análise da heterogeneidade foi utilizado o CP 01 A e para análise da

anisotropia, utilizou-se amostra retirada do bloco 3, sendo a mesma faceada no

formato de um cubo. Foram realizadas quatro leituras em cada face. Quando se

54

registrava um valor discrepante dos demais da mesma face, repetia-se o ensaio, a

fim de que as quatro leituras fossem coerentes entre si.

Figura 29 – Amostra utilizada para análise de permeabilidade nas seis arestas.

4.5. Caracterização Mecânica

De forma a cumprir com os objetivos propostos, foram realizados oito

ensaios de resistência triaxial, um ensaio de resistência compressiva uniaxial,

quatro ensaios brasileiros e dois ensaios de compressibilidade nas amostras.

Todos os corpos de prova foram ensaiados secos. As amostras foram

colocadas na estufa a 60ºC por 24 horas de modo a retirar a água livre.

A tabela apresenta um resumo dos ensaios realizados:

Tabela 1 - Ensaios realizados nos corpos de prova CP Ensaio Confinante (MPa)

01 Triaxial com descarregamento

14

02 Triaxial com descarregamento

1

03 Triaxial sem descarregamento

5

04 Triaxial com descarregamento

2,5

55

06 Uniaxial -

08 Triaxial com descarregamento

5

11 Triaxial com descarregamento

10

Hidrostático 14 12

Triaxial sem descarregamento

20

Hidrostático Cíclico 5, 14 e 25 13

Triaxial sem descarregamento

14

14 Brasileiro -

15 Brasileiro -

16 Brasileiro -

17 Brasileiro -

4.5.1. Preparação dos corpos de prova

Os corpos de prova do presente trabalho foram preparados no Laboratório

de Preparação de amostras do CENPES, pelo técnico Júlio César Beltrami.

A preparação tem início com cortes no carvão formando cubos e em seguida

envoltos em uma fita adesiva. Essa fita visava evitar a propagação das fraturas.

Figura 30 – Amostra referente ao bloco 3 de carvão

56

Figura 31 - Fita adesiva para evitar a propagação de fissuras na amostra

Com topo e base acertados de forma a ficarem paralelos, a amostra foi

fixada a um torno mecânico e utilizou-se disco diamantado acoplado a uma

retífica de suporte.

Colocou-se o corpo de prova pronto em um tubo de PVC para realizar o

faceamento do topo e da base. A proporção dimensional dos corpos de prova

atende aos requisitos das normas ASTM 4543 e ASTM D 2664.

Figura 32 – Faceamento do topo e base do corpo de prova

57

Os corpos de prova foram confeccionados perpendiculares ao plano de

acamamento da amostra.

No total foram preparados 13 corpos de prova com finalidade para ensaios

triaxiais e quatro corpos de prova para ensaio brasileiro, cujas fotos são

apresentadas no Anexo A. A tabela 2 apresenta as dimensões e massa específica

de cada amostra

Tabela 2 – Características dos corpos de prova preparados

BLOCO CP DIÂMETRO

(mm)

ALTURA

(mm)

Massa Específica

Seco (g/cm3)

102 1,78

01 A 52 25

02 51 01 51

03 51 102 1,82

01

04 51 108 1,86

05 Amostra quebrada

03

06 51 103

1,43

07 Amostra quebrada

08 51 104 2,17

09 38 81 -

10 38 81 -

02

11 50 103 2,12

12 51 101 1,71

13 39 80 1,73

14 51 26 -

15 51 56 -

16 51 26 -

04

17 51 26 -

4.5.2 Tomografia

Foram realizadas imagens de tomografia nos corpos de prova antes de serem

ensaiados. Como o bloco 4 foi enviado posteriormente, os corpos de prova 12 e 13

não foram tomografados, pois não foi possível a utilização do tomógrafo no

período correspondente.

58

O equipamento utilizado foi o tomógrafo médico da marca GE modelo

Brightspeed-16 canais, instalado no Laboratório de Tomografia Computadorizada

de Raio X do CENPES..

As imagens tomográficas estão apresentadas no Anexo B.

4.5.3. Equipamento

Os ensaios foram realizados no laboratório de mecânica de rochas do

CENPES/PDP/TEP. Foi utilizada a máquina de ensaios traixiais MTS-815, com

capacidade de 270 tf de carga axial, 12.000 psi (80 MPa) e de pressão confinante e

pressão de poros e de temperatura até 200ºC. O equipamento e a instrumentação

permitem ensaios em amostras com diâmetro variando de 1 até 4 polegadas. O

extensômetro lateral utilizado é da própria MTS com range de atuação +/- 8 mm e

o axial com range de atuação de +/- 5 mm.

.

Figura 33 - Esquema da célula triaxial utilizada

59

Figura 34 - Foto do sistema de teste geomecânico MTS 815

Figura 35 – Preparação dos extensômetros axial e lateral em corpo de prova a

ensaiar

60

4.5.4. Ensaios Triaxiais

Os ensaios triaxiais são comuns às atividades de mecânica de rochas e estão

sujeitos à normatização. Existem pelo menos duas instituições importantes que

recomendam procedimentos para ensaios triaxiais:

ISRM – International Society of Rock Mechanics;

ASTM – American Society for Testing and Materials.

A normatização escolhida para guiar os ensaios triaxiais foi a da ASTM. A

norma específica para ensaios triaxiais é a ASTM D 2664, intitulada “Standart test

for Triaxial Compressive Strengh of Undrained Rock Core Specimens Without

Pore Pressure Measurement”.

O item 9 da norma recomenda que as taxas de carregamento devam ser

escolhidas de forma que o ensaio à compressão simples de um corpo de prova

similar atinja a falha em 2 a 15 minutos de ensaio. Como a disponibilidade de

amostras foi limitada, optou-se por não realizar o ensaio à compressão simples

para calibração e por fazer um ensaio triaxial com 5 MPa de confinamento, e a

partir do resultado definir as taxas de carregamento de acordo com as

propriedades estimadas por correlação, utilizando o critério de Mohr-Coulomb.

Utilizando um ângulo de atrito de aproximadamente 20o obteve-se uma resistência

à compressão simples de aproximadamente 26 MPa. Estimando a duração em 10

minutos, a taxa de carregamento utilizada foi de 2,6 MPa/min.

Optou-se pela execução dos ensaios triaxiais utilizando controle de tensão

axial para que pudesse ser feito descarregamento a fim de se obter os módulos

elásticos do material. A proposta inicial seria realizar alguns ensaios com controle

de deslocamento e avaliar propriedades de pós-pico, porém o número de corpos de

prova não foi suficiente para a execução dos mesmos.

Para atender ao item 10 e à nota 7 a campanha de ensaios foi realizada em

nove corpos de prova.

4.5.5. Ensaios Hidrostáticos

Essa etapa do programa experimental foi desenvolvida com a finalidade de

se obter os parâmetros de compressibilidade, tendo sido realizados os seguintes

ensaios:

61

Ensaios Hidrostático Bulk: ensaio com aumento de pressão de

confinamento mecânico da rocha sem alteração na pressão de poros,

nos quais se observa a variação de volume total da mesma. Estes

ensaios conduzem ao parâmetro de compressibilidade Cbc de

Zimmerman, inverso da rigidez Bulk da rocha Kb.

Ensaios Hidrostático cíclico com carregamento triaxial final: este

ensaio foi desenvolvido no CENPES e não consta nas normas

ASTM ou ISRM. O ensaio tem o intuito de medir a evolução das

deformações irreversíveis que a rocha apresenta em ciclos de

carregamento e descarregamento em níveis de tensões confinantes

crescentes e são importantes para caracterizar o comportamento da

rocha em níveis elevados de tensões efetivas. Nestas condições a

rocha deve apresentar comportamento plástico acentuado. O ensaio

triaxial final tem o objetivo de identificar a transição entre o

carregamento elástico e elastoplástico em uma trajetória de tensões

desviatórica, informação importante para o mapeamento da forma da

envoltória de plastificação à compressão.

Os protocolos de ensaios propostos para as compressibilidades Bulk e

compressibilidade cíclica são apresentados nas Figuras 36 e 37.

Figura 36 - Protocolo de ensaio proposto para ensaio hidrostático cíclico com

ensaio triaxial final

62

Figura 37 - Protocolo de ensaio proposto para o ensaio hidrostático

4.5.6. Ensaio de Compressão Uniaxial

Devido à indisponibilidade de amostras, foi realizado apenas um ensaio

uniaxial. Não se recomenda o emprego de taxas diferentes para ensaios uniaxiais e

triaxiais, porém o ensaio uniaxial realizado foi executado com controle de

deslocamento lateral devido à fragilidade do material e à escassez de amostras. A

taxa utilizada foi de 0,000160 mm/s, o que ocasionou um tempo além do

recomendado pela ASTM de ensaio.

O ensaio uniaxial foi realizado sem ciclo de descarregamento e

recarregamento.

4.5.7. Ensaio Brasileiro

Foram realizados ensaios brasileiros ou ensaio de tração indireta em quatro

amostras. Seguindo recomendações da ISRM os ensaios tiveram duração de 15 a

30 segundos. A taxa adotada foi de 0,15 kN/s.

5

Ensaios e Análises

Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos em todos os ensaios

e análises de laboratórios realizados na pesquisa.

Primeiramente será exposta a caracterização mineralógica do material. Em

seguida serão apresentadas as análises referentes ao sistema poroso do carvão

como: MEV, porosimetria de mercúrio, microtomografia e minepermeametria.

Para finalizar serão relatados os resultados e análises mecânicas do carvão.

5.1.

Composição Mineralógica

Os resultados da análise de difratometria indicaram que o carvão possui

argilominerais pouco expansivos como a ilita. Identificou-se também a presença

de quartzo, anidrita, hematita e feldspato alcalino (Figura 38).

Figura 38 - Difratograma da amostra analisada do carvão

64

Outro mineral importante presente no carvão em estudo é a pirita. Foi

possível identificá-la no MEV da amostra polida de carvão (Figura 39). A pirita

(FeS2) formou-se em um ambiente redutor onde havia grande quantidade de ferro,

que somado ao enxofre da própria madeira deu origem ao sulfeto ferroso. O

carvão da camada Barro Branco é um carvão piritoso e, no que tange à perfuração

do reservatório com emprego de fluido de perfuração de base aquosa, ressalta-se

que a pirita quando oxidada origina a jarusita. Essa reação envolve grandes

expansões, na ordem de 115%, provocando o aparecimento de fissuras e

enfraquecimento da rocha.

Figura 39 - Em 1 caulinita; em 2 pirita

5.2.

Sistema de Fraturas

Por meio das análises de MEV foi possível identificar a calcita e a caulinita

como material de preenchimento das fraturas no carvão. A calcita é um mineral de

baixa resistência e solúvel, com comportamento frágil. No carvão em estudo, a

calcita se encontra como cristais individualizados, ou seja, não se encontra na

forma de cimento. É importante salientar que neste caso ela é permeável, além de

preservar os cleats, fatores favoráveis ao escoamento de fluido no reservatório. No

CP 7 (figura 40) foi possível observar a calcita em uma fratura onde sua remoção

ocorria com facilidade utilizando apenas a unha (Fig. 41). As análises indicam ser

65

a calcita de origem autigênica, formada pela precipitação do bicarbonato de

cálcio.

Figura 40 - Fratura no CP 7 onde o corpo de prova quebrou

66

(a)

(b)

Figura 41 - Calcita preenchendo a fratura do CP 7

Uma maneira de se identificar a calcita é o teste de exposição ao ácido,

considerando que a calcita produz efervescência em meios ácidos. Na reação

CaCO3 + 2H+ ----> Ca2+ + H2Ou + CO2 (gás) o dióxido de carbono produz

borbulhas ao escapar em forma de gás. Foi utilizado ácido clorídrico para

provocar a reação e observou-se forte efervescência.

A caulinita é um argilomineral pouco expansivo, plástico, formado pela

combinação de sílica e alumínio em um ambiente químico adequado. Diferente da

calcita, ela é impermeabilizante, o que a torna desfavorável na condutividade do

reservatório. Nas imagens analisadas contudo, a caulinita preencheu parcialmente

as fraturas, possibilitando a passagem de fluido pelos demais espaços.

67

Figura 42 - MEV da seção polida da amostra de carvão. Em 1 argila; em 2, 3 e 4 calcita preenchendo fratura

Figura 43 - MEV da seção polida. Em 1, calcita preenchendo fratura; em 2, caulinitas

68

Figura 44 - MEV da seção polida. Em 1, calcita preenchendo fratura; em 2, caulinitas

A presença de pirita foi observada em toda a amostra, sendo comprovada

pelo resultado de EDS com picos de ferro.

Em relação à geometria das fraturas, foi possível observar por meio das

imagens de MEV realizadas na lâmina a ortogonalidade e conectividade dos cleats

conforme figura 45.

Figura 45 - Fraturamento regular no carvão, geometria ortogonal dos cleats

69

Figura 46 - Imagem obtida no MEV mostrando preenchimento dos cleats, provavelmente caulinita.

5.3.

Tomografia e Microtomografia

As imagens tomográficas dos corpos de prova detectaram a conectividade

do sistema de fraturas do carvão e seu preenchimento. Áreas em branco

representam regiões de alta densidade, enquanto áreas escuras representam

regiões de baixa densidade. Nota-se a presença dos nódulos de pirita nas regiões

claras das imagens.

70

(a)

(b)

Figura 47 - Imagem tomográfica das amostras CP 5 em (a) e CP 7 em (b), nota-se a presença de material mais denso nos tons mais claros nas fraturas

71

As imagens realizadas no microtomógrafo também mostraram a presença de

preenchimento nas fraturas. Mais uma vez foi possível observar a ortogonalidade

dos cleats.

Figura 48 - Imagem obtida através do microtomógrafo com amostra irregular do carvão

5.4.

Micropermeametria

Através dos resultados dos ensaios realizados no micropermeâmetro foi

possível analisar a influência da heterogeneidade do carvão no que tange ao

transporte de fluido.

(a) (b)

Figura 49 - (a) Localização dos pontos A e E sobre o nódulo de pirita; (b) Pontos onde foram realizadas as leituras

72

Os seguintes resultados foram encontrados:

Tabela 3 - Resultados do ensaio de micropermeametria

Pontos kg (mD)

A 0.088

B 0.487

C 5.604

D 16.72

E 0.093

F 0.529

G 4.200

H 0.136

Nota-se que a leitura feita sobre o nódulo de pirita, ou seja, pontos A e E,

apresentaram permeabilidade muito baixa. Os pontos C e G localizados sobre o

carvão obtiveram permeabilidades muito maior que as dos demais, com exceção

do ponto D que se localiza sobre uma área fraturada onde a permeabilidade

encontrada foi 3 vezes maior que a do ponto C. Os pontos B, F e H estão

localizados entre o nódulo de pirita e o carvão.

As análises referentes à amostra retangular apresentaram diferentes valores

nos seis lados, o que mostra a importância de uma análise mais criteriosa com

relação à direção de drenagem.

Tabela 4 - Resultado do ensaio de micropermeametria sobre a amostra retangular

Pontos kg (mD)

1 1.399

2 7.184

3 8.418

4 11.624

5 3.743

6 64.464

73

5.5.

Porosimetria por Injeção a Mercúrio

Na Tabela 5 são listadas as porosidades calculadas para cada amostra. O

resultado mostra que as amostras oriundas do bloco 2 podem se tratar de material

diferente ao do carvão.

Vale ressaltar que não foi considerado o fator de correção devido à

compressibilidade, logo não se deve comparar quantitativamente os resultados

com outras pesquisas que consideraram tal fator.

Tabela 5 - Resultados obtidos no porosímetro de mercúrio

Bloco Amostra Porosidade %

1 A 3,71

1 B 4,00

1 C 4,59

2 D 1,38

2 E 2,38

2 F 2,73

3 G 4,58

3 H 4,72

3 I 6,45

Os resultados são relativos aos mesoporos e macroporos, uma vez que o

átomo de mercúrio não penetra nos microporos do carvão.

Através dos resultados, nota-se que as amostras pertencentes ao bloco 2

apresentam porosidades diferentes das dos demais blocos, corroborando com a

possibilidade de se tratar de outro material.

74

5.6. Ensaios de Compressão Triaxial

Os seguintes resultados foram obtidos nos ensaios triaxiais:

Tabela 6: Parâmetros elásticos e de deformabilidade obtidos nos ensaios triaxiais

CP σ3

(MPa)

σ1

(MPa)

Poisson Módulo de

Elasticidade

(GPa)

Módulo de

Deformabilidade

(GPa)

01 14 58.3 0.30 5.7 4.0

02 1 18.8 0.26 4.2 2.7

03 5 36.3 5.4

04 2.5 20.2 0.48 7.0 3.5

08 5 68.7 0.09 10.0 7.4

11 10 73.8 0.09 10.0 7.4

12 20 68.6 5.1

13 14 42.1 0.34 7.4

Os resultados dos ensaios foram plotados em termos de p e q (figura 50) e o

ajuste de reta foi feito em duas partes, uma para baixos níveis de tensões

confinantes e outra para níveis de tensão maiores. Esse ajuste foi mais bem

observado na envoltória de Mohr-Coulomb, apresentada no item 5.8.

75

Figura 50 – tensões de ruptura e ajustes de envoltória de Mohr-Coulomb

Na Figura 51 são confrontados os dados de coeficiente de Poisson contra

módulo de elasticidade e nota-se que o CP 8 e o CP11 têm comportamento

diferenciado, podendo caracterizar uma rocha distinta, de acordo com observações

anteriores. Observa-se também um aumento no coeficiente de Poisson (ν) do CP

4, próximo a 0,5 que é o valor máximo de ν.

76

Figura 51 - Distribuição do coeficiente de Poisson contra módulo de elasticidade

Valores pequenos de ν correspondem a materiais que apresentam pequenas

deformações laterais quando são sujeitas a deformações longitudinais e valores de

ν próximos de 0,5 correspondem a materiais quase incompressíveis. Porém, vale

salientar que o CP 4 ( figura 53) apresentou grande quantidade de nódulos de

pirita, sugerindo ser esse o motivo pelo qual o valor de ν se diferenciou, uma vez

que a pirita apresenta propriedades diferentes quando comparadas às do carvão.

Este fato pode ser observado no gráfico abaixo, onde o comportamento da

deformação axial no ciclo de carga se difere da deformação lateral, ou seja,

enquanto o comportamento da deformação lateral do corpo de prova se aproxima

mais do elástico, o da axial possui parcela irreversível de deformação (Figura 52)

77

Figura 52 – Curvas tensão-deformação do ensaio triaxial realizado no CP 4

Figura 53 - Nódulos de pirita no CP 4

Os módulos de deformabilidade foram determinados por meio do ajuste de

reta tomando-se os dados dos ensaios de carregamento entre 25% e 75% das

respectivas cargas de ruptura, centradas em 50% da carga de ruptura de cada

ensaio conforme recomendam as normas ASTM e ISRM. Nota-se que os resultados

78

referentes ao CP 8 e ao CP 11 se diferem muito dos demais, o que reforça a

hipótese de se tratar de outro material.

As imagens feitas no tomógrafo também sugeriram tratarem-se o CP 8 e o

CP 11 de outra rocha (Figura 54). Nota-se grande diferença em termos de

densidade sendo o CP 8 e o CP 11 muito mais densos que os demais. Os

isovolumes representados em azul referem-se ao material da ordem de 4 vezes a

densidade do carvão.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 54 - Tomografia realizada nos corpos de prova antes do ensaio;

(a) CP 5 (b) CP 6, (c) CP 8, (d) CP 11

79

5.6.1. Ciclos de Carregamento e Descarregamento

Os ensaios triaxiais foram feitos com tensões confinantes variando de 1 a 20

MPa. Foram executados descarregamentos e recarregamentos durante o ensaio

para verificação do comportamento elástico da rocha. Em se observando um

comportamento puramente elástico, as curvas de carga e descarga deverão ser

coincidentes. A parcela de deformações que não é recuperada no descarregamento

é chamada de plástica ou irreversível.

O que se verifica por meio dos resultados é que na fase de carregamento

existem tanto deformações plásticas quanto elásticas caracterizando um

comportamento elasto-plástico para o carvão (figuras 55-57). Para níveis menores

de tensão confinante, as parcelas referentes às deformações plásticas na fase de

carregamento axial são maiores que as observadas para tensão confinante de 14

MPa, sugerindo que à tensão confinante mais alta as fissuras das amostras sejam

fechadas ainda na fase de confinamento.

Figura 55 – Ensaio triaxial realizado no CP 2 com tensão confinante de 1 MPa

80

Figura 56 - Ensaio triaxial realizado no CP 4 com tensão confinante de 2,5 MPa

Figura 57 - Ensaio triaxial realizado no CP 1 com tensão confinante de 14 MPa

81

Comparando-se as curvas obtidas, observa-se que os ciclos de carga, descarga e

recarga não influenciaram o comportamento tensão x deformação do carvão. O

mesmo pode ser dito com relação à deformação volumétrica (Figura 58).

Figura 58 - Comportamento deformação volumétrica-deformação axial com ciclo de carga-descarga e recarga

5.6.2. Influência da Tensão Confinante

As figuras mostram as curvas tensão-deformação plotadas no espaço

deformação axial versus tensão desviadora e também as curvas correspondentes

de variação volumétrica no espaço deformação axial versus deformação

volumétrica, para os ensaios triaxiais.

82

(a)

(b) Figura 59 - (a) Curvas tensão-deformação axial; (b) curvas deformação volumétrica-deformação axial para o carvão

83

Observa-se, nas curvas de variação volumétrica, a tendência de contração

para níveis maiores de tensão confinante e uma forte tendência dilatante para

níveis menores. Esse comportamento explica-se pelo fato de a rocha estar livre

para se deslocar a baixos níveis de tensão, ocorrendo o deslizamento ao longo das

fissuras. Com o aumento da tensão confinante, a expansão radial e a fissuração

são impedidas, proporcionando também um ganho na resistência da rocha

conforme apresentado nas curvas de variação da tensão desviadora.

Também se observou variação no modo de ruptura com o aumento da tensão

confinante, uma vez que o aumento da mesma induz à formação de várias

superfícies de ruptura (Figura 61).

Figura 60 - Superfície de ruptura do CP 3 com tensão confinante de 5 MPa

84

Figura 61 - Superfície de ruptura do CP1 com tensão confinante de 14 MPa

5.7. Ensaios Hidrostáticos

5.7.1. Ensaio Hidrostático Bulk

O ensaio apresentou características plásticas no ciclo de descarga-recarga, as

deformações têm uma parcela irreversível considerável, conforme visto na Figura

63.

Ressalta-se o pequeno nível de deformações durante a fase estacionária de

carregamento, caracterizando um comportamento mecânico quase-estático com

fenômenos de fluência desprezíveis (figura 62).

85

Figura 62 - Carta de ensaio hidrostático

Figura 63 - Curvas de compressibilidade Bulk do carvão – amostra CP 12

86

A curva de deformação não apresentou nenhuma deflexão súbita,

apresentando uma configuração côncava e monotonicamente crescente, não

sugerindo, portanto, haver colapso de poros até a tensão confinante de 14 MPa.

5.7.2

Ensaio Hidrostático com Ciclos de Descarga-Recarga

O ensaio de compressibilidade cíclica foi executado em três diferentes

níveis de tensões de confinamento: 5,14 e 25 MPa. Nos três níveis de tensão

houve ciclos de descarregamento e recarregamento, sendo que no último nível, de

25 MPa, a tensão foi recarregada até 14 MPa, para que em seguida se realizasse

um ensaio triaxial, conforme protocolo de ensaio da figura 64.

O ensaio apresentou parcelas consideráveis de deformações plásticas

durante os carregamentos registrados nos descarregamentos totais, conforme

apresentado na Tabela 8.

Tabela 7 - Resultados das deformações plásticas da amostra CP13

Ciclo ε v p (%)

1o (5 MPa) 0,061354

2o (14 MPa) 0,092936

3o (25 MPa) 0,114831

Outro ponto importante a considerar é o fato de a amostra CP 13 mostrar-se

mais rígida no início do ensaio que a amostra CP 12 quando comparado ao nível

de tensão de 14 MPa. Esse resultado pode ser devido ao tamanho do corpo de

prova, pois o CP 13 é menor que o CP 12, sendo mais afetado pelos efeitos de

interfaces de topo e base com as placas de montagem à máquina.

87

Figura 64 - Carta de ensaio hidrostático cíclico realizado – amostra CP 13

88

Figura 65 - Curvas de compressibilidade Cíclica do carvão – amostra CP 13

O ensaio triaxial final executado com um nível de confinamento inferior ao

do último ciclo de carregamento hidrostático teve o objetivo de analisar o efeito

da compactação sobre a amostra e identificar a transição entre o carregamento

elástico e elasto-plástico em outra trajetória de carregamento.

Durante a aplicação da tensão desviadora o material se encontra em regime

elástico até atingir a superfície de fechamento (Figura 66).

Segundo a teoria da plasticidade, neste carregamento triaxial a amostra deve

experimentar deformações elásticas até atingir um nível de tensão compatível à do

maior carregamento experimentado, presumidamente o do confinamento

hidrostático anterior. Na transição do comportamento elástico para elastoplástico

espera-se observar uma saída da linearidade no comportamento tensão x

deformação.

89

Figura 66 - Trajetória de tensões passando pela curva de fechamento

Tal fato pode ser observado quando comparados os resultados dos ensaios

triaxiais do CP 1, o qual não foi submetido anteriormente a tensões maiores, e do

CP 13, ambos com 14 MPa de tensão confinante. Nota-se na figura 67 que o

comportamento do CP 13 durante o carregamento se aproxima mais do elástico

observado no ciclo de descarregamento/recarregamento, com inclinação da reta

próxima à inclinação do descarregamento-recarregamento do ensaio realizado

com o CP 1.

Figura 67 - Ensaios triaxiais com tensão confinante de 14 MPa, sendo um com efeito da compactação.

90

Através do gráfico da Figura 64 é possível obter aproximadamente a tensão

referente ao ponto onde a curva de deformação volumétrica perde a linearidade.

O conhecimento desse valor é extremamente importante para o estudo do

comportamento da rocha, pois é a fronteira entre deformações reversíveis e

irreversíveis.

Casagrande (1936) propôs um método gráfico para a determinação da curva

de adensamento de solos via deflexão na pressão de pré-adensamento. Em

mecânica dos solos, a tensão vertical correspondente ao início da reta virgem, a

partir do qual o solo passa a sofrer grandes deformações, é denominada tensão de

pré-adensamento.

Aplicando-se o método Casagrande, percebe-se que logo no início da curva

há um trecho em que a amostra está sendo reconduzida a níveis de tensões já antes

submetida e onde as deformações são relativamente pequenas. Nesse trecho a

amostra está sob regime elástico.

Para determinação de σvm (tensão de pré-adensamento) pelo método

Casagrande, é definido inicialmente o ponto de menor raio de curvatura, a partir

do qual são traçadas duas retas, uma tangente à curva e a outra paralela ao eixo

das tensões. Após determinar a bissetriz do ângulo formado por essas duas retas,

prolonga-se a reta virgem até encontrar a bissetriz, sendo esse o ponto referente à

σvm.

Obteve-se pelo método de Casagrande uma tensão de aproximadamente 7,5

MPa (figura 68), tensão essa próxima a encontrada anteriormente no gráfico

deformação volumétrica versus tempo.

É importante ressaltar que os processos de identificação da transição do

comportamento elastoplástico são bastante sensíveis ao método empregado.

91

Figura 68 - Método de Casagrande para obtenção da tensão de pré-adensamento

Outra análise feita comparando os dois ensaios de tensão confinante de 14

MPa (figura 69) é que ambas as curvas de tensão-deformação mudaram o sinal da

derivada em aproximadamente 38 MPa e romperam a tensões similares. A

compactação no CP 12 não influenciou na resistência do carvão, ou seja, o grau de

deformação plástica aparentemente não afeta a resistência última da rocha.

92

Figura 69 - Curvas tensão-deformação dos ensaios com 14 MPa de tensão confinante

5.8.

Critério de Ruptura de Mohr-Coulomb

O primeiro modelo de falha material dedicado a materiais friccionais e que

ainda hoje tem grande aplicação é o de Mohr-Coulomb. Este modelo compara o

estado de máximo cisalhamento plano com uma envoltória de falha que depende

do estado de confinamento mecânico. Este modelo representa apenas o

comportamento ao cisalhamento do material e peca ao representar o

comportamento à tração.

O critério de Mohr-Coulomb assume que a envoltória de Mohr é definida

por uma linha reta definida como:

τ = σtgØ + c

Onde:

Ø = ângulo de atrito interno

C = coesão

93

O resultado dos ensaios revela que os diversos círculos de Mohr são

coerentes na ruptura e conduzem a envoltórias de resistência não lineares.

Considerando que o ângulo de atrito varia com a tensão confinante, percebe-se

que para baixos níveis de tensão o ângulo de atrito é visivelmente maior.

Na Figura 70 são propostas envoltórias diferentes para os resultados

baseando-se no nível de tensões.

Figura 70 - Envoltória de ruptura de acordo com o critério de Mohr-Coulomb

É possível analisar esse efeito do ângulo de atrito do carvão observando o

plano de ruptura ocorrido nos corpos de prova, uma vez que a normal a esse

plano, segundo o critério de Mohr-Coulomb, ocorre a 2

45

com a direção da

tensão principal maior. Encontrou-se um plano de ruptura de aproximadamente

56º para tensão confinante de 14 MPa e 66º para tensão confinante de 5 MPa

(Figura 71). Esse resultado conduz a um ângulo de atrito equivalente à = 22º e

= 42º respectivamente.

94

(a) (b)

Figura 71 - (a) Plano de ruptura do CP 3 com tensão confinante de 5 MPa. (b) Plano de ruptura do CP 1 com tensão confinante de 14 MPa.

5.9.

Modelo Constitutivo Elasto-plástico de Lade-Kim

Um dos objetivos desta pesquisa é a caracterização mecânica do carvão

segundo modelos constitutivos mais fidedignos à resposta mecânica do material

As curvas tensão x deformação dos ensaios mecânicos foram usados para se

obter os parâmetros constitutivos do modelo elasto-plástico de Lade-Kim (1988).

A Tabela 9 apresenta os parâmetros determinados e as Figuras 73-76 apresentam

as curvas tensão x deformação experimentais e as do modelo de Lade-Kim com os

parâmetros determinados. Observa-se uma concordância satisfatória entre as

curvas de laboratório e as do modelo.

Tabela 8 - Parâmetros do modelo de Lade-Kim (Velloso, 2010)

Módulos

Elásticos

Critério de

Ruptura

Critério de

Escoamento

Função de

Potencial

Plástico

Função de

Endurecimento

ν = 0,26 η = 758.578 h = 1,41 μ = 2.10 C = 9,12E-8

Kur = 13.706 m = 1,51 α = 10 Ψ2 = -2,92 p = 2,19

n = 0,48 a = 10

pa = 0,1 MPa

95

Figura 72 - Curvas tensão-deformação – Tensão confinante de 5 MPa

96

Figura 73 - Curvas tensão-deformação – Tensão confinante de 14 MPa

Figura 74 - Curvas tensão-deformação – Tensão confinante de 20 MPa

97

Figura 75 - Curvas tensão-deformação – Ensaio hidrostático cíclico

A seguir, os modelos de Mohr-Coulomb e Lade-Kim foram plotados no

mesmo gráfico e observou-se que o ajuste de retas do modelo de Mohr-Coulomb

foi satisfatório. A superfície de ruptura de ambos os modelos estão em

concordância.

Figura 76 - Superfícies de ruptura referentes aos modelos de Mohr-Coulom e Lade-Kim com superfície de fechamento em um ensaio hidrostático de 20 MPa

98

No gráfico a seguir é possível observar a tensão com que o material passa do

regime elástico para o elasto-plástico em uma trajetória desviadora com tensão

confinante de 14 MPa, representando o ensaio realizado na amostra CP 13.

Figura 77 - Representação gráfica da trajetória desviadora com σ3 = 14 MPa junto às envoltórias de Lade-Kim

Obteve-se p = 18 MPa, o que representa σ1 = 22 MPa e σd = 8 MPa. Esse

valor se aproxima com aquele obtido anteriormente pelo método de Casagrande.

6. Conclusões

Os depósitos de carvão têm se apresentado como rochas reservatório de

interesse econômico e ambiental devido à explotação de metano e seqüestro

geológico de CO2.

O carvão é um material de comportamento químico mecânico complexo,

onde a saturação de fluidos interfere no comportamento mecânico por questões de

adsorção e dessorção e não somente de acoplamento poroelástico.

Presume-se que o bloco 02 se trata de outra rocha, possivelmente siltito

carbonoso. As propriedades mecânicas dos corpos de provas oriundos desse

bloco se diferem dos demais.

A técnica de microscopia eletrônica de varredura se mostrou elucidativa

para a visualização e caracterização dos cleats. Observou-se a conectividade e

ortogonalidade dos mesmos além de se identificar a presença de minerais

autigênicos como a pirita, a calcita e a caulinita em seus interiores. Observou-se

preenchimento parcial e total dos cleats.

A calcita presente nas fraturas está sob forma de cristais individualizados,

fato este que não a classifica como material cimentante da rocha. A calcita, dessa

forma, contribui para o reservatório de gás, preservando as fraturas e permitindo a

passagem de fluido.

A caulinita é um argilomineral pouco expansivo, plástica e impermeável.

Porém seu preenchimento é parcial, possibilitando a passagem de fluido pelos

demais espaços.

100

O carvão analisado contém grande quantidade de pirita. A pirita é um

mineral resistente; no entanto, quando oxidada, origina a jarusita. Essa reação

envolve grandes expansões, na ordem de 115%, provocando o aparecimento de

fissuras e enfraquecimento da rocha. Esse efeito impacta a estabilidade de

cavidades, como é o caso da perfuração de poços ou escavação de galerias.

Os ensaios de micropermeametria apontaram para uma menor

permeabilidade nos nódulos de pirita que no carvão. Sendo a presença deste

material intensa, o mesmo influenciará na permeabilidade total do reservatório.

Através do micropermeatro também foi possível perceber que a permeabilidade

muda nas diferentes direções, sendo a direção perpendicular ao plano de

acamamento a de menor valor.

A porosimetria de injeção a mercúrio foi a técnica utilizada para determinar

a porosidade do carvão (meso e macroporos) que ficou compreendida entre 3,71%

e 6,45%. As amostras oriundas do bloco 2 obtiveram porosidade menor, com

valor entre 1,38% e 2,73%.

O CP 04 possuia concreções que ultrapassava a dimensão recomendada de

1/10 do diâmetro das amostras, o que pode ter conduzido a desvios nas respostas

observadas.

O aumento da tensão confinante proporciona aumento de resistência no

carvão, confirmando o comportamento de material friccional.

Nas curvas de deformação volumétrica, o carvão tem tendência à contração

para níveis maiores de tensão confinante, e, para níveis baixos, possui

comportamento dilatante.

Ciclos de carga, descarga e recarga não influenciaram o comportamento

tensão-deformação do carvão. O mesmo pode ser dito com relação à deformação

volumétrica. O carvão possui comportamento elasto-plástico, com deformações

irreversíveis durante o carregamento e reversíveis no ciclo de descarga/recarga.

101

As compressibilidades Bulk das amostras CP 12 e CP 13 são próximas entre

si a partir de uma tensão confinante de 5 MPa. Inicialmente a amostra CP 12

possui compressibilidade maior que a apresentada pelo CP 13. Sendo as duas

amostras oriundas do mesmo bloco, possivelmente tal fato se deve ao tamanho do

corpo de prova, pois o CP 13 é menor que o CP12, abrangendo, dessa forma,

menores quantidades de fissuras.

As deformações de compactação apresentam parcela irreversível

significativa nos ensaios de compressibilidade cíclica, mostrando que uma vez

depletado o reservatório, a elevação de pressão de poros não recupera o volume

poroso inicial.

O efeito da compactação não influenciou na resistência da rocha, conforme

analisado no trecho triaxial final do ensaio hidrostático cíclico.

O ajuste do critério de resistência de Mohr-Coulomb conduz a um ângulo de

atrito do material de 42,0 graus e coesão de 2,04 para baixas tensões de

confinamento e, para níveis maiores, um valor de 21,9 grau e coesão de 8,73.

Observa-se uma concordância satisfatória entre as curvas de laboratório e as

do modelo de Lade-Kim.

6.1 Sugestões para Futuros Trabalhos

Verificar o efeito da adsorção e dessorção de gases nas respostas hidromecânicas

do carvão.

Caracterizar os diferentes tipos de rocha presentes na camada para melhor

dimensionamento do reservatório.

102

Obter parâmetros de permeabilidade sob diferentes níveis de tensão confinante

associada ao efeito do inchamento ou redução de volume da matriz do carvão

ocasionado pela adsorção e dessorção do gás respectivamente.

Procurar por ocorrências mais homogêneas do carvão para isolar seu

comportamento do das descontinuidades.

103

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108

APÊNDICES

109

Apêndice A FOTOS DOS CORPOS DE PROVA

110

111

112

113

114

Apêndice B

Tomografia dos Corpos de Prova

CP 01

CP 02

115

CP 03

CP 04

116

CP 05

CP 06

117

CP 07

CP 08

118

CP 09

CP 10

119

CP 11

120

Apêndice C Resultados dos Ensaios Mecânicos

Ensaio Triaxial CP 12 - Tensão Confinante 20 MPa

-4 -2 0 2 4

Deformação (%)

0

10

20

30

40

50

Ten

são

Axi

al D

esvi

ador

a (

MP

a)

Deformação Axial

Deformação Lateral

Deformação Volumétrica

rup 48,6 MPa

Módulo de DeformabilidadeE = 5.1 GPa

121

Ensaio Triaxial CP 01 - Tensão Confinante 14 MPa

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Deformação (%)

0

10

20

30

40

50

Ten

são

Axi

al D

esv

iado

ra (

MP

a)

Deformação Axial

Deformação Lateral

Deformação Volumétrica

Parâmetros ElásticosE = 5,7 GPa = 0,30

rup 44,3 MPA

122

Ensaio Triaxial CP 11 - Tensão Confinante 10 MPa

-0.8 -0.4 0 0.4 0.8 1.2

Deformação (%)

0

20

40

60

80

Ten

são

Axi

al D

esvi

ado

ra (

MP

a)

Deformação Axial

Deformação Lateral

Deformação Volumétrica

Parâmetros ElásticosE = 10,1 GPa = 0,09

rup 63.8 MPA

123

Ensaio Triaxial CP 08 - Tensão Confinante 5 MPa

-0.8 -0.4 0 0.4 0.8 1.2

Deformação (%)

0

20

40

60

80

Te

nsã

o A

xia

l Des

viad

ora

(M

Pa)

Deformação Axial

Deformação Lateral

Deformação Volumétrica

Parâmetros ElásticosE = 10,0 GPa = 0,09

rup 63.7 MPA

124

Ensaio Triaxial CP 03 - Tensão Confinante 5 MPa

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Deformação (%)

0

10

20

30

40

Te

nsão

Axi

al D

esv

iad

ora

(MP

a)

Deformação Axial

Deformação Lateral

Deformação Volumétrica

Módulo de DeformabilidadeE = 5,4 GPa

rup 31,3 MPa

125

Ensaio Triaxial CP 04 - Tensão Confinante 2,5 MPa

-0.8 -0.4 0 0.4 0.8

Deformação (%)

0

4

8

12

16

20

Te

nsão

Axi

al D

esvi

ado

ra (

MP

a)

Deformação Axial

Deformação Lateral

Deformação Volumétrica

Parâmetros ElásticosE = 7,0 GPa = 0,485

126

Ensaio Triaxial CP 02 - Tensão Confinante 1 MPa

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Deformação (%)

0

5

10

15

20

Te

nsão

Axi

al D

esv

iad

ora

(MP

a)

Deformação Axial

Deformação Lateral

Deformação Volumétrica

Parâmetros ElásticosE = 4,2 GPa = 0,26

rup 17,8 MPA

127

Ensaio de Compressibilidade Cíclica – CP 13

128

Ensaio Triaxial CP 13 - Tensão Confinante 14 MPa

-0.5 0.0 0.5 1.0

Deformação (%)

0

10

20

30

40

50

Te

nsão

Axi

al D

esvi

ador

a (M

Pa)

Deformação Axial

Deformação Lateral

Deformação Volumétrica

Módulo de DeformabilidadeE = 7.4 GPa

rup 42,1 MPa