Caracterização da Estrutura Porosa das Coquinas da

Mecânica das Rochas para Recursos Naturais e Infraestrutura
SBMR 2014 – Conferência Especializada ISRM 09-13 Setembro 2014
© CBMR/ABMS e ISRM, 2014
Caracterização da Estrutura Porosa das Coquinas da Formação
Morro do Chaves, Bacia de Sergipe-Alagoas
Débora D. Pilotto
PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
Ruby Hernández-Pico,
PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
Sergio A. B. da Fontoura
PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
Sidnei Paciornik
PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
RESUMO: No Brasil, as rochas carbonáticas ganharam uma grande importância com a descoberta
dos reservatórios carbonáticos do pré-sal. Entender e caracterizar estes reservatórios exigirá grandes
esforços em pesquisa e desenvolvimento, incluindo-se o estudo de rochas carbonáticas análogas.
As amostras analisadas no presente estudo foram coletadas na pedreira CIMPOR, localizada no
Estado de Alagoas. Face aos poucos estudos já realizados até então, faz-se necessária uma
investigação sobre as características desta rocha carbonática. O objetivo deste trabalho consiste na
caracterização geológica de amostras de coquinas da bacia de Sergipe-Alagoas, envolvendo a
elaboração de uma metodologia de trabalho e sua aplicação prática. O programa experimental
consistiu na caracterização mineralógica, textural e diagenética, bem como na realização de ensaios
de porosidade. A difração de raios-X constatou a presença de calcita e quartzo, que foram
comprovadas pela análise das lâminas petrográficas. Os processos diagenéticos observados nas
amostras de coquina foram a dissolução, cimentação e substituição. A técnica de porosimetria por
intrusão de mercúrio se mostrou útil na determinação da porosidade dos materiais. Os valores de
porosidades variaram de 9,52 a 12,21 %. A técnica de microtomografia se mostrou útil na realização
de análises de porosidade, distribuição dos tamanhos dos poros e na visualização do arranjo dos
poros na matriz rochosa. A técnica de determinação da porosidade através do processamento digital
de lâminas petrográficas demonstrou ser um método bastante promissor. Os resultados das análises
foram próximas aos obtidos pela porosimetria de mercúrio e pela microtomografia de Raios-X.
PALAVRAS-CHAVE: Coquinas, Caracterização geológica, mineralogia, porosidade.
1
INTRODUÇÃO
No Brasil, as rochas carbonáticas ganharam
uma grande importância com a descoberta dos
reservatórios carbonáticos do pré-sal. Entender
e caracterizar estes reservatórios, exigirá
grandes
esforços
em
pesquisa
e
desenvolvimento.
Na indústria do petróleo a obtenção de
testemunhos para a realização de pesquisas é
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limitada devido aos custos e impactos nos
cronogramas
de
perfuração.
Complementarmente,
a
avaliação
do
comportamento geomecânico da formação pode
ser conduzida em amostras de rochas análogas.
No caso dos reservatórios de coquinas présal da Bacia de Campos são utilizadas amostras
de coquinas da Bacia de Sergipe-Alagoas, pois
ambas as formações representam o mesmo tipo
de material depositado no mesmo intervalo de
tempo (Nogueira et al., 2003).
As amostras analisadas no presente estudo
foram coletadas na pedreira CIMPOR,
localizada no Estado de Alagoas. Segundo
Nogueira et al., (2003), a Pedreira CIMPOR é
um dos raros afloramentos em superfície que
serve de análogo às coquinas da Formação
Lagoa Feia (Bacia de Campos). O acesso a estas
amostras de coquinas em Alagoas ajuda no
entendimento dos processos deposicionais e
história evolutiva de ambas as bacias,
representando assim, um alvo chave para o
entendimento das diferentes características em
termos de reservatório entre a Bacia de Alagoas
e a Bacia de Campos (Nogueira et al., 2003).
Face aos poucos estudos já realizados até
então nas coquinas da Bacia de Sergipe-Alagoas
e dada a importância de um melhor
conhecimento dos reservatórios do pré-sal, fazse necessária uma investigação sobre as
características desta rocha carbonática.
O objetivo do presente estudo é apresentar a
caracterização geológica de amostras de
coquinas da bacia de Sergipe-Alagoas, com
foco nas propriedades que afetam a taxa de
penetração na perfuração destas rochas,
envolvendo a elaboração de uma metodologia
de trabalho e sua aplicação prática.
2
GEOLOGIA
A Bacia de Sergipe-Alagoas situa-se na região
nordeste da margem continental brasileira, entre
os paralelos 9o e 11o sul, ocupando uma área de
aproximadamente 36.000 km2, da qual 24.000
km2 são em mar e 12.000 km2 são em terra.
O arcabouço estratigráfico da Bacia de
Sergipe-Alagoas, visualizado na
Figura 1, é constituído por 5 grupos e 20
formações litológicas, formadas desde o PréCambriano até o Plioceno. A deposição
sedimentar propriamente dita ocorre somente a
partir do Neocarbonífero, com a deposição de
sedimentos de origem glacial, culminando no
Plioceno com sedimentos marinhos rasos
(Nogueira et al. 2003).
Figura 1. Carta estratigráfica da Bacia de Alagoas.(Fonte
Neto et al., 2007).
As coquinas analisadas no presente estudo
pertencem à Formação Morro do Chaves, de
idade Barremiana, e são formadas por carapaças
de biválvios, com intercalações de folhelhos
orgânicos ricos em ostracodes e peixes
(Antonioli et al. 2004; Negrão & Cavalcanti,
2009).
Azambuja Filho et al. (1998) relatam em seu
trabalho, que a Formação Morro do Chaves foi
desenvolvida em ambiente lacustre com águas
rasas, salinas a hipersalinas, sujeito a períodos
sazonais de ressecamento. Durante os períodos
de nível elevado do lago, teriam se depositados
os folhelhos negros em ambiente anóxico, o que
favorecia a preservação da matéria orgânica. Os
biválvios viviam em águas rasas e oxigenadas e,
post mortem, suas carapaças eram retrabalhadas
por tempestades e acumuladas em bancos e
praias (Negrão & Cavalcanti, 2009).
3
MATERIAIS E MÉTODOS
As amostras de coquinas da Formação Morro
do Chaves foram coletadas na Pedreira
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CIMPOR (ex-Atol), localizada no município de
São Miguel dos Campos, Alagoas. A
localização do afloramento estudado pode ser
visto na Figura 2.
Figura 3. Fluxograma de Trabalho.
Figura 2. Localização da área de estudo.
Foram coletadas duas (2) amostras para a
realização da caracterização geológica. As
amostras coletadas foram nomeadas pela sigla
CQS (CQ-coquina, S-Sergipe-Alagoas) e
numeradas de 1 a 2.
A realização do presente estudo consiste em
três etapas fundamentais: Etapa Preliminar,
Etapa de Caracterização e Etapa de Correlações.
Estas três etapas podem ser visualizadas no
fluxograma da Figura 3.
A Etapa Preliminar foi composta pela
revisão bibliográfica, definição de análogos aos
reservatórios de coquinas pré-sal e aquisição de
amostras.
Inicialmente, foi necessário um estudo
bibliográfico sobre a origem, características e
classificações das rochas carbonáticas, focando
as rochas do pré-sal. Adicionalmente foi
realizada uma revisão sobre os principais
parâmetros de interesse e os tipos de ensaios
para a caracterização geológica e geomecânica
das rochas carbonáticas.
Finda esta etapa, foi definido o análogo aos
reservatórios de coquinas do pré-sal que seriam
estudados, considerando características como:
textura, composição mineralógia, agentes
formadores das rochas e resistência. Definido o
análogo, a etapa seguinte consistiu na coleta de
amostras representativas a fim de caracterizálas.
SBMR 2014
No decorrer da etapa de caracterização
geológica foram realizados ensaios de
porosidade, análises mineralógica, texturais e
microestruturais. Finda a caracterização, deu-se
início à etapa de interpretação dos resultados
onde se buscou correlacionar os parâmetros e
propriedades obtidos.
3.1
Ensaios de Caracterização
Os ensaios de caracterização definidos no
presente estudos foram subdivididos em:
análises mineralógicas, análises texturais e
análises de porosidade.
3.1.1 Análise Mineralógica
Os minerais foram reconhecidos por meio de
descrições
de
lâminas
petrográficas
(microscópio óptico com luz transmitida) e de
amostras de mão (descrição macroscópica),
além do ensaio de difração de Raios-X.
3.1.2 Análises Texturais
As análises texturais das rochas estudadas
foram realizadas a partir das descrições das
amostras de mão (análise macroscópica) com o
auxílio de uma lupa de bolso da marca Bausch
& Lomb, que apresenta uma faixa de
magnificação de 5x a 20x.
Na descrição macroscópica, além da textura,
foi determinada a coloração da rocha,
granulometria, grau de seleção dos grãos e
minerais presentes. As amostras foram tratadas
com ácido clorídrico e água oxigenada com o
intuito de identificar a presença do mineral
calcita e de matéria orgânica, respectivamente.
A textura das amostras também foi analisada
por meio do microscópio óptico.
As lâminas petrográficas das amostras de
coquina apresentam textura grossa a muito
grossa e os minerais observados foram a calcita,
aragonita e quartzo.
3.1.3 Análises de Porosidade
A análise de porosidade objetivou a conhecer os
tipos de poros, as suas dimensões e como estes
estão arranjados na estrutura da rocha. O
programa experimental também contemplou a
quantificação da porosidade.
Os métodos empregados para a análise da
porosidade foram: a análise e digitalização de
lâminas petrográficas com o auxílio de
programa computacional de tratamento de
imagens; porosimetria por intrusão de mercúrio;
e através da técnica de microtomografia de
Raios-X.
4
RESULTADOS
Neste item serão apresentados e discutidos os
resultados obtidos através do programa
experimental realizado.
4.1
Análises Mineralógicas
Os resultados dos ensaios mineralógicos foram
subdivididos em: análises de lâminas
petrográficas e difração de raios-X.
Figura 4. Conchas de biválvio observadas na lâminha
CQS-01b (condições: luz transmitida polarizada, aumento
2.5X).
Os processos diagenéticos observados nas
lâminas foram a dissolução, substituição e
cimentação. A dissolução pode ser evidenciada
pela presença de porosidade móldica e vugular,
que são características deste processo. A
substituição é observada nas partes das conchas
que foram substituídas por calcitas e a
cimentação é evidenciada pela presença de
calcita espática.
Os tipos de porosidade encontrados foram a
interparticular, intercristalina, vugular (Figura
5) e móldica.
4.1.1 Análises de Lâminas Petrográficas
Em todas as amostras dos materiais estudados
foi realizada a confecção de lâminas
petrográficas. Nestas lâminas foram feitos o
reconhecimento de minerais, análises de
textura, porosidade e feições diagenéticas.
Nas lâminas petrográficas das amostras de
coquinas, foram observadas conchas de
biválvios, representado na Figura 4. Muitas
dessas conchas ainda preservam a sua estrutura
fibrosa e outras foram preenchidas por calcita
espática.
SBMR 2014
Figura 5–.Porosidade vugular observada na lâmina
petrográfica CQS-01d (condições: luz transmitida
polarizada, aumento 5X).
4.1.2 Difração de Raios-X
O ensaio de difração de raios-X foi realizado na
amostra CQS-01, conforme explicitado no item
de materiais e métodos.
A Figura 6 apresenta o difratograma da
amostra CQS-01. Os minerais detectados foram
a calcita e quartzo, que também foram
observadas nas lâminas petrográficas. Observase na Figura 6 que a presença de quartzo é
pouco significativa quando comparada à calcita.
As amostras de coquinas apresentam
coloração cinza claro e são constituídas por
conchas de biválvios de tamanho centimétrico.
Texturalmente, as amostras são classificadas
como calcirruditos bioclásticos e apresentam
granulometria variando de grossa a muito
grossa. As amostras estudadas exibem má
seleção dos grãos.
Figura 6. Difratograma da amostra CQS-01. A letra C
representa o mineral calcita e a letra Q representa o
mineral quartzo.
Figura 7. Formulário com a descrição da amostra CQS-01
O mineral aragonita que foi observado nas
lâminas petrográficas não foi detectado no
difratograma. Logo, seria interessante a
realização de mais ensaios de difração de RaiosX.
4.2
Análise Textural
A textura das rochas foi analisada através de
amostras de mão e de lâminas petrográficas.
Nesta pesquisa, a descrição de amostras de
mão (análise macroscópica) foi realizada
segundo um formulário elaborado para diminuir
a subjetividade no reconhecimento dos
constituintes, granulometria, textura, seleção e
se as rochas efervescem com ácido clorídrico e
água oxigenada.
O formulário com a descrição macroscópica
da amostra CQS-01 está representado na Figura
7, e está documentado neste trabalho por ter
sido identificado como uma evolução da boa
prática na descrição da rocha.
SBMR 2014
4.3
Análises de Porosidade
Após as análises mineralógicas e das
características petrográficas e texturais, passouse à pesquisa das propriedades do sistema
poroso das coquinas estudadas.
4.3.1 Captura e Processamento de Imagens
A captura e o processamento das imagens foram
realizados em todas as lâminas petrográficas
confeccionadas nesta pesquisa.
A digitalização das lâminas petrográficas
consiste na captura de imagens em mosaicos.
Estes mosaicos podem ser unidos, formando
uma imagem panorâmica da lâmina petrográfica
conforme mostra a imagem realizada na lâmina
petrográfica CQS-01a ilustrada na Figura 8.
O processamento das imagens geradas
(mosaicos) foi realizado com o objetivo de
determinar a porosidade total, o número de
objetos (poros) presentes nas lâminas e a área
total ocupada pelos objetos.
realizados em amostras que permaneceram na
estufa por 24 horas, a 150oC, conforme
recomenda a norma ASTM D 4404. A Tabela 2
mostra os resultados dos ensaios de
porosimetria de mercúrio, disponíveis até a data
de fechamento deste trabalho.
Tabela 2. Resultados dos ensaios de porosimetria de
mercúrio realizado nas amostras de coquinas.
Corpos
de
prova
Figura 8- Sequência de mosaicos e a imagem panorâmica
(junção dos mosaicos) realizados na lâmina CQS-01a.
(Condições: luz transmitida polarizada).
A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos
através do processamento das imagens das
lâminas petrográficas das amostras de coquina.
Observa-se na Tabela 1 que os valores de
porosidade dos materiais contidos nas lâminas
foram muito próximos, sendo um indicativo do
comportamento homogêneo do material. O
valor médio calculado foi 7,26%, o que sugere
que as coquinas apresentam uma porosidade
significativa. Vale ressaltar, que a porosidade
calculada nas lâminas petrográficas se refere aos
poros conectados, em uma seção bidimensional
sendo, portanto a porosidade efetiva das
lâminas petrográficas.
Porosidade
efetiva
(%)
Densidade
Esqueletal
Aparente
(Mg/m3)
Densidade
Aparente
Seca
(Mg/m3)
Área
Porosa
Total
(m²/g)
CQS01a
10,85
2,28
2,03
0,16
CQS01b
9,52
2,30
2,08
0,19
CQS01c
10,27
2,37
2,13
0,24
CQS01d
11,57
2,34
2,07
0,22
CQS01e
12,21
2,65
2,32
0,18
Observa-se na Tabela 2 que os valores de
porosidade variam de 9,52 a 12,21 %, com um
valor médio de 10,88 %. O valor médio da
densidade esqueletal aparente é de 2,39 Mg/m3
e da densidade aparente seca é de 2,22 Mg/m3.
O maior valor de porosidade foi encontrado
na amostra CQS-01e, que é a que apresenta
maior dimensão e, portanto, foi analisada com o
penetrômetro de 15 cm3.
O gráfico de intrusão acumulada versus raio
dos poros está representado na Figura 9. O
gráfico mostra que as amostras CQS-01c e
CQS-01d apresentam os menores valores do
diâmetro mediano dos poros. Percebe-se ainda
que a amostra CQS-01a apresenta valores bem
superiores do diâmetro mediano dos poros,
ilustrando a heterogeneidade do material.
Tabela 1. Valores dos parâmetros obtidos através do
processamento dos mosaicos das lâminas das coquinas.
Lâmina
Petrográfica
N. de
poros
CQS-01a
CQS-01b
CQS-01c
CQS-01d
1418
4583
3965
3171
Área total
poros (cm2)
94,32
99,02
95,33
113,82
Porosidade
(%)
7,39
7,36
6,74
7,55
Figura 9. Gráfico de intrusão acumulativa versus diâmetro
dos poros dos corpos de prova de coquinas.
4.3.2 Porosimetria por Intrusão de Mercúrio
Os ensaios de porosimetria de mercúrio foram
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A Figura 10 apresenta a distribuição incremetal
versus raio dos poros das amostras de coquinas.
Verifica-se que este material possui uma
distribuição multimodal de poros.
11.
Tabela 3. Análise de porosidade.
Amostra
Porosidade
Total (%)
CQS-01a
9,92
Poros
conectados
(%)
8,67
Poros não
conectados
(%)
1,25
Figura 10. Gráfico de intrusão incremental versus
diâmetro dos poros dos corpos de prova de coquina.
Observa-se na Figura 10 que todas as curvas
apresentam comportamento bastante similar,
com picos de intrusão em torno de 1 µm, 10 µm
e 40 µm. Em todas as amostras foram
observados grandes picos de intrusão de
mercúrio no intervalo de raio dos poros de 30 a
100 μm, aproximadamente. Estes valores
podem ser atribuídos ao fato destas rochas
apresentarem poros grandes. Adicionalmente,
este comportamento ocorre devido a
imperfeições dos corpos de provas, que são
confundidos com poros e pela acomodação do
mercúrio dentro da câmara.
4.3.1 Microtomografia de Raios-X
A amostra de coquina foi ensaiada pelo
microtomógrafo Skyscan 1173, sendo utilizado
um filtro de alumínio de 1 mm na saída do tubo
de raios-X, para diminuir a intensidade das
baixas energias do feixe.
Depois da aquisição das imagens no
microtomógrafo foi realizada a reconstrução das
imagens, onde foram utilizados filtros com a
finalidade de atenuar o efeito de ruídos
presentes. A partir das imagens reconstruídas,
são realizadas as análises e processamento das
imagens em 2-D e 3-D.
A Tabela 3 apresenta a análise de
porosidade, no qual foi calculada a porosidade
total, poros conectados e não conectados.
Também foram realizadas análises 3-D da
distribuição dos diâmetros dos poros presentes
nas amostras estudadas, apresentados na Figura
SBMR 2014
Figura 11. Histograma com a distribuição do diâmetro
dos poros na amostra CQS-01a.
Observa-se na Figura 11 que o histograma
apresenta uma distribuição exponencial
negativa, com uma diminuição da frequência
com o aumento do diâmetro dos poros. Há uma
grande concentração (70%) de poros com
diâmetros variando de 100 a 250μm. O maior
diâmetro de poro encontrado na amostra foi de
5149,1μm e o valor mínimo foi de 182,27μm. A
resolução espacial da amostra de coquina foi de
9μm. Vale ressaltar que o filtro sigma além de
eliminar ruidos da imagem tambem elimina os
microporos. Por este motivo só os poros
maiores de 182,27μm foram captados nesta
análise.
Sendo assim, esta análise deve ser utilizada
com certa cautela, por considerar uma
microporosidade que pode, totalizada, ser
relevante na porosidade total.
Além das análises 3-D, foi realizada a análise
da porosidade ao longo das seções 2-D,
representada pela Figura 12. Nota-se que o
gráfico apresenta uma distribuição da
porosidade com variação de 6,97 a 15,25 %. A
porosidade média 2-D encontrada foi de 9,29%.
Valor próximo do encontrado na análise 3-D
(9,92%).
Após a realização das análises 2-D e 3-D das
imagens, foi realizada a etapa de geração do
modelo 3-D.
Figura 12. Perfil de porosidade das 1650 seções 2-D da
amostra de coquina.
O modelo 3D da amostra estudada pode ser
visualizado na Figura 13.
função da heterogeneidade dos corpos de prova
(i.e., fator escala). Os ensaios realizado com um
penetrômetro de 15cm3 apresentou valores bem
superiores aos ensaios realizados com
penetrômetros de 3 e 5 cm3.
A técnica de determinação da porosidade por
meio do processamento digital de lâminas
petrográficas demonstrou ser um método
bastante promissor. O resultado das análises
foram próximas aos obtidos pela porosimetria
de mercúrio e pela microtomografia de Raios-X.
A técnica de microtomografia se mostrou útil
na realização de análises de porosidade,
distribuição dos tamanhos dos poros e na
visualização do arranjo dos poros na matriz
rochosa. A microtomografia também permitiu
detectar a conectividade dos poros no interior
da rocha. A metodologia empregada no
processamento das imagens foi satisfatória. Os
modelos gerados representaram fielmente as
amostras analisadas.
REFERÊNCIAS
Figura 13. Imagem 3-D reconstruída da amostra de
coquina
4
CONCLUSÕES
A difração de raios-X constatou a presença de
calcita e quartzo, que foram comprovadas pela
análise das lâminas petrográficas. Os processos
diagenéticos observados nas amostras de
coquina foram a dissolução, cimentação e
substituição.
A técnica de porosimetria por intrusão de
mercúrio se mostrou útil na determinação da
porosidade dos materiais. Os valores de
porosidades variaram de 9,52 a 12,21 %. No
entanto, verificou-se uma influência na
dimensão do penetrômetro nos resultados em
SBMR 2014
American Society for Testing and Materials. (2010)
D4404: Standard Test Method for Determination of
Pore Volume and Pore Volume Distribution of Soil
and Rock by Mercury Intrusion Porosimetry. West
Conshohocken, Pennsylvania, United States, 07p.
Antonioli, L., Dino R. e Gallo V. (2004) Barremian
palynomorphs and associated fish remains of the
Sergipe/Alagoas Basin, Northeastern Brazil. Pólen
14: 447-448.
Azambuja Filho, N.C.; Arienti, L.M.; Cruz, F.E.G.
(1998). Guidebook to the Rift-Drift Sergipe-Alagoas
Passive Margin Basin, Brazil. AAPG International
Conference & Exibition, Rio de Janeiro.
Negrão, A. P. e Cavalcanti, R. M. B. (2009). Depósitos
carbonáticos da Formação Morro do Chaves
(Barremiano) na Pedreira CIMPOR, Bacia de
Sergipe-Alagoas, São Miguel dos Campos (AL). Livro
de Resumos da Jornada Giulio Massarani de
Iniciação Científica, Artística e Cultural da UFRJ 31:
15.
Neto, O. P. A. C.; Lima, W. S.; Cruz, F. E. G. (2007).
Bacia de Sergipe-Alagoas. Boletim de Geociência da
Petrobrás, v.15, n.2, 405-415 pp, Rio de Janeiro.
Nogueira, M. S.; Lemos, V. B.; Terra, G. J. S. (2003). As
“Coquinas” do Membro Morro dos Chaves, Cretáceo
Inferior da Bacia de Alagoas, e seu Potencial para
Reservatório de Petróleo. 2º Congresso Brasileiro de
P&D em Petróleo & Gás, 15 a 18 de junho de 2003,
Rio de Janeiro.