Caracterização da Estrutura Porosa das Coquinas da Formação Morro do Chaves, Bacia de Sergipe-Alagoas

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1 Mecânica das Rochas para Recursos Naturais e Infraestrutura Conferência Especializada ISRM 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, deborapilotto@puc-rio.br Ruby Hernández-Pico, PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, rubyhernandez.pico@gmail.com Sergio A. B. da Fontoura PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, fontoura@puc-rio.br Sidnei Paciornik PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, sidnei@puc-rio.br 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 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

2 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 9 o e 11 o sul, ocupando uma área de aproximadamente km 2, da qual km 2 são em mar e km 2 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 Pré- Cambriano 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

3 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. 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 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 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,

4 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 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 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. Figura 5.Porosidade vugular observada na lâmina petrográfica CQS-01d (condições: luz transmitida polarizada, aumento 5X).

5 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. 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 Raios- X. 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. Figura 7. Formulário com a descrição da amostra CQS Análises de Porosidade Após as análises mineralógicas e das características petrográficas e texturais, passouse à pesquisa das propriedades do sistema poroso das coquinas estudadas 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.

6 realizados em amostras que permaneceram na estufa por 24 horas, a 150 o C, conforme recomenda a norma ASTM D 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 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 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. Tabela 1. Valores dos parâmetros obtidos através do processamento dos mosaicos das lâminas das coquinas. Lâmina Petrográfica N. de poros Área total poros (cm 2 ) Porosidade (%) CQS-01a ,32 7,39 CQS-01b ,02 7,36 CQS-01c ,33 6,74 CQS-01d ,82 7, Porosimetria por Intrusão de Mercúrio Os ensaios de porosimetria de mercúrio foram 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/m 3 e da densidade aparente seca é de 2,22 Mg/m 3. 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 cm 3. 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. Figura 9. Gráfico de intrusão acumulativa versus diâmetro dos poros dos corpos de prova de coquinas. A Figura 10 apresenta a distribuição incremetal versus raio dos poros das amostras de coquinas.

7 Verifica-se que este material possui uma distribuição multimodal de poros. 11. Tabela 3. Análise de porosidade. Amostra Porosidade Total (%) Poros conectados (%) Poros não conectados (%) CQS-01a 9,92 8,67 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 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 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.

8 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 15cm 3 apresentou valores bem superiores aos ensaios realizados com penetrômetros de 3 e 5 cm 3. 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 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: 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, 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.