Conceitos Básicos de Geologia e Opções de Armazenamento João Marcelo Ketzer Coordenador geral do CEPAC marcelo.ketzer@pucrs.br
Tópicos abordados: Meio geológico: circulação de fluídos. Armazenamento de CO 2 em aquíferos salinos. Sistema petrolífero. Carvão como reservatório. Acumulações naturais de CO 2.
Armazenamento de CO 2 CO2 petróleo CO2 Source: Statoil Hydro
Opções de armazenamento Armazenamento geológico Tempo de residência provável do CO 2 : Milhares (milhões) de anos Capacidade estimada e parcela das emissões acumuladas em 2050*: Campos de petróleo 920 45% Aqüíferos salinos 400-10,000 500% Camadas de carvão 200 10% *Gt CO 2. Fonte: IEA Greenhouse Gas R&D Program
CIRCULAÇÃO DE FLUIDOS NO MEIO GEOLÓGICO Sistemas hidrodinâmicos e hidrostáticos
Circulação de fluidos em bacias sedimentares - regimes Menos favorável Circulação ativa, água doce Meteórico Compactação
CIRCULAÇÃO DE FLUIDOS NO MEIO GEOLÓGICO Sistema petrolífero
Componentes do Sistema Petrolífero 1. Rocha geradora 2. Migração 3. Rocha reservatório 4. Selo 5. Armadilha (trap)
Rocha Geradora Rica em matéria orgânica (cerca de 4%) principalmente algas Decantadas junto com lama no fundo de mares ou lagos Soterramento aumento da pressão e temperatura (geração de petróleo - óleo e gás)
Mancos Shale (Cretáceo Superior, EUA)
Afloramento da Formação Irati, Bacia do Paraná
Janelas de geração de óleo e gás Gás biogênico (metanogênese)
Migração Caminho percorrido pelo petróleo desde a rocha geradora até a rocha reservatório (centímetros a dezenas de quilômetros) Mecanismos de expulsão do petróleo: gravidade e pressão Rocha reservatório Rocha geradora
Migração primária rocha geradora com rede de fraturas
Armadilha gás água óleo óleo água Rocha selo Rocha transmissora Rocha geradora Migração secundária Rocha transmissora Migração primária
Migração secundária rocha geradora para reservatório
Forças que atuam sobre o petróleo durante a migração secundária:
Considerações sobre migração secundária: 1. Migração dos gases é mais rápida (permeabilidade relativa e força resultante) 2. Migração dos gases pode ser obliqua a dos líquidos (ambiente hidrodinâmico) 3. Contato gás-óleo-água pode não ser horizontal (ambiente hidrodinâmico) 4. Mesmas considerações são válidas para a migração de CO 2 no reservatório!
Depth (m) 0.1 0.01 0.5 0.05 Migração terciária ou desmigração escape do petróleo de um reservatório (mesmo fenômeno pode ocorrer com o CO2 armazenado) CO 2 Saturation 0.01-900 -1000 Caprock 0.3 0.1 0.05 Fault 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.05 0.01-1100 0.4 0.2-1200 0.05 0.4 0.3 0.2 0.01-1300 Caprock 0.3 Fault -1400-1500 0.05 0.2 0.5 0.5 0.01 0.1 0.6 0.3 0.1 0.6 0.4 0.01 0.1 0.1 0.5 0.4 0.5 0.05 0.3 0.4 0.6 0.2 0.05-3000 -2000-1000 0 1000 2000 3000 Distance from Injection Point (m) Rutqvist et al., CO2SC 2006, March 2006
Rocha Reservatório Rochas capazes de armazenar petróleo Parâmetros de qualidade: Porosidade: espaço para armazenar fluidos Permeabilidade: capacidade de transmissão de fluidos Heterogeneidade: presença de barreiras de fluxo Exemplo: arenitos rochas formadas pela consolidação de areia
POROSIDADE Arenito não poroso Arenito porosa poros
Gotas de óleo
PERMEABILIDADE conexão entre poros
HETEROGENEIDADE presença de barreiras impermeáveis internas
Rocha Selo ou Capeadora Rochas capazes de impedir a migração do petróleo (baixa permeabilidade) Exemplo: argilitos rochas formadas pela consolidação de argila
Lutito
Armadilha permite a acumulação de petróleo Rocha reservatório Rocha selo Estrutural e/ou estratigráfica
O SISTEMA PETROLÍFERO O timing ou seqüência dos eventos é fator crítico (exemplo migração sem a presença da armadilha). Mas... No armazenamento de CO 2 é possível controlar o tempo e o locus do armazenamento!
Sedimentary basin-fill 5 km Geological Cross Section 250 Ma GEOGRAPHIC EXTENT OF PETROLEUM SYSTEM 250 Ma A A STRATIGRAPHIC EXTENT OF PETROLEUM SYSTEM Janela de geração de óleo POD OF ACTIVE SOURCE ROCK Essential elements of petroleum system Overburden Seal Reservoir Source Top of oil window Underlying sequences Bottom of oil window Location for burial history chart AAPG: Magoon, L.B, and Dow, W.G: The Petroleum System-from source to Trap: AAPG Memoir 69.
Geological Cross Section Present Day GEOGRAPHIC EXTENT OF PETROLEUM SYSTEM Present-Day A Trap Trap Trap A STRATIGRAPHIC EXTENT OF PETROLEUM SYSTEM Petroleum accumulation Top of oil window Bottom of oil window Overburden Seal Reservoir Source Underlying sequences AAPG: Magoon, L.B, and Dow, W.G: The Petroleum System-from source to Trap: AAPG Memoir 69.
Elements Processes Event Chart 400 300 200 100 Geologic Time Scale Paleozoic Mesozoic Cenozoic (my) Petroleum D M P P T R J K P N System Events Rock Units Source Rock Reservoir Rock Seal Rock Overburden Rock Trap Formation Gen/Migration/Accum Preservation Critical Moment Critical Moment Time of Expulsion and Migration. (Trap must already exist) AAPG: Magoon, L.B, and Dow, W.G: The Petroleum System-from source to Trap: AAPG Memoir 69.
Elements Processes Event Chart 400 300 200 100 Geologic Time Scale Paleozoic Mesozoic Cenozoic D M P P T R J K P N Petroleum System Events Geological Timescale Rock Units Source Rock 250 My Storage Time Reservoir Rock Seal Rock Overburden Rock Trap Formation Need these in correct stratigraphic order Gen/Migration/Accum Preservation Critical Moment Critical Moment AAPG: Magoon, L.B, and Dow, W.G: The Petroleum System-from source to Trap: AAPG Memoir 69.
CO 2 CO 2
PRODUÇÃO ADICIONAL DE ENERGIA (Enhanced Oil Recovery) Relação 2,5 t/co 2 1 m 3 óleolight crude (25 API ou superior) Recuperação de até 40% do óleo residual (após injeção de água)
Projeto Weyburn
CARVÃO Origem e características Série: turfa-linhito-carvão-antracito
CARVÃO Evolução geológica, soterramento e compactação de grandes acumulações de matéria orgânica vegetal.
Os diferentes tipos de carvão
Aprisionamento por adsorção Forças intermoleculares tipo van der Waals
4 kgf de força adesiva! Full, Adhesive force of a single gecko foot-hair" (Autumn, K. et al., Nature 405, 681-685 (2000)
Burlington/Allison Área piloto de ECBM
PRINCIPAIS ACUMULAÇÕES DE CO2 Norphlet Fm. (Mississippi) St. Johns Field (Arizona) Madisson Limestone (Wyoming) North McCallum Field (Colorado) McElmo Dome (Colorado) Imperial Field (California) Bravo Dome (New Mexico) Intrusões basálticas (Terciário Alemanha) San Vittorino Plain (Itália) Japão Jiangsu (China)? Otway Basin (Austrália)
ACUMULAÇÕES DE CO2 NO CENTRO-OESTE DOS EUA
GERAÇÃO DE CO2 Orgânica Degradação da matéria orgânica por bactérias anaeróbicas: 2CH 2 O + SO 4 2- = 2HCO 3 - + HS - + H + (redução de sulfato) 2CH 2 O + H 2 O = HCO 3 - + CH 4 + H + (metanogênese)
GERAÇÃO DE CO2 Inorgânica Dissolução de rochas carbonáticas por água meteórica: CaCO 3 + H 2 O = HCO 3- + OH - + Ca 2+ Emanações de intrusões ígneas CO 2 juvenil Metamorfismo de contato em rochas carbonáticas
Geração de CO 2 por metamorfismo de contato CO 2 intrusão 400-600 C (1) 3Dol + 4Qzt + H 2 O = Tlc + 3Cal + 3CO 2 (2) 5Dol + 8Qzt + H 2 O = Tr + 3Cal + 7CO 2 (3) Dol + 2Qzt = Di + 2CO 2 (4) 2Tlc + 3Cal = Tr + Dol + H 2 O + CO 2 (5) 3Cal + Tr = Dol + 4Di + H 2 O + CO 2 (6) 11Dol + Tr = 13Cal + 8Fo + H 2 O + 9CO 2
Olivina em mármore
Volume de CO 2 gerado por metamorfismo de contato Espessura da zona de metamorfismo de contato (tipicamente entre 1 m e 2 km) Volume da intrusão Superfície de contato Composição do magma Temperatura
Estudo de caso: Campo gigante de CO 2 na Formação Norphlet, Mississippi Sumário do reservatório: (Anticlinal de Pisgah) Arenitos eólicos (Jurássico inferior) Coluna original de CO 2 : 154 m CO 2 -water contact: 4.827 m Altamente puro: > 98% CO 2 (3-120 ppm H 2 S) Volume in-place: 2,0 TCF (5,7 x 10 10 m 3 ) Recuperação 65% Operadoras: Shell, Chevron Descoberto em 1967 CO 2 transportado por gasodutos para injeção em campos de petróleo no Mississippi e Louisiana para EOR
Norphlet, Mississippi Cretáceo superior Norphlet Jurássico superior Salt - Jurássico inferior
Farnham Dome Utah (reservatório depletado de CO2) Profundidade 900 m 135 milhões m 3 de CO 2 puro (99%) entre 1931 e 1972 Localizado sob grande fontes estacionárias de CO 2 Re-injeção de CO 2 no mesmo reservatório.
McElmo Dome - Colorado CO2 emplacement a milhões de anos Profundidade 2100 m (supercrítico) Reservatório Leadville Limestone (dolomita) Mississipiano Selo 500 m de evaporitos do Pensilvaniano (+ 1500 m de folhelho e arenito) 300 km de dutos até a Bacia Permiana (Texas) Maior campo do mundo com produção comercial de CO2 Corrosão das tubulações de aço. Composição do gás: 98,2% CO 2, 1,6% N 2, 0,2% CH 4 Reserva total: 476 bilhões de m 3 (ca. 2 Gt) Produção anual: 1-15 Mt (desde 1982) equivalente ao armazenamento de todas as emissões acumuladas de uma termelétrica de carvão de 1GW por 20 anos!
Big Piney-La Barge - Wyoming Profundidade 4500 m Reserva estimada: 134 TCF (maior reserva conhecida) Composição do gás: CO 2 66-90%, HC 1-22%, N 2 7%, H 2 S 4,5%, He 0,5%
VAZAMENTOS NATURAIS DE CO2 NA SUPERFÍCIE
Vazamentos de CO2 na superfície Crystal Geyser, Green River, UT Fonte: Utah Geol. Survey
Vazamentos de CO2 na superfície Crystal Geyser, Green River, UT Fonte: Utah Geol. Survey
Vazamentos de CO2 na superfície CO 2 -charged spring in Ten Mile Graben, UT Fonte: Utah Geol. Survey
Vazamentos de CO2 na superfície CO 2 -charged spring in Ten Mile Graben, UT Fonte: Utah Geol. Survey
Vazamentos de CO2 na superfície Travertino, Yellowstone Park
Vazamentos de CO2 na superfície Vazamento intermitente de CO2 por poço abandonado nas proximidades de Green River (Farnham Dome?) Fonte: Utah Geol. Survey