Flávia Priscila Souza Afonso
fsouza.afonso@gmail.com Leonardo Lagoeiro (DEGEOL/UFPR)Palavras-Chave: arenito; microestruturas; porosidade.
Introdução
A porosidade é um dos parâmetros fundamentais para determinar o fluxo de fluidos através das rochas e do solo. No entanto, em vez de ser imutável, a porosidade geralmente evolui com o tempo, o que tem consequências importantes para uma série de processos, incluindo extração de hidrocarbonetos de reservatórios subterrâneos, bombeamento de águas subterrâneas em aquíferos e sequestro de carbono em formações geológicas. Para a indústria de petróleo e gás, em particular, entender os mecanismos que impulsionam a evolução da porosidade é um desafio crítico na avaliação da estratégia de extração e da viabilidade econômica (Girnun et al. 2020)
Os processos que alteram a porosidade podem ser de natureza física ou química. Durante a compactação mecânica, por exemplo, os grãos podem ser reorganizados e até fraturados para reduzir o volume total de poros (Serra 1986; McDonald e Schmidt 1992; Chuhan et al. 2002, 2003; Bjørlykke 2006; Makowitz e Milliken 2003). Além disso, reações químicas, incluindo precipitação mineral, dissolução e substituição, também podem causar o fechamento dos espaços vazios ou até mesmo a criação de um novo espaço poroso (Taylor 1950; Dapples 1979; Chuhan et al. 2002; Anovitz et al. 2015).
Dessa forma, uma maneira de avaliar a qualidade de um reservatório e caracterizá-lo a partir de dois aspectos importantes da diagênese: a superfície ou borda dos grãos detríticos e a cimentação, ou seja, material em solução o qual preenche e sela o espaço poroso. Além disso é importante considerar que as deformações naturais de rochas e sedimentos altamente porosos tendem a formar estruturas conhecidas como bandas de deformação, que variam com relação ao mecanismo de deformação e cinemática, dependendo das condições externas e propriedades intrínsecas do meio deformante. Segundo Fossen et al. (2007), as bandas de deformação em rochas porosas são zonas que tendem a aumentar a coesão e reduzir a porosidade e a permeabilidade se comparadas as fraturas comuns.
Observações ao microscópio ótico, embora forneçam uma visão geral do agregado e seu espaço poroso, não permitem investigar os mecanismos de crescimento e seus aspectos cristalográficos. A aplicação da técnica de EBSD tem revelado feições microestruturais e cristalográficas importantes, relacionadas aos mecanismos de crescimento mineral e de suas orientações cristalográficas. Nesse sentido o EBSD pode ser uma técnica considerada crucial, uma vez que através dela pode-se obter dados cristalográficos essenciais ao entendimento dos mecanismos de crescimento de grãos de quartzo e seu cimento.
Desta forma, o objetivo desta pesquisa é analisar as relações entre os grãos de quartzo detrítico e o cimento de sílica de rochas quartzosas. A caracterização dos aspectos relacionados a evolução dessas rochas nos permitirá entender a relação da porosidade e permeabilidade com o cimento de sílica. Além do mais, nos permitirá realizar a caracterização das microestruturas e suas relações cristalográficas, características estas que são fundamentais para o entendimento da influência das bandas de deformação na porosidade e permeabilidade destas rochas e de qual forma essas características influenciam na qualidade do reservatório.
As rochas utilizadas para desenvolvimento desta pesquisa os são arenitos pertencentes ao Grupo Ilhas, localizado na Bacia de Tucano Central, estado da Bahia (Figura 1), referido ao intervalo Valanginiano - Aptiano, relacionado à fase rifte da Bacia. Os arenitos variam em granulometria da fração areia fina a média até areia grossa a muito grossa, com grânulos e seixos dispersos ou alinhados ao longo das camadas com colorações amareladas e avermelhadas. Os grãos do arcabouço são comumente arredondados a subarredondados, apresentam esfericidade média a alta e seleção variando de moderada a pobre nas frações mais grossas, e de moderada a bem selecionada nas frações mais finas (Costa et
Figura 1 - Localização da área de estudo - Grupo Ilhas – Bacia de Tucano Central (Fonte: modificado de Rodrigues 2018).
Estado da Arte
O termo banda de deformação já foi utilizado em diversos campos da ciência, como por exemplo, na ciência dos materiais (Brown et al. 1968) e deformação cristaloplástica de rocha (Passchier e Trouw 1996). No entanto, foi aplicado pela primeira vez no contexto da deformação de arenito por Aydin e colaboradores (Aydin 1978; Aydin e Johnson 1978, 1983). A compreensão a respeito dessas estruturas e sua influência no arcabouço estrutural das rochas ainda estão evoluindo. No entanto, é conhecido que diferentes tipos de bandas cinemáticas apresentam diferentes significados em relação aos mecanismos de deformação, alteração da estrutura dos poros da rocha e, portanto, porosidade e permeabilidade de possíveis rochas reservatórios (Fossen et al. 2007). A caracterização minuciosa da interferência das bandas de deformação em rochas com potencial reservatório necessita de uma análise estrutural e cristalográfica, que pode ser realizada através de técnicas como a Microtomografia Computadorizada por difração de raios-X (micro-CT) e a análise através da Difração de Elétrons Retroespalhados em Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV-EBSD).
O avanço tecnológico do micro-CT permite a análise tridimensional, não destrutiva, dos poros em microescala, além de quantificações automatizadas no volume. Além disso, a aplicação dos dados de micro-CT em cálculos e simulações de permeabilidade contribui significativamente para avaliação do potencial de um reservatório (Reis Neto et al. 2011). No estudo da porosidade em rochas são fornecidos dados qualitativos e quantitativos relacionados à forma, tamanho, distribuição, volume, área e conectividade dos poros, em microescala (Reis Neto et al. 2011).
Aliada a técnica de Micro CT, a análise por EBSD é uma técnica micro analítica para MEVs, utilizada para estudo da estrutura cristalina e a orientação cristalina da superfície da amostra até a escala nanométrica que fornece informações valiosas sobre amostras cristalinas e policristalinas que auxiliam na caracterização e compreensão das propriedades dos materiais como morfologia do grão, limite de grão, bem como textura de orientação, tensões internas e defeitos nas amostras (Moreira 2012). O uso conjugado dessas técnicas permite entender a porosidade e permeabilidade das rochas, a interferência do cimento de sílica e ainda a influência das bandas de deformação na porosidade destas rochas. Ainda é uma técnica pouco utilizada para a caracterização de rochas com potenciais reservatórios, logo, este é um trabalho pioneiro de aplicação desta técnica em rochas quartzosas com este objetivo.
Material e Métodos
Para a realização desta pesquisa foi realizado um levantamento de estudos realizados em arenitos para determinação de sua porosidade, seguido de um vasto levantamento bibliográfico acerca da influência das bandas de deformação na porosidade e permeabilidade de arenitos além de um
levantamento das técnicas usualmente utilizadas para caracterização da porosidade, permeabilidade e influência do cimento nestas rochas. A partir destas informações preliminares as amostras foram preparadas para análise. Inicialmente foram selecionadas áreas dentro e fora do bandamento, as mesmas foram cortadas com cerca de 1cm3 e embutidas com resina epóxi. A primeira análise realizada foi a microtomografia, por se tratar se uma análise não destrutiva e que não precisa de uma preparação minuciosa. Após a obtenção dos dados de microtomografia as imagens foram tratadas no software CT-
Analyser para gerar os dados percentuais de porosidade e ainda no software CTvox para gerar imagens
dos poros.
Para a aplicação da técnica de EBSD as amostras foram submetidas a um polimento e ultrapolimento a base de pastas diamantadas e sílica coloidal. Posteriormente foram selecionadas com auxílio de uma lupa, as áreas para aquisição de dados cristalográficos, determinação de possíveis feições microestruturais e informações acerca da caracterização da deformação. O processamento dos dados obtidos no EBSD foi feito utilizando o software Channel 5, no qual foram gerados mapas de fase, mapa de tamanho de grão, mapa de borda de grão, mapa de orientação cristalográfica e figuras de polo.
Resultados
Através da microtomografia, analisou-se a área AF - C localizada fora do bandamento (figura 2a). Constatou-se que esta área possui uma porosidade total de 29,3%, dentro desse valor, 28,87% corresponde a poros abertos e 0,69% refere-se a poros fechados (figura 2f), ou seja, quase 98 % da porosidade total 3D é composta por poros abertos. As análises de EBSD na área selecionada nos permitiu gerar um mapa de fases (figura 2c) onde foi constatado o quartzo como única fase mineral constituinte. Além disso foi detectada a existência de germinação do tipo dauphiné (figura 2c), que aliado as diferenças de orientações internas de até 11˚ dos grãos sugerem que eles foram deformados plasticamente. A distribuição do ângulo de desorientação representada no histograma de misorientation (figura 2e) nos mostra uma alta concentração de ângulos abaixo dos 11º, o que nos indica a presença de subgrãos. As figuras de distribuição dos polos de planos cristalográficos mostram que nessa área há uma tendência dos eixos cristalográficos c orientarem-se na direção da banda de deformação (Figura 2d).
Figura 2 – a) amostra do arenito bandado; b) embutimento da área escolhida e marcação da área para análise de EBSD; c) mapa de fases; d) figuras de polo; e) histograma de misorientation; f) dados de microCT da amostra embutida.
A amostra AF - D localizada dentro do bandamento (figura 3a) possui uma porosidade total de 26,31%, dentro desse valor, 24,17% corresponde a poros abertos e 2,14% refere-se a poros fechados (figura 3f). As análises de EBSD na área selecionada nos permitiu gerar um mapa de fases (figura 3c) onde foi constatado o quartzo como única fase mineral constituinte. A distribuição do ângulo de desorientação representada no histograma de misorientation (figura 3e) nos mostra uma alta concentração de ângulos abaixo dos 11º, o que nos indica a presença de subgrãos que podem ser
remetidos a uma deformação plástica. As figuras de distribuição dos polos de planos cristalográficos mostram que nessa área há também uma tendência dos eixos cristalográficos c (figura 3d).
Figura 3 – a) amostra do arenito bandado; b) embutimento da área escolhida e marcação da área para análise de EBSD; c) mapa de fases; d) figuras de polo; e) histograma de misorientation; f) dados de microCT da amostra embutida.
Discussões e Conclusões prévias
As bandas de deformação analisadas nos arenitos da formação (??) bacia Tucano-Jatoba(??) indicam que essas feições foram formadas por localização da deformação em regime dúctil-ruptil. As bandas de deformação são assimétricas e de espessura de poucos centímetros. Nesses locais a deformação se concentra e os grãos mostram sinais tanto de microfraturamento como deformação cristal- plástico. As duas amostras apresentam uma porosidade acima de 24% o que é um bom índice para rochas reservatório. A grande presença de subgrãos nas amostras, indicadas nos histogramas de
misorientation pode ser um indicativo de que os grãos estão deformados, o que também pode explicar a
presença de geminação dauphiné. As análises cristalográficas mostram que há um orientação dos eixos cristalográficos c do quartzo que se orientarem preferencialmente paralelo a direção das bandas de deformação, esses são indícios sugestivos de um crescimento orientado de grãos de quartzo, os quais crescem com maiores taxas paralelamente aos eixos de maior simetria. Apesar das duas amostras apresentarem porcentagem semelhantes de poros abertos, dentro do bandamento há um aumento de poros fechados em relação a área fora do bandamento, possivelmente a concentração dos materiais insoluveis a precipitação do quartzo, em constraste com o microfraturamento levam a um diminuicao da porosidade nessas bandas, uma vez que as bandas de deformação são locais onde os grãos de quartzo tem seus tamanhos reduzidos por microfraturamento, o que pode levar a uma canalização de soluções nesses locais auxiliando a dissolução dos grãos.
Atividades Futuras
Para as próximas etapas estão previstas as análises de outras duas amostras de áreas diferentes das já analisadas, além de aumentar as áreas de análise de EBSD da amostra D.
Agradecimentos
A autora agradece à UFPR pela estrutura cedida, ao programa de Pós Graduação de Geologia pela oportunidade de desenvolvimento desta pesquisa, ao Centro de Microscopia Eletrônica pela disponibilização de espaço físico, ao Instituto LACTEC/UFPR pelas análises de EBSD e ao Instituto LAMIR pelas análises de Micro CT.
Referências
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Dados Acadêmicos
Modalidade: Mestrado - Qualificação. Data do Exame de Qualificação: Julho/2020. Título Original do Projeto de Pesquisa: Caracterização de rochas quartzosas porosas por meio de microanálise de EBSD; Data de Ingresso na Pós-Graduação: Abril/2019; Geologia exploratória; Linha de Pesquisa: Evolução Crustal; Possui Bolsa: Não.