EN 4418 - Aula 07 - Permeabilidade

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EN4418 - Petrofísica Profa. Juliana Toneli

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Permeabilidade

A permeabilidade de uma rocha é definida como a sua habilidade em conduzir fluidos.

 A permeabilidade está, portanto, diretamente relacionada com a

porosidade, o que indica que:

• rochas não porosas não possuem permeabilidade;

• depende fatores como tamanho, forma e variedade de tamanhos dos grãos de uma rocha;

• depende do grau de consolidação e de cimentação da rocha;

• O tipo de argila e de material cimentante entre grãos de areia interfere no seu grau. Algumas argilas (bentonitas) intumescem quando em contato com a água, bloqueando os espaços porosos.

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Permeabilidade

 O Engenheiro Henry Darcy, em 1856, desenvolveu uma equação de escoamento de fluidos que, desde então, tornou-se uma das ferramentas matemáticas padrão da Engenharia de Petróleo:

𝑢 = 𝑞 𝐴_𝐶 = − 𝑘 𝜇 𝑑𝑝 𝑑𝑙  Onde: • u = velocidade do fluido (cm/s); • q= vazão volumétrica (cm3_/s);

• A_c= área transversal da rocha (cm2₎ • k = permeabilidade da rocha porosa (Darcy0,986923m2₎ • = viscosidade do fluido (cP) • l = comprimento da amostra de rocha (cm) (atm/cm) Lei de Darcy

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Permeabilidade

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Permeabilidade

 1Darcy é a permeabilidade de uma rocha, na qual um gradiente de pressão de 1 atm/cm promove a vazão de 1 cm3_{/s de um fluido de}

viscosidade de 1 centipoise, através de 1 cm2_{de área aberta ao}

fluxo.

 Para validade da lei de Darcy, o escoamento deve ser laminar, com velocidade constante, em um meio poroso homogêneo e isotrópico. Limitações:

• materiais granulares grossos (por exemplo, pedregulhos), que devido ao grande diâmetro dos poros, podem não apresentar regime laminar. • argilas, que devido ao diâmetro diminuto dos filetes, o surgimento de

forças capilares e tensões superficiais torna o fluido praticamente imóvel.

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Permeabilidade

 Ordem de grandeza:

 1 Darcy: é um valor relativamente elevado

 A maior parte das rochas reservatório possuem permeabilidade menor que 1 Darcy.

 A unidade milidarcy (mD) é amplamente utilizada nas indústrias de petróleo e gás.

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Permeabilidade

 Permeabilidade absoluta: calculada com a rocha saturada com um único fluido (ou fase) tais como óleo, gás ou água;

 Permeabilidade efetiva: calculada quando existe a presença de mais de um fluido, sendo k_o, k_g e k_w as permeabilidades de óleo, gás e água, respectivamente

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Permeabilidade

 A interface entre os fluidos de reservatório durante seu movimento através dos canais porosos das rochas e, consequentemente, a soma da permeabilidade efetiva de todas as fases sempre será inferior à permeabilidade absoluta;

 Na presença de mais de um fluido na rocha, a razão entre a permeabilidade efetiva de qualquer uma das fases e a permeabilidade absoluta da rocha é chamada de permeabilidade

relativa (k_r) daquela fase, sendo:

k_ro= k_o/k; k_rw= k_w/k; e, k_rg= k_g/k

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Permeabilidade

 Permeabilidade primária: resultante do processo de deposição e litificação das rochas sedimentares.

 Permeabilidade secundária: resultante da alteração da matriz da rocha por processos como compactação, cimentação, fraturas e dissolução.

Processos como compactação e cimentação reduzem a permeabilidade, ao passo que a formação de fraturas e dissolução tendem a aumentá-la.

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Permeabilidade

Classificação da permeabilidade

Em algumas rochas reservatório, principalmente as rochas de carbonatos, a permeabilidade secundária é que fornece os principais canais para escoamento dos fluidos

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Permeabilidade

Classificação da permeabilidade

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Permeabilidade

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Permeabilidade

A permeabilidade de rochas reservatório de petróleo pode ser qualificada da seguinte maneira:

 Pobre: k < 1 mD  Razoável: 1 < k < 10 mD  Moderada: 10 < k < 50 mD  Boa: 50 < k < 250 mD  Muito boa: k > 250 mD Permeabilidade de rochas

Em alguns campos de petróleo, como ao Leste do Texas, a permeabilidade das rochas pode atingir valores da ordem de 4.600mD

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Permeabilidade

 Reservatórios impermeáveis: k < 1 mD

Permeabilidade de rochas

 Há 50 anos, rochas com k < 50 mD eram consideradas impermeáveis;

 Técnicas utilizadas para aumentar a permeabilidade permitem a exploração de reservatórios antes considerados não econômicos: estimulação hidráulica para produção de fraturas; acidificação.

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Permeabilidade

(1) Tamanho e forma dos grãos de areia Fatores que afetam a permeabilidade

Rochas formadas por grãos longos e planos, distribuídos com a maior dimensão na horizontal apresentarão elevada permeabilidade horizontal (k_H) e permeabilidade vertical média a elevada (k_V)

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Permeabilidade

Rochas formadas por grãos grandes e arredondados, a permeabilidade será relativamente elevada e da mesma magnitude em ambas direções.

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Permeabilidade

Rochas formadas por grãos pequenos e de forma irregular apresentam menor permeabilidade, especialmente na direção vertical. A maioria dos reservatórios de petróleo se encontra nessa categoria.

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Permeabilidade

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Permeabilidade

 Reservatórios com permeabilidade direcional são chamados anisotrópicos;

 A anisotropia afeta fortemente as características de escoamento de fluidos nas rochas

 A diferença entre as permeabilidades medidas em paralelo ou verticalmente em relação ao leito é uma consequência da origem dos sedimentos, pois os grãos acomodam suas faces mais longas e planas em uma posição horizontal;

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Permeabilidade

(2) Laminação

Fatores que afetam a permeabilidade

Minerais tais como a muscovita e laminações de xisto atuam como barreiras à permeabilidade vertical, sendo que a razão k_H/k_V varia na faixa de 1,5 a 3, podendo exceder 10 para algumas rochas reservatório. ht tp://m ine ral m ine rs.c o m /ht m l/m us m ins .st m ht tp://m ic ro sc o pi ao fi ci na .b lo gsp o t.c o m .br /2 012_ 03_ 01 _ar chi ve .ht m l

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Permeabilidade

(2) Laminação

 Nas rochas laminadas, a permeabilidade vertical pode exceder a horizontal em casos de fraturas, juntas verticais ou canais de solução verticais;

 As juntas atuam como barreiras à permeabilidade horizontal somente se estiverem preenchidas com argila ou outro mineral;

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Permeabilidade

(2) Laminação

 A importância dos minerais argilosos como um determinante da permeabilidade é frequentemente relacionada não somente à sua abundância mas também à sua mineralogia e composição dos fluidos dos poros.

 Os minerais de argila que cobrem a superfície dos grãos podem expandir ou ser expulsos devido a mudanças na química dos fluidos dos poros ou à invasão de lama filtrada, provocando uma redução na permeabilidade.

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Permeabilidade

(3) Cimentação

 A permeabilidade e a porosidade das rochas sedimentares se tornam reduzidas devido ao processo de cimentação.

 A extensão da cimentação e a localização do material cimentante dentro do espaço poroso também têm influência.

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Permeabilidade

(4) Fratura e dissolução

 Em rochas sedimentares de arenito, as fraturas não são um fator determinante no que se refere à permeabilidade, exceto quando os leitos são intercalados com xistos, calcários ou dolomitas;

 Em rochas de carbonatos, a dissolução de minerais ocorre pela percolação de águas ácidas de superfície e de subsuperfície conforme elas passam pelos poros primários, fissuras e fraturas, aumentando a permeabilidade da rocha reservatório;

 As permeabilidades horizontal e vertical normalmente são iguais, em muitas rochas reservatório.

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Permeabilidade

(1) Efeito de Klinkenberg

Fatores que afetam a determinação da permeabilidade

 À medida que a pressão média do gás aumenta, este tende a ter o comportamento semelhante ao de um líquido e a permeabilidade calculada diminui até um limite em que o gás se comporta como um líquido e a permeabilidade medida é igual à absoluta.

Fenômeno de escorregamento do gás nas paredes do meio poroso, resultando em medidas de vazão maiores do que as que seriam obtidas para líquidos, resultando em maiores valores de permeabilidade.

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Permeabilidade

Fatores que afetam a determinação da permeabilidade

Para corrigir o fenômeno do escorregamento, Klinkenberg propôs a seguinte equação:

𝑘_𝑔 = 𝑘_𝑙 1 + 𝑏 𝑝 Onde:

• k_g = permeabilidade aparente determinada em testes com gases; • k_l = permeabilidade absoluta da rocha;

• p = pressão média de escoamento do gás, medida em atmosferas; • b = fator de Klinkenberg, uma constante para um gás específico em

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Permeabilidade

A Figura ilustra a influência do tipo de gás utilizado sobre o comportamento da permeabilidade observado no experimento:

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Permeabilidade

Para um mesmo gás e amostras de diferentes permeabilidades, o fator b decresce com o aumento da permeabilidade:

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Permeabilidade

(2) Efeito da reação fluido-rocha

 Ocorre normalmente quando o meio poroso contém argila hidratável e a permeabilidade é medida com água de maior salinidade que a água de formação.

 Na tabela seguinte é possível observar a variação da permeabilidade com a salinidade da água:

• k_ar é a permeabilidade do ar;

• k_w é a permeabilidade à água doce (S_w = 100%)

• k_i é a permeabilidade à agua salgada de salinidade i.

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Permeabilidade

(2) Efeito da reação fluido-rocha

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Permeabilidade

(2) Efeito da sobrecarga

 A remoção da amostra da formação, com consequente alívio da sobrecarga, acarreta em alterações da rocha e da permeabilidade.  A figura seguinte ilustra a variação de permeabilidade com a

variação da sobrecarga para diferentes amostras, onde k_SC é a permeabilidade a uma dada pressão de sobrecarga e k_S=0 é a permeabilidade à pressão de sobrecarga nula.

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Permeabilidade

(2) Efeito da sobrecarga