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Escola Politécnica da Universidade de São Paulo DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MINAS E DE PETRÓLEO
PMI 1563 - INTRODUÇÃO À ENGENHARIA DE PETRÓLEO E À GEOMECÂNICA
O PETRÓLEO ¾ INTRODUÇÃO O termo “petróleo” vem do latim – petra e oleum – e significa “pedra de óleo”, tendo sido empregado pela primeira vez por Agrícola (1546), famoso pelo seu tratado De Re Metallica sobre a tecnologia de mineração e metalurgia. É encontrado na natureza preenchendo os interstícios das rochas, que tanto podem ser os vazios existentes entre os pequenos grãos de areia, eventualmente formando grandes espessuras de rochas denominadas arenitos, fendas abertas e intercomunicáveis de pequenas dimensões ou, ainda, cavidades de dissolução (em calcários) também intercomunicáveis. Na maioria dos casos ocorre a profundidades que podem atingir mais de 6000 m. ¾ AMBIENTE DE FORMAÇÃO Em condições normais, os restos de organismos que se depositam nos fundos dos mares são decompostos, graças à ação das bactérias, que exercem papel de suma importância no equilíbrio vital sobre toda a superfície terrestre. Caso não existissem, o acúmulo de restos mortos seria tão grande que impossibilitaria o desenvolvimento da vida normal. Graças às bactérias, a matéria orgânica volta à matéria mineral, transformando-se em água, gás carbônico e sais minerais. No processo de formação do petróleo, bem como da hulha, torna-se imprescindível a existência de condições que impeçam a destruição dos restos mortos. O local de deposição deve ser pobre de oxigênio, de aeração, que favorecem o desenvolvimento bacteriano destrutivo. Porém, em ambos os casos (petróleo e carvão), deve haver condições propícias à vida, a fim de que sobrem os respectivos restos mortos. •
CARVÃO MINERAL: Para o carvão mineral, o ambiente deveria ter sido o de lagoas de águas paradas, ao redor da qual havia florestas de grandes gimnospermas, cujos restos lentamente iam atulhando o lago. Graças ao soterramento, os restos vegetais, submetidos ao efeito da temperatura através de centenas de milhões de anos, vão gradativamente perdendo oxigênio e se enriquecendo de carbono, fenômeno denominado “hulheização” (turfa ¤ linhita ¤ carvão betuminoso ¤ antracito: 96% C).
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PETRÓLEO: Na formação do petróleo, a bacia fechada – não mais na região continental, mas nos mares do passado – deveria ter sido oxigenada na sua parte superior, permitindo o desenvolvimento da vida, porém com um fundo isento de correntes, isolado, sem oxigenação e, portanto, impróprio à vida bacteriana aeróbia. Admite-se que os seres viventes à superfície fossem preferencialmente os de vida planctônica (algas, flagelados, larvas de crustáceos, etc.). À medida que esses seres vão morrendo, seus restos vão-se acumulando no fundo da bacia sem aeração, sofrendo uma putrefação incompleta. O enxofre existente nas proteínas forma o gás sulfídrico (H2S), que torna o ambiente tóxico, impróprio à vida. Esta lama putrefata é admitida como a fase inicial da formação do petróleo e recebe a designação de “sapropel” (do grego, sapros, podre, e pelos, lama). O petróleo se origina da ação de pressão e temperatura relativamente elevadas, que atuam por longos milênios, sobre essa lama soterrada, fazendo com que haja a perda gradual do nitrogênio e do oxigênio, aumentando conseqüentemente o teor relativo do carbono e do hidrogênio.
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¾ MIGRAÇÃO E ACÚMULO DO PETRÓLEO Uma vez formado o petróleo, dá-se sua migração, sendo acumulado em rochas porosas e permeáveis, mais comumente os arenitos. Como estes são formados em ambiente de águas movimentadas, onde é improvável o lento acúmulo da matéria orgânica, não se admite que o petróleo tenha origem na rocha em que é encontrado. O acúmulo da matéria orgânica verifica-se, preferencialmente, nos sedimentos de granulação fina. O seu teor relativo é de 1 para as areias finas, 2 para os siltes e 4 para as argilas, como valor médio tomado a partir de diversas análises de rochas sedimentares. A existência de matéria orgânica em maior quantidade nas argilas resulta do ambiente tranqüilo de sedimentação, onde os restos dos microorganismos acumulam-se lentamente junto às partículas finas (< 4 μm) que formam as rochas argilosas. Verificando-se, entretanto, que a maior parte das formações petrolíferas ocorrem em sedimentos arenosos (cujo tamanho dos grãos indica ambiente de águas movimentadas), rochas nas quais o acúmulo de matéria orgânica seria difícil, conclui-se que o petróleo teria migrado do local de sua formação até a rocha reservadora, ou rocha-reservatório, onde é acumulado. Partindo dos primórdios de sua gênese, sabe-se que, no estágio inicial, a matéria orgânica se acha misturada a detritos minerais finíssimos, entre os quais predominam a argila e grande quantidade de água. Com o decorrer do tempo, a espessura dos sedimentos poderá atingir muitas centenas de metros, a ponto de fazer com que a água, acompanhada dos produtos fluidos existentes, seja expulsa. A migração inicia-se, desta forma, ao longo dos planos de estratificação da rocha matriz, que é a direção de mais fácil escoamento. É possível que o petróleo, em vias de formação, seja carreado sob a forma emulsionada, ou melhor, como gotículas finíssimas dispersas no veículo aquoso. À expulsão do petróleo da rocha onde foi gerado dá-se o nome de migração primária. Ao seu percurso ao longo de uma rocha porosa e permeável, até ser interceptado e contido por uma armadilha geológica, dá-se o nome de migração secundária. Grande parte dos depósitos petrolíferos está relacionada a perturbações tectônicas que determinam as estruturas acumuladoras (armadilhas). Por este motivo, admite-se que a migração seja igualmente influenciada por tais eventos geológicos, que podem ainda ser conjugados à elevação da temperatura. Caso não exista uma estrutura capaz de acumular e reter o petróleo, dar-se-á seu escape total à superfície. Nesta condição, poderá ser oxidado e destruído por completo, ou ser levado pelas correntes aquosas e novamente conduzido ao mar. Poderá, ainda, se as condições de superfície permitirem, acumular-se e formar os chamados lagos de asfalto. Quando o petróleo não atinge a superfície, seu acúmulo se dá em profundidade. A figura 1 ilustra a diversidade de estruturas capazes de acumular o petróleo.
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FIGURA 1 ¾ ROCHA-RESERVATÓRIO O petróleo, após ser gerado e ter migrado, é eventualmente acumulado em uma rocha que é chamada de reservatório (figura 2). Essa rocha pode ter qualquer origem ou natureza, mas para constituir um reservatório deve apresentar espaços vazios em seu interior (porosidade), e estes vazios devem estar interconectados, conferindo-lhe a característica de permeabilidade. Desse modo, podem constituir rochas-reservatório os arenitos e calcarenitos, e todas as rochas sedimentares essencialmente dotadas de porosidade intergranular que sejam permeáveis.
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FIGURA 2 Uma rocha-reservatório, de maneira geral, é composta de grãos ligados uns aos outros por um material, que recebe o nome de cimento. Também existe entre os grãos outro material muito fino chamado matriz. Normalmente existe comunicação entre os poros de uma rocha. Porém, devido à cimentação, alguns poros podem ficar totalmente isolados. Chama-se “porosidade absoluta” a razão entre o volume de todos os poros e o volume total da rocha. À razão entre o volume dos poros interconectados e o volume total da rocha dá-se o nome de “porosidade efetiva”. Como os poros isolados não estão acessíveis para a produção de fluidos, o parâmetro realmente importante para a engenharia de reservatórios é a porosidade efetiva, pois representa o volume máximo de fluidos que pode ser extraído da rocha. ¾ ROCHA SELANTE Atendidas as condições de geração, migração e reservatório, para que se dê o acúmulo do petróleo, existe a necessidade de que alguma barreira se interponha no seu caminho. Essa barreira é produzida pela rocha selante, cuja característica principal é sua baixa permeabilidade. As duas principais classes de rochas selantes são os folhelhos e os evaporitos (sal). A figura 3 esquematiza diversas situações geológicas ilustrando a migração do petróleo desde a rocha geradora até as rochas-reservatório. A disposição espacial entre rochasreservatório e rochas selantes propicia o acúmulo do petróleo.
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¾ CONDIÇÕES IMPRESCINDÍVEIS À EXISTÊNCIA DE PETRÓLEO EXPLORÁVEL 1. Existência de condições favoráveis ao acúmulo de matéria orgânica, a fim de possibilitar a formação da rocha matriz, ou rocha geradora (figura 4, quadro 1). 2. Ausência de agentes destrutivos (bactérias aeróbias), conjugada com agentes transformadores (bactérias anaeróbias), que propiciem as reações químicas e bioquímicas geradoras dos hidrocarbonetos, por decomposição de matéria orgânica (algas). 3. Existência de forças capazes de promover a migração dos hidrocarbonetos, tais como compressão por parte dos estratos superiores e expulsão da água e dos hidrocarbonetos emulsionados (migração primária), e posterior acúmulo em rocha porosa e permeável suscetível à migração secundária, através da flutuação na água, determinando a concentração (figura 4, quadro 2). 4. Existência de rocha permeável e porosa, que não só possa conter o petróleo, mas também possibilitar o seu fácil escoamento no poço produtor. É a chamada rocha acumuladora ou rocha-reservatório. A mais freqüente é o arenito, rocha porosa e permeável. 5. Existência de rochas impermeáveis que retenham o petróleo, impedindo que a migração progrida indefinidamente, determinando a sua perda. Tais rochas, denominadas rochas selantes, são comumente de natureza argilosa, predominando os folhelhos. 6. Existência de uma estrutura que permita a migração secundária. No caso de faltar esta condição, o petróleo encontrar-se-á disseminado na rocha acumuladora, não havendo pressão necessária ao fluxo combustível para o interior da perfuração (figura 4, quadro 3).
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