Conceitos Básicos de Geologia e
Opções de Armazenamento
João Marcelo Ketzer
Coordenador geral do CEPAC
[email protected]
Tópicos abordados:
•Meio geológico: circulação de fluídos.
•Armazenamento de CO2 em aquíferos salinos.
•Sistema petrolífero.
•Carvão como reservatório.
•Acumulações naturais de CO2.
Armazenamento de CO2
CO2
petróleo
CO2
Source: Statoil Hydro
Opções de armazenamento
Armazenamento geológico
Tempo de residência provável do CO2:
Milhares (milhões) de anos
Capacidade estimada e parcela das emissões acumuladas em 2050*:
Campos de petróleo
Aqüíferos salinos
Camadas de carvão
920
400-10,000
200
*Gt CO2. Fonte: IEA Greenhouse Gas R&D Program
45%
500%
10%
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
óleo
Rocha
selo
Rocha
transmissora
óleo
água
água
Migração secundária
Migração primária
Rocha
geradora
Rocha
transmissora
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 CO2 no
reservatório!
Migração terciária ou desmigração – “escape” do petróleo
de um reservatório
(mesmo fenômeno pode ocorrer com o CO2 armazenado)
CO2 Saturation
0.01
0.3
0.0
5
-900
0.50.01
-1000
0.10.1
Caprock
Fault
-1100
0.4
0.20.3
5
Caprock
0.05
0.2
Fault
0.01
0.1
0.6
0.5
0.5
-1500
0.05
-1400
0.3
-1300
0.4
-1200
0.
01
0.2
0.0
Depth (m)
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.05
0.01
0.1
0.5
0.4
0.6
0.6
0.1
0.01
0.4
0.3
0.5
0.3
0.2
0.05
0.4
0.1
05
0.
-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 CO2 é possível controlar o
tempo e o locus do armazenamento!
Geological Cross Section – 250 Ma
GEOGRAPHIC EXTENT OF PETROLEUM SYSTEM
250 Ma
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.
Sedimentary
basin-fill
5 km
A
Geological Cross Section – Present Day
GEOGRAPHIC EXTENT OF PETROLEUM SYSTEM
A
Present-Day
Trap
Trap
Trap
STRATIGRAPHIC
EXTENT OF
PETROLEUM SYSTEM
Overburden
Seal
Petroleum accumulation
Top of oil window
Bottom of oil window
Reservoir
Source
Underlying
sequences
AAPG: Magoon, L.B, and Dow, W.G: The Petroleum System-from source to Trap: AAPG Memoir 69.
A’
Event Chart
400
300
200
Paleozoic
D
M
P
100
Mesozoic
P
TR
J
Cenozoic
K
P
Geologic Time
Scale
(my)
Petroleum
System
Events
N
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
Rock Units
Event Chart
300
200
Paleozoic
D
M
P
100
Mesozoic
P
TR
J
Geologic Time
Scale
Cenozoic
K
Geological Timescale
P
N
Petroleum
System Events
Rock Units
Source Rock
Reservoir Rock
Seal Rock
Overburden Rock
Trap Formation
Storage
Time
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.
250 My
Elements
Processes
400
CO2
CO2
PRODUÇÃO ADICIONAL DE ENERGIA
(Enhanced Oil Recovery)
• Relação 2,5 t/CO2  1 m3 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:
2CH2O + SO42- = 2HCO3- + HS- + H+
(redução de sulfato)
2CH2O + H2O = HCO3- + CH4 + H+
(metanogênese)
GERAÇÃO DE CO2
Inorgânica
• Dissolução de rochas carbonáticas por água
meteórica: CaCO3 + H2O = HCO3- + OH- + Ca2+
• Emanações de intrusões ígneas – CO2 “juvenil”
• Metamorfismo de contato em rochas carbonáticas
Geração de CO2 por metamorfismo
de contato
CO2
intrusão
400600°C
(1) 3Dol + 4Qzt + H2O = Tlc + 3Cal + 3CO2
(2) 5Dol + 8Qzt + H2O = Tr + 3Cal + 7CO2
(3) Dol + 2Qzt = Di + 2CO2
(4) 2Tlc + 3Cal = Tr + Dol + H2O + CO2
(5) 3Cal + Tr = Dol + 4Di + H2O + CO2
(6) 11Dol + Tr = 13Cal + 8Fo + H2O + 9CO2
Olivina em mármore
Volume de CO2 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
CO2 na Formação Norphlet, Mississippi
Sumário do reservatório:
(Anticlinal de Pisgah)
• Arenitos eólicos (Jurássico inferior)
• Coluna original de CO2: 154 m
• CO2-water contact: 4.827 m
• Altamente puro: > 98% CO2 (3-120 ppm H2S)
• Volume in-place: 2,0 TCF (5,7 x 1010 m3)
• Recuperação 65%
• Operadoras: Shell, Chevron
• Descoberto em 1967
• CO2 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 m3 de CO2 puro (99%) entre 1931 e 1972
• Localizado sob grande fontes estacionárias de CO2
• Re-injeção de CO2 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% CO2, 1,6% N2, 0,2% CH4
• Reserva total: 476 bilhões de m3 (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: CO2 66-90%, HC 1-22%, N2 7%, H2S 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
CO2-charged spring in Ten Mile Graben, UT
Fonte: Utah Geol. Survey
Vazamentos de CO2 na superfície
CO2-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