Conceitos Básicos de Geologia e Opções de Armazenamento

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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 CO2 em aquíferos salinos. 
 
•Sistema petrolífero. 
 
•Carvão como reservatório. 
 
•Acumulações naturais de CO2. 
 
Armazenamento de CO2 
CO2 
petróleo 
Source: Statoil Hydro 
CO2 
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 920 45% 
Aqüíferos salinos 400-10,000 500% 
Camadas de carvão 200 10% 
*Gt CO2. Fonte: IEA Greenhouse Gas R&D Program 
CIRCULAÇÃO DE FLUIDOS 
NO MEIO GEOLÓGICO 
Sistemas hidrodinâmicos e hidrostáticos 
Circulação de fluidos em bacias 
sedimentares - regimes 
Meteórico 
Compactação 
Menos favorável 
Circulação ativa, água doce 
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 
geradora 
Rocha 
reservatório 
Migração primária – rocha geradora com rede de fraturas 
Migração primária 
Migração secundária 
Rocha 
geradora 
Rocha 
selo 
Armadilha 
Rocha 
transmissora 
Rocha 
transmissora 
água 
água 
óleo 
óleo 
gás 
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! 
0.01
0.01
0.01
0.0
1
0.01
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.
05
0.
1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.
1
0.2
0.2
0.2
0.
2
0.3
0.3
0.3
0.3
0.
3
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.5 0.5
0.5
0.5
0 .5
0.6 0.6
0.6
Distance from Injection Point (m)
D
ep
th
(m
)
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000
-1500
-1400
-1300
-1200
-1100
-1000
-900
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.05
0.01
Caprock
FaultCaprock
Fault
CO2 Saturation 
Rutqvist et al., CO2SC 2006, March 2006 
Migração terciária ou desmigração – “escape” do petróleo 
de um reservatório 
(mesmo fenômeno pode ocorrer com o CO2 armazenado) 
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 
Arenito não poroso Arenito porosa 
poros 
POROSIDADE 
“Gotas de óleo” 
PERMEABILIDADE 
“conexão entre poros” 
presença de barreiras impermeáveis internas 
HETEROGENEIDADE 
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! 
 
Overburden 
Seal 
Reservoir 
Source 
STRATIGRAPHIC 
EXTENT OF 
PETROLEUM SYSTEM 
Essential 
elements of 
petroleum 
system POD OF ACTIVE 
SOURCE ROCK 
Underlying 
sequences 
S
e
d
im
e
n
ta
ry
 
b
a
s
in
-f
il
l 
GEOGRAPHIC EXTENT OF PETROLEUM SYSTEM 
250 Ma 
Top of oil window 
Bottom of oil window 
Location for burial history chart 
A A’ 
AAPG: Magoon, L.B, and Dow, W.G: The Petroleum System-from source to Trap: AAPG Memoir 69. 
Geological Cross Section – 250 Ma 
5
 k
m
 
Janela de 
geração 
de óleo 
GEOGRAPHIC EXTENT OF PETROLEUM SYSTEM 
Present-Day 
STRATIGRAPHIC 
EXTENT OF 
PETROLEUM SYSTEM 
Petroleum accumulation 
Top of oil window 
Bottom of oil window 
Trap Trap Trap 
Seal 
Reservoir 
Source 
Underlying 
sequences 
Overburden 
A A’ 
AAPG: Magoon, L.B, and Dow, W.G: The Petroleum System-from source to Trap: AAPG Memoir 69. 
Geological Cross Section – Present Day 
AAPG: Magoon, L.B, and Dow, W.G: The Petroleum System-from source to Trap: AAPG Memoir 69. 
Event Chart 
400 300 200 100 Geologic Time 
Scale 
(my) Petroleum 
System 
Events 
Rock Units 
Source Rock 
Reservoir Rock 
Seal Rock 
Trap Formation 
Overburden Rock 
Gen/Migration/Accum 
Preservation 
Critical Moment 
Paleozoic Mesozoic Cenozoic 
D M P P T R J K P N 
E
le
m
e
n
ts
 
P
ro
c
e
s
s
e
s
 
Critical Moment 
Time of Expulsion and Migration. 
(Trap must already exist) 
400 300 200 100 Geologic Time 
Scale 
Petroleum 
System Events 
Rock Units 
Source Rock 
Reservoir Rock 
Seal Rock 
Trap Formation 
Overburden Rock 
Gen/Migration/Accum 
Preservation 
Critical Moment 
Paleozoic Mesozoic Cenozoic 
D M P P T R J K P N 
E
le
m
e
n
ts
 
P
ro
c
e
s
s
e
s
 
Critical 
Moment 
AAPG: Magoon, L.B, and Dow, W.G: 
The Petroleum System-from source to Trap: AAPG Memoir 69. 
Storage Time 
250 My 
Need these in correct stratigraphic order 
Geological Timescale 
Event Chart 
CO2 
CO2 
PRODUÇÃO ADICIONAL DE ENERGIA 
(Enhanced Oil Recovery) 
• Relação 2,5 t/CO2  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 
“Full, Adhesive force of a single gecko foot-hair" 
(Autumn, K. et al., Nature 405, 681-685 (2000) 
4 kgf de força adesiva! 
Burlington/Allison 
Área piloto de ECBM 
Norphlet Fm. (Mississippi) 
St. Johns Field (Arizona) 
Madisson Limestone (Wyoming) 
North McCallum Field (Colorado) 
McElmo Dome (Colorado) 
Imperial Field (California) 
Bravo Dome (New Mexico) 
Otway Basin 
(Austrália) 
Japão 
Jiangsu (China) 
Intrusões basálticas (Terciário 
Alemanha) 
San Vittorino Plain (Itália)? 
PRINCIPAIS ACUMULAÇÕES DE CO2 
ACUMULAÇÕES DE CO2 NO CENTRO-OESTE DOS EUA 
Orgânica 
 
• Degradação da matéria orgânica por bactérias 
anaeróbicas: 
 
2CH2O + SO4
2- = 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 = HCO
3- + OH- + Ca2+ 
 
• Emanações de intrusões ígneas – CO2 “juvenil” 
 
• Metamorfismo de contato em rochas carbonáticas 
GERAÇÃO DE CO2 
Geração de CO2 por metamorfismo 
de contato 
CO2 
400-
600°C 
intrusão 
(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 
Salt - Jurássico inferior 
Norphlet 
Jurássico 
superior 
• 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. 
Farnham Dome – Utah 
(reservatório depletado de CO2) 
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 
Fonte: Utah Geol. Survey 
Crystal Geyser, Green River, UT 
Crystal Geyser, Green River, UT 
Vazamentos de CO2 na superfície 
Fonte: Utah Geol. Survey 
Vazamentos de CO2 na superfície 
Fonte: Utah Geol. Survey CO2-charged spring in Ten Mile Graben, UT 
CO2-charged spring in Ten Mile Graben, UT 
Vazamentos de CO2 na superfície 
Fonte: Utah Geol. Survey 
Vazamentos de CO2 na superfície 
Travertino, Yellowstone Park 
Fonte: Utah Geol. Survey 
Vazamentos de CO2 na superfície 
Vazamento intermitente de CO2 por poço abandonado nas 
proximidades de Green River (Farnham Dome?)