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[pt] Os problemas na perfuração associados à instabilidade do poço são geralmente agravados quando camadas de folhelho são atravessadas, as quais constituem uma alta porcentagem do total das rochas perfuradas no mundo. O folhelho, quando submetido às tensões in situ, pode atuar como uma membrana semipermeável à passagem de íons através do seus poros. Este comportamento e o desenvolvimento de pressões osmóticas ao redor do poço, desempenham um papel fundamental no balanço das forças que instabilizam a rocha. Neste trabalho, um modelo computacional baseado na teoria da poroelastoplasticidade com formulação numérica pelo método dos elementos finitos, é utilizado para avaliar a influência da interação rocha-fluido na estabilidade de poços perfurados através de folhelho. Simulações efetuadas para diferentes cenários esclarecem a maneira como o modelo acopla e trata os mecanismos de transporte envolvidos (difusão hidráulica, osmose química, difusão iônica, advecção). Resultados mostram a pressão de poros e a resistência da rocha adversamente afetadas à medida que o folhelho fica exposto ao fluido de perfuração. É discutida a instabilidade do poço segundo os dados obtidos da variação da pressão de poros, tensões efetivas, área plastificada e deslocamento radial do poço. / [en] Drilling problems associated with wellbore instability are aggravated when shale beddings are drilled, which constitute a high percentage of drilled rocks in the world. Shale in contact with water base mud (WBM), when submitted to the in situ stresses, could have a semipermeable membrane system behavior. This behavior and the osmotic pressure developed around the wellbore have a fundamental role in the force equilibrium that makes the formation unstable. On this document, a computer model based in the poroelastoplasticity with numerical formulation based on finite element code is applied to estimate the influence of rock-drilling fluid interaction on the stability of borehole drilled through shale. Modeling conditions explains how the model couples and deals with driving forces involved (hydraulic diffusion, chemical osmosis, chemical diffusion, advection). Unfavorable consequences about the pore-pressure and rock strength are showed with the time rock exposure. Wellbore instability is discussed according to pore-pressure, effective stress, plastic zone and radial displacement results obtained in this document.

[pt] A perfuração de poços de petróleo através de folhelhos, que se constituem na maioria das rochas da coluna estratigráfica, pode apresentar problemas de instabilidade devido às interações fisico-químicas entre os fluidos de perfuração e estas rochas. Os custos associados à solução destes problemas são muito altos e dependendo da intensidade destes problemas, poços podem ser perdidos. Nesta tese, um novo equipamento, capaz de reaplicar parte das tensões que estão atuando na amostra de rocha, foi desenvolvido. Uma metodologia de testes para avaliar os mecanismos de interação rocha-fluido e para determinar os parâmetros de transporte de massa, necessários para análises de estabilidade de poços, é proposta. Especificamente, parâmetros que descrevem o transporte de água e íons devido a gradientes hidráulicos e químicos são determinados. O conhecimento destes parâmetros contribui para compreender a eficiência do fluido de perfuração no controle de instabilidades durante a perfuração. Testes realizados em dois folhelhos de plataformas offshore usando diferentes fluidos demonstraram a eficiência do equipamento e da metodologia de testes. Os parâmetros de transporte obtidos são consistentes com valores obtidos em outros trabalhos. / [en] The drilling of oil wells through shales, which constitute the majority of rocks in the stratigraphic column, may present instability problems due to physico-chemicals interactions between the drilling fluids and these rocks. The costs associated to the solution of these problems are very high and, depending upon the intensity of these problems, wells can be lost. In this thesis, a new equipment was developed which is capable of reapplying part of the stresses that were acting upon the rock sample. A testing methodology to evaluate rock-fluid interaction mechanisms and to determine the mass transport parameters, needed for wellbore stability analyses, is proposed. Specifically, parameters that describe the transport of water and ions due to hydraulic and chemicals gradients are determined. The knowledge about these parameters is instrumental to understand the efficiency of the drilling fluid in controlling instabilities during drilling. Tests carried out in two shales from offshore platforms using different fluids demonstrated the efficiency of equipment and of the testing methodology. The transport parameters obtained are consistent with values obtained elsewhere.

Les données sismiques et les forages des marges continentales distales permettent de comprendre l'architecture et l'évolution de ces domaines, dont l’évolution thermique est peu connue, même si on connaît que les systèmes hydrothermaux jouent un rôle clé dans la distribution des flux de chaleur. Cette thèse vise à étudier les produits diagénétiques dans les sédiments de pré- à post-rift, qui enregistrent l'évolution des interactions roche-fluide. Deux analogues fossiles ont été étudiés: la marge distale adriatique et le système hyper-étiré pyrénéen. Les études de terrain, pétrographiques et géochimiques révèlent une forte hétérogénéité dans la composition des fluides. Dans les premières phases de rifting, dominées par des failles normales à fort pendage, les fluides sont riches en carbonate,tandis que dans les dernières phases, caractérisées par des failles de détachement à faible pendage qui exhument les roches de la croûte continentale et du manteau, les fluides résultent riches en silice. Cette thèse a donc démontré que l'évolution tectonique des marges de rifting comporte aussi des changements spécifiques dans la chimie des fluides hydrothermaux. / Seismic and drill hole data from deep-water distal rifted margins allow to understand the architecture and evolution of these yet little investigated domain. Nonetheless, the thermal evolution is poorly constrained even if hydrothermal systems play a key role in determining the heat fluxes. This Thesis aims to investigate breccias, cements, veins and replacement minerals within the pre- to post-rift sediments that could testify the space-time evolution of rock-fluid interactions. Two fossil analogues are studied: the Adriatic distal margin and the Pyrenean hyper-extended system. Field, petrography and geochemical analyses reveal a strong heterogeneity in the composition of the fluids as well as their hydrothermal features. Two main types of fluids occur: carbonate-rich fluids refer to early rifting phases dominated by high-angle normal faults; silica-rich fluids are related to the last rifting stages characterized by low-angle detachment faults exhuming upper crust and mantle-related rocks. The results of this Thesis highlight how specific changes in the chemistry of the fluid system are intimate lylinked to the tectonic evolution of rifted margins.

[pt] A inundação com água de baixa salinidade é uma estratégia de recuperação avançada de petróleo (EOR) em reservatórios carbonatados, onde a concentração e composição da salmoura são cruciais para a remoção do óleo. Este estudo investigou os aspectos químicos e físicos da inundação com água de baixa salinidade e seu impacto na recuperação de petróleo, focando na interação e modificações na interface óleo-calcita. Medidas de FTIR foram utilizadas para caracterizar a adsorção e quantificar a remoção de óleo mineral Nujol em monocristais de calcita clivados no plano (104), antes e após condicionamentos nas salmouras em diferentes condições. Os resultados mostraram que o Nujol forma um filme contínuo na superfície da calcita, impedindo sua dissolução nas condições de condicionamento nas salmouras de menor teor de sal. A quantidade de óleo removido variou conforme a salinidade da salmoura. Nas condições experimentais investigadas, a superfície de calcita recém clivada é mais eficientemente convertida de oleofílica para hidrofílica quando condicionada em condição de salinidade intermediaria (LS75). A remoção de óleo foi quantificada por meio de análise FTIR semiquantitativa, variando de aproximadamente 20 por cento de óleo removido para água de formação (FW) até cerca de 81 por cento após condicionamento em LS75. A análise espectroscópica indicou uma competição entre a incorporação de espécies iônicas da salmoura na interface e a dissolução da calcita, afetando diretamente na cristalinidade da superfície. O condicionamento com água deionizada (DW) não resultou na remoção ideal de óleo devido à maior dissolução e readsorção de moléculas de óleo. O estudo também constatou que o magnésio exerceu maior influência na remoção de óleo da superfície em comparação com o cálcio. As superfícies previamente hidratadas com FW e DW apresentaram alterações significativas. A hidratação com FW não necessariamente causa dissolução, mas promove a adsorção de grupos OH, criando pontos de ancoragem para o óleo. Em contraste, a hidratação com DW resultou na perda de cristalinidade, gerando defeitos na superfície. Em ambos os casos, foram observadas mudanças nas bandas de vibração características do nujol, sugerindo diferentes interações do óleo com a superfície. Comparando a quantidade de óleo adsorvida nas três condições estudadas, a calcita hidratada com FW apresentou a maior quantidade de óleo adsorvido, associado à adsorção de íons na superfície. / [en] Low salinity water flooding is an advanced oil recovery (EOR) strategy in carbonate reservoirs, where the concentration and composition of the brine are crucial for oil removal. This study investigated the chemical and physical aspects of low salinity water flooding and its impact on oil recovery, focusing on the interaction and modifications at the oil-calcite interface. FTIR measurements were used to characterize the adsorption and quantify the removal of mineral oil Nujol on calcite single crystals cleaved along the (104) plane, before and after conditioning in brines under different conditions. The results showed that Nujol forms a continuous film on the calcite surface, preventing its dissolution under aging conditions in lower salinity brines. The amount of oil removed varied according to the salinity of the brine. Under the experimental conditions investigated, the freshly cleaved calcite surface is more efficiently converted from oleophilic to hydrophilic when conditioned in intermediate salinity condition (LS75). The oil removal was quantified using semiquantitative FTIR analysis, ranging from approximately 20 percent for formation water (FW) to about 81 percent after conditioning in LS75. Spectroscopic analysis indicated a competition between the incorporation of ionic species from the brine at the interface and the dissolution of calcite, directly affecting the surface crystallinity. Conditioning with deionized water (DW) did not result in optimal oil removal due to increased dissolution and re-adsorption of oil molecules. The study also found that magnesium had a greater influence on oil removal from the surface compared to calcium. The surfaces previously hydrated with FW and DW showed significant alterations. Hydration with FW does not necessarily cause dissolution but promotes the adsorption of OH groups, creating anchoring points for the oil. In contrast, hydration with DW resulted in a loss of crystallinity, generating defects on the surface. In both cases, changes in the characteristic vibration bands of nujol were observed, suggesting different interactions of the oil with the surface. Comparing the amount of oil adsorbed under the three conditions studied, the calcite hydrated with FW showed the highest amount of adsorbed oil, associated with ion adsorption on the surface.

[pt] A injeção de fluidos é uma prática comum na indústria de petróleo e um dos objetivos desta operação é aumentar o fator de recuperação dos campos petrolíferos. À medida que o óleo vai sendo produzido há naturalmente perda da quantidade de energia nativa, inerente ao reservatório, que manteria a continuidade da produção. Nesse ponto, fazem-se necessárias intervenções nos poços para dar continuidade à produção, lançando-se mão dos métodos de recuperação, dos quais a injeção de fluidos é um deles. As formulações desses fluidos de injeção são via de regra baseadas na utilização de água do mar (que é rica em magnésio) e em solução supercrítica com gás carbônico oriundo do próprio reservatório. Esses fluidos quando em contato com as rochas carbonáticas do pré-sal, propiciam a uma condição de ambiente químico nunca vivenciada quando este tipo de operação era realizada nos reservatórios nacionais anteriores à exploração no pré-sal. As rochas carbonáticas são reativas e a injeção de fluidos pode provocar alterações tanto na composição mineralógica quanto na composição dos fluidos produzidos. O objetivo deste trabalho é buscar evidências objetivas, identificação e quantificação, da precipitação ao longo do tempo de espécies minerais contendo magnésio formadas a partir de interações de rocha calcária (mais especificamente a calcita (CaCO3)) e fluido de injeção utilizado na recuperação avançada de poços de petróleo. Realizaram-se experimentos em que uma rocha calcária conhecida interagiu com CO2 supercrítico em meio a uma solução salina de água do mar sintética sob condições de temperatura e pressão da ordem de grandeza das encontradas em reservatórios do pré-sal. As amostras de rocha foram expostas ao fluido a 150 graus Celsius e 276 bar sob diferentes tempos de reação. Em seguida foram realizados ensaios de DRX e de composição química elementar (ICP-OES) onde ficou evidenciada a presença de magnésio na calcita após interação com o fluido de injeção, as análises por DRX não conseguiram constatar alterações na estrutura cristalina dessas calcitas pós reação. / [en] Fluid injection is a common practice in oil industry and one of its targets is to increase the recovery factor of oil fields. As the oil is being produced, there is naturally loss in the amount of the reservoir native energy to sustain production. At this point, human intervention is necessary to continue production, so recovery methods are used, of which fluid injection is one of them. These injection fluid formulations are usually based on seawater (which is rich in magnesium) and supercritical carbon dioxide solution from the reservoir itself, which in contact with the pre-salt carbonate rocks will lead to a condition of chemical environment never experienced when this operation was performed in national reservoirs prior to presalt exploration. The carbonate rocks are reactive and fluid injections can cause changes in both mineral composition and produced fluids composition. This work objectives the searching for evidences, identification and quantification, of mineral species precipitation containing magnesium from interactions of limestone (more specifically calcite (CaCO3)) and injection fluid used in the enhanced oil recovery. Experiments were performed in which a known powdered limestone rock interacted with supercritical CO2 in a saline solution of synthetic sea water under tipical conditions (temperature and pressure) found at pre-salt reservoirs. The rock samples were exposed to fluid at 150 Celsius degrees and 276 bar under different reaction times. Then, XRD analysis and elemental chemical composition (ICP-OES) tests were performed, showing the presence of magnesium in the calcite after interaction with the injection fluid, although the XRD analysis failed to verify changes in the crystalline structures of these calcites after reaction.