Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, 2008. / Submitted by Raquel Viana (tempestade_b@hotmail.com) on 2009-11-09T20:34:19Z No. of bitstreams: 1 2008_CamilaWDDosAnjos.pdf: 6033823 bytes, checksum: be6902b5c819a6d2ba7709ee4d299fe7 (MD5) / Approved for entry into archive by Marília Freitas(marilia@bce.unb.br) on 2009-12-08T12:36:36Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2008_CamilaWDDosAnjos.pdf: 6033823 bytes, checksum: be6902b5c819a6d2ba7709ee4d299fe7 (MD5) / Made available in DSpace on 2009-12-08T12:36:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2008_CamilaWDDosAnjos.pdf: 6033823 bytes, checksum: be6902b5c819a6d2ba7709ee4d299fe7 (MD5) Previous issue date: 2008 / A Formação Irati (Permiano) apresenta uma ampla distribuição na Bacia do Paraná, estendendo-se desde os estados de Goiás e Mato Grosso, ao norte, até o Rio Grande do Sul. Esta unidade encontra-se frequentemente intrudida por sills de diabásio, cujo calor altera a mineralogia inicial das rochas sedimentares. A geometria heterogênea da bacia na época de deposição propiciou o desenvolvimento de diferentes fácies sedimentares nessa unidade, favorecendo a deposição de rochas terrígenas ao sul da bacia e carbonáticas e evaporíticas ao norte. No norte da bacia, área de estudo desta tese, seis fácies sedimentares foram reconhecidas na Formação Irati: Fácies Carbonática Dolomítica, Fácies Pelítica Inferior, Fácies Carbonática Oolítica, Fácies Pelítica Superior, Fácies Estromatolítica e Fácies Carbonática Rosada. As quatro primeiras fácies ocorrem em toda borda norte da bacia, e as duas últimas aparecem somente na região de Alto Garças. A composição mineralógica dos pelitos dessa região, assim como as feições sedimentares, distinguem-se de seus equivalentes nas demais regiões da bacia. Os folhelhos negros e os níveis de argilito verde intercalados são anomalamente formados por Mg- e Fe-esmectitas, saponita e nontronita respectivamente, e destacam-se ainda pela baixa concentração de Al e álcalis. A saponita ocorre tanto nos folhelhos sem influência térmica de sills quanto nos folhelhos próximos a esses corpos ígneos, onde está associada aos minerais metamórficos: talco, serpentina, piroxênio e plagioclásio. Os cristais metamórficos são diferenciados dos componentes sedimentares a partir de suas feições texturais e quantidades relativas. Os folhelhos negros sem influência térmica de sills são formados predominantemente por saponita e quartzo, com contribuições de talco, nontronita e serpentina, e os argilitos verdes são formados por nontronita, lizardita e quartzo, com contribuições de saponita e talco. A formação dos argilominerais citados acima está relacionada com a alteração de minerais detríticos máficos (piroxênio, anfibólio, olivina), que podem ser provenientes ou de uma área proximal, nas vizinhanças da bacia, ou de fontes vulcânicas distais, cujos detritos foram depositados a partir da queda de cinzas na bacia. A atual configuração da área fonte ao norte da bacia não é coerente com a composição dos argilominerais (saponita, talco, lizardita, nontronite), e nem com os demais minerais detríticos (Cr-espinélio, anfibólio, piroxênio, cromita entre outros), que indicam uma fonte predomiantemente máfica/ultramáfica. Um nível de argilito verde intercalado nos folhelhos negros, formado principalmente por nontronita e quartzo, apresenta quantidades anômalas de zircão, monazita, apatita e cromita, além de altos teores de ETR e acentuada anomalia em Ce. Essas características indicam a contribuição de cinzas vulcânicas na formação desse argilito, que segundo sua composição geoquímica, possui afinidade com rochas vulcânicas andesíticas. Atividades vulcânicas permianas com uma composição intermediária a básica são reconhecidas no Grupo Mitu, na porção central dos Andes. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT / The Permian Irati Formation has an extensive distribution in the Paraná basin, and is frequently intruded by diabase sills. The heterogeneous geometry of the basin in the depositional time propitiated the development of different sedimentary facies in this unit and favored the deposition of terrigenous rocks in the south portion of the basin and carbonate and evaporitic rocks in the north portion. In the north area, six sedimentary facies were distinguished in the Irati Formation: Dolomitic Carbonate Facies, Lower Pelitic Facies, Oolitic Carbonate Facies, Upper Pelitic Facies, Stromatolitic Facies and Pink Carbonate Facies. The first four facies are recognized in all the north area of the basin, but the last two ones occur only next to Alto Garças city. The pelites of these facies have a distinct mineral composition when compared with other areas of the basin. The black shales and green claystones interbedded have low amounts of Al and alkalis and they are anomalously formed of saponite and nontronite respectively. Saponite occurs in rocks without sill thermal influence and also in the contact with intrusive rocks. Thus, it is necessary to identify the non-metamorphic assemblages from the metamorphic ones in order to research the geochemical signature of the sediment sources. Next to the sills, the crystals of saponite, talc, lizardite, pyroxene and plagioclase were formed. These metamorphic minerals can be distinguished from the sedimentary ones by their relative quantities and texture. The black shales without sill thermal influence are formed predominantly by saponite and quartz, with less amounts of talc, lizardite and nontronite. The interbedded green claystones are composed of nontronite, lizardite and quartz, and in lesser amounts of talc and saponite. The formation of the Mg- and Fe-rich clay minerals is related to the alteration of mafic minerals (pyroxene, amphibole, olivine), whose origin could be either a proximal source area or a distal contemporaneous active volcanos (ashes). The clay minerals components of the pelites (saponite, talc, lizardite and nontronite) as well as the detrital minerals associated (Cr-spinel, amphibole, pyroxene, chromite among others) indicate a source area with a predominant mafic/ultramafic composition. One level of green claystone formed by nontronite and quartz has anomalous amounts of euhedral zircon, monazite, apatite and chromite, as well as high amounts of REE. These features indicate an important volcanic ash contribution to this level. According to their geochemical composition, these volcanic ashes have an andesitic composition. Permian volcanic activities with intermediate to basic composition are recorded in the Mitu Group, Central Andes. _______________________________________________________________________________ RÉSUMÉ / La Formation Irati (Permien) présente une vaste distribution dans le Bassin du Paraná, depuis les états de Goiás et de Mato Grosso, au nord, jusqu'à le Rio Grande do Sul, au sud du Brésil. Cette unité fréquemment se trouve traversée par sills de diabase, dont la chaleur change la minéralogie initiale des roches sédimentaires. La géométrie hétérogène du bassin à l'époque de dépôt a rendu propice le développement de différentes faciès sédimentaires dans cette unité, favorisant le dépôt de roches terrigènes au sud du bassin et carbonatées et évaporitiques au nord. Au nord du bassin, où se trouve le secteur d'étude de cette thèse, six faciès sédimentaires ont été reconnues pour la Formation Irati: Faciès Carbonaté Dolomitique, Faciès Pélitique Inférieur, Faciès Carbonaté Oolitique, Faciès Pélitique Supérieur, Faciès Stromatolitique et Faciès Carbonaté Rosé. Les quatre premiers faciès sont reconnus dans tout le bord nord du bassin, et les deux derniers arrivent seulement dans la région de Alto Garças - MT. La composition minéralogique des pélites de cette région, ainsi que les caractéristiques sédimentaires, se distinguent de leurs équivalents dans les autres régions du bassin. Les black shales et les niveaux d'argillite verte intercalés sont composés anormalement de smectites-Mg et -Fe, saponite et nontronite respectivement. Elles se distinguent en outre par la basse concentration d'Al et des álcalis. Pour la caractérisation de la paragenèse sédimentaire de ces pelites, il faut premièrement identifier l'influence de la chaleur des sills sous ces roches. La saponite est encore présente dans le contact avec les corps ignés. Proche des sills, la formation de saponite s’accompagne de talc, serpentine, pyroxène et plagioclase. Les cristaux métamorphiques ont été différenciés des composantes sédimentaires à partir des caractéristiques texturales et quantités relatives. Les black shales sans influence thermique de sills sont formés majoritairement par de la saponite et du quartz, avec des petites quantités de talc, nontronite et serpentine. Les argillites vertes sont formées par de la nontronite, lizardite et quartz, avec des contributions de saponite et de talc. La formation des minéraux argileux mentionnés ci-dessus est rapportée à l’altération des minéraux détritiques mafiques (pyroxène, amphibole, olivine), qui peuvent provenir ou d'un secteur proximal, dans les voisinages du bassin, ou de sources volcaniques distantes dont les débris ont été déposés à partir de la chute de cendres dans le bassin. L'actuelle configuration du secteur source au nord du bassin n'est pas cohérente avec la composition des minéraux argileux des pelites (saponite, talc, lizardite, nontronite), ni avec les autres minéraux détritiques associés (spinelle, amphibole, pyroxène, chromite entre autres). Ces derniers indiquent une source composée principalement par des roches mafiques/ultramafiques. Un niveau d'argilitte verte intercalée dans les black shales est formé principalement par de la nontronite et du quartz. Elle présente des quantités anormales de zircon, monazite, apatite et chromite, et de hautes teneurs en ETR. L’anomalie en Cérium et accentuée. Ces caractéristiques indiquent la contribution de cendres volcaniques dans la formation de cette argilitte, qui selon sa composition géochimique possède une affinité avec des roches andésitiques. Des activités volcaniques permiennes avec une composition intermédiaire à basique sont reconnues dans le Groupe Mitu, dans la portion centrale de Andes.

Este trabalho teve como objetivo avaliar a distribuição do carbono orgânico total e, secundariamente, o estudo mineralógico dos folhelhos devonianos da Formação Longá, bem como suas relações com sedimentação, tectonismo e magmatismo na Bacia do Parnaíba. Os folhelhos da Formação Longá são principalmente rítmicos, em lâminas alternadas com arenitos, e apresentam composições mineralógicas distintas nas faixas leste e oeste de afloramentos da bacia. Na faixa leste, os folhelhos contêm quartzo, , mica e clorita detríticos, calcita, dolomita e hematita, e albita autigênica. Na faixa oeste são compostos por feldspato potássico e caulinita, provavelmente detrítico e intempérica, respectivamente, além de quartzo, mica e clorita detríticos, argilomineral interestratificado illita/smectita e calcita. O quartzo não foi detectado em algumas amostras das faixas leste e oeste de afloramentos. A autigênese da albita pode estar relacionada com atividade magmática da Formação Sardinha, por efeito térmico e/ou de circulação de fluídos, ou ainda resultar da substituição de feldspato potássico por soterramento, que teria sido maior na parte leste da Bacia do Parnaíba. As amostras de folhelhos da Formação Longá analisadas apresentaram teores de COT muito baixos para serem consideradas como geradoras de hidrocarbonetos. Na faixa de afloramentos leste da Bacia do Parnaíba os folhelhos apresentaram valores de COT entre 0,33% e 0,02%, enquanto que na faixa de afloramentos da parte oeste da bacia os teores de COT variaram entre 0,61% e 0,05%. As variações nos teores podem estar relacionadas com a composição original do sedimento ou grau de intemperismo. Não há relação evidente entre os teores de COT e a proximidade de rochas básicas intrusivas, mas as amostras com teores mais baixos enco ntram-se na área de influência do Lineamento Transbrasiliano. Os folhelhos da Formação Pimenteiras estudados na borda oeste da bacia compõem pacotes de espessura métrica e são compostos por albita, mica, caulinita calcita e dolomita. O quartzo não foi detectado. A presença de pirita detrítica indica a vigência de condições anóxicas durante a deposição. Os valores de COT obtidos em amostras de folhelhos de folhelhos da Formação Pimenteiras, coletadas na faixa oeste de afloramentos, variaram de 0,68% a 1,55%, muito inferiores aos valores de 2% a até 6% reportados para a parte leste da bacia. Os menores teores da faixa oeste podem estar relacionados com a proximidade do Lineamento Transbrasiliano. A natureza siliciclástica dos folhelhos da Formação Longá mostra uma origem a partir de porções emersas do Gondwana que estavam sendo erodidas durante a deposição, a qual teria ocorrido sob clima temperado, em ambiente nerítico. As mudanças climáticas certamente afetaram a produção de biomassa e consequentemente a quantidade de matéria orgânica presente nos folhelhos das formações devonianas estudadas. Os dados obtidos neste trabalho representam uma abordagem inicial da distribuição do carbono orgânico total e da composição dos folhelhos da Formação Longá. Há recorrência vertical dos níveis de folhelhos, com diferentes teores de COT, bem como variações laterais desses teores. Desta forma, a melhor avaliação da Formação Longá requer estudos de detalhe com controle estratigráfico mais detalhado. / The main objective of this work was to evaluate the distribution of total organic carbon content (TOC) and secondarily the composition of shale of the Devonian Longá Formation in the Parnaíba Basin, Brazil. The possible relationship of TOC and shale composition in relation to the sedimentation, tectonics and magmatism in this basin were also analyzed. The shales of Longá Formation are rythmically interbedded with thin layers of sandstone and present different compositions in the east and west outcrop belts in the basin. To the east they include detrital quartz, mica and chlorite, calcite, dolomite and hematite, and authigenic albite. To the west they have detrital K-feldspar, quartz, mica and chlorite, I/S interestratified clay minerals, kaolinite and calcit e. Quartz is absent in some samples from eastern and western parts of the basin. Albite authigenesis was probably related to the thermal effect and/or fluid circulation during Late Cretaceous magmatic activity or to the K-feldspar substitution with burial, the eastern part of the basin being subject to deeper burial. The analyzed samples of shales from the Longá Formation show very low TOC values to be considered as hydrocarbon source rocks. In the eastern outcrop belt in the Parnaíba Basin the TOC values range from 0.33% to 0.02%, whilst in the western belt range from 0.61% e 0.05%. TOC content variations can be related to the original composition of the sediments or to the weathering degree. There is no clear relationship between TOC values and the proximity of intrusive bodies. Nevertheless, samples with low TOC content are within the zone of influence of the Transbrasiliano Lineament. The shales of the Devonian Pimenteiras Formation observed in the western part of the basin occurs as metric packs and are composed of mica, chlorite, kaolinite, calcite, dolomite and authigenic albite. Quartz is absent in all samples. The presence of detrital pyrite indicates anoxic conditions during deposition. TOC content in samples of shales from western outcrop belt of t he Pimenteiras Formation in the Parnaíba Basin show values ranging from 0.68% to 1.55%, which are much less than the values of 2% up to 6% reported to the eastern part of the basin. The lower TOC values can be related to the zone of influence of the Transbrasiliano Lineament. The siliciclastic nature of shales of the Longá Formation indicates an origin by erosion of emerged lands of Gondwana. The deposition would have occurred under a temperate paleoclimate, in a neritic environment. Climate change certainl y affected biomass production and consequently the organic matter content in shales of studied Devonian formations. The results of this study represent a first approach to understand the distribution of TOC content and mineralogical composition of shales o f Longá Formation. There is vertical recurrence of shales with different TOC content as well as lateral variations in this content. Thus, a better evaluation of Longá Formation requires more detailed studies with stratigraphic control.

Este trabalho teve como objetivo avaliar a distribuição do carbono orgânico total e, secundariamente, o estudo mineralógico dos folhelhos devonianos da Formação Longá, bem como suas relações com sedimentação, tectonismo e magmatismo na Bacia do Parnaíba. Os folhelhos da Formação Longá são principalmente rítmicos, em lâminas alternadas com arenitos, e apresentam composições mineralógicas distintas nas faixas leste e oeste de afloramentos da bacia. Na faixa leste, os folhelhos contêm quartzo, , mica e clorita detríticos, calcita, dolomita e hematita, e albita autigênica. Na faixa oeste são compostos por feldspato potássico e caulinita, provavelmente detrítico e intempérica, respectivamente, além de quartzo, mica e clorita detríticos, argilomineral interestratificado illita/smectita e calcita. O quartzo não foi detectado em algumas amostras das faixas leste e oeste de afloramentos. A autigênese da albita pode estar relacionada com atividade magmática da Formação Sardinha, por efeito térmico e/ou de circulação de fluídos, ou ainda resultar da substituição de feldspato potássico por soterramento, que teria sido maior na parte leste da Bacia do Parnaíba. As amostras de folhelhos da Formação Longá analisadas apresentaram teores de COT muito baixos para serem consideradas como geradoras de hidrocarbonetos. Na faixa de afloramentos leste da Bacia do Parnaíba os folhelhos apresentaram valores de COT entre 0,33% e 0,02%, enquanto que na faixa de afloramentos da parte oeste da bacia os teores de COT variaram entre 0,61% e 0,05%. As variações nos teores podem estar relacionadas com a composição original do sedimento ou grau de intemperismo. Não há relação evidente entre os teores de COT e a proximidade de rochas básicas intrusivas, mas as amostras com teores mais baixos enco ntram-se na área de influência do Lineamento Transbrasiliano. Os folhelhos da Formação Pimenteiras estudados na borda oeste da bacia compõem pacotes de espessura métrica e são compostos por albita, mica, caulinita calcita e dolomita. O quartzo não foi detectado. A presença de pirita detrítica indica a vigência de condições anóxicas durante a deposição. Os valores de COT obtidos em amostras de folhelhos de folhelhos da Formação Pimenteiras, coletadas na faixa oeste de afloramentos, variaram de 0,68% a 1,55%, muito inferiores aos valores de 2% a até 6% reportados para a parte leste da bacia. Os menores teores da faixa oeste podem estar relacionados com a proximidade do Lineamento Transbrasiliano. A natureza siliciclástica dos folhelhos da Formação Longá mostra uma origem a partir de porções emersas do Gondwana que estavam sendo erodidas durante a deposição, a qual teria ocorrido sob clima temperado, em ambiente nerítico. As mudanças climáticas certamente afetaram a produção de biomassa e consequentemente a quantidade de matéria orgânica presente nos folhelhos das formações devonianas estudadas. Os dados obtidos neste trabalho representam uma abordagem inicial da distribuição do carbono orgânico total e da composição dos folhelhos da Formação Longá. Há recorrência vertical dos níveis de folhelhos, com diferentes teores de COT, bem como variações laterais desses teores. Desta forma, a melhor avaliação da Formação Longá requer estudos de detalhe com controle estratigráfico mais detalhado. / The main objective of this work was to evaluate the distribution of total organic carbon content (TOC) and secondarily the composition of shale of the Devonian Longá Formation in the Parnaíba Basin, Brazil. The possible relationship of TOC and shale composition in relation to the sedimentation, tectonics and magmatism in this basin were also analyzed. The shales of Longá Formation are rythmically interbedded with thin layers of sandstone and present different compositions in the east and west outcrop belts in the basin. To the east they include detrital quartz, mica and chlorite, calcite, dolomite and hematite, and authigenic albite. To the west they have detrital K-feldspar, quartz, mica and chlorite, I/S interestratified clay minerals, kaolinite and calcit e. Quartz is absent in some samples from eastern and western parts of the basin. Albite authigenesis was probably related to the thermal effect and/or fluid circulation during Late Cretaceous magmatic activity or to the K-feldspar substitution with burial, the eastern part of the basin being subject to deeper burial. The analyzed samples of shales from the Longá Formation show very low TOC values to be considered as hydrocarbon source rocks. In the eastern outcrop belt in the Parnaíba Basin the TOC values range from 0.33% to 0.02%, whilst in the western belt range from 0.61% e 0.05%. TOC content variations can be related to the original composition of the sediments or to the weathering degree. There is no clear relationship between TOC values and the proximity of intrusive bodies. Nevertheless, samples with low TOC content are within the zone of influence of the Transbrasiliano Lineament. The shales of the Devonian Pimenteiras Formation observed in the western part of the basin occurs as metric packs and are composed of mica, chlorite, kaolinite, calcite, dolomite and authigenic albite. Quartz is absent in all samples. The presence of detrital pyrite indicates anoxic conditions during deposition. TOC content in samples of shales from western outcrop belt of t he Pimenteiras Formation in the Parnaíba Basin show values ranging from 0.68% to 1.55%, which are much less than the values of 2% up to 6% reported to the eastern part of the basin. The lower TOC values can be related to the zone of influence of the Transbrasiliano Lineament. The siliciclastic nature of shales of the Longá Formation indicates an origin by erosion of emerged lands of Gondwana. The deposition would have occurred under a temperate paleoclimate, in a neritic environment. Climate change certainl y affected biomass production and consequently the organic matter content in shales of studied Devonian formations. The results of this study represent a first approach to understand the distribution of TOC content and mineralogical composition of shales o f Longá Formation. There is vertical recurrence of shales with different TOC content as well as lateral variations in this content. Thus, a better evaluation of Longá Formation requires more detailed studies with stratigraphic control.

[pt] Durante a perfuração de poços em seqüências argilosas, tais como os folhelhos, tem-se registrados sérios problemas operacionais e de estabilidade de poço. Estes problemas estão relacionados com as propriedades do fluido de perfuração, as condições de contorno e principalmente, com as propriedades da rocha perfurada. No estudo do comportamento da rocha a determinação das propriedades de resistência e deformabilidade tem caráter prioritário. Porém para folhelhos, características tais como mineralogia, conteúdo de minerais de argila, teor de umidade e porosidade, têm igual relevância. Entre os materiais disponíveis para a avaliação das características do folhelho, têm-se as amostras de calha, testemunhos preservados e perfis de poços. O presente trabalho avalia as metodologias existentes no estudo do sistema folhelho para a determinação das características que são relevantes no processo de instabilidade do poço. Nestas metodologias, incluem-se aquelas aplicadas a estudo das amostras de calha e testemunhos preservados, assim como os modelos de interpretação dos perfis de poço. Ao final são apresentadas recomendações a respeito das possíveis correlações dos resultados obtidos nas duas metodologias. / [en] While drilling shale, it is common to face serious operational and wellbore stability problems. These problems are related to drilling fluid properties, in- situ stresses and mainly rock properties. To achieve a good understanding of rock behaviour, highest priority must be given to strength and strain determination. However, when dealing with shales, we need also to take into account properties as mineralogy, clay content, water content and porosity. The available materials to conduct a shale property study are drilling cuttings, preserved cores and well logs. The scope of this work includes a review of the existent methods for a complete shale stability study. Finally, some recommendations regarding possible correlation between the appraised methods are presented. / [es] Durante la perforación de pozos en secuencias arcillosas, tales como los folhelhos, se han registrado serios problemas operacionales y de estabilidad del pozo. Estos problemas están relacionados con las propriedades del fluido de perforación, las condiciones de contorno y principalmente, con las propriedades de la roca perforada. En el estudio del comportamiento de la roca, la determinación de las propriedades de resistencia y deformabilidad tiene caráter prioritario. No obstante, para folhelhos, características tales como mineralogía, contenido de minerales de arcilla, teor de humedad y porosidad tienen igual relevancia. Entre los materiales disponibles para la evaluación de las características del folhelhos, se tienen las muestras de canal, testimonios preservados y perfiles de pozos. El presente trabajo evalúa las metodologías existentes en el estudio del sistema folhelhos para la determinación de las características que son relevantes en el proceso de inestabilidad del pozo. En estas metodologías, se incluyen aquellas aplicadas al estudio de las muestras de canal y testigos preservados, así como los modelos de interpretación de los perfiles de pozo. Al final se presentan recomendaciones con respecto a las posibles correlaciones de los resultados obtenidos en las dos metodologías.

[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 maioria dos problemas de instabilidade ocorre quando rochas argilosas como folhelhos são perfuradas e o fluido de perfuração interage com a rocha. A interação rocha- fluido é materializada através da troca de íons e moléculas de água entre o fluido de perfuração e a rocha, gerando como conseqüências à variação nas poropressões dentro do folhelho e a alteração na estrutura dos minerais. O presente trabalho tem como objetivo o estudo das mudanças nas propriedades físico-químicas de amostras de folhelhos quando imersas em água e em sais orgânicos e inorgânicos. Um equipamento de imersão foi desenvolvido no qual amostras de folhelho são postas em contato com fluidos. Os resultados eletroquímicos indicam que a imersão dos folhelhos em soluções salinas reduz, quando comparada com a água, as alterações nas propriedades mecânicas, químicas e eletroquímicas dos fluidos. Os resultados mostram também que os folhelhos de origem offshore são mais reativos que os folhelhos originados de plataforma terrestres, devido às propriedades de seus constituintes individuais e de sua microestrutura. Quando imersos, os cloretos e os formiatos reduzem a hidratação das amostras, as mudanças no pH, as alterações nas atividades químicas dos folhelhos e dos fluidos dos poros, na capacidade de troca catiônica, na composição química da matriz da rocha e fluido dos poros, além de diminuir a desintegração superficial das amostras. A microscopia ótica, eletrônica e a espectrometria de dispersão de energia indicam a deposição dos sais nas superfícies das amostras. / [en] Most of borehole instability problems occur when argillaceous rocks such as shales are drilled and the drilling fluid interacts with the rock. The rock-fluid interaction is materialized through the exchange of ions and water molecules between the drilling fluid and the rock, generating pore pressure variation inside the shale and changes in minerals structure. The present work has the objective of studying the changes in the physicochemical properties of shale samples when immersed in the water, inorganic and organic salts. Immersion equipment was developed in which shale samples are put in contact with fluid. The results show that immersion of shale samples in salt solutions reduce, when compared with de-ionized water, the changes in mechanics, chemical and electrochemical of solutions. The results also show that the shales from offshore platform are more reactive than terrestrial basin, in function of shale s individual constituents and microstructure. When immersed, the chlorides and formates reduce the rock water content, the changes in the rock pH, water activity of shale and interstitial water, in the cation exchange capacity, in the chemical composition of rock and interstitial water e reduce the shale s loss of mass. The results indicate that the ions presents in the rock and the fluids flow in the direction of decreasing solute concentration gradient. This result in the alteration the exchangeable bases of shales and the specific surface of clays minerals. The electronic and optic microscopy and energy dispersion spectrometry indicated a deposition of salts in the surface of samples.

Submitted by Gustavo Nascimento (gustavo.diniz@ufcg.edu.br) on 2018-01-24T12:44:30Z No. of bitstreams: 1 DANIELLY VIEIRA DE LUCENA – TESE PPGCEMAT 2018.pdf: 3908947 bytes, checksum: fcd5d2bc8ce65b22562ab8feb11da6ef (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-24T12:44:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DANIELLY VIEIRA DE LUCENA – TESE PPGCEMAT 2018.pdf: 3908947 bytes, checksum: fcd5d2bc8ce65b22562ab8feb11da6ef (MD5) Previous issue date: 2014-07-21 / Estudar formações geológicas suscetíveis à hidratação se configura como um desafio por se tratar de um fenômeno responsável por cerca de 90% dos problemas relacionados com a perfuração de poços de petróleo, além de se tratar de um tema que pouco se conhece sobre os mecanismos que regem tal fenômeno e ainda, pela escassez de estudos voltados para a análise de diferentes produtos que evitem a ocorrência da problemática (inibidores) da hidratação. Deste modo, este trabalho objetivou o estudo e a avaliação da eficiência de fluidos de perfuração aquosos inibidos e isentos de cloro no controle da hidratação de formações de folhelhos de várias regiões do país. Para isto, foram estudadas treze amostras de folhelhos brasileiros e duas amostras de argilas bentoníticas. Inicialmente, realizou-se a caracterização de todas as amostras com a finalidade de identificar as mais suscetíveis à hidratação. Em seguida, foi realizado o estudo para selecionar a melhor concentração de inibidor para contenção da expansão de argilas reativas e a partir dos resultados foi estabelecida a concentração ótima de inibidor (20g/ 350mL de água). A partir disto, foram desenvolvidos fluidos de perfuração com quatro diferentes inibidores de argila expansiva (sulfato de potássio, acetato de potássio, citrato de potássio e cloreto de potássio) e determinados o pH, a densidade, as propriedades reológicas e de filtração. Foi também determinada a dispersibilidade dos fluidos desenvolvidos. A partir dos resultados, concluiu-se que foram desenvolvidos com êxito fluidos de perfuração que apresentam satisfatórios desempenhos reológicos e de filtração e propriedades inibitivas. Excelentes resultados em relação às taxas de dispersibilidade também foram obtidas. De modo geral, os resultados obtidos indicam que o inibidor citrato de potássio apresentou o melhor controle da reatividade de formações reativas e que o mesmo se constitui em um produto alternativo à substituição dos inibidores comerciais utilizados pela indústria. / To study geological formations susceptible to hydration is a challenge because it is a phenomenon responsible for about 90% of problems associated to the drilling of oil well, in addition it is a topic that deal with mechanisms little known governing this event and also due to the scarcity of the studies focused on the analysis of different products that avoid the occurrence of the hydration problems (inhibitors). In this way, the aim of this work was study the efficiency of the based water inhibited drilling fluids free of chlorine in the control of hydration of shale formation from various regions of the country. For this, it was studied thirteen samples of brazilian shales and two samples of bentonite clays. Firstly, it was done the characterization of the samples with the purpose of identifying the more susceptible to hydration. Then, it was studied the best concentration of the inhibitor to hinder the expansion of reactive clays and from these results it was established the best concentration of inhibitor (20g/350mL of water). After, it was developed drilling fluids with four different inhibitors of expansive clay (potassium phosphate, potassium acetate, potassium citrate and potassium chloride) and estimated the pH, density, rheological and filtration properties of these fluids. It is also estimated the dispersibility of the developed fluids. From the results, it was concluded that the fluids was developed with success and presented satisfactory rheological, filtration and inhibits properties. Excellent results with regard to the rates of dispersibility were also obtained. In general, the results indicated that the inhibitor potassium citrate presented the best control of reactivity of the formation and it constitutes an alternative to substitute the commercial inhibitors used by petroleum industry.

Submitted by Pedro Barros (pedro.silvabarros@ufpe.br) on 2018-08-09T18:47:48Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Thales Lúcio Santos da Silva.pdf: 1336198 bytes, checksum: 4466dbd9b3976b626f7273e524f174f8 (MD5) / Approved for entry into archive by Alice Araujo (alice.caraujo@ufpe.br) on 2018-08-15T23:21:53Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Thales Lúcio Santos da Silva.pdf: 1336198 bytes, checksum: 4466dbd9b3976b626f7273e524f174f8 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-15T23:21:53Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Thales Lúcio Santos da Silva.pdf: 1336198 bytes, checksum: 4466dbd9b3976b626f7273e524f174f8 (MD5) Previous issue date: 2017-05-19 / CNPq / A Formação Ipubi corresponde à unidade litoestratigráfica do Grupo Santana que contém os folhelhos pirobetuminosos subjacentes aos evaporitos. O principal objetivo do trabalho foi a datação dos folhelhos pelo método Re-Os como forma de se obter idade absoluta da sua deposição, uma vez que os mesmos só possuem dados de datação relativa. Além disso, também foram determinados elementos químicos maiores, menores e traços para uma melhor compreensão das condições deposicionais. Os folhelhos foram analisados utilizando espectrometria de fluorescência de raios X para a análise de elementos maiores e traços e espectrometria de massas com ionização térmica (Thermal Ionization Mass Spectrometry – TIMS) para a determinação de isótopos de Re e Os. Dessa forma, obtiveram-se resultados a partir de parâmetros geoquímicos e isotópicos sugerindo que a incursão marinha na Bacia do Araripe iniciou-se com a deposição dos folhelhos da Formação Ipubi e não pelos sedimentos da Formação Romualdo. A partir das correlações entre os elementos químicos na forma de óxidos e normalização pelo NASC, os resultados obtidos pela geoquímica elemental sugerem que essas rochas são compostas por calcita, argilominerais (ilita, esmectita), feldspato alcalino, quartzo, apatita, celestita e sulfetos (esfalerita, pirita/calcopirita, galena). Baixas razões de Rb/Sr (0,03–0,87) e elevadas razões de Sr/Cu (2,64–21,35) sugerem condições áridas e úmidas durante a deposição dos folhelhos estudados. Parâmetros geoquímicos utilizando-se as concentrações de V e Ni indicaram ambiente redutor predominantemente marinho. Análises isotópicas Re-Os apresentaram variações nos valores de ¹⁸⁷Re/¹⁸⁸Os (45,12–875,61) e ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os (0,65–3,76) sugerindo que há diferentes paleoambientes deposicionais (marinho e lacustre) durante a deposição dessas rochas, sugerindo que houve incursão marinha durante sua deposição. Além disso, o fracionamento de Re-Os é controlado pelo ambiente redutor. Essa ideia também é sugerida pelas concentrações relativamente mais elevadas de Re (≈13,30 ppb) e de Os (≈156,34 ppt) encontradas nesses folhelhos. Os valores obtidos pelo ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os inicial (Osᵢ= 0,65–3,76) sugerem uma fonte mista (mantélica e crustal superior) para o Os adsorvido pela matéria orgânica nos folhelhos. Percebe-se que esses valores são iguais aos de Osᵢ, sugerindo que os sedimentos dessas rochas são marinhos. A melhor isócrona Re-Os forneceu uma idade para deposição dos folhelhos da Formação Ipubi de 104,2 ± 4,8 Ma. Essa idade sugere que sua deposição ocorreu no Albiano Superior (106–100,5 Ma) e não no intervalo Aptiano-Albiano, como sugerido por datações relativas, até então as únicas existentes para os folhelhos investigados. / which contains the black shales under evaporites. The main objective on this paper was the shales’ dating through the method Re-Os as a way to obtain the absolut age of their deposition, once they only have relative age data. Besides that, major elements and traces for understanding depositional conditions were also identified. The shales were evaluated by X-ray fluorescence spectrometry to major elements and traces analysis and termal ionization mass spectrometry (TIMS) for determination of isotopes of Re and Os. That way, the results from geochemistry parameters and from isotopic geochemistry obtained suggests that marine incursion in Araripe Basin started with the deposition of black shales from Ipubi Formation rather than by sediments from Romualdo Formation. The results by elemental geochemistry suggests this rocks are composed of calcite, argillomineral (ilite, smectite), K-feldspar, quartz, apatite, granite and sulfides (sphalerite, pyrite/chalcopyrite, galena). Low rates of Rb/Sr (0.03-0.87) and high rates of Sr/Cu (2.64-21.35) indicate arid and humid conditions during shales’ deposition. Geochemical parameters, using the V and Ni concentrations, also indicate a predominantly marine reducing environment. Isotopic analyzes Re-Os presented valeus variations of ¹⁸⁷Re/¹⁸⁸Os (45.12–875.61) and ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os (0.65–3.76) suggesting that are differents environmental (marine and lacustrine) that also indicate that there was a marine incursion during its deposition. Moreover, the fractionation of Re-Os is controlled by it’s reducing enviroment. That idea are also suggested by the relatively higher concentrations of Re (≈13.30 ppb) and Os (≈156.34 ppt) found on this shales. Values obtained by ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os initial (Osᵢ= 0.65–3.76) suggest a mixed source (mantle and upper crust) to Os on the organic matter in the shales but also that the shales’ sediments are predominantly marine. The best isochrone Re-Os provided an age for black shale deposition from Ipubi Formation of 104.2 ± 4,8 Ma. It indicates that it deposition occurred in the Early Albian (≈106–100.5 Ma) and not on Aptian-Albiano as suggested by relative dating, the only ones existing for the shales investigated until now.

[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.

O aço inoxidável é amplamente utilizado em sistemas para processamento e obtenção de derivados de folhelhos pirobetuminosos. Em função dos problemas de corrosão, originários da composição química dos folhelhos e do processamento em si, são gastos anualmente valores expressivos em manutenção e paradas programadas para reparos nestes sistemas. O presente trabalho busca estudar o processo de corrosão do aço inoxidável AISI 304L em meio simulado de retortagem de folhelhos, em condições de alta temperatura e em presença de elevados teores de enxofre, orgânico e inorgânico, empregando técnicas microscópicas e eletroquímicas. Os resultados mostraram que a temperatura influencia diretamente no processo de corrosão do aço, causando modificação na camada externa de óxidos. Este processo é agravado com a presença de sulfetos no meio, havendo formação, principalmente, de sulfetos de ferro sobre a superfície do aço inoxidável AISI 304L e consequente aumento do processo de corrosão. Foi observado que o enxofre de origem orgânica promove maior destruição da camada de óxido protetor do aço e aumento na formação do filme de sulfeto aderido à superfície deste material. Verificou-se ainda que o processo corrosivo é predominantemente químico, sendo o filme formado considerado protetor, do ponto de vista eletroquímico, no meio eletrolítico estudado / Stainless steel is widely used in systems for processing and obtaining of derivatives of oil shale. Due to the corrosion problems, are spending significant amounts in maintenance and shutdowns for repairs annually in processing these materials. The present work aims to study the corrosion process of stainless steel AISI 304 in simulated media of shale retorting under conditions of high temperature and elevated levels of sulfur, organic and inorganic, using electrochemical and microscopic techniques. The results showed that temperature directly influences the corrosion process of steel, causing modification in the outer layer of oxides with formation of iron sulfides on the surface of steel AISI 304L and consequent increase the corrosion process. This process is enhanced with the presence of sulfur in the simulated media. It was observed that the organic sulfur was a precursor and a catalyst for the studied corrosion process, promoting greater destruction of the protective oxide layer of steel and increase in the formation of iron sulfide deposits on the surface of this material. It was found that the corrosion process is predominantly chemical, with small contribution of electrochemical processes