Os reservatórios lacustres do Grupo Lagoa Feia, seção rift da Bacia de Campos, margem Leste brasileira, tem mantido há décadas uma expressiva produção a partir de campos localizados em águas rasas. A descoberta de grandes acumulações na seção rift e sag (pré-sal) da Bacia de Santos reativou a exploração por reservatórios análogos na Bacia de Campos e em outras bacias marginais. Um estudo petrográfico e petrofísico sistemático foi executado sobre os reservatórios rift da Formação Coqueiros e sag da Formação Macabu do Norte da Bacia de Campos, com objetivo de caracterizar os principais controles sobre a gênese e evolução daqueles reservatórios não-convencionais e seus sistemas porosos. As principais petrofácies de reservatório reconhecidas foram grainstones e rudstones bioclásticos, arenitos ooidais argilosos e dolomitos na Formação Coqueiros, e crostas coalescentes e não-coalescentes de calcita fascicular, rudstones e grainstones intraclásticos e dolomitos na Formação Macabu. A evolução dos reservatórios bioclásticos foi controlada pelo balanço entre dissolução ou neomorfismo dos bioclastos aragoníticos de bivalves, favorecendo a geração de porosidade móldica pouco conectada, ou a preservação da porosidade interpartícula bem conectada, controlando a permeabilidade dos reservatórios. Os arenitos de oóides de argilas magnesianas sofreram dissolução e substituição por dolomita e sílica, o que gerou sistemas porosos altamente heterogêneos, compostos por poros móldicos, intercristalinos, vugulares e microcristalinos. O crescimento de agregados cristalinos arborescentes nas crostas coalescentes de calcita gerou porosidade de crescimento do arcabouço primária, que foi reduzida principalmente por cimentação dolomítica, ou alargada por dissolução, o que ampliou sua permeabilidade. Crostas nãocoalescentes de calcita mostram forte interação com argilominerais magnesianos, que preenchem interstícios, e/ou estão intercalados com as crostas. Sua porosidade está relacionada com a dissolução das argilas, o que produziu baixa permeabilidade. Rochas intraclásticas comumente mostram matriz argilosa, ou estão compactadas e cimentadas. Onde exibem porosidade interpartícula primária ou dissolução da matriz, podem ter boas porosidades e permeabilidades. A dolomitização heterogênea de ambas as Formações em alguns casos destruiu a porosidade primária ou eodiagenética, ou em outros gerou altos valores de porosidade e permeabilidade nos dolomitos. Relações de substituição e de compactação indicam que muitos dos processos diagenéticos ocorreram durante a eodiagênese, controlados principalmente pela instabilidade da aragonita nos reservatórios bioclásticos da Formação Coqueiros, e dos argilominerais magnesianos na Formação Macabu. Este estudo representa a primeira caracterização petrográfica publicada dos reservatórios carbonáticos não-convencionais do sag, e salienta a importância crucial dos estudos petrográficos sistemáticos para a compreensão e previsão da qualidade de reservatórios complexos. / Lacustrine carbonate reservoirs from the Lagoa Feia Group, rift section of Campos Basin, offshore eastern Brazil, have sustained for decades a significant production from shallow water oil fields. The discovery of giant accumulations in the rift and sag (pre-salt) section of the adjacent Santos Basin has reactivated the exploration for equivalent reservoirs in the Campos Basin and in other marginal basins. A systematic petrographic and petrophysical study was performed on the rift Coqueiros Formation and the sag Macabu Formation carbonates from the Lagoa Feia Group in northern Campos Basin, in order to characterize the main controls on the origin and evolution of those unconventional reservoirs and their pore systems. The main types of reservoir petrofacies recognized were grainstones and bioclastic rudstones, magnesian clay ooidal arenites and dolostones from the Coqueiros Formation; coalescent and non-coalescent crusts of fascicular calcite, intraclastic rudstones and grainstones, and dolostones from the Macabu Formation. The evolution of bioclastic reservoirs was controlled by the balance between dissolution and neomorphism of the aragonitic bivalve bioclasts, favoring the generation of poorly-connected moldic porosity or the preservation of well-connected interparticle porosity, which controlled the permeability of the reservoirs. The magnesian clay (stevensite) ooidal arenites suffered dissolution and replacement by dolomite and silica, what generated highly heterogeneous pore systems, composed by moldic, intercrystalline, vugular and microcrystalline pores. The growth of crystal shrubs in coalescent calcite crusts generated growth-framework primary porosity, which was reduced mostly by dolomite cementation, or enlarged by dissolution, what enhanced their permeability. Non-coalescent calcite crusts usually show strong interaction with syngenetic magnesian clay minerals, which fill interstices and/or are interbedded with the crusts. Their porosity is related to dissolution of the clays, what generated poor permeability. Intraclastic rocks usually display clay matrix, or are compacted and cemented. Where they show interparticle primary porosity or matrix dissolution, they may have good porosities and permeabilities. The heterogeneous dolomitization of both formations, either destroyed the primary or early diagenetic porosity, or generated high porosity and permeability values in the dolostones. Relationships of replacement and compaction indicate that most of the diagenetic processes occurred during eodiagenesis, controlled mostly by the instability of the aragonite in the bioclastic Coqueiros reservoirs, and of the magnesian clay minerals in the Macabu Formation. This study represents the first published petrographic characterization of the unconventional sag carbonate reservoirs, and stresses the crucial importance of systematic petrographic studies for the understanding and prediction of the quality of complex reservoirs.

Processos diagenéticos controlam a porosidade e permeabilidade dos reservatórios de petróleo. Um estudo petrográfico sistemático de 71 arenitos e conglomerados da Formação Itabapoana (Aptiano), selecionadas de testemunhos de 13 poços na porção offshore da Bacia de Campos, Leste do Brasil, permitiu o reconhecimento dos principais constituintes primários, diagenéticos, tipos de poros e das relações temporais e espaciais entre eles. Essas rochas são contemporâneas aos extensos reservatórios lacustres do “Pré-Sal” atualmente em exploração. As rochas variam de arenitos muito finos a conglomerados, com predominância de arenitos muito grossos, e sua composição detrítica original corresponde a arcósios líticos e litarenitos feldspáticos, ricos em fragmentos de rochas vulcânicas (FRV). Argilominerais esmectíticos são os mais abundantes constituintes diagenéticos, relacionados principalmente à alteração de FRV, minerais pesados e biotita. A história térmica e de soterramento, e o fluxo de fluídos também exerceram um papel fundamental nos processos diagenéticos e na evolução da qualidade de reservatório. Os principais processos diagenéticos registrados foram a dissolução de FRV, feldspatos e minerais pesados, a autigênese de esmectitas, hematita, dolomita, calcita, zeolitas e óxidos de titânio cimentando e substituindo FRV, feldspatos, biotita e minerais pesados, a compactação mecânica e química, e a albitização dos feldspatos, principalmente dos plagioclásios. A porosidade primária intergranular foi fortemente reduzida pela compactação e cimentação por argilominerais esmectíticos, calcita, dolomita e zeolitas. Por outro lado, porosidade secundária foi gerada pela dissolução de constituintes primários e diagenéticos, e por faturamento. Futuros estudos específicos e detalhados, incluindo análises de microscopia eletrônica, difratometria de raios-X e isótopos estáveis, deverão contribuir para um melhor entendimento da distribuição espacial e temporal dos processos diagenéticos nessas rochas, de modo a embasar o desenvolvimento de modelos preditivos quanto à sua qualidade, que possam contribuir para reduzir os riscos envolvidos na sua exploração. / Diagenetic processes control the porosity and permeability of petroleum reservoirs. A systematic study of 71 sandstones and conglomerates of the Itabapoana Formation (Aptian), selected from the cores of 13 wells in the offshore portion of Campos Basin, eastern Brazil, allowed the recognition of the main primary and diagenetic constituents, pore types, and of the space and time relations among them. These rocks are contemporaneous to the extensive lacustrine Pre-Salt carbonate reservoirs under exploration. The rocks range from very fine-grained sandstones to conglomerates, with predominance of very coarse-grained sandstones, and their original detrital composition corresponds to lithic arkoses and feldspathic litharenites, rich in volcanic rock fragments (VFR). Smectitic clay minerals are the most abundant diagenetic constituents, related mostly to the alteration of VRF, heavy minerals and biotite. The burial and thermal history and the flow of fluids also exerted a fundamental role on the diagenetic processes and on the of reservoir quality. The main diagenetic processes recorded were the dissolution of volcanic fragments, feldspars and heavy minerals, the authigenesis of smectites, hematite, dolomite, calcite, zeolites and titanium oxides in intergranular pores and replacing VRF, feldspars, biotite and heavy minerals, mechanical and chemical compaction, and the albitization of feldspars, mostly plagioclase. Primary intergranular porosity was strongly reduced by compaction and smectite, calcite, dolomite and zeolite cementation. On the other hand, secondary porosity was generated by the dissolution of primary and diagenetic constituents, and by fracturing. Future specific and detailed studies, including electron microscopy, X-ray diffraction and stable isotope analyses, shall contribute to a better understanding of the space and time distribution of diagenetic processes in these rocks, in order to support the development of predictive models of their quality that may contribute to the reduction of risks involved in their exploration.

A evolução diagenética de dois reservatórios turbidíticos terciários da porção offshore da Bacia do Espírito Santo, foi influenciada tanto por processos meteóricos como por processos relacionados a domos salinos adjacentes aos reservatórios, que tiveram diferente impacto sobre sua qualidade. A precipitação de pirita framboidal, dolomita microcristalina e siderita ocorreram sob condições eodiagenéticas marinhas. A percolação por água meteórica ocorreu ainda durante a eodiagênese, e promoveu extensiva caulinização (δ18OSMOW=+15.3‰ a +18.2‰; δDSMOW=-51‰ a -66‰) e dissolução de feldspatos, micas e intraclastos lamosos. Durante o progressivo soterramento da sequência (profundidades atuais: 2600-3000m) e consequente compactação, fluidos oriundos dos lutitos circundantes, modificados por reações com a matéria orgânica e carbonatos, deslocaram gradualmente os fluidos salobros marinhos-meteóricos, levando à precipitação de calcita poiquilotópica (valores médios: δ18OVPDB= -6.6‰; δ13CVPDB= -1.2‰). A composição dos fluidos mesodiagenéticos foi progressivamente modificada pela proximidade dos domos de sal, promovendo ubíqua albitização dos feldspatos e precipitação localizada de quartzo, calcita (valores médios: δ18O= -10.2‰; δ13C= -3.9‰) e dolomita em sela (valores médios: δ18O= -10.2‰; δ13C= -4.2‰). A análise de inclusões fluidas nos crescimentos de quartzo indicou que os fluidos precipitantes tinham salinidade predominantemente entre 9 e 13 % de NaCl (em peso) e temperaturas de homogeneização na faixa de 1050 a 1450 C Estes valores são mais altos do que aqueles esperados para o gradiente geotérmico normal da área. A distribuição da albitização dos feldspatos sugere que as fraturas ao longo das margens dos domos de sal atuaram como caminho preferencial para a circulação das salmouras quentes. Os valores de δ13C e δ18O dos cimentos de calcita e dolomita seguem um padrão de covariância, mostrando um declínio desde daqueles representativos da água do mar (~0%), para δ13C =-5.9‰ e δ18O = -10.9‰ para a calcita, e δ13C = -5.4‰ e δ18O = -11.7‰ para a dolomita, o que sugere a progressiva participação da descarboxilação térmica da matéria orgânica dos lutitos com o soterramento. A compactação mecânica foi mais importante do que a cimentação na redução da porosidade, e a dissolução de feldspatos foi o processo mais importante na geração de porosidade nos reservatórios. Apesar da proximidade dos domos de sal, a intensidade dos processos diagenéticos foi moderada, já que não ocorreu autigênese de ilita, e a cimentação de quartzo foi limitada. Estas características podem estar relacionadas com o soterramento relativamente recente destes reservatórios. Este estudo mostra que a predição da diagênese e qualidade de reservatórios relacionados a domos de sal é uma função de múltiplas variáveis, incluindo as dimensões dos domos, o regime térmico regional da bacia, a condutividade térmica e de fluidos, e a composição mineral e propriedades geomecânicas dos reservatórios e litologias associadas. / The diagenetic evolution of two tertiary turbidite reservoirs from the offshore portion of the Espírito Santo Basin, eastern Brazil, was influenced by meteoric and salt dome-related processes, which had different impact on their quality. Marine eogenetic processes included the precipitation of framboidal pyrite, microcrystalline dolomite and siderite. Meteoric water influx during eodiagenesis occurred in response to relative sea-level falls that promoted extensive kaolinization (δ18O=+15.3‰ to +18.2‰; δD= -51‰ to -66‰) and dissolution of framework silicate grains. During progressive burial (present depths – 2600 m – 3000 m), connate marine fluids modified by reactions with organic matter and carbonates presented in the surrounding mudrocks gradually displaced brackish fluids generated by the meteoric influx and led to concretionary cementation by poikilotopic calcite (average δ18O= -6.6‰; δ13C= -1.2‰). Mesogenetic fluids were progressively modified by the proximity of salt domes, which led to ubiquitous feldspar albitization and localized quartz, calcite (average δ18O= -10.2‰; δ13C= -3.9‰) and saddle dolomite precipitation (average δ18O= -10.2‰; δ13C= -4.2‰). Fluid inclusion analysis in quartz overgrowths indicate that the precipitating fluids had salinities predominantly in the range 9-13 wt% NaCl equivalent and temperatures largely in the 105 – 145oC range These values are higher than those expected considering the normal geothermal gradient for the area. The distribution of feldspar albitization suggests that the fracture systems along the salt domes margins acted as preferential pathways for such hot, saline diagenetic fluids. Isotopic values for calcite and dolomite cements follow a co-variance trend of decreasing δ13C and δ18O from close to marine (~0‰) towards negative values (δ13C and δ18O down to -5.9‰ and -10.9‰ for calcite; -5.4‰ and -11.7‰ for dolomite), suggesting increasing contribution from thermal decarboxylation with increasing temperature and depth. Mechanical compaction was more important than cementation in reducing depositional porosity, and the dissolution of framework silicate grains is the most important processes for enhancing reservoir quality. Despite the proximity to the salt domes, the intensity of the influenced diagenetic processes is relatively mild, as illite authigenesis is lacking, and quartz cementation is limited, features that may be related to the recent burial of the reservoirs.

O objetivo principal desta tese foi a avaliação de métodos radiométricos aplicados em minerais diagenéticos potássicos. Procurou-se verificar a sua viabilidade na obtenção de idades referentes a eventos deposicionais e diagenéticos em rochas sedimentares siliciclásticas. O método 40K-40Ar foi aplicado em ilitas diagenéticas presentes nos arenitos fluviais da Formação Guaritas (Bacia do Camaquã, RS). As ilitas diagenéticas foram identificadas por técnicas analíticas convencionais, como petrografia, difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura e transmissão, permitindo a separação de diferentes frações granulométricas para datação. As frações maiores (2-6 μm) contendo ilita resultaram em idades mais antigas (ente 521 e 489 Ma), o que pode indicar uma sútil contaminação por minerais detríticos potássicos, derivados dos granitóides sin-tectônicos adjacentes, potencial área-fonte dos arenitos da Formação Guaritas. As frações mais finas (0,1, 0,4 e < 2 μm), provavelmente desprovidas de contaminação, revelaram idades entre 490 e 470 Ma, representativas do processo de ilitização nos arenitos. Estas idades ficaram muito próximas à idade ordoviciana previamente inferida para esta unidade sedimentar. O outro método utilizado foi o 40Ar-39Ar em overgrowths de K-feldspato que ocorrem em abundância nos arenitos-reservatório da Formação Açu (Bacia Potiguar, RN). Esses overgrowths precipitaram em condições de superfície, logo após a deposição do sedimento, de acordo com feições diagnósticas de eodiagênese, tais como cutículas de argilominerais mecanicamente infiltrados ao redor destes. Assim, a idade de 120 Ma obtida nessa feição diagenética indiretamente representa a idade deposicional para os arenitos da Formação Açu. Além disso, estes resultados ficaram muito próximos às idades inferidas (entre 112,9 e 96,9 Ma) pelo seu conteúdo palinológico. Foram obtidas também idades 40Ar-39Ar do K-feldspato detrítico, onde os valores entre 428 e 373 Ma estão muito próximos aos cristais datados de rochas da Província Borborema, embasamento da Bacia Potiguar e fonte dos arenitos da Formação Açu. Este estudo mostra que a aplicação de métodos radiométricos em minerais diagenéticos tem sido usada com sucesso na obtenção de idades diagenéticas e deposicionais em arenitos e assim contribuindo para o melhor entendimento da evolução diagenética de rochas sedimentares siliciclásticas. / The present thesis aimed at the application of radiometric methods to diagenetic mineral phases in order to determine depositional or diagenetic events in siliciclastic sedimentary rocks. The 40K-40Ar method was applied to diagenetic illites from sandstones of the Guaritas Formation (Camaquã basin, south Brazil). Diagenetic illites were initially identified by different analytical procedures such as petrography, X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy, in order to obtain different size fractions. The obtained ages of around 521 Ma in the 2-6 μm fraction is associated with a slight contamination probably derived from syn-transcurrent granitoids, the potential sources of detritus for the sandstones of the Guaritas Formation. Contamination-free, fine fractions (<0.1, <0.4, and < 2 μm) yielded ages between 490 and 470 Ma, interpreted as the age of the illitization process in these sandstones. The obtained results are close to the previously estimated age for this sedimentary unit. In hydrocarbon reservoir sandstones of the Açu Formation (Potiguar basin, northeast Brazil), the 40Ar-39Ar method was applied to K-feldspar overgrowths. These overgrowths precipitated in near-surface conditions, soon after deposition, as inferred from typical eogenetic features as infiltrated grain coatings around the overgrowths. Thus, the obtained age of around 120 Ma is interpreted as a depositional age for the sandstones of the Açu Formation. Besides, the result is close to the estimated age for the Açu Formation (112.9 to 96.9 Ma) by its palynological content. Ages from detrital K-feldspar grains spread from 428 to 373 Ma, very similar to ages obtained in areas of the Borborema Province, which is the basement of the Potiguar basin and main source area for the sandstones of the Açu Formation. This study highlights that the radiometric methods have been used with success on diagenetic minerals for constraining the timing of depositional and diagenetic events in sandstones, contributing for a better understanding of diagenetic history of siliciclastic sedimentary rocks.

A evolução diagenética de dois reservatórios turbidíticos terciários da porção offshore da Bacia do Espírito Santo, foi influenciada tanto por processos meteóricos como por processos relacionados a domos salinos adjacentes aos reservatórios, que tiveram diferente impacto sobre sua qualidade. A precipitação de pirita framboidal, dolomita microcristalina e siderita ocorreram sob condições eodiagenéticas marinhas. A percolação por água meteórica ocorreu ainda durante a eodiagênese, e promoveu extensiva caulinização (δ18OSMOW=+15.3‰ a +18.2‰; δDSMOW=-51‰ a -66‰) e dissolução de feldspatos, micas e intraclastos lamosos. Durante o progressivo soterramento da sequência (profundidades atuais: 2600-3000m) e consequente compactação, fluidos oriundos dos lutitos circundantes, modificados por reações com a matéria orgânica e carbonatos, deslocaram gradualmente os fluidos salobros marinhos-meteóricos, levando à precipitação de calcita poiquilotópica (valores médios: δ18OVPDB= -6.6‰; δ13CVPDB= -1.2‰). A composição dos fluidos mesodiagenéticos foi progressivamente modificada pela proximidade dos domos de sal, promovendo ubíqua albitização dos feldspatos e precipitação localizada de quartzo, calcita (valores médios: δ18O= -10.2‰; δ13C= -3.9‰) e dolomita em sela (valores médios: δ18O= -10.2‰; δ13C= -4.2‰). A análise de inclusões fluidas nos crescimentos de quartzo indicou que os fluidos precipitantes tinham salinidade predominantemente entre 9 e 13 % de NaCl (em peso) e temperaturas de homogeneização na faixa de 1050 a 1450 C Estes valores são mais altos do que aqueles esperados para o gradiente geotérmico normal da área. A distribuição da albitização dos feldspatos sugere que as fraturas ao longo das margens dos domos de sal atuaram como caminho preferencial para a circulação das salmouras quentes. Os valores de δ13C e δ18O dos cimentos de calcita e dolomita seguem um padrão de covariância, mostrando um declínio desde daqueles representativos da água do mar (~0%), para δ13C =-5.9‰ e δ18O = -10.9‰ para a calcita, e δ13C = -5.4‰ e δ18O = -11.7‰ para a dolomita, o que sugere a progressiva participação da descarboxilação térmica da matéria orgânica dos lutitos com o soterramento. A compactação mecânica foi mais importante do que a cimentação na redução da porosidade, e a dissolução de feldspatos foi o processo mais importante na geração de porosidade nos reservatórios. Apesar da proximidade dos domos de sal, a intensidade dos processos diagenéticos foi moderada, já que não ocorreu autigênese de ilita, e a cimentação de quartzo foi limitada. Estas características podem estar relacionadas com o soterramento relativamente recente destes reservatórios. Este estudo mostra que a predição da diagênese e qualidade de reservatórios relacionados a domos de sal é uma função de múltiplas variáveis, incluindo as dimensões dos domos, o regime térmico regional da bacia, a condutividade térmica e de fluidos, e a composição mineral e propriedades geomecânicas dos reservatórios e litologias associadas. / The diagenetic evolution of two tertiary turbidite reservoirs from the offshore portion of the Espírito Santo Basin, eastern Brazil, was influenced by meteoric and salt dome-related processes, which had different impact on their quality. Marine eogenetic processes included the precipitation of framboidal pyrite, microcrystalline dolomite and siderite. Meteoric water influx during eodiagenesis occurred in response to relative sea-level falls that promoted extensive kaolinization (δ18O=+15.3‰ to +18.2‰; δD= -51‰ to -66‰) and dissolution of framework silicate grains. During progressive burial (present depths – 2600 m – 3000 m), connate marine fluids modified by reactions with organic matter and carbonates presented in the surrounding mudrocks gradually displaced brackish fluids generated by the meteoric influx and led to concretionary cementation by poikilotopic calcite (average δ18O= -6.6‰; δ13C= -1.2‰). Mesogenetic fluids were progressively modified by the proximity of salt domes, which led to ubiquitous feldspar albitization and localized quartz, calcite (average δ18O= -10.2‰; δ13C= -3.9‰) and saddle dolomite precipitation (average δ18O= -10.2‰; δ13C= -4.2‰). Fluid inclusion analysis in quartz overgrowths indicate that the precipitating fluids had salinities predominantly in the range 9-13 wt% NaCl equivalent and temperatures largely in the 105 – 145oC range These values are higher than those expected considering the normal geothermal gradient for the area. The distribution of feldspar albitization suggests that the fracture systems along the salt domes margins acted as preferential pathways for such hot, saline diagenetic fluids. Isotopic values for calcite and dolomite cements follow a co-variance trend of decreasing δ13C and δ18O from close to marine (~0‰) towards negative values (δ13C and δ18O down to -5.9‰ and -10.9‰ for calcite; -5.4‰ and -11.7‰ for dolomite), suggesting increasing contribution from thermal decarboxylation with increasing temperature and depth. Mechanical compaction was more important than cementation in reducing depositional porosity, and the dissolution of framework silicate grains is the most important processes for enhancing reservoir quality. Despite the proximity to the salt domes, the intensity of the influenced diagenetic processes is relatively mild, as illite authigenesis is lacking, and quartz cementation is limited, features that may be related to the recent burial of the reservoirs.

Processos diagenéticos controlam a porosidade e permeabilidade dos reservatórios de petróleo. Um estudo petrográfico sistemático de 71 arenitos e conglomerados da Formação Itabapoana (Aptiano), selecionadas de testemunhos de 13 poços na porção offshore da Bacia de Campos, Leste do Brasil, permitiu o reconhecimento dos principais constituintes primários, diagenéticos, tipos de poros e das relações temporais e espaciais entre eles. Essas rochas são contemporâneas aos extensos reservatórios lacustres do “Pré-Sal” atualmente em exploração. As rochas variam de arenitos muito finos a conglomerados, com predominância de arenitos muito grossos, e sua composição detrítica original corresponde a arcósios líticos e litarenitos feldspáticos, ricos em fragmentos de rochas vulcânicas (FRV). Argilominerais esmectíticos são os mais abundantes constituintes diagenéticos, relacionados principalmente à alteração de FRV, minerais pesados e biotita. A história térmica e de soterramento, e o fluxo de fluídos também exerceram um papel fundamental nos processos diagenéticos e na evolução da qualidade de reservatório. Os principais processos diagenéticos registrados foram a dissolução de FRV, feldspatos e minerais pesados, a autigênese de esmectitas, hematita, dolomita, calcita, zeolitas e óxidos de titânio cimentando e substituindo FRV, feldspatos, biotita e minerais pesados, a compactação mecânica e química, e a albitização dos feldspatos, principalmente dos plagioclásios. A porosidade primária intergranular foi fortemente reduzida pela compactação e cimentação por argilominerais esmectíticos, calcita, dolomita e zeolitas. Por outro lado, porosidade secundária foi gerada pela dissolução de constituintes primários e diagenéticos, e por faturamento. Futuros estudos específicos e detalhados, incluindo análises de microscopia eletrônica, difratometria de raios-X e isótopos estáveis, deverão contribuir para um melhor entendimento da distribuição espacial e temporal dos processos diagenéticos nessas rochas, de modo a embasar o desenvolvimento de modelos preditivos quanto à sua qualidade, que possam contribuir para reduzir os riscos envolvidos na sua exploração. / Diagenetic processes control the porosity and permeability of petroleum reservoirs. A systematic study of 71 sandstones and conglomerates of the Itabapoana Formation (Aptian), selected from the cores of 13 wells in the offshore portion of Campos Basin, eastern Brazil, allowed the recognition of the main primary and diagenetic constituents, pore types, and of the space and time relations among them. These rocks are contemporaneous to the extensive lacustrine Pre-Salt carbonate reservoirs under exploration. The rocks range from very fine-grained sandstones to conglomerates, with predominance of very coarse-grained sandstones, and their original detrital composition corresponds to lithic arkoses and feldspathic litharenites, rich in volcanic rock fragments (VFR). Smectitic clay minerals are the most abundant diagenetic constituents, related mostly to the alteration of VRF, heavy minerals and biotite. The burial and thermal history and the flow of fluids also exerted a fundamental role on the diagenetic processes and on the of reservoir quality. The main diagenetic processes recorded were the dissolution of volcanic fragments, feldspars and heavy minerals, the authigenesis of smectites, hematite, dolomite, calcite, zeolites and titanium oxides in intergranular pores and replacing VRF, feldspars, biotite and heavy minerals, mechanical and chemical compaction, and the albitization of feldspars, mostly plagioclase. Primary intergranular porosity was strongly reduced by compaction and smectite, calcite, dolomite and zeolite cementation. On the other hand, secondary porosity was generated by the dissolution of primary and diagenetic constituents, and by fracturing. Future specific and detailed studies, including electron microscopy, X-ray diffraction and stable isotope analyses, shall contribute to a better understanding of the space and time distribution of diagenetic processes in these rocks, in order to support the development of predictive models of their quality that may contribute to the reduction of risks involved in their exploration.

Os reservatórios lacustres do Grupo Lagoa Feia, seção rift da Bacia de Campos, margem Leste brasileira, tem mantido há décadas uma expressiva produção a partir de campos localizados em águas rasas. A descoberta de grandes acumulações na seção rift e sag (pré-sal) da Bacia de Santos reativou a exploração por reservatórios análogos na Bacia de Campos e em outras bacias marginais. Um estudo petrográfico e petrofísico sistemático foi executado sobre os reservatórios rift da Formação Coqueiros e sag da Formação Macabu do Norte da Bacia de Campos, com objetivo de caracterizar os principais controles sobre a gênese e evolução daqueles reservatórios não-convencionais e seus sistemas porosos. As principais petrofácies de reservatório reconhecidas foram grainstones e rudstones bioclásticos, arenitos ooidais argilosos e dolomitos na Formação Coqueiros, e crostas coalescentes e não-coalescentes de calcita fascicular, rudstones e grainstones intraclásticos e dolomitos na Formação Macabu. A evolução dos reservatórios bioclásticos foi controlada pelo balanço entre dissolução ou neomorfismo dos bioclastos aragoníticos de bivalves, favorecendo a geração de porosidade móldica pouco conectada, ou a preservação da porosidade interpartícula bem conectada, controlando a permeabilidade dos reservatórios. Os arenitos de oóides de argilas magnesianas sofreram dissolução e substituição por dolomita e sílica, o que gerou sistemas porosos altamente heterogêneos, compostos por poros móldicos, intercristalinos, vugulares e microcristalinos. O crescimento de agregados cristalinos arborescentes nas crostas coalescentes de calcita gerou porosidade de crescimento do arcabouço primária, que foi reduzida principalmente por cimentação dolomítica, ou alargada por dissolução, o que ampliou sua permeabilidade. Crostas nãocoalescentes de calcita mostram forte interação com argilominerais magnesianos, que preenchem interstícios, e/ou estão intercalados com as crostas. Sua porosidade está relacionada com a dissolução das argilas, o que produziu baixa permeabilidade. Rochas intraclásticas comumente mostram matriz argilosa, ou estão compactadas e cimentadas. Onde exibem porosidade interpartícula primária ou dissolução da matriz, podem ter boas porosidades e permeabilidades. A dolomitização heterogênea de ambas as Formações em alguns casos destruiu a porosidade primária ou eodiagenética, ou em outros gerou altos valores de porosidade e permeabilidade nos dolomitos. Relações de substituição e de compactação indicam que muitos dos processos diagenéticos ocorreram durante a eodiagênese, controlados principalmente pela instabilidade da aragonita nos reservatórios bioclásticos da Formação Coqueiros, e dos argilominerais magnesianos na Formação Macabu. Este estudo representa a primeira caracterização petrográfica publicada dos reservatórios carbonáticos não-convencionais do sag, e salienta a importância crucial dos estudos petrográficos sistemáticos para a compreensão e previsão da qualidade de reservatórios complexos. / Lacustrine carbonate reservoirs from the Lagoa Feia Group, rift section of Campos Basin, offshore eastern Brazil, have sustained for decades a significant production from shallow water oil fields. The discovery of giant accumulations in the rift and sag (pre-salt) section of the adjacent Santos Basin has reactivated the exploration for equivalent reservoirs in the Campos Basin and in other marginal basins. A systematic petrographic and petrophysical study was performed on the rift Coqueiros Formation and the sag Macabu Formation carbonates from the Lagoa Feia Group in northern Campos Basin, in order to characterize the main controls on the origin and evolution of those unconventional reservoirs and their pore systems. The main types of reservoir petrofacies recognized were grainstones and bioclastic rudstones, magnesian clay ooidal arenites and dolostones from the Coqueiros Formation; coalescent and non-coalescent crusts of fascicular calcite, intraclastic rudstones and grainstones, and dolostones from the Macabu Formation. The evolution of bioclastic reservoirs was controlled by the balance between dissolution and neomorphism of the aragonitic bivalve bioclasts, favoring the generation of poorly-connected moldic porosity or the preservation of well-connected interparticle porosity, which controlled the permeability of the reservoirs. The magnesian clay (stevensite) ooidal arenites suffered dissolution and replacement by dolomite and silica, what generated highly heterogeneous pore systems, composed by moldic, intercrystalline, vugular and microcrystalline pores. The growth of crystal shrubs in coalescent calcite crusts generated growth-framework primary porosity, which was reduced mostly by dolomite cementation, or enlarged by dissolution, what enhanced their permeability. Non-coalescent calcite crusts usually show strong interaction with syngenetic magnesian clay minerals, which fill interstices and/or are interbedded with the crusts. Their porosity is related to dissolution of the clays, what generated poor permeability. Intraclastic rocks usually display clay matrix, or are compacted and cemented. Where they show interparticle primary porosity or matrix dissolution, they may have good porosities and permeabilities. The heterogeneous dolomitization of both formations, either destroyed the primary or early diagenetic porosity, or generated high porosity and permeability values in the dolostones. Relationships of replacement and compaction indicate that most of the diagenetic processes occurred during eodiagenesis, controlled mostly by the instability of the aragonite in the bioclastic Coqueiros reservoirs, and of the magnesian clay minerals in the Macabu Formation. This study represents the first published petrographic characterization of the unconventional sag carbonate reservoirs, and stresses the crucial importance of systematic petrographic studies for the understanding and prediction of the quality of complex reservoirs.

O objetivo principal desta tese foi a avaliação de métodos radiométricos aplicados em minerais diagenéticos potássicos. Procurou-se verificar a sua viabilidade na obtenção de idades referentes a eventos deposicionais e diagenéticos em rochas sedimentares siliciclásticas. O método 40K-40Ar foi aplicado em ilitas diagenéticas presentes nos arenitos fluviais da Formação Guaritas (Bacia do Camaquã, RS). As ilitas diagenéticas foram identificadas por técnicas analíticas convencionais, como petrografia, difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura e transmissão, permitindo a separação de diferentes frações granulométricas para datação. As frações maiores (2-6 μm) contendo ilita resultaram em idades mais antigas (ente 521 e 489 Ma), o que pode indicar uma sútil contaminação por minerais detríticos potássicos, derivados dos granitóides sin-tectônicos adjacentes, potencial área-fonte dos arenitos da Formação Guaritas. As frações mais finas (0,1, 0,4 e < 2 μm), provavelmente desprovidas de contaminação, revelaram idades entre 490 e 470 Ma, representativas do processo de ilitização nos arenitos. Estas idades ficaram muito próximas à idade ordoviciana previamente inferida para esta unidade sedimentar. O outro método utilizado foi o 40Ar-39Ar em overgrowths de K-feldspato que ocorrem em abundância nos arenitos-reservatório da Formação Açu (Bacia Potiguar, RN). Esses overgrowths precipitaram em condições de superfície, logo após a deposição do sedimento, de acordo com feições diagnósticas de eodiagênese, tais como cutículas de argilominerais mecanicamente infiltrados ao redor destes. Assim, a idade de 120 Ma obtida nessa feição diagenética indiretamente representa a idade deposicional para os arenitos da Formação Açu. Além disso, estes resultados ficaram muito próximos às idades inferidas (entre 112,9 e 96,9 Ma) pelo seu conteúdo palinológico. Foram obtidas também idades 40Ar-39Ar do K-feldspato detrítico, onde os valores entre 428 e 373 Ma estão muito próximos aos cristais datados de rochas da Província Borborema, embasamento da Bacia Potiguar e fonte dos arenitos da Formação Açu. Este estudo mostra que a aplicação de métodos radiométricos em minerais diagenéticos tem sido usada com sucesso na obtenção de idades diagenéticas e deposicionais em arenitos e assim contribuindo para o melhor entendimento da evolução diagenética de rochas sedimentares siliciclásticas. / The present thesis aimed at the application of radiometric methods to diagenetic mineral phases in order to determine depositional or diagenetic events in siliciclastic sedimentary rocks. The 40K-40Ar method was applied to diagenetic illites from sandstones of the Guaritas Formation (Camaquã basin, south Brazil). Diagenetic illites were initially identified by different analytical procedures such as petrography, X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy, in order to obtain different size fractions. The obtained ages of around 521 Ma in the 2-6 μm fraction is associated with a slight contamination probably derived from syn-transcurrent granitoids, the potential sources of detritus for the sandstones of the Guaritas Formation. Contamination-free, fine fractions (<0.1, <0.4, and < 2 μm) yielded ages between 490 and 470 Ma, interpreted as the age of the illitization process in these sandstones. The obtained results are close to the previously estimated age for this sedimentary unit. In hydrocarbon reservoir sandstones of the Açu Formation (Potiguar basin, northeast Brazil), the 40Ar-39Ar method was applied to K-feldspar overgrowths. These overgrowths precipitated in near-surface conditions, soon after deposition, as inferred from typical eogenetic features as infiltrated grain coatings around the overgrowths. Thus, the obtained age of around 120 Ma is interpreted as a depositional age for the sandstones of the Açu Formation. Besides, the result is close to the estimated age for the Açu Formation (112.9 to 96.9 Ma) by its palynological content. Ages from detrital K-feldspar grains spread from 428 to 373 Ma, very similar to ages obtained in areas of the Borborema Province, which is the basement of the Potiguar basin and main source area for the sandstones of the Açu Formation. This study highlights that the radiometric methods have been used with success on diagenetic minerals for constraining the timing of depositional and diagenetic events in sandstones, contributing for a better understanding of diagenetic history of siliciclastic sedimentary rocks.

Processos diagenéticos controlam a porosidade e permeabilidade dos reservatórios de petróleo. Um estudo petrográfico sistemático de 71 arenitos e conglomerados da Formação Itabapoana (Aptiano), selecionadas de testemunhos de 13 poços na porção offshore da Bacia de Campos, Leste do Brasil, permitiu o reconhecimento dos principais constituintes primários, diagenéticos, tipos de poros e das relações temporais e espaciais entre eles. Essas rochas são contemporâneas aos extensos reservatórios lacustres do “Pré-Sal” atualmente em exploração. As rochas variam de arenitos muito finos a conglomerados, com predominância de arenitos muito grossos, e sua composição detrítica original corresponde a arcósios líticos e litarenitos feldspáticos, ricos em fragmentos de rochas vulcânicas (FRV). Argilominerais esmectíticos são os mais abundantes constituintes diagenéticos, relacionados principalmente à alteração de FRV, minerais pesados e biotita. A história térmica e de soterramento, e o fluxo de fluídos também exerceram um papel fundamental nos processos diagenéticos e na evolução da qualidade de reservatório. Os principais processos diagenéticos registrados foram a dissolução de FRV, feldspatos e minerais pesados, a autigênese de esmectitas, hematita, dolomita, calcita, zeolitas e óxidos de titânio cimentando e substituindo FRV, feldspatos, biotita e minerais pesados, a compactação mecânica e química, e a albitização dos feldspatos, principalmente dos plagioclásios. A porosidade primária intergranular foi fortemente reduzida pela compactação e cimentação por argilominerais esmectíticos, calcita, dolomita e zeolitas. Por outro lado, porosidade secundária foi gerada pela dissolução de constituintes primários e diagenéticos, e por faturamento. Futuros estudos específicos e detalhados, incluindo análises de microscopia eletrônica, difratometria de raios-X e isótopos estáveis, deverão contribuir para um melhor entendimento da distribuição espacial e temporal dos processos diagenéticos nessas rochas, de modo a embasar o desenvolvimento de modelos preditivos quanto à sua qualidade, que possam contribuir para reduzir os riscos envolvidos na sua exploração. / Diagenetic processes control the porosity and permeability of petroleum reservoirs. A systematic study of 71 sandstones and conglomerates of the Itabapoana Formation (Aptian), selected from the cores of 13 wells in the offshore portion of Campos Basin, eastern Brazil, allowed the recognition of the main primary and diagenetic constituents, pore types, and of the space and time relations among them. These rocks are contemporaneous to the extensive lacustrine Pre-Salt carbonate reservoirs under exploration. The rocks range from very fine-grained sandstones to conglomerates, with predominance of very coarse-grained sandstones, and their original detrital composition corresponds to lithic arkoses and feldspathic litharenites, rich in volcanic rock fragments (VFR). Smectitic clay minerals are the most abundant diagenetic constituents, related mostly to the alteration of VRF, heavy minerals and biotite. The burial and thermal history and the flow of fluids also exerted a fundamental role on the diagenetic processes and on the of reservoir quality. The main diagenetic processes recorded were the dissolution of volcanic fragments, feldspars and heavy minerals, the authigenesis of smectites, hematite, dolomite, calcite, zeolites and titanium oxides in intergranular pores and replacing VRF, feldspars, biotite and heavy minerals, mechanical and chemical compaction, and the albitization of feldspars, mostly plagioclase. Primary intergranular porosity was strongly reduced by compaction and smectite, calcite, dolomite and zeolite cementation. On the other hand, secondary porosity was generated by the dissolution of primary and diagenetic constituents, and by fracturing. Future specific and detailed studies, including electron microscopy, X-ray diffraction and stable isotope analyses, shall contribute to a better understanding of the space and time distribution of diagenetic processes in these rocks, in order to support the development of predictive models of their quality that may contribute to the reduction of risks involved in their exploration.

A evolução diagenética de dois reservatórios turbidíticos terciários da porção offshore da Bacia do Espírito Santo, foi influenciada tanto por processos meteóricos como por processos relacionados a domos salinos adjacentes aos reservatórios, que tiveram diferente impacto sobre sua qualidade. A precipitação de pirita framboidal, dolomita microcristalina e siderita ocorreram sob condições eodiagenéticas marinhas. A percolação por água meteórica ocorreu ainda durante a eodiagênese, e promoveu extensiva caulinização (δ18OSMOW=+15.3‰ a +18.2‰; δDSMOW=-51‰ a -66‰) e dissolução de feldspatos, micas e intraclastos lamosos. Durante o progressivo soterramento da sequência (profundidades atuais: 2600-3000m) e consequente compactação, fluidos oriundos dos lutitos circundantes, modificados por reações com a matéria orgânica e carbonatos, deslocaram gradualmente os fluidos salobros marinhos-meteóricos, levando à precipitação de calcita poiquilotópica (valores médios: δ18OVPDB= -6.6‰; δ13CVPDB= -1.2‰). A composição dos fluidos mesodiagenéticos foi progressivamente modificada pela proximidade dos domos de sal, promovendo ubíqua albitização dos feldspatos e precipitação localizada de quartzo, calcita (valores médios: δ18O= -10.2‰; δ13C= -3.9‰) e dolomita em sela (valores médios: δ18O= -10.2‰; δ13C= -4.2‰). A análise de inclusões fluidas nos crescimentos de quartzo indicou que os fluidos precipitantes tinham salinidade predominantemente entre 9 e 13 % de NaCl (em peso) e temperaturas de homogeneização na faixa de 1050 a 1450 C Estes valores são mais altos do que aqueles esperados para o gradiente geotérmico normal da área. A distribuição da albitização dos feldspatos sugere que as fraturas ao longo das margens dos domos de sal atuaram como caminho preferencial para a circulação das salmouras quentes. Os valores de δ13C e δ18O dos cimentos de calcita e dolomita seguem um padrão de covariância, mostrando um declínio desde daqueles representativos da água do mar (~0%), para δ13C =-5.9‰ e δ18O = -10.9‰ para a calcita, e δ13C = -5.4‰ e δ18O = -11.7‰ para a dolomita, o que sugere a progressiva participação da descarboxilação térmica da matéria orgânica dos lutitos com o soterramento. A compactação mecânica foi mais importante do que a cimentação na redução da porosidade, e a dissolução de feldspatos foi o processo mais importante na geração de porosidade nos reservatórios. Apesar da proximidade dos domos de sal, a intensidade dos processos diagenéticos foi moderada, já que não ocorreu autigênese de ilita, e a cimentação de quartzo foi limitada. Estas características podem estar relacionadas com o soterramento relativamente recente destes reservatórios. Este estudo mostra que a predição da diagênese e qualidade de reservatórios relacionados a domos de sal é uma função de múltiplas variáveis, incluindo as dimensões dos domos, o regime térmico regional da bacia, a condutividade térmica e de fluidos, e a composição mineral e propriedades geomecânicas dos reservatórios e litologias associadas. / The diagenetic evolution of two tertiary turbidite reservoirs from the offshore portion of the Espírito Santo Basin, eastern Brazil, was influenced by meteoric and salt dome-related processes, which had different impact on their quality. Marine eogenetic processes included the precipitation of framboidal pyrite, microcrystalline dolomite and siderite. Meteoric water influx during eodiagenesis occurred in response to relative sea-level falls that promoted extensive kaolinization (δ18O=+15.3‰ to +18.2‰; δD= -51‰ to -66‰) and dissolution of framework silicate grains. During progressive burial (present depths – 2600 m – 3000 m), connate marine fluids modified by reactions with organic matter and carbonates presented in the surrounding mudrocks gradually displaced brackish fluids generated by the meteoric influx and led to concretionary cementation by poikilotopic calcite (average δ18O= -6.6‰; δ13C= -1.2‰). Mesogenetic fluids were progressively modified by the proximity of salt domes, which led to ubiquitous feldspar albitization and localized quartz, calcite (average δ18O= -10.2‰; δ13C= -3.9‰) and saddle dolomite precipitation (average δ18O= -10.2‰; δ13C= -4.2‰). Fluid inclusion analysis in quartz overgrowths indicate that the precipitating fluids had salinities predominantly in the range 9-13 wt% NaCl equivalent and temperatures largely in the 105 – 145oC range These values are higher than those expected considering the normal geothermal gradient for the area. The distribution of feldspar albitization suggests that the fracture systems along the salt domes margins acted as preferential pathways for such hot, saline diagenetic fluids. Isotopic values for calcite and dolomite cements follow a co-variance trend of decreasing δ13C and δ18O from close to marine (~0‰) towards negative values (δ13C and δ18O down to -5.9‰ and -10.9‰ for calcite; -5.4‰ and -11.7‰ for dolomite), suggesting increasing contribution from thermal decarboxylation with increasing temperature and depth. Mechanical compaction was more important than cementation in reducing depositional porosity, and the dissolution of framework silicate grains is the most important processes for enhancing reservoir quality. Despite the proximity to the salt domes, the intensity of the influenced diagenetic processes is relatively mild, as illite authigenesis is lacking, and quartz cementation is limited, features that may be related to the recent burial of the reservoirs.