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Effect of reservoir wettability on quartz cementation in oil fields

S.A. Barclay, R.H. WordenSchool of Geosciences, Queen’s University of Belfast, Northern Ireland

Spec. Publs. Int. Ass. Sediment. (2000) 29, 103-117

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• Definição de “molhabilidade”• Controle geoquímico da cimentação de quartzo• Natureza físico-química da superfície do quartzo• Fatores que afetam a “molhabilidade”:

– Efeito da composição do petróleo (geração, asfaltenos, fixação no reservatório)

– Efeito interações água-rocha (pH, argilas, minerais ferrosos, felspatos, salinidade, etc.)

– Efeito de pressão e temperatura

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“Molhabilidade”: tendência de um fluído a distribuir-se a longo de uma superfície em presença de outro fluído (imiscível)

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- Pode ser homogênea ou heterogênea

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Determinação da molhabilidade diversos métodos:

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Método Autor

Definição termodinâmica Johansen & Dunning (1953)

Medida do ângulo de contato Treiber et al. (1972)

Medidas de tensão interfacial e pressão de deslocamento

Slobod & Blum (1952)

Forma de curvas de permeabilidade relativa Raza et al. (1968)

Forma de curvas de recuperação Raza et al. (1968)

Medidas de permeabilidade e saturação Frehse (1973)

Experimentos de imbibição espontânea Gatenby & Mardsen (1957)

Medidas de relaxação magnética nuclear Brown & Fatt (1956)

Absorção de corantes Holbrook & Bernard (1958)

Experimentos de flotação Anderson (1985)

Logs de resistividade elétrica em poços Swanson (1980)

Curvas de pressão capilar Donaldson et al. (1969)

Experimentos de imbibição e deslocamento Amott (1959)

Distribuições de T1 em ressonância magnética nuclear

Howard (1994)

ângulo de contato

Importante: medidas em laboratório não devem ser consideradas como valores reais da molhabilidade em um reservatório

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Controle geoquímico da cimentação de quartzo

• Fontes de sílica: – Interna ao reservatório: dissolução de grãos detríticos de quartzo ou

feldspatos, entre outros– Externa: compactação e reações de lamas, diagênese em outros corpos

reservatórios próximos

A molhabilidade afeta principalmente as fontes internas: em reservatórios oil-wet as fontes de sílica estão isoladas pela camada de óleo.

• Transporte: deslocamento também é afetado pela molhabilidade

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• Precipitação de sílica: reduzida em reservatórios oil-wet, quando a molhabilidade é homogênea.

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Superfície do quartzo – natureza físico-química• Natureza das interações entre a superfície e o fluído

determinam se a superfície é oil-wet ou water-wet.• Normalmente, a superfície do quartzo contém grupos

hidroxila, que apresentarão maior afinidade com moléculas polares (como a água), através de pontes de hidrogênio.

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• Moléculas de hidrocarbonetos são em geral apolares, tendo pouca afinidade com a superfície do quartzo:

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• A afinidade pela superfície do quartzo pode ser alterada pela adição de surfactantes – moléculas ou grupos polares ou hidrofílicos (tipicamente contendo elementos N, S ou O) que agem diminuindo a tensão superficial ou interfacial:

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exemplos de surfactantes:

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• Asfaltenos: possuem afinidade com a superfície do mineral, através dos grupos funcionais periféricos

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• Cátions metálicos adsorvidos na superfície também aumentam a afinidade desta com o surfactante, facilitando o oil-wetting

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Fatores que afetam a molhabilidade

Efeito da composição do petróleo

- A composição do petróleo é quimicamente muito variada:

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• A mineralogia da rocha geradora determina a composição do petróleo:– Lacustrinas (I): óleos apolares– Marinhas clásticas (II): óleos apolares– Marinhas carbonáticas (IIS): óleos com grande quantidade

de enxofre (quando não há óxidos/oxi-hidróxidos de ferro, que inibem a formação de organosulfurados)

– Terrestres (III): alto conteúdo de oxigênio, forma compostos polares contendo O (fenóis, metoxi e alquilfenóis), típico de maturação prematura.

• Maturação térmica do querogênio (matéria orgânica presente nas rochas, precursora do petróleo)– Perda sequencial de grupos funcionais no processo de

maturação

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• Asfaltenos: – Em solução no óleo (tendência a water-wetting)– Exsolvidos (tendência a oil-wetting)

A solubilidade dos asfaltenos é controlada por diversos fatores:

- razão gás/óleo (GOR): qto maior, maior a exsolução- biodegradação e water-washing do óleo: remove componentes

leves, supersaturando em asfaltenos;- ação bacteriológica (aeróbica) pode gerar asfaltenos pela oxidação

de hidrocarbonetos;- maturação in-situ do óleo produzindo gás (por craqueamento),

aumentando a GOR;- mistura de óleos de composições diferentes pode resultar em

exsolução de asfaltenos.- alta salinidade da água da formação pode provocar a coagulação

de micelas de asfaltenos, precipitando do óleo.

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• Processos pós-acumulação do petróleo– Water-washing por advecção de água sobre uma

acumulação de óleo remove os compostos mais solúveis, provocando precipitação de asfaltenos. (águas de aqüíferos estagnados tem pouco efeito)

– Water-washing por águas meteóricas pode introduzir bactérias aeróbias, que podem provocar biodegradação do óleo

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Efeitos da interação água-rocha

• Efeito do pH na superfície do mineral A carga da superfície dos minerais é modificada segundo o pH do meio:

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ácidobásico

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• Os minerais possuem comportamento distinto com o pH

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• Reservatórios carbonáticos são normalmente oil-wet;• Reservatórios siliciclásticos com cimentos carbonáticos terão molhabilidade heterogênea.

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• ArgilasApresentarão molhabilidade variada segundo a composição química, morfologia e estrutura física.

Ex. Kaolinita:

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water-wet

oil-wet

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Argilas expansíveis (grupo smectitas) podem absorver grandes quantidades de compostos polares

• Efeitos do ferro e outros elementos de transição– Óxido de ferro (hematita) tende a ser oil-wet por adsorver grandes quantidades de asfaltenos – pela presença de cátions ferro na superfície, que facilitam a adsorção ou pela oxidação catalítica de componentes do óleo, formando compostos polares que são mais facilmente adsorvidos.– Estado de oxidação é determinante. A molhabilidade pode ser alterada, somente se o ferro possui carga +3. Efeito similar para outros cátions de metais de transição.– Silicatos e carbonatos ricos em ferro (smectita, clorita, siderita, ankerita) tendem a ser oil-wet.

• Feldspatos– Apresentam molhabilidade variada.

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Efeitos da temperatura e pressão

- Temperaturas acima de 120C causam a destruição de ácidos carboxílicos, alterando a molhabilidade.

- Pressão e temperatura afetam a GOR, portanto a solubilidade de asfaltenos (T elevada causa craqueamento de hidrocarbonetos, aumentando a proporção de gás)

- Pressão capilar elevada em reservatórios water-wet pode reduzir a espessura da camada de água que recobre os grãos, permitindo acesso de asfaltenos e outros compostos polares à superfície.

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Sumário: tipo derocha geradora

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Sumário: mineralogia do reservatório/tipo de petróleo