GEO ExPro – Fractura, Fractura por toda a parte – Parte I

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GEO ExPro – Fractura, Fractura por toda a parte – Parte I

Junto bem desenvolvido em lajes de St. Mary’s Chapel, Caithness, Escócia. (Fonte: Mike Norton)

Parte I

O termo ‘fractura’ inclui qualquer quebra ou descontinuidade estrutural em rochas em que duas superfícies de rocha (geralmente planas) são separadas por uma fenda estreita, muito mais curta do que o comprimento ou altura da fractura. A fratura ocorre devido à perda de coesão na rocha e é uma expressão típica da deformação frágil na crosta superior da Terra (em contraste com as estruturas de fluxo e dobra que ocorrem em profundidades da crosta sob condições dúcteis).

Trepadeira utilizando fraturas naturais em granito da Cornualha como suporte de mãos e pés. (Fonte: Jane Whaley)As fraturas são as características estruturais mais comuns que se encontram em todos os tipos de rochas (ígneas, sedimentares e metamórficas) e em todos os ambientes plate-tectónicos, desde fendas continentais e cristas do médio-oceano até trincheiras de subducção e colisões continentais. O conhecimento das fracturas é importante tanto para fins científicos, tecnológicos como económicos. As fraturas são partes essenciais dos processos geológicos que formam cinturas de montanha, bacias sedimentares, litorais, solos oceânicos, terremotos, e assim por diante. As fraturas também fornecem vias fluidas para a movimentação de águas subterrâneas, petróleo e gás, depósitos de minério e magma.
As investigações científicas das fraturas datam do século XIX e têm crescido rapidamente nas últimas décadas. Essas investigações incluem observações de rochas e mapeamento estrutural em níveis micro e macro, trabalhos experimentais e analógicos, análise geomecânica e geomecânica e modelagem e simulação numérica.
Em operações de campo petrolífero, freqüentemente distinguimos entre fraturas naturais (naturais) e aquelas de origem induzidas por perfuração e hidráulica (induzidas por injeção de fluido para fraturar rochas). Mesmo que as fraturas naturais sejam encontradas em todas as rochas, elas não são todas iguais, e o simples termo “fraturas naturais” não faz justiça às suas complexidades. A caracterização das fracturas com base em princípios e dados científicos é assim crucial para a sua utilização na exploração e produção de recursos.

Fracturas Várias Formas

Vários tipos de fracturas sobre uma estrutura de falha normal conjugada. Modificado de Haakon Fossen, Geologia Estrutural (2010). A fratura ocorre em várias escalas desde a placa mineral até a placa tectônica, e é gerada em várias formas por vários processos distintos. A fratura é um termo coletivo para uma variedade de quebras em rochas.
Em uma escala de grão mineral, a fratura é a quebra do cristal ao longo de superfícies irregulares ou curvas; ela requer força externa aplicada ao cristal. (Fractura é diferente da clivagem do cristal, a tendência do cristal mineral para se dividir ao longo de um ou mais planos lisos, o que está relacionado com a disposição da ligação química na malha mineral). Em uma seção fina de rocha, podemos observar microfraturas que podem ser intragranulares (restritas a grãos individuais) ou intergranulares (cortando através de vários grãos).
Em afloramentos de rochas sedimentares, os planos de leito e articulações são provavelmente as fraturas rochosas mais atraentes. Os planos de leito separam camadas de rochas sedimentares sucessivas devido a alterações na litologia ou outras propriedades sedimentares. O termo junta foi usado pela primeira vez por mineiros que pensavam que as rochas eram “unidas” ao longo destes planos como blocos de construção. As juntas não apresentam tosquia visível, mas são dilatações (abertura) ou fraturas de extensão formadas por tensão de tração. Outros tipos de fraturas de extensão incluem fissuras (aberturas largas preenchidas com ar, água ou outros fluidos), veias (preenchidas com minerais) e diques (fraturas verticais largas preenchidas com rocha plutônica ou vulcânica).
Fissuras de cisalhamento, por outro lado, mostram movimento relativo (deslizamento) de duas paredes de fratura paralelas ao plano de fratura (superfície de deslizamento). As fraturas de cisalhamento geralmente têm deslocamentos de milímetros a centímetros de escala, enquanto as falhas têm deslocamentos maiores. As avarias têm frequentemente superfícies polidas ou estriadas (chamadas slickensides) que resultam do deslizamento friccional das paredes da avaria. Os geólogos podem utilizar slickenlines (ranhuras na superfície da falha) para determinar o sentido da falha.

Uma classificação geométrica das fraturas em longitudinal, transversal (transversal), conjugado, diagonal (oblíquo) e ortogonal desenvolvido em uma estrutura de dobra. Estes conceitos de campo foram formulados por geólogos na primeira metade do século XX. Modificado de Singhal e Gupta, Applied Hydrogeology of Fractured Rocks (2010). Nas indústrias petrolífera e de águas subterrâneas, a fratura frequentemente refere-se a juntas em escala de reservatório e outras fraturas abertas, em extensão, que têm implicações positivas para o fluxo de fluido subsuperficial. Neste sentido limitado, grandes falhas, por exemplo, são consideradas como uma característica diferente. Assim, muitas vezes ouvimos falar de “fraturas e falhas” nas rochas do reservatório, o que é como dizer que existem “animais e cães na nossa fazenda”. As falhas representam de facto um tipo significativo de fracturas e estão geneticamente associadas a muitos outros tipos de fracturas. (Para vários tipos de falhas, veja o artigo em duas partes ‘Conheça suas falhas’, GEO ExPro, Vol. 9, No. 5 e No. 6).
Alguns tipos especiais de fraturas também são dignos de nota aqui. Fissuras de lama (fracturas de dessecação) são polígonos de fracturas de extensão que se desenvolvem em sedimentos altamente ricos em argila devido ao encolhimento e perda de água. As fracturas são fracturas naturais, de modo aberto, em leitos de carvão preenchidos com gás natural ou água. As faixas de deformação são de largura milimétrica, características planas em arenitos de alta porosidade que mostram pouca compensação mas que se caracterizam por faixas de rochas de baixa porosidade e baixa permeabilidade mas não são todas iguais devido ao fluxo de grãos minerais, fracturas ou cimentação; agrupam-se em torno de falhas.
Algumas fracturas formam características espectaculares em imagens de satélite; são também importantes para movimentos de fluidos em escala de crosta. Lineamentos são linhas fisiográficas em uma extensão regional que indicam deformação de rochas por falha maior ou dobra. As zonas de fractura do solo oceânico estendem-se para além das cristas do médio-oceano até às margens continentais.

Fractura Caracterização

Uma caracterização abrangente da fractura envolve o mapeamento, medição e documentação de uma série de parâmetros, incluindo os seguintes:
1. Tipo de fratura e seu preenchimento (se aberta ou preenchida).
2. associação da fratura com litologia particular, estrutura (falha, dobra ou sem estrutura), histórico de deformação (idade), e campo de tensão presente (in-situ).
3. fraturas sistemáticas de rochas muitas vezes se desenvolvem em um ou mais conjuntos de fraturas. É importante mapear e quantificar esses conjuntos de fraturas e trabalhar suas idades relativas.
4. Atitude das fraturas inclui ataque (em relação ao Norte) e ângulo de mergulho (de 0° horizontal a 90° vertical) e direção (a direção de mergulho é sempre perpendicular à direção de ataque). Estes dados podem ser exibidos em parcelas estereográficas de igual área. As tendências de batida de fraturas também podem ser plotadas em um diagrama de rosas ou em um histograma.
5. O comprimento da fratura indica a persistência lateral da estrutura. Comprimentos de traços de <1m são muito baixa persistência, enquanto os de >20m são fraturas de persistência muito alta.

6. O espaçamento das fraturas e sua relação com a espessura do leito ou posição estrutural (relacionado a falhas, dobrado ou nenhum) são dados cruciais. Nos afloramentos, o espaçamento das fraturas pode ser medido por uma fita ao longo de uma linha de varredura. As observações mostram que camadas muito rígidas têm mais articulações do que camadas muito fracas; e para uma dada litologia, os leitos mais finos têm articulações espaçadas. A Sociedade Internacional de Mecânica das Rochas (ISRM) recomendou a seguinte escala para classificar o espaçamento entre fraturas: espaçamento extremamente próximo (<0,02m), espaçamento muito próximo (0,02-0,06m), espaçamento próximo (0,06-0,2m), espaçamento moderado (0,2-0,6m), espaçamento largo (0,6-2,0m), espaçamento muito largo (2,0-6,0m) e espaçamento extremamente largo (>6,0m). A frequência de fraturas é definida como o número de fraturas por metro de comprimento. É assim o inverso do espaçamento entre fraturas. A frequência de fratura é igual a 1/espaçamento de fratura.
7. População: A ocorrência de fraturas pode ser quantificada em 1D (freqüência de fratura para um dado comprimento), 2D (intensidade de fratura para uma determinada área) e 3D (densidade de fratura para um dado volume).
8. Abertura é a distância perpendicular entre as paredes de rocha adjacentes (superfícies de fratura) de uma fratura. Pode ser aberta (contendo ar, água ou outro fluido) ou fechada (enchida por rocha de falha ou algum outro material injetado). A abertura pode ser apertada (<0,25mm) para fraturas fechadas ou larga (>10mm) para fraturas abertas. A abertura diminui ao longo do comprimento de uma fratura em direção à frente da fratura. A abertura também pode mudar ao longo da altura de uma fractura devido a asperezas (ver abaixo). Muitas vezes os termos “equivalente”, “hidráulico” e “mecânico” são usados dependendo dos métodos e da finalidade da sua estimativa.
9. As paredes fracturadas não têm superfícies perfeitamente paralelas e lisas, mas contêm asperezas e irregularidades chamadas asperezas, que reduzem a permeabilidade da fractura. Alguns conhecimentos sobre asperezas podem assim ajudar a modelar melhor o fluxo de fluido através da fractura.

Anatomia das fracturas rochosas. (Fonte: Rasoul Sorkhabi)10. A rigidez da fratura (medida em Pascal/mm) descreve a deformação por tensão da fratura em relação à tensão normal (rigidez normal ou resistência ao fechamento) e à tensão de cisalhamento (rigidez de cisalhamento ou resistência ao deslocamento de cisalhamento). Os dados sobre a rigidez da fratura são mais difíceis de obter porque envolvem experimentos em laboratório geomecânico ou in-situ de rochas fraturadas.
11. Conectividade das fraturas: a interseção das fraturas naturais proporciona uma rede de permeabilidade aos fluidos, enquanto que as fraturas desconectadas e isoladas não são hidraulicamente eficazes. A chance de conectividade da fratura aumenta com maior população e comprimentos de fraturas em um dado volume de rocha.
12. Propriedades petrofísicas das fraturas, incluindo porosidade e permeabilidade.

Reservatórios fraturados

Todas as rochas do reservatório são fraturadas em algum grau e geralmente por mais de um processo. Entretanto, o termo “reservatório fraturado” refere-se a um reservatório estanque (permeabilidade da matriz < 0.1 mD) no qual as fraturas naturais desempenham um papel significativo de permeabilidade para o fluxo de fluido (água, óleo ou gás natural). Nesses reservatórios, portanto, o mapeamento e caracterização das fraturas em modelo geológico 3D e a quantificação das propriedades petrofísicas das fraturas é de suma importância para a perfuração e produção.
Em seu livro Análise Geológica de Reservatórios Fraturados, Ronald Nelson descreveu uma classificação de reservatórios baseada na porosidade e permeabilidade tanto da matriz rochosa quanto das fraturas. Quatro tipos são assim distinguidos:

Classificação de reservatórios com base nas propriedades petrofísicas das fraturas rochosas. Modificado de Ronald Nelson, Geologic Analysis of Fractured Reservoirs (2001) – Em reservatórios do Tipo I, as fraturas fornecem a porosidade e permeabilidade essenciais (ex. Campo de Amal, Líbia; Campos de Ellenburger, Texas). Esses reservatórios têm curvas de declínio elevado por poço.
– Em reservatórios Tipo II, as fraturas fornecem a permeabilidade essencial (por exemplo, campo de Agha Jari, Irã; Rangely, Colorado).
– Nos reservatórios Tipo III, as fraturas contribuem para a permeabilidade de um reservatório já produzível (por exemplo, Kirkuk, Iraque; Cottonwood Creek, Wyoming).
– Nos reservatórios Tipo IV, as fraturas realmente atuam como barreiras fluidas (por exemplo, Beaver Creek, Wyoming; Houghton, Kansas). Estes reservatórios estão estruturalmente compartimentados.
As fracturas superficiais representam sempre um desafio para a exploração e produção. Nas indústrias petrolífera, geotérmica e de águas subterrâneas, portanto, uma grande variedade de materiais, ferramentas e técnicas são utilizadas para identificar, mapear e caracterizar as fraturas. Estas incluem tectónica de bacia, análogos de afloramentos, núcleos, registos de imagens de perfuração, secções sísmicas, dados de tensão in-situ, testes de fluxo de poços, experiências geomecânicas, etc..