Mestrado - Geraldo Nery

Universidade Federal da Bahia

Curso de Pós-Graduação em Geologia

Dissertação de Mestrado

Nery, Geraldo G. (1989)

Estudo da eficiência na filtração iânica de bentonitas e folhelhos triturados da formação Candeias, Bacia do Recâncavo, Bahia, Brasil.

Data de Aprovação: 05.06.1989

Banca Examinadora: Prof. Francisco C. Pontes (Orientador), Dr. Geraldo S. Vilas Boas, Dr. Joaquim J. OLiveira.

RESUMO Por ocasião da deposição de lamas argilosas, os primeiros processos diagenéticos que resultam na variação e movimentação fluida são gerenciados por fenâmenos osmóticos somente, elevando em cerca de 10% a salinidade dos fluidos efluentes de tais lamas. Como a salinidade das águas das rochas, com a profundidade nas bacias sedimentares, atinge a valores atuais de cerca de 10 vezes a da água do mar, é de se esperar que mecanismos outros, mais eficiente do que a osmose, tal como a filtração de íons através de folhelhos compactados, possam elevar ainda mais a concentração das águas intersticiais dos sedimentos.
O comportamento de folhelhos como elemento filtrante (ou semi-permeável) de sais, foi admitido primeiramente por De Sitter (1947), cabendo entretanto a Wyllie (1948) sua comprovação experimental. Esta característica de semi-permeabilidade somente se torna possível por causa do fenâmeno de adsorção catiânica, que se estabelece ao longo das extensas superfícies de contato daqueles minerais, de modo a contrabalançar o excesso de cargas negativas adquiridas por substituição isomórfica ou dissociação de hidrogênio das hidroxilas. Essa adsorção, por sua vez, provoca o aparecimento de zonas ou camadas de diferentes concentraçães iânicas, até uma total neutralidade em relação ao afastamento das superfícies dos argilominerais, dando origem a um fenâmeno interfacial denominado de Dupla Camada Elétrica. Nos estágios finais de compactação dos folhelhos ocorre uma superposição dessas duplas camadas elétricas localizadas entre argilominerais adjacentes, originando um desbalanceamento de cargas negativas, com intensa retenção ou filtração preferencial de cátions. Esse processo de retenção ou de filtração de cátions é denominado, neste trabalho, de filtração iânica por semi-permeabilidade eletrostática.
A osmose durante a compactação incipiente de lamas argilosas provoca uma variação na salinidade dos fluidos efluentes, de tal modo que as lamas altamente concentradas mostram uma ótima capacidade ou eficiência na retenção ou filtração de sais, enquanto que as lamas mais diluídas têm sua eficiência filtrante reduzida, liberando sais para os efluentes. Esse processo de retenção ou liberação de sais é denominado, neste trabalho, de filtração por osmose, ou filtração osmótica.
Deve haver uma situação de estabilidade entre a salinidade da solução intersticial da lama (ou sistema) sob compactação e a salinidade de seu efluente. Abaixo dessa situação a lama retem os sais nos seus poros, fazendo que seus efluentes se tornem mais diluidos que as águas intersticiais da própria lama. Acima dela, a lama libera sais, tornando seus efluentes mais salgados. O ponto de estabilidade ou crítico é um indicador da salinidade da água adsorvida nos poros dos argilominerais ou folhelhos, podendo ser utilizado nas interpretaçães de perfis elétricos, acústicos e radioativos dos poços de petróleo, como o parâmetro ``Rwb'' de Clavier, Coates e Dumanoir (1977, 1984).
Este trabalho, que é uma simulação de compactaçães incipientes, demonstra que a eficiência filtrante de lama argilosas, abreviadamente denominadas de SFE, independe da sua composição mineralógica, da capacidade de troca catiânica dos seus argilominerais e do tipo de sua solução intersticial, dependendo todavia apenas de sua concentração em sais dissolvidos.
Em situaçães de baixa compactação, isto é, ainda nas proximidades da superfície, a filtração osmótica é um dos fenâmenos diagenéticos mais atuante nos aumentos de salinidade das águas intersticiais das rochas, ao passo que nas grandes profundidade, os folhelhos, pelo excesso de sobrecarga, apresentam suas duplas camadas elétricas superpostas dando origem à filtração iânica por semi-permeabilidade eletrostática.
A interação entre os dois processos de filtração de sais (osmótica e por semi-permeabilidade eletrostática), que ocorre espontaneamente na natureza, aliada à segregação gravitacional (separação por densidade) sugerida por alguns pesquisadores, poderá explicar a razão pela qual as águas intersticiais das rochas aumentam gradativamente com a profundidade, na maioria das bacias sedimentares.

ABSTRACT As soon as argillaceous mud deposition occurs, the diagenetic hydrodinamic flux is oriented by osmotic diffusion increasing about 10% of salt content of mud effluents. Formation waters in most sedimentary basins increase their salinities with depth, to an order of ten times the present sea water concentration. It is possible that a more effective mechanism, like salt filtration through compacted shales, plays an important role to produce the observed salinities.
The behavior of shaly rocks as efficient semi-permeable or salt filtering membranes was first mentioned by De Sitter (1947) and experimentally demonstrated by Wyllie (1948). This physical property is present in those rocks due to cationic adsorption phenomena that occurs at the large extension of clay minerais contact surfaces, in order to counterbalance the negative charged sites, originated by isomorphic substituition or hydrogen dissociation from structural hydroxyls. These adsorption zones, or layers of different ionic concentrations, are close to the clay surface, while a neutral situation at the central portion of large pores occurs. These zones are named Electrical Double Layers. In final compaction stages of shales there is a superposition of adjacent double layers and a strong unbalanced situation occurs and a preferencial cation filtration is observed. This process of cationic filtration is named eletrostatic semi-permeable ionic filtration in this work.
The osmotic diffusion is active during incipient compaction process of shaly muds and may originate a great variation in salt content of their filtrates, in such a way that highly concentrated muds show a great capacity or efficiency in salt retaining or filtration than those diluted ones, which in turn liberate salts. This process of salt filtration is named osmotic filtration in this work.
There is a stability range of salinity or critical situation between the mud interstitial solution and its effluent. Below the critical point the mud retains salts and its effluents becomes more diluted than the original solution. Above the critical point the mud liberates salts and its effluent becomes saltier. This critical salinity situation indicates the magnitude of salt concentration of the clay adsorbed water, and may be used in quantitative well log interpretation methods, such as the Dual Water method suggested by Clavier, Coates and Dumanoir (1977, 1984).
This experimental work simulated incipient compactions and the results presented herein show that the mud efficiency is independent of its mineralogical content, its cationic exchange capacity and interstitial solution, but it is dependent of its salt concentration only.
In low compaction stages close to surface, the osmotic diffusion is the predominant diagenetic phenomena and increases the effluents salinity. On the other hand, at great depths where double electric layers superposition occurs, a much higher percentage of salt retention is observed due to the electrostatic semi-permeability of shales.
The interaction of salt filtration processes, like osmotic and eletrostatic semi-permeability filtrations, plus gravitational settling argued by several authors, may explain the gradual increase of formation water salinities with depth in most sedimentary basins.

	Nery, Geraldo G. (1989)
	Estudo da eficiência na filtração iânica de bentonitas e folhelhos triturados da formação Candeias, Bacia do Recâncavo, Bahia, Brasil.
	Data de Aprovação: 05.06.1989
	Banca Examinadora: Prof. Francisco C. Pontes (Orientador), Dr. Geraldo S. Vilas Boas, Dr. Joaquim J. OLiveira.
RESUMO	Por ocasião da deposição de lamas argilosas, os primeiros processos diagenéticos que resultam na variação e movimentação fluida são gerenciados por fenâmenos osmóticos somente, elevando em cerca de 10% a salinidade dos fluidos efluentes de tais lamas. Como a salinidade das águas das rochas, com a profundidade nas bacias sedimentares, atinge a valores atuais de cerca de 10 vezes a da água do mar, é de se esperar que mecanismos outros, mais eficiente do que a osmose, tal como a filtração de íons através de folhelhos compactados, possam elevar ainda mais a concentração das águas intersticiais dos sedimentos. O comportamento de folhelhos como elemento filtrante (ou semi-permeável) de sais, foi admitido primeiramente por De Sitter (1947), cabendo entretanto a Wyllie (1948) sua comprovação experimental. Esta característica de semi-permeabilidade somente se torna possível por causa do fenâmeno de adsorção catiânica, que se estabelece ao longo das extensas superfícies de contato daqueles minerais, de modo a contrabalançar o excesso de cargas negativas adquiridas por substituição isomórfica ou dissociação de hidrogênio das hidroxilas. Essa adsorção, por sua vez, provoca o aparecimento de zonas ou camadas de diferentes concentraçães iânicas, até uma total neutralidade em relação ao afastamento das superfícies dos argilominerais, dando origem a um fenâmeno interfacial denominado de Dupla Camada Elétrica. Nos estágios finais de compactação dos folhelhos ocorre uma superposição dessas duplas camadas elétricas localizadas entre argilominerais adjacentes, originando um desbalanceamento de cargas negativas, com intensa retenção ou filtração preferencial de cátions. Esse processo de retenção ou de filtração de cátions é denominado, neste trabalho, de filtração iânica por semi-permeabilidade eletrostática. A osmose durante a compactação incipiente de lamas argilosas provoca uma variação na salinidade dos fluidos efluentes, de tal modo que as lamas altamente concentradas mostram uma ótima capacidade ou eficiência na retenção ou filtração de sais, enquanto que as lamas mais diluídas têm sua eficiência filtrante reduzida, liberando sais para os efluentes. Esse processo de retenção ou liberação de sais é denominado, neste trabalho, de filtração por osmose, ou filtração osmótica. Deve haver uma situação de estabilidade entre a salinidade da solução intersticial da lama (ou sistema) sob compactação e a salinidade de seu efluente. Abaixo dessa situação a lama retem os sais nos seus poros, fazendo que seus efluentes se tornem mais diluidos que as águas intersticiais da própria lama. Acima dela, a lama libera sais, tornando seus efluentes mais salgados. O ponto de estabilidade ou crítico é um indicador da salinidade da água adsorvida nos poros dos argilominerais ou folhelhos, podendo ser utilizado nas interpretaçães de perfis elétricos, acústicos e radioativos dos poços de petróleo, como o parâmetro ``Rwb'' de Clavier, Coates e Dumanoir (1977, 1984). Este trabalho, que é uma simulação de compactaçães incipientes, demonstra que a eficiência filtrante de lama argilosas, abreviadamente denominadas de SFE, independe da sua composição mineralógica, da capacidade de troca catiânica dos seus argilominerais e do tipo de sua solução intersticial, dependendo todavia apenas de sua concentração em sais dissolvidos. Em situaçães de baixa compactação, isto é, ainda nas proximidades da superfície, a filtração osmótica é um dos fenâmenos diagenéticos mais atuante nos aumentos de salinidade das águas intersticiais das rochas, ao passo que nas grandes profundidade, os folhelhos, pelo excesso de sobrecarga, apresentam suas duplas camadas elétricas superpostas dando origem à filtração iânica por semi-permeabilidade eletrostática. A interação entre os dois processos de filtração de sais (osmótica e por semi-permeabilidade eletrostática), que ocorre espontaneamente na natureza, aliada à segregação gravitacional (separação por densidade) sugerida por alguns pesquisadores, poderá explicar a razão pela qual as águas intersticiais das rochas aumentam gradativamente com a profundidade, na maioria das bacias sedimentares.
ABSTRACT	As soon as argillaceous mud deposition occurs, the diagenetic hydrodinamic flux is oriented by osmotic diffusion increasing about 10% of salt content of mud effluents. Formation waters in most sedimentary basins increase their salinities with depth, to an order of ten times the present sea water concentration. It is possible that a more effective mechanism, like salt filtration through compacted shales, plays an important role to produce the observed salinities. The behavior of shaly rocks as efficient semi-permeable or salt filtering membranes was first mentioned by De Sitter (1947) and experimentally demonstrated by Wyllie (1948). This physical property is present in those rocks due to cationic adsorption phenomena that occurs at the large extension of clay minerais contact surfaces, in order to counterbalance the negative charged sites, originated by isomorphic substituition or hydrogen dissociation from structural hydroxyls. These adsorption zones, or layers of different ionic concentrations, are close to the clay surface, while a neutral situation at the central portion of large pores occurs. These zones are named Electrical Double Layers. In final compaction stages of shales there is a superposition of adjacent double layers and a strong unbalanced situation occurs and a preferencial cation filtration is observed. This process of cationic filtration is named eletrostatic semi-permeable ionic filtration in this work. The osmotic diffusion is active during incipient compaction process of shaly muds and may originate a great variation in salt content of their filtrates, in such a way that highly concentrated muds show a great capacity or efficiency in salt retaining or filtration than those diluted ones, which in turn liberate salts. This process of salt filtration is named osmotic filtration in this work. There is a stability range of salinity or critical situation between the mud interstitial solution and its effluent. Below the critical point the mud retains salts and its effluents becomes more diluted than the original solution. Above the critical point the mud liberates salts and its effluent becomes saltier. This critical salinity situation indicates the magnitude of salt concentration of the clay adsorbed water, and may be used in quantitative well log interpretation methods, such as the Dual Water method suggested by Clavier, Coates and Dumanoir (1977, 1984). This experimental work simulated incipient compactions and the results presented herein show that the mud efficiency is independent of its mineralogical content, its cationic exchange capacity and interstitial solution, but it is dependent of its salt concentration only. In low compaction stages close to surface, the osmotic diffusion is the predominant diagenetic phenomena and increases the effluents salinity. On the other hand, at great depths where double electric layers superposition occurs, a much higher percentage of salt retention is observed due to the electrostatic semi-permeability of shales. The interaction of salt filtration processes, like osmotic and eletrostatic semi-permeability filtrations, plus gravitational settling argued by several authors, may explain the gradual increase of formation water salinities with depth in most sedimentary basins.