Presentation during the 46º Brazilian Geological Congress, Special Forum F-4

1. Fórum Especial F4
Hidratos de Gás: Gênese, Prospecção, Recursos e
Ambientes Geodinâmicos
HIDRATOS DE GÁS: GELO QUE QUEIMA
Antonio Fernando Menezes Freire
PETROBRAS/CENPES/PDGEO/GEOQ
CENPES/PDGEO/GEOQ

2. • Hidratos de gás natural, ou hidratos de metano,
são sólidos formados a partir da combinação entre
água e um ou mais gases (CH4, C2H6, CO2, H2S, H2,
N2). Em aparência física se assemelha a neve
compactada ou gelo.
Afloramento de
GH no fundo do mar
Foto: ROV Hyper Dolphin JAMSTEC Foto: USGS
GH são estáveis apenas em condições de alta pressão e baixa temperatura, podendo,
a depender destas condições, existir em temperaturas muito superiores ao ponto de
fusão da água (~19°C).
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3. • É preciso haver uma fonte de gás (comumente CH4) a qual pode ser derivada da transformação
térmica da matéria orgânica a grandes profundidades e temperaturas (origem termogênica), ou
gerada por processos biológicos a profundidades e temperaturas menores (origem microbial);
• Quando o CH4 migra para condições apropriadas de P e T, na chamada zona de estabilidade dos
hidratos de gás (GHSZ), o movimento das partículas gasosas gera uma reação exotérmica,
congelando a água em volta e formando uma cápsula de gelo que aprisiona uma molécula de gás
(gas clathrate).
Gas Clathrate Hardage and Roberts, 2006
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4. Tipos de hidratos de gás
1) Mistos: mais de um componente gasoso na mesma cavidade
2) Duplos: mais de um componente gasoso, porém em cavidades separadas
3) Simples: formados por apenas um tipo de gás
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5. Estrutura dos hidratos de gás
Tipo I Estável, comum nos hidratos naturais
(simples ou duplos)
Tipo II
Estável, comum nos hidratos naturais
(simples ou duplos)
Tipo H Instável, comum nos hidratos artificiais
(duplos ou mistos)
Modificado de Sloan (1998) http://csmspace.com/events/natgashyd/
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6. Nódulos de hidratos de gás
Fragmentos de hidratos recuperados por testemunhadores a pistão no Mar do Japão
Foto: Freire, 2010
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7. Bolhas de GH em exsudação de metano no Umitaka Spur no Mar do Japão. Próximo ao
fundo são bolhas de metano. Ao contato com a água fria (0,2°C a 885m) há o congelamento
da água em volta gerando uma bolha de hidrato.
Notar que o fundo do mar na
região da exsudação possui
uma grande quantidade de
carbonatos precipitados devido
à oxidação do metano pelo
sulfato da água do mar (AOM).
Isto possibilita um bom
contraste sísmico e pode ser
usado como indicador de
exsudações. Comunidades
quimiosintéticas se aproveitam
deste microambiente estável
para se fixar.
Foto: ROV Hyper Dolphin, 2007
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8. Bolhas de hidratos de gás
Foto: ROV Hyper Dolphin, 2007
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9. Transição Sulfato-Metano (SMT ou SMI)
Oxidação Anaeróbica do Metano (AOM)
SO42- SO42- SO42-
Metano (mM)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Difusão de SO42-
0
C Zona de sulfato-redução
200
Sulfate-Mathane interface
B
AOM
Profundidade (cm)
400
A
600 Fluxo de DNS
metano AOM
800 Forte DNS
1000
AOM
Moderado
Sulfato
A Metano Zona de metanogênese Fraco
1200
0 5 10 15 20 25 30
Sulfato (mM)
CH4+SO42 HCO3- + HS- + H2O
Modificado de Ussler & Paull, 2008
Modificado de Hardage and Roberts, 2006
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10. Oxidação Anaeróbica do Metano (AOM)
Cátions dissolvidos na água do mar
Mg2+ Ba2+
Mg2+ Ba2+
Ca2+ Na2+
Mg2+ Na2+
Fe2+ Ca2+ Na2+
Fe2+ Fe2+ Ca2+ Na2+
-
Fe2+
SO4 + Fundo do mar
Mg2+ Fe2+ K+ Na2+ Ca2+ Ba2+
Registro SMI
da SMI
interface BaSO4 Fe2S
sulfato-metano (Ca, Mg)CO3 Sedimento
Fluxo de metano maior
Oxidação anaeróbica do metano no espaço poroso
- CH4 +
CH4 + SO42 CO32 + H2S + H2O
Freire, 2010
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11. Oxidação Anaeróbica do Metano (AOM)
Cátions dissolvidos na água do mar
Mg2+ Ba2+
Mg2+ Ba2+
Ca2+ Na2+
Mg2+ Na2+
Fe2+ Ca2+ Na2+
Fe2+ Fe2+ Ca2+ Na2+
-
Fe2+
SO4 + Fundo do mar
Mg2+ Fe2+ K+ Na+ Ca2+ Ba2+
Registro da
Paleo SMI
Registro da Sedimento
Nova SMI Fe2S
Interface BaSO4 (Ca, Mg)CO3
sulfato-metano Fluxo de metano menor
- CH4 +
CH4 + SO42+ CO32 + H2S + H2O
Freire, 2010
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12. Exsudação de metano
ROV Hyper Dolphin, 2007
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13. Bolhas de hidrato de metano
ROV Hyper Dolphin, 2007
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14. Zona de exsudações
Tapetes microbiais, comunidade quimiossintética
ROV Hyper Dolphin, 2007
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15. Tapetes microbiais, comunidade quimiossintética
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16. Plumas gigantes na coluna d’água
Imagens de ecobatímetro
Prof.: 310m
Altura da pluma: 602m
912.0m
Fundo do mar
Diâmetro da pluma: 100 m
Modificado de Matsumoto, 2009
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17. Forma de ocorrência dos hidratos naturais de gás
Disseminados nos poros (areias);
http://www.mh21japan.gr.jp/english/mh21-1/2-2/
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18. Forma de ocorrência dos hidratos naturais de gás
• Concentrados em
fraturas e falhas;
•Concentrados como
nódulos ou blocos
Fotos: Freire, 2008
(argilas, margas).
Tomografias:
Holland, 2008
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19. Dissociação dos hidratos naturais de gás
Expulsão de sedimentos de dentro
do testemunhador a pistão devido
à expansão de gases causada pela
dissociação de hidratos na
superfície (blow-out)
Fotos: Kanamatsu, 2010
CENPES/PDGEO/GEOQ

20. Dissociação dos hidratos naturais de gás
Expulsão de sedimentos de
dentro do testemunhador a
pistão devido à expansão de
gases causada pela
dissociação de hidratos na
superfície (blow-out)
Fotos: Kanamatsu, 2010
CENPES/PDGEO/GEOQ

21. Por que estudar sobre os hidratos de gás?
Como uma potencial fonte de gás: a quantidade de carbono sobre a forma de GH é
estimada em duas vezes o total de carbono armazenado em todos os combustíveis
fósseis conhecidos no mundo! Oceanos: 983 Gt
(inclui organicos
dissolvidos e
biota) Atmosfera
Terra: 2.790 Gt
3,6 Gt
(inclui solo, biota,
turfa, e detritos)
Combustíveis Hidratos de gás
+ fósseis: 10.000 Gt
5.000 Gt
1m3 164m3 0.8m3
Hidrato de gás Gás livre Água doce
USGS
1m3 of GH contém 164 m3 de metano e 0.8 m3 de água em condições apropriadas de T and P.
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22. Por que estudar sobre os hidratos de gás?
Arenitos árticos com infraestrutura de escoamento (10’s de TCF in place)
Arenitos árticos sem infraestrutura de escoamento (100’s de TCF in place)
Turbiditos de água profunda (10.000’s de TCF in place)
Sedimentos marinhos permeáveis, não arenitos (desconhecido)
Depósitos maciços e nodulares superficiais (desconhecido)
Sedimentos marinhos com baixa permeabilidade
(100.000’s TCF in place)
Reservas Provadas (200 TCF)
Novas descobertas
e a descobrir (1.500 TCF)
Não recuperável
(desconhecido)
Hidratos de Gás
Gás Natural Boswell e Collett, 2006
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23. Por que estudar sobre os hidratos de gás?
Estudos de estabilidade do talude: A dissociação de hidratos é um possível mecanismo
para iniciar processos de movimento de massa. Esta dissociação pode ser causada por
algum processo que reduza a pressão e/ou aumente a temperatura, como o rebaixamento
do nível do mar ou circulações oceânicas anômalas.
Liberação de metano para a atmosfera
Nível de mar alto
120m
Nível de mar baixo
Diminuição da pressão
Base da zona de estabilidade hidrostática
dos hidratos de gás (GHSZ)
Movimento de massa
hidratos de gás
20m Modificado de Kvenvolden (1999)
CENPES/PDGEO/GEOQ

24. Por que estudar sobre os hidratos de gás?
Para estudos ambientais: o metano é um gás 10 vezes mais causador de efeito estufa que o dióxido de
carbono, atuando nas mudanças climáticas. Dissociações gigantescas de hidratos podem ocorrer em
períodos de mar baixo, liberando imensas quantidades de metano para a atmosfera.
interglaciais glaciais
Nível de mar alto Nível de mar baixo
Estágio 2: instável Estágio 3: instável
Estágio 1: estável crescimento de hidratos dissociação de hidratos
formação de hidratos (formação de montes) (formação de depressões)
(mounds) (pockmarks)
alta pressão (estável) baixa pressão (instável)
transição Modificado de Matsumoto et al., (2009)
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25. Depressões no fundo do mar: pockmarks
Pockmarks gigantes: 500m de diâmetro
Modificado de Matsumoto et al., 2008
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26. Depressões no fundo do mar: pockmarks
Formação explosiva ou implosiva?
ROV Hyper Dolphin, 2007
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27. Por que estudar sobre os hidratos de gás?
Outros propósitos:
Armazenamento e transporte de gás em forma de pellets
Armazenamento geológico de CO2
Armazenamento e transporte de hidrogênio
Dessalinização de água do mar
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28. Onde se encontram os hidratos de gás?
Os hidratos de metano têm sido inferidos em várias partes do mundo através de BSRs, onde as
condições de P e T permitem a estabilidade da estrutura do hidrato.
Os hidratos estão presentes em sedimentos oceânicos ao longo das margens continentais e em regiões
de congelamento eterno (permafrost) em oceanos e lagos.
Podem ocorrer em profundidades d’água maiores que 300 a 500m e podem ser encontrados a mais de
1000m dentro da coluna sedimentar.
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29. Bottom Simulating Reflector - BSR
Inversão de polaridade:
pico branco (positivo)
Densidade menor (água do mar)
para densidade maior (sedimento)
pico preto (negativo)
Densidade maior (hidratos)
para densidade menor (gás livre)
Barth et al., 2009
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30. Estabilidade dos hidratos de gás
Nível do mar Águas temperadas
100 100 10
Gelo + gás
Limite de fases gelo/água
200 Água + gás 20
TP MHSC
Pressão hidrostática (atm)
1000
Limite de fases
Profundidade (m)
Profundidade (m)
350m Hidrato/gás
GHSZ
500 Hidrato + 50
2000 gelo + gás A B
GG
Fundo do mar 4ºC 1000 100
0m
3000 GHSZ
500m Hidrato + água + gás
2000 200
BGHSZ = BSR -10 0 10 20 30 40
4ºC
4000 Temperatura (0C)
-20 -10 0 10 20 30
A: > NaCl ou N2
Temperatura (0C)
B: > CO2, H2S, C2H6, C3H8
BGHSZ = Base da zona de estabilidade dos hidratos de gás
GG = gradiente geotérmico A estabilidade dos hidratos depende
GHSZ = Zona de estabilidade dos hidratos de gás
MHSC = Curva de estabilidade do hidrato de metano da temperatura, pressão, salinidade
TP = Perfil de temperatura da água e da composição do gás.
Modificado de Hardage e Roberts, 2006
CENPES/PDGEO/GEOQ

31. Bottom Simulating Reflector - BSR
Em algum lugar do Brasil….
TWT velocidade sísmica
1450 m/s 2500 m/s
BSR
Velocidade maior acima da BSR
(hidratos de gás)
Velocidade menor abaixo da BSR
(carga de gás livre)
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32. Bottom Simulating Reflector - BSR
Em algum lugar do Brasil….
BSR
anomalias de amplitude
(gás livre?)
Stica, comunicação pessoal
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33. Bottom Simulating Reflector - BSR
Falhas verticais de plano axial na parte central conectam reservatórios profundos com o fundo do mar,
induzindo a ocorrência de exsudações de metano e afloramentos de hidratos. Mounds e pockmarks
são controlados e alinhados pelo sistema de falhas.
US51-strike
Mar do Japão
Freire et al., 2011
BSR
anomalias de amplitude
chaminés de gás
não-interpretada interpretada
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34. Bottom Simulating Reflector - BSR
US19-dip
Mar do Japão
não-interpretada
interpretada
BSR
anomalias de amplitude
Freire et al., 2011
CENPES/PDGEO/GEOQ

35. BSR funcionando como selo
Zonas caóticas são regiões sísmicas onde os refletores não são contínuos, sendo
interpretadas como depósitos de movimento de massa ou fluxos de detritos. Notar um
refletor subhorizontal associado a uma zona caótica. Isto sugere um possível contato
gas/água imediatamente abaixo da GHSZ no flanco W do anticlinal.
BSR
Mar do Japão
flat spot
anomalias de amplitude
US23-dip
BSR
US08-dip
zonas caóticas (debris)
anomalias de amplitude
Freire et al., 2011
CENPES/PDGEO/GEOQ

36. Será viável a produção de gás a partir do GH?
Poço Mallik, Mackenzie Delta, Canadá (permafrost)
USGS
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37. Será viável a produção de gás a partir do GH?
Poço Mallik, Mackenzie Delta, Canadá (permafrost)
Foram produzidos 13.000 m3 de gás e 70 m3
de água em 6 dias de teste.
O GH foi dissociado por redução da pressão
de 4 a 5 Mpa.
Estima-se que foi drenado um raio de 15m
do poço.
USGS
CENPES/PDGEO/GEOQ

38. Será viável a produção de gás a partir do GH?
Mar do Japão
Japan
Joetsu Sea Google
Basin
(study area) Oceano
Pacífico
Pacific
Google
Ocean
Imagem de satélite noturna do Japão
Nankai As reservas estimadas de hidratos de metano equivalem
Trough ao consumo doméstico japonês por 13 anos!!!!
JOGMEQ, 2011
Matsumoto et al., 2009
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39. Será viável a produção de gás a partir do GH?
Colwell et al., 2011
CENPES/PDGEO/GEOQ

40. Teste de produção de longa duração
em Nankai Trough: previsto para 2012/2013
MH21
CENPES/PDGEO/GEOQ

41. v.28, issue 10, p. 1967-1978 - 2011
OBRIGADO
PELA
ATENÇÃO
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