UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ INSTITUTO DE CIÊNCIAS DO MAR PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS MARINHAS E TROPICAIS CLÁUDIO ANTONIO LEAL GEOFÍSICA APLICADA NA AVALIAÇÃO DE RECURSOS HÍDRICOS SUBTERRÂNEOS E MEIO AMBIENTE DA ZONA COSTEIRA DO CAMPO PETROLÍFERO DE FAZENDA ALEGRE, NORTE CAPIXABA – ESPÍRITO SANTO FORTALEZA 2007 CLÁUDIO ANTONIO LEAL GEOFÍSICA APLICADA NA AVALIAÇÃO DE RECURSOS HÍDRICOS SUBTERRÂNEOS E MEIO AMBIENTE DA ZONA COSTEIRA DO CAMPO PETROLÍFERO DE FAZENDA ALEGRE, NORTE CAPIXABA – ESPÍRITO SANTO Dissertação apresentada ao Curso de pós-graduação em ciências marinhas e tropicais da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre FORTALEZA 2007 "Diante de Deus todos somos igualmente sábios e igualmente tolos." Albert Einstein... AGRADECIMENTOS Agradeço especialmente aos meus pais, Celso e Carmen (in memorian), por todo o esforço e carinho com que ergueram a base de minha vida profissional e pessoal, o que me levam a aprimorar cada vez mais meus conhecimentos. À minha tia Dandam (in memorian), pelo imenso carinho e devoção na minha formação pessoal. À minha esposa, Cristina, pelo apoio, presença e paciência durante a execução deste trabalho. Aos meus filhos, Lucas, Daniel e Anna Elisa, que são sempre fonte de inspiração. Ao meu amigo e orientador Mariano Castelo Branco, pela competência, paciência, apoio e solidariedade com que conduziu a orientação deste trabalho. Ao amigo Luiz Parente, pelas conversas, críticas e sugestões que muito contribuíram para o desenvolvimento deste estudo. Aos colegas Luciano Cunha, Mauro Lisboa, Tercyo Pinéo, Rodrigo Vellardo, Daniel Caldo, José Carlos Batista, Márcio Mendes e Carlos Eduardo, por muito colaborarem com este trabalho de pesquisa. Aos membros da banca, que, com suas críticas construtivas, ajudaram a melhorar e enriquecer esta dissertação. À Petrobras, pela oportunidade de realizar este trabalho. Ao Instituto de Ciências do Mar, por ter me acolhido em seu Programa de Pós- Graduação, e ao Laboratório de Geofísica de Prospecção e Sensoriamento Remoto da Universidade Federal do Ceará. Aos demais colegas e amigos que me incentivaram e apoiaram para que este fosse um trabalho de sucesso. Ainda, agradeço, a todos que contribuíram direta ou indiretamente para a realização deste trabalho. RESUMO Esta dissertação tem como objetivo avaliar as potencialidades dos recursos hídricos subterrâneos da zona costeira do Campo Petrolífero de Fazenda Alegre, situado na região setentrional do Espírito Santo, utilizando técnicas de geofísica integrada aos aspectos hidrogeológicos, visando à sua utilização futura no processo de recuperação suplementar de petróleo (injeção de vapor) no referido campo. O Campo de Fazenda Alegre (FAL) é o maior produtor terrestre de petróleo do Espírito Santo, com produção média de 20.000 bbl/d. Localiza-se no município de Jaguaré e situa-se, geologicamente, na porção noroeste do Paleocanyon de Fazenda Cedro, na bacia do Espírito Santo, distando 40 km da cidade de São Mateus. Este campo foi descoberto a partir da perfuração do poço pioneiro 1- FAL-01-ES, em maio de 1996, cuja interpretação geológica foi baseada na sísmica 2D, e o seu desenvolvimento, foi iniciado no segundo semestre de 1998. Embora com reservas significativas, este campo possui óleo pesado e viscoso, dificultando sua produção. Os resultados obtidos com as técnicas de investigação geofísicas integradas às descrições litológicas e dos testes de vazão de poços tubulares profundos realizados na área de estudo identificaram seis camadas geoelétricas, sendo que a 3ª e 5ª camadas apresentam-se como as mais promissoras no tocante ao potencial do manancial hídrico subterrâneo. Como produto dos processamentos geofísicos e integração dos dados, foram propostas locações e construídos dois poços tubulares profundos (FAL-40 e FAL-42) na área de estudo, com profundidades médias de 180 metros, objetivando validar o modelo proposto e otimizar a produção de água subterrânea com um menor número de poços perfurados. Os ensaios de bombeamento nestes poços obtiveram ótimos resultados e, de acordo com os estudos empreendidos, podem ser considerados de 110 m3/h , mantida constante por um período de 20 horas contínuas de bombeamento e 4 horas de recuperação, comprovando a expectativa do bom manancial hídrico subterrâneo. A metodologia apresentada nesta pesquisa, em função dos bons resultados alcançados, permitirá, através do mapeamento das áreas circunvizinhas ao campo da FAL, identificar o potencial hídrico da região e sua real disponibilidade. A evolução do estudo hidrogeológico da área possibilitará a explotação racional da reserva hídrica subterrânea existente, contribuindo também para o desenvolvimento sustentável da região através da disponibilidade de informações dadas às diversas entidades gestoras dos recursos hídricos, propiciando o planejamento, acompanhamento e preservação dos recursos hídricos e o uso múltiplo destes recursos pela sociedade local. Palavras-chaves: Sondagem Elétrica Vertical; Mapeamentos de Aqüíferos; Água Produzida; Reserva Hídrica Subterrânea. ABSTRACT The overall objective of the research was the evaluation of Fazenda Alegre oil and gas production field area groundwater resources, on the north of the Espírito Santo State coastal area. Geophysical techniques, integrated with hydro-geological analysis, were applied in order to find reliable sources of water for utilization during secondary recovery of petroleum (steam injection) processes. Field production without stream injection is difficult because of the high oil viscosity. Application of geophysical techniques investigation integrated with lithological analysis and pumping tests of deep water wells identified six geoelectric layers, being the 3rd and the 5th the most promising, regarding to the potential for groundwater production. From the results of geophysical analysis and data integration some deep water well sites were proposed. Two wells, denominated FAL-40 and FAL-42, were drilled down to 180 meters levels in order to verify the validation of the results of the proposed model for optimization of groundwater production with the least number of wells pumped. Pumping tests of these two wells presented excellent results being verified that it can be maintained a production of 110 m3/h during daily 20 hours continuous pumping periods, hence verifying the expected good groundwater aquifer system available. It was concluded that the application of the results of the hydrogeological study developed during the research can contribute to the rational exploration of the aquifer system and to the sustainable development of the region. Key words: Electro-resistivity; Aquifer Mapping; Secondary; Produced Water; groundwater resources. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Mapa de localização do empreendimento no contexto nacional....................27 Figura 2 - Mapa do empreendimento no contexto estadual...........................................28 Figura 3 - Limites do Campo de Fazenda Alegre (FAL)................................................29 Figura 4 - Campo de Fazenda Alegre – limite entre os Tabuleiros Costeiros e a Planície Litorânea........................................................................................40 Figura 5 – Declives suaves – terraço Marinho Pleistocênico com exploração de areia............................................................................................................43 Figura 6 - Solos na FAL e proximidades.......................................................................44 Figura 7 - Bacias Hidrográficas do Estado do Espírito Santo........................................48 Figura 8 - Detalhe das Bacias Hidrográficas do Estado do Espírito Santo....................49 Figura 9 - Detalhe da drenagem na Fazenda Alegre.....................................................50 Figura 10 - Poros ou interstícios em sedimentos..........................................................53 Figura 11 - Sedimento semi-impermeabilizado por calcita............................................54 Figura 12 - Sedimento impermeabilizado por silte e argila............................................54 Figura 13 - Poços tubulares captando água de aqüífero livre e aqüífero confinado......55 Figura 14 - Número de poços por tipo de aqüífero........................................................56 Figura 15 - Percentual de poços por tipo de aqüífero....................................................56 Figura 16 - Poços no norte do Espírito Santo por tipo de aqüífero e poços cadastrados pela CPRM próximos a FAL....................................................57 Figura 17 - Distribuição dos poços em ambiente sedimentar classificados pela profundidade no norte do Estado.................................................................59 Figura 18 - Distribuição dos poços em ambiente cristalino classificados pela profundidade no norte do Estado.................................................................59 Figura 19 - Distribuição dos poços em ambiente misto classificados pela profundidade no norte do Estado.................................................................60 Figura 20 - Poços tubulares por intervalos de vazão em sedimento.............................62 Figura 21 - Poços tubulares por intervalos de vazão em cristalino................................62 Figura 22 - Poços tubulares por intervalos de vazão em ambiente misto......................63 Figura 23 - Localização dos poços tubulares no interior e nas proximidades da Fazenda Alegre (FAL).................................................................................66 Figura 24 - Poços tubulares no interior e nas proximidades da Fazenda Alegre...........66 Figura 25 - Mapa geológico do Espírito Santo..............................................................84 Figura 26 - Geologia dos sedimentos na parte norte do Estado do Espírito Santo e da área de FAL............................................................................................85 Figura 27 - Bacia do Espírito Santo – Limites e principais estruturas geológicas na região de pesquisa......................................................................................89 Figura 28 - Estratigrafia da Bacia do Espírito Santo......................................................92 Figura 29 - Legenda da estratigrafia da Bacia do Espírito Santo...................................93 Figura 30 - Corte geológico em um trecho na faixa continental da Bacia do Espírito Santo. Adaptado da apresentação “Revitalização de Lagoa Parda – Ampliação de injeção de água produzida”...................................................93 Figura 31 - Técnica da Sondagem Elétrica Vertical.......................................................95 Figura 32 - Técnica do Caminhamento Elétrico............................................................95 Figura 33 - Relação entre o fluxo de corrente elétrica e superfícies equipotenciais a partir de uma fonte pontual..........................................................................97 Figura 34 - Figuras ilustrativas para o arranjo Schlumberger, adotado neste trabalho, e a relação entre as linhas de corrente e as superfícies eqüipotenciais. A e B representam os eletrodos de injeção de corrente elétrica; M e N representam os eletrodos de medida da diferença de potencial. Notar que um conjunto “eletrorresistivímetro” fica caracterizado por um amperímetro (A) e por um voltímetro (V)..........................................................................98 Figura 35 - Eletrorresistivímetro PER 500 constituído de fonte de 500W e receptor geração de corrente I e medida da diferença de potencial DV.....................99 Figura 36 - Mapa de posicionamento das SEVs no Campo de Fazenda Alegre.........101 Figura 37 - Roteiro seguido para processamento e interpretação pontual de uma Sondagem Elétrica Vertical típica da área de FAL.....................................104 Figura 38 - Perfil litológico dos poços tubulares profundos FAL-56 e FAL-06.............104 Figura 39 - Centro da SEV FAL-06 onde se localiza o equipamento e posicionamento dos eletrodos...................................................................105 Figura 40 - Centro da SEV FAL-05 e vista do equipamento de eletrorresistividade....105 Figura 41 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-01.........106 Figura 42 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-02.........107 Figura 43 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-03.........108 Figura 44 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-04.........109 Figura 45 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-05.........110 Figura 46 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-06.........111 Figura 47 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-02_ALE.112 Figura 48 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-03_ALE.113 Figura 49 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-04_ALE.114 Figura 50 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-05_ALE.115 Figura 51 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-06_ALE.116 Figura 52 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-07_ALE.117 Figura 53 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-08_ALE.118 Figura 54 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-09_ALE.119 Figura 55 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-10_ALE.120 Figura 56 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-12_ALE.121 Figura 57 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-13_ALE.122 Figura 58 - Etapas do processamento realizado com os dados da SEV FAL-14_ALE.123 Figura 59 - Seção geoelétrica proveniente das interpretações e modelagem dos dados de eletrorresistividade.....................................................................124 Figura 60 - Mapa de iso-valores de resistividade aparente estimada exibindo a variação da resistividade da quinta camada geoelétrica para toda a área de estudo...................................................................................................127 Figura 61 - Mapa de iso-valores exibindo a variação da espessura estimada da quinta camada geoelétrica para toda a área de estudo.............................127 Figura 62 - Mapa de iso-valores exibindo a variação da profundidade estimada da 5a camada geoelétrica para toda a área de estudo........................................128 Figura 63 - Figura 3D de variação da resistividade e profundidades estimadas da quinta camada...........................................................................................129 Figura 64 - Mapa de iso-valores de resistividade aparente estimada para a área de pesquisa....................................................................................................131 Figura 65 - Profundidades estimadas para a área de pesquisa e locações propostas em área considerada de melhor potencial hidrogeológico.........................131 Figura 66 - Sonda de perfilagem.................................................................................133 Figura 67 - Sistema de registro de uma unidade de perfilagem moderna...................134 Figura 68 - A espessura da camada é bem superior ao espaçamento dos eletrodos..136 Figura 69 - A espessura da camada é igual ao espaçamento dos eletrodos...............136 Figura 70 - A espessura da camada é inferior ao espaçamentos dos eletrodos..........137 Figura 71 - A resistividade da lama (Rm) é igual à resistividade da camada (Ro).......138 Figura 72 - A resistividade da lama (Rm) é menor que a resistividade da camada (Ro)...........................................................................................................139 Figura 73 - A resistividade da lama (Rm) é bem inferior à resistividade da camada (Ro)...........................................................................................................139 Figura 74 - Distribuição radial de resistividade pelo "efeito de invasão"......................140 Figura 75 - Modelo esquemático do Potencial Espontâneo.........................................143 Figura 76 - "Efeito bateria" e potencial de membrana.................................................144 Figura 77 - Potencial de junção...................................................................................145