Formulação de soluções de referência para modelagem dos processos de compactação em bacias sedimentares

Abstract

As bacias sedimentares resultam da deposição de sedimentos ao longo de períodos geológicos, que são transformados em rochas através do fenômeno natural chamado diagênese, que envolve processos físicos, químicos e biológicos. Como resultado da diagênese, as bacias sedimentares se revelam ambientes propícios à formação, migração e acúmulo de hidrocarbonetos, bem como de minerais e reservatórios de água. Nesse contexto, os simuladores de bacias que implementam modelos numéricos são classicamente utilizados para a reconstrução do estado mecânico ao longo do tempo geológico, com o objetivo específico de otimizar os processos de prospecção e exploração. A deformação do material geológico se origina principalmente nos processos de compactação mecânica e químico-mecânica. A compactação mecânica predomina nas camadas superiores das bacias e induz deformações independentes do tempo, enquanto a compactação químico-mecânica, resultante do fenômeno pressão-solução intergranular (IPS), prevalece nas camadas mais profundas e está associada à deformações diferidas. Os dois processos ocorrem simultaneamente nas camadas intermediárias das bacias e a compactação causa grandes variações irreversíveis de porosidade. Este trabalho é dedicado ao desenvolvimento de soluções semi-analíticas para a deformação induzida pela compactação gravitacional em bacias sedimentares. Formuladas no contexto do acoplamento plásticoviscoplástico em grandes deformações, a modelagem dedica ênfase especial aos efeitos do adensamento na rigidez e no endurecimento do material sedimentar, associado às grandes variações irreversíveis da porosidade. Ao nível do material, a compactação puramente mecânica é manipulada no contexto de elastoplasticidade finita, enquanto a componente viscoplástica do comportamento visa tratar deformações diferidas resultantes da compactação químicomecânica. Na escala da bacia, as soluções semi-analíticas, que descrevem a evolução do estado mecânico da bacia sedimentar ao longo dos períodos de acreção e pós-acreção, são apresentadas em um cenário oedométrico simplificado. Embora as análises sejam realizadas em condições isotérmicas e drenadas, essas soluções podem ser vistas como soluções de referência, úteis para a verificação e como benchmarks de simuladores de bacia sedimentares. A abordagem proposta revela-se adequada para análises paramétricas, uma vez que requer apenas um software matemático padrão para a resolução de sistemas de equações diferenciais parciais. Ilustrações numéricas fornecem uma comparação quantitativa entre as soluções de referência e as predições de um simulador de bacias apropriado, baseado em elementos finitos, mostrando assim a capacidade da abordagem em capturar com precisão os recursos essenciais da deformação da bacia.

Sedimentary basins result from deposition along geological periods of sediments which are transformed into rock through natural phenomena involving physical, chemical and biological processes, referred to as diagenesis. As a result of diagenesis processes, sedimentary basins reveal environments conducive to formation, migration, and accumulation of hydrocarbons, as well as of minerals and water reservoirs. In this context, the simulators of basins implementing numerical models are classically used for the reconstruction of the mechanical state over geological time, with the specific aim of optimizing the prospection and exploration processes. The deformation of the geological material mainly originates in the processes of mechanical and chemical-mechanical compaction. Mechanical compaction occurs in the upper layers of the basins inducing time-independent strains, whereas chemical-mechanical compaction resulting from the intergranular pressure-solution phenomenon (IPS) occurs in the deeper layers and it is associated with creep-like deformation. The two processes occur simultaneously in the intermediate layers and the compaction causes large irreversible variations of porosity. This work is devoted to the development of semi-analytical solutions for the deformation induced by gravitational compaction in sedimentary basins. Formulated within the framework of coupled plasticity-viscoplasticity at large strains, the modeling dedicates special emphasis to the effects of material densification associated with large irreversible porosity changes on the stiffness and hardening of the sediment material. At the material level, the purely mechanical compaction taking place in the upper layers of the basin is handled in the context of finite elastoplasticity, whereas the viscoplastic component of behavior is intended to address creeplike deformation resulting from chemo-mechanical that prevails at deeper layers. At the basin structure scale, semi-analytical solutions describing the evolution of mechanical state of the sedimentary basin along both the accretion and post-accretion periods are presented in the simplified oedometric setting. Although the analysis is carried out under isothermal and fully drained conditions, these solutions can be viewed as useful reference solutions for verification and benchmarks of basin simulators. The proposed approach may reveal suitable for parametric analyses since it requires only standard mathematics-based software for PDE system resolution. The numerical illustrations provide a quantitative comparison between the derived solutions and finite element predictions from an appropriate basin simulator, thus showing the ability of the approach to accurately capture essential features of basin deformation.