Influência do processo de pirólise sobre as camadas de folhelho pirobetuminoso de São Mateus do Sul - PR

Abstract

Resumo: A exploração do folhelho pirobetuminoso representa um potencial energético para obtenção de hidrocarbonetos em diversos países. O Brasil apresenta a segunda maior reserva possuindo depósitos de diversos períodos geológicos, sendo explorado apenas o depósito de idade Permiana, devido a fatores como espessura útil e teor médio em óleo. Sua exploração ocorre por meio da tecnologia denominada PETROSIX, desenvolvida e patenteada pela PETROBRAS. O processo consiste em introduzir o folhelho pirobetuminoso (6 a 70 milímetros) em um reator cilíndrico vertical, aquecendo-o por correntes gasosas induzindo a pirólise, a aproximadamente 500ºC, em atmosfera isenta de gás oxigênio. Nesse processo ocorre a liberação de fluidos e gases. A mineração e a área industrial estão localizadas na sede da PETROBRAS - Unidade de Negócio da Industrialização do Xisto, a 140 quilômetros de Curitiba - PR, na cidade de São Mateus do Sul. Do ponto de vista geológico, a jazida de folhelho pirobetuminoso explorada faz parte do Membro Assistência da Formação Irati, Bacia do Paraná. Na região de São Mateus do Sul, a mina é constituída por duas camadas de interesse econômico, separadas por uma camada intermediária, constituída de margas e siltitos. A camada superior apresenta, em média, teor de óleo de 6,4%, com 6,4 metros de espessura e a inferior apresenta teor de óleo de 9,1%, com 3,2 metros de espessura. Embora a espessura da camada inferior seja de 3,2 metros, a lavra é restrita a 2,4 metros, proporcionando um teor de óleo aproximado de 11,5%. A proposta desse trabalho é compreender as possíveis transformações inorgânicas e da petrofábrica que ocorrem no folhelho pirobetuminoso devido ao processo de beneficiamento térmico (pirólise). Para isso, foram caracterizadas amostras do folhelho pirobetuminoso e do material retortado, produto da pirólise, comparando a possível variação química, mineralógica e da petrofábrica desta rocha, através de técnicas de Fluorescência de Raio X (FRX), Difração de Raio X (DRX), Análise Petrográfica e Microtomografia Computadorizada de Raio X (?CT). Também foi determinada a influência da temperatura e taxa de aquecimento na degradação térmica das amostras, através da termogravimetria com análise térmica diferencial (ATG/ATD). Para obtenção do material retortado, as amostras foram passadas por um simulador de pirólise, denominado BSTU. Na comparação dos resultados químicos e mineralógicos dos folhelhos pirobetuminosos, os resultados mostram que o processo não ocasiona mudança significativa, sendo que na análise química há o predomínio de sílica e alumínio. A análise mineralógica caracteriza-se pela presença predominante de minerais de quartzo, pirita, feldspato e argilominerais. A análise das curvas termogravimétricas mostra que entre 400°C até 550°C ocorre a decomposição da matéria orgânica e da pirita (FeS2). A principal influência está na petrofábrica, pois o processo gera fraturamento em níveis paralelos ao acamamento da estrutura primária da rocha. Em níveis mais ricos em matéria orgânica, o processo age de forma mais intensa, gerando expansão e conectividade dos poros e assim permitindo o escape de fluidos e gases. Outra constatação significativa é que o processo de beneficiamento ocorre de forma diferenciada para cada camada de folhelho pirobetuminoso.

Abstract: The exploitation of oil shale represents a strong potential for obtaining hydrocarbons in several countries. Brazil has the second largest reserve, holding deposits of various geological periods, and exploiting only the deposit of Permian age, due to factors such as useful thickness and average content of oil. The exploitation takes place through a technology called PETROSIX, developed and patented by PETROBRAS. The process consists in introducing the oil shale (6-70 mm) in a vertical cylindrical reactor, and flushing hot gases that induce pyrolysis, at approximately 500° C in an atmosphere free of oxygen gas. This is the process for release of fluids and gases. The mining and industrial area are located at the headquarters of PETROBRAS - Unidade de Negócio da Industrialização do Xisto, 140 km from Curitiba - PR, in São Mateus do Sul. The geological location of the deposit of oil shale is the Assistência Member of the Irati Formation, Paraná Basin. In the region of São Mateus do Sul, two layers are of economic interest, separated by an intermediary layer consisting of marls and siltstones. The top layer has an average oil content of 6.4% and is 6.4 meters thick and the lower layer has less oil content 9.1% and is 3.2 meters thick. Although the thickness in the lower layer is less than 3.2 meters, the extraction is limited to 2.4 meters, providing an oil content of approximately 11.5%. The purpose of this study is to understand the possible changes occurring in the inorganic part and fabric of the oil shale due to its processing (pyrolysis). To achieve this goal, the samples and oil shale retorted material were characterized, comparing the possible variations in chemistry, mineralogy and fabric of this rock, by techniques of X-Ray Fluorescence (XRF), X-Ray Diffraction (XRD), Petrographic Analysis and Computed X-Ray Microtomography. The influence of temperature and heating rate in thermal degradation of the samples was also determined by thermogravimetry with differential thermal analysis (TGA/DTA). To obtain the retorted material, samples were passed through a pyrolysis simulator called BSTU. Comparing the results of chemical composition and mineralogy of the oil shale, the results show that the pyrolysis process does not cause significant changes. The chemical analysis shows a predominance of silica and aluminum. The mineralogical analysis indicates the predominance of quartz, pyrite, feldspar and clay. The analysis of thermogravimetric curves shows that between 400 °C to 550 °C the decomposition of organic matter and pyrite (FeS2) occurs. The main change is it the petrofabric because the pyrolysis process causes fracturing at levels parallel to the layering of the primary structure of the rock. At levels richer in organic matter, the fracturing process is more intensive, causing expansion and connectivity of the pores and thus allowing the escape of fluids and gases. Another significant observation is that the pyrolysis process occurs differently for each layer of oil shale.