[pt] Esta pesquisa é motivada, principalmente, por problemas da geomecânica do petróleo como produção de sólidos em poços produtores e dano mecânico de formação. Produção de sólidos é o fenômeno onde partículas sólidas são produzidas juntamente com os fluidos de um reservatório de formação geralmente pouco ou não consolidada, podendo também ocorrer em formações mais resistentes. Dano de formação é o termo usado para identificar a redução da permeabilidade por diversos processos que ocorrem nas formações geológicas, e que reduzem a produtividade e injetividade de poços de sistemas de produção de óleo e gás. Neste trabalho desenvolveu-se uma ferramenta numérica com acoplamento fluidomecânico (mono e bifásico) para ser utilizada em análises destes problemas na microescala (poro e grão). Utilizou-se o método dos elementos discretos (DEM) para a simulação do movimento e interação das partículas sólidas e o método de lattice-Boltzmann (LBM) para a simulação do fluxo nos poros do meio geológico. A principal diferença desta ferramenta numérica em relação a trabalhos anteriores que acoplam o DEM com o LBM (DEM-LBM) está na implementação da formulação do LBM incompressível sugerida por (He e Luo, 1997) permitindo a aplicação de gradientes de pressão sensivelmente maiores do que na formulação convencional, o que é importante para as simulações de produção de sólidos. A ferramenta desenvolvida pode ser vista como um laboratório virtual para testar/verificar leis constitutivas, e que aliada a dados experimentais poderá melhorar o entendimento de mecanismos básicos envolvidos nos processos de dano mecânico de formação e de produção de sólidos. O programa computacional implementado foi verificado através de comparações com soluções analíticas ou resultados publicados na literatura. Simulações relacionadas às aplicações de interesse foram realizadas. / [en] The present research was mainly motivated by petroleum geomechanics problems such as solids production and formation damage. Solids production is related to phenomena whereby solid particles are produced together with fluids from reservoir rocks having little or no consolidation although it is reported that those phenomena have already happened to more resistant materials. Formation damage is the term used in order to identify permeability reduction occurring for various processes and which reduce productivity and injectivity of wells in oil and gas production systems. In the present work, a numerical tool considering fluidmechanical coupling (one and two phase flow) was developed for analyses in the microscale (pores and grains). The DEM (Discrete Element Method) was used for the simulation of motion and interaction of solid particles and the lattice Boltzmann method (LBM) for the simulation of flow inside pores of the geological media. The main difference between the developed tool and the ones developed in previous works that couple DEM with LBM is the introduction of incompressible LBM as suggested by (He e Luo, 1997), one that allows the application of pressure gradients considerably larger than the conventional formulation which is important for the simulation of solids production. The developed tool can be viewed as a virtual laboratory for testing and verification of constitutive laws which together with experimental data may improve the understanding of basic phenomena involved in formation damage and solids production. The numerical implementation was verified through comparisons with analytical solutions and other results from the literature. Simulations related to practical applications were carried out and discussed.

[pt] Neste trabalho aplicamos o método Lattice Boltzmann (LBM) para simular os processos de reações químicas que ocorrem na interação entre o fluido e a fase sólida, modificando o meio poroso. Para isso apresentaremos como o método LBM aborda a simulação do escoamento de fluido em um meio poroso irregular para os casos de um ou mais fluidos incluindo o processo de dissolução química. A partir dos processos anteriores, propomos uma modificação onde a dissolução possa ocorrer como uma característica do fluido que interage com a fase sólida. Ao abordar a dissolução como característica da interação do fluido com a fase sólida, é possível ter uma maior compreensão de como o fluido pode modificar a geometria do meio poroso e impactar nas mudanças de fluxo. A proposta de modificação foi avaliada em alguns casos em que o fluxo no meio poroso é bem definido: o canal aberto, canal com cilindros e em um meio poroso de geometria complexa. A proposta foi estendida para a simulação em um meio poroso 3D, onde analisamos como a dissolução foi impactada pela presença de forças externas como a gravidade. / [en] In this work, we apply the Lattice Boltzmann (LBM) method to simulate the chemical reaction processes that occur in the interaction between the fluid and the solid phase, modifying the porous medium. For this, we will present how the LBM method approaches fluid flow simulation in an irregular porous medium for cases of one or more fluids, including the chemical dissolution process. Based on the previous processes, we propose a modification where dissolution can occur as a characteristic of the fluid that interacts with the solid phase. By approaching dissolution as a characteristic of the interaction of the fluid with the solid phase, it is possible to better understand how the fluid can modify the geometry of the porous medium and impact the flow changes. The modification proposal was evaluated in some cases where the flow in the porous medium is well defined: the open channel, a channel with cylinders, and a porous medium with complex geometry. The proposal was extended to the simulation in a 3D porous medium, where we analyzed how the dissolution was impacted by external forces such as gravity.

[pt] A injeção de emulsão em meio poroso como método de recuperação avançada pode se tornar realidade na operação de campos de petróleo devido à maior rigidez no descarte de água produzida e aos potenciais ganhos na produção de óleo. Para entender o comportamento macroscópico desta técnica de EOR, é necessário compreender o fenômeno microscópico. Com este objetivo, fez-se a modelagem numérica do escoamento de uma gota imersa em fase contínua escoando em capilar restrito utilizando o método de Lattice-Boltzmann. Este método foi escolhido devido à sua facilidade de ser aplicado em geometrias complexas de rocha e fluido e ao bom compromisso na representação dos fenômenos de microescala. Para entender a influência de cada parâmetro, foram realizadas diversas simulações em domínio tridimensional, alterando a velocidade do fluxo, a razão de viscosidades dos fluidos, a relação entre os diâmetros da gota e do tubo e a magnitude da tensão interfacial. Observou-se que a passagem da gota pela restrição causa uma redução na mobilidade do escoamento, representada por um aumento na perda de carga, pela conjunção dos efeitos viscosos e capilares. Obteve-se correlação negativa do fator redutor de mobilidade 𝑓 com a razão de viscosidade e com o tamanho da gota, assim como fora determinado numericamente por Roca-Reyes (2011) com o método level-set. Foi notada uma pequena sensibilidade de 𝑓 ao número de capilaridade, assim como estabelecido experimentalmente por Robles-Castillo (2011). Verificou-se a importância de se determinar o conjunto adequado de parâmetros do sistema para ter sucesso na implantação de injeção de emulsões. / [en] Emulsion injection in porous medium as an Enhanced Oil Recovery method can turn out to be reality in the operation of onshore and offshore fields, due to increasing rigidity in the disposal of produced water and also due to the potential additional oil production. In order to understand macroscopic behavior of this EOR method, it is necessary to understand the microscopic phenomenon. With this objective, it was performed the numerical modeling of the flow of a droplet immerse in continuous phase through a constricted capillary using the Lattice-Boltzmann method. This method was chosen due to its simplicity on being applied to complex rock geometries and multiphasic flow and due to its good commitment in representing microscopic phenomena. Focusing on understanding the influence of each parameter on flow behavior, several simulation studies were performed altering flow velocity, viscosity ratio, ratio between droplet s and pipe s diameter and interfacial tension. A reduction in mobility is observed as the droplet passes through the restriction caused by the conjunction of viscous and capillary effects. A negative correlation of mobility reduction factor 𝑓 in relation to the viscosity ratio and to droplet size was noticed, as it had been observed before by Roca-Reyes (2011) in a numerical implementation of level-set method. Weak correlation between 𝑓 and capillary number was determined, as in previous experimental essay performed by Robles-Castillo (2011). In this study, it was verified the importance of determining the appropriate set of system parameters, in order to achieve success in the implementation of emulsion injection.