[pt] Visando aumentar a produção de hidrocarbonetos, a indústria do petróleo desenvolveu métodos de recuperação cujo objetivo é obter uma maior produção. Assim, diversos problemas podem ser encontrados quando se faz uso destas técnicas, principalmente a convencional, em reservatórios geologicamente complexos. Por outro lado, a consideração de estruturas geológicas na engenharia de reservatórios, como as falhas, tem caráter fundamental para a determinação de respostas realísticas quanto à produção de hidrocarboneto. No caso específico da falha, a sua consideração no modelo apresenta importância significativa no âmbito atual, principalmente no que diz respeito à possibilidade de reativação, relacionada com o surgimento de um caminho preferencial para o hidrocarboneto, implicando, nos casos mais críticos, no escape de fluido e na possível perda da estanqueidade do reservatório. Neste contexto, foram idealizados quatro modelos de reservatório com inclinações de falha e zona de falha de 80 graus e 60 graus. Aliado às simulações hidromecânicas, foram estudadas duas abordagens numéricas para tratar o plano/zona de falha. A primeira metodologia empregada faz uso de interações de contato e a falha foi tratada como um plano. A segunda metodologia considera uma zona de falha cujo comportamento é dado pelo critério de plastificação de Mohr-Coulomb. Pela análise dos resultados foi observado que o emprego de interações de contato requer a utilização de um modelo de atrito que leve em consideração a queda das tensões normais efetivas no critério de ruptura. O modelo de plasticidade apresentou resultados consistentes em relação ao processo de reativação da zona de falha para os modelos construídos. Como conclusão geral do trabalho, afirma-se que a consideração de planos de falha ou zonas de falha em reservatórios devem ser definidas cautelosamente no modelo geomorfológico, uma vez que a modelagem destes tipos de estruturas geológicas requer a utilização de diferentes técnicas numéricas para determinar seu comportamento hidromecânico. / [en] Aiming to increase hydrocarbon production, the oil industry has developed recovery methods whose purpose is to get more production. Thus, several problems may be encountered when making use of these techniques, mainly the conventional, in geologically complex reservoirs. In addition, consideration of geological structures in reservoir engineering, such as faults, has fundamental character for determining realistic response for the production of hydrocarbons. In the specific case of faults, its consideration in the model has significant importance currently, especially with regard to the possibility of reactivation associated with the emergence of a preferential path for the hydrocarbon, implying, in the most critical cases, in the leakage of fluid and possible loss of tightness of the reservoir. In this context, four reservoir models were developed with slope of 80 degrees and 60 degrees for the cases of fault plane and fault zone. Using coupled hydro-mechanical simulations we studied two numerical approaches to treat the plan/fault zone. The first methodology makes use of contact interactions and the fault was treated as a plan. The second methodology considers a fault zone whose behavior is given by the criterion of Mohr-Coulomb yielding. In the analysis of the results was observed that the use of contact interactions requires the use of a friction model that takes into account the drop of the effective normal stress in the failure criterion. The plasticity model showed consistent results in relation to the process of reactivation of the fault zone for the models built. As a general conclusion of the study, it is stated that the consideration of fault planes or fault zones in reservoirs must be carefully defined in the geomorphological model, since the modeling of these types of geological structures requires the use of different numerical techniques to determine their hydromechanical behavior.

[pt] Em reservatórios complexos com descontinuidades geológicas como falhas, os riscos na produção de petróleo e gás pelos métodos de injeção frequentemente utilizados são maiores. Um dos fenômenos que pode acarretar graves problemas de perda de produção e acidentes ambientais é a reativação de falhas geológicas. Isto ocorre devido às variações de tensões induzidas na formação, as quais podem ser suficientemente altas para reativar as falhas e modificar significativamente o comportamento do reservatório, gerando uma das situações mais críticas na indústria de petróleo. Nessa dissertação investiga-se através do método dos elementos finitos o fenômeno de reativação de falhas com base em modelos de representação explícita da falha através de elementos de interface. Adota-se ainda para efeitos de comparação uma modelagem da falha por meio de uma zona de falha através do conceito de contínuo equivalente. Uma metodologia com base em uma análise poro-elastoplástica desacoplada que permite estimar as pressões limite para a reativação durante a produção em reservatórios de petróleo de uma maneira versátil e eficiente foi empregada nas situações investigadas através do simulador Abaqus. Para tal, foram implementadas uma série de rotinas para incorporar ao programa Abaqus novos elementos de interface, governados pelo modelo constitutivo de Mohr-Coulomb. A metodologia apresentada foi avaliada e verificada através da simulação de um modelo sintético com falha normal comparando os resultados com uma solução analítica simplificada e com os resultados obtidos com o simulador de elementos finitos AEEPECD (Costa, 1984). São apresentados alguns exemplos de aplicação representando a falha com elementos de interface e como um contínuo equivalente. Os resultados obtidos nas análises demonstram a aplicabilidade da metodologia a problemas de campos reais. / [en] In complex reservoirs with geological discontinuities, such as faults, the risk in the production of oil and gas are increase by the injection methods frequently used. The injection and depletion processes induce stress variations in the formation. These can be high enough to reactivate faults and significantly modify the behavior of the reservoir, bringing on one of the most critical situations in the oil industry. In this context, this dissertation investigates the phenomenon of fault reactivation by employing the finite element method based on an explicit representation of the fault with interface elements. In addition, a fault zone model based on an equivalent continuum approach is adopted for comparison. The pressure limits during production of oil reservoirs considering fault reactivation are determined from pore-elastoplastic uncoupled analyses with the software Abaqus. With this purpouse, interfaces elements with Mohr-Coulomb constitutive model were implemented through user subroutine in Abaqus to represent, in an approximate way, the fault behavior. In addition, other tools were developed to facilitate the generation of the models to be analyzed. The presented methodology was evaluated and verified through the simulation of a synthetic model with a normal fault. The results were compared with a simplified analytical approach and the results obtained by finite element simulator AEEPECD (Costa, 1984). Some examples of applications are presented, in which faults are represented using interface elements and alternatively, through an equivalent continuum approach. The analysis results demonstrate the applicability of the methodology to real fields.

[pt] Reservatórios de petróleo e gás estruturalmente compartimentados por falhas geológicas selantes são encontrados em diversas regiões do mundo. Durante a fase de explotação, a integridade do selo destas falhas pode ser comprometida pelas deformações decorrentes dos processos de depleção e/ou injeção de fluidos. Estas deformações, em conjunto com as propriedades físicas e geométricas das rochas e falhas presentes, podem alterar significativamente o estado de tensões do maciço rochoso fazendo com que uma falha reative e se torne hidraulicamente condutora. A esse fenômeno estão associados riscos de exsudação, perda de integridade de poços e outros potencias problemas geomecânicos. Na literatura, diversas modelagens numéricas têm sido utilizadas a fim de caracterizar e prever os fenômenos de reativação e/ou abertura de falhas geológicas. A maior parte de estas abordagens faz uso de modelos bidimensionais considerando seções críticas na hipótese de estado plano de deformação. Essas simplificações são adotadas a fim de evitar a complexidade geométrica e o alto custo computacional de uma modelagem tridimensional. No entanto, a configuração tridimensional dos planos de falha pode induzir a reativação em direção a zonas mais críticas do que aquelas contidas numa única seção. Neste trabalho apresenta-se uma metodologia para análise de reativação de falhas geológicas e discute-se a importância do uso dos modelos 3D na previsão do comportamento geomecânico de reservatórios compartimentados por falhas geológicas. São apresentados 3 modelos diferentes. O primeiro exemplo traz um modelo bidimensional apresentado na literatura, faz-se uma comparação dos resultados com representação por meio do elemento de interface, por meio do continuo equivalente e por meio de um elemento solido com fraturas embutidas. O segundo exemplo faz-se um comparativo entre a utilização de elementos quadrilaterais e triangulais para a representação da falha em modelos 3D. Para o terceiro modelo foram realizadas simulações numéricas considerando modelos 2D e 3D em um simulador in-house baseado no método dos elementos finitos. Para a representação do meio continuo foram utilizados elementos quadrilaterais para o caso 2D, e elementos hexaédricos e tetraédricos para o caso 3D. Para a representação das falhas geológicas foram utilizados elementos de interface de espessura nula segundo o critério de ruptura de Mohr-Coulomb. Da comparação dos resultados, constata-se que as análises 2D e 3D forneceram previsões de reativação similares. No entanto, as previsões de pressões de abertura foram distintas em ambos os modelos devido às diferentes trajetórias de migração de fluido. Particularmente em modelos com geometria irregular confirma-se a importância do emprego de modelo 3D. / [en] Oil and gas reservoirs that are structurally compartmented by sealing geological faults are common in several areas around the world. During production, the deformations from the processes of fluid depletion and/or injection can compromise the integrity of the seal of the faults. This deformation, together with the physical and geometrical properties from the rocks and faults can significantly change the stress state. Therefore, it might cause fault reactivation, turning it in a hydraulic conduit. Related to this phenomenon, are the exudation, loss of wellbore integrity and other potential geomechanical problems. There are several numerical modelling techniques available in literature to characterize and predict the reactivation and/or opening of geological faults. In most of these modelling approaches, bi-dimensional models are used for critical sections through the assumption of plane strain conditions. The reason for using 2D models is to avoid the geometrical complexity and the high computational costs associated to three-dimensional modeling. On the other hand, the fault planes in the three-dimensional approach can show fault reactivation in a more critical direction e than the one represented by the bi-dimensional model. In this work, a methodology is presented in order to assess geological fault reactivation. In addition, the importance of using 3D models in the prediction of the geomechanical behavior of reservoirs compartmented by geological faults is discussed. Three different models are presented. The first example is based on a two dimensional model from the literature. A comparison between approaches using interface elements, equivalent continuum elements and solid element with fractures is carried out in the first example. The second example brings a comparison between the quadrilateral and triangular elements to represent faults in a 3D model. In addition, an analysis was carried out considering 2D and 3D models using an in house software based on the finite element method. To simulate the continuum medium, quadrilateral elements are used in the 2D case and in the 3D case hexahedral and tetrahedral elements are employed. In addition, to represent the geological faults, interface elements with zero thickness are used in association with the Mohr-Coulomb failure criterion. In the case study, predictions of fault reactivation were similar in the 2D and 3D models. However, fault opening pressures were different in both models, due to the 3D fluid migration path. It also confirmed the importance of using 3D models when simulating irregular geometries.