Submitted by Rafael Santana (rafael.silvasantana@ufpe.br) on 2018-03-13T19:17:40Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO NAYARA - Biblioteca Final.pdf: 5695490 bytes, checksum: 4e36b73983d0b59f13d5406cbc555d2a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-13T19:17:40Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO NAYARA - Biblioteca Final.pdf: 5695490 bytes, checksum: 4e36b73983d0b59f13d5406cbc555d2a (MD5) Previous issue date: 2017-03-13 / FACEPE / Os geomateriais quando submetidos a variações no estado de tensões tendem a apresentar um comportamento tensão deformação inelástico que pode se mostrar complexo, envolvendo processos de fluência, com endurecimento ou abrandamento podendo levar à ruptura. No processo de escavação de evaporitos submetidos a tensão constante ocorre o fenômeno de fluência que pode influenciar o comportamento de rochas adjacentes. Com o objetivo de prever esse comportamento vêm sendo desenvolvidos modelos constitutivos e formulações numéricas os quais são empregados em modelagem computacional através de métodos aproximados como, por exemplo, o método dos elementos finitos. Nesse trabalho foi avaliada a influência das deformações de rochas evaporíticas sobre rochas adjacentes naturalmente fraturadas. Para isso, na modelagem numérica, adotou-se nas rochas salinas o modelo de fluência (creep) LUBBY 2, e para as descontinuidades da rocha considerou-se um modelo elasto-plástico de Drucker-Prager aliado a uma técnica de descontinuidades fortes embebidas. O objetivo é verificar a reativação da descontinuidade em decorrência das deformações da rocha salina como consequência da escavação de galerias para extração de minérios. Para isso, neste trabalho, foi validada e aplicada uma técnica de simplificação do algoritmo de integração de tensões implícita para o IMPLEX no programa em elementos finitos in house CODE-BRIGHT. Esse algoritmo tem a inovação de utilizar as relações constitutivas do passo de tempo anterior para calcular o multiplicador plástico do passo de tempo atual, dessa forma ganhando eficiência computacional, mas podendo perder em precisão, seguindo com o cálculo implícito das relações constitutivas do passo de tempo atual. A fim de validar o algoritmo IMPLEX e avaliar a sensibilidade ao incremento de tempo e à tolerância associada ao mesmo foi modelado o caso de Expansão de cavidade, que mostrou a conformidade entre a solução numérica e a solução analítica com cerca de 1% de erro relativo. Também foi avaliada a sensibilidade do algoritmo à estrutura da malha de elementos finitos discretizada com o caso de Cisalhamento Direto no qual se observou uma limitação no algoritmo em função do alinhamento dos elementos da descontinuidade. Para analisar a sensibilidade do algoritmo à direção da descontinuidade embebida foi simulado o caso de Compressão Uniaxial. E para confirmar a sensibilidade do algoritmo à tolerância associada ao incremento de tempo, foi realizado o caso de Estabilidade de Talude, no qual se verificou o padrão na escolha da tolerância. Por fim, o caso principal desse trabalho que é a análise do comportamento de uma descontinuidade existente em um 8cenário fictício de uma escavação de minas em rochas evaporíticas (análogas às rochas da Mina Taquari Vassouras localizada no estado de Sergipe, Brasil) a grandes profundidades (1.200 metros) demonstra a possibilidade de reativação de falhas por cisalhamento em dois cenários, uma frente de escavação e uma escavação de uma mina em galeria. Nesses casos foi observado que a geometria da escavação e o posicionamento da falha possuem influência na sua reativação, quanto maior o vão da escavação mais rápida é reativada a falha e quanto mais a escavação avança na direção da falha, mais as tensões são transmitidas de modo que um menor estado de tensão já permite reativar a falha. / The geomaterials when subjected to variations in the state of stresses tend to present an inelastic strain behavior that may be complex, involving creep processes, with hardening or softening and rupture may happen. Digging evaporites under constant tension occurs the creep phenomenon that can influence the behavior of adjacent rocks. In order to predict this behavior, constitutive models and numerical formulations have been develop to be used in computational modeling through approximate methods such as the finite element method. In this work the influence of the evaporitic rocks deformation on naturally fractured rocks was evaluated. For this purpose, in the numerical modeling, the LUBBY 2 creep model was adopted in the saline rocks, and for discontinuities a Drucker-Prager elastoplastic model was considered, together with a strong embedded discontinuity technique. The objective is to verify the reactivation of the discontinuity due to the deformations of the salt rock as a consequence of the excavation of galleries for extraction of ores. In this work, a simplification technique of the implicit stress integration algorithm for IMPLEX in the in-house CODE-BRIGHT finite element program was validated and applied. This algorithm has the innovation of using the constitutive relations of the previous time step to calculate the plastic multiplier of the current time step, therefore reaching computational efficiency but being able to lose in precision, following with the implicit calculation of the constitutive relations of the time step current. In order to validate the IMPLEX algorithm and evaluate the sensitivity regarding the time increment and the associated tolerance, the Cavity Expansion case was modeled, which showed the conformity between the numerical solution and the analytical solution with about 1% relative error. It was also evaluated the sensitivity of the algorithm regarding the finite element mesh structure with the case of Direct Shear in which a limitation was observed as a function of the elements alignment of the discontinuity. To analyze the sensitivity of the algorithm about the embedded discontinuity direction, the case of Uniaxial Compression was simulated. And in order to confirm the sensitivity of the algorithm to the tolerance associated to the increment of time, the case of Slope Stability was carried out, in which the standard in choice of tolerance was verified. Finally, the main case of this work is the analysis of the behavior of a discontinuity existing in a fictitious scenario of a mine excavation in evaporitic rocks (analogous to the rocks of the Taquari Vassouras Mine located in the state of Sergipe, Brazil) in high depths (1,200 meters) demonstrates the possibility of reactivation of shear failures in two scenarios, an excavation front and an excavation of a gallery mine. In these cases, it was observed that the geometry of the excavation and the positioning of the fault have an influence on its reactivation, the larger the interspace the faster fault is reactivated and the more excavation advances towards the failure, the more tensions are transmitted, thereby lower tensions already allows the fault reactivation.

Submitted by Pedro Barros (pedro.silvabarros@ufpe.br) on 2018-08-06T18:10:26Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Ricardo Wanderley de Oliveira.pdf: 4431383 bytes, checksum: 34d530d798037a3666a99e823d7cc733 (MD5) / Approved for entry into archive by Alice Araujo (alice.caraujo@ufpe.br) on 2018-08-09T22:01:19Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Ricardo Wanderley de Oliveira.pdf: 4431383 bytes, checksum: 34d530d798037a3666a99e823d7cc733 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-09T22:01:19Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Ricardo Wanderley de Oliveira.pdf: 4431383 bytes, checksum: 34d530d798037a3666a99e823d7cc733 (MD5) Previous issue date: 2016-09-26 / A injeção de vapor é uma técnica mundialmente consagrada e melhor empregada em reservatórios de óleo pesado. A elevação da temperatura proporcionada pelos métodos térmicos aumenta a mobilidade do óleo no interior da rocha, mas, somada à pressão utilizada, também gera danos nos poços e formação circunvizinha. O objetivo deste trabalho é analisar, através da técnica de Fragmentação de Malha de Elementos Finitos, o que ocorre no poço e imediações quando submetidos à injeção de vapor. Utilizando simulação acoplada termo-hidro-mecânica, é possível prever a propagação das fraturas e descolamentos que ocorrem na bainha de cimento de poços petrolíferos. Com isso, pode-se antecipar o comportamento do sistema rocha-cimento-revestimento frente às cargas térmicas e mecânicas que são impostas em poços de petróleo nas operações de injeção de vapor. A técnica utilizada, com base na Aproximação Contínua de Descontinuidades Fortes, faz uso de elementos de interface representados por elementos triangulares de alta razão de aspecto, introduzidos em todas as faces que separam os elementos do contínuo. Desta forma, as descontinuidades podem propagar-se através das faces dos elementos sem a necessidade de algoritmos especiais para definir a geometria da fratura. Vários cenários foram simulados no intuito de analisar a influência das principais propriedades dos materiais no sistema revestimento-bainha-formação. Aspectos como: excentricidade do revestimento, aderência, características da rocha, resistência e composição do cimento foram considerados na análise do dano. Os resultados obtidos contribuem para um melhor entendimento de como a estanqueidade e a resistência mecânica da bainha são afetadas quando o poço é submetido aos esforços provocados pelos métodos térmicos de recuperação de óleo. / Steam injection is a technique used worldwide and better applied in heavy oil reservoirs. The rise in temperature provided by thermal methods increases oil mobility inside the rock, but also generates damage to wells and surrounding formation. The objective of this study is to analyze, through the technique of Finite Elemente Mesh Fragmentation, what may happen in the well and its surroundings when subjected to steam injection. Using coupled thermo-hydro-mechanical simulation it is possible to predict the propagation of fractures and displacement that appear in the cement sheath of oil wells. Thus, one can antecipate the rock-cement-casing system behavior face to thermal and mechanical loads that are imposed on oil wells in steam injection operations. The concentration of stresses induced in these operations may compromising the resistance of the cement, leading to the lost of the zonal hydraulic seal. This technique, based on Continuous Approach of Strong Discontinuities, utilizes interface elements represented by triangular elements of high aspect ratio, positioned on all faces that separate the elements of the continuum. Thus, discontinuities can be spread across the faces of the elements without the need of special algorithms to define the geometry of the fracture. Several scenarios were simulated in order to analyze the influence of the components properties on the casing-sheath-formation system. Aspects such as eccentricity of the casing, adherence, strength and cement composition and characteristics of the rock were considered in the damage analysis. The results contribute to a better understanding on how the sealing and mechanical resistance of the cement sheath are affected when the well is subjected to the stresses caused by the thermal enhanced oil recovery.

O trabalho tem como objetivo trazer contribuições à simulação numérica pelo método dos elementos de contorno (MEC) de formação e propagação de descontinuidades no campo de deslocamentos (descontinuidades fortes) em sólidos bidimensionais. A formação de descontinuidades fortes caracteriza o processo de falha material, que pode estar associado ao fraturamento em materiais quase frágeis ou a superfícies de deslizamentos de materiais dúcteis. Apresenta-se uma formulação do MEC baseada na incorporação de interfaces de descontinuidade no interior de células internas, que possibilita propagação arbitrária de descontinuidades usando uma malha de células internas fixa, definida antes da análise. Comparam-se diferentes alternativas provenientes do relaxamento dos requisitos de consistência estática e analisa-se a influência do alinhamento da malha. Apresenta-se também um possível esquema de construção adaptativa de células internas com interface incorporada para capturar a trajetória arbitrária da descontinuidade que se propaga durante o processo de carregamento. Este esquema visa aumentar a robustez e reduzir o esforço computacional. As características geométricas das células internas geradas são estabelecidas em função da orientação da descontinuidade fornecida pelo critério de falha, de maneira a proporcionar melhor eficiência numérica. Os estudos são levados a cabo através da simulação numérica de testes experimentais colhidos da literatura. / This work has the objective of bringing contributions to the numeric simulation using the boundary elements method (BEM) to model the initiation and propagation of strong discontinuities in the displacement field in bidimensional solids. The initiation process of strong discontinuities characterizes the failure process of material, which can be associated with the fracture of quasi-brittle materials and slip lines in ductile materials such as metals. The effect of the displacement jump of a discontinuity interface embedded in an internal cell is provided by an equivalent strain field over the cell. This model allows the study of arbitrary crack growth using a fixed mesh defined before the analysis. The dissipative process in the cell interface is described by an isotropic damage model in the continuum approach of strong discontinues. Alternatives that come from relaxing the static consistencies and the influence of the mesh alignment are analyzed. An adaptative algorithm for internal cells creation is also presented to capture the path of the crack growth during the loading process. This algorithm intends to overcome some convergence problems found in models with predefined meshes and also to reduce the computational efforts. The geometric characteristics of the generated internal cells are defined using the crack orientation, given by the failure criterion, to provide a better numerical efficiency. The results obtained with the proposed formulation are compared with the ones obtained with other numerical methods and also from experiments.

O trabalho tem como objetivo trazer contribuições à simulação numérica pelo método dos elementos de contorno (MEC) de formação e propagação de descontinuidades no campo de deslocamentos (descontinuidades fortes) em sólidos bidimensionais. A formação de descontinuidades fortes caracteriza o processo de falha material, que pode estar associado ao fraturamento em materiais quase frágeis ou a superfícies de deslizamentos de materiais dúcteis. Apresenta-se uma formulação do MEC baseada na incorporação de interfaces de descontinuidade no interior de células internas, que possibilita propagação arbitrária de descontinuidades usando uma malha de células internas fixa, definida antes da análise. Comparam-se diferentes alternativas provenientes do relaxamento dos requisitos de consistência estática e analisa-se a influência do alinhamento da malha. Apresenta-se também um possível esquema de construção adaptativa de células internas com interface incorporada para capturar a trajetória arbitrária da descontinuidade que se propaga durante o processo de carregamento. Este esquema visa aumentar a robustez e reduzir o esforço computacional. As características geométricas das células internas geradas são estabelecidas em função da orientação da descontinuidade fornecida pelo critério de falha, de maneira a proporcionar melhor eficiência numérica. Os estudos são levados a cabo através da simulação numérica de testes experimentais colhidos da literatura. / This work has the objective of bringing contributions to the numeric simulation using the boundary elements method (BEM) to model the initiation and propagation of strong discontinuities in the displacement field in bidimensional solids. The initiation process of strong discontinuities characterizes the failure process of material, which can be associated with the fracture of quasi-brittle materials and slip lines in ductile materials such as metals. The effect of the displacement jump of a discontinuity interface embedded in an internal cell is provided by an equivalent strain field over the cell. This model allows the study of arbitrary crack growth using a fixed mesh defined before the analysis. The dissipative process in the cell interface is described by an isotropic damage model in the continuum approach of strong discontinues. Alternatives that come from relaxing the static consistencies and the influence of the mesh alignment are analyzed. An adaptative algorithm for internal cells creation is also presented to capture the path of the crack growth during the loading process. This algorithm intends to overcome some convergence problems found in models with predefined meshes and also to reduce the computational efforts. The geometric characteristics of the generated internal cells are defined using the crack orientation, given by the failure criterion, to provide a better numerical efficiency. The results obtained with the proposed formulation are compared with the ones obtained with other numerical methods and also from experiments.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2017-02-13T15:43:41Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) BeserraLeilaPHD.pdf: 10346236 bytes, checksum: 81c86186782c90c4de4db587d6f7d5a9 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-13T15:43:41Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) BeserraLeilaPHD.pdf: 10346236 bytes, checksum: 81c86186782c90c4de4db587d6f7d5a9 (MD5) Previous issue date: 2015-08-31 / CNPq / O fraturamento hidráulico é uma técnica amplamente utilizada pela engenharia de petróleo principalmente para aumentar o índice de produtividade ou injetividade dos poços. Essa técnica consiste na injeção de um fluido penetrante na formação, sob uma pressão suficientemente alta para causar a ruptura da rocha, iniciando assim uma fratura que se converte em um canal de alta permeabilidade e facilita o escoamento de hidrocarbonetos. A técnica de fraturamento hidráulico tem sido responsável pela viabilização econômica de muitos campos petrolíferos em todo o mundo e a compreensão dos mecanismos que determinam o fraturamento, bem como a busca de métodos que permitam prever a geometria da fratura induzida e também determinar a pressão de injeção de fluidos necessária para que o fraturamento ocorra, são de fundamental importância para estabelecer um melhor projeto de explotação desses campos. O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma nova metodologia para simular numericamente, de maneira robusta, estável e eficiente, o problema de fraturamento hidráulico em formações rochosas de baixa permeabilidade pelo método dos elementos finitos, usando a aproximação contínua de descontinuidades fortes. Além de propor uma formulação que incorpora o efeito de descontinuidades permeáveis ou impermeáveis no problema de fluxo em meios porosos. A técnica de descontinuidades fortes incorporadas se mostrou eficiente, em relação ao custo computacional, para simular o fraturamento, uma vez que permite discretizar o domínio do problema com malhas relativamente grosseiras e, ainda assim, capturar, adequadamente, o efeito de uma descontinuidade de espessura muito menor do que o tamanho dos elementos da malha. A metodologia desenvolvida neste trabalho foi capaz de simular adequadamente o problema de fraturamento hidráulico em meios contínuos ou em formações rochosas com fraturas naturais preexistentes. E os resultados obtidos contribuem para o melhor entendimento do mecanismo de fraturamento em formações rochosas e a influência dos vários fatores envolvidos no processo. / Hydraulic fracturing is a widely used technique in the petroleum engineering for the generation of a high conductivity channel in the rock formation, increasing the productivity or injectivity index of wells. This technique consists of injecting a fracturing fluid in the rock formation, under a high enough pressure to induce the rock failure. Once started, the fracture is converted into a high permeability channel for the flow of hydrocarbons. The hydraulic fracturing has been in charge of the economic feasibility of many oil fields around the world and understanding the mechanism that determine the fracturing as well as the search for methods to predict the geometry of the induced fracture and also determine the fluid pressure required for the fracturing to occur, are crucial to establish a better exploitation design for these oil fields. The main purpose of this work is to develop a new methodology to numerically simulate, in a robust, stable and efficient way, the hydraulic fracturing problem in low permeability rock formations using the strong discontinuity approach. In addition, it also proposes a formulation that embeds the effect of a permeable or impermeable discontinuity for the fluid flow into the finite element. The technique of embedded strong discontinuities has been proved to be an efficient manner to simulate the fracturing problem, since it allows to discretize the problem domain with relatively coarse meshes and capture, properly, the effect of a discontinuity much thinner than the size of the element. The methodology developed in this work was able to properly simulate the hydraulic fracturing problem in a continuous media or in reservoirs crossed by natural fractures. The results obtained have contributed to a better understanding of the fracturing mechanism in rocks and the influence of the numerous involver factors.