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Análise hidromecânica do fraturamento hidráulico via elementos finitos com descontinuidades fortes incorporadasSÁ BESERRA, Leila Brunet de 31 August 2015 (has links)
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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.
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[pt] MODELAGEM NUMÉRICA DE FLUXO EM MEIOS FRATURADOS E MEIOS POROSOS FRATURADOS / [en] NUMERICAL MODELLING OF FLOW IN FRACTURED AND FRACTURED POROUS MEDIACESAR AUGUSTO TORRES PAITAN 29 September 2014 (has links)
[pt] Este trabalho apresenta o desenvolvimento/montagem de um sistema computacional para análise de fluxo em meios porosos, meios fraturados, porosos fraturados e em combinações destes meios, considerando regime permanente ou transiente, sob condições saturadas e não saturadas. O sistema consiste de quatro programas, três programas de funções específicas interligadas por rotinas de programação feitas na linguagem Cmaismais e o quarto é um visualizador de resultados. O FracGen 3D (Telles, 2006) gera fraturas ou famílias de fraturas de forma determinística ou probabilística. O programa ICEM CFD v.14 divide o domínio de interesse em sub-dominios, através da geração de malha de elementos finitos. O programa FTPF-3D (Telles, 2006) utiliza o método de elementos finitos para discretizar as equações governantes no espaço e em diferenças finitas no tempo, e para resolver a não linearidade, utiliza o método iterativo de Picard ou o método iterativo BFGS e finalmente O Pos3D é o responsável pela visualização dos resultados. Neste trabalho foram desenvolvidos cinco exemplos, dois deles para a validação deste procedimento, e três aplicados a um talude típico do Rio de Janeiro, os quais incluem fraturas verticais e juntas de alívio. Estes casos estudados verificam a influência das fraturas nos meios porosos em termos de carga de pressão, totais e campo de velocidades, para a verificação do comportamento hidráulico dos maciços e de eventuais instabilidades. / [en] This work presents the development/assembly of a computational system for flow analysis in porous media, fractured and fractured porous media and in combination of both media, considering steady or transient states under saturated and unsaturated conditions. The system comprehends four computational programs, three of them of specific functions interconnected by Cplusplus programing routines and the last program is an output viewer. FracGen 3D program (Telles, 2006) generates fractures or fracture families in a determinist or probabilistic way. ICEM CFD v.14 program divides the interest domain in sub-domains by means of the element finite mesh generation. FTPF-3D program (Telles, 2006) uses the element finite method to discretize the governing equations in the space domain and the difference finite method for the time domain and for solving the nonlinearity is used the iterative Picard or BFGS method, so that, finally, Pos3D viewer program is answerable by visualization of the results. In the present dissertation five examples were developed, two of them for the validation of this procedure and the three others applied to a typical slope in Rio de Janeiro, which include vertical fractures and relief joints on their slopes. All those studied cases evaluate the influence of the fractures on porous media in terms of pressure and total heads and velocity fields for verifying of the hydraulic behavior of solid masses and eventual instabilities.
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