Orientadores : Prof. Dr. Carlos Henrique Coimbra Araújo / Co-orientador : Prof. Dr. Sigrid de Mendonça Andersen / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Programa de Pós-Graduação em Meio Ambiente e Desenvolvimento. Defesa: Curitiba, 08/04/2016 / Inclui referências : f. 94-98 / Resumo: O presente estudo tem por objetivo analisar, devido à necessidade de conhecimento mais completo do ponto de vista energético e socioambiental, o gás de folhelho como commodity na Mesorregião Oeste Paranaense. Partindo da questão de que o conhecimento em relação a técnica de fraturamento hidráulico no Brasil é ainda muito recente, não havendo um estudo prévio dos impactos relacionados à saúde, ao meio ambiente e a sociedade. Este método consiste em quebrar a rocha para possibilitar o fluxo do gás até o ponto onde ele pode ser coletado. O processo de fraturamento hidráulico para explorar hidrocarbonetos não convencionais ocorre, na maioria das vezes, em profundidades entre 1 e 5 km, às vezes em subsolo ainda mais profundo. E o volume de água utilizado neste processo pode variar de 11 a 34 milhões de litros por poço, dependendo do tamanho da área a ser explorada, a profundidade do poço e as características geológicas do local. Em relação a isso, aqui é feito um estudo baseado em casos precedentes ocorridos nos Estados Unidos, transpondo-o ao local de estudo analisado, a Mesorregião Oeste Paranaense, já que esta região foi um dos locais que tiveram seu solo leiloado pela Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) no dia 28 de novembro de 2013 no Rio de Janeiro. Ali foram leiloados 240 blocos no total, sendo 14 deles localizados na Mesorregião Oeste Paranaense. Em contrapartida, no presente trabalho é feita uma estimativa do potencial que poderá ser gerado nesta Mesorregião Oeste Paranaense, comparandoo com a da geração de biogás, a partir de resíduos provenientes neste caso de bovinos, suínos e galináceos. Essa produção resultou em 311.499.475.522 kWh de energia equivalente a partir da produção contínua de biogás, e somente 5.428.675.234 kWhde energia equivalente relacionada à produção contínua de gás de folhelho na Mesorregião em um período de 34 anos. A partir dos resultados gerados, analisa-se do ponto de vista energético e socioambiental, que não há necessidade de implantar uma tecnologia altamente invasiva no local, posto que há outras tecnologias energéticas menos agressivas ao meio ambiente. Palavras-chave: Gás de folhelho. Fraturamento hidráulico. Biogás. Mesorregião Oeste Paranaense. Tecnologias energéticas. / Abstract: This study aims to analyze due to more complete need for knowledge of energy and environmental point of view, the shale gas as a commodity in Paranaense West Mesoregion. Starting from the question that knowledge regarding hydraulic fracturing technique in Brazil is still very new, and there is a previous study of health-related impacts to the environment and society. This method consists in breaking rock to allow the gas flow to the point where it can be collected. The hydraulic fracturing process to explore unconventional hydrocarbons occurs most often at depths between 1 and 5 km, sometimes even deeper underground. And the volume of water used in this process may range from 11 million to 34 million liters per well, depending on the size of the area to be explored, the depth of the well and the geological characteristics of the site. In this regard, here study based on previous cases in the United States, transposing it to the analyzed study site, the Paranaense West Mesoregion, since this region was one of the places that have their land auctioned by the Oil, Natural Gas and Biofuels National Agency (ANP) on November 28, 2013 in Rio de Janeiro. There were auctioned 240 blocks in total, with 14 of them located in Paranaense West Mesoregion. In contrast, the present study is an estimate of the potential that can be generated in this Paranaense West Mesoregion, comparing it to the generation of biogas from waste, in the case of cattle, pigs and poultry. This production resulted in 311,499,475,522 kWh of energy equivalent from the continuous production of biogas, and only 5.428.675.234 kWh of energy equivalent related to the continuous production of shale gas in the Mesoregion in a period of 34 years. From the generated results, analyzing the energy and environmental point of view, there is no need to deploy a highly invasive technology in place, once there are other energy technologies less harmful to the environment. Keywords: Shale gas. Hydraulic fracturing. Biogas. Paranaense West Mesoregion. Energy technologies.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-05-26T18:02:27Z No. of bitstreams: 1 2017_JordanaGarridoSilvaSaba.pdf: 3701527 bytes, checksum: 505b3dc2932866e5bcdb2c6a1460b7ef (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-05-26T22:49:20Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_JordanaGarridoSilvaSaba.pdf: 3701527 bytes, checksum: 505b3dc2932866e5bcdb2c6a1460b7ef (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-26T22:49:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_JordanaGarridoSilvaSaba.pdf: 3701527 bytes, checksum: 505b3dc2932866e5bcdb2c6a1460b7ef (MD5) Previous issue date: 2017-05-26 / O fraturamento hidráulico (FH) é uma técnica de estimulação de poço que consiste em injetar um fluido viscoso sob alta pressão em rochas reservatórios. O diferencial de pressão gerado pela injeção do fluido inicia uma fratura que se propaga pela rocha, facilitando a extração dos hidrocarbonetos presentes na rocha. Embora seja uma técnica eficiente para a estimulação de poços, gera muitas polêmicas ambientais, relacionadas à poluição. Uma forma de mitigar os impactos ambientais e acidentes é estudar a fundo esse procedimento. O (FH) pode ser usado para a estimulação de poços e para exploração de fontes não convencionais de petróleo. O método dos elementos finitos estendido (XFEM) foi aplicado neste trabalho para simular as descontinuidades geradas pelas fraturas nos campos de tensão e deformação. Foi implementada uma lei de fluxo no programa de Morais (2016) que aproximasse o regime de fluxo dentro da fratura e feita uma série de simulações. Além disso, foi implementado o elemento triangular quadrático no lugar do elemento era quadrilátero com quatro nós, no código de Morais (2016), entretanto, observou-se que o elemento anteriormente implementado por Morais (2016) é mais adequado para a resolução do problema. Diversas simulações foram realizadas para entender como diferentes parâmetros relacionados ao fluxo podem afetar o processo de fraturamento hidráulico. Por fim, concluiu-se nesta dissertação que parâmetros como a geometria da secção transversal, a viscosidade do fluido de fraturamento e a permeabilidade da matriz rochosa influenciam no fenômeno de fraturamento. / Hydraulic fracturing (HF) is a well stimulation technique that consists of injecting a viscous fluid under high pressure into a rock reservoir. The differential of pressure generated by the injection of the fluid initiates a fracture that propagates through the rock, increasing the extraction of the hydrocarbons located inside the rock. Although it is an efficient technique for stimulating wells, it generates many environmental controversies related to pollution. One way to mitigate environmental impacts and accidents is to study this procedure thoroughly. The HF can be used not only for stimulation of wells but also for exploration of unconventional reservoirs of petroleum. The extended finite element method (XFEM) was applied in this research to simulate the discontinuities generated by fractures in the stress and strain fields. A flow law was implemented in the Morais (2016) code that approximates the regime of flow within the fracture and series of simulations were made. In addition, the quadratic triangular element was implemented in place of the quadrilateral element with four nodes, in the Morais (2016) code; however, it was observed that the element previously implemented by Morais (2016) is more adequate to compute this problem. Several simulations were performed to understand how the different parameters related to the flow can affect the hydraulic fracturing process. Finally, it was concluded in this dissertation that parameters such as cross-section geometry, fracturing fluid viscosity and rock matrix permeability influences the fracturing phenomenon.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2016. / Submitted by Albânia Cézar de Melo (albania@bce.unb.br) on 2016-05-06T15:32:03Z No. of bitstreams: 1 2016_LeticiaPereiraMorais.pdf: 19298878 bytes, checksum: fddf2600b46115974c21e30c2a18265b (MD5) / Approved for entry into archive by Marília Freitas(marilia@bce.unb.br) on 2016-05-28T11:37:03Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_LeticiaPereiraMorais.pdf: 19298878 bytes, checksum: fddf2600b46115974c21e30c2a18265b (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-28T11:37:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_LeticiaPereiraMorais.pdf: 19298878 bytes, checksum: fddf2600b46115974c21e30c2a18265b (MD5) / O Fraturamento Hirdáulico é uma técnica de estimulação de poços que recentemente tem sido muito utilizada para extração de gás de folhelho. O gás de folhelho se mostrou uma fonte alternativa de combustível fóssil para alguns países, como os Estados Unidos, minimizarem sua dependência de países exportadores de petróleo. No Fraturamento Hidráulico um fluido é injetado nas formações sob pressão e vazão controladas. O diferencial de pressão gerado pela injeção do fluido inicia uma fratura que se propaga pela rocha, facilitando a extração dos hidrocarbonetos nela presentes. A técnica é utilizada em reservatórios convencionais e não convencionais de hidrocarbonetos. No primeiro a técnica é aplicada com o objetivo de aumentar a produção do poço. Nos reservatórios não convencionais (gás de folhelho) ela é utilizada para possibilitar a extração do gás dessas reservas devido a sua baixíssima permeabilidade. O processo de fraturar a rocha a grandes profundidades dificulta o controle do tipo de fratura criada ou reativada, pois isso irá depender de uma série de fatores. O estudo da técnica é importante para se ter um maior controle durante a execução e evitar possíveis imprevistos e acidentes. Neste trabalho foi estudado o Fraturamento Hidráulico primeiramente utilizando a formulação do modelo PKN e, em seguida, utilizando análise numérica. Com a formulação do modelo PKN foi possível observar o padrão da fratura criada considerando os efeitos da poroelasticidade e o leak off: o comportamento dos parâmetros abertura da fratura (w), comprimento da fratura (L) e pressão (P) variando com o tempo. Para o estudo do fraturamento hidráulico por análise numérica foi necessário implementar em um código de elementos finitos uma formulação capaz de representar descontinuidades em uma malha contínua. Foi escolhido o Método dos Elementos Finitos Estendido (XFEM) que, após implementado, foi validado e se mostrou eficiente quando comparado com soluções analíticas existentes na literatura. Utilizando o código implementado foram realizadas análises de como a permeabilidade do meio e a permeabilidade da fratura influenciam no Fraturamento Hidráulico, sendo observado que mantendo as propriedades mecânicas constantes, as propriedades hidráulicas tem grande influência no processo de Fraturamento Hidráulico. _____________________________________________________________________________ ABSTRACT / Hydraulic Fracturing is a technique of stimulation of wells which recently has been widely used for shale gas extraction. The shale gas has proven to be an alternative source of fossil fuel to some countries, such as the United States, minimizing their dependence on oil exporting countries. In the hydraulic fracturing, a fluid is injected into the formation under controlled pressure and flow. The differential pressure generated by the injection of fluid initiates a fracture that will propagate into the rock, promoting the extraction of hydrocarbons present in it. The technique is used in conventional and unconventional reservoirs of hydrocarbons. In the first case, in conventional reservoirs, the technique is applied in order to increase the production of the well, while in unconventional reservoirs (shale gas) the technique is used to enable the extraction of the gas due to its very low permeability. The process of fracturing the rock at great depths involves the control over the type of fracture created or reactivated, as this will depend on a number of factors. The study of the technique is important for the improvement of the control over the execution and also to avoid possible contingencies and accidents. In this work, the Hydraulic Fracturing was studied using both a PKN model and numerical analysis. With the formulation of the PKN model, it was possible to observe the pattern of fractures created considering the effects of poroelasticity and leak off: the behavior of the fracture opening (w), the length of the fracture L) and the pressure of the fluid (P) varying with time. In order to study the hydraulic fracturing using numerical analysis, it was necessary to implement a formulation capable of representing discontinuities in a continuous mesh on a finite element code. The Extended Finite Element Method (XFEM) was chosen, implemented and validated. Comparisons between existing analytical solutions found in the literature and the XFEM used showed adequate results. Analyses of the implemented code were performed to identify how the permeability of the medium and the permeability of the fracture influence the hydraulic fracturing. It was observed that maintaining all of the mechanical properties constant, the hydraulic properties have a great impact on the hydraulic fracturing process.

SILVA, F. P. Armazenamento de águas (recarga artificial) por intermédio do fraturamento hidráulico em rochas cristalinas do semi-árido do nordeste do Brasil. 2007. 121 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil: Recursos Hídricos)–Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2007. / Submitted by Edineuza Silva (edineuza@deha.ufc.br) on 2017-05-08T13:57:12Z No. of bitstreams: 1 dissertação de Fábio Passos da Silva.pdf: 2118347 bytes, checksum: 487defad8f9ab1978be9bd7fbfe8072e (MD5) / Rejected by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br), reason: Corrigir o nome do arquivo para: 2007_dis_fpsilva on 2017-05-10T13:15:44Z (GMT) / Submitted by Edineuza Silva (edineuza@deha.ufc.br) on 2017-05-12T12:26:51Z No. of bitstreams: 1 dissertação de Fábio Passos da Silva.pdf: 2118347 bytes, checksum: 487defad8f9ab1978be9bd7fbfe8072e (MD5) / Rejected by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br), reason: Corrigir nome do arquivo on 2017-05-15T14:31:10Z (GMT) / Submitted by Edineuza Silva (edineuza@deha.ufc.br) on 2017-05-15T17:33:32Z No. of bitstreams: 1 2007_dis_fpsilva.pdf: 2118347 bytes, checksum: 487defad8f9ab1978be9bd7fbfe8072e (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2017-05-18T19:22:03Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2007_dis_fpsilva.pdf: 2118347 bytes, checksum: 487defad8f9ab1978be9bd7fbfe8072e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-18T19:22:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2007_dis_fpsilva.pdf: 2118347 bytes, checksum: 487defad8f9ab1978be9bd7fbfe8072e (MD5) Previous issue date: 2007-02-15 / The semi-arid region from Northeast of Brazil is characterized by water resource scarcity caused by an irregular rainfall regime, extremely high evaporation rates and soils with unfavorable infiltration rates. In addition, there are droughts that have serious and long-lasting social consequences such as mass rural exodus of the labor force toward urban centers that, without having the adequate conditions to meet the demand, bring about diseases caused by malnutrition and consumption of poor quality waters. A lot of dams have been constructed and continue to be built as a traditional method of water supply. However, these surface reservoirs have turned out to be inefficient due to high evaporation rates and an increase in water salinization. About 30% of the wells from the state of Ceará have been abandoned because their discharges are very low. In this work we developed a methodology that aims to evaluate the applicability of both Hydraulic Fracturing and Aquifer Storage Recovery (ASR) as innovative and alternative technologies that can bring long term solutions to the water scarcity problem in the Northeastern semi-arid of Brazil. During the studies, we needed to use the Meyer Fracturing Simulators software, a computer program developed by the United States of America that allowed us to conduct a set of simulations for several scenarios of application of hydraulic fracturing. The results enabled us to make some analyses regarding the behavior of geometrical parameters of classical models (GDK, PKN and Ellipsoidal) of induced fractures showing those parameters which turned out to be more sensitive to the variations in the input parameters of treatment. Through the research carried out, the present work enabled us to conclude that the Hydraulic Fracturing technology, together with the Aquifer Storage Recovery technology, are technically and economically viable technologies in the region having crystalline bedrock. / A Região semiárida do Nordeste do Brasil constitui-se numa região marcada pela escassez de recursos hídricos, decorrentes de chuvas irregulares, altíssima taxas de evaporação e terrenos desfavoráveis à infiltração. Aliado a isso, existem as secas que têm consequências sociais graves e de longa duração, tais como êxodo rural em massa da força de trabalho em direção aos centros urbanos, que sem condições de atender a demanda dão origem a moléstias causadas pela desnutrição e ao consumo de águas de má qualidade. Um grande número de açudes foi e continua sendo construído, como método tradicional de suprimento de água. Todavia, esses reservatórios superficiais têm se mostrados possuidores de altas taxas de evaporação nas águas contidas e considerado teor de salinização. Cerca de 30% dos poços existentes no Ceará estão abandonados, pois produzem baixas vazões. Neste trabalho desenvolveu-se uma metodologia que procura avaliar a aplicabilidade do Fraturamento Hidráulico associado ao Aquifer Storage Recovery (ASR) como tecnologias inovadoras e alternativas capazes de trazer soluções a longo prazo para os problemas de escassez hídrica do semiárido do Nordeste. Durante os estudos, tornou-se necessário a utilização do software Meyer Fracturing Simulators, um programa computacional, que permitiu a realização de um conjunto de simulações para vários cenários de aplicação do Fraturamento Hidráulico. Os resultados permitiram fazer algumas análises com respeito ao comportamento dos parâmetros geométricos dos modelos clássicos de fraturas induzidas GDK, PKN e Elipsoidal, evidenciando aqueles parâmetros que se mostraram mais sensíveis às variações dos parâmetros de entrada do tratamento. O presente trabalho através das pesquisas realizadas permitiu concluir que a tecnologia do Fraturamento Hidráulico em conjunto com o Aquifer Storage Recovery são técnico e economicamente viáveis na região do embasamento cristalino como forma de aumentar a oferta hídrica e melhorar a qualidade da água para o consumo humano.

SANTOS, J. S. Efeitos do fraturamento hidráulico em aqüiferos fissurais. 2008. 212 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil: Recursos Hídricos) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2008. / Submitted by Hohana Sanders (hohanasanders@hotmail.com) on 2016-04-27T17:52:31Z No. of bitstreams: 1 2008_tese_jssantos.pdf: 13778107 bytes, checksum: d5be1f31fa7a1ac37d050b6350ab24e9 (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2016-05-11T19:12:00Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2008_tese_jssantos.pdf: 13778107 bytes, checksum: d5be1f31fa7a1ac37d050b6350ab24e9 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-11T19:12:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2008_tese_jssantos.pdf: 13778107 bytes, checksum: d5be1f31fa7a1ac37d050b6350ab24e9 (MD5) Previous issue date: 2008-03-18 / The demand of the people for more water has forced the development of techniques to improve the use of all forms of water resources. In some parts of the United States of America, hydraulic fracturing has been used to stimulate wells drilled in crystalline basement to increase its flow. In northeastern Brazil, the wells drilled in this type of geological formation often exhibit low flow, which leads to subsequent deactivation or simple neglect. The main objective of this research is to study, analyze and quantify the effects of hydraulic fracturing prints on transmissivity, connectivity and flow of a fissure aquifer. Therefore we developed a model of propagation of fractures in shallow formations and waterproof matrix. In addition, use was made of well hydraulics models for the determination of the hydrodynamic parameters of the aquifer. To test the methodology, data collected at two pumping wells drilled in the Horticultural Farm of University of New Hampshire, Durham, NH, were used. This data includes pre-fracturing pumping tests and post-fracturing, geophysical testing in addition to the fracturing operation records. A joint analysis of the results of pumping tests and fracture propagation model concluded that hydraulic fracturing increased transmissivity of fractures in 46 times in one well and 285 times in another. The connectivity of the fracture system experienced increases between 11 and 20 times. The practical data was a well spent to provide flow rates 10 times higher and the other this increase was 18 times. These improvements were possible because hydraulic fracturing extended the opening of fractures and made her beam spread for tens of meters. The distance that the fracture propagated from the well along with the increase in interconnection fractures connected the well to recharge the most favorable regions. / A demanda das populações por mais água tem forçado o desenvolvimento de técnicas para melhorar o aproveitamento de todas as formas de recursos hídricos. Em algumas partes dos Estados Unidos da América, o fraturamento hidráulico tem sido utilizado para estimular poços perfurados no embasamento cristalino a aumentarem suas vazões. Na região Nordeste do Brasil, os poços perfurados neste tipo de formação geológica frequentemente exibem baixas vazões, o que os leva à posterior desativação ou ao simples abandono. O objetivo principal desta pesquisa é estudar, analisar e quantificar os efeitos que o fraturamento hidráulico imprime sobre a transmissividade, a conectividade e as vazões de um aqüífero fissural. Para tanto se desenvolveu um modelo de propagação de fraturas em formações rasas e de matriz impermeável. Além disso, fez-se uso de modelos de hidráulica de poços para a determinação dos parâmetros hidrodinâmicos do aqüífero. Para testar a metodologia, dados coletados em dois poços de bombeamento perfurados na Fazenda de Horticultura da University of New Hampshire, Durham, NH, foram utilizados. Estes dados incluem testes de bombeamento pré-fraturamento e pós-fraturamento, ensaio geofísicos, além dos registros da operação de fraturamento. Uma análise conjunta dos resultados dos testes de bombeamento e do modelo de propagação de fratura permitiu concluir que, o fraturamento hidráulico aumentou a transmissividade das fraturas em 46 vezes em um poço e 285 vezes em outro. A conectividade do sistema de fraturas experimentou acréscimos entre 11 e 20 vezes. O dado prático foi que um poço passou a fornecer vazões 10 vezes maiores e no outro este aumento foi de 18 vezes. Estes melhoramentos foram possíveis porque o fraturamento hidráulico alargou a abertura das fraturas e fez seu raio propagar por dezenas de metros. A distância que a fratura propagou a partir do poço juntamente com o aumento na interconexão das fraturas conectou o poço a regiões mais favoráveis à recarga.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2015. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2015-11-20T20:22:45Z No. of bitstreams: 1 2015_EdelRolandoMartínezConcepciòn.pdf: 10300925 bytes, checksum: e5ff98a6cfe6abf46d9e7f83a5b60820 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-05-12T18:51:10Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_EdelRolandoMartínezConcepciòn.pdf: 10300925 bytes, checksum: e5ff98a6cfe6abf46d9e7f83a5b60820 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-12T18:51:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_EdelRolandoMartínezConcepciòn.pdf: 10300925 bytes, checksum: e5ff98a6cfe6abf46d9e7f83a5b60820 (MD5) / Na presente pesquisa será desenvolvida uma análise numérica de fraturamento hidráulico utilizando o Método dos Elementos Finitos Estendido (XFEM). Com este método, pretende-se simular o mecanismo de início e propagação de trincas induzidas a partir da ponta de uma fratura inicial. O objetivo principal deste trabalho é aperfeiçoar a compreensão do fenômeno de fraturamento hidráulico. Entende-se que o problema de fraturamento hidráulico é um fenômeno que combina vários processos físicos, entre eles, o fluxo de um fluido, a deformação da matriz rochosa e a propagação das fraturas no meio, nesse sentido, as simplificações são imprescindíveis. Utiliza-se o XFEM para realizar a discretização espacial dos modelos. Esse método é considerado uma robusta ferramenta numérica para resolver problemas de descontinuidades. O fundamento do XFEM é o chamado Método de Elementos Finitos, adicionando a este graus de liberdade e funções de enriquecimento, que servem para descrever as descontinuidades locais do modelo. No XFEM, a geometria da fratura se torna independente da malha, permitindo a ela se movimentar livremente através do domínio, sem que haja a necessidade de um passo para adaptar a malha à descontinuidade. Realizou-se a validação do XFEM utilizando dois testes clássicos da Mecânica da Fratura: a viga apoiada em três pontos com carregamento centrado (SEN(B)); e o disco compacto submetido à tração (CDT). Adicionalmente um modelo de fraturamento hidráulico foi utilizado para estudar a influência de diferentes parâmetros do material e da geometria da fratura inicial. A simulação do início e propagação do fraturamento hidráulico realiza-se através de um modelo numérico bidimensional, em que o meio poroso é idealizado como linear elástico e o critério de propagação se baseia na taxa de energia liberada e nos fatores de intensidade de tensão. As soluções fornecidas pelo modelo numérico fundamentado no XFEM nos casos de validação e no caso de investigação são comparadas com os resultados obtidos a partir de dados experimentais e formulações analíticas, observando-se uma ótima concordância. Demostrou-se a capacidade do XFEM para resolver complexos problemas de propagação de fraturas. _______________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / This research develops a numerical analysis of hydraulic fracturing using Extended Finite Element Method (XFEM). This method intend to simulate the initiation mechanism and propagation of cracks induced from the tip of an initial fracture. The main objective of this work is to improve the understanding of hydraulic fracturing phenomenon guided by an initial notch. It is understood that the hydraulic fracturing problem is a phenomenon that combines various physical process, including the fluid flow, the rock matrix deformation and the fracture propagation, however simplifications are essential. The XFEM is used to perform spatial discretization of the models. This method is considered to be a robust tool to solve numerical discontinuities problems. XFEM is the basis of the Finite Element Method (FEM), adding degrees of freedom and enrichment functions to describe the local discontinuities of the model. Through XFEM, the geometry of the fracture becomes independent of the mesh, it allows to move freely through the area without a step to adapt the mesh to the discontinuity. The validation of XFEM was performed using two classical tests of Fracture Mechanics: a single edge notched beam (SEN(B)) and the disk shaped compact tension test (CDT). Additionally, a hydraulic fracturing model is used to study the influence of various parameters of the material and geometry of the initial fracture. The simulation of hydraulic fracturing is accomplished by a two-dimensional numerical model, wherein the porous medium is idealized as linear elastic and the propagation criterion is based on the energy released rate and the stress intensity factors (SIF). The solutions provided by the numerical model based on XFEM are compared with experimental data and analytical formulations, giving it very good agreement. It has been shown the capability of the XFEM to solve complex fracture propagation problems.

Orientador: Prof. Dr. Igor Fuser / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2016. / Nos dias atuais a energia tem sido prioridade de vários governos pelo mundo, e vem despertando o interesse de grandes companhias. A energia tem um papel fundamental na sociedade moderna, onde a cada ano o consumo aumenta. A descoberta de enormes reservas de gás não convencional, ou conhecido também como shale gas, vem gerando grande expectativa no mercado mundial de energia. Os EUA têm a maior reserva mundial de shale gas, e são os pioneiros na sua exploração e produção. O Brasil possui a decima maior reserva mundial de shale gas. A sua reserva de shale gas equivale a quinze vezes as reservas de gás convencional do país em 2015 (MME, 2015). Devido a isso pode-se considerar as reservas brasileiras expressivas, o que vem despertando o interesse do país por suas reservas de shale gas. Esta dissertação tem como objetivo analisar o potencial do Brasil para a exploração e produção doshale gas. Para isso, foram consideradas variáveis do Brasil e EUA, como: o estado da arte do mercado regulatório, do domínio tecnológico, qualificação da mão de obra, conhecimento geológico, estrutura de preços, propriedade do solo e subsolo, e por fim as questões ambientais. Procurando assim fazer um paralelo entre essas variáveis dos dois países, verificando se o crescimento da exploração do shale gas americano pode ser repetido no Brasil. Além dessa comparação dos cenários energéticos, foi também levantado depoimentos de especialistas do setor de gás natural do Brasil, por meio de entrevista, contribuindo assim para um debate dos rumos da política energética brasileira. O resultado desta pesquisa mostrou que o Brasil não necessita explorar o shale gas neste momento e ainda não possui um mercado regulatório favorável e mercado interno desenvolvido para o desenvolvimento dos recursos de shale gas. Considerando tanto o aspecto econômico como o ambiental, a conclusão deste trabalho foi de que o Brasil não deve levar adiante a exploração do shale gas, dentro de um tempo previsível. / In the present day energy has been a priority of many Governments around the world, arousing the interest of big companies. Energy has a key role in modern society, where each year the consumption increases. The discovery of vast reserves of unconventional gas, or also known as shale gas comes generating great expectations in the global energy market. The us has the largest world reserve of shale gas, and are pioneers in their exploration and production. The Brazil has the world's largest reserve of decima shale gas. Your reservation of shale gas is equivalent to 15 times the conventional gas reserves in the country in 2015 (MME, 2015). Because of this you can consider the Brazilian reserves, expressive arousing the interest of the country for its reserves of shale gas. This dissertation aims to analyze the potential of Brazil for the exploration and production of shale gas. For this, the variables were considered Brazil and USA, as: the State of the art market's regulatory, technological domain, qualification of the workforce, geological knowledge, price structure, property of the soil and subsoil, and finally environmental issues. Looking for how to make a parallel between these variables of the two countries, noting the growth of shale gas American can be repeated in Brazil. In addition to this comparison of energy scenarios, was also lifted testimonials from industry experts, Brazil's natural gas through the interview, thus contributing to a discussion of the direction of the Brazilian energy policy. The result of this research showed that Brazil does not need to explore shale gas right now and still does not have a favourable regulatory and market internal market developed for resource development of shale gas. Considering both the economic aspect as the environmental, the conclusion of this work was that Brazil should not carry out the exploitation of shale gas, within a predictable time.

Orientador: Osvaldo Luís Manzoli / Banca: Flavia de Oliveira Lima Falcão / Banca: Leonardo José do Nascimento Guimarães / Resumo: A técnica de fraturamento hidráulico é amplamente utilizada na indústria petrolífera para aumentar a permeabilidade da rocha-reservatório numa região próxima ao poço e permitir a extração, e consequente produção, de hidrocarbonetos armazenados em seus poros. Primeiramente a rocha é perfurada criando-se um poço e então injeta-se fluido a uma pressão suficientemente alta para fraturar a rocha. A injeção contínua de fluido permite que as fraturas se propaguem pelo reservatório, formando assim canais de alta permeabilidade. A modelagem e simulação computacional de fraturamento hidráulico são complexas em função da física envolvida no processo. O presente trabalho objetiva o estudo da formação e propagação de fraturas induzidas hidraulicamente em meios rochosos de baixa permeabilidade e também tem o propósito de verificar se a metodologia adotada é capaz de reproduzir características apresentadas num processo de fraturamento hidráulico, como a pressão necessária para causar a ruptura da rocha. Para tal, apresenta-se a técnica de fragmentação da malha utilizando elementos finitos de elevada razão de aspecto (ou elementos de interface) para representar a fratura, aos quais são atribuídas relações constitutivas baseadas na mecânica do dano. Além disso, os elementos de interface também possuem um acoplamento hidromecânico capaz de representar o canal de alta permeabilidade devido à ocorrência da fratura. Os resultados obtidos mostraram que os elementos de interface asso... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The hydraulic fracturing technique is widely used to increase the permeability of reservoirs in the vicinity of the well and to allow the extraction and subsequent production of hydrocarbons trapped in its pores. Firstly, the rock is drilled, creating a well and then a fluid is injected at a sufficiently high pressure to fracture the rock. The continuous fluid injection allows the fractures to propagate through the reservoir, thereby forming some high permeability paths. The computer modeling and simulation of hydraulic fracturing are complex due to the physics involved in the process. This work aims to study the formation and propagation of hydraulically induced fractures in rocky media with low permeability and also aims to verify if the adopted methodology is able to reproduce the characteristics presented in a hydraulic fracturing process, as for instance, the required pressure to cause the breakdown of the rock. For this purpose, it is presented the mesh fragmentation technique using finite elements with a high aspect ratio (or interface elements) to represent the fracture, which are assigned constitutive relations based on damage mechanics. Besides, the interface elements also have a hydromechanical coupling which is able to represent the high permeability path due to the fracture. The results showed that the interface elements associated with the mesh fragmentation technique were able to represent both the formation and the propagation of hydraulically induc... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Submitted by Pedro Barros (pedro.silvabarros@ufpe.br) on 2018-08-28T21:21:02Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Tarcisio Augusto da Silva.pdf: 3259202 bytes, checksum: 1388511178e9383528116b5b028ba7f9 (MD5) / Approved for entry into archive by Alice Araujo (alice.caraujo@ufpe.br) on 2018-09-06T22:35:10Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Tarcisio Augusto da Silva.pdf: 3259202 bytes, checksum: 1388511178e9383528116b5b028ba7f9 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-06T22:35:10Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Tarcisio Augusto da Silva.pdf: 3259202 bytes, checksum: 1388511178e9383528116b5b028ba7f9 (MD5) Previous issue date: 2017-07-31 / O fechamento de fraturas, devido a depleção, nos reservatórios naturalmente fraturados sensíveis ao estado de tensões pode promover uma redução significativa da permeabilidade da formação geológica. Compreender as características hidráulicas da rede de fraturas como função das tensões atuantes é fundamental para a concepção do plano de desenvolvimento do reservatório. Na presente dissertação foi proposto um modelo de fechamento de fraturas durante a produção de fluidos em reservatórios, pós-fraturamento hidráulico, utilizando para isso, uma modificação do modelo constitutivo de Barton-Bandis, objetivando simular o efeito do propante tanto na produção de fluidos como nas tensões atuantes na formação. Este modelo é capaz de reproduzir, adequadamente, o comportamento do fechamento de fraturas submetidas a uma tensão normal compressiva. É um modelo hiperbólico de fechamento com uma rigidez inicial, que converge assintoticamente para o fechamento máximo da fratura. Considera-se também a existência de um propante com diâmetro e rigidez especificado, de modo a dificultar o fechamento da fratura hidráulica, alterando desta forma o estado de tensões na região adjacente a fratura, neste sentido, a implementação em um programa de elementos finitos do modelo Barton-Bandis com propante simula um comportamento que permite um melhor entendimento do fenômeno de fraturamento hidráulico em formações rochosas bem como um aumento de produtividade em poços de petróleo decorrente do aumento da permeabilidade na fratura com propante. / The closure of fractures, due to depletion, in the naturally fractured reservoirs sensitive to the stress state can promote a significant reduction of the permeability of the geological formation. Understanding the hydraulic characteristics of the fracture network as a function of the operating voltages is fundamental for the design of the reservoir development plane. In this dissertation, a model of fracture closure was proposed during the production of fluids in reservoirs, post-hydraulic billing, using a modification of the constitutive model of Barton-Bandis, aiming to simulate the effect of the proppant in both fluid production and Stresses in training. This model is able to adequately reproduce the behavior of the closure of fractures subjected to a normal compressive stress. It is a hyperbolic closure model with initial rigidity, which converges asymptotically to maximum fracture closure. It is also considered the existence of a proppant with specified diameter and rigidity, in order to make it difficult to close the hydraulic fracture, thus altering the state of tensions in the region adjacent to the fracture, in this sense, the implementation in a finite element program of the Model Barton-Bandis simulates a behavior that allows a better understanding of the phenomenon of hydraulic fracturing in rock formations as well as an increase in productivity in oil wells due to the increase of permeability in proppant fracture.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2017-02-13T15:32:26Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TeseDoutorado_MarcelaSeixas.pdf: 6064842 bytes, checksum: 5d148170b369d14be988b9c57683862a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-13T15:32:26Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TeseDoutorado_MarcelaSeixas.pdf: 6064842 bytes, checksum: 5d148170b369d14be988b9c57683862a (MD5) Previous issue date: 2015-08-31 / CNPq / O interesse em estudos relacionados ao processo de fraturamento hidráulico vem aumentando, principalmente devido à exploração de reservatórios não convencionais, que se torna cada vez mais importante para a demanda de energia atual, com estimativas de grandes reservas distribuídas por vários países. A modelagem numérica de tal processo é um desafio, devido à complexidade da física envolvida. A interação entre propriedades mecânicas da rocha, tensões in situ, e heterogeneidades como fraturas naturais e planos de fraqueza é determinante na geometria da fratura induzida. Para resolver este tipo de problema acoplado, o método dos elementos finitos é amplamente utilizado e um dos mais versáteis. O presente estudo propõe uma técnica numérica denominada Fragmentação de Malha, que usa elementos finitos com elevada razão de aspecto (ou elementos especiais de interface), combinados com um modelo constitutivo baseado na mecânica do dano para reproduzir os efeitos do processo de formação de fraturas. Esta metodologia, com base na Aproximação Contínua de Descontinuidades Fortes, consiste em introduzir estes elementos de interface entre elementos regulares de uma malha de elementos finitos. Dentre as vantagens dessa técnica estão a sua facilidade de adaptação a programas convencionais de elementos finitos e o fato de não ser necessário o uso de algoritmos de construção de trajetória da descontinuidade. As aplicações apresentados neste trabalho mostram a capacidade da técnica proposta na modelagem do fraturamento hidráulico em reservatórios não convencionais. / The interest in studies related to the hydraulic fracturing process has increased over the last decade, mainly due to the exploitation of unconventional reservoirs, which is growing and becoming more important to the current energy demand, with the estimation of the existence of large reserves spread over several countries. Numerical modelling of such processes is a challenging task because of the complexity of the physics involved, and because of the structurally complicated geometry of the reservoir. The interaction between rock’s mechanical properties, insitu stresses, and heterogeneities such as natural fractures and weak bedding planes is determinant of the induced fracture geometry. To solve this kind of coupled hydromechanical problem, the Finite Elements Method is one of the most versatile and widely used. The present study propose a numerical technique called mesh fragmentation, that uses solid finite elements with high aspect ratio combining with a proper strain softening constitutive model to reproduce the effects of fractures formation process. This methodology, based on the Continuous Strong Discontinuous Approach, consists in introducing these high aspect ratio elements between regular elements of a finite element mesh. Some advantages of this technique are that it can be easily adapted to standard finite elements programs and no tracking algorithms are necessary to follow the evolution of the fracture. The case studies presented in this paper show the ability of the proposed technique to model hydraulic fracturing propagation in unconventional reservoirs.