Studies completed recently have shown that desorption of methane results in a change in the matrix volume of coal thus altering the permeability of, and production rates from, coalbed methane (CBM) reservoirs. An accurate estimation of different coal compressibilities is, therefore, critical in CBM operations in order to model and project gas production rates. Furthermore, a comprehensive knowledge of the dynamic permeability helps in understanding the unique feature of CBM production, an initial negative gas decline rate. In this study, different coal compressibility models were developed based on the assumption that the deformation of a depleting coalbed is limited to the vertical direction, that is, the reservoir is under uniaxial strain conditions. Simultaneously, experimental work was carried out replicating these conditions. The results showed that the matrix volumetric strain typically follows the Langmuir-type relationship. The agreement between the experimental results and those obtained using the proposed model was good. The proposed volumetric strain model successfully isolated the sorption-induced strain from the strain resulting from mechanical compression. It, therefore, provides a technique to integrate the sorption-induced strain alone into different analytical permeability models. The permeability variation of coal with a decrease in pore pressure under replicated in situ stress/strain conditions was measured. The results showed that decreasing pore pressure resulted in a significant decrease in horizontal stress and increased permeability. The permeability increased non-linearly with decreasing pore pressure, with a small increase in the high pressure range, increasing progressively as the pressure dropped below a certain value. The experimental results were also used to test the proposed coupled sorption-induced strain model and several analytical permeability models. One of the commonly used models overestimated the permeability increase between 200 and 900 psi. The other two models were able to predict the permeability trend with constant cleat compressibility although the values used for the two models were different. Finally, the coupled strain and permeability models were employed to validate the field observed permeability increase data. The results indicated that the coupled models can predict the permeability trend with accuracy as long as the input parameters used are reasonable. The technique can thus serve as a particularly powerful tool for new CBM regions with limited production data since it only requires the basic adsorption data and mechanical properties and both are typically available. However, the physical meaning of the cleat compressibility term used in the permeability models needs to be clarified to ensure that its effect is not counted twice.

A ocupação do espaço subterrâneo tem assumido importância crescente na sociedade atual; destaca-se no Sul do Brasil o uso de escavações subterrâneas em empreendimentos hidrelétricos, executadas nas rochas efusivas da Formação Serra Geral (FSG). Algumas destas obras registraram tensões elevadas nos maciços rochosos, as quais ocasionaram grandes prejuízos por não terem sido previstas em projetos e não terem solução adequada quando são utilizadas correlações empíricas. Tendo em vista estas dificuldades no desenvolvimento dos projetos, esta tese teve o objetivo de estudar o comportamento das rochas efusivas da FSG e utilizar os dados na simulação numérica de túneis. Foi feito o acompanhamento da execução de cerca de 650m do túnel de adução da UHE Castro Alves, tendo sido coletados os dados de geologia, resultados da instrumentação da obra e coletadas amostras das rochas encontradas no túnel. Foram realizados ensaios de laboratório em corpos de prova para determinar o comportamento tensão versus deformação destes materiais e suas envoltórias de ruptura. Foram obtidas correlações entre alguns dos parâmetros. Os parâmetros determinados nos ensaios (rocha intacta) foram extrapolados para o maciço rochoso. Diversos dados da obra, bem como o cruzamento entre eles e os parâmetros geomecânicos obtidos foram colocados em uma plataforma SIG, a qual se mostrou uma ferramenta bastante útil e de grande potencialidade para uso nestes projetos. Com os parâmetros geomecânicos determinados para o maciço foi realizada uma análise numérica 3D do túnel escavado, a partir da qual foi feita uma retro-análise dos deslocamentos medidos em campo, sendo possível estimar o valor de K0 de campo de cerca de 1,3. Foram também realizadas análises paramétricas para estudar a importância da correta estratigrafia dos derrames basálticos (especialmente a presença das brechas) e a simulação de tensões horizontais elevadas, tendo se demonstrado a necessidade de análises deste tipo para verificação de soluções adequadas em túneis em maciços com estas condicionantes. / In the present society the underground occupation has become increasingly relevant. In Southern Brazil it is possible to observe the use of underground excavation applied to tunneling for hydro electric power plants, as carried out in the Serra Geral Formation (FSG) effusive rocks. Some of these tunnels showed high stresses in the rock mass, which resulted in time and money wasted as it was not expected in the project development and also because there was not a suitable solution found when empirical correlations were applied. Considering these difficulties during the project development, this thesis studies the FSG effusive rocks behavior and the utilization of tunnel data for numerical simulations. About 650m of tunnel excavation has been monitored at the UHE Castro Alves. Geology data, instrumentation results and rock samples have been obtained. To determine the shear stress versus strain behavior, laboratory tests were carried out. The correlation between some parameters was obtained and test parameters of the intact rock were extrapolated to the rock mass. A SIG platform has been used with the field data and the geomechanical parameters; it appears to be a useful tool with great potential for this kind of work. Since the geomechanical parameters have been determined, a FEM 3D analysis was carried out; field displacements back-analysis from the 3D analysis made possible the estimation of a K0 value approximately equal to 1,3. Parametrical analyses were also carried out to study the relevance of considering the correct rock strata and the effects of high horizontal stresses on the numerical simulation results, which showed the need for this kind of analysis in tunnels excavated under these conditions.

A ocupação do espaço subterrâneo tem assumido importância crescente na sociedade atual; destaca-se no Sul do Brasil o uso de escavações subterrâneas em empreendimentos hidrelétricos, executadas nas rochas efusivas da Formação Serra Geral (FSG). Algumas destas obras registraram tensões elevadas nos maciços rochosos, as quais ocasionaram grandes prejuízos por não terem sido previstas em projetos e não terem solução adequada quando são utilizadas correlações empíricas. Tendo em vista estas dificuldades no desenvolvimento dos projetos, esta tese teve o objetivo de estudar o comportamento das rochas efusivas da FSG e utilizar os dados na simulação numérica de túneis. Foi feito o acompanhamento da execução de cerca de 650m do túnel de adução da UHE Castro Alves, tendo sido coletados os dados de geologia, resultados da instrumentação da obra e coletadas amostras das rochas encontradas no túnel. Foram realizados ensaios de laboratório em corpos de prova para determinar o comportamento tensão versus deformação destes materiais e suas envoltórias de ruptura. Foram obtidas correlações entre alguns dos parâmetros. Os parâmetros determinados nos ensaios (rocha intacta) foram extrapolados para o maciço rochoso. Diversos dados da obra, bem como o cruzamento entre eles e os parâmetros geomecânicos obtidos foram colocados em uma plataforma SIG, a qual se mostrou uma ferramenta bastante útil e de grande potencialidade para uso nestes projetos. Com os parâmetros geomecânicos determinados para o maciço foi realizada uma análise numérica 3D do túnel escavado, a partir da qual foi feita uma retro-análise dos deslocamentos medidos em campo, sendo possível estimar o valor de K0 de campo de cerca de 1,3. Foram também realizadas análises paramétricas para estudar a importância da correta estratigrafia dos derrames basálticos (especialmente a presença das brechas) e a simulação de tensões horizontais elevadas, tendo se demonstrado a necessidade de análises deste tipo para verificação de soluções adequadas em túneis em maciços com estas condicionantes. / In the present society the underground occupation has become increasingly relevant. In Southern Brazil it is possible to observe the use of underground excavation applied to tunneling for hydro electric power plants, as carried out in the Serra Geral Formation (FSG) effusive rocks. Some of these tunnels showed high stresses in the rock mass, which resulted in time and money wasted as it was not expected in the project development and also because there was not a suitable solution found when empirical correlations were applied. Considering these difficulties during the project development, this thesis studies the FSG effusive rocks behavior and the utilization of tunnel data for numerical simulations. About 650m of tunnel excavation has been monitored at the UHE Castro Alves. Geology data, instrumentation results and rock samples have been obtained. To determine the shear stress versus strain behavior, laboratory tests were carried out. The correlation between some parameters was obtained and test parameters of the intact rock were extrapolated to the rock mass. A SIG platform has been used with the field data and the geomechanical parameters; it appears to be a useful tool with great potential for this kind of work. Since the geomechanical parameters have been determined, a FEM 3D analysis was carried out; field displacements back-analysis from the 3D analysis made possible the estimation of a K0 value approximately equal to 1,3. Parametrical analyses were also carried out to study the relevance of considering the correct rock strata and the effects of high horizontal stresses on the numerical simulation results, which showed the need for this kind of analysis in tunnels excavated under these conditions.

A ocupação do espaço subterrâneo tem assumido importância crescente na sociedade atual; destaca-se no Sul do Brasil o uso de escavações subterrâneas em empreendimentos hidrelétricos, executadas nas rochas efusivas da Formação Serra Geral (FSG). Algumas destas obras registraram tensões elevadas nos maciços rochosos, as quais ocasionaram grandes prejuízos por não terem sido previstas em projetos e não terem solução adequada quando são utilizadas correlações empíricas. Tendo em vista estas dificuldades no desenvolvimento dos projetos, esta tese teve o objetivo de estudar o comportamento das rochas efusivas da FSG e utilizar os dados na simulação numérica de túneis. Foi feito o acompanhamento da execução de cerca de 650m do túnel de adução da UHE Castro Alves, tendo sido coletados os dados de geologia, resultados da instrumentação da obra e coletadas amostras das rochas encontradas no túnel. Foram realizados ensaios de laboratório em corpos de prova para determinar o comportamento tensão versus deformação destes materiais e suas envoltórias de ruptura. Foram obtidas correlações entre alguns dos parâmetros. Os parâmetros determinados nos ensaios (rocha intacta) foram extrapolados para o maciço rochoso. Diversos dados da obra, bem como o cruzamento entre eles e os parâmetros geomecânicos obtidos foram colocados em uma plataforma SIG, a qual se mostrou uma ferramenta bastante útil e de grande potencialidade para uso nestes projetos. Com os parâmetros geomecânicos determinados para o maciço foi realizada uma análise numérica 3D do túnel escavado, a partir da qual foi feita uma retro-análise dos deslocamentos medidos em campo, sendo possível estimar o valor de K0 de campo de cerca de 1,3. Foram também realizadas análises paramétricas para estudar a importância da correta estratigrafia dos derrames basálticos (especialmente a presença das brechas) e a simulação de tensões horizontais elevadas, tendo se demonstrado a necessidade de análises deste tipo para verificação de soluções adequadas em túneis em maciços com estas condicionantes. / In the present society the underground occupation has become increasingly relevant. In Southern Brazil it is possible to observe the use of underground excavation applied to tunneling for hydro electric power plants, as carried out in the Serra Geral Formation (FSG) effusive rocks. Some of these tunnels showed high stresses in the rock mass, which resulted in time and money wasted as it was not expected in the project development and also because there was not a suitable solution found when empirical correlations were applied. Considering these difficulties during the project development, this thesis studies the FSG effusive rocks behavior and the utilization of tunnel data for numerical simulations. About 650m of tunnel excavation has been monitored at the UHE Castro Alves. Geology data, instrumentation results and rock samples have been obtained. To determine the shear stress versus strain behavior, laboratory tests were carried out. The correlation between some parameters was obtained and test parameters of the intact rock were extrapolated to the rock mass. A SIG platform has been used with the field data and the geomechanical parameters; it appears to be a useful tool with great potential for this kind of work. Since the geomechanical parameters have been determined, a FEM 3D analysis was carried out; field displacements back-analysis from the 3D analysis made possible the estimation of a K0 value approximately equal to 1,3. Parametrical analyses were also carried out to study the relevance of considering the correct rock strata and the effects of high horizontal stresses on the numerical simulation results, which showed the need for this kind of analysis in tunnels excavated under these conditions.

[pt] A ocorrência de eventos de perfuração em poços de óleo e gás é frequente, porém indesejada, uma vez que acarreta aumento no tempo e custo das operações. Sua ocorrência pode levar à perda de circulação do fluido, desmoronamento da parede do poço, restrição da sua funcionalidade, danos à plataforma, problemas ambientais e mesmo a perda de vidas humanas. Desta forma, o conhecimento das tensões é essencial para a estimativa da estabilidade do poço e aumento da segurança da perfuração. Existem diversos métodos para prever a tensão horizontal mínima, entretanto, para a máxima, ainda há dificuldades na sua determinação. No caso de poços inclinados, este cálculo se torna ainda mais complexo, uma vez que as tensões regionais não são alinhadas com o eixo do poço. Identificada essa necessidade, e partindo do princípio de que ao menos um poço já tenha sido perfurado em um campo e que este apresentou instabilidades do tipo colapso ou fraturamento induzido, esta dissertação trabalha na implementação de um algoritmo capaz de obter a magnitude da tensão horizontal máxima que levou ao surgimento dos mesmos. As fraturas Induzidas são falhas de tração, enquanto os Breakouts são gerados pelo colapso da parede do poço por falhas de compressão. Ambos devem ser devidamente identificados a partir de perfis de imagem. Os algoritmos implementados envolvem solução analítica, calculada através de métodos implícito e explícito. O procedimento para a rotação das tensões para poços inclinados é baseado em formulação presente na literatura, e os cálculos das tensões ao redor da parede do poço, nas equações de Kirsch. O fraturamento do material é avaliado de acordo com a tensão de cut-off, e o de ruptura, a partir do critério de Mohr-Coulomb ou Lade-Ewy. Os métodos desenvolvidos são comparados entre si, relatando suas vantagens e desvantagens. Aplicando uma vasta variação de inclinação e azimute do poço, os resultados alcançados apresentam uma diferença pequena com relação aos obtidos por meio de pacotes comerciais, sendo considerados satisfatórios. / [en] The occurrence of oil and gas well drilling events is common, but undesirable, once it increases time and cost of operations. Its occurence can lead to loss of fluid circulation, wellbore wall collapse, restriction of its functionality, platform damage, environmental issues and even the lost of human lives. stresses knowledge is essential to wellbore stability estimation and to the improvement of drilling safety. In fact, there are some methods and tests to compute the minimum horizontal stress, but there still exist difficulties on maximum horizontal stress determination. In the case of deviated wells, the calculations are even more complexes due to the lack of alignment between the regional stresses and well axis. Identified that problem, and considering that at least one wellbore has been drilled in a field and presented compressive or tensile instabilities, this dissertation works on the implementation of algorithms capable of obtaining the maximum horizontal stress magnitude that lead the appearance of breakout or induced fracture. The instability problems are identified and previously interpreted through image logs. The implemented algorithms involve an analytical solution, which is calculated by an explicit method and an implicit one, to the stated problem. The procedure to the stresses rotation on deviated wells used at this work is based on the formulation presented on technical literature, and the calculation of the stresses around the wellbore wall, on Kirsch s equation. The failure of the material is evaluated using a tensile cutoff for induced fractures and Mohr-Coulomb or Lade-Ewy criteria for breakouts. The developed methods are compared between each other, presenting the advantages and disadvantages of then. The results, applying a large variation on the wellbore inclination and azimuth, show that the values accomplished a low difference in relation to the obtained by using a commercial software, being considered as satisfactory.