Abrasive waterjet (AWJ) cutting is a versatile technique which has been effectively applied to rock cutting since the late 1980s. The complexity of the interaction between the waterjet and the rocks complicates the thorough understanding of the phenomena involved in AWJ rock cutting. On one hand, rocks are complex materials which are generated through different processes in an uncontrolled environment without human interference. On the other hand, the AWJ acts with high velocity and turbulence, complicating direct observation and the perception of details. In this respect, the present research aims to contribute to the study of AWJ cutting applied to rocks, including the analysis of qualitative and quantitative information, both of great importance regarding the study of complex materials. Concerning quantitative data, special attention is given to the investigation of the cutting efficiency, which can be analyzed by observing conditions in which the higher cutting rate is associated with the minimum energy provided by the AWJ machine per removed volume of rock. Moreover, the real efficiency can be analyzed through the investigation of the conditions in which the major part of the energy provided by the AWJ machine is used effectively for rock cutting, deducting dissipation losses. The effects of varying traverse velocity and pump pressure on cutting parameters were also investigated, in addition to the influence of rock properties on the effective energy of cutting. The effective energy was calculated based both on the specific energy and specific destruction work of the materials. With respect to the qualitative investigation, petrographic and scanning electron microscopy (SEM) analyses were conducted in order to visualize and better understand the different effects of cutting on the studied rocks. Cutting tests with a traverse velocity of 200 mm/min and a pump pressure of 400 MPa presented the most efficient rock cutting regarding both methods of efficiency analysis. Dry density and tensile strength presented fair correlations with the effective cutting energy, while the modulus ratio presented the best correlations. It was observed that brittleness plays a key role in the understanding of the phenomena involved in AWJ rock cutting. / O jato d\'água abrasivo (AWJ) é uma técnica versátil que tem sido efetivamente aplicada ao corte de rochas desde o fim da década de 1980. A complexidade da interação entre o jato e as rochas dificulta a compreensão detalhada dos fenômenos envolvidos no corte de rochas com AWJ. Por um lado, rochas são materiais complexos gerados em ambientes sem interferência humana. Por outro lado, o AWJ age com alta velocidade e turbulência, dificultando a observação direta do procedimento. Assim, a presente tese de doutorado visa a contribuir com o estudo do corte de rochas com AWJ, incluindo análises de dados qualitativos e quantitativos, ambos de grande importância em estudos de materiais complexos. A análise quantitativa possui foco na investigação da eficiência de corte, a qual pode ser analisada por meio da observação das condições em que há a maior taxa de corte associada à mínima energia fornecida pelo AWJ por volume de rocha removido. Além disso, a eficiência real do corte pode ser analisada a partir da investigação das condições em que a maior parte da energia fornecida pelo AWJ é usada para efetivamente cortar a rocha, descontando perdas por dissipação. Os efeitos da variação da velocidade transversal de corte e da pressão da bomba nos parâmetros de corte também foram investigados, além da influência das propriedades das rochas na energia efetiva de corte. A energia efetiva de corte, denominada energia relativa de formação da ranhura (EKR), foi calculada com base na energia específica e no trabalho de destruição específico dos materiais. Análises de microscopia eletrônica de varredura (SEM) e petrografia foram conduzidas para visualizar e compreender melhor os diferentes efeitos do corte nas rochas estudadas. Os testes de corte realizados com velocidade transversal do bocal de 200 mm/min e pressão da bomba de 400 MPa apresentaram as melhores eficiências de corte considerando-se ambos os métodos de análise de eficiência. Dentre as propriedades das rochas investigadas, a massa específica e a resistência à tração por compressão diametral apresentaram correlações razoáveis com EKR, enquanto que o modulus ratio apresentou as melhores correlações. Observou-se que a ruptibilidade possui papel fundamental na compreensão dos fenômenos envolvidos no corte de rochas com AWJ.

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.

[pt] A aplicação do Concreto de Alta Resistência como material de construção está se tornando mais comum em estruturas de concreto. Esta tendência demanda um melhor conhecimento do material, incluindo os parâmetros que se referem à tensão limite na compressão. Sendo um material relativamente novo, com um conhecido comportamento frágil, poucas informações a respeito de seu desempenho estão disponíveis para possibilitar o projeto correto de estruturas especiais. Como o material fornece uma resistência compressiva mais alta, os vãos das peças estruturais de concreto armado podem ser maiores, permitindo, por exemplo, a redução do número de pilares em edifícios. Neste caso, o efeito de escala da mecânica da fratura deve ser considerado no projeto estrutural, e a energia de fraturamento torna-se uma propriedade fundamental no controle de resistências à flexão e corte das peças estruturais de concreto armado. Nesta dissertação, alguns resultados obtidos através de ensaios para determinação da energia de fraturamento são apresentados. Os testes à flexão de vigas com entalhe foram realizados na PUC - Rio para diferentes traços de concreto, com resistência compressiva igual ou superior a 40 MPa. Os testes foram feitos segundo especificações fornecidas na RILEM 50-FMC e foram executados em sistemas de teste de materiais com controle de deslocamentos. Os traços do concreto foram estabelecidos com o objetivo de utilizar concretos comumente usados pelas empresas que atuam no Brasil. / [en] The application of high-performance concrete as a construction material is becoming increasingly common in conventional concrete structures. This trend demands a better knowledge of the material, besides the parameter that refers to the limit stress in compression. Being a relatively new material, with a known brittle behavior, few information about its performance is available for design engineers that allows the correct design of special structures. As the material provides a higher compressive strength, concrete structural members can increase in size, allowing the reduction of the number of columns in a building, for example. In this case, the fracture mechanics size effect should be considered in the structural design, and the fracture energy turns to be a fundamental property in controlling the flexural and shear strength of the concrete structural members. In this dissertation, some results obtained through experimental tests for determination of fracture energy for high-performance concrete are presented. The three-point bend tests were conducted at PUC-Rio for different compositions of concrete, with compressive strength equals to or greater than 40 MPa. The tests comply with the specifications given in RILEM recommendations, RILEM 50-FMC and were performed in a servo-controlled materials testing system. The compositions of the concrete were established in order to match the concrete commonly used by the companies that operate in Brazil. / [es] La aplicación del Concreto de Alta Resistencia como material de construción está se tornando más común en extructuras de concreto. Esta tendencia demanda un mejor conocimiento del material, incluyendo los parámetros que se refieren a la tensión límite en la compresión. Siendo un material relativamente nuevo, con un conocido comportamiento frágil, son pocas las informaciones disponibles a respecto de su desempeño. Como el material ofrece una resistencia compresiva más alta, los vans de las piezas extructurales de concreto armado pueden ser mayores, permitiendo, por ejemplo, la reducción del número de pilares en edificios. En este caso, el efecto de escala de la mecánica de fracturas debe ser considerado en el proyecto extructural, y la energía de fractura se torna una propriedad fundamental en el control de resistencias a la flexión y corte de piezas extructurales de concreto armado. En esta disertación, se presentan algunos resultados obtenidos a través de ensayos para determinación de la energía de fractura. Las pruebas a la flexión de vigas fueron realizados en la PUC - Rio para diferentes trazos de concreto, con resistencia compresiva igual o superior la 40 MPa. Las pruebas fueron realizadas según especificaciones ofrecidas en la RILEM 50-FMC y se ejecutaron en sistemas de test de materiales con control de deslocamientos. Fueron establecidos los trazos de concreto con el objetivo de utilizar concretos comumente utilizados por las empresas que actúan en Brasil.

[pt] Esta dissertação teve por objetivo expor os principais diferenciais entre um software comercial de projeto de fraturamento hidráulico (FH) com desenvolvimento de rede de fraturas discretas tridimensional e softwares de projeto de fraturamento convencional, apresentando uma análise dos efeitos da variação dos principais parâmetros que influenciam os resultados da simulação em cima de um caso real (Coeficiente de Filtrado Total e Espaçamento entre Planos de Fratura). Como esclarecimento do principal cenário de fraturamento não convencional foram apresentadas a descrição e principais propriedades de shale gas/oil (gás de folhelho e óleo de folhelho), expondo em seguida as teorias das geometrias ortogonais e a importância das fraturas naturais que embasam as doutrinas do DFN. Enquanto no fraturamento convencional adota-se um modelo de fratura planar com duas asas simétricas em relação ao poço, no fraturamento em shale gas/oil o modelo atualmente aceito é o de criação/ativação de uma fratura dominante e uma rede de fraturas paralelas e fraturas ortogonais à dominante. Foram apresentados as premissas da modelagem, as equações adicionais em relação ao FH convencional, os critérios adotados para a solução destas equações e os dados de entrada adicionais relativos à rede de fraturas. Para ilustrar os diferenciais de modelagem convencional e com rede de fraturas discretas foram apresentadas as equações governantes de um simulador pseudotridimensional convencional (P3D) e as equações governantes do simulador com criação de rede de fraturas estudado (MShale). Uma vez que os dados de entrada adicionais são o maior desafio para os projetistas de FH, apresentou-se um capítulo sobre os mesmos, com um exemplo de entrada de dados real comentado e um capítulo descrevendo as formas de saída de dados do simulador. Concluiu-se que o coeficiente de filtrado total tem grande impacto na geometria e condutividade da fratura dominante e rede de fraturas secundárias, influenciando também as concentrações de agente de sustentação, como também ficou provado que a interação entre fraturas responde pela variação do espaçamento assumido entre os planos de fratura. Verificou-se que não se deve usar softwares de projeto de fraturamento convencional em cenários de reservatórios não convencionais, pois os resultados são irrealistas. Apontou-se deficiências do software de projeto de fraturamento hidráulico com rede de fraturas analisado, como a falta de opção de se considerar, para cada fluido utilizado, o seu respectivo coeficiente de filtrado total. Espera-se que esta dissertação seja útil aos projetistas de fraturamento hidráulico ao lidar com reservatórios não convencionais como shale gas/oil e que estimule o interesse da academia por este tema. / [en] This dissertation aimed to present the main differences between commercial software for hydraulic fracturing with the development of a three - dimensional discrete fracture network and conventional fracture design software, presenting an analysis of the effects of the variation of the main parameters that influence the simulation results on a real case (Total Leakoff Coefficient and Spacing between Fracture Plans). As a clarification of the main unconventional fracturing scenario, the description and main properties of shale gas/oil were presented. Following the theories of the orthogonal geometries and the importance of the natural fractures that support the doctrines of the DFN. While in the conventional fracture, a planar fracture model with two symmetrical wings is used in relation to the well, in the shale gas/oil fracturing, the currently accepted model is the creation/activation of a dominant fracture and a network of parallel fractures and fractures orthogonal to the dominant. The modeling assumptions, the additional equations in relation to the conventional hydraulic fracture, the criteria adopted for the solution of these equations and the additional input data related to the fracture network were presented. To illustrate the conventional modeling differences and discrete fracture network, we have presented the governing equations of a conventional pseudo-three-dimensional simulator (P3D) and the governing equations of the simulator with the creation of a fracture network studied (MShale). Since additional input data is the biggest challenge for hydraulic fracturing designers, a chapter on them has been presented, with an example of actual commented data input and a chapter describing the simulator data output. It was concluded that the total filtration coefficient has a great impact on the geometry and conductivity of the dominant fracture and the network of secondary fractures, also influencing the concentrations of proppant, as it was also proved that the interaction between fractures corresponds to the variation of the assumed spacing between the fracture planes. It was verified that conventional fracture design software should not be used in scenarios of non-conventional reservoirs, because the results are unrealistic. It was pointed out deficiencies of the software of hydraulic fracturing with analyzed network of fractures, as the consideration of constant coefficient of filtration throughout the operation. It is hoped that this dissertation will be useful to hydraulic fracturing designers when dealing with unconventional reservoirs such as shale gas / oil and to stimulate the interest of the academy on this subject.

[pt] Este trabalho faz uma análise da variação dos parâmetros que têm importância na propagação de fraturas hidráulicas e da influência desses parâmetros na conten-ção do fraturamento. Os experimentos numéricos foram feitos em um modelo 2D utilizando um simulador de elementos finitos com acoplamento sequencial hidro-dinâmico, tendo como premissa o comportamento dos processos envolvidos em es-tado estacionário. Inicialmente foram feitos testes de validação das soluções numé-ricas empregadas neste trabalho a partir de casos cujas soluções são bem conheci-das. Então, efeitos de variações de poropressão, de estado de tensões, propriedades das rochas, intervalos de início da fratura hidráulica, efeitos térmicos e o dano à permeabilidade da formação permoporosa foram utilizados para avaliar a contenção da fratura hidráulica. Primeiramente os efeitos foram avaliados separadamente e, em seguida, foram combinados aos pares, por meio de sorteio, e então avaliados. Os estudos levaram à conclusão de que o fator de maior influência para o início da propagação da fratura hidráulica na rocha capeadora (primeiros metros) é o valor da tensão mínima de confinamento do reservatório e a continuidade da propagação vertical na rocha selante é dominada pelo contraste de tensões entre rochas reserva-tório e capeadora. Entretanto, os demais parâmetros exercem influência na conten-ção do fraturamento hidráulico e devem ser levados em consideração neste tipo de estudo, principalmente os que servirão de insumo para a tomada de decisões. / [en] This master thesis analyzes the parameter s variation on the hydraulic frac-ture s propagation importance and the influence of these parameters on fracture containment. The numerical experiments were performed in a 2D model using a finite element simulator with sequential hydrodynamic coupling, having the sta-tionary behavior of the processes involved as premise. Validation tests were ini-tially performed for the numerical solutions used in this thesis from cases which solutions are well known. Then, effects of pore pressure variations, stress state, rock properties, hydraulic fracture opening intervals, thermal effects, and damage to the permoporous formation were used to evaluate the hydraulic fracture containment. At first, the effects were evaluated separately, then sorted for pair combinations, so they could be analyzed. These analyzes led to the conclusion that the most influen-tial factor for the hydraulic fracture initial propagation in the cap rock (first meters) is the reservoir’s minimum confinement stress value, and the vertical propagation continuity in the sealing rock is dominated by the stress contrast between reservoir and cap rocks. However, other parameters influence the hydraulic fracturing con-tainment and should be considered for this type of study, especially those that will serve as input for decision-making.

[pt] O processo de fraturamento hidráulico tem sido amplamente usado para aumentar o volume de petróleo e gás extraído na indústria petroleira. Durante a injeção de fluido, uma região determinada do reservatório é fraturada com a finalidade de aumentar a permeabilidade do meio poroso, de tal forma que o fluxo do fluido desde o reservatório para o poço seja favorecido notoriamente. Porém, este processo pode ocasionar danos ambientais tais como contaminação de aguas subterrâneas, vazamentos de gás, fraturas indesejadas nas camadas capeadoras pela injeção de agua e atividade sísmica fazendo primordial um estudo rigoroso do fraturamento hidráulico com a finalidade de reduzir os riscos potenciais associados a esta operação. Umas das metodologias usadas para projetar o fraturamento hidráulico é a simulação computacional. É possível determinar o volume injetado e a potência da bomba de injeção necessária para obter a geometria de fratura (comprimento, abertura e altura) desejada. A modelagem numérica através de elementos coesivos acoplados do processo de fraturamento hidráulico pode ser efetuada considerando o processo transiente ou permanente, tendo geometrias da fratura e curvas de injeção diferentes. Neste trabalho foi simulado numericamente o modelo KGD nos regimes de fluxo transiente e permanente para dois casos de estudo, (1) injeção numa única camada e (2) injeção em três camadas com contraste de tensões e poropressões entre elas. O estudo numérico foi desenvolvido usando o método dos elementos finitos com modelo de zona coesiva no software Abaqus o qual foi comparado com as soluções analíticas do KGD no regime dominado pela rigidez (Vértice-K) para uma camada e de Simonson e Fung para três camadas. / [en] The hydraulic fracturing process has been widely used to improve oil and gas recovery in the petroleum industry. During the fluid injection, the desired section of rock formation is fractured in order to increase the permeability of the medium that can facilitate the flow of oil to a producing well. However, this process can lead to potential environmental risks such as seismic activity, unwanted fractures in cap layers by water injection, water contamination and gas leakage making primordial to develop a rigorous study in order to reduce this environmental risks associated to hydraulic fracturing. One of the studies developed to design the hydraulic fracturing is computational simulation to determine the fluid volume and hydraulic horsepower required in order to produce the wanted fracture geometry (length, opening and height). The numerical modelling of fracturing process by using fully coupled cohesive element hydraulic can be carried out considering either a steady state or a transient analysis, which modify the fracture geometry and injection pressure. In this work, the KGD model is simulated in transient and steady analysis for two cases: (1) injection in a single layer formation and (2) injection in tri-layered formation with stress and porepressure contrast between them. The numerical simulation of a hydraulic fracturing is carried out using the finite element method with the zone cohesive model in Abaqus whose results are compared with analytical solutions of toughness-dominated propagation regime for the one layer formation model and Simonson and Fung analytical solutions for tri-layered formations model.

[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.

[pt] Reservatórios de shale gas/shale oil possuem elevado grau de anisotropia devido à presença de fraturas naturais (NFs) e também da orientação dos estratos. Com isso as fraturas induzidas hidraulicamente (HFs) interagem com as NFs e geram uma rede de fraturas com morfologia complexa. A existência de NFs modifica o campo de tensões no folhelho e influencia diretamente o comportamento geomecânico das HFs durante a operação de fraturamento, gerando ramificações na fratura dominante e contribuindo para a formação da rede complexa de fraturas. A construção de uma rede de fraturas aumenta significativamente a condutividade da formação, pois conecta fraturas e poros que anteriormente encontravam-se isolados, incrementando assim o índice de produtividade dos poços e proporcionando maior viabilidade econômica nos projetos em reservatórios de shale gas/oil. Este trabalho apresenta uma análise de sensibilidade da influência do espaçamento entre fraturamentos na construção da rede de fraturas complexas gerada em shales, visando entender como este parâmetro modifica o volume de reservatório estimulado e a distribuição de propante na rede de fraturas, de maneira a evitar problemas nesta fase do projeto e assim, manter a sustentação da rede economicamente viável. A revisao de literatura contempla os principais trabalhos publicados sobre este tema e os modelos não-convencionais de fraturas (UFM) usados para a modelagem da rede de fraturas complexas. A análise de sensibilidade será realizada por meio do software MShale, que usa um método estocástico de rede de fraturas discretas (DFN) e resolve numericamente as equações de equilíbrio e da poroelasticidade para shales, em termos de tensões efetivas, além das equações de conservação de massa, momento linear e energia com dissipação viscosa para escoamento lento (creeping flow). Para a análise, os demais parâmetros que influenciam na contrução da rede serão mantidos constantes e somente o espaçamento entre fraturamentos sofrerá variação. / [en] Shale gas/shale oil reservoirs have a high degree of anisotropy due to the presence of natural fractures (NFs) and also the orientation of beddings. Thus, hydraulically induced fractures (HFs) interact with NFs and generate a network of fractures with complex morphology. The existence of NFs modifies the stress field in the shale and directly influences the geomechanical behavior of the HFs during the fracturing operation, generating branches in the dominant fracture and contributing to the complex network of fractures. The construction of a network of fractures significantly increases the conductivity of the formation, as it connects previously isolated fractures and pores, thus increasing the productivity index of the wells and providing greater economic viability in the shale gas/oil reservoir designs. This work presents a sensitivity analysis of the influence of fracturing spacing in the construction of the network of complex fractures generated in shales, aiming to understand how this parameter modifies the volume of stimulated reservoir and the distribution of propant in the network of fractures, in order to avoid problems in this step of the design and thus, maintain the economical viability of the network. The literature review includes the main published works on this subject and the non-conventional fracture models (UFM) used to model the network of complex fractures. Sensitivity analysis will be performed using the MShale software, which uses a stochastic of the discrete fracture network (DFN) method and numerically solves the equilibrium equations and poroelasticity for shales in terms of effective stresses, in addition to mass conservation equations, linear momentum and energy with viscous dissipation for creeping flow. For the analysis, the other parameters that influence the construction of the network will be kept constant and only the spacing between fracturings will suffer variation.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A evolução dos concretos utilizados nas últimas décadas deu origem ao Concreto de Alto Desempenho (CAD), que tem, entre suas características, alta resistência à compressão e baixa permeabilidade. Com o desenvolvimento dos produtos químicos utilizados na construção civil, em especial os superplastificantes e superfluidificantes, a utilização desse tipo de concreto tornou-se cada vez mais freqüente pela possibilidade de se obter uma mistura suficientemente trabalhável utilizando-se fatores água/cimento menores do que 0,35. Devido à sua microestrutura mais homogênea, esse tipo de concreto apresenta um comportamento mais frágil do que os concretos convencionais, exigindo uma melhor caracterização do material. A partir do final da década de 70 começou-se a aplicar os conceitos da Mecânica da Fratura para análise do comportamento de estruturas construídas com esse tipo de concreto. Como em algumas situações a resistência nominal de peças de concreto diminui com o aumento de suas dimensões, houve a necessidade de se considerar o efeito de escala das estruturas a fim de se obter níveis de segurança mais adequados no seu dimensionamento, o que justificou a utilização da Mecânica da Fratura. Neste trabalho a energia de fraturamento foi obtida experimentalmente pelo método do trabalho de fraturamento e pelo método do efeito de escala, por meio de ensaios estáveis de flexão de três pontos em amostras de concreto de alto desempenho com entalhe. Foi também desenvolvida a simulação numérica de uma viga com entalhe, analisada pelo método dos elementos finitos e empregando-se na modelagem constitutiva os conceitos da Mecânica da Fratura aplicada ao concreto. As vigas foram moldadas e ensaiadas no Instituto Politécnico do Rio de Janeiro (IPRJ) da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) na cidade de Nova Friburgo. Os ensaios foram realizados com controle de deslocamento da célula de carga. Foram ensaiadas três séries de 12 vigas, com quatro dimensões diferentes, geometricamente proporcionais, e três amostras para cada dimensão, totalizando 36 vigas. As alturas utilizadas para as vigas foram 38, 76, 152 e 304 mm, e sua espessura foi mantida constante igual a 38 mm. Os corpos de prova cilíndricos, para caracterização da resistência à compressão do concreto, foram moldados no IPRJ e rompidos no laboratório de engenharia civil da UERJ, na cidade do Rio de Janeiro. Os concretos utilizados apresentaram resistência à compressão média de 70 MPa. / The evolution of the concrete mixes used during the last decades gave birth to the High Performance Concrete (HPC), which, among its main characteristics, presents high strength and low permeability. With the development of chemical products used in civil engineering constructions, mainly the superplasticizers, the use of this kind of concrete has become more and more frequent due to the possibility of obtaining a workable mixture with a water/cement ratio lower than 0.35. Due to its more homogeneous microstructure, the HPC presents a more fragile behavior than the conventional concrete, demanding a better characterization of the material. At the end of the 1970s, concepts of the Fracture Mechanics started to be used for the analysis of the structural behavior of concrete structures. As the nominal stress of the material decreases as the size of the structure increases, it became necessary to consider this size effect in the analysis in order to obtain more suitable levels of security. This fact justifies the use of the Fracture Mechanics in the structural analysis of concrete structures. In this work, the fracture energy was experimentally obtained using the work-offracture method and the size effect method by performing three-point bend tests in HPC notched beams. It was also developed a numerical simulation of the tests, performing the analysis through the Finite Element Method and applying the concepts of the Fracture Mechanics of Concrete into the constitutive model. The notched beams were molded and tested at the Polytechnic Institute of the State University of Rio de Janeiro (IPRJ/UERJ), located in the city of Nova Friburgo. The tests were controlled by the vertical displacement of the load cell. Three series of twelve beams with four geometrically similar sizes were tested. Three samples for each size were cast, making an amount of 36 beams. The beams were 38, 76, 152 and 304 millimeters high and the width was kept constant equal to 38 millimeters. To characterize the concrete compression strength, 100x200 millimeters cylinders were molded at the IPRJ and tested at the UERJ civil engineering laboratory in the city of Rio de Janeiro. The tested concretes presented a medium compressive strength of 70 MPa.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A evolução dos concretos utilizados nas últimas décadas deu origem ao Concreto de Alto Desempenho (CAD), que tem, entre suas características, alta resistência à compressão e baixa permeabilidade. Com o desenvolvimento dos produtos químicos utilizados na construção civil, em especial os superplastificantes e superfluidificantes, a utilização desse tipo de concreto tornou-se cada vez mais freqüente pela possibilidade de se obter uma mistura suficientemente trabalhável utilizando-se fatores água/cimento menores do que 0,35. Devido à sua microestrutura mais homogênea, esse tipo de concreto apresenta um comportamento mais frágil do que os concretos convencionais, exigindo uma melhor caracterização do material. A partir do final da década de 70 começou-se a aplicar os conceitos da Mecânica da Fratura para análise do comportamento de estruturas construídas com esse tipo de concreto. Como em algumas situações a resistência nominal de peças de concreto diminui com o aumento de suas dimensões, houve a necessidade de se considerar o efeito de escala das estruturas a fim de se obter níveis de segurança mais adequados no seu dimensionamento, o que justificou a utilização da Mecânica da Fratura. Neste trabalho a energia de fraturamento foi obtida experimentalmente pelo método do trabalho de fraturamento e pelo método do efeito de escala, por meio de ensaios estáveis de flexão de três pontos em amostras de concreto de alto desempenho com entalhe. Foi também desenvolvida a simulação numérica de uma viga com entalhe, analisada pelo método dos elementos finitos e empregando-se na modelagem constitutiva os conceitos da Mecânica da Fratura aplicada ao concreto. As vigas foram moldadas e ensaiadas no Instituto Politécnico do Rio de Janeiro (IPRJ) da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) na cidade de Nova Friburgo. Os ensaios foram realizados com controle de deslocamento da célula de carga. Foram ensaiadas três séries de 12 vigas, com quatro dimensões diferentes, geometricamente proporcionais, e três amostras para cada dimensão, totalizando 36 vigas. As alturas utilizadas para as vigas foram 38, 76, 152 e 304 mm, e sua espessura foi mantida constante igual a 38 mm. Os corpos de prova cilíndricos, para caracterização da resistência à compressão do concreto, foram moldados no IPRJ e rompidos no laboratório de engenharia civil da UERJ, na cidade do Rio de Janeiro. Os concretos utilizados apresentaram resistência à compressão média de 70 MPa. / The evolution of the concrete mixes used during the last decades gave birth to the High Performance Concrete (HPC), which, among its main characteristics, presents high strength and low permeability. With the development of chemical products used in civil engineering constructions, mainly the superplasticizers, the use of this kind of concrete has become more and more frequent due to the possibility of obtaining a workable mixture with a water/cement ratio lower than 0.35. Due to its more homogeneous microstructure, the HPC presents a more fragile behavior than the conventional concrete, demanding a better characterization of the material. At the end of the 1970s, concepts of the Fracture Mechanics started to be used for the analysis of the structural behavior of concrete structures. As the nominal stress of the material decreases as the size of the structure increases, it became necessary to consider this size effect in the analysis in order to obtain more suitable levels of security. This fact justifies the use of the Fracture Mechanics in the structural analysis of concrete structures. In this work, the fracture energy was experimentally obtained using the work-offracture method and the size effect method by performing three-point bend tests in HPC notched beams. It was also developed a numerical simulation of the tests, performing the analysis through the Finite Element Method and applying the concepts of the Fracture Mechanics of Concrete into the constitutive model. The notched beams were molded and tested at the Polytechnic Institute of the State University of Rio de Janeiro (IPRJ/UERJ), located in the city of Nova Friburgo. The tests were controlled by the vertical displacement of the load cell. Three series of twelve beams with four geometrically similar sizes were tested. Three samples for each size were cast, making an amount of 36 beams. The beams were 38, 76, 152 and 304 millimeters high and the width was kept constant equal to 38 millimeters. To characterize the concrete compression strength, 100x200 millimeters cylinders were molded at the IPRJ and tested at the UERJ civil engineering laboratory in the city of Rio de Janeiro. The tested concretes presented a medium compressive strength of 70 MPa.