Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-10-25T15:24:11Z No. of bitstreams: 1 2017_NimaRostamiAlkhorshid.pdf: 7386972 bytes, checksum: 238f441115959a3c09f983f6db0ef8d7 (MD5) / Approved for entry into archive by Patrícia Nunes da Silva (patricia@bce.unb.br) on 2018-06-04T14:03:43Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_NimaRostamiAlkhorshid.pdf: 7386972 bytes, checksum: 238f441115959a3c09f983f6db0ef8d7 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-04T14:03:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_NimaRostamiAlkhorshid.pdf: 7386972 bytes, checksum: 238f441115959a3c09f983f6db0ef8d7 (MD5) Previous issue date: 2018-06-04 / De uma forma geral, parte das as áreas costeiras são cobertas por solos moles. Assim, a construção do aterro sobre esses solos problemáticos é sempre um desafio para engenheiros geotécnicos. Existem várias técnicas de melhoria dos solos para superar esses desafios. Nesse contexto, as colunas granulares têm apresentado sucesso para esse tipo de construção. Para solos muito moles, a aplicação de colunas granulares é de difícil execução e rendimento, tendo em vista o baixo confinamento lateral na parte superior da coluna. As colunas granuladas encamisadas com geossintéticos são uma técnica recentemente desenvolvida que tem sido utilizada com sucesso em vários projetos de aterros sobre solos moles. Esta pesquisa teve como objetivo estudar o desempenho de colunas encamisadas com diferentes tipos de materiais de encamisamento e de preenchimento das colunas. Para realizar isso, foram realizados testes laboratoriais em grande escala e também análises numéricas usando o Método dos Elementos Finitos. Foram utilizados três tipos de material de coluna (areia, brita e resíduos de construção) e também três tipos de geotêxtil tecido (G-1, G-2 e G-3) com diferentes valores de rigidez à tração. Os ensaios foram realizados com e sem encamisamento para avaliar a sua eficiência no aumento da capacidade de carga das colunas. A influência do método de instalação de vibro-deslocamento no solo circundante também foi estudada. Além disso, avaliou-se o papel das colunas na dissipação do excesso de poropressão e na pressão lateral imposta ao solo circundante. Finalmente, foram realizadas as análises dos testes laboratoriais e também a análise de uma simulação em escala real do aterro por meio do Método dos Elementos Finitos. Baseando-se nos resultados obtidos, os ensaios de laboratório indicaram que o papel do encamisamento em solos muito moles é de grande importância, pois melhorou consideravelmente o desempenho da coluna. Foi observado também que o uso de colunas de brita e de resíduo de construção aumentou a capacidade de carga comparando com a das colunas de areia, que método de instalação de deslocamento gerou excesso de poropressão e causou a densificação do solo circundante. Por sua vez, os resultados das análise numéricas mostraram boa concordância com os resultados obtidos nos ensaios. A análise numérica em escala real de um aterro indicou que as colunas próximas do meio do aterro sofriam mais recalque e que as colunas que estavam sob a talude do aterro foram mais afetadas pela deflexão lateral. / Soft soils, commonly, can be encountered in coastal areas. Thus, embankment construction on these problematic soil is always a challenge for geotechnical engineers. There are several soil improvement techniques to overcome these challenges. Granular columns is one of the popular techniques for supporting embankments. When it comes to very soft soils, the application of granular columns is almost impossible, because of the low confinement provided by the surrounding soil. Geosynthetic encased granular columns is a recently developed technique that has been successfully used in various embankment projects dealing with soft soils. This research aimed at studying the performance of encased columns with different types of the encasement and column materials. Instrumented large scale laboratory tests as well as numerical analysis using the Finite Element Method were carried out. Three types of column material (sand, gravel and construction waste) and also three types of woven geotextile (G-1, G-2 and G-3) with different tensile stiffness were tested. The tests were performed with and without encasement to evaluate the efficiency of the former in increasing the load bearing capacity of the columns. The influence of the displacement installation method on the surrounding soil was also studied. In addition, the role of columns in dissipating excess pore water pressures and imposing lateral pressures to the surrounding soil was evaluated. Finally, the back analysis of the laboratory tests and also analysis of a full-scale embankment, using the Finite Element Method, were conducted. The laboratory tests indicated that the role of encasement in very soft soils is of paramount importance, since it considerably improved the column performance. It was also observed that the displacement installation method generated excess pore water pressures and caused consolidation of the surrounding soil. The back analyzed results showed good agreement with the tests results. Ultimately, the full scale analysis of an embankment indicated that the columns which were close to the middle of embankment presented larger settlements than those under the embankment slope, which were mainly affected by lateral deflection.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2016. / Submitted by Camila Duarte (camiladias@bce.unb.br) on 2017-01-17T14:01:32Z No. of bitstreams: 1 2016_OisyHernandezMenendez.pdf: 5558754 bytes, checksum: 495a161180ebc3b86953f1c5cce697f6 (MD5) / Approved for entry into archive by Ruthléa Nascimento(ruthleanascimento@bce.unb.br) on 2017-03-08T20:43:56Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_OisyHernandezMenendez.pdf: 5558754 bytes, checksum: 495a161180ebc3b86953f1c5cce697f6 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-08T20:43:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_OisyHernandezMenendez.pdf: 5558754 bytes, checksum: 495a161180ebc3b86953f1c5cce697f6 (MD5) / Na Colômbia os solos derivados de cinzas vulcânicas representam 11,6% dos solos do país e são utilizados em construção de terraplenagem, rodovias e taludes naturais. Apresentam uma grande variabilidade nas propriedades hidromecânicas e estruturais que dependem do grau de pré-secagem das amostras. Para analisar a variabilidade destas propriedades foi realizado um estudo teórico experimental que avaliou como as alterações mineralógicas ocasionam mudanças no comportamento hidromecânico e estrutural deste tipo de solos. Foi escolhido um solo de origem vulcânica na região de Popayán. O estudo experimental contou com um trabalho detalhado de laboratório, estudando amostras indeformadas e compactadas (com energia correspondente ao Proctor normal) com diferentes formas de preparação das amostras (com e sem secagem prévia). Da confecção da curva de compactação foram escolhidos vários pontos de trabalho aos quais foram feitos as avaliações do comportamento hidromecânico e estrutural. O estudo do solo iniciou pela caracterização físico-química, que foi realizada por meio de ensaios tradicionais da geotecnia além de DRX, espectroscopia infravermelha, análise termogravimétrica e espectroscopia mossbauer. A avaliação do comportamento hidráulico foi feita por meio da construção de curvas de retenção com trajetória de secagem e logo molhagem, combinando as técnicas de: placa, translação de eixos e WP4C. O comportamento mecânico foi avaliado por meio de ensaios de compressão oedométrica e cisalhamento direto. Entretanto, o comportamento estrutural foi avaliado por meio da combinação de três técnicas de caracterização, a microscopia eletrônica de varredura para os microporos, a porosimetria por adsorção e dessorção de nitrogênio para os mesoporos e a microscopia por intrusão de mercúrio para os macroporos. O estudo experimental permitiu demostrar que a secagem das amostras afeta a estrutura mineralógica do solo ocasionando mudanças na granulometria e plasticidade. As duas formas de preparação de amostras geraram duas curvas de compactação totalmente diferentes. O comportamento hidráulico das amostras sem secagem prévia apresentou uma histeresis elevada. A compressibilidade das amostras sem secagem prévia foi maior que as amostras com secagem prévia. Finalmente a análise da estrutura do solo mostrou que a compactação e secagem diminui os macroporos mas não afeta os mesoporos, e os microporos são mais visíveis na estrutura com secagem prévia. / In Colombia volcanic ash soils represent 11.6% of the country's and are used in construction of earthworks, roads and natural slopes. These soils show a great variability in hydromechanical and structural properties that depend on the degree of pre-drying of samples. To analyze the variability of these properties was realized an theoretical-experimental study that assessed how the mineralogical changes caused changes in hydromechanical and structural behavior. The local of the extraction of the sample was in Popayan region. The experimental study included a detailed laboratory work, for undisturbed and compacted samples (with energy corresponding to normal Proctor) with different forms of sample preparation (with and without drying). Two diferent compactation curves was constructed and which chosen several points for the evaluations of hydromechanical and structural behavior. For the physical and chemical characterization was used basic geotechnics tests and DRX, infravermelha spectroscopy, Mossbauer spectroscopy and thermogravimetric analysis. The hydraulic behavior was made by constructing retention curves with wetting and drying trajectories, combining different techniques: plate, translational axes and WP4C. The mechanical behavior was assessed by oedométrica compression tests and direct shear. However, the structural behavior was assessed by the combination of three characterization techniques, scanning electron microscopy for the micropores, the porosimetry adsorption and desorption of nitrogen to the mesoporous and microscopy by mercury intrusion to the macropores. The experimental study demonstrate that drying of the samples affects the mineralogical structure of the soil causing changes in particle size and plasticity. The two ways of preparation of samples generated two entirely different compactation curves. The hydraulic behavior of the samples without prior drying had a high hysteresis. The compressibility of the samples without prior drying was higher than the samples prior to drying. Finally, the analysis of the soil structure showed that compression and drying reduces the macropores but does not affect the mesopores, and micropores are more visible in the structure prior to drying.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2014. / Submitted by Larissa Stefane Vieira Rodrigues (larissarodrigues@bce.unb.br) on 2015-02-06T16:47:50Z No. of bitstreams: 1 2014_CamillaRodriguesBorges.pdf: 10550627 bytes, checksum: 71ea6c89f21f91297dc95210690f7546 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2015-02-23T20:42:10Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_CamillaRodriguesBorges.pdf: 10550627 bytes, checksum: 71ea6c89f21f91297dc95210690f7546 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-02-23T20:42:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_CamillaRodriguesBorges.pdf: 10550627 bytes, checksum: 71ea6c89f21f91297dc95210690f7546 (MD5) / Nas últimas décadas houve uma evolução da análise da estrutura do solo, além disso, houve um aperfeiçoamento da avaliação e dos aspectos de determinação dessa estrutura e como ela se relaciona com o comportamento hidráulico e mecânico do solo. Devido à necessidade de compreensão do comportamento do solo tropical sobre diversas estruturas (natural, compactada e lama) o estudo desenvolvido foi realizado por meio dos ensaios de Porosimetria por Intrusão de Mercúrio (MIP), permitindo assim as análises da característica da estrutura desses solos. O principal objetivo desta pesquisa é avaliar como estas diversas estruturas são afetadas por solicitações externas e como a variação no tamanho destes diferentes poros afeta o comportamento hidromecânico do solo na condição saturada e não saturada. O estudo consiste em: ensaios de caracterização física e compactação, preparação das amostras, ensaios mecânicos (adensamento), ensaios hidráulicos (curva de retenção). Após estes ensaios foram preparados os corpos de prova para a realização de ensaios de porosimetria por intrusão de mercúrio, com o intuito de avaliar a estrutura do solo. Observou-se nos resultados de compressão que mesmo as amostras tendo estruturas iniciais diferentes, estas tendem a convergir. Os resultados demonstraram que a estrutura tem um efeito maior sobre o comportamento do solo para os carregamentos iniciais e que, depois de atingir certo nível de carregamento as diferentes amostras tendem a ter comportamento mecânico semelhante. Também mostraram que tanto a curva de retenção, como a curva de distribuição do tamanho dos poros, têm o comportamento bimodal e que, independente da trajetória hidromecânica utilizada, a microestrutura de todas as amostras analisadas permaneceu praticamente inalteradas. Além disso, com o aumento do carregamento mecânico houve uma diminuição dos macroporos, sendo que a aplicação de sucção desacelerou a destruição da macroestrutura das amostras. O trabalho mostra ainda que a modelagem da curva de distribuição do tamanho dos poros e da curva de retenção utilizadas apresentaram resultados satisfatórios. Por fim, a partir das análises de distribuição do tamanho de poros realizadas nesta pesquisa, foi proposta uma curva de distribuição de poros efetiva. Esta proposta simplifica a compreensão da evolução da macroestrutura, inclusive sendo possível perceber com mais nitidez o efeito da sucção na desaceleração da destruição da estrutura. ____________________________________________________________________________________ ABSTRACT / In the last decades there was an evolution in the analysis of the soil structure, most importantly, there was an improvement in the evaluation and in the ways of determinaning the mentioned structure and how it relates to the hydromechanical behaviour of soils. Due to the necessity of understanding the behaviour of tropical soils under different structures (natural, compacted and slurry) this study was developed by means of the Mercury Intrusion Porosimetry (MIP), enabling the analysis of the structural characteristics of these soils. The main objective of this thesis is to evaluate how the different strucutres are affected by external loading and how the changes in the pore sizes influences the hydromechanical behaviour of the soil in both, saturated and unsaturated conditions. This study consists of: physical characterisation and compaction tests, samples preparation, consolidation tests, and water retention curve tests. After that, soil specimens were prepared for the Mercury Intrusion Porosimetry test, in order to analyse the soil structure. Consolidation test results showed that even though the specimens have different initial structures, they all tend to converge. The results indicated that the structure has more effect over the soil behaviour in the initial load and after a certain level of loading the different specimens are likely to mechanically behave similarly. Furthermore, the results showed that both the water retention curve and the pore size destribution curve are bimodal curves. Regardless the hydromechanical path used, the microstructure of all specimens analysed remained virtually unchanged. Moreover, as the loading increased there was a reduction of the macropores, and the suction slowed the macrostructure evolution. This study also shows that the modelling of the pore size distribution curve and the water retention curve chosen were appropriate. From the pore size distribution analysis an effective pore size distribution curve was proposed based on the wellknown particle size distribution curve. This proposal simplifies the understanding of the macrostructure evolution, also helping in the visualization of the suction effect on the slowing down of the structure evolution.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2012. / Submitted by Alaíde Gonçalves dos Santos (alaide@unb.br) on 2012-09-13T14:33:51Z No. of bitstreams: 1 2012_SylviaReginaCorreaBrantPereiradeJesus.pdf: 5657146 bytes, checksum: 2921af0a4915a6e9501c51b8ce0405aa (MD5) / Approved for entry into archive by Leandro Silva Borges(leandroborges@bce.unb.br) on 2012-09-14T17:26:24Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2012_SylviaReginaCorreaBrantPereiradeJesus.pdf: 5657146 bytes, checksum: 2921af0a4915a6e9501c51b8ce0405aa (MD5) / Made available in DSpace on 2012-09-14T17:26:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2012_SylviaReginaCorreaBrantPereiradeJesus.pdf: 5657146 bytes, checksum: 2921af0a4915a6e9501c51b8ce0405aa (MD5) / A relação entre comportamento mecânico e hidráulico de meios porosos é objeto de estudo da geotecnia. Ferramentas numéricas são amplamente utilizadas para a solução de problemas que envolvem esses fenômenos. Há aplicação desse tipo de estudo na geomecânica de reservatórios de petróleo, que trata especificamente do comportamento hidromecânico das rochas-reservatório e dos fluidos em seu interior. Os modelos numéricos usualmente empregados na simulação de reservatórios adotam hipóteses simplifícadoras que, geralmente, não implicam perdas na representatividade do modelo. Há casos, porém, em que as condições do problema exigem o desenvolvimento dessas hipóteses. O objetivo desta pesquisa foi definir uma formulação hidromecânica acoplada para análise do problema de compactação em reservatórios de petróleo considerando compressibilidade do fluido e dos sólidos. Conceitos de engenharia de reservatórios ajudaram a definir tendências de comportamento dos reservatórios. Estratégias de acoplamento e aspectos relacionados a modelos numéricos foram discutidos. Assim, a formulação foi definida, com solução detalhada das equações de equilíbrio e de conservação de massa. Essa formulação foi implementada no programa de elementos finitos ALLFINE e testada para casos de adensamento unidimensional e bidimensional. Foram feitas análises de sensibilidade para parâmetros mecânicos (compressibilidade do fluido e dos sólidos) e hidráulicos (variação da permeabilidade combinada com compressibilidade do fluido). As análises mostraram que para um fluido mais compressível, a poropressâo é significativamente afetada, com retardo em sua dissipaçâo durante o adensamento. Além disso, observou-se que tensões elevadas ampliam os efeitos da compressibilidade do fluido. Isso é extremamente relevante na geomecânica de reservatórios, considerando o nível de tensão a que os reservatórios, geralmente, estão submetidos. A compressibilidade dos sólidos também foi avaliada, mostrando-se importante para níveis de tensão elevados, com variação significativa do coeficiente de Biot. As análises para permeabilidade mostraram que sua variação não sofre influência da compressibilidade do fluido. Esses efeitos puderam ser separados, com definição da zona de influência de cada. Observou-se, ainda, a formação de regiões com baixa permeabilidade em camadas que adensaram mais rapidamente, alterando o fluxo. A formulação proposta é adequada para descrever os parâmetros estudados. Os efeitos de compressibilidade do fluido e dos sólidos foram simulados e analisados, oferecendo resultados significativos. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The mechanical and hydraulic behavior of porous media is studied in geotechnics. The solution of many geotechnical problems is performed using numerical modeling. This type of tool can be applied in reservoir geomechanics simulation, which comprises hydro-mechanical behavior analyses. The numerical model representation of reservoirs is usually simplified and, in certain cases, simplifications do not imply on losses in results and behavior prediction. However, some situations require more comprehensive approaches, with development of previously neglected conditions. The main objective of this research is to define a formulation for fully coupled hydro-mechanical analyses for compaction in petroleum reservoirs considering fluid and solids compressibility valid. This model can also be used for general application in geotechnics. Throughout this research, the concepts of reservoir engineering presented helped defining behavior tendencies of reservoirs. Also, coupling strategies and specific features for the numerical model were discussed. Then, the formulation was defined with a detailed description of equilibrium and mass conservation equations solution. This formulation was implemented in Finite Element program ALLFINE and tested for one and two-dimensional consolidation cases, with sensitivity analyses for mechanical (fluids and solids compressibility) and hydraulic parameters (permeability and its combined effect with fluid compressibility). Fluid compressibility analyses reveal that this consideration affects fluid pressure responses significantly, with a delay in fluid pressure dissipation during consolidation process. Also, high stress levels magnify fluid compressibility effects. This is extremely relevant for reservoir engineering, considering the stress level to which reservoirs are usually subjected. Solids compressibility is also evaluated. Values of Biot's coefficient change significantly when high stress levels are imposed, highlighting the importance of considering solids compressibility in these cases. Permeability analyses showed that permeability variation is not influenced by fluid compressibility. These effects can be separated, being possible to define their influence range. Another effect is the formation of low-permeability zones for layers the consolidation process occurs faster, altering fluid flow. The proposed formulation is adequate to describe the studied parameters. The effects of fluid and solids compressibility could be simulated and thoroughly analyzed in this research, providing remarkable results for reservoir geomechanics simulation.

Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2015-11-25T12:28:11Z No. of bitstreams: 1 tese_Luiz.pdf: 20726221 bytes, checksum: 70f70101b08569b45e67158039c56e3d (MD5) / Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2015-11-25T12:28:29Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tese_Luiz.pdf: 20726221 bytes, checksum: 70f70101b08569b45e67158039c56e3d (MD5) / Made available in DSpace on 2015-11-25T12:28:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_Luiz.pdf: 20726221 bytes, checksum: 70f70101b08569b45e67158039c56e3d (MD5) Previous issue date: 2015-07-30 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In this work we propose the development of new computational models to describe the hydro-mechanical couplings in petroleum withdrawal due to the water injection in the geological formations of the Brazilian pre-salt reservoirs. The modeling of the coupling between hydrodynamics, nonlinear transport and geomechanics of rocks salts is constructed within the framework of the iterative coupled formulation where the fully-coupled problem is decomposed into several subsystems associated with each particular physical phenomenon. The subsystems governing the movement of the fluids are discretized by locally conservative numerical methods whereas the nonlinear geomechanics by mixed finite element methods in conjunction with prediction-corrector schemes. Operator splitting algorithms are proposed to capture the effects of geomechanics upon water transport. Uncertainties from the lack of detailed knowledge of the input parameters of the model are computationally quantified by making use of the Monte Carlo method. Numerical simulations in geometries provided by sismic images of the pre-salt are obtained illustrating precisely the influence of geomechanical effects upon the oil production curves. / Neste trabalho propomos o desenvolvimento de novos modelos computacionais para descrever o acoplamento hidro-geomecânico durante o processo de recuperação de petróleo por injeção de água nas formações geológicas que compõem o pré-sal brasileiro. A descrição do acoplamento entre hidrodinâmica, transporte bifásico não linear e geomecânica de rochas salinas viscoelásticas é construída no contexto de formulações iterativamente acopladas, onde o problema é decomposto em vários subsistemas associados a cada fenômeno físico. Os subsistemas governantes do movimento dos fluidos são discretizados por métodos numéricos localmente conservativos e o subsistema da geomecânica não linear pelo método dos elementos finitos mistos em conjunção com algoritmos de predição-correção. Algoritmos de decomposição de operadores são propostos para capturar o efeito geomecânico sobre o transporte da fase aquosa. As incertezas oriundas da falta de conhecimento detalhado dos parâmetros de entrada do modelo são quantificadas computacionalmente fazendo uso do método de Monte Carlo. Simulações numéricas em geometrias fornecidas pela sísmica do pré-sal são realizadas ilustrando precisamente a influência dos efeitos geomecânicos sobre as curvas de produção.

Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2018-06-21T13:58:47Z No. of bitstreams: 1 Tese_Doutorado_Josue_Barroso.pdf: 6208786 bytes, checksum: 5f690a08f9b6d5e04456b2fd2aa582de (MD5) / Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2018-06-21T13:59:00Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Tese_Doutorado_Josue_Barroso.pdf: 6208786 bytes, checksum: 5f690a08f9b6d5e04456b2fd2aa582de (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-21T13:59:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese_Doutorado_Josue_Barroso.pdf: 6208786 bytes, checksum: 5f690a08f9b6d5e04456b2fd2aa582de (MD5) Previous issue date: 2018-03-08 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico - CNPq / In this work we develop a new computational model to describe hydromechanical coupling in fractured carbonate rocks, composed of a linear poroelastic Biot medium and a nonlinear elastic model for the fractures, which captures the increase in stiffness due to the fracture closure during hydrocarbon production. The nonlinear hydromechanical formulation is constructed within the framework of the Discrete Fracture Model along with the iterative coupled formulation. In order the capture the internal contact constraint arising from the non-overlapping between opposite edges of the fractures we explore the augmented Lagrangian method where the non-linear constraint is treated in a weak sense through successive approximations of the Lagrange multiplier, interpreted as the contact stress, together with the introduction of a penalty parameter. The spatial discretization of the hydromechanical model is constructed within the framework of the finite element method in conjunction with a sequential formulation between the two subsystems. By exploring upscaling methods, macroscopic equivalent properties, such as permeability and porosity, strongly dependent on the local stress state are computed. Such a dependency is quantified in terms of pseudo-coupling tables which can be explored as a preprocessor in reservoir simulators. Numerical simulations are obtained applying the formulation to a simulation cell with a given fracture arrangement stemming from a pre-salt reservoir. / Neste trabalho, desenvolvemos um novo modelo computacional para descrever o acoplamento hidromecânico em rochas carbonáticas fraturadas constituídas por uma matriz intacta interceptada por uma rede de fraturas. Do ponto de vista microscópico, o qual abrange, no presente trabalho, a escala de centímetros e metros, a teoria é desenvolvida a partir da combinação entre a formulação poroelástica proposta por Biot para a matriz porosa e o modelo elástico não linear de Barton-Bandis para a rede de fraturas, o qual objetiva capturar o aumento progressivo da rigidez com o fechamento dessas estruturas durante a prospecção de hidrocarbonetos. A formulação não linear hidromecânica é construída no âmbito do “Discrete Fracture Modeling” (DFM) aliada aos métodos sequenciais iterativamente acoplados. Com o intuito de impor a restrição de contato interna, advinda da impenetrabilidade entre as margens opostas da fratura, exploramos o método do Lagrangiano aumentado, onde a restrição não linear é enfraquecida e tratada através de aproximações sucessivas do multiplicador de Lagrange, que representa a tensão de contato, mediante introdução de uma penalidade. A discretização espacial do modelo hidromecânico posto na pequena escala é realizada através do método de elementos finitos construído no contexto de algoritmos sequenciais entre os dois subsistemas: hidrodinâmico e geomecânico. Fazendo uso de técnicas de upscaling, propriedades equivalentes macroscópicas, tais como permeabilidade e porosidade, associadas a uma célula de simulação com magnitudes fortemente dependentes do estado de tensão local são quantificadas através de tabelas de pseudoacoplamento, as quais podem ser exploradas como pré-processamento em simuladores comerciais de reservatórios. Simulações numéricas são obtidas aplicando a formulação resultante a uma seção bidimensional de uma célula representativa de um reservatório fraturado do Pré-Sal brasileiro.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2017-07-20T12:25:34Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) documento.pdf: 6110083 bytes, checksum: e763b9e4b979081c4ada6fef0eb596a6 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-20T12:25:34Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) documento.pdf: 6110083 bytes, checksum: e763b9e4b979081c4ada6fef0eb596a6 (MD5) Previous issue date: 2015-08-03 / ANP-PRH26 / Aimportânciadageomecânicaedoestudodeesquemasdeacoplamentoentreageomecânica e fluxo multifásico têm sido cada vez mais importantes e utilizados pela indústria a medida que formações cada vez mais profundas vêem sendo descobertas e exploradas. O entendimento do comportamento do estado de tensão em um reservatório permite produzir um melhor entendimento das implicações geomecânicas que ocorrem durante a fase de explotação, isso porque durante esta fase, as alterações na poro-pressão conduzem perturbações no equilíbrio mecânico afetando o estado de tensão de formações profundas, de maneira a alterar as propriedades da rocha tais como permeabilidade e porosidade. No entanto, a simulação acoplada (hidromecânica) em um grande campo heterogêneo implica na solução de equações de fluxo e mecânica, associadas a um grande número de graus de liberdade que torna esse tipo de abordagem inviável e computacionalmente cara. Neste contexto, um simulador geomecânico-linhas de fluxoé apresentado dentro de um algoritmo sequencial iterativo. Neste trabalho, aplica-se o método de elementos finitos com volume de controle para o subproblema poro-mecânico que fornece um campo de velocidade de Darcy pós-processado e a porosidade como entradas para o subproblema de transporte. Este subproblema é resolvido através do método de decomposição de operador, no qual basea-se em um esquema preditor-corretor com os passos preditor e corretor discretizados pelos esquemas baseados em tempo de vôo e volumes finitos, respectivamente. Simulações numéricas de injeção de água foram comparadas com soluções encontradas na literatura, mostrando bons resultados. Em problemas dominados pela advecção, envolvendo um reservatório naturalmente fraturado, a abordagem implementada foi capaz de predizer a distribuição do campo de saturação ao longo de toda simulação. Além disso, para avaliar a resposta geomecânica, simulações numéricas foram realizadas em um grande sistema de reservatório-rocha capeadora em uma fase de recuperação primária de hidrocarboneto, mostrou que a formulação apresentada provou ser: uma alternativa promissora para simulação hidro-geomecânica tradicional; úteis para o modelo de fluxo de redução de ordem nos casos em que o comportamento geomecânico são mais importantes do que o comportamento de fluxo e de uma ferramenta complementar para simulação geomecânica convencional. / The importance of geomechanics and the study of coupling between geomechanics and multiphase flow have been increasingly recognized and used by the industry as deeper formations are discovered and exploited. The knowledge of the state of stress in a reservoir yields a better understanding of the geomechanical implications during exploitation stage, because during the primary recovery stage, changes in pore pressure leads to perturbations inthemechanicalequilibrium,affectingthestressstateintheformationsinawaythatalters the rock properties such as permeability and porosity. However, the coupled simulation (hydromechanical) in large field heterogeneous models involves stress and flow equations solving, associated with a large number of degrees-of-freedom which becomes infeasible and computationally costly. In this context, a geomechanical-streamline simulator is presented within a iteratively coupled framework algorithm. In the present work, we applied control volume finite element method for the poromechanics subproblem which provides a Darcy velocityfieldthroughapost-processingvelocityprocedureandporosityasinputfieldstothe transportsubproblem.Suchsubproblemissolvedbymeansofanoperatorsplittingmethod, which is based on a predictor-corrector scheme with the predictor and corrector steps discretized by a time-of-flight and a finite volume based schemes, respectively. Numerical simulations of water-flooding are compared to the numerical results available in literature, showing good results. In convection-dominated problems, involving a naturally fractured reservoir, the approach was able to predict the saturation distributions for the whole simulation correctly. Furthermore, to appraisal the geomechanical response, numerical simulation was performed in a large reservoir-caprock system in a primary hydrocarbon recovery stage, showing that the formulation presented proved be: an promising alternative to traditional hydro-geomechanical simulation; useful for flow model order reduction in cases where the geomechanical behavior are more important than the flow behavior and a complementary tool for conventional geomechanical simulations.

Orientador: Osvaldo Luís Manzoli / Resumo: Materiais porosos constituem uma grande gama de materiais que podem ser encontrados na natureza ou em forma artificial. Rochas reservatório é um exemplo importante desse tipo de material, sendo o estudo delas a motivação principal desse trabalho. O estudo de rochas reservatório, de onde são extraídos gases e petróleo, consiste em um problema físico no qual os sistemas mecânico e hidráulico são acoplados. O acoplamento ocorre pois as deformações (no sistema mecânico) inuenciam as pressão (no sistema hidráulico), que por sua vez inuenciam as tensões (sistema mecânico). As equações governantes do sistema mecânico são mostradas e as do hidráulico deduzidas. Para a resolução do problema, o Método dos Elementos Finitos (MEF) foi utilizado para ambos os sistemas físicos, logo, as equações governantes são apresentadas em sua forma fraca e, então, aproximada pelo MEF. Numericamente, o acoplamento pode ser tratado de diferentes maneiras, seja considerando um dos sistemas de maneira bem pobre tal como fórmulas empíricas simplistas, seja considerado os sistemas de maneira individual, ou então de maneira completa. Essa última maneira de considerar um acoplamento, o acoplamento total, é formulada, programada e testada nesse trabalho. Para validar a implementação, dois problemas foram analisados: Problema de Terzaghi e Problema Mandel, ambos com solução analítica conhecidas. Os resultados obtidos numericamente comparados aos analíticos indicam que o método totalmente acoplado foi bem implem... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Porous materials constitute a wide range of materials that can be found in nature and arti cially. Reservoir rock is an important example of this kind of material, which is the main motivation of this work. The study of reservoir rocks, from which gases and oil are extracted, consists of a physical problem in which mechanical and hydraulic systems are coupled. The coupling occurs because the deformations (in the mechanical system) in uence the pressure (in the hydraulic system), which in turn in uence the stresses (mechanical system). The governing equations of the mechanical system are shown and those of the hydraulic system are deduced. To solve the problem, the Finite Element Method (FEM) is used for both physical systems, so the governing equations are presented in their weak form and then approximated according to the FEM. Numerically, the coupling can be handled in di erent ways, either by considering one of the systems in a very poor way by using simplistic empirical formulas, by considering the systems individually, or in a complete manner. The latter one, the fully-coupled treatment, is formulated, programmed and tested in this work. To validate the implementation, two problems has been analyzed: Terzaghi Problem and Mandel Problem, both with known analytical solutions. The comparison between the results obtained numerically and analytically indicates that the fully coupled method has been well implemented in both 2D and 3D cases. The numerical oscillation existing i... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Orientador: Osvaldo Luís Manzoli / Abstract: This work presents a numerical method based on Discrete Fracture Model (DFM) and the Finite Element Method (FEM), where the fractures are approximated by a reduced model. The flow along and across the fracture is described by a simplified set of equations considering both conductive fractures and barriers. The coupled hydromechanical model is composed of a linear poroelastic Biot medium and a nonlinear model based on damage mechanics for the fractures, which captures the nonlinear normal deformation and shear dilation according to the Barton-Bandis model. Both flow and geomechanical models are approximated using the finite element model. Fractures are explicitly represented by three-node standard finite elements with high aspect ratio (i.e. ratio between the largest and the smallest element dimensions) and appropriate constitutive laws. These interface high aspect ratio elements represent a regularization method which continuously approximate the discontinuous pressure and displacement fields on a narrow material band around the fracture. The complete mathematical formulation is presented together with the algorithm suggested for its numerical implementation. The efficiency of the proposed method is demonstrated through numerical examples, as well as the effects of fractures in the hydraulic properties of porous rocks and its dependency of the stress state. / Resumo: Este trabalho apresenta um método numérico baseado no Modelo de Fratura Discreta (MFD) e no Método dos Elementos Finitos (MEF), onde as fraturas são aproximadas por um modelo reduzido. O fluxo ao longo e através da fratura é descrito por um conjunto simplificado de equações, considerando tanto fraturas condutoras quanto barreiras. O modelo hidromecânico acoplado é composto por um meio poroelástico linear e um modelo não linear para fraturas, baseado na mecânica do dano e que captura a deformação normal não linear e a dilatância ao cisalhamento de acordo com o modelo de Barton-Bandis. Os modelos de fluxo e geomecânico são aproximados usando o método dos elementos finitos. As fraturas são explicitamente representadas por elementos finitos triangulares de três nós com elevada razão de aspecto (isto é, a razão entre a maior e a menor dimensão do elemento) e leis constitutivas apropriadas. Esses elementos de elevada razão de aspecto representam um método de regularização que aproxima de forma contínua os campos de pressão e deslocamento descontínuos em uma estreita faixa material ao redor da fratura. A formulação matemática completa é apresentada juntamente com o algoritmo sugerido para sua implementação numérica. A eficiência do método proposto é demonstrada através de exemplos numéricos, bem como os efeitos de fraturas nas propriedades hidráulicas de rochas porosas e sua dependência do estado de tensão. / Mestre

Submitted by José Henrique Krähenbühl Ambiel (zeambiel@hotmail.com) on 2018-09-28T13:24:06Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_JoséAmbiel.pdf: 8234688 bytes, checksum: e8355af378aacfa5b31cc3b2d4f77de7 (MD5) / Approved for entry into archive by Lucilene Cordeiro da Silva Messias null (lubiblio@bauru.unesp.br) on 2018-09-28T18:11:05Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ambiel_jhk_me_bauru.pdf: 6828894 bytes, checksum: e1a58fe94084b497e2236056afe8f889 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-28T18:11:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ambiel_jhk_me_bauru.pdf: 6828894 bytes, checksum: e1a58fe94084b497e2236056afe8f889 (MD5) Previous issue date: 2018-07-24 / Materiais porosos constituem uma grande gama de materiais que podem ser encontrados na natureza ou em forma artificial. Rochas reservatório é um exemplo importante desse tipo de material, sendo o estudo delas a motivação principal desse trabalho. O estudo de rochas reservatório, de onde são extraídos gases e petróleo, consiste em um problema físico no qual os sistemas mecânico e hidráulico são acoplados. O acoplamento ocorre pois as deformações (no sistema mecânico) inuenciam as pressão (no sistema hidráulico), que por sua vez inuenciam as tensões (sistema mecânico). As equações governantes do sistema mecânico são mostradas e as do hidráulico deduzidas. Para a resolução do problema, o Método dos Elementos Finitos (MEF) foi utilizado para ambos os sistemas físicos, logo, as equações governantes são apresentadas em sua forma fraca e, então, aproximada pelo MEF. Numericamente, o acoplamento pode ser tratado de diferentes maneiras, seja considerando um dos sistemas de maneira bem pobre tal como fórmulas empíricas simplistas, seja considerado os sistemas de maneira individual, ou então de maneira completa. Essa última maneira de considerar um acoplamento, o acoplamento total, é formulada, programada e testada nesse trabalho. Para validar a implementação, dois problemas foram analisados: Problema de Terzaghi e Problema Mandel, ambos com solução analítica conhecidas. Os resultados obtidos numericamente comparados aos analíticos indicam que o método totalmente acoplado foi bem implementado, tanto em 2D quanto em 3D. Nesse trabalho também é mostrada a oscilação numérica que há em problemas de acoplamento hidromecânico e uma das formas de amenizá-la. / Porous materials constitute a wide range of materials that can be found in nature and arti cially. Reservoir rock is an important example of this kind of material, which is the main motivation of this work. The study of reservoir rocks, from which gases and oil are extracted, consists of a physical problem in which mechanical and hydraulic systems are coupled. The coupling occurs because the deformations (in the mechanical system) in uence the pressure (in the hydraulic system), which in turn in uence the stresses (mechanical system). The governing equations of the mechanical system are shown and those of the hydraulic system are deduced. To solve the problem, the Finite Element Method (FEM) is used for both physical systems, so the governing equations are presented in their weak form and then approximated according to the FEM. Numerically, the coupling can be handled in di erent ways, either by considering one of the systems in a very poor way by using simplistic empirical formulas, by considering the systems individually, or in a complete manner. The latter one, the fully-coupled treatment, is formulated, programmed and tested in this work. To validate the implementation, two problems has been analyzed: Terzaghi Problem and Mandel Problem, both with known analytical solutions. The comparison between the results obtained numerically and analytically indicates that the fully coupled method has been well implemented in both 2D and 3D cases. The numerical oscillation existing in hydrmechanical coupled problems is also shown and one of the ways to minimize it is presented.