Simulação de fraturamento hidráulico em rochas naturalmente fraturadas usando a Técnica de Fragmentação da Malha com acoplamento hidromecânico

Abstract

O fraturamento hidráulico é uma técnica de estimulação de reservatórios principalmente utilizada na indústria de petróleo. A técnica consiste em injetar um fluido altamente pressurizado no poço com o objetivo de induzir fraturas no reservatório facilitando o escoamento do hidrocarboneto e, consequentemente, aprimorando a produção. Entretanto, esse é um processo complexo que pode ser influenciado por condições adversas, tais como: variações nas tensões in situ, perda de fluido da fratura para a matriz porosa e interações entre fraturas induzidas e preexistentes. Esse trabalho apresenta um novo método numérico para modelagem e simulação de fraturamento hidráulico em meios porosos deformáveis com base na Aproximação Contínua de Descontinuidades Fortes, onde elementos de interface com elevada razão de aspecto são utilizados para descrever o comportamento da fratura. O modelo constitutivo mecânico de tais elementos é baseado em um modelo de dano à tração escalar isotrópico e o escoamento de fluido na fratura é estabelecido pela lei cúbica. Dentre as vantagens do método proposto, destaca-se sua incorporação relativamente simples em códigos que já utilizam o Método dos Elementos Finitos. As análises realizadas foram validadas com soluções analíticas e demonstraram que os elementos de interface com elevada razão de aspecto podem ser aplicados a cenários 2D e 3D. Tal metodologia não necessita de um elevado grau de refinamento de malha para reproduzir a formação e propagação de fraturas induzidas hidraulicamente. Além disso, associando os elementos de interface com elevada razão de aspecto à Técnica de Fragmentação da Malha, é possível simular a evolução de múltiplas fraturas.

Hydraulic fracturing is a reservoir stimulation technique mainly used in the oil industry. The technique consists of injecting a highly pressurized fluid into the well in order to induce fractures in the reservoir, facilitating the flow of the hydrocarbon and, consequently, improving production. However, this is a complex process that can be influenced by adverse conditions, such as: variations in in situ stresses, loss of fluid from the fracture to the porous matrix, and interactions between induced and pre-existing fractures. This work presents a new numerical method for modeling and simulating hydraulic fracturing in deformable porous media based on the Continuum Strong Discontinuity Approach, where interface elements with a high aspect ratio are used to describe the fracture behavior. The mechanical constitutive model of such elements is based on an isotropic scalar tensile damage model and fluid flow into the fracture is established by the cubic law. Among the advantages of the proposed method, it stands out its relatively simple incorporation in codes that already use the Finite Element Method. The analyzes performed were validated with analytical solutions and demonstrated that the interface elements with a high aspect ratio can be applied to scenarios 2D and 3D. Such a methodology does not need a high degree of mesh refinement to reproduce the formation and propagation of hydraulically induced fractures. In addition, by associating the interface elements with a high aspect ratio to the Mesh Fragmentation Technique, it is possible to simulate the evolution of multiple fractures.