Simulação numérica de fraturamento hidráulico em meios porosos naturalmente fraturados utilizando elementos de interface com elevada razão de aspecto

Abstract

O fraturamento hidráulico e uma técnica utilizada na indústria de petróleo e gás para estimular reservatórios e contornar a baixa permeabilidade de reservatórios não convencionais. Sua aplicação consiste na injeção de um fluido sob alta pressão no poco de modo a induzir a propagação de fraturas hidráulicas (FH), otimizando a recuperação dos hidrocarbonetos através do aumento da permeabilidade da rocha. Contudo, diferentes aspectos envolvendo a rocha reservatório, como a presença de fraturas naturais (FN), estado de tensão in situ, abertura da FN e angulo de aproximação entre fraturas, dificultam estudos mais aprofundados dessa técnica, pois adicionam mais parâmetros na análise. Nesse contexto, essa dissertação apresenta um estudo numérico, via elementos de interface com elevada razão de aspecto (HAR-IE), para descrever os efeitos das interações entre FH e FN no processo de aplicação da técnica do fraturamento hidráulico. As equações governantes consideram o meio poroso deformável, sendo o fluxo de fluido regido pela Lei de Darcy. A propagação da fratura e descrita por um modelo de dano a tração e o escoamento de fluido em seu interior e governado pela clássica lei cubica. As analises demonstram, satisfatoriamente, como o comprimento, angulo de aproximação e a abertura da FN, assim como o estado de tensões in situ e os diferentes regimes de propagação de fraturas, influenciam a propagação da FH. Além disso, os estudos realizados também indicam que os HAR-IEs são eficientes em reproduzir diferentes interações entre FHs e FNs para diferentes cenários.

Hydraulic fracturing is a technique used in the oil and gas industry to simulate reservoirs and overcome the low permeability of unconventional reservoirs. Its application consists of injecting a fluid under high pressure into the well in order to induce the propagation of hydraulic fractures (FH), optimizing the recovery of hydrocarbons by increasing the permeability of the rock. However, different aspects involving the reservoir rock, such as the presence of natural fractures (FN), stress state in situ, aperture of the FN and angle of approach between fractures, make it difficult to study this technique in depth, as they add more parameters to the analysis. In this context, this dissertation presents a numerical study, via high aspect ratio interface elements (HAR-IE), to describe the effects of the interactions between FH and FN in the process of applying the hydraulic fracturing technique. The governing equations consider the porous medium to be deformable, with the fluid governed by Darcy’s Law. Fracture propagation is described by a tensile damage model and the fluid flow inside is governed by the classical cubic law. The analyses satisfactorily demonstrate how the length, approach angle and aperture of the FN, as well as the state of stress in situ and the different fracture propagation regimes, influence FH propagation. In addition, the studies carried out also indicate that HAR-IEs are efficient at reproducing different interactions between FHs and FNs for different scenarios.