Modelagem hidro-mecânica do faturamento Hidráulico de rochas via elementos finitos Com elementos especiais de interface

O interesse em estudos relacionados ao processo de fraturamento hidráulico vem aumentando, principalmente devido à exploração de reservatórios não convencionais, que se torna cada vez mais importante para a demanda de energia atual, com estimativas de grandes reservas distribuídas por vários países. A modelagem numérica de tal processo é um desafio, devido à complexidade da física envolvida. A interação entre propriedades mecânicas da rocha, tensões in situ, e heterogeneidades como fraturas naturais e planos de fraqueza é determinante na geometria da fratura induzida. Para resolver este tipo de problema acoplado, o método dos elementos finitos é amplamente utilizado e um dos mais versáteis. O presente estudo propõe uma técnica numérica denominada Fragmentação de Malha, que usa elementos finitos com elevada razão de aspecto (ou elementos especiais de interface), combinados com um modelo constitutivo baseado na mecânica do dano para reproduzir os efeitos do processo de formação de fraturas. Esta metodologia, com base na Aproximação Contínua de Descontinuidades Fortes, consiste em introduzir estes elementos de interface entre elementos regulares de uma malha de elementos finitos. Dentre as vantagens dessa técnica estão a sua facilidade de adaptação a programas convencionais de elementos finitos e o fato de não ser necessário o uso de algoritmos de construção de trajetória da descontinuidade. As aplicações apresentados neste trabalho mostram a capacidade da técnica proposta na modelagem do fraturamento hidráulico em reservatórios não convencionais.CNPqThe interest in studies related to the hydraulic fracturing process has increased over the last decade, mainly due to the exploitation of unconventional reservoirs, which is growing and becoming more important to the current energy demand, with the estimation of the existence of large reserves spread over several countries. Numerical modelling of such processes is a challenging task because of the complexity of the physics involved, and because of the structurally complicated geometry of the reservoir. The interaction between rock’s mechanical properties, insitu stresses, and heterogeneities such as natural fractures and weak bedding planes is determinant of the induced fracture geometry. To solve this kind of coupled hydromechanical problem, the Finite Elements Method is one of the most versatile and widely used. The present study propose a numerical technique called mesh fragmentation, that uses solid finite elements with high aspect ratio combining with a proper strain softening constitutive model to reproduce the effects of fractures formation process. This methodology, based on the Continuous Strong Discontinuous Approach, consists in introducing these high aspect ratio elements between regular elements of a finite element mesh. Some advantages of this technique are that it can be easily adapted to standard finite elements programs and no tracking algorithms are necessary to follow the evolution of the fracture. The case studies presented in this paper show the ability of the proposed technique to model hydraulic fracturing propagation in unconventional reservoirs