Simulação de geração e propagação de fraturas em rochas empregando técnicas especiais em elementos finitos

CAPESCompreender o processo de geração e propagação de fraturas pode ser complexo uma vez que a formação rochosa pode apresentar heterogeneidades, dentre elas: fraturas, falhas, veios, concreções e em alguns casos feições carsticas. Uma abordagem disponível para entender esta complexidade é estudar afloramentos análogos a reservatórios de petróleo, as quais podem auxiliar na caracterização do meio geológico, bem como fornecer informações sobre dimensões das fraturas e suas possíveis conectividades. Esta tese estuda simulações numéricas no código in house CODE-BRIGHT, de geração e propagação de fraturas num calcário laminado da Formação Crato - NE, que pertence a Bacia do Araripe, sendo este considerado um afloramento análogo de feições carbonáticas do Pré-Sal brasileiro. As simulações foram divididas em três cenários distintos, com análises de descontinuidades fortes. Inicialmente, foi simulado o ensaio de compressão diametral, com intuito de modelar a formação de fraturas e determinar a resistência à tração do laminito, concomitantemente realizou-se a comparação com ensaios realizados em laboratório. As análises foram divididas em dois momentos, o primeiro empregando elementos finitos especiais de interface com a técnica de fragmentação de malha, na região central da amostra, possibilitando estudar a geração e propagação de fraturas. Em seguida realizou-se a simulação agregando a técnica de descontinuidades fortes incorporadas para a análise de geração de fraturas na laminação da rocha. Ambas as técnicas são baseadas na teoria de aproximação de descontinuidades fortes (ACDF). O segundo cenário consistiu em simular a geração e propagação de fraturas com esforços extensionais laterais normal a família de fraturas com direção de 340Az da Fm. Crato. O objetivo é realizar um estudo da geração destas fraturas e quantificar abertura e espaçamento entre elas, através da técnica de scanlines. Nesta simulação também foram inseridas descontinuidades fortes incorporadas representando, em um segundo momento, descontinuidades pré-existentes de forma a avaliar sua influência sobre a geração e propagação das fraturas simuladas. Por fim, foi simulado um perfil de camadas de laminitos da Formação Crato considerando intercalações com outros tipos de litogias, com o objetivo de representar uma variação faciológica com propriedades geomecânicas diferentes entre si. Assim considerou-se uma secção vertical (2D) representativa da Fm. Crato, com a inserção de descontinuidade fortes incorporadas na angulação de mais ou menos 30º. As simulações realizadas nesta tese permitiram atingir o objetivo de estudar a geração e possíveis propagações de fraturas no meio rochoso com características das rochas carbonáticas do Pré-Sal brasileiro, mostrando compatibilidade na resposta mecânica realizada em laboratório.Understanding the fracture generation and propagation process can be complex since the rock formation may present heterogeneities, among them: fractures, faults, veins, concretions and in some cases karstic features. An approach available to understand this complexity is to study outcrops analogous to oil reservoirs, which can help in the characterization of the geological environment, as well as to provide information about fracture dimensions and their possible connectivity‘s. This thesis studies numerical simulations in the CODE-BRIGHT in-house code, for the generation and propagation of fractures in a laminated limestone of the Crato-NE Formation, which belongs to the Araripe Basin, being considered an analogous outcropping of Brazilian Pre-Salt carbonate features. The simulations were divided into three distinct scenarios, with analyses of strong discontinuities. Initially, the diametrical compression test was simulated in order to model the formation of fractures and determine the tensile strength of the laminate, concomitantly comparing with laboratory tests. The analyses were divided into two moments, the first using special finite elements interface with the mesh fragmentation technique, in the central region of the sample, making it possible to study the generation and propagation of fractures. Then the simulation was carried out by adding the technique of strong discontinuities incorporated for the analysis of fracture generation in the rock lamination. Both techniques are based on the theory of approximation of strong discontinuities (ACDF). The second scenario consisted in simulating the generation and propagation of fractures with lateral extensional stresses normal to the family of fractures with direction of 340Az of the Fm. Crato. The objective is to perform a study of the generation of these fractures and to quantify the aperture and spacing between them, through the technique of scanlines. In this simulation also incorporated strong discontinuities were inserted, representing, in a second moment, pre-existing discontinuities in order to evaluate their influence on the generation and propagation of the simulated fractures. Finally, a profile of laminate layers of the Crato Formation was simulated considering interlacing‘s with other types of lithography, in order to represent a faciological variation with different geomechanical properties. Thus, a vertical section (2D) representative of the Fm. Crato, with the insertion of strong discontinuity incorporated in the angulation of plus or minus 30º. The simulations carried out in this thesis allowed to reach the objective of studying the generation and possible propagation of fractures in the rocky medium with characteristics of the Brazilian Pre-Salt carbonate rocks, showing compatibility in the mechanical response performed in the laboratory