Aplicação da técnica de fragmentação de malha com elementos finitos de alta razão de aspecto para simulação de fraturamento hidráulico

A técnica de fraturamento hidráulico, que tem sido responsável pela viabilização econômica de muitos campos petrolíferos em todo o mundo, consiste na injeção de um fluido penetrante na formação, sob uma pressão suficientemente alta para causar a ruptura da rocha, iniciando assim uma fratura que se converte em um canal de alta permeabilidade e facilita o escoamento dos hidrocarbonetos. A compreensão dos processos físicos envolvidos, bem como a busca de métodos que permitam prever a geometria da fratura induzida e determinar a pressão de injeção de fluidos necessária para que o fraturamento ocorra, são fundamentais. A complexidade dos processos físicos envolvidos resulta em um problema acoplado, onde o fluxo de fluidos e a deformação da rocha-reservatório se influenciam mutuamente. Para resolver este tipo de problema acoplado, o método dos elementos finitos é amplamente utilizado e um dos mais versáteis. A presente dissertação objetivou apurar a técnica de fragmentação de malha com elementos finitos de elevada razão de aspecto para o estudo da formação e propagação de fraturas em corpos de rocha. Este método, com base na teoria de Aproximação Contínua de Descontinuidades Fortes (ACDF), consiste em introduzir, entre os elementos regulares da malha de elementos finitos, elementos de interface (elementos finitos de elevada razão de aspecto), munidos de relações constitutivas do contínuo (tensão - deformação), para reproduzir o comportamento de meios fraturados. Além disso, os elementos de interface também possuem um acoplamento hidromecânico capaz de representar o canal de alta permeabilidade que se forma devido à ocorrência da fratura. A presente dissertação analisou a técnica de fragmentação de malha com elementos finitos de elevada razão de aspecto, para modelar numericamente pelo MEF o comportamento de meios fraturados. Realizou melhorias nas ferramentas permitindo maior agilidade na fase de pré-processamento, previa visualização das condições de contorno e que novas analises possam ser realizadas.The hydraulic fracturing technique, which has been responsible for the economic viability of many oil fields around the world, consists of injecting a penetrating fluid into the formation under a sufficiently high pressure to cause the rock to rupture, initiating a fracture that converts into a channel of high permeability and facilitates the flow of hydrocarbons. The understanding of the physical processes involved, as well as the search for methods that allow to predict the geometry of the induced fracture and to determine the fluid injection pressure necessary for the fracture to occur, are fundamental. The complexity of the physical processes involved results in a coupled problem, where fluid flow and rock-reservoir deformation influence each other. To solve this kind of coupled problem, the finite element method is widely used and is one of the most versatile methods. The present dissertation concentrates on the technique of finite element mesh fragmentation with a high aspect ratio. This method, based on the theory of Continuous Strong Discontinuous Approach (CSDA), consists in introducing, among the regular elements of the finite element mesh, interface element (of high aspect ratio), provided by constitutive relations of the continuum (tension - deformation), based on theories of plasticity or of damage, to reproduce the behavior of fractured means. Beyond that, the interface elements also have a hydro mechanical coupling capable of representing the channel of high permeability due to the occurrence of the fracture. The present dissertation analyzed the mesh fragmentation technique with finite elements of high aspect ratio, to numerically model the behavior of fractured media by FEM. He made improvements in the tools allowing greater agility in the pre-processing phase, after previewing the contour conditions and that new analyzes can be performed