Modelagem mecânica de feições cársticas via método de elementos finitos

FACEPEFeições cársticas são cavidades formadas a partir do processo lento de dissolução exercido pela água em rochas solúveis como evaporítos e carbonatos. Dependendo da região onde ocorra o processo de formação do carste, este pode apresentar-se com diferentes geometrias e em diferentes escalas. As feições cársticas podem se estabelecer em subsuperfície sob estruturas e infraestruturas, bem como no interior de reservatórios de petróleo, e podem levar a perdas econômicas e gerar situações de risco de colapso. Dada a importância do problema, este trabalho consiste na análise do comportamento de tensão-deformação considerando processos de deformação de um corpo rochoso por alívio interno de tensões decorrentes do processo de carstificação, empregando o programa em elementos finitos CODE_BRIGHT. Foram então avaliadas as deformações e tensões nas rochas capeadoras e circundantes das cavidades, incluindo os possíveis casos de reativação de falhas geológicas e geração de zonas de cisalhamento que podem ter como consequência danos a instalações presentes na superfície da formação rochosa. A primeira análise desta dissertação foi realizada no intuito de validar o algoritmo de escavação através da solução analítica de Kirsch. Em seguida, foi modelado um cenário com a presença de três feições cársticas geradas em um reservatório, sobreposto por quatro camadas rochosas de propriedades distintas. Esse cenário foi submetido a uma tensão vertical em rampa de 11,2 Mpa, simultaneamente ao processo de escavação dos carste. Empregou-se uma análise elastoplástica adotando o modelo de Mohr-Coulomb com comportamento de plasticidade perfeita e com comportamento de softening. Considerou-se um esquema de integração de tensões explícito do tipo Runge Kutta Dormand Price e uma regularização viscosa via Modelo Viscoplástico de Perzyna. Observou-se que o caso analisado com comportamento de softening representou melhor os impactos gerados na formação devido a gênese de feições cársticas. Um terceiro cenário consistiu na mesma situação tratada no problema 2, porém considerando a inserção de descontinuidades nas camadas capeadoras da formação rochosa, com isso foram avaliados os impactos da gênese das cavidades na possibilidade de reativação de falhas. Nesses casos, constatou-se que a formação de cavernas de dissolução produzem deformações nos maciços rochosos e subsidências no topo dessas formações, zonas de fraqueza e reativação de falhas. Por fim, observou-se que as falhas que sofrem processos de reativação, encontram-se mais próximas das cavidades.Karstic features are cavities formed due to slow dissolution process exerted by water on soluble rocks such as evaporites and carbonates. Depending on the region where karst formation occurs, it can be presented over different geometries and at different scales. And these karst can print to the rock a strong susceptibility to collapses, forming breccias and dolinas. Karstic features can be established in subsurface under structures and infrastructures, as well as inside oil reservoirs, and can lead to economic losses and input risk of collapse. Given the importance of the problem, the present research consists of analyze the stress-strain behavior considering deformation processes of a rocky body by internal stress relief from the karsification process, using the finite element program CODE_BRIGHT. Deformations and stresses were then evaluated in the capping and surrounding rocks of the wells, including possible reactivation of geological faults and the generation of shear zones that may result in damages to facilities present at the top of the formation or on the surface of the rock body. The first analysis of the present dissertation was carried out in order to validate the excavation algorithm through the Kirsch analytical solution. Next, a scenario was modeled with the presence of three cavities (karst) generated in a reservoir, below four different rock layers. This scenario was subjected to a vertical load which reaches 11.2 Mpa over the time, simultaneously with the karst excavation process. It was observed regions of weakness connecting cavities, zones of shear stresses concentration, subsidence and folds at the top of the formation. An elastoplastic analysis was carried out using the Mohr-Coulomb constitutive model with perfect plasticity behavior and softening behavior. An explicit stress integration scheme of the Runge Kutta Dormand Price type and a viscous regularization via the viscoplastic constitutive model of Perzyna was considered. It was observed that cases analyzed with softening behavior represented better impacts in the formation due to caves generation. Finally, the third scenario consisted of the same situation of Problem 2, although considering insert discontinuities in the formation layers, and the impacts of cavity formation on the possibility of reactivation of faults were evaluated. This work shows that the generation of dissolution caves produce deformations inside formations, zones of weakness and reactivation of faults, where these zones of weakness were formed near cavities and tends to reach discontinuities. Finally, it was observed that faults that undergo reactivation processes are closer to the cavities