Simulação Numérica Do Processo De Propagação De Fraturas Em Materiais Rochosos Em Condições De Acoplamento Fluidomecânico

Abstract

A Carla, a minha companheira pelo seu amor e carinho, e por ter me dado um filho maravilhoso e uma família.Aos meus pais e meus irmãos, pelo imenso apoio e carinho.Ao Prof. Eurípedes do Amaral Vargas Jr., pela orientação, apoio e incentivo para a realização deste trabalho.Ao Prof. Gláucio Paulino, pela orientação, apoio e ajuda ao longo do desenvolvimento desta pesquisa durante a minha estadia na Universidade Esta pesquisa aborda o processo de fraturamento hidráulico ou processo de propagação de fraturas em rocha através da injeção de um fluido sob pressão, o que gera fissuras no material que se propagam de acordo com a quantidade de fluido injetado. Esta técnica leva a um incremento da transmissividade hidráulica da rocha e, como conseqüência, ocorre um incremento da produção deóleo. Diversos trabalhos analíticos e numéricos têm sido propostos para estudar o mecanismo de fratura, geralmente baseados em meios contínuos ou através da utilização de elementos de interface em uma trajetória de propagação conhecida. Neste trabalho, a propagação de uma fraturaé simulada utilizando o modelo potencial PPR[72] através da sua implementação extrínseca. Assim, os elementos coesivos de interface são inseridos na malha de elementos finitos de forma adapativa para capturar o processo de fraturamento.A pressão do fluidoé simulada utilizando o modelo de lattice-Boltzmann [84]. Através de um processo interativo, os contornos da fratura, computados utilizando o método dos elementos finitos, são transferidos para o modelo de lattice-Boltzmann como uma condição de contorno. Assim, a força que o fluido exerce nestes contornos, gerada pela injeção do fluido, pode ser calculada. Estas forças são utilizadas no modelo de elementos finitos como uma força externa aplicada nas faces da fratura. A nova posição das faces da fraturaé calculada e transferida novamente para o modelo de lattice-Boltzmann como condição de contorno. Este processo interativo fluido-estrutura permite modelar o processo de fraturamento hidráulico em trajetórias de propagação irregulares. This research addresses hydraulic fracturing or hydro-fracking, i.e. fracture propagation process in rocks through the injection of a fluid under pressure, which generates cracks in the rock that propagate according to the amount of fluid injected. This technique leads to an increase of the hydraulic transmissivity of the rock mass and, consequently, improves oil production. Palavras-chaveSeveral analytical and numerical models have been proposed to study this fracture mechanism, generally based in continuum mechanics or using interface elements through a known propagation path. In this work, the crack propagation is simulated using the PPR potential-based cohesive zone model [72] by means of an extrinsic implementation. Thus, interface cohesive elements are adaptively inserted in the mesh to capture the softening fracture process. The fluid pressure is simulated using the lattice Boltzmann model [84] through an iterative procedure. The boundaries of the crack, computed using the fini...