AN XFEM ELEMENT TO MODEL INTERSECTIONS BETWEEN HYDRAULIC AND NATURAL FRACTURES IN POROUS ROCKS

• Main Author: RUI FRANCISCO PEREIRA MOITAL LOUREIRO DA CRUZ
• Other Authors: DEANE DE MESQUITA ROEHL
• Language: English
• Published: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO 2018
• Online Access: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=35888@1; http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=35888@2

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO === CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO === Um elevado número de reservatórios de hidrocarbonetos é naturalmente fraturado. Quando sujeitos a estimulação hidráulica, as fraturas naturais podem influenciar a propagação da fratura hidráulica, que pode tomar uma forma geométrica complexa, criando redes de fraturas no reservatório. De forma a melhor entender e simular tais fenômenos, um elemento baseado no Método dos Elementos Finitos Estendidos (XFEM) é proposto. A formulação do elemento inclui interseção e cruzamento entre fraturas, atrito entre as faces das fraturas, comportamento acoplado entre deslocamentos, poro-pressões e pressões do fluido da fratura, absorção de fluído da fratura para o meio poroso (leak-off) e a eventual perda de pressão nas faces da fratura (filter cake). Os fundamentos teóricos e os aspectos relevantes da implementação são apresentados. Um conjunto de análises é realizado de forma a validar em separado as diferentes funcionalidades do elemento implementado. Finalmente, os resultados de quatro aplicações práticas são analisados e discutidos: dois conjuntos de ensaios de laboratório de interseção de fratura, propagação de fratura hidráulica num modelo sintético multi-fraturado e percolação na fundação fraturada de uma barragem. Conclui-se que o código implementado fornece previsões muito boas do comportamento acoplado do meio fraturado e tem capacidade de simular corretamente a interação entre fraturas hidráulicas e naturais. Pode também verificar-se que o comportamento hidráulico dos modelos e a propagação e interseção de fraturas são muito influenciados por parâmetros tais como o diferencial de tensões in-situ, ângulo entre fraturas, a abertura hidráulica das fraturas e a condutividade transversal das faces da fratura. === A large number of hydrocarbon reservoirs are naturally fractured. When subjected to hydraulic fracturing treatments, the natural fractures may influence the propagation of the hydraulic fracture, which can grow in a complicated manner creating complex fracture networks in the reservoir. In order to better understand and simulate such phenomena an element based on the eXtended Finite Element Method is proposed. The element formulation comprises fracture intersection and crossing, fracture frictional behaviour, fully coupled behaviour between displacements, pore and fracture fluid pressure, leak-off from the fracture to the surrounding medium and the eventual loss of pressure due to filter cake. The theoretical background and implementation aspects are presented. A set of analyses is performed in order to validate different features of the implemented element. Finally, the results of four practical applications are analysed and discussed: two laboratory hydraulic fracture tests, hydraulic fracture propagation in a multifractured synthetic model and percolation through a dam fractured foundation. It is concluded that the implemented code provides very good predictions of the coupled fluid-rock fracture behaviour and is capable of correctly simulating the interaction between hydraulic and natural fractures. Moreover, it is shown that the hydraulic behaviour of the models and the intersection between fractures are very sensible to parameters such as differential in-situ stresses, angle between fractures, initial hydraulic aperture and fracture face transversal conductivity.