Modelado multi-escala de estimulación hidráulica en reservorios con fracturas naturales

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TESIS DE DOCTORADO
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Titular
Inventor
Tutor de tesis
Solicitante
Afiliación
Fil.: Gutiérrez, Julieta. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología "Jorge Sabato"; Argentina.
Sede CNEA
Centro Atómico Constituyentes
Fecha de publicación
Fecha de creación
20/10/2023
Idioma
spa
Nivel de accesibilidad
Condiciones de uso
https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
Versión
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
Identificador CNEA
TDO-IS_EA-00182gutierrez
182
Identificador (documentos oficiales)
ISBN
ISSN
Cobertura espacial
Cobertura temporal
Materia INIS
HYDRAULIC FRACTURING
FRACTURACION HIDRAULICA
FRACTURES
FRACTURAS
ALGORITHMS
ALGORITMOS
MATHEMATICS
MATEMATICAS
SIMULATION
SIMULACION
ROCK MECHANICS
MECANICA DE ROCAS
Palabras clave
Macro-area temática
Formato (extensión)
168 p.
Editor
Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia de Área Académica. Gerencia Instituto de Tecnología "Jorge Sabato"
Universidad Nacional San Martin. Instituto de Tecnología "Jorge Sabato"
Es parte de
Es parte la serie
Agrupamiento documental - Sección
Agrupamiento documental - Serie
Evaluación Académica
Institución académica
Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología "Jorge Sabato".
Titulación
Doctor en Ciencias y Tecnología mención Física
Fecha de resolución
Fecha de presentación de solicitud
Resolución
Estado
Prioridad - fecha
Estado de licenciamiento
Nº de prioridad
Nº de patente
Nº de solicitud
País de registro
Nivel de madurez de la tecnología
Campo de aplicación
Campo de desarrollo
Resumen
Unconventional hydrocarbon reservoirs are characterized by a very low permeability. To allow for economical production of these reservoirs, hydraulic stimulation or fracturing is typically required. These reservoirs often contain a network of pre-existing natural fractures that play a crucial role during stimulation and production, by interacting with propagating fractures and their stress field, and providing differentiated transport channels. Often times, other types of mechanical discontinuities are also present, and they similarly affect stimulation and later production. Modeling and simulation of the stimulation process is often sought-for, to increase the understanding of the underlying mechanics, and to evaluate a range of scenarios allowing for the optimization of the process. Main challenges for the simulation under the conditions described above are: (1) having suitable algorithms and numerical methods that allow for tackling the strong computational demand required for incorporating a significant number of discontinuities in the simulations, and (2) having a reliable benchmark for the interaction between a propagating hydraulic fracture and a mechanical discontinuity. Y-TEC is currently developing a numerical simulator for hydraulic fracturing and rock mechanics, called Y-FRAC®. The solution of the mechanics problem includes a Discontinuous Galerkin formulation with a cohesive zone model (CZM) for the fracture propagation. The fluid transport problem is embodied by the Reynolds lubrication equation. It is the objective of the present work to deal with the two aforementioned challenges, within the framework of Y-FRAC®. In connection with the first objective, it is known that the mesh has to be fine enough to resolve the cohesive zones about crack tips. Here, an algorithm was developed which allows for the coarsening of the mesh required to execute a simulation, while providing results that are faithful to those obtained on a mesh with a refinement as per the requirement above. Incorporation of this algorithm in larger scale simulations would thus allow for an increase in the number of discontinuities included. As for the second objective, an in-depth analysis was performed of the effect of several parameters (including the critical fracture energies and critical tractions for the matrix and the interface, Gc,b, σc,b, Gc,i, σc,i respectively) on the result of the interaction between a dry propagating fracture and a mechanical discontinuity, i.e., the deflection versus penetration (D-P) competition. Our analysis is more extended than others available, while the results obtained compare favorably under available similar conditions. The present results provide a more comprehensive view of the D-P competition, with two fundamental conclusions: (1) there exists a significant difference between results provided by linear elastic fracture mechanics (LEFM) and cohesive fracture mechanics (CFM), and (2) there exists an approximately universal relation between a normalized ratio of critical fracture energies rG = Gc,b/Gc,i, and the ratio of cohesive zone sizes that gives the boundary in the D-P interaction map. These results on dry fracturing provide a robust groundwork for developing an analytical or semi-analytical benchmark to assess the interaction between a hydraulic fracture and a discontinuity.
Los yacimientos de hidrocarburos no convencionales se caracterizan por una permeabilidad muy baja. Para permitir la producción económica de estos yacimientos, típicamente se requiere estimulación hidráulica o fracturamiento. Estos yacimientos a menudo contienen una red de fracturas naturales preexistentes que desempeñan un papel crucial durante la estimulación y la producción, al interactuar con las fracturas propagantes y su campo de estrés, y al proporcionar canales de transporte diferenciados. En muchas ocasiones, también en están presentes otros tipos de discontinuidades mecánicas, que afectan de manera similar a la estimulación y la producción. Frecuentemente se busca el modelado y la simulación del proceso de estimulación para aumentar la comprensión de los mecanismos subyacentes y evaluar una variedad de escenarios que permitan la optimización del proceso. Los principales desafíos para la simulación en las condiciones descritas son: (1) contar con algoritmos y métodos numéricos adecuados que permitan abordar la fuerte demanda computacional requerida para incorporar un número significativo de discontinuidades en las simulaciones, y (2) disponer de un punto de referencia confiable para la interacción entre una fractura hidráulica propagante y una discontinuidad mecánica. Actualmente, Y-TEC est ́a desarrollando un simulador numérico para fracturamiento hidráulico y mecánica de rocas, llamado Y-FRAC®. La solución del problema de mecánica incluye una formulación de Galerkin discontinua con un modelo dezona cohesiva para la propagación de la fractura. El problema del transporte de fluidos se describe mediante la ecuación de lubricació de Reynolds. El objetivo del presente trabajo es abordar los dos desafíos mencionados, en el marco de Y-FRAC®. En relación con el primer objetivo, se sabe que la malla debe ser lo suficientemente fina como para resolver las zonas cohesivas alrededor de las puntas de las fracturas. Aquí, se desarrolló un algoritmo que permite la disminución de la densidad de la malla requerida para ejecutar una simulación, al tiempo que proporciona resultados fieles a los obtenidos en una malla con un refinamiento según el requisito mencionado. La incorporación de este algoritmo en simulaciones a mayor escala permitirá aumentar el número de discontinuidades incluidas. En cuanto al segundo objetivo, se realizó un análisis exhaustivo del efecto de varios parámetros (incluidas las energías críticas de fractura y tracciones críıticas para la matriz y la interfaz, Gc,b, σc,b, Gc,i, σc,i respectivamente) en el resultado de la interacción entre una fractura propagante seca y una discontinuidad mecánica, es decir, la competencia de desviación versus penetración (D-P). Nuestro análisis es ḿas amplio que otros disponibles, mientras que los resultados obtenidos se comparan favorablemente bajo condiciones similares en la bibliograf ́ıa. Los resultados actuales proporcionan una visión más completa de la competencia D-P, con dos conclusiones fundamentales: (1) existe una diferencia significativa entre los resultados proporcionados por la mecánica de fractura lineal elástica (LEFM) y la mecánica de fractura cohesiva (CFM), y (2) existe una relación aproximadamente universal entre una relación normalizada de energías críticas de fractura, rG = Gc,b/Gc,i, y la relación de tamaños de zona cohesiva que proporciona el límite en el mapa de interacción D-P. Estos resultados sobre fracturamiento en seco proporcionan una base sólida para desarrollar un punto de referencia analítico o semi-analítico para evaluar la interacción entre una fractura hidráaulica y una discontinuidad.
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