Orientadores: Antonio Celso Fonseca de Arruda, Euclides Jose Bonet

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica

Resumo: O fraturamento hidráulico é um processo utilizado na Indústria do Petróleo para a estimulação de poços. Consiste na abertura e consolidação de uma fratura em uma formação rochosa criando um canal de fluxo altamente permeável. O meio físico que possibilita tal tratamento é um fluido de...

Resumo: O fraturamento hidráulico é um processo utilizado na Indústria do Petróleo para a estimulação de poços. Consiste na abertura e consolidação de uma fratura em uma formação rochosa criando um canal de fluxo altamente permeável. O meio físico que possibilita tal tratamento é um fluido de características especiais através do qual se transmite à rocha a
potência hidráulica necessária para a realização deste trabalho. Este fluido deve, também, carregar eficientemente o agente granular que será o responsável pela sustentação da fratura. o projeto de um fraturamento resulta da composição de tópicos de diversas áreas do conhecimento científico e tecnológico, e o domínio do comportamento reológico deste fluido
é fundamental para o correto equacionamento dos fenômenos envolvidos. Diversas formulações de fluidos de fraturamento encontram-se disponíveis no mercado, sendo a mais utilizada a obtida a partir do polímero HPG. Este polissacarídio é derivado da goma guar e apresenta alta economicidade, gerando fluidos operacionalmente seguros. Tal fluido, como todo fluido polimérico, é viscoelástico, porém seu componente elástico não é computado nas teorias disponíveis para o dimensionamento de fraturas hidráulicas, que o tratam como newtoniano ou, nas mais elaboradas, como não-newtoniano.
o advento de modernos aparatos experimentais possibilita, atualmente, uma avaliação mais completa dos parâmetros reológicos destes fluidos, permitindo a formulação de um modelo mais aprimorado para seu escoamento. O presente trabalho reporta a investigaçãoda viscoelasticidadedos fluidos de fraturamento, levantando seus parâmetros reológicos e remodelando seu escoamento. É feita uma revisão do estado-da-arte das modelagens disponíveis e são propostas contribuições a diversos aspectos teóricos inerentes a este processo, com verificação experimental. Dentre as contribuições teóricas introduzidas destacam-se: a formulação tensorial do escoamento do fluido dentro da fratura, a proposição de uma nova abordagem para o fenômeno da filtração de fluido pelas suas paredes, o equacionamento analítico do
comportamento da pressão em seu interior e o acoplamento direto das áreas envolvidas na modelagem de seu dimensionamento. Os parâmetros viscosos e elásticos dos fluidos de fraturamento estudados foram medidos experimentalmente, sendo apresentadas novas expressões analíticas relacionando os parâmetros elásticos aos viscosos. São estabelecidas relações que permitem a extrapolação do comportamento reológico destes fluidos para outras faixas de variação de temperatura e concentração. A introdução destes conceitos teóricos na modelagem repercute na geometria final da fratura alterando seu perfi] de elíptico para cuneiforme, o que se traduz em fraturas mais longas que as normalmente previstas com o equacionamento convencional. O componente elástico dos fluidos introduz uma tensão adicional no equacionamento e seu reflexo na geometria da fratura é dependente dos parâmetros reológicos dos mesmos, bem como das especificações do projeto

Abstract: Hydraulic Fracturing is a process used in Petroleum Industry for weIls stimulation and it consists in the opening and consolidation of a fracture in a rock formation, creating a flow channe1 with high permeability. The physical medium employed in this treatment is a fluid of special...

Abstract: Hydraulic Fracturing is a process used in Petroleum Industry for weIls stimulation and it consists in the opening and consolidation of a fracture in a rock formation, creating a flow channe1 with high permeability. The physical medium employed in this treatment is a fluid of special characteristics which transmits to the rock the necessary hydraulic power for having this work done. This fluid also must carry efficiently the proppant agent that wiIl support the fracture. The project of a hydraulic fracturing results from the composition of topics of many fields of scientific and technological knowledge, and the control of the rheological behavior of the fluid is fundamental to equate correctly the involved phenomena. Various fracturing
fluid formulations are available in the market, but the most used is that obtained from the HPG polymer. This polysaccharide is derived from the guar gum and it have high economics, generating fluids operationaIly safes. This fluid, like all polymeric fluids, is viscoelastic, but its elastic component is not included in the available hydraulic fracturing models, which consider it as a newtonian fluid or, in the most elaborated theories, as a non-newtonian fluid. Now, the advent of modem experimental apparatus makes possible a more complete evaluation of the rheological parameters of this fluid and the formulation of an improved model for this flow. The present work reports the investigation into the fracturing fluids viscoelasticity,
obtaining its rheological parameters and remodeling this flow. It is made a revision of the state-of-art of the available models and it is proposed contributions to many aspects of this process, with experimental verification. Among the introduced theoretical contributions can be mentioned: the tensorial formulation of the fluid flow in the fracture, the proposition of a new approach to the fluid filtration phenomenon through its walls, the analytical equating of the pressure behavior in
its interior and the direct coupling of the involved fields in the modeling of its dimensions. The viscous and elastic parameters from this fracturing fluids are acquired experimentally, and new analytical expressions relating the elastic to the viscous parameters are provided. It is established relations that allow the extrapolation of its rheological behavior
to others temperature and concentration ranges. The introduction of this theoretical concepts in the modeling reflects on the fracture final geometry changing its elliptical profile to cuneiform, resulting longer fractures than the usually obtained by the conventional models. The fluid elastic component introduces an additional tension on the equating and its consequence in the fracture geometry depends on the rheological parameters and on the project specifications

Resume: La fracturation hydrauIique est un procédé utiIisé dans I'industrie pétroIiere pour Ia stimulation des puits, consistant à ouvrir et à consoIider une fracture dans une formation rocheuse, ayant pour but Ia création d'un canal d'écouIement tres perméabIe. L'agent qui rend possibIe ce procédé...

Resume: La fracturation hydrauIique est un procédé utiIisé dans I'industrie pétroIiere pour Ia stimulation des puits, consistant à ouvrir et à consoIider une fracture dans une formation rocheuse, ayant pour but Ia création d'un canal d'écouIement tres perméabIe. L'agent qui rend possibIe ce procédé est un fluide avec des caractéristiques spéciales qui permit Ia transmission de Ia puissance nécessaire à Ia roche pour Ia réalisation du travail, et qui doit, aussi, transporter efficacement le matérieI granulaire qui va soutenir Ia fracture. Le projet d'une fracturation résulte de Ia composition des topiques de divers domaines de Ia connaissance scientifique et technoIogique, et le contrôle de Ia conduite rhéologique de
ce fluide est fondamentaI pour résoudre correctement les équations des phénomenes présents. Diverses formuIations de ce fluide sont disponibles, mais Ia plus utilisée c'est celle qui est obtenue du HPG, un poIisaccharide dérivé de Ia gomme de guar, à cause de son aspect économique et sa sécurité opérationnelle. Cet fluide, comme n'importe quel fluide polymerique, iI est viscoélastique, mais son composant éIastique n'est pas computé dans les théories disponibIes par le calcuI des
dimensions des fractures hydrauIiques, qui Ie traitent comme un fluide qui obéit Ia Ioi de Newton ou, dans Ies théories Ies plus éIaborées, comme un qui ne l'obéit pas. L'apparition récente de nouveaux apparats expérimentaux rend possibIe une évaluation pIus complete des parametres rhéoIogiques de ces fluides en permettant Ia formuIation d'un modele pIus
accompli pour cet écoulement. Cet ouvrage se propose à rechercher cet aspect du probIeme, en déterminant ses
parametres rhéoIogiques et en modeIant son écoulement avec I'inclusion de sa conduite éIastique. Pour y arriver, tout Ie modeIage traditionnel est revu et des contributions sont incluses à divers aspects inhérents à ce procédé, qui peuvent être étendues à des applications dans d'autres domaines en corrélation. Les innovations introduites sont: Ia formulation tensorielle d'écoulement du fluide dans Ia fracture, l'obtention des équations analytiques de Ia conduite de Ia pression dans son
intérieur, Ia proposition d'un nouvel abordage pour le phénomene de Ia filtration du fluide par Ies parois, Ie couplage direct des domaines présents dans le modelage de ses dimensions, l'obtention expérimentale des parametres visqueux et élastiques de ces fluides de fracturation, I'expression anaIytique des parametres élastiques en fonction des visqueux, et l'établissement des relations qui permettent I'extrapoIation de sa conduite rhéologique dans des segments de
variations de température et de concentration. L'introduction de ces concepts et de ces résultats répercute dans Ia géométrie finale de Ia fracture en changeant son profiI de elliptique en cunéiforme, en résultant des fractures pIus longues qui celles obtenues normalement avec le modelage traditionnel. Le composant éIastique des fluides introduit une contrainte additionnelle dans les équations et son reflet dans Ia géométrie de Ia fracture dépend de ses parametres rhéologiques et des spécifications du projet