An extended finite element method (XFEM) for hydraulic fracturing in petroleum reservoirs

The main objective of this thesis work is to provide a strong numerical modelling of Hydraulic fracturing using the Extended Finite Element Method (XFEM) in Abaqus. Hydraulic Fracturing is one important technique currently used in oil & gas industries in order to maximize the productivity and extend the reservoir lifetime. The modelling of crack initiation and propagation is modelled effectively modelled using this method without remeshing. This work combines XFEM approach with cohesive zone model (CZM) to analyze the crack growth for rock using Abaqus. Compared to the finite element method, the XFEM provides many improvements in the numerical modeling of fracture propagation and is a powerful tool for solving the discontinuity problems. A comparative study has been performed based on the laboratory experiments described by Abass H.et al in order to analyze the effect of fracture propagation. The results obtained from the analysis provide better match to the experimental observation of Abbas. Several simulations have been performed by varying the rock properties like permeability & young's module in order to see the effect of crack propagation path. The breakdown pressures have been calculated based on different perforation angle. Also, the effect of initial fracture length and its orientation influences on the reoriented radius. A level set method is explained in this model to improve the convergence behavior because of large discontinuities in non-linear system. Further the same set of simulations were performed three dimensionally with three layered Marcellus shale based on some experimental studies provided by Warpinski. A comparative study has been performed with different models to show the XFEM has convincing results compared to them. Simulations are performed for the fracture width, length and the breakdown pressure with respect to different oriented angles. Also, multiple perforations are performed in this study to show the rivalry among multiple fracture to better understand fracture propagation from cased perforated wells and to come up with a better perforation design when a hydraulic fracturing treatment is intended. The XFEM has been suitable for problems with high discontinuities and successfully applied to numerous fracture mechanics. The simulation results from this study offer methods to enhance perforation design for hydraulic fracture treatment especially in the case of high stress anisotropy and high uncertainty on the preferred fracture plane.

L'obiettivo principale di questo lavoro di tesi è quello di dare una forte modellizzazione numerica della fratturazione idraulica utilizzando il metodo a elementi finiti estesi (XFEM) in Abaqus. La fratturazione idraulica è una tecnica importante attualmente utilizzata nelle industrie petrolifere e del gas al fine di massimizzare la produttività e prolungare la durata del giacimento. La modellizzazione dell'inizializzazione e della propagazione delle cricche è modellata in modo efficace usando questo metodo senza remeshing. Questo lavoro combina l'approccio XFEM con il modello di zona coesiva (CZM) per analizzare la crescita delle crepe nelle roccie usando Abaqus. Rispetto al metodo degli elementi finiti, l'XFEM offre numerosi miglioramenti nella modellazione numerica della propagazione della frattura ed è un potente strumento per risolvere i problemi di discontinuità. Uno studio comparativo è stato condotto sulla base degli esperimenti di laboratorio descritti da Abass H.et al per analizzare l'effetto della propagazione della frattura. I risultati ottenuti dall'analisi forniscono una migliore corrispondenza con l'osservazione sperimentale di Abbas. Diverse simulazioni sono state eseguite variando le proprietà della roccia come la permeabilità e il modulo di Young al fine di vedere l'effetto del percorso di propagazione della cricca. Le pressioni di rottura sono state calcolate in base a diversi angoli di perforazione. Inoltre, l'effetto della lunghezza iniziale della frattura e il suo orientamento influiscono sul raggio riorientato. In questo modello viene spiegato un metodo di impostazione del livello per migliorare la convergenza a causa di discontinuità di grandi dimensioni nel sistema non lineare. Inoltre la stessa serie di simulazioni è stata eseguita in tre dimensioni con tre strati di scisto di Marcello basate su alcuni studi sperimentali forniti da Warpinski. Uno studio comparativo è stato eseguito con diversi modelli per mostrare che l'XFEM ha risultati convincenti rispetto ad altri. Le simulazioni vengono eseguit per e la larghezza della frattura, la lunghezza e la pressione di rottura rispetto a diversi angoli orientati. Inoltre, in questo studio vengono eseguite perforazioni multiple per mostrare la rivalità tra le fratture multiple per comprendere meglio la propagazione della frattura dai pozzetti perforati e per ottenere un design di perforazione migliore quando si esegue un trattamento di fratturazione idraulica. XFEM è adatto a problemi con discontinuità elevate e applicato con successo a numerosi meccanismi di frattura. I risultati della simulazione di questo studio offrono metodi per migliorare la progettazione della perforazione per il trattamento delle fratture idrauliche, specialmente nel caso di anisotropia ad alto stress e alta incertezza sul piano di frattura preferito.