Simulazione di processi di fratturazione idraulica in mezzi porosi

The interest towards non-conventional hydrocarbon resources has grown in recent years due to both the increasing demand of hydrocarbons and the reduction in productivity of conventional reservoirs. In the context of non-conventional resources exploitation, hydraulic fracturing plays a key role. Hydraulic fracturing is a stimulation technique applied in low permeability rocks with the aim of inducing connected fractures by means of the injection of pressurized fluid. As a consequence of the interest towards this stimulation technique, the need novel constitutive models dealing with fracture and damage of geomaterials, as well as of numerical methods capable of solving the related boundary value problems, has strongly emerged in recent years. In this Thesis, a coupled hydro-mechanical approach is presented to study fracture inception and propagation in brittle porous media and the consequences in terms of material permeability. The approach is based on a constitutive model recently proposed by DeBellis et al (2016,2017). The model has been implemented in a finite element code, which numerically solves the coupled linear momentum balance equations of the porous medium and the fluid mass balance equation. As further coupling term, the dependence of rock permeability on fracture opening and direction is explicitly accounted for. The code has been used to simulate hydraulic fracture processes at both the laboratory and reservoir scale.

La crescente domanda di idrocarburi e la progressiva riduzione della disponibilità delle risorse convenzionali sono alla base del recente intensificarsi dello sfruttamento di giacimenti non convenzionali. Un ruolo di primaria importanza nello sfruttamento di tali risorse è ricoperto dalla tecnica della fratturazione idraulica. La fratturazione idraulica consiste nella generazione di fratture in un mezzo poroso a bassa permeabilità mediante l'iniezione di un fluido in pressione. L'interesse verso questa tecnica ha dato nuovo impulso sia all'elaborazione di modelli che interpretino la risposta del materiale alla fratturazione sia all'implementazione di codici di calcolo numerici che ne consentano l’applicazione a casi di interesse ingegneristico. In questo elaborato si presenta un approccio idro-meccanico accoppiato per studiare lo sviluppo di fratture in un mezzo poroso fragile e le conseguenze in termini di incremento di permeabilità. L'approccio proposto si basa su un modello costitutivo di danno fragile proposto recentemente da DeBellis et al (2016,2017). Tale modello è stato implementato in un codice ad elementi finiti che risolve numericamente le equazioni di equilibrio e l’equazione di bilancio di massa del fluido interstiziale, considerando come ulteriore termine di accoppiamento la dipendenza della permeabilità della roccia dall’apertura e dall’orientazione delle fratture generate dall’intervento. Il codice è stato utilizzato per simulare interventi di fratturazione idraulica sia alla scala di laboratorio che alla scala di campo.