Behnam Sobhaniaragh
Título
DEVELOPMENT OF A NUMERICAL TECHNIQUE FOR MODELLING OF MULTI-STAGE HYDRAULIC FRACTURING IN SHALE RESERVOIRS
Resumo
A eficiência da produção em reservatórios não convencionais, com baixa permeabilidade, demanda técnicas de perfuração de poços horizontais e fraturamento hidráulico(FH) de múltiplos estágios. As mudanças no campo de tensões, conhecidas como “stress shadowing”, afetam significativamente o arranjo das fraturas e suas geometrias. Nesta tese, para apresentar uma técnica numérica capaz de capturar a propagação de trincas com caminhos imprevisı́veis e enfrentar a viabilidade de emergência de múltiplas fraturas coesivas em meio poroso com zona de processo de fratura na ponta da trinca, é estabelecido o método dos segmentos coesivos combinado com o método do nó fantasma, cuja sigla em inglês é CPNM. O arcabouço numérico é implementado em um pacote para o método dos elementos finitos (ABAQUS ® ) por meio de rotinas definidas pelo usuário. Considerando um xisto de múltiplas camadas quase friável, dois cenários com FH sequencial e simultâneo com poço único são investigados. A validação da técnica numérica foi feita comparando a solução para uma fratura com a solução de Khristianovic-Geertsma-de Klerk (KGD) e fraturas duplas na presença de “stress shadowing”. Depois disso, a análise foi estendida para dois poços laterais. Nesta parte, a maior contribuição é a investigação detalhada do efeito da alteração no campo de tensões como função do espaçamento das fraturas nos diversos projetos de FH em poços laterais adjacentes. Atenção particular é dada a projeto MZF com o objetivo de mitigar efeitos colaterais do “stress shadowing”, melhorando a complexidade das fraturas, levando à modificação do projeto MZF, sendo este denominado M2ZF. Os resultados obtidos iluminam as vantagens do MZF, e em par- ticular do M2ZF, na ativação de planos de fragilidade pré-existentes e fraturas naturais pelo efeito das mudanças no campo de tensões.
Abstract
Production efficiency from low permeable unconventional reservoirs demands promoting techniques including horizontal well drilling and multi-stage Hydraulic Fracturing (HF) stimulation. What significantly affects the fractures arrangement, and associated geometries is the stress field changes, referred to as “stress shadowing”. In this dissertation, in order to present a numerical technique, which is capable of capturing the non-planar hydraulically driven crack propagation with unpredictable path, on one hand, and tackling the feasible emergence of multiple cohesive cracks in a porous medium with fracture process zone at the crack tip, on the other hand, the Cohesive segments method in combination with Phantom Node Method, termed CPNM, is established. This numerical framework is implemented into a finite element analysis package (ABAQUS ® ) along with user-defined subroutines. Considering a quasi-brittle multi-layer shale, two key scenarios including sequentially and simultaneously multi-stage HF from an individual wellbore are investigated. Validation of the numerical technique has been performed by comparing the solution for an individual fracture with a Khristianovic-Geertsma-de Klerk (KGD) solution and double fractures in the presence of stress shadowing. Afterwards, the analysis is extended to two lateral horizontal wellbores. The main contribution of this part is the detailed investigation of the stress shadowing effects as a function of the fracture spacing at various HF design in adjacent lateral wellbores. A particular attention is devoted to MZF design with the aim of mitigating side-effects of stress shadowing and enhancing the far-field fracture complexity, leading to introducing a modification to MZF design, termed M2ZF. The results obtained are shedding light on the advantages of the MZF and in particular M2ZF in the activation of pre-existing planes of weakness and natural fractures through stress shadowing effects.
