Modelagem numérica de fraturamento hidráulico via método dos elementos finitos estendido

Abstract

Na presente pesquisa será desenvolvida uma análise numérica de fraturamento hidráulico utilizando o Método dos Elementos Finitos Estendido (XFEM). Com este método, pretende-se simular o mecanismo de início e propagação de trincas induzidas a partir da ponta de uma fratura inicial. O objetivo principal deste trabalho é aperfeiçoar a compreensão do fenômeno de fraturamento hidráulico. Entende-se que o problema de fraturamento hidráulico é um fenômeno que combina vários processos físicos, entre eles, o fluxo de um fluido, a deformação da matriz rochosa e a propagação das fraturas no meio, nesse sentido, as simplificações são imprescindíveis. Utiliza-se o XFEM para realizar a discretização espacial dos modelos. Esse método é considerado uma robusta ferramenta numérica para resolver problemas de descontinuidades. O fundamento do XFEM é o chamado Método de Elementos Finitos, adicionando a este graus de liberdade e funções de enriquecimento, que servem para descrever as descontinuidades locais do modelo. No XFEM, a geometria da fratura se torna independente da malha, permitindo a ela se movimentar livremente através do domínio, sem que haja a necessidade de um passo para adaptar a malha à descontinuidade. Realizou-se a validação do XFEM utilizando dois testes clássicos da Mecânica da Fratura: a viga apoiada em três pontos com carregamento centrado (SEN(B)); e o disco compacto submetido à tração (CDT). Adicionalmente um modelo de fraturamento hidráulico foi utilizado para estudar a influência de diferentes parâmetros do material e da geometria da fratura inicial. A simulação do início e propagação do fraturamento hidráulico realiza-se através de um modelo numérico bidimensional, em que o meio poroso é idealizado como linear elástico e o critério de propagação se baseia na taxa de energia liberada e nos fatores de intensidade de tensão. As soluções fornecidas pelo modelo numérico fundamentado no XFEM nos casos de validação e no caso de investigação são comparadas com os resultados obtidos a partir de dados experimentais e formulações analíticas, observando-se uma ótima concordância. Demostrou-se a capacidade do XFEM para resolver complexos problemas de propagação de fraturas.