EVENTO
MODELAGEM COMPUTACIONAL MULTIESCALA DE RESERVATÓRIOS NÃO CONVENCIONAIS DE GASES EM FOLHELHOS
Tipo de evento: Exame de Qualificação
O objetivo deste trabalho de tese consiste em derivar a modelagem matemática e computacional multiescala e simular numericamente o escoamento de fluidos em reservatórios não convencionais de gases em folhelhos (shale gas). Os reservatórios de gás não convencionais são formações bastante complexas resultantes de processos de natureza geoquímica e mecânica que ocorrem numa escala de tempo da ordem de milhares de anos. Uma característica peculiar destes meios porosos é que devido aos diferentes níveis de porosidade e permeabilidade envolvidos neste tipo de jazida, a extração do gás ou óleo não pode ser realizada através de processos convencionais. Desta forma a recuperação dos hidrocarbonetos exige técnicas avançadas de recuperação afim de se obter uma produção economicamente viável. Entre os principais tipos de formações geológicas não convencionais destacam-se os reservatórios de metano em camadas de carvão (coalbed methane), os reservatórios de gás confinado (tight gas) e os reservatórios de gases em folhelhos (shale gas).Os reservatórios de gases em folhelhos são constituídos predominantemente por rochas sedimentares ricas em elementos de granulação fina e apresentam vários desafios não existentes em reservatórios convencionais, tais como, a existência de múltiplos níveis de porosidade e uma baixíssima permeabilidade que exige o uso de técnicas de perfuração horizontal e de estimulação por fraturamento hidráulico para melhorar a eficiência da recuperação [7]. Do ponto de vista microestrutural, os reservatórios do tipo shale gas exibem três níveis de porosidade:1. Os nanoporos orgânicos (formados por querogênio) e inorgânicos (formados por quartzo, argila e carbonatos). Na escala nanoscópica, o gás encontra-se adsorvido à superfície da matéria orgânica (querogênio) ocorrendo a dessorção com a queda da pressão do reservatório. Este fenômeno físico-químico acontece numa escala de tempo extremamente rápida e pode ser modelado considerando condições de equilíbrio termodinâmico através de isotermas do tipo Langmuir [11].2. Os microporos, onde o gás encontra-se dissolvido na fase aquosa e tem movimento governado por difusão Fickiana. Para modelar esta etapa, assume-se a hipótese de que a água não se movimenta devido à baixa permeabilidade nos microporos, bem como a existência de efeitos capilares que tendem a imobilizar a água nos micro e nanoporos. O processo difusivo do gás é lento e ocorre em pequenos percursos até que o gás atinja as fissuras induzidas pelo fraturamento hidráulico, onde este se desprende da fase aquosa, formando a fase gás livre.3. As fissuras induzidas pelo processo de fraturamento hidráulico, que são preenchidas por um propante e constituem um meio poroso cujos vazios são preenchidos pelo gás metano e portanto modelado pelas equações clássicas do escoamento monofásico de um gás compressível. Considerando também a presença de água nas fissuras, pode-se estender este modelo para o de escoamento bifásico, água e gás, sendo a água incompressível e o gás compressível. Das fraturas, devido a efeitos gravitacionais e gradientes de pressão, o metano é transportado até o poço horizontal onde é produzido.Os modelos propostos na literatura para a modelagem da hidrodinâmica em reservatórios não convencionais de petróleo e gás são baseados em modelos de porosidade dupla considerando as hipóteses de Warren & Root e Barenblatt [3,10]. Nestas formulações a modelagem de transferência de massa entre os diferentes níveis de porosidade é feita através de funções lineares, proporcionais a diferença de pressão entre microporos e fissuras. Neste trabalho é proposta uma modelagem inovadora considerando múltiplas escalas como alternativa para descrever o escoamento de fluidos em reservatórios não convencionais [1,6,9]. A modelagem multiescala é construída fazendo uso do processo de homogeneização de estruturas periódicas para descrever de forma exata as trocas de massa entre os diferentes regimes de transporte do gás [2,4]. As funções de troca de massa locais são representadas por fontes, distribuídas no domínio, presentes nas equações que modelam a hidrodinâmica e o transporte difusivo. Além disso propomos introduzir nos modelos a compressibilidade do gás através da uma equação termodinâmica de estado, como por exemplo, Peng-Robinson ou Redlich-Kwong, que torna a equação parabólica da pressão nas fraturas não linear. Por outro lado, a hidrodinâmica, do gás é acoplada de forma não linear ao modelo microscópico, sendo este último também acoplado não linearmente com o modelo nanoscópico de dessorção do gás. Como condição de contorno na interface entre o microporo e a fratura, assumimos o equilíbrio termodinâmico químico do gás metano, modelado através da igualdade entre o potencial químico do gás metano livre nas fissuras e dissolvido no fluido dentro dos microporos [8].As soluções numéricas do modelo multiescala serão obtidas pelo método dos elementos finitos, fazendo uso de subdiscretizações para tratar o transporte Fickiano nos microporos e a dessorção nos nanoporos, e assim efetuar o cômputo da fonte de massa na equação parabólica macroscópica não linear da pressão do gás nas fraturas induzidas. Tais acoplamentos aumentam substancialmente as dificuldades encontradas na modelagem numérica do problema. Para eficiência computacional, o paralelismo será explorado através do uso de múltiplos núcleos de processadores, usando técnicas híbridas [5], incluindo MPI, modelo de comunicação voltado para processadores de memória distribuída, e openMP, que explora o paralelismo em processadores de memória compartilhada. A decomposição do domínio, o particionamento e balanceamento da carga computacional serão objetos de estudo visando a obtenção de alto desempenho.Devido à crescente demanda de exploração de fontes de petróleo e gás em reservatórios não convencionais, cresce a necessidade de compreensão e modelagem dos diferentes fenômenos físicos, químicos e mecânicos, de natureza altamente complexa, que envolvem este tipo de formação geológica. A previsão numérica destes fenômenos, que não pode ser capturada pelos simuladores convencionais, requer um tratamento diferenciado, incluindo modelagem multiescala, métodos numéricos localmente conservativos e computação de alto desempenho. Esta técnica de modelagem em três escalas é inovadora, assim como a modelagem da compressibilidade do gás neste contexto. Há portanto grande expectativa de que a aplicação dos modelos multiescala a este tipo de problema irá promover o aprimoramento substancial do conhecimento da descrição do fenômeno, permitindo construção precisa das curvas de produção de gás levando em conta sua dessorção dos nanoporos.
Data Início: 30/04/2013 Hora: 08:30 Data Fim: 30/04/2013 Hora: 12:00
Local: LNCC - Laboratório Nacional de Computação Ciêntifica - Auditorio A
Aluno: Patricia de Araújo Pereira Costa - Laboratório Nacional de Computação Científica - LNCC
Orientador: Marcio Arab Murad - Laboratório Nacional de Computação Científica - LNCC
Participante Banca Examinadora: Abimael Fernando Dourado Loula - Laboratório Nacional de Computação Científica - LNCC João Nisan Correia Guerreiro - Laboratório Nacional de Computação Científica - LNCC Pedro Leite da Silva Dias - - IAG/USP
