Thermoporoelastic flow control strategies for enhancing the longevity of hydraulic fracture-based enhanced geothermal systems

Resumo Técnico: Estratégias de Controle de Fluxo Termoporoelástico para Aumentar a Longevidade de Sistemas Geotérmicos de Alta Entalpia Baseados em Fraturamento Hidráulico

Definição do Problema
Sistemas Geotérmicos de Alta Entalpia (EGS) que utilizam fraturamento hidráulico visam fornecer energia de base, mas sua viabilidade a longo prazo é ameaçada pelo "breakthrough térmico" — um declínio prematuro e acentuado nas temperaturas de produção causado pelo resfriamento da rocha do reservatório. Em fraturamento hidráulico de múltiplas etapas, a não uniformidade do fluxo é inerente; algumas fraturas aceitam mais água do que outras. À medida que o fluido frio circula, a rocha ao redor das fraturas de alto fluxo resfria mais rapidamente, induzindo a contração termoporoelástica. Essa contração reduz a tensão normal nas paredes das fraturas, fazendo com que elas se abram mais e aumentem sua permeabilidade. Esse ciclo de feedback positivo agrava a não uniformidade do fluxo, levando a um "curto-circuito térmico", onde uma fratura dominante resfria rapidamente, causando uma queda abrupta na temperatura de produção e interrompendo a geração de eletricidade. Embora os Dispositivos de Controle de Fluxo (FCDs) sejam estabelecidos na indústria de petróleo e gás para equalizar perfis de injeção, sua aplicação em EGS tem sido estudada sem considerar plenamente a resposta termoporoelástica acoplada da matriz rochosa, que é o principal motor da redistribuição de fluxo em contextos geotérmicos.

Metodologia
Os autores empregaram simulações numéricas termo-hidro-mecânicas (THM) totalmente acopladas utilizando o simulador ResFrac para modelar uma única etapa de um lateral de EGS baseado em fraturamento hidráulico. O modelo conceitual representa um doublet de poços de injeção e produção com laterais horizontais, onde 8 clusters de perfuração por poço geram 10 fraturas distintas (9 interceptando ambos os poços, 1 terminando no poço de produção).

Principais características da modelagem:

• Física: O simulador resolve o balanço de sólidos, balanço de massa de fluido, balanço de energia e balanço de momento no poço, nas fraturas e na matriz rochosa. Ele modela explicitamente a mecânica de fratura, o transporte de proppant e as mudanças de tensão termoporoelástica.
• Termoporoelasticidade: O modelo contabiliza a contração da rocha induzida pelo resfriamento, que domina sobre a expansão poroelástica devido à pressurização, levando a mudanças na abertura das fraturas. O fluxo nas fraturas é governado por relações do tipo Forchheimer que consideram perdas de Darcy e não-Darcy, com transições entre estados mecanicamente abertos e fechados baseados na tensão normal efetiva.
• Cenários: Dois regimes iniciais de não uniformidade de fluxo foram testados:
  1. Não Uniformidade Moderada: Representativa de estimulações bem executadas (contraste < 1 ordem de magnitude).
  2. Alta Não Uniformidade: Representativa de uma fratura pré-existente e altamente condutiva que intercepta o doublet (contraste > 2 ordens de magnitude).
• Variáveis: As simulações rodaram ao longo de uma vida útil de 45 anos com taxas de fluxo de circulação variando de 90 a 150 kg/s. FCDs passivos (redução na contagem de perfurações e diâmetro) foram testados em três tempos de implantação: desde o início da circulação, preventivamente (3 anos antes do declínio térmico se acentuar) e reativamente (ao observar um acentuamento no declínio de temperatura).
• Métrica de Desempenho: A geração líquida cumulativa de eletricidade (total de eletricidade gerada menos os requisitos de potência de bombeamento) foi utilizada para avaliar a longevidade e eficiência do sistema.

Principais Resultados

1. Impacto da Taxa de Fluxo no Breakthrough Térmico: Altas taxas de fluxo de circulação (ex: 150 kg/s) produzem inicialmente maior eletricidade líquida, mas induzem um resfriamento rápido. Isso acelera a abertura termoporoelástica das fraturas dominantes, levando ao breakthrough térmico e causando temperaturas de produção oscilantes. No caso de não uniformidade moderada, taxas de fluxo superiores a 105 kg/s resultaram em menor eletricidade líquida cumulativa ao longo de 45 anos comparado a taxas menores, apesar do maior output inicial.
2. Mecanismo de Recuperação: O estudo observou um processo cíclico onde uma fratura dominante, após resfriar significativamente, experimenta uma transição de um estado aberto para um estado mecanicamente fechado (devido à tensão normal efetiva tornar-se positiva). Este fechamento reduz o fluxo para a fratura dominante, redistribuindo-o para fraturas mais quentes e menos resfriadas, recuperando temporariamente as temperaturas de produção. No entanto, isso leva à instabilidade e geração de energia inconsistente.
3. Implantação Ótima de FCD em Não Uniformidade Moderada: Para sistemas com não uniformidade inicial moderada, ativar FCDs reativamente — especificamente quando o monitoramento indica um acentuamento na tendência de declínio de temperatura (ex: no ano 24 para uma taxa de fluxo de 135 kg/s) — rendeu maior eletricidade líquida cumulativa do que o uso de FCDs desde o início. A ativação precoce impõe custos de potência de bombeamento desnecessários que reduzem a geração líquida durante os anos iniciais lucrativos.
4. Implantação Ótima de FCD em Alta Não Uniformidade: Em casos de não uniformidade inicial severa (ex: uma fratura pré-existente), o sistema está propenso ao curto-circuito térmico imediato. Aqui, implantar FCDs desde o início da circulação é essencial. Esta estratégia atenua significativamente a não uniformidade do fluxo, evita o breakthrough térmico precoce e gera significativamente maior eletricidade líquida cumulativa ao longo da vida útil de 45 anos em comparação com a circulação não controlada ou ativação tardia de FCD.
5. Trade-off de Potência de Bombeamento: A implementação de FCDs aumenta a pressão de cabeça do poço de injeção e os requisitos de potência de bombeamento. O estudo demonstra que o benefício líquido dos FCDs depende do equilíbrio entre este aumento de carga parasitária e os ganhos em temperatura de produção sustentada e mitigação do breakthrough térmico.

Significância e Alegações
O artigo estabelece um framework mecanístico para projetar estratégias de controle de fluxo em EGS baseados em fraturamento hidráulico. Ele alega que o tempo ideal para implantar FCDs passivos não é universal, mas estritamente dependente do regime de não uniformidade de fluxo inicial:

• Para não uniformidade moderada: Uma estratégia reativa (monitoramento e ativação ao observar sinais de breakthrough térmico) maximiza a eletricidade líquida cumulativa ao evitar penalidades precoces de bombeamento, enquanto ainda mitiga o curto-circuito térmico de longo prazo.
• Para não uniformidade severa: Uma estratégia proativa (implantar FCDs desde o início) é necessária para amortecer desequilíbrios extremos de fluxo e garantir a sustentabilidade térmica de longo prazo.

Os autores concluem que o monitoramento ativo da distribuição de fluxo e das tendências de declínio de temperatura é necessário para gerenciar a extração sustentável de calor. Eles postulam que, embora os FCDs passivos sejam eficazes, trabalhos futuros devem explorar FCDs ativos (que podem ajustar dinamicamente as taxas de fluxo alvo) para otimizar ainda mais a distribuição de fluxo. O estudo ressalta que simulações numéricas são críticas para determinar o design ideal e o tempo de instalação de FCDs para maximizar a longevidade econômica e térmica de projetos de EGS.