computational engineering analysis of the hydraulic-fracturing process

15
Journal Title Volume XX Issue XX, Month Year Journal Website 1 Computational Engineering Analysis of the HydraulicFracturing Process M. Grujicic *1 , R. Yavari, S. Ramaswami, J. S. Snipes, R. Galgalikar Department of Mechanical Engineering Clemson University, Clemson SC 29634, USA *1 [email protected] Received 14 May 2014; Accepted 25 February 2014; Published May 2014 © 2014 Science and Engineering Publishing Company Abstract Hydraulic fracturing (including horizontal drilling) is a technology widely employed to significantly increase the rate and extent of oil and natural gas production from deep (ca. 2 km) shale reservoirs. Past advancements in this technology have been mainly made using experimental, empirical and trialanderror approaches. Since the use of modern computational techniques has benefited many industries (such as transportation, defense, biomedical, pharmaceutical, etc.), it is hoped that the use of these techniques can yield similar benefits in oil and natural gas extraction from deepseated reservoirs. The present work provides a full threedimensional finiteelement analysis of the main stages of hydraulicfracturingstimulated fuel extraction from such reservoirs. Challenges associated with such an analysis due to nonlinear character and coupling between the mechanical response of saturated porous rock formations, their fracturing behavior and the fluid flow through the fracture and the flowinduced fracturing were all addressed. In contrast to the prior finiteelement analyses, the present work addresses the issues related to the intersection of naturallyoccurring fissures within the fuelbearing rock formations and the profile of sandinjection into the hydraulicfracturing fluid. The results obtained are used to judge the potential of hydraulicfracturing process optimization in maximizing the fuelextraction yield. Keywords Hydraulic Fracturing; Analysis of Porous Media; Finite Element Modeling Introduction The subject of the present work is computational modeling and simulations of the hydraulic fracturing (also known as “fracking”) process used for extraction of oil and/or natural gas from deep shale formations. Since this process has been mainly developed and advanced using purely empirical trialanderror approaches, it is hoped that the use of an engineering analysis and the employment of multiphysics computational methods and tools can make this process more economical, speed up its further development and, possibly, help address some of the concerns raised regarding the potential impact of this process on the environment. Based on the foregoing, the concepts most pertinent to the present work are: (a) the basics of hydraulic fracturing; and (b) prior work involving the use of advanced computational techniques in the analysis of the hydraulic fracturing process. These two aspects are reviewed briefly in the remainder of this section. The Basics of Hydraulic Fracturing Deep shale formations, which were created tens of millions of years ago, contain substantial deposits of trapped oil and natural gas. In recent years, new deepshaleformation fracturestimulation technologies (such as hydraulic fracturing, including horizontal drilling) have enabled the extraction of these oil and natural gas deposits in a timeefficient and costeffective manner. Since the shale reservoirs in question are located ca. 2 km below the surface, while natural water reservoirs are located at depths smaller than approximately 400 m, oil/natural gas extraction is claimed by the oil and gas industry to be safe to the environment. To further ensure that the impact on the freshwater aquifer is minimal, the holes drilled into the ground (used to reach the deep shale reservoirs) are lined with steel pipes (fixed in place using cement), so forming a barrier (commonly referred to as casing) between the bore and the surrounding earth. Despite these efforts by the oil and gas industry, the true impact (particularly its longterm component) of hydraulicfracturing/horizontaldrilling on the environment remains a subject of debate.

Upload: shirley-wang

Post on 02-Apr-2016

218 views

Category:

Documents


2 download

DESCRIPTION

http://www.seipub.org/aee/paperInfo.aspx?ID=6941 Hydraulic fracturing (including horizontal drilling) is a technology widely employed to significantly increase the rate and extent of oil and natural gas production from deep (ca. 2 km) shale reservoirs. Past advancements in this technology have been mainly made using experimental, empirical and trial-and-error approaches. Since the use of modern computational techniques has benefited many industries (such as transportation, defense, biomedical, pharmaceutical, etc.), it is hoped that the use of these techniques can yield similar benefits in oil and natural gas extraction from deep-seated reservoirs. The present work provides a full three-dimensional finite-element analysis of the main stages of hydraulic-fracturing-stimulated fuel extraction from such reservoirs. Challenges associated with such an analysis due to nonlinear character and coupling between the mechanical response of saturated porous rock formations, their fracturing

TRANSCRIPT

Page 1: Computational Engineering Analysis of the Hydraulic-Fracturing Process

Journal Title Volume XX Issue XX, Month Year                                                                                                                   Journal Website 

    1

Computational Engineering Analysis of the 

Hydraulic‐Fracturing Process  M. Grujicic *1, R. Yavari, S. Ramaswami, J. S. Snipes, R. Galgalikar 

Department of Mechanical Engineering  

Clemson University, Clemson SC 29634, USA 

*[email protected] 

Received 14 May 2014; Accepted 25 February 2014; Published  May 2014 

© 2014 Science and Engineering Publishing Company   Abstract 

Hydraulic  fracturing  (including  horizontal  drilling)  is  a 

technology  widely  employed  to  significantly  increase  the 

rate and extent of oil and natural gas production from deep 

(ca.  2  km)  shale  reservoirs.  Past  advancements  in  this 

technology  have  been  mainly  made  using  experimental, 

empirical  and  trial‐and‐error  approaches.  Since  the  use  of 

modern  computational  techniques  has  benefited  many 

industries  (such  as  transportation,  defense,  biomedical, 

pharmaceutical,  etc.),  it  is  hoped  that  the  use  of  these 

techniques  can yield  similar benefits  in oil and natural gas 

extraction  from  deep‐seated  reservoirs.  The  present  work 

provides  a  full  three‐dimensional  finite‐element  analysis of 

the  main  stages  of  hydraulic‐fracturing‐stimulated  fuel 

extraction  from  such  reservoirs. Challenges associated with 

such  an  analysis  due  to  nonlinear  character  and  coupling 

between  the mechanical  response of  saturated porous  rock 

formations,  their  fracturing  behavior  and  the  fluid  flow 

through  the  fracture  and  the  flow‐induced  fracturing were 

all addressed. In contrast to the prior finite‐element analyses, 

the  present  work  addresses  the  issues  related  to  the 

intersection  of  naturally‐occurring  fissures within  the  fuel‐

bearing rock formations and the profile of sand‐injection into 

the hydraulic‐fracturing fluid. The results obtained are used 

to  judge  the  potential  of  hydraulic‐fracturing  process 

optimization in maximizing the fuel‐extraction yield. 

Keywords 

Hydraulic Fracturing; Analysis of Porous Media; Finite Element 

Modeling 

Introduction

The  subject  of  the  present  work  is  computational 

modeling and simulations of  the hydraulic  fracturing 

(also known as “fracking”) process used for extraction 

of oil and/or natural gas  from deep shale  formations. 

Since  this  process  has  been  mainly  developed  and 

advanced  using  purely  empirical  trial‐and‐error 

approaches, it is hoped that the use of an engineering 

analysis  and  the  employment  of  multi‐physics 

computational  methods  and  tools  can  make  this 

process  more  economical,  speed  up  its  further 

development and, possibly, help address some of  the 

concerns raised regarding  the potential  impact of  this 

process on  the  environment. Based on  the  foregoing, 

the concepts most pertinent to the present work are: (a) 

the basics of hydraulic  fracturing; and  (b) prior work 

involving  the  use  of  advanced  computational 

techniques  in  the analysis of  the hydraulic  fracturing 

process. These two aspects are reviewed briefly in the 

remainder of this section. 

The Basics of Hydraulic Fracturing 

Deep  shale  formations,  which  were  created  tens  of 

millions  of  years  ago,  contain  substantial deposits  of 

trapped oil and natural gas. In recent years, new deep‐

shale‐formation  fracture‐stimulation  technologies 

(such  as  hydraulic  fracturing,  including  horizontal 

drilling) have  enabled  the  extraction of  these oil  and 

natural  gas  deposits  in  a  time‐efficient  and  cost‐

effective manner. 

Since the shale reservoirs in question are located ca. 2 

km below  the  surface, while natural water  reservoirs 

are  located at depths smaller  than approximately 400 

m, oil/natural gas extraction  is claimed by the oil and 

gas industry to be safe to the environment. To further 

ensure  that  the  impact  on  the  fresh‐water  aquifer  is 

minimal,  the  holes  drilled  into  the  ground  (used  to 

reach  the  deep  shale  reservoirs)  are  lined with  steel 

pipes  (fixed  in  place  using  cement),  so  forming  a 

barrier  (commonly  referred  to as casing) between  the 

bore and  the surrounding earth. Despite  these efforts 

by  the  oil  and  gas  industry,  the  true  impact 

(particularly  its  long‐term  component)  of  hydraulic‐ 

fracturing/horizontal‐drilling  on  the  environment 

remains a subject of debate. 

Page 2: Computational Engineering Analysis of the Hydraulic-Fracturing Process

Journal Website                                                                                                                           Journal Title Volume * Issue *, Month Year 

2  

In order  to  facilitate  the discussion, presented below, 

of the basic steps associated with hydraulic‐fracturing, 

a simple schematic of this process is depicted in Figure 

1. Typically, the hydraulic‐fracturing process  involves 

the  following  basic  steps:  (a)  the  initial  step  – within 

this  step, a vertical hole  is drilled while ensuring  the 

stability  of  the wellbore  and  integrity  of  the drill  bit 

(via  the use of a drill pipe). The drill pipe  is a  thick‐

walled,  flexible,  kilometer‐long  steel  pipe  which  is 

attached  to  the more‐rigid drill  stem  and,  in  turn,  to 

the  drill  bit  to  form  the  so‐called  “drill  string.”  To 

prevent drill‐bit  from  overheating  and  help with  the 

rock‐cutting  extraction,  drilling  is  carried  out  in  the 

presence of circulating water; (b) the casing‐construction 

step  – when  the wellbore  is  significantly deeper  than 

any  local  aquifer,  drilling  is  temporarily  ceased,  the 

drill pipe  removed  and  the wellbore  lined with  steel 

pipes.  Next, wet  cement  is  pumped  down  the  pipe 

under  sufficiently  high  pressure  to  ensure  that,  once 

the cement has reached  the bottom of  the hole,  it can 

flow upward and  fill  the gap between  the casing and 

bore‐hole wall. Upon hardening of the cement, a low‐

permeability barrier  (called  surface  casing)  is  created 

between  the  bore‐hole  and  the  deep  shale 

surroundings.  To  further  minimize  the  exchange  of 

fluids between the bore and the surrounding aquifers, 

additional  casing  layers  may  be  employed;  (c)  the 

horizontal‐drilling step – the vertical drilling and casing 

construction  continue  until  the  desired  depth  (also 

known as the “kick‐off point”) is reached. Beyond this 

point,  the  direction  of  drilling  begins  to  acquire  a 

horizontal  component,  and  ultimately  becomes 

horizontal.  One  of  the  perceived  advantages  of 

horizontal drilling is that one vertical hole can be used 

to  generate  multiple  horizontal‐bore  sections, 

minimizing  the potential negative effect of drilling  to 

the  surface  environment. When  the desired  length of 

the  horizontal  section(s)  of  the  bore  is  reached,  the 

drilling gear  is  removed  and  the horizontal  casing  is 

placed  and  secured;  (d)  the  casing‐perforation  step  – 

since,  at  this  point,  the  rock  formation  containing 

trapped oil/gas  is  isolated  (in a  fluid‐exchange  sense) 

from the bore due to the presence of the impermeable 

cement/steel casing, preventing seepage of  the oil/gas 

into  the  wellbore,  a  local  connection  between  the 

reservoir  and  bore must  be  established. This  is done 

by  lowering  and  guiding  a  specialized  shape‐charge 

gun  to  the desired  location within  the wellbore. The 

gun  is  next  fired  to  create  perforations  in  the  casing 

and  cracks/holes  in  the  adjacent  rock  formation;  (e) 

hydraulic‐fracturing  step  –  upon  the  removal  of  the 

perforating gun from the wellbore, a mixture of water, 

FIGURE 1. A SCHEMATIC OF THE HYDRAULIC FRACTURING/FRACKING PROCESS INVOLVING HORIZONTAL DRILLING. 

PLEASE SEE TEXT FOR DETAILS. 

Page 3: Computational Engineering Analysis of the Hydraulic-Fracturing Process

Journal Title Volume XX Issue XX, Month Year                                                                                                                   Journal Website 

    3

chemicals and sand are pumped, under high pressure, 

into  the  wellbore  and,  via  the  aforementioned 

perforations,  into  the  deep  underground  reservoir 

formations. The chemicals used (typical concentrations 

of which are  in  the  range of 0.1  to 0.5 vol. %) have a 

number  of  roles,  such  as:  (i)  reducing  friction 

accompanying  flow  of  the  hydraulic‐fracturing  fluid; 

(ii)  inhibiting bacteria  formation; and  (iii) minimizing 

the  tendency  for  sand‐particle  coalescence.  The 

application  of  high  pressure  causes  hydraulic‐

fracturing/fracking of the deep underground reservoir, 

while  the  presence  of  sand  (also  referred  to  as 

“proppant”)  within  the  hydraulic‐fracturing  fluid 

ensures  that the cracks remain open upon removal of 

the  applied  pressure.  These  processes  stimulate  a 

higher rate of extraction of oil and gas from  the deep 

underground  reservoirs;  (f)  stimulation‐segment 

isolation step – next, specially designed plugs are used 

to isolate the newly‐created stimulation segments, and 

the  casing‐perforation  and  hydraulic‐fracturing  steps 

repeated  to  generate  additional  stimulated  segments. 

This  process  is  repeated  multiple  times  along  the 

horizontal  section of  the well,  the  section which may 

extend several kilometers; (g) production step – once all 

the  desired  stimulation  segments  are  created,  the 

isolation plugs are drilled out, the pressure is relieved, 

and  the  extraction  of  the  previously  trapped  fuel 

begins. In the initial portion of this step, the extraction 

consists mainly of  the hydraulic‐fracturing  fluid. This 

fluid is separated from the fuel and either: (i) recycled 

for use in subsequent hydraulic‐fracturing operations; 

or  (ii)  safely  disposed  of  in  accordance  with 

government  regulations.  Subsequent  extractions 

consist mainly  of  the  released  fuel which  first  flows 

through the horizontal section and then up the vertical 

section of the wellbore.  

Prior Hydraulic‐Fracturing Computational Work 

Modeling  of  hydraulic  fracturing  is  a  fairly 

complicated  task,  since  it must  account  for  coupling 

between  four  basic  processes:  (a)  deformation  of  the 

rock  formation  induced by  the  injected‐fluid pressure 

acting  on  the  fracture/crack  faces;  (b)  viscous‐fluid 

flows within the fracture; (c) propagation/extension of 

the  fracture  into  the  rock  formation,  induced  by  the 

sustained  application of  the hydraulic‐pressure/fluid‐

flow; and (d) hydraulic‐fracturing fluid “leakoff” from 

the  fracture  into  the  adjacent  rock‐formation.  The 

challenges  associated  with  hydraulic‐fracturing 

process  modeling  are  further  compounded  by  the 

nonlinear  characters  of  the  differential/algebraic 

equations  governing  these  four  processes.  These 

equations  include:  (a)  a  mechanical  constitutive 

(algebraic‐type)  relation  linking  the  pressure  within 

the fracture to the fracture‐opening and, in turn, to the 

deformation of  the surrounding  rock  formation;  (b) a 

nonlinear  fluid‐flow differential  equation  relating  the 

rates  of  flow  and  fluid  accumulation  to  the  fracture 

opening  and  the  gradient  of  the  fluid pressure;  (c)  a 

fracture‐propagation  law  (e.g. a  linear‐elastic  fracture 

mechanics,  LEFM,  relation which  links  the  fracture‐

length  increase to the relative magnitude of the fluid‐

induced  stress  intensity  factor  and  its  critical  rock‐

formation toughness‐quantifying counterpart); and (d) 

a  diffusion‐type  differential  or  algebraic  relation 

governing fluid leakoff through the fracture faces. 

The  analytical‐modeling  efforts  reported  in  the  open 

literature  [e.g.  Jeffrey  et  al.  (2001)]  have  focused  on 

simplified  (and  predetermined)  fracture  geometries 

(e.g.  penny‐shaped  cracks)  and  utilized  simplified 

distributions (e.g. uniform distribution) of the pressure 

over the fracture faces. These simplifications could be 

considered  as  being  of  a  major  character  when 

analyzing  the  full‐scale  hydraulic  fracturing  process 

and,  consequently,  analytical  solutions  have 

demonstrated  relatively  little utility  in  these contexts. 

This is the reason that the majority of the most recent 

non‐experimental  efforts  have  focused  on  the  use  of 

advanced  numerical  methods  and  tools  in  order  to 

analyze the hydraulic‐fracturing process.  

In  the  late  1970s,  the  so‐called  “pseudo‐3D” model, 

perhaps  the  first  reported  hydraulic‐fracturing 

numerical model, was developed by Clifton (1989). In 

order  to address  the phenomena such as: (a) complex 

three‐dimensional  geometry  of  the  hydraulic 

fracturing;  and  (b)  complex  interactions  between  the 

four  coupled  phenomena/processes  discussed  above, 

additional models have been proposed by Adachi et al. 

(2007), and Zhang et al. (2007). Subsequent efforts used 

innovative computational methods and  tools, such as 

the  extended  finite  element  methods  (XFEM) 

[Lecampion  (2009)],  capable  of handling  singularities 

such as those associated with the crack tip, within the 

LEFM  formalism,  and  the  discrete‐element  methods 

(methods  which  treat  porous  material  not  as  a 

continuum  but  rather  as  an  assembly  of  interacting 

and/or bonded particles) [Zhao et al. (2008), Grujicic et 

al.  (2013ab)].  The  most  recent  numerical‐modeling 

efforts  have  focused  on  issues  such  as:  (a)  potential 

contamination  of  shallow  aquifers  [Gassiat  et  al. 

(2013)];  (b)  optimization  of  the  hydraulic‐fracturing 

process [Zhu et al. (2013)]; and (c) identification of the 

factors affecting well productivity [Lv et al. (2013)].  

Page 4: Computational Engineering Analysis of the Hydraulic-Fracturing Process

Journal Website                                                                                                                           Journal Title Volume * Issue *, Month Year 

4  

Despite  all  these  recent  advances  in  the  numerical 

analysis  of  the  hydraulic‐fracturing  process,  this 

engineering  and  scientific  field  needs  additional 

maturing before its predictions can become a bona fide 

complement or substitute to the experimental field‐test 

data. The work presented in the current manuscript is 

an attempt to further advance the numerical approach 

to  the  computational  investigation  of  the  hydraulic‐

fracturing  process,  and  is  a  continuation  of  our 

previous study [Grujicic et al. (2013c)].   

Main Objective 

The main  objective  of  the  present work  is  to  utilize 

cohesive‐zone  finite elements  in order  to numerically 

investigate  the  hydraulic‐fracturing  process  resulting 

in  the  formation  of  vertical  fractures.  The  cohesive‐

zone  finite‐element  approach  is  an  alternative  to  the 

finite‐element approach based on the use of the LEFM. 

As pointed  out  earlier,  the use  of  the LEFM  and  the 

zero‐opening  crack‐tips  led  to  stress  singularities  at 

the  crack  tip.  Such  singularities  posed  a  severe 

numerical  challenge  to  the  finite  element  method, 

which could be resolved only through the use of crack‐

tip‐tracking  adaptive‐meshing  schemes  and  through 

the  use  of  special  hybrid  elements  [e.g. Grujicic  and 

Cao  (2002)].  These  remedial  schemes  are 

computationally  quite  costly,  rendering  a  full  three‐

dimensional  analysis  of  the  hydraulic‐fracturing 

process impractical or impossible. In addition to stress 

singularities,  zero‐opening  crack  tips  gave  rise  to 

singularities  in  the  degenerate  partial  differential 

equation  governing  viscous  flow  of  the  hydraulic‐

fracturing  fluid  through  the  fracture  [Peirce  and 

Detournay  (2008)].  Remedy  of  this  problem  was 

associated  with  yet  further  increases  in  the 

computational cost.  

In  sharp  contrast  to  the  LEFM,  the  cohesive‐zone 

finite‐element  approach  treats  rock‐formation 

fractures  as  having  finite  opening  even  in  the  un‐

cracked  state.  Consequently,  stress  singularities  and 

the  associated  singularities  in  the  degenerate  partial 

differential  equation  are  avoided.  This  leads  to  a 

considerably  reduced  computational  cost. Additional 

savings  in  the  computational  cost  through  the use of 

cohesive‐zone elements results in close tracking of the 

crack‐tip position not being  required  (the position of 

the crack tip is a normal outcome of the finite element 

method). In sharp contrast, in the case of LEFM finite‐

element  analysis,  fracture  evolution  entails 

(computationally  expensive)  tracking  of  the  current 

location  of  the  crack‐tip.  In  addition,  the  cohesive 

zone‐based  finite  element  approach  offers  additional 

capabilities  of  interest  for  modeling  the  hydraulic‐

fracturing process, such as: (a) initiation of new cracks 

within the rock formation, as well as coalescence of the 

existing  cracks  and  fragment  formation;  and  (b) 

initiation  of  the  fracture within  the  borehole  casing. 

The  advantages  of  the  cohesive‐zone  finite  element 

approach  identified  above  enable  this method  to  be 

employed  in  the  analysis  of  a  large‐scale  hydraulic‐

fracturing process.  

The finite element method which utilizes the cohesive‐

zone approach has already been applied with success 

to  the  analysis  of  fracture  in  a  variety  of 

materials/systems  including  metals,  ceramics, 

polymers,  and  hybrids  [Grujicic  et  al.  (2009b,  2012)]. 

This approach was recently used by Zhang et al. (2012) 

and  Zhang  et  al.  (2010)  to  investigate  the  hydraulic‐

fracturing  process.  The  present  work  advances  the 

approach  and  the  analysis  reported  by  Zhang  et  al. 

(2012)  and  Zhang  et  al.  (2010)  in  the  direction  of  (i) 

revealing  the  role  natural  fissures  intersected  by 

hydraulic fractures play in the degree of fuel‐reservoir 

stimulation;  and  (ii)  clarifying  the  effect  of  sand 

concentration and its injection profile (i.e. variation of 

the  sand concentration with  time)  into  the hydraulic‐

fracturing  fluid  on  the  success  of  the  hydraulic‐

fracturing process. 

Porous-Medium/Fluid-Flow/Fracture Coupled Analysis

Modeling  and  simulation of hydraulic  fracturing  is  a 

complex  endeavor  and  involves  mathematical  and 

numerical  treatment  of  two  interacting/coupled 

phenomena/processes,  each  of  which  is  itself  fairly 

complex  [Dassault  Systèmes  (2011)].  The  two 

processes  involved  include:  (a)  flow of  the hydraulic‐

fracturing fluid through the wellbore, perforations and 

fractures, and the accompanying additional fracturing; 

and (b) fluid flow within the surrounding porous rock 

formation and its accompanying deformation. The two 

phenomena are coupled  through:  (a)  the  fluid  leakoff 

through  the  wellbore/fracture  surfaces;  and  (b)  the 

fluid  pressure  acting  as  traction  on  the  fracture 

surfaces. Due  to  space  limitations,  only  a  qualitative 

synopsis of the main concepts and functional relations 

associated  with  the  modeling  and  simulation  of 

hydraulic fracturing is provided in this section. 

Continuum Analysis of Porous Media 

Pore fluid diffusion/stress‐coupling types of problems 

involve single‐phase, partially‐ or fully‐saturated fluid 

Page 5: Computational Engineering Analysis of the Hydraulic-Fracturing Process

Journal Title Volume XX Issue XX, Month Year                                                                                                                   Journal Website 

    5

flow  through  porous  media.  Such  problems  can  be 

analyzed  under  a  variety  of  conditions,  such  as:  (a) 

including/excluding  the  pore  fluid  weight;  (b) 

including/excluding heat transfer due to conduction in 

the  soil  skeleton  and  the  pore  fluid,  and  convection 

due  to  the  flow  of  the  pore  fluid;  (c)  time‐

dependent/transient  or  time‐invariant/steady‐state 

scenarios;  (d)  including/neglecting  nonlinear 

geometrical and/or material effects; and  (e)  including 

potential contacts between the model components. 

1) Porous Medium Effective‐Stress Principle 

It  is a common practice  to assume  that  the porous 

medium  consists  of  a  solid  skeleton  and 

(connected/isolated)  pores  filled  with  up  to  two 

distinct fluids: (a) a nearly‐incompressible “wetting 

liquid”; and (b) a compressible gas. A dry medium 

contains only the gas; a partially‐saturated medium 

contains both fluids; and a fully‐saturated medium 

contains only the wetting liquid. The wetting liquid 

can be present either as a free‐flowing or a trapped 

liquid (in the case of isolated pores and/or presence 

of a material which absorbs the liquid and forms a 

gel).  It  should  be  noted  that  the  present work  is 

concerned with a saturated porous medium which 

does  not  contain  trapped  fluid,  the  conditions 

which are commonly encountered in the hydraulic‐

fracturing process. 

When analyzing  the  total (true Cauchy) stress at a 

material point within  the porous medium, σ ,  this 

quantity  is commonly assumed to be composed of 

three  parts:  (a)  the  so  called  “effective  stress,”  σ , 

associated with the solid skeleton; (b) the pressure 

associated with the wetting liquid,  wp ; and (c) the 

pressure associated with the gas/air,  ap . 

In  the  analysis  of  porous media,  two  parameters 

are often encountered/used in order to quantify the 

fraction  of  the  porous‐medium  volume  occupied 

by the fluid: (a) porosity, n – the ratio of the volume 

of voids  to  the  total volume; and  (b) void ratio,  e – 

the ratio of  the volume of voids  to  the sum of  the 

volumes  occupied  by  the  solid  skeleton  and  the 

trapped fluid. The two quantities are related by the 

equation  nne 1 . 

It should be noted that porosity, n, or void ratio, e, 

(and,  in  the  case  of  a  partially  saturated  porous 

medium,  saturation,  s)  are  state  variables  of  the 

porous medium which define morphological  (and 

saturation) state of the porous medium and evolve 

with  deformation/loading  of  this  medium. 

Consequently, the appropriate evolution equations 

for these quantities must be defined. 

2) Equilibrium Equation for a Porous Medium 

The  first  porous‐medium  governing  equation 

involves an equilibrium equation which, within the 

current configuration,  is generally expressed using 

the principle of virtual work. 

3) Constitutive Response of Porous‐Medium 

Components 

The  porous medium  is  generally  considered  as  a 

mixture  of  the  solid‐skeleton  phase,  entrapped 

fluid  (assumed  to  be  integrated  within  the  solid 

matter),  and  voids  (filled with wetting  and  non‐

wetting  fluids).  Thus,  to  completely  define  the 

constitutive  behavior  of  a  porous  medium,  one 

must  specify:  (a)  volumetric  responses  of  the 

wetting,  non‐wetting  and  trapped  fluids.  As 

mentioned  earlier,  the  contribution  of  the  non‐

wetting  fluid  and  that  of  the  trapped  fluid 

(typically lumped with the solid material response) 

are  ignored  in  the  present  work;  (b)  volumetric 

response  of  the  solid  skeleton;  and  (c)  deviatoric 

response of the solid skeleton. 

Volumetric Constitutive Response of the Wetting Liquid: 

Under  isothermal  conditions  at  the  reference 

temperature,  at  which  the  contribution  of  the 

thermal  strains  can  be  neglected,  the  volumetric 

constitutive  response  of  the  wetting  fluid  is 

typically  expressed  by  a  pressure  vs.  density 

relation. 

Volumetric Constitutive Response of the Solid Skeleton: 

As  far  as  the  volumetric  constitutive  response  of 

the solid skeleton is concerned, it is also defined by 

a solid‐material density  g  vs. pressure relation. 

Deviatoric  Response  of  the  Solid  Skeleton:  The 

deviatoric  constitutive  response  of  the  solid 

skeleton  is  assumed  to  be  governed  by  the 

extended  linearized  Drucker‐Prager  model 

[Grujicic  et  al.  (2009a)].  Before  this model  can  be 

applied  to  compute  the  effective  stress within  the 

solid  skeleton, one must determine  the  fraction of 

the porous‐medium strain which  is allotted  to  the 

solid skeleton, i.e. the effective strain.  

The  effective  strain  tensor  can  be  defined  as  the 

difference  between  the  overall  strain  tensor 

experienced locally by the porous medium and the 

Page 6: Computational Engineering Analysis of the Hydraulic-Fracturing Process

Journal Website                                                                                                                           Journal Title Volume * Issue *, Month Year 

6  

so‐called  “moisture‐swelling  strain  tensor,”  defined 

as  the  sum  of:  (a)  a  volumetric  strain  tensor, 

resulting  from  the  wetting‐liquid  pressure  acting 

on  the  solid matter;  and  (b)  the  volumetric  strain 

tensor  produced  by  the  entrapped  liquid  and  gel 

formation (ignored in the present work). 

4) Wetting‐Liquid Continuity Equation in Porous 

Media 

The  second  governing  equation  for  the  porous 

medium  is  the wetting‐liquid  continuity  equation 

which relates the rate of change of the fluid mass at 

a point to the net flux of the fluid at the same point. 

5) Porosity Evolution Equation 

This  equation must be  specified  in order  to make 

the system of governing equations determinate. 

Material Models 

Within  the  present  work,  three  types  of  material 

constitutive models were used  in order  to define:  (a) 

the effective mechanical response of the solid skeleton; 

(b)  the  fracture  of  the  porous  medium  and  the 

associated fluid exchange between the rock formation 

and  the wellbore; and  (c)  the mechanical  response of 

the casing. 

1) Extended Drucker‐Prager Solid‐Material Model 

The  rock‐shale‐formation  layers  were  modeled 

using the extended Drucker‐Prager material model. 

This  type  of material model  is  generally  used  to 

represent the constitutive behavior of the (frictional) 

granular  and  geological  (e.g.  rock‐type) materials 

which  display  pressure‐dependent  yield  behavior 

(or,  more  specifically,  which  display  a  higher 

resistance  toward  inelastic  deformation  under 

higher pressures).  

2) Cohesive‐Zone Porous Material Model 

Hydraulic  fracturing  was  modeled  by  placing 

cohesive‐zone  materials  between  the 

solid/continuum portion of the model. A schematic 

of  three  adjoining  cohesive  elements  in  the  crack‐

tip  region  is  given  in  Figure  2.  In  contrast  to  the 

bulk‐continuum  materials  for  which  the 

constitutive  behavior  was  described  in  terms  of 

stresses,  strains,  strain  rates,  etc.,  the  constitutive 

behavior  of  (interfacial)  cohesive  materials  was 

more  conveniently  and  physically  more 

appropriately  (due  to  negligible  thickness  of  the 

interface)  defined  in  terms  of  the  (normal  and 

tangential)  traction  versus  separation  functional 

relations.  

FIGURE 2. A SCHEMATIC OF THREE ADJOINING COHESIVE 

ELEMENTS IN THE CRACK‐TIP REGION, WITH THE 

DIRECTIONS OF TANGENTIAL AND NORMAL/LEAKOFF 

FLOW INDICATED. 

3) Casing Material Model 

The  casing  was  composed  of  steel  pipes  and 

cement‐based  bonding  layers.  For  simplicity,  the 

material  of  the  casing  was  homogenized  and 

treated as an  isotropic  linear‐elastic material, with 

its  elastic  properties  scaling  weighted  by  the 

volume fractions of the steel and cement materials 

in the casing. 

Problem Formulation and Analysis

As mentioned earlier, the hydraulic‐fracturing process 

is generally used  in order to  increase the output from 

and lifetime of deep‐shale reservoirs of oil and natural 

gas. This is accomplished by: (i) increasing the surface 

area  of  the  fuel‐bearing  rock  formation;  and  (ii) 

providing a low‐resistance flow path for the fuel being 

extracted.  Hydraulic  fracturing  accomplishes  these 

goals  through  the  use  of  high‐pressure  fluids which 

can  overcome  high  compressive  stresses  within  the 

rocks  and  cause  crack  formation  and  growth.  The 

efficiency of hydraulic fracturing is mainly affected by: 

(a) the extent of  induced fracture; (b) the connectivity 

between  the  fracture  and  the well  bore;  and  (c)  the 

extent  to  which  hydraulically‐induced  fracture 

intersects with naturally‐occurring rock fissures.  

As  discussed  in  greater  detail  in  the  Introduction 

section  of  this manuscript,  hydraulic  fracturing  is  a 

complex  process, which  involves  a  number  of well‐

defined  steps.  Since  these  steps  were  described  in 

great  detail  in  the  Introduction  section,  a  similar 

discussion will not be provided here. However, as will 

be  shown  later,  the main  hydraulic‐fracturing  steps, 

i.e.: (i) the geostatic equilibration step following initial 

drilling/casing‐construction;  (ii)  hydraulic‐fracturing 

fluid‐pumping  step;  (iii) proppant‐injection  step;  and 

(iv) production step, are analyzed in the present work.  

Page 7: Computational Engineering Analysis of the Hydraulic-Fracturing Process

Journal Title Volume XX Issue XX, Month Year                                                                                                                   Journal Website 

    7

The  main  problem  analyzed  in  the  present  work 

involves  a  finite‐element  analysis  of  the  hydraulic 

fracturing enhancement in the rate of extraction of the 

fuel  from  the  deep‐shale  reservoir.  Two  specific 

aspects of the problem are the focus of the work: (i) the 

role of the natural fissures intersected by the hydraulic 

fractures  in  enhancing  the  rate of  fuel  recovery  from 

the  reservoir;  and  (ii)  the  effect  of  the  sand 

concentration in the hydraulic‐fracturing liquid and its 

injection  profile  on  the  success  of  the  hydraulic‐

fracturing process. 

Numerical  investigation  of  such  a  problem  typically 

involves  the  following  steps:  (a)  specifying  the 

geometrical model;  (b)  specifying  the meshed model; 

(c)  defining  the  material  constitutive  models;  (d) 

specifying  initial  conditions;  (e)  specifying  boundary 

conditions  and  loading;  (f)  specifying  computational 

algorithm and  tool; and  (g) estimating computational 

accuracy, stability and cost. 

Geometrical Model: The geometrical model analyzed  in 

the  present  work  involves  a  three‐layer  hollow 

circular‐disk  computational  domain  with  the 

following  overall  dimensions:  outer  radius  =  200 m, 

inner  radius  =  0.1  m,  top  layer  thickness  =  10  m, 

middle layer thickness = 20 m, bottom layer thickness 

= 20 m. The top surface of the computational domain is 

assumed  to  be  located  at  the  depth  of  2100 m.  The 

three layers analyzed include the middle layer, which 

is the primary target of fuel extraction, and the top and 

bottom shale layers. The inner hole in the geometrical 

model was used  to  represent  the vertical wellbore. A 

schematic of the geometrical model used  is displayed 

in Figure 3(a). 

Meshed Model: Due  to  the  inherent  symmetry  of  the 

geometrical model about  the x=0 plane, only one half 

of  the  geometrical  model  described  in  the  previous 

FIGURE 3. (A) GEOMETRICAL AND (B) MESHED MODELS USED IN THE PRESENT FINITE ELEMENT ANALYSIS OF THE 

HYDRAULIC‐FRACTURING PROCESS. 

Page 8: Computational Engineering Analysis of the Hydraulic-Fracturing Process

Journal Website                                                                                                                           Journal Title Volume * Issue *, Month Year 

8  

section was meshed and analyzed. The meshed model 

consisted of  three distinct  sections:  (a) a bulk  section 

used to represent the three rock‐formation layers. This 

region is discretized using 9600 eight‐node continuum 

degrees  of  freedom.  Each  of  these  elements  also 

contains an additional set of four nodes located at the 

crack mid‐surface. These nodes were used to place the 

additional  degrees  of  freedom  associated  with  the 

cohesive‐zone  pore‐pressure  elements,  i.e.  the 

tangential mass flow rate; and (c) a membrane region 

covering the central hole of the computational domain, 

and representing the wellbore casing. This section was 

meshed  using  480  four‐node membrane  elements. A 

typical finite‐element mesh used in the present work is 

displayed in Figure 3(b). 

Material  Models:  The  material  models  used  in  the 

present work were overviewed in Section III. It should 

be  recalled  that:  (a)  an  extended  linearized Drucker‐

Prager model was  used  for  the  bulk materials;  (b)  a 

linear‐elastic/linear‐damage  traction  vs.  separation 

material  constitutive  law  with  a  quadratic  traction‐

interaction damage‐initiation criterion and an energy‐

based  mixed‐mode  damage‐evolution  law  were 

employed  to model  hydraulically‐induced  fracturing 

within  the  rock‐formation.  In  addition,  a  constitutive 

model was used to describe the tangential (i.e. parallel 

to  the  crack  faces)  flow  of  the  hydraulic‐fracturing 

fluid  through  the cohesive elements and  their  leakoff 

through  the  crack  faces;  and  (c)  the wellbore  casing 

was modeled using a linear‐elastic isotropic material. 

Initial  Conditions:  To  define  the  initial  (equilibrated) 

state of the materials within the computational domain, 

the  following quantities and  their  spatial distribution  

(i.e. depth‐dependence) were specified:  (a) void ratio; 

(b)  pore  pressure;  and  (c)  gravity‐induced,  geostatic, 

orthotropic  (compressive)  stress  field  with  the 

maximum  (i.e.  the  least  negative)  principal  stress 

being  aligned  in  a  direction  orthogonal  to  the 

cohesive‐element fracture faces (i.e. in the y‐direction). 

The depth‐dependence of these quantities in the initial 

configuration  of  the  computational domain  is  shown 

in Figures 4(a)–(c), respectively.   

It  should  be  recalled  that, within  the  present  finite‐

element  model,  the  cohesive‐zone  mid‐plane  is 

orthogonal  to  the  y‐direction.  Examination  of  the 

results displayed in Figure 4(c) reveals that the normal 

stress  within  the  x‐y  plane  is  the  lowest  in  the  y‐

direction. This  is consistent with  the  fact  that  fracture 

extends  within  a  plane  of  least  resistance,  that  is, 

within a plane which is perpendicular to the direction 

of the minimum/least‐negative principal in situ (crack‐

closing) compressive stress. 

Boundary Conditions and Loading: As mentioned earlier, 

the analysis carried out involved four distinct loading 

steps.  The  following  boundary/loading  conditions 

were  applied  to  all  four  steps:  (i)  the  symmetry 

boundary conditions were applied to the x=0 plane; (ii) 

the  zero‐displacements  in  the  direction  of  the  local‐ 

surface  normalwere  applied  to  the  bottom  and  the 

circumferential faces of the model; (iii) the top face of 

the model was  subjected to the uniform (overburden) 

normal  surface  traction;  and  (iv)  a  distributed 

gravitational  load was  applied  to  all  portions  of  the 

model  in  the  negative  z‐direction.  The 

boundary/loading  conditions  unique  to  the  four 

phases were  applied  as  follows:  (a)  geostatic step  –  in 

this  step,  the  so‐called  shut‐in  pressure  was  first 

applied,  in  the  form  of  surface  tractions,  to  the 

wellbore  in  order  to  ensure  zero‐stress  conditions 

along  the  surface  of  the wellbore.  Then,  the  overall 

mechanical  equilibrium  was  ensured  through  the 

application of the geostatic computational analysis; (b) 

hydraulic‐fracturing  step  –  in  this  30‐minute‐long 

transient  step,  an  initial  8 m  long  vertical,  centrally‐

located perforationwas  first created within the casing 

of  the  middle  layer  by  assigning  an  initial  crack 

opening  to  the  associated  cohesive  elements. Then,  a 

2.5 m3/min (or 15 barrels/min) volumetric flow rate of 

the hydraulic‐fracturing fluid, ramped from zero over 

the  first  200  s,  was  assigned  to  the  perforated/pre‐

cracked  cohesive  elements  of  the  casing. During  this 

step,  increases  in  pressure  caused:  (i)  crack‐opening 

enlargement within  the  pre‐cracked  and water‐filled 

cohesive  elements;  (ii)  the  tangential  flow  of  the 

hydraulic‐fracturing  fluid  into  the  adjacent  cohesive 

elements  and  their  fracturing;  and  (iii)  leakoff  of  the 

hydraulic  fracturing  fluid  into  the  surrounding  bulk 

material;  (c)  proppant‐injection/retention  step  –  in  this 

120‐minute‐long  transient  step,  the  sand  present 

within  the  previously‐injected  fluid  was  retained 

within  the  rock  fractures  in  order  to maintain  these 

fractures  open  (for  providing  a  low‐resistance  flow 

path  for  the  fuel  to  be  extracted).  This  was 

accomplished  by:  (i)  terminating  fluid  injection  into 

the well, while  allowing  the  increased pore  pressure 

within the fracture to bleed off into the formation; and 

(ii) fixing the cohesive‐element nodes at their positions 

attained at  the completion of  the hydraulic‐fracturing 

step;  and  (d)  production  step  –  in  this  240‐hour‐long 

transient step, a (lower) drawdown pressure of 20 kPa 

was    applied  to  the  wellbore  nodes  of  the  fracture 

Page 9: Computational Engineering Analysis of the Hydraulic-Fracturing Process

Journal Title Volume XX Issue XX, Month Year                                                                                                                   Journal Website 

    9

cohesive elements, which promoted reverse  leakoff of 

the  fuel  into  the  cohesive  elements and,  in  turn,  into 

the wellbore.  

 

FIGURE 4. INITIAL CONDITIONS USED IN THE FINITE 

ELEMENT ANALYSIS TO PRESCRIBE DEPTH‐ AND LAYER‐

DEPENDENCES OF: (A) VOID RATIO; (B) PORE PRESSURE; AND 

(C) NEGATIVES OF THE THREE PRINCIPAL STRESSES. 

Computational Algorithm  and Tool: All  the  calculations 

carried out  in  the present work  involved  the use of a 

transient,  porous‐solid/viscous‐fluid  coupled  implicit 

finite‐element algorithm. The analysis was carried out 

under  isothermal  conditions,  i.e.  no  thermal  effects 

associated with  the  viscous‐fluid  flow  or  the  porous 

medium  in  elastic  deformation/fracture  were 

considered. All the calculations were performed using 

ABAQUS/Standard,  a  general‐purpose  finite  element 

solver  [Dassault Systemes  (2011)]. To  take  advantage 

of  the  more  advanced  features  of  this  tool,  many 

aspects  of  the  model  associated  with  the  spatially‐

varying  initial conditions and  time‐varying boundary 

and loading conditions were handled through the use 

of the appropriate user subroutines. 

Computational Accuracy, Stability  and Cost: A  standard 

mesh  sensitivity  analysis was  carried out  (the  results 

not  shown  for  brevity)  in  order  to  ensure  that  the 

results  obtained  were  accurate,  i.e.  insensitive  to 

further  reductions  in  the  size  of  the  elements  used. 

Due  to  the  use  of  the  implicit  numerical‐solution 

algorithm,  the  analysis  carried  out  was 

unconditionally  stable.  A  typical  analysis  involving 

the  aforementioned  durations  of  the  four  hydraulic‐

fracturing  steps,  followed  by  a  detailed  post‐

processing  data  reduction  analysis,  required  on 

average 90 minutes of  (wall‐clock)  time on a 12‐core, 

3.0 GHz machine with 16 GB of memory. 

TABLE 1. POROUS, COHESIVE AND CASING MATERIAL MODEL 

PARAMETERS AND THE HYDRAULIC‐FRACTURING PROCESS PARAMETERS 

USED IN THE PRESENT WORK 

Parameter  Symbol  Units  Value

Poisson’s Ratio shale/target 

N/A 0.2 

casing  0.3 

Young’s Modulus 

Eshale 

GPa 

8.0 

Etarget  12.0 

Ecasing  2.0 

Friction Angle shale 

deg 29 

target  36 

Strength Ratio Kshale 

N/A 1.0 

Ktarget  0.95 

Dilation Angle shale 

deg 29 

target  36 

Compressive Strength shale 

MPa 30 

target  38 

Interfacial Stiffness  Knn, Kss, Ktt  GPa/m 85 

Damage Initiation Tractionstshale 

kPa 100 

ttarget  320 

Fracture Energy  Gn, Gs, Gt  kJ/m2  28 

Fracture Exponent  N/A  2.284 

Fluid Viscosity  kPa s  1.0 

Leakoff Coefficient  Kleak‐off  kg/m4/s 5.88E‐7

Draw‐down Pressure  Pdraw‐down  MPa  20 

Depth, m

Void

Ratio

,NU

2100 2110 2120 2130 21400.18

0.2

0.22

0.24

0.26

0.28

0.3

0.32

0.34

0.36

(a)

Top Layer

MiddleTarget Layer

Bottom Layer

Depth, m

Pore

Pre

ssure

,MP

a

2100 2110 2120 2130 214024.1

24.2

24.3

24.4

24.5

24.6

24.7

(b)

Top Layer

Middle Target Layer

Bottom Layer

Depth, m

Negativ

eofth

eP

rinci

palS

tress

es,

MP

a

2100 2110 2120 2130 2140

11

12

13

14

15

16

17

18

Boundary 1

Boundary 2

11

22

33

(c)

Top Layer

Middle Target Layer

Bottom Layer

Page 10: Computational Engineering Analysis of the Hydraulic-Fracturing Process

Journal Website                                                                                                                           Journal Title Volume * Issue *, Month Year 

10  

Results and Discussion

As mentioned  earlier,  the  present work  dealt with  a 

finite‐element  analysis  of  the  hydraulic‐fracturing 

enhancement of the rate of extraction of the fuel from 

the deep‐shale reservoir, and focused on revealing: (i) 

the  role  of  the  natural  fissures  intersected  by  the 

hydraulic  fractures  in  enhancing  the  rate  of  fuel 

recovery from the reservoir; and (ii) the effect of sand 

concentration in the hydraulic‐fracturing liquid and its 

injection  profile  on  the  success  of  the  hydraulic‐

fracturing process. A summary of  the material‐model 

parameters  and  of  the  hydraulic‐fracturing  process 

parameters  (not specified  in  the sections dealing with 

the  initial  and  the  boundary/loading  conditions)  is 

provided in Table 1. 

Prototypical Results 

Before  the  results  revealing  the  effect  of  natural 

fissures  and  proppant  concentration/injection‐profile 

are presented, a  few prototypical  results  (for  the case 

of  target  rock  formation without natural  fissures) are 

shown and discussed in this section.  

Locations of the hydraulic‐fracture front at four (300 s, 

600  s,  900  s,  and  1200  s)  times  during  the 

pumping/hydraulic‐fracturing  step  are depicted,  as  a 

contour  plot,  in  Figure  5.  The  results  show  that  the 

fracture primarily extends, within the 20 m‐thick rock‐

formation  target  layer,  in  the  radial  (i.e. x‐) direction, 

and  that  the  fracture  growth  in  the  vertical  (i.e.  z‐) 

direction  is  restricted  within  the  target  20  m‐thick 

middle layer, despite the presence of the surrounding 

(more compliant) shale layers. 

FIGURE 5. A CONTOUR PLOT SHOWING A PORTION OF THE 

X–Z “FRACTURE” PLANE AND THE LOCATIONS OF THE 

HYDRAULIC‐FRACTURE FRONT AT FOUR (300 S, 600 S, 900 S, 

AND 1200 S) DIFFERENT TIMES DURING THE 

PUMPING/HYDRAULIC‐FRACTURING STEP. 

The variation of fracture opening over the x‐z plane at 

the  aforementioned  four  times  during  the  pumping 

step  is depicted  in Figures  6(a)–(d). A  comparison of 

the  results  displayed  in  these  figures  shows  that,  at 

earlier times, a fracture is accompanied by an increase 

in  the  extent  of  its  opening  over  the  entire  fracture 

surface.  On  the  other  hand,  at  the  later  stages  of 

fracture,  increase  in  the  fracture  opening  occurs 

mainly  in  the  region  near  the  fracture  front,  where 

new  fracture  surfaces  are  created.  In  other  words, 

previously‐fractured  regions  appear  to  have  reached 

the state of nearly‐constant  fracture opening.  In other 

words,  previously‐fractured  regions  appear  to  have 

reached the state of nearly‐constant fracture opening. 

FIGURE 6. VARIATION OF FRACTURE OPENING (IN MM) OVER 

THE X–Z PLANE AT FOUR: (A) 300 S; (B) 600 S; (C) 900 S; AND (D) 

1200 S TIMES DURING THE 

PUMPING/HYDRAULICFRACTURING STEP. 

The variation of the pore pressure over the x‐z plane at 

the  same  four  times  during  the  pumping  step  is 

depicted in Figures 7(a)–(d). Examination of the results 

displayed in these figures reveals that: (a) at the earlier 

times, pore pressure at the wellbore site acquires very 

high values, which rapidly decline with distance from 

the wellbore, undershooting the pressure level present 

in  the  rock  formation  before  fracture  (ca.  24.7 MPa). 

The pressure then gradually recovers, with an increase 

Page 11: Computational Engineering Analysis of the Hydraulic-Fracturing Process

Journal Title Volume XX Issue XX, Month Year                                                                                                                   Journal Website 

    11

in  distance  from  the  wellbore,  towards  its  pre‐ 

pumping  value.  This  behavior  is  consistent with  the 

fact that hydraulic‐induced fracturing is controlled by 

the  creation  of  new  fracture  surfaces  at  the  fracture 

front, the process which requires a substantial increase 

in  the hydraulic pressure within  the existing  fracture. 

However, once new  fracture surfaces are created,  the 

high  pressure  causes  their  rapid  separation  and  the 

high  pressure  causes  their  rapid  separation  and  the 

associated large drop in the local pore pressure within 

the  fracture  (in  the  region  adjacent  to  the  fracture 

front); and (b) at later simulation times, the pressure at 

the  wellbore  site  acquires  smaller  values  which  are 

retained  over  a  large  portion  of  the  fracture  surface. 

However, as in the case of the shorter times within the 

pumping  stage,  pressure  still  experiences  a  drop 

below,  and  subsequent  recovery  towards,  its  pre‐

pumping level at the fracture‐front region.  

 

FIGURE 7. VARIATION OF PORE PRESSURE (IN MPa) OVER THE 

FRACTURED PORTION OF THE X‐Z PLANE AT FOUR: (A) 300 S; 

(B) 600 S; (C) 900 S; AND (D) 1200 S TIMES DURING THE 

PUMPING/HYDRAULIC‐FRACTURING STEP. 

One  of  the ways  of  judging  the  effectiveness  of  the 

hydraulic‐fracturing  process  in  stimulating  fuel 

extraction  from  the  deep‐seated  reservoirs  is  to 

compare  the  volumetric  rates  (commonly  referred  to 

as  “yield”)  of  the  extracted  fuel  for  the  two  identical 

wellbore and reservoir scenarios except that hydraulic 

fracturing  is  carried  out  in  one  case  but  not  in  the 

other  case.  Such  a  comparison  was  carried  out  in 

Figure 8,  in which  time‐dependence of  the yield was 

plotted  for  the  two  cases. Examination  of  the  results 

displayed  in  Figure  8  shows  that,  as  a  result  of 

applying hydraulic  fracturing,  the yield  increased by 

more  than  two  orders  of  magnitude.  This  finding 

suggests  that,  for  the  combination  of  the  rock‐  and 

shale‐formation  properties  and  the  set  of  hydraulic‐

fracturing process conditions considered in the present 

finite  element  analyses,  hydraulic  fracture  yielded 

considerable  benefits  relative  to  the  enhancement  in 

the fuel‐extraction efficiency. 

 

FIGURE 8. THE EFFECT OF HYDRAULIC FRACTURING ON THE 

TEMPORAL EVOLUTION OF THE VOLUMETRIC EXTRACTION 

RATES OF THE FUEL. 

It  should  be  noted  that  the  results  presented  in  this 

section,  as  well  as  in  the  subsequent  section,  were 

obtained using a prototypical sand‐injection profile, as 

depicted  in  Figure  9. On  the  other  hand,  in  Section 

IV.3,  the  sand‐injection  profile  was  varied  and  the 

effect  of  this  variation  was  examined.  It  should  be 

further  noted  that  sand  was  not  treated  explicitly 

within  the present  finite‐element  analysis. Rather,  its 

presence  within  the  hydraulic‐fracturing  fluid  was 

accounted for by quantifying its effect on the effective 

viscosity of  this  fluid. This was done by utilizing  the 

following fluid‐viscosity,  , vs. sand‐concentration, c, 

functional  relation  [Adachi  et al.  (2007); Grujicic  et al. 

(2010)]:  

7.165.011.0 c                          (1) 

Page 12: Computational Engineering Analysis of the Hydraulic-Fracturing Process

Journal Website                                                                                                                           Journal Title Volume * Issue *, Month Year 

12  

In addition, the propping effect of sand was accounted 

for by  fixing  the nodes at  the  fracture surface, within 

the  sand‐retention  and  production  steps,  at  their 

positions acquired at the end of the pumping step. 

FIGURE 9. PROTOTYPICAL SAND‐INJECTION PROFILE IN THE 

HYDRAULIC‐FRACTURING FLUID DURING  

THE PUMPING STEP. 

The Role of Natural Fissures 

Rock  formations are  treated  in  the present work as a 

porous medium consisting of a solid skeleton and fuel‐ 

saturated  fine‐scale  interconnected  pores. Due  to  the 

fine‐scale  nature  of  the  pores,  the  hydraulic 

conductivity  (a measure  of  the  ease with which  fuel 

flows through the porous medium) is not very high. 

This negatively affects the rate of fuel extraction from 

the  deep‐seated  reservoirs.  However,  the  rock 

formation  also  contains natural  flaws  such  as  cracks, 

fissures,  crevices,  etc.  The  presence  of  these  flaws 

(henceforth  referred  to  as  fissures),  if  intersected  by 

the hydraulic fractures, may improve the efficiency of 

fuel extraction. This could be the result of an  increase 

in  the “effective”  fracture surface  (the surface  through 

which  the  fuel  trapped  within  the  target‐rock 

formation  is  entering  the  fracture)  and/or  a  result  of 

the  introduction  of  additional  larger‐size  flow 

channels with  larger hydraulic conductivity. Due to a 

larger difference  in the size of the fissures (mm to cm 

long), and the hydraulic fractures (tens of meters long), 

the  fissures  could  not  be modeled  explicitly  (i.e.  as 

discrete entities within the continuum rock‐formation). 

Rather, their effect is modeled through the proper 

adjustment of some of the bulk porous‐material model 

parameters.  Specific  parameters  adjusted  to  account 

for  the  effect  of  the  natural  fissures  include:  (i)  void 

ratio  of  the  porous medium  elements  bordering  the 

hydraulic  fracture; and  (ii)  the  leakoff coefficient. The 

extent of these corrections was treated as a function of 

the number density, Nf  ,  and  the  average  size, Vf , of 

the  fissures.  The  product  of  these  two  quantities 

defines  the  additional  porosity  associated  with  the 

presence  of  the  fissures,  which  is  next  used  in  the 

relations described  in Section  II.1.1  to adjust  the void 

ratio  of  the  porous‐medium  elements  mentioned 

above.  As  far  as  the  effect  of  fracture‐intersected 

fissures  on  the  leakoff  coefficient  is  concerned,  an 

approach  is  used  within  which  a  functional 

relationship  is  postulated  between  the  hydraulic 

conductivity  and  the  soil‐grain  size.  By  treating  the 

fissures  as  being  equal‐sized,  constant  aspect  ratio A 

(>1),  oblate  spheroidals,  the  following  simplified 

functional form  for  the  leakoff coefficient  leakoffK  was 

obtained:  

20 log1 AVNKK ffleakoffleakoff            (2) 

where 0leakoffK  is the reference value of this coefficient. 

More details regarding the derivation of Eq. (2) will be 

provided in a future communication. 

The effect of the NfVf  product and the fissures’ aspect 

ratio on the percent increase in the extraction yield (at 

extraction  times  long  enough  to  ensure  a  fairly 

constant/steady value of the yield) relative to the case 

of hydraulic fracturing of “fissure‐free” rock formations 

(the  reference  case),  is  depicted  in  Figure  10. 

Examination  of  the  results  displayed  in  this  figure 

reveals  that:  (a)  both  an  increase  in  the NfVf product 

and  the  fissures’  aspect  ratio  result  in  an  increase  in 

the fuel‐extraction yield.  The effect of the NfVf product 

can be attributed to an increase in the porous‐medium 

permeability due  to  the  increase  in  the effective void 

ratio within  this medium.   The  effect  of  the  fissures’ 

aspect ratio, on the other hand, is manifested through 

an  increase  in  the  effective  fracture‐surface  area;  and 

(b)  for  the range of  the NfVf product and  the  fissures’ 

aspect ratio considered, increases in the fuel‐extraction 

yield  as high  as  ca.  5%  relative  to  the  reference  case 

can be obtained. 

The Effect of Sand Concentration and Injection Profile 

In this section, hydraulic fracturing of fissure‐free rock 

formations was  again  considered.  In addition, all  the 

model/process  parameters,  except  for  the  sand 

concentration  and  injection  profile  within  the 

hydraulic‐fracturing  fluid,  were  set  equal  to  their 

values  used  in  the  reference  case,  Section  IV.1. 

Examination  of  Figure  9  shows  that  a  prototypical 

Page 13: Computational Engineering Analysis of the Hydraulic-Fracturing Process

Journal Title Volume XX Issue XX, Month Year                                                                                                                   Journal Website 

    13

sand‐injection profile  involves a  linear  increase  in  the 

sand concentration with time, beginning with a sand‐

injection start‐time,  to a  target  final value, attained at 

the  sand‐injection  end‐time.  Thus,  the  sand‐injection 

profile  contains  three  parameters:  the  injection  start‐ 

time, the sand‐target final concentration, and the sand‐

injection end‐time (or the sand‐injection duration).   In 

the present work, the sand‐injection start‐time is fixed 

at seven min of  the pumping  time and  the remaining 

two parameters are varied  in  the  following range:  (a) 

the sand concentration ‐ 400 to 800 kg/m3 ; and (b) the 

injection duration ‐ 2 to 12 min.  The effect of the sand 

concentration  and  the  injection  duration  on  the 

percent  change  in  the  extraction  yield  relative  to  the 

reference  case  (characterized  by  the maximum  sand 

concentration of 600 kg/m3 and injection duration of 7 

min) analyzed in Section IV.1, is depicted in Figure 11. 

Examination  of  the  results  displayed  in  this  figure 

reveals that: (a) there is an optimal combination of the 

sand  concentration  and  the  injection  duration which 

maximizes  the  fluid‐extraction  yield;  and  (b)  the 

optimal  combination  of  the  sand  concentration  and 

injection  duration  which  maximizes  the  fluid‐ 

extraction  yield  is  associated  with  the  intermediate 

values  of  the  sand  concentration  and  the  longest 

values of the injection duration. 

FIGURE 10. THE EFFECT OF THE NFVF PRODUCT AND THE 

FISSURES’ ASPECT RATIO ON THE RELATIVE CHANGE (IN 

PERCENT) IN THE EXTRACTION YIELD WITH RESPECT TO 

THE CASE OF HYDRAULIC FRACTURING OF “FISSURE‐FREE” 

ROCK FORMATIONS (THE REFERENCE CASE). 

Careful  examination  of  the  hydraulically‐induced 

fractures and  their extensions over  the  fracture plane 

and fracture opening profile, the results not shown for 

brevity, provided rationale for the results displayed in 

Figure  11.  That  is:  (a)  as  the  sand  concentration 

increases,  the  increased  hydraulic‐fracture  fluid 

viscosity  gives  rise  to  an  increase  in  the  hydraulic 

pressure within the fracture. This condition leads to a 

desired  enhancement  in  the  extent  of  hydraulic 

fracturing;  (b)  a  further  increase  in  the  sand 

concentration/fluid  viscosity  makes  the  flow  of  the 

hydraulic‐fracturing  fluid, within  the  fracture, a  rate‐ 

controlling process.  That is, the associated increase in 

the fluid viscosity and hydraulic pressure increases the 

opening of the already formed fractures, but does not 

significantly contribute to the extension of the fracture 

along  its  length;  and  (c)  the  undesirable  effects 

associated with  excessive  sand  concentrations  can  be 

alleviated if the injection of the sand is done in a more 

gradual manner (i.e. if the sand‐injection concentration 

is increased slowly). 

FIGURE 11. THE EFFECT OF THE SAND CONCENTRATION 

AND THE INJECTION DURATION ON THE RELATIVE CHANGE 

(IN PERCENT) IN THE EXTRACTION YIELD RELATIVE TO THE 

REFERENCE CASE. 

Summary and Conclusions

Based  on  the  work  presented  and  discussed  in  the 

present  manuscript,  the  following  main  summary 

remarks and conclusions can be made: 

1.  Finite‐element  analysis  of  the  hydraulic‐fracturing 

process  used  to  stimulate  fuel‐extraction  from  deep‐ 

seated  reservoirs  can  provide  a  highly  beneficial 

insight  into  and  quantification  of  the  associated 

phenomena  and  processes.  Direct  experimental 

observation  and  quantification  of  these  phenomena 

could be either quite challenging or impossible.  

2. The present work  suggests  that  the  reliability  and 

accuracy  of  the  finite  element  analysis  of  the 

Page 14: Computational Engineering Analysis of the Hydraulic-Fracturing Process

Journal Website                                                                                                                           Journal Title Volume * Issue *, Month Year 

14  

hydraulic‐fracturing processare greatly affected by the 

knowledge  of  the  lithography,  including  fissure/flow 

content  and  the  constitutive  response  of  the  rock 

formation targeted for fuel extraction. 

3. The work also shows that the finite element analysis 

could  be  used  to  optimize  the  hydraulic  fracturing 

process  by  providing  a  valuable  insight  into  the 

optimal start time and duration of different hydraulic‐

fracturing  steps,  as  well  as  of  the  optimal  process 

conditions  (e.g.  sand  concentration  and  its  injection 

time into the hydraulic‐fracturing fluid). 

REFERENCES 

Adachi,  A.,  Siebrits,  E.,  Peirce,  A.,  and  Desroches,  J., 

“Computer  simulation  of  hydraulic  fractures.” 

International  Journal  of  Rock  Mechanics  and  Mining 

Sciences, 44 (2006): 739–757. 

Clifton,  R.  J.,  Three‐Dimensional  Fracture‐Propagation 

Model.  In  “Recent Advances  in Hydraulic  Fracturing  ‐ 

SPE Monograph,” 95–108, 1989.  

Dassault  Systèmes,  ABAQUS  Version  6.10EF,  Theory 

Manual, 2011. 

Gassiat,  C.,  Gleeson,  T.,  Lefebvre,  R.,  McKenzie,  J., 

“Hydraulic  fracturing  in  faulted  sedimentary  basins: 

Numerical  simulation  of  potential  contamination  of 

shallow aquifers over long time scales.” Water Resources 

Research, 49 (2013): 8310‐8327. 

Grujicic,  M.,  and  Cao,  G.,  “Crack  Growth  in  Lamellar 

Titanium Aluminides Containing Dispersed Beta  Phase 

Precipitates.”  Journal  of  Materials  Science,  37  (2002): 

2949–2963. 

Grujicic, M., He, T., Pandurangan, B., Bell, W. C., Coutris, N., 

Cheeseman,  B.  A.,  Roy,  W.  N.,  and  Skaggs,  R.  R., 

“Development,  Parameterization  and  Validation  of  a 

Visco‐Plastic  Material  Model  for  Sand  With  Different 

Levels of Water Saturation.” Journal of Materials: Design 

and Applications, 223 (2009a): 63–81. 

Grujicic, M., Sellappan, V., Kotrika, S., Arakere, G., Obieglo, 

A.,  Erdmann,  M.,  and  Holzleitner,  J.,  “Suitability 

Analysis of  a Polymer Metal Hybrid Technology Based 

on  High‐Strength  Steels  and  Direct  Polymer‐to‐Metal 

Adhesion for Use in Load‐Bearing Automotive Body‐In‐

White  Applications.”  Journal  of  Materials  Processing 

Technology, 209 (2009b): 1877–1890. 

Grujicic, M., Pandurangan, B., Coutris, N., Cheeseman, B. A., 

Roy,  W.  N.,  and  Skaggs,  R.  R.,  “Derivation, 

Parameterization  and  Validation  of  a  Sandy‐Clay 

Material  Model  for  Use  in  Landmine  Detonation 

Computational  Analyses.”  Journal  of  Materials 

Engineering and Performance, 19 (2010): 434–450. 

Grujicic, M., Pandurangan, B., Cheeseman, B. A.,  and Yen, 

C.‐F.,  “Spall‐fracture Physics  and  Spallation Resistance‐

based  Material  Selection.”  Journal  of  Materials 

Engineering and Performance, 21 (2012): 1813–1823. 

Grujicic,  M.,  Yavari,  R.,  Snipes,  J.  S.,  Ramaswami,  S., 

“Discrete Element Modeling  and Analysis of  Structural 

Collapse/Survivability  of  a  Building  Subjected  to 

Improvised Explosive Device (IED) Attack.” Advances in 

Materials Science and Applications, 2 (2013a): 9–24. 

Grujicic,  M.,  Snipes,  J.  S.,  and  Chandrasekharan,  N.,  “A 

Simple Model For the Prediction of the Ballistic Limit In 

Thick‐Section  Composite  Laminates,”  International 

Journal of Engineering Practical Research, 2 (2013b): 31–

48. 

Grujicic, M.,  Yavari,  R.,  Ramaswami,  S.,  Snipes,  J.  S.,  and 

Galgalikar,  R.,  “Three‐Dimensional  Finite  Element 

Analysis  of  the  Hydraulic‐Fracturing  Process.” 

International Journal of Engineering Practical Research, 2 

(2013c): 129–138. 

Jeffrey,  R.  G.,  Settari,  A.,  Mills,  K.  W.,    Zhang,  X.,  and 

Detournay,  E.,  “Hydraulic  fracturing  to  induce  caving: 

fracture  model  development  and  comparison  to  field 

data.”  Rock  Mechanics  in  the  National  Interest,  1–2 

(2001): 251–259.  

Lecampion,  B.,  “An  extended  finite  element  method  for 

hydraulic  fracture  problems.”  Communications  in 

Numerical Methods in Engineering, 25 (2009): 121–133. 

Lv, Z., Li, S., Liu, G., Zhang, Z., Guo, X., “Factors Affecting 

the  Productivity  of  a Multifractured Horizontal Well.” 

Petroleum Science and Technology, 31 (2013): 2325‐2334.  

Peirce, A., and Detournay, E., “An implicit level set method 

for modeling hydraulically driven  fractures.” Computer 

Methods  in  Applied  Mechanics  and  Engineering,  197 

(2008): 2858–2885. 

Zhang, J., Biao, F. J., Zhang, S. C., Wang, X. X., “A Numerical 

Study  on  Horizontal  Hydraulic  Fracture.”  Journal  of 

Petroleum  Exploration  and  Production  Technology,  2 

(2012): 7–13. 

Page 15: Computational Engineering Analysis of the Hydraulic-Fracturing Process

Journal Title Volume XX Issue XX, Month Year                                                                                                                   Journal Website 

    15

Zhang, X., Jeffrey, R. G., and Thiercelin, M., “Deflection and 

propagation  of  fluid‐driven  fractures  at  frictional 

bedding  interfaces: A  numerical  investigation.”  Journal 

of Structural Geology, 29 (2007): 396–410. 

Zhao, C. B., Hobbs, B. E., Ord, A., and Peng, S. L., “Particle 

simulation  of  spontaneous  crack  generation  associated 

with the  laccolithic type of magma  intrusion processes.” 

International  Journal  for  Numerical  Methods  in 

Engineering, 75 (2008): 1172–1193. 

Zhang, G. M., Liu, H., Zhang,  J., Wu, H. A., Wang, X. X., 

“Three‐dimensional  finite  element  simulation  and 

parametric study for horizontal well hydraulic fracture.” 

Journal of Petroleum Science and Engineering 72 (2010): 

310–317. 

Zhu, H. Y., Deng, J. G., Chen, Z. J., An, F. C., Liu, S. J., Peng, 

C. Y., Wen, M., Dong, G.,  “Perforation  optimization  of 

hydraulic  fracturing of oil and gas well.” Geomechanics 

and Engineering, 5 (2013): 463‐483.