IMPROVING WEAK CARBONATE ROCKS’ HARDNESS THROUGH CHEMICAL ADDITIVES: APPLICATION TO HYDRAULIC FRACTURING. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Samarkin_Yevgeniy_MScThesis_2021_final.pdf Restricted to Repository staff only until 15 January 2023. Download (5MB)

Arabic Abstract

التكسير الهيدروليكي هو عملية حقن السوائل المضغوطة لتكسير التكوين المفتوح وتحسين إنتاجية آبارالهيدروكربون. ومع ذلك ، فإن موصلية الكسور المُنشأة تنخفض بمرور الوقت بسبب ضغوط إغلاق التكوين. يكونالانخفاض حادًا في التكوينات اللينة بسبب دمج مادة الدعامة )الكسر المدعوم( أو فشل الرشاش )كسر الحمض( ، ممايقلل من إنتاج الهيدروكربونات. يميل الحمض إلى إضعاف قوة الصخور بشكل أكبر ، مما يؤدي إلى انهيار الصخورالسريع وانخفاض الموصلية. يمكن أن يؤدي التحسين في صلابة سطح الكسر إلى التخفيف من التحديات المذكورةأعلاه والحفاظ على موصلية الكسر على المدى الطويل. يهدف هذا البحث إلى تحسين الخواص الميكانيكية لصخورالكربونات باستخدام مواد كيميائية مختلفة . أجريت تجارب لاختبار قدرة المواد الكيميائية ZnSO4 و NaF و DAP على تحسين صلابة صخور الكربوناتفي ظروف درجات الحرارة المحيطة. تم تقييم تأثير المعالجة الكيميائية على الخصائص الميكانيكية والبتروفيزيائيةللصخور من خلال عدة طرق. تم فحص التغيرات في نسيج الصخور والمعادن بعد العلاج باستخدام SEM و XRDو XPS. علاوة على ذلك ، تم تحليل حركية التفاعل بين المواد الكيميائية والصخور من مختلف الصخور باستخدامIC و ICP-OES. تم اختبار المواد الكيميائية التي أظهرت أداءً جديرًا بالثناء في تحسين صلابة الصخور فيدرجات الحرارة المحيطة في درجات حرارة مرتفعة لفهم درجة تأثير درجة الحرارة وجدوى استخدام الموادالكيميائية في ظروف قاسية من المكمن . وجد أن جميع المواد الكيميائية التي تمت دراستها في هذا العمل يمكن أن تحسن صلابة عينات الصخور الكربونية.أدى تفاعل NaF مع عينات الكربونات إلى تكوين الفلوريت (CaF2). نتيجة للتفاعل ، تم تحسين صلابة المسافةالبادئة لعينات الحجر الجيري والطباشير بنسبة 3.8 ٪ و 6 ٪ على التوالي. أظهرت معالجة ZnSO4 نتائج أفضل مماأدى إلى تحسين صلابة عينات الطباشير والحجر الجيري )الطرق النبضية( بنسبة 21 ٪ و 17 ٪. لوحظ أن المعالجةبمحلول فوسفات الأمونيوم الثنائي هي الأكثر واعدة من حيث تقوية الصخور. بعد المعالجة بواسطة فوسفاتالأمونيوم الثنائي تمت زيادة صلابة تسنن الطباشير بنسبة 30 ٪ ، بينما تم تحقيق زيادة تصل إلى 13 ٪ في عينةالحجر الجيري. لا يمكن لأي من المعالجات تحسين صلابة عينة الدولوميت ، بسبب ضعف تفاعل هذا النوع منالصخور. علاوة على ذلك ، أدت جميع المعاملات إلى انخفاض نفاذية عينات الصخور. تم تكرار التجارب ل DAP في ظروف درجات الحرارة المرتفعة ، ولوحظ أن درجات الحرارة المرتفعة تؤثر بشكل إيجابي على كفاءة الدمج ممايسمح بتحسين الصلابة بنسبة تصل إلى 100 ٪.

English Abstract

Hydraulic fracturing is the process of injecting pressurized fluids to crack the formation open and improve hydrocarbon's well productivity. However, the conductivity of created fractures declines with time due to formation closure stresses. The decline is sharp in soft formations because of proppant embedment (propped fracture) or asperities failure (acid fracture), which minimizes the hydrocarbons production. Acid tends to weaken the rock strength further, resulting in fast rock failure and conductivity decline. The improvement in fracture surface hardness can mitigate the abovementioned challenges and sustain long-term fracture conductivity. This thesis work aims at improving the mechanical properties of carbonate rocks using different chemicals. Experiments were conducted to test the ability of ZnSO¬4, NaF, and DAP chemicals to improve the hardness of carbonate rocks at ambient temperature conditions. The effect of the chemical treatment on the mechanical and petrophysical properties of the rocks was assessed via several methodologies. The changes in rock texture and mineralogy after the treatment were investigated using SEM, XRD, and XPS. Moreover, the reaction kinetics between chemicals and rocks of different lithologies was analyzed using IC and ICP-OES. Chemicals that showed commendable performance in rock hardness improvement at ambient temperatures were tested at elevated temperatures to understand the degree of temperature effect and feasibility of using the chemicals at harsh reservoir conditions. It was found that all chemicals studied in this work can improve the hardness of the carbonate rock samples. The reaction of NaF with carbonate samples resulted in the formation of fluorite (CaF2). As a result of the reaction, the indentation hardness of limestone and chalk samples was improved by 3.8% and 6%, respectively. ZnSO4 treatment demonstrated better results causing improvement of chalk and limestone samples’ hardness (impulse hammering) by 21% and 17%. The treatment with DAP solution was observed to be the most promising in terms of rock consolidation. After treatment by DAP, the indentation hardness of chalk was increased by 30%, whereas up to 13% increment was achieved in the limestone sample. None of the treatments could improve the hardness of the dolomite sample due to the weak reactivity of this type of rock. Moreover, all treatments resulted in a decrease in the permeability of the rock samples. The experiments were repeated for DAP at high-temperature conditions, and it was observed that elevated temperatures positively affect the consolidation efficiency allowing to reach up to 100% hardness improvement.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum Petroleum > Well Completion and Stimulation
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Committee Advisor:	Aljawad, Murtada
Committee Co-Advisor:	Amao, Abduljamiu
Committee Members:	Amao, Abduljamiu and Abu-Khamsin, Sidqi and Solling, Theis and Patil, Shirish
Depositing User:	YEVGENIY SAMARKIN (g201907870)
Date Deposited:	25 Jan 2022 06:50
Last Modified:	25 Jan 2022 06:50
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142046