THE EFFECT OF DRILLING FLUID TYPE AND EXPOSURE TIME ON GEOMECHANICAL PROPERTIES OF SANDSTONE FORMATIONS

THE EFFECT OF DRILLING FLUID TYPE AND EXPOSURE TIME ON GEOMECHANICAL PROPERTIES OF SANDSTONE FORMATIONS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
111.pdf
Restricted to Repository staff only until 6 February 2023.

Download (6MB)

Arabic Abstract

أدى الطلب المتزايد في جميع أنحاء العالم على إنتاج النفط والغاز إلى تطور في تقنيات الحفر لتنمية مكامن البترول وزيادة إنتاج النفط والغاز. خلال أوائل الثمانينيات ، ظهرت في الأفق ثورة في حفر الأبار الأفقية شديدة الانحدار ومتعددة الأطراف والطويلة. استحوذ موضوع ثبات حفرة البئر على الاهتمام لدراسة التغيرات في جيوميكانيكية الصخور بسبب المستوى الجديد لممارسة نشاط الحفر. تعتبر دراسة ثبات حفرة البئر أمرًا في غاية الأهمية ، حيث تتسبب مشكلات عدم ثبات حفرة البئر في تكاليف حفر إضافية تبلغ حوالي 10 إلى 15٪. لذلك ، فإن دراسة التعديلات الجيوميكانيكية البتروفيزيائية للحجر الرملي المحفور بسبب التعرض لسائل الحفر ستساعد على تقليل تكاليف الحفر الإضافية لمشاكل عدم ثبات حفرة البئر. سوف تتفاعل سوائل الحفر ذات الإضافات المختلفة كيميائيًا مع صخر الخزان وخاصة بالنسبة للقسم الأفقي حيث يزيد وقت التعرض بين الصخور وسوائل الحفر. ستغير هذه التفاعلات نظام مسام الصخور ، وبالتالي الخصائص الجيوميكانيكية. التغييرات الرئيسية في تصميم مائع الحفر مطلوبة بشدة للتخفيف من هذه المشاكل. بالإضافة إلى ذلك ، سيتم تصميم خطط تنمية الحقول مثل التثقيب والتكسير الهيدروليكي والتحفيز اعتمادًا على القيم الجديدة للخصائص الجيوميكانيكية للصخور. يوفر هذا البحث تحقيقًا عميقًا وتقييمًا لنظام المسام والميكانيكا الجيولوجية لتكوينات الحجر الرملي Berea Buff بعد التعرض لسائل الحفر ذو الأساس المائي من خلال استخدام أعمال تجريبية شاملة مثل حيود الأشعة السينية واختبار ترشيح سائل الحفر وقياس الطيف للرنين المغناطيسي النووي والميكروسكوب الإلكتروني، والحصول على البيانات الصوتية ، واختبار الخدش لدراسة تأثير ظروف الحفر في قاع البئر لوقت التعرض الطويل ، ونوع ومحتوى طين الحجر الرملي ، ومواد زيادة كثافة سائل الحفر ، وتأثير ترشيح سائل الحفر ، والمستوى الممتد لضغط التوازن الزائد ، و تأثيرحالة الصخور من تشبع المائع على عملية التعرض لسائل الحفر. قدمت النتائج التي تم الحصول عليها تقييمًا قويًا لضعف قوة الصخور وتغيير السلوكيات المرنة للصخور مع كل حالة مع مناقشة حول تغير نظام المسام كآلية مسببة لهذه التغييرات. وقت التعرض هو أهم عامل لتأثير ترشيح سائل الحفر على خصائص الصخور حيث انخفضت قوة الصخور بنسبة 19٪ لمدة خمسة أيام من التعرض. أظهرت التعديلات في المعادلات المرنة أن صخور الحجر الرملي أصبحت أكثر تصلب و كزازة ولديها أداء تشكل أقل بعد التعرض لترشيح سائل الحفر. نوع الطين وهيكل ارتباط الطين-الكوارتز لهما تأثير كبير على قوة الصخور أكثر من محتوى الطين الكلي. يؤثر زيادة ضغط التوازن الزائد على عملية ترشيح سائل الحفر وتم تسجيل المزيد من الترشيح الذي يؤثر على تدهور قوة الصخور مع المزيد من ترسبات المواد الصلبة لسائل الحفر. أظهرت العينات المشبعة بالزيت أقل تأثير لمتابة وقوة الصخور بينما أظهرت عينة الصخور الجافة انخفاض شديد في القوة بسبب تفاعلات ترشيح سائل الحفر والصخور. توصى الدراسة بالعمل المستقبلي لتوسيع المنهجية المقترحة لصخور الكربونات والتكوينات السعودية وتقديم حلول تقنية تطبيقة للحفاظ على ميكانيكا الصخور وحماية التكوين المحفور من أضرار سائل الحفر

English Abstract

The worldwide increase demand for oil and gas production led to an evolution in the drilling techniques to develop petroleum reservoirs and maximize oil and gas production. During the early 1980s, the revolution in highly inclined, multilateral, and long horizontal section drilling came into sight. The wellbore stability topic captured the attention to study the changes in rock geomechanics because of the new level of drilling practice. Studying the wellbore stability is so important, as the wellbore instability issues cause extra drilling costs about 10 to 15%. Therefore, studying the drilled sandstone petrophysical-geomechanical alterations due to the drilling fluid exposure will help to reduce the extra drilling costs for the wellbore instability problems. Drilling fluids with different additives will chemically interact with the reservoir rock and especially for the horizontal section as more exposure time between the rock and drilling fluids. These interactions will change the rock pore system, and consequently, geomechanical properties. Major changes in the drilling fluid design are highly required to mitigate these instability problems. In addition, field developments plans as perforation, hydraulic fracturing, and stimulation will be designed depending on the new values for the rock geomechanical properties. This research provides deep investigation and assessment for the pore system and geomechanics of Berea Buff sandstone formations after the exposure to the water-based mud by employing comprehensive experimental work as X-ray diffraction, filtration testing, spectrometry of nuclear magnetic resonance and scanning electron microscope, and sonic data acquisition, and scratch testing to study the impact of the downhole drilling conditions of extended exposure time, sandstone clay type and content, different weighting materials for the drilling fluid, mud filtrate impact, extended level of overbalance pressure, and the rock saturation condition influence on the rock-mud exposure process. The obtained results provided a strong evaluation for the rock strength weakening and elastic moduli changes behavior with every condition with a discussion about the pore system alterations as a causing mechanism for these alterations. The exposure time is the most critical parameter for the mud filtrate to affect the rock characteristics as the rock strength decreased by 19% for five days of exposure. The alterations in the elastic moduli showed that the sandstone rocks became stiffer and have lower deformability performance after the mud filtrate exposure. Clay type and quartz-clay framework were found to extremely affect the rock strength than the total clay content. Extending the overbalance pressure affects the mud filtration process and more filtrate was recorded that affect the rock strength deterioration with more solids precipitations. The oil-saturated samples showed the least impact for the rock strength while the dry rock sample has a severe strength reduction due to the mud filtrate-rock interactions. Future work is recommended to extend the proposed approach for carbonate rocks and Saudi formations and provide technical solutions for the field applications to preserve the rock geomechanics and protect the drilled formation from damage.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Petroleum
Department: College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor: Elkatatny, Salaheldin
Committee Members: Al Majed, Abdulaziz and Patil, Shirish and Dvorkin, Jack
Depositing User: HANY GAMAL (g201706870)
Date Deposited: 06 Feb 2022 08:44
Last Modified: 06 Feb 2022 08:44
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142054