APPLICATION OF IONIC LIQUIDS IN CLAY SWELLING REDUCTION: MECHANISM AND PERFORMANCE. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Dissertation) Final_PhD_Dissertation_Rizwan_A_Khan.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 27 April 2023. Download (7MB)

Arabic Abstract

المعادن الطينية موجودة عادة في خزانات البترول، وخاصة في تكوينات الصخر الزيتي. وجود الطين يمكن أن يسبب تورم وتفكك عند ملامسة الماء. يمكن أن يحدث تورم الطين خلال مراحل مختلفة من تشغيل النفط والغاز. وعادة ما يحدث بسبب تفاعل سوائل تجويف الآبار مع التكوين أثناء العمليات المختلفة مثل الحفر والإكمال والصيانة والتحفيز. لمنع تورم الطين، يتم استخدام مثبطات التورم كمادة مضافة في سوائل تجويف الآبار. في هذه الدراسة، تم استخدام سوائل أيونية مختلفة كمثبطات لتورم الطين. تم استخدام السوائل الأيونية لدراسة مثبط تورم الطين في تطبيق سائل الحفر. تم تقييم سلوك تثبيط السوائل الأيونية عن طريق اختبار الانتفاخ الخطي، واختبار التثبيط، واختبار شفط الشعيرات الدموية، وقياس زاوية التلامس، وقياس حجم الجسيمات، والمجهر الإلكتروني الماسح، وحيود الأشعة السينية. أيضا، تمت دراسة الريولوجيا والترشيح للسوائل الأيونية. لوحظ أن السوائل الأيونية تقلل من قدرة تورم الطين. أشارت النتائج إلى أن السائل الأيوني في سائل الحفر تفاعل كيميائيا مع سطح الطين وقلل من محبة الطين للماء، مما يحد من تبادل الماء على سطح الطين. تستخدم السوائل الأيونية (الأملاح غير التقليدية) كمثبطات لتورم الطين في سوائل الإكمال لمنع تلف التكوين في التكوينات الضيقة التي تحتوي على كمية كبيرة من الطين. تم إجراء تجارب الفيضانات الأساسية والرنين المغناطيسي النووي لتقييم أداء السوائل الأيونية كمثبطات لتورم الطين في سوائل الإكمال أيضا. أدت سوائل الإكمال المحضرة باستخدام السوائل الأيونية إلى استقرار كامل للطين وبالتالي حافظت تقريبا على نفاذية الحجر الرملي الضيق في الموقع. كما تمت دراسة تطبيق السوائل الأيونية كمادة مضافة في سوائل التكسير. تم فحص هذا الجانب باستخدام تجارب مختلفة مثل تجربة ضغط الانهيار، واختبار الإجهاد غير المحصور، واختبار الشد (البرازيلي)، واختبار الخدش، والأشعة المقطعية الطبية. وقد لوحظ أنه يمكن استخدام السوائل الأيونية كمادة مضافة محتملة لتورم الطين في سائل التكسير. في الجزء الأخير، تمت دراسة آليات الامتزاز للسوائل الأيونية على الطين من خلال إجراء تجارب الامتزاز الثابتة جنبا إلى جنب مع التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء وحيود الأشعة السينية. كشفت نتائج الامتزاز أن كمية السوائل الأيونية الممتزجة على سطح الطين تعتمد على تركيز السوائل الأيونية.

English Abstract

Clay minerals are commonly present in petroleum reservoirs, particularly in shale formations. The presence of clay can cause swelling and disintegration upon contact with water. Clay swelling can occur during different phases of oil and gas operation. It is usually caused by the interaction of wellbore fluids with the formation during different operations such as drilling, completion, workover, and stimulation. To prevent the clay swelling, swelling inhibitors are used as an additive in wellbore fluids. In this study, different ionic liquids were employed as clay swelling inhibitors. The ionic liquids were employed to study the clay swelling inhibitor in drilling fluid application. The inhibition behavior of ionic liquids was assessed by linear swell test, inhibition test, capillary suction test, contact angle measurement, particle size measurement, scanning electron microscope, and X-ray diffraction. Also, the rheology and filtration of the ionic liquids were studied. It was observed that the ionic liquids reduced the clay swelling capacity. The results indicated that the ionic liquid in the drilling fluid chemically interacted with the clay surface and reduced the hydrophilicity of clay, which restrict the exchange of water onto clay surface. The ionic liquids (unconventional salts) are used as a clay swelling inhibitors in completion fluids to prevent formation damage in tight formations containing significant amount of clays. Coreflooding experiments and Nuclear Magnetic Resonance were performed to evaluate the performance of ionic liquids as clay swelling inhibitors in completion fluids too. Completion fluids prepared using ionic liquids resulted in complete stabilization of clays and therefore nearly maintained the in-situ permeability of tight sandstone. The application of ionic liquids was also studied as an additive in fracturing fluids. This aspect was examined using different experiments such as breakdown pressure experiment, unconfined stress test, tensile (Brazilian) test, scratch test, and medical CT scans. It was observed that the ionic liquids can be utilized as potential clay swelling additive in fracturing fluid. In the last part, adsorption mechanisms of ionic liquids on clay were studied by performing static adsorption experiments combined with infrared spectroscopy and X-ray diffraction analyses. The adsorption results revealed that the amount of ionic liquids adsorbed on the clay surface depends on concentration of the ionic liquids.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Petroleum Petroleum > Drilling Engineering
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Abdulraheem, Abdulaziz
Committee Members:	Mahmoud, Mohamed and Awotunde, Abeeb and Patil, Shirish
Depositing User:	RIZWAN AHMED KHAN (g201207460)
Date Deposited:	09 May 2022 06:45
Last Modified:	09 May 2022 06:45
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142097