FRACTURE CLEANUP USING THERMOCHEMICHAL FLUIDS (TCFs). PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF PhD_Thesis on FRACTURE CLEANUP USING THERMOCHEMICAL FLUIDS (TCF).pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 27 February 2025. Download (8MB)

Arabic Abstract

هذا البحث الخاص برسالة الدكتوراه يستكشف التطبيق المحتمل للسوائل الحرارية الكيميائية (TCFs) في أشكال أملاح كلوريد الامونيوم و نترايت الصوديوم كوكلاء لتنظيف الكسور. الدراسة مقسمة إلى أربع مراحل. المرحلة الأولى تدرس، للمرة الأولى، حركية التفاعل لـ TCFs المُنشطة حراريًا، بينما تستكشف المرحلة الثانية عملية تشكيل TCFs في الديزل لتكوين علاقات مائية في زيت. في المرحلة الثالثة، نقوم بدراسة كيفية تأثير عملية التشكيل وضبط درجة الحموضة على التحكم في نشاط TCFs، بينما تستكشف المرحلة النهائية تطبيق TCFs في تنظيف السوائل المكونة من البوليمر بعد عمليات الكسر. نترايت الصوديوم وكلوريد الأمونيوم هما أملاح حرارية كيميائية رئيسيتان تستخدم في في صناعة النفط والغاز. البحث حول حركيتهم عند التنشيط بواسطة الأحماض أو الحرارة موسع. التنشيط بواسطة الحرارة يُعتبر وسيلة واعدة للتحكم في هذا التفاعل القوي والمتسارع. أُجريت دراسة حركية على تفاعلهم عند تراكيز 1–5 M ودرجات حرارة تتراوح بين 50 و90 درجة مئوية، في أنظمة مغلقة ومفتوحة، مع مراقبة تطور الغاز والضغط الناتج. أظهر كلوريد الأمونيوم ترتيبًا أعلى من نترات الصوديوم، حيث زادت تركيزات NH4Cl الفائضة عن التفاعل بفعل تأثيرها التحفيزي. التفاعلات الناتجة والتي تمثلت في (dc/dt = −7.66 × 10^11Co^2.45e^(−91.44 kJ/mol)/RT) اختلفت عن المراجع، مما أثر على التحكم العملي في النشاط الكيميائي وتحسين إنتاج النيتروجين في صناعة النفط والغاز. الاستحلاب أمر حيوي للتحكم في التفاغل الكيميائي في مواد مثل NH4Cl وNaNO2، مما يعتبر أمرًا حاسمًا في صناعات متنوعة مثل البترول. التفاعل الزائد لـ TCFs يحد من التطبيقات، مما يؤثر في نسب النجاح، ولكن التوصيات الحديثة تقترح استخدامها لسوائل الكسر الرغوية. استكشفت هذه الدراسة ثلاثة مثبتي الاستحلاب (A و B و C) للمحاليل المستقلة لـ NH4Cl وNaNO2 أو كخليط مركب في الديزل. أظهرت النتائج تكوين نجاح للمستحلابات المائية في الديزل، مع فاعلية Emulsifier-A الأكبر، وزيادة الاستقرار الحراري. أما Emulsifier-B و C، فكانتا تميلان إلى تفعيل التفاعلات TCF بسبب درجة الاس الهيدروجيني المنخفضة، ولكن ضبط درجة الحموضة قاد إلى تحسين خصائص الاستحلاب، مما يظهر إمكانية الاستدامة. إدارة النشاط الكيميائي أمر حيوي لتحقيق صناعة مستدامة، مع تقليل الفاقد واستهلاك الطاقة وحماية البيئة. الاستحلاب هو وسيلة رئيسية للتحكم في التفاعل الكيميائي، خاصة بالنسبة للمواد عالية النشاط مثل NH4Cl وNaNO2 في صناعات مثل النفط والغاز. تستكشف هذه الدراسة تقنيات التشكيل للحد من النشاط الزائد لـ TCFs، مع استكشاف تراكيز وأنواع مثبتات مختلفة في الديزل. تفحص البحث أيضًا ضبط درجة الحموضة كوسيلة بديلة للتحكم في نشاط TCFs، مع النظر في عوامل مثل درجة الحرارة والضغط. تظهر النتائج إمكانية تحسين الاستدامة من خلال التشكيل وضبط درجة الحموضة عن طريق تحسين تفاعلات TCFs في تطبيقات متنوعة، مما يساعد في زيادة الكفاءة ونسب النجاح. تستكشف الدراسة استخدام TCFs كعوامل لتنظيف الشرخ الصخري، بهدف ليس فقط تحلل البوليمرات وتقليل لزوجة السائل ولكن أيضًا إزالة المياه المحبوسة، وهي آلية تلحق أضرارًا كبيرة في تكوينات الصخور ذات النفاذية المنخفضة بعد عمليات الكسر. تمت دراسة NH4Cl وNaNO2 لتفاعلاتهم وتوليد حرارة كبيرة. تم تقييم تحلل البوليمرات المشتقة من بوليمر القوار (HPG وCMHPG) حيث تم استخدام التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (FTIR)، وتحليل الوزن الحراري (TGA)، وقياسات اللزوجة، وتجارب التدفق الأساسي. أظهرت النتائج تغيرات في الخصائص الكيميائية والحرارية للبوليمرات بعد المعالجة الحرارية. أشارت نتائج التدفق الأساسي إلى استعادة النفاذية بنسبة 87% بالنسبة لبوليمرHPG المتصل بالبورات، و96% بالنسبة لبوليمر CMHPG المتصل بالبورات والزيركونات، و90% لسوائل الكسر بالماء الخفيف. أدت المعالجة الحرارية لسوائل الكسر بالماء الخفيف إلى تحسين أداء استعادة النفاذية مقارنة بسوائل الكسر بوجود مفتت البوليمر.

English Abstract

The Ph.D dissertation research investigates the potential application of thermochemical fluids (TCFs) in the forms sodium nitrite and ammonium chloride slats of as fracture cleanup agents. The study is divided into four phases.. The first phase studies, for the first time, the reaction kinetic of the TCFs activated thermally, while the second phase explores the emulsification of TCFs in diesel to form water-in-oil emulsions. In the third phase, we examine how emulsification and pH adjustments impact the control of TCFs reactivity, while the final phase explores the application of TCFs in cleaning up polymer-based fracturing fluids. Sodium nitrite and ammonium chloride are key thermochemical salts in oil and gas. Research on their kinetics when activated with acids or heat is extensive. Heat activation is seen as a promising means of controlling this highly spontaneous reaction. A kinetic study was conducted on their reaction at 1–5 M and 50–90 °C, in closed and open systems, monitoring gas evolution and pressure. Ammonium chloride exhibited a higher order than sodium nitrite, with excess NH4Cl enhancing the reaction due to its catalytic effects. The obtained kinetics (dc/dt = −7.66 × 10^11Co^2.45e^(−91.44 kJ/mol)/RT) differed from literature, impacting practical reactivity control and nitrogen generation optimization in the oil and gas industry. Emulsification plays a crucial role in controlling reactivity in chemicals like NH4Cl and NaNO2, with applications spanning diverse industries such as petroleum. TCFs' excessive reactivity limits applications, impacting success rates, but recent recommendations propose their use for foamed fracturing fluids. This study examined three emulsifiers (A, B, C) for NH4Cl and NaNO2 solutions independently or as a composite in diesel. Results showed successful WO emulsions, with Emulsifier-A proving most effective, enhancing thermal stability. Emulsifiers B and C tended to activate TCF reactions due to low pH, but pH adjustment improved emulsion characteristics, showcasing potential for sustainability. Managing chemical reactivity is vital for sustainable industry, reducing waste and energy consumption while protecting the environment. Emulsification is a key method for controlling reactivity, especially for highly reactive chemicals like NH4Cl and NaNO2 in industries like oil and gas. This study investigates emulsification techniques to mitigate TCFs' excessive reactivity, exploring different concentrations and emulsifier types in diesel. The research also examines pH adjustment as an alternative method to control TCFs' reactivity, considering factors like temperature and pressure. Results show potential for both emulsification and pH adjustment to enhance sustainability by optimizing TCFs' reactions in various applications, aiding in efficiency and success rates. The study explores the use of TCFs as cleanup agents, aiming not only to degrade polymers and reduce viscosity but also to remove trapped water, a significant damage mechanism in low permeability shale formations post-fracturing. NH4Cl and NaNO2 were investigated for their reactions and substantial heat generation. Thermal degradation of guar gum polymer derivatives (HPG and CMHPG) was assessed using FTIR, TGA, viscosity measurements, and coreflood experiments. Results showed altered chemical and thermal properties in thermally treated polymers. Coreflood results indicated permeability regain of 87% for HPG borate-crosslinked, 96% for CMHPG dual crosslinked, and 90% for slickwater fracturing fluids. Thermally treated slickwater outperformed slickwater with a ammonium persulfate breaker in permeability regain.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Petroleum
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Committee Advisor:	Aljawad, Murtada
Committee Members:	Abu-Khamsin, Sidqi A. and Mahmoud, Mohamed and Patil, Shirish
Depositing User:	AL-TAG ALI ABDALLAH (g199073080)
Date Deposited:	27 Feb 2024 12:37
Last Modified:	27 Feb 2024 12:37
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142812