NANOSCALE ASSESSMENT OF SHALES MECHANICAL INTEGRITY UPON INTERACTIONS WITH SUPERCRITICAL CO2. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis Final - Dandi Alvayed) MS_Thesis_Final_Dandi Alvayed.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 30 July 2025. Download (3MB)

Arabic Abstract

يتطلب التحرير المتزايد لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إجراء فحص دقيق لطرق التقاط والاستخدام وتخزين ثاني أكسيد الكربون للتخفيف من آثار الاحتباس الحراري . لتقييم جدوى الاستفادة من ثاني أكسيد الكربون فوق الحرجة في التفتيت الخالي من الماء وتخزين ثاني أكسيد الكربون ، من الضروري فهم التغيرات في الخصائص الجيوميكانيكية عند تفاعل الصخور الطينية مع ثاني أكسيد الكربون . لا تزال الاستجابة الميكانيكية للمكونات في الصخور الطينية غير مفهومة بشكل كافٍ بسبب التحديات المرتبطة بعزلها للتحليل الميكانيكي الشامل دون المساس بالسلامة الهيكلية لها . يعد النانواندنتيشن تقنية قيمة لاستكشاف تباين الخصائص الميكانيكية للصخور الطينية في الموقع . تقدم هذه الدراسة طريقة لتحليل الاختلافات الميكانيكية في الصخور الطينية قبل وبعد المعالجة باستخدام ثاني أكسيد الكربون . قمنا بدمج النانو اندنيشن مع المجهر الإلكتروني الماسح للتحقيق في هذه التغييرات بشكل شامل . تم استخراج عينات مجهرية مشطوفة كمرآة من سدادة أساسية وخضعت لاختيار دقيق لوضع القوة الثابتة . علاوة على ذلك ، تم استكمال التقييم الميكانيكي بالمجهر الإلكتروني الماسح لتوضيح التغييرات المورفولوجية . تعرضت العينات للتكسر تحت ظروف التفاعل مع ثاني أكسيد الكربون لمدة 7 و 30 و 60 يومًا . تكشف النتائج عن توزيع ذروة مزدوجة في القياسات النانوية للخصائص الميكانيكية ، مما يشير إلى تكرار مماثل للمكونات اللينة والصلبة ، وهو ما تم التحقق منه بواسطة رسم خرائط المسح المجهري . تُظهر قيم معامل يونج والصلابة مجموعة واسعة من التباين الميكانيكي على مستوى النانو ، تتراوح بين 7 إلى 85 GPa و 0.3 إلى 4.9 جيجا باسكال على التوالي . وفي الوقت نفسه ، يُظهر العائد على نطاق واسع توزيعًا طبيعيًا لقيم معامل يونج تتراوح بين 25 و 60 Gجيجا باسكال ، مما يمثل السلوك العام للخصائص الميكانيكية . علاوة على ذلك ، أظهرت نتائج تفاعل ثاني أكسيد الكربون ضعفًا تدريجيًا لمصفوفة الصخور الطينية مع زيادة مدة التعرض لـ ثاني أكسيد الكربون . يقدم هذا البحث إطارًا جديدًا للتحقيق الشامل في الخصائص الميكانيكية للصخور الطينية على كل من المستوى المصغر والمستوى الكلي، إلى جانب التصوير عالي الدقة . تلقي النتائج الضوء على الجيوميكانيكا لمكونات الصخور الطينية المختلفة لتوفير فهم تفصيلي للسلوك الميكانيكي على نطاق أوسع .

English Abstract

The increasing release of carbon dioxide (CO2) into the atmosphere requires a thorough examination of methods to capture, use, and store CO2 to mitigate the effects of global warming. To evaluate the feasibility of utilizing supercritical carbon dioxide (sc-CO2) for waterless fracturing and CO2 storage, it is crucial to understand the changes in geomechanical properties when shale interacts with sc-CO2. The mechanical response of nanoscale constituents in shales remains inadequately understood due to the challenges associated with isolating them for comprehensive mechanical analysis without compromising their structural integrity. Nanoindentation is a valuable technique for exploring the heterogeneity of shale's mechanical properties in situ. This study presents a method for analyzing the mechanical variations in shale pre- and post-treatment with SC-CO2. We combined nanoindentation with Scanning Electron Microscopy (SEM) to investigate these changes comprehensively. Mirror-like finished micro samples were extracted from a core plug and subjected to careful selection of fixed-force mode during excessive nanoindentation. Moreover, the mechanical assessment was complemented by Scanning Electron Microscopy (SEM) imaging to visualize morphological alterations. The samples were subjected to aging under sc-CO2 conditions for 7, 30, and 60 days. The results reveal a dual peak distribution in the nanoscale measurements for the mechanical properties, indicating a comparable frequency of soft and hard constituents, validated by SEM mapping. Young's modulus and hardness values exhibit a wide range of mechanical heterogeneity at the nanoscale level, varying between 7 to 85 GPa and 0.3 to 4.9 GPa, respectively. Meanwhile, macroscale yield displays a normal distribution for Young's modulus values ranging from 25 to 60 GPa, representing the overall behavior of mechanical properties. Moreover, the results of CO2 aging demonstrated a gradual weakening of the shale matrix with increasing sc-CO2 exposure duration. This research introduces a novel framework for comprehensively investigating the mechanical properties of shales at both micro- and macroscale, complemented with high-resolution imaging. The findings shed light on the geomechanics of different shale constituents to provide a detailed understanding of the mechanical behavior at a larger scale.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Earth Sciences Research > Petroleum
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Alafnan, Saad
Committee Members:	Aljawad, Murtada and Amao, Abduljamiu
Depositing User:	DANDI ALVAYED (g202113690)
Date Deposited:	31 Jul 2024 10:31
Last Modified:	31 Jul 2024 10:31
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143011