Reduction of proppant embedment in carbonate formations through potassium phosphate treatment. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Master Thesis_Mohammed Almutawa.pdf Restricted to Repository staff only until 18 December 2026. Download (3MB)

Arabic Abstract

تتطلب المكامن الكربوناتية في كثير من الأحيان اللجوء إلى التحفيز بواسطة التكسير الهيدروليكي أو التكسير الحمضي لتحقيق إنتاج اقتصادي. غير أن فاعلية هذه التقنيات عند تطبيقها منفردة تبقى محدودة في التكوينات الضعيفة. فالتكسير الهيدروليكي يتأثر سلباً بانغراز المواد الداعمة وما يترتب عليه من فقدان سريع للتوصيلية تحت الضغوط الإغلاقية المرتفعة، بينما يعاني التكسير الحمضي من تهشم البروزات السطحية وانغلاق القنوات وزحف التكوين، الأمر الذي يؤدي إلى تراجع الأداء التوصيلي على المدى البعيد. وتبرز هذه التحديات الحاجة إلى استراتيجيات بديلة قادرة على تعزيز صلابة مصفوفة الصخور والمحافظة على التوصيلية. تتناول هذه الرسالة دراسة معالجات فوسفات البوتاسيوم كوسيلة للتدعيم الكيميائي تهدف إلى تحسين السلامة الميكانيكية للصخور الكربوناتية وتعزيز استدامة التوصيلية. وقد جرى اختبار صخور طباشير أوستن والحجر الجيري في إنديانا باستخدام ثلاثة أنواع من محاليل الفوسفات: الفوسفات الثلاثي (K3PO4)، والفوسفات الثنائي (K2HPO4)، والفوسفات الأحادي (KH2PO4). كما جرى تقييم التأثير المشترك لدرجة الحرارة وزمن التفاعل بشكل منهجي من خلال مصفوفة مكونة من 27 سيناريو تحت ظروف مماثلة لبيئة المكمن. وتم قياس صلابة الصخور باستخدام تقنية غير إتلافيه تعتمد على جهاز الطرق الاهتزازي، فيما جرى توصيف التغيرات المعدنية والمورفولوجية والعنصرية باستخدام تقنيات XRD، XRF، و SEM. أظهرت النتائج أ، المعالجات عززت تكون هيدروكسي أباتيت (HAP)، وهو معدن أكثر صلابة من الكالسيات، مما أدى إلى زيادات ملحوظة في الصلادة السطحية. وسجل الفوسفات الثلاثي أعلى أداء، إذ رفع صلادة الطباشير بنسبة 221%، والحجر الجيري بنسبة 122%، بعد 72 ساعة من المعالجة بتركيز 1 مول وضغط 1000 psi، ودرجة حرارة 70 °C. ولإيضاح العلاقة بين التعزيز الميكانيكي وسلوك الشقوق، جرى قياس التوصيلية على ألواح معالجة ب 1 مول من الفوسفات الثلاثي لمدة 72 ساعة، باستخدام جهاز API ACM-3000، تحت ضغوط إغلاقيه وصلت إلى 2500 psi ، مع جريان محلول KCL بتركيز 3%. وقد أظهرت العينات المعالجة من الحجر الجيري زيادة في التوصيلية بنسبة 30% مقارنة بغير المعالجة عند أقصى ضغط، بينما حققت عينات الطباشير تحسناً بلغ 71% . وتبين أن لعاملي الزمن ودرجة الحرارة تأثيراً محورياً في تحديد معدل ومورفولوجية تكون هيدروكسي أباتيت، وهو ما انعكس مباشرة على تعزيز الصلابة والحفاظ على التوصيلية. وبصورة عامة، تؤكد النتائج أن معالجات فوسفات البوتاسيوم، وخصوصاً الفوسفات الثلاثي، تمثل مساراً واعداً لتجاوز قيود التكسير الحمضي أو الهيدروليكي منفرداً، من خلال تقوية التكوينات الكربوناتية والحد من فقدان التوصيلية وإطالة عمر فعالية عمليات التحفيز، بما يسهم في رفع مردود إنتاج الهيدروكربونات من هذه المكامن.

English Abstract

Carbonate reservoirs often require stimulation by hydraulic or acid fracturing to achieve economic production, yet the effectiveness of these techniques when applied alone is limited in weak formations. Hydraulic fracturing is compromised by proppant embedment and rapid conductivity loss under high closure stresses, while acid fracturing suffers from asperity crushing, channel closure, and formation creep that significantly reduce long-term fracture performance. These types of challenges may underscore the need for alternative strategies that can stabilize the rock matrix and maintain conductivity. This thesis investigates the use of potassium phosphate treatments as a chemical consolidation technique to improve the mechanical properties of carbonate rocks and the durability of fractures. Three phosphate solutions: monobasic KH₂PO₄, dibasic K₂HPO₄, and tribasic K₃PO₄ were applied to Austin chalk and Indiana limestone. The composite impacts of temperature and reaction time were systematically evaluated from 27 situations carried out under reservoir relevant conditions. A nondestructive impulse hammer auto-scan method evaluated rock stiffness, whereas the mineralogical, morphological and elemental alterations were characterized with the help of XRD, SEM and XRF. The treatments induce in situ hydroxyapatite formation, which is much harder than calcite, resulting in dramatic hardness increases. The maximum performance was given for tribasic potassium phosphate and increased chalk hardness by 221% and limestone hardness by 122%. This was after 72 h of treatment at 1 M concentration, 1,000 psi, and 70 °C. To make the connection between the mechanical strengthening and the fracture behaviour, propped conductivity measurements were performed on slabs treated with 1 M tribasic phosphate, for 72 h, using API ACM-3000 system, under closure stresses up to 2500 psi, with 3 wt% KCl flow. After undergoing treatment, the limestone sample showed a 30% increase in its conductivity as compared with untreated samples at maximum stress. The chalk on the other hand, showed a conductivity increase of 71%. Furthermore, an extra test was conducted on chalk slabs by the same test conditions, where the sequential treatment was given by exposing the specimens to tribasic potassium phosphate for 68 hours and then to sodium fluoride for 4 hours. These dual-step treatments produced much higher values of surface hardness increase and fracture conductivity increase than were experienced with single-step tribasic treatment alone, including 151% conductivity improvement with the same maximum applied stress. Temperature and time had an influence on the yield and morphology of the hydroxyapatite that further affected the stiffness and conductivity retention. Therefore, the results confirm that potassium phosphate treatments, most notably tribasic potassium phosphate, provide an approach to reinforce carbonate formations, reduce conductivity loss, and extend the effectiveness of the stimulation operation beyond those achieved through acid or hydraulic fracturing alone to enhance hydrocarbon recovery.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum Petroleum > Well Completion and Stimulation
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Al-Jawad, Murtada
Committee Members:	Al Ramadan, Mustafa and Al Taq, Ali
Depositing User:	MOHAMMED ALMUTAWA (g201862940)
Date Deposited:	18 Dec 2025 08:55
Last Modified:	18 Dec 2025 08:55
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143800