Evaluating the tribological evolution of shale rock surface using friction reducers. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS thesis report) MS Thesis_M.Shayban (1).pdf Restricted to Repository staff only until 5 January 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

يُعدّ التكسير الهيدروليكي في مكامن السجيل عملية معقدة من حيث تفاعلات السائل–الصخر، حيث تؤثر التغيرات في الاحتكاك الصخري على استقرار الفوالق، وانتشار الشقوق، والزلازل المستحثة بالحقن. تُستخدم مخفّضات الاحتكاك (FRs) على نطاق واسع لتقليل قوى السحب أثناء الحقن؛ إلا أن تأثيراتها على السلوك القصي عند واجهات الصخور، خصوصًا تحت الحمل وأثناء الانزلاق، ما تزال غير مفهومة بالشكل الكافي. تهدف هذه الدراسة إلى بحث كيفية تأثير الموائع المزلِّّقة المختلفة مثل الماء منزوع الأيونات، ومخفّضات الاحتكاك (FRs)، والمحاليل المعزّزة بالنقاط النانوية (Nanodots) على الاحتكاك الصخري، ومسافة الانزلاق، وتآكل السطح لأسطح السجيل. كما تبحث هذه الدراسة تطور الاحتكاك لأسطح الصخور تحت سرعات انزلاق مختلفة وفي ظروف تزييت متباينة، مبرزة الانتقال من الاحتكاك المسيطر عليه بالتضرسات (Asperities) إلى الاحتكاك المسيطر عليه بالسوائل، وهو جانب مهم لفهم ميكانيكية انزلاق الفوالق . 15 × مم قطر 5.5تم تجهيز عينات من السجيل الكلسي بقطع الكتل بشكل عمودي على مستوى التطبق للحصول على دبابيس ) مم طول(. تم صقل أسطح التلامس للحصول على سطح أملس وموحّد. جرى اختبار 15 × مم قطر 37.5مم طول( وأقراص ) السلوك الاحتكاكي باستخدام جهاز Pin-on-Disk نيوتن. وأُجريت التجارب عند سرعات 15 تحت حمل عمودي ثابت مقداره انزلاقية وظروف سائلة مختلفة، بما في ذلك الحالة الجافة، والمشبعة بالماء منزوع الأيونات، والمشبعة بمخفّض الاحتكاك، والمحاليل المعززة بالنقاط النانوية. كما جرى توصيف التغيرات السطحية قبل وبعد الاختبارات باستخدام المجهر الإلكتروني xvi الماسح (SEM) وقياسات الخشونة السطحية. إضافةً إلى ذلك، تم تحليل التركيب الكيميائي للموائع المزلقة باستخدام تقنية FTIR. تُظهر هذه الدراسة السلوكيات الاحتكاكية لواجهات السجيل الكلسي تحت ظروف الجفاف، والماء منزوع الأيونات، ومخفّضات م(. 56.55 سم(، والطويل الأمد )حتى 20–5 سم(، والانتقالي ) 5–0الاحتكاك، والموائع النانوية عبر مراحل الانزلاق المبكر ) أظهرت المرحلتان المبكرة والانتقالية بشكل عام تقوية قصية نتيجة لتطور تلامس التضرسات. إلا أن الحالة الجافة أظهرت احتكاكًا مضعفًا بالسرعة (Velocity-Weakening) مع انخفاض جزئي في الاحتكاك، يُعزى غالبًا إلى تأثيرات التدحرج والحطام الثالثي. لم تُلاحظ اتجاهات متسقة في معامل الاحتكاك (μ) أو مسافة الانزلاق الحرج (dc) عبر الموائع المزلِّّقة أو السرعات خلال مراحل الانزلاق المبكر والانتقالي. كما أظهرت الحالة الجافة تآكلًا سطحيًا شديدًا، انعكس في انخفاض كبير في قيم الخشونة. بينما عملت موائع مخفّض الاحتكاك على استقرار الاحتكاك، منتجةً سلوكًا محايدًا تجاه السرعة وانتقالًا أسرع إلى الحالة المستقرة، في حين أدت الموائع النانوية إلى احتكاك متقوّي بالسرعة (Velocity-Strengthening) مع حماية محسّنة للسطح. أدى الانزلاق طويل الأمد إلى انتقال التزييت من النطاق الحدّي (S < 0.25) إلى المختلط/الهيدروديناميكي (S > 1) ، مما خفّض الاحتكاك في ظل ظروف مساعدة بالسوائل. وبشكل عام، يتضح أن كيمياء الموائع تؤثر على تطور الاحتكاك، واستقرار الانزلاق، وتآكل السطح، مما يبرز قدرة الموائع المزلقة على التحكم في انزلاق الفوالق أثناء التكسير الهيدروليكي . في هذا العمل، تمت محاكاة سلوك انزلاق الصخور في السجيل أثناء التكسير الهيدروليكي باستخدام جهاز Disk-on-Pin لقياس الاستجابة الاحتكاكية. وقد تم توصيف أنظمة التزييت عبر رقم Sommerfeld لربط تأثيرات الموائع على الاحتكاك الصخري.

English Abstract

Hydraulic fracturing in shale reservoirs induces complex fluid-rock interactions, where changes in rock friction influence fault stability, fracture propagation and injection-induced seismicity. Friction reducers (FRs) are widely used to reduce drag forces during injection; however, their effects on shear behavior at rock interfaces especially under load and during slip, remain insufficiently understood. This study investigates how different lubricating fluids such as deionized water, friction reducers (FRs), and nanodot-enhanced solutions affects the rock friction, slip distance and surface wear of shale surfaces. This work examines frictional evolution of rock surfaces under varying sliding velocities and lubrication regimes highlighting the transition from asperities-controlled friction to fluid mediated friction - an important aspect for understanding fault slip mechanics. Calcareous shale samples were prepared by cutting blocks orthogonal to the bedding plane to obtain pins (5.5 mm D × 15 mm L) and cores (37.5 mm D × 15 mm L). The contact surfaces were polished to achieve a smooth and uniform finish. Frictional behavior was investigated using a pin-on-disk tribometer under a constant normal load of 15 N. Tests were conducted at varying sliding velocities and fluid conditions, including dry, deionized water-saturated, friction reducer (FR)-saturated, and nanodot-enhanced solutions. Surface changes before and after testing were characterized using SEM and surface roughness measurements. The chemical composition of the lubricating fluids was analyzed by FTIR. This study evaluates frictional behaviors of calcareous shale interfaces under dry, deionized water, friction reducer and nanodot-enhanced lubrication across early (0 – 5 cm), transitional (5 – 20 cm) and long-term (up to 56.55 m) slip stages. Early and transitional stages generally showed shear strengthening due to asperity contact evolution. However, dry conditions exhibited velocity-weakening friction and partial friction reduction, likely caused by rolling and third-body debris effects. No consistent trends in friction coefficient (μ) and critical slip distance (dc) were observed across lubricated fluids or velocities during the early and transitional slip stages. Dry condition showed severe surface wear, reflected by large roughness reductions. Friction reducer fluids stabilized friction, producing velocity-neutral behavior and faster steady-state transition, while nanodot fluids caused velocity-strengthening friction with improved surface protection. Long-term sliding shifted lubrication from boundary (S < 0.25) to mixed/hydrodynamic (S > 1), lowering friction under fluid-assisted conditions. Overall, fluid chemistry influences friction evolution, slip stability and surface wear, emphasizing the lubricants potential to control fault slip in hydraulic fracturing. In this work, we simulated rock slip behavior of shale during hydraulic fracturing using a pin-on-disk tribometer to measure frictional response. Lubrication regimes were characterized via the Sommerfeld number to relate fluid effects on rock friction.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum Petroleum > Petroleum Reserves and Economics Petroleum > Rock and Fluid Properties
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Hasan,Khan, Dr. Hasan J Khan
Committee Members:	Prof. Ruud Weijermars, Ruud Weijermars and Prof. Abdul Samad Mohammed, Abdul Samad
Depositing User:	MAHAMMADSH BODA (g202314570)
Date Deposited:	06 Jan 2026 07:20
Last Modified:	06 Jan 2026 07:20
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143983