Computing Fracture Half-length From Diagnostic Fracture Injection Test Data and Determining System Threshold Values for Fracturing Treatment Efficiency. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Final thesis with signed approval page) ‏‏Final Updated Thesis Ahmed Al-Shaikh.pdf - Published Version Restricted to Repository staff only until 1 January 2027. Download (9MB)

Arabic Abstract

تستخدم اختبارات الحقن التشخيصي للكسر (DFIT) على نطاق واسع لتقدير الإجهاد الموضعي في الطبقات (in-situ stress)، وسلوك تسرب السوائل إلى المكمن (leak-off)، والنفاذية قبل عمليات التكسير الهيدروليكي. إلا أن تفسير هذه الاختبارات غالبًا ما يكون غير مؤكد في المكامن غير التقليدية، كما أن فترات الإغلاق الطويلة (shut-in) قد تجعل تنفيذ DFIT مكلفا. تُطوّر هذه الرسالة منهجية موحّدة قائمة على الفيزياء تستخدم حلول الاستجابة العابرة للضغط الغاوسي (GPT) لقياس معدل التسرب والهبوط الضغطي، وكذلك لتحديد حدود عملية لنمو الكسر وفق جدول ضخ محدد. يتم دمج نموذج الانتشار الغاوسي مع هندسة الكسر (اعتمادا على حلول Sneddon) ومع جريان دارسي لحساب معدل التسرب الزمني مباشرة من منحنى هبوط الضغط المقاس. ويتم الحصول على التسرب التراكمي، ثم يُقرن ذلك بانضغاطية النظام لاشتقاق نموذج لهبوط الضغط ويمكن مطابقته تاريخيا مع بيانات DFIT الحقلية. تم التحقق من صحة المنهجية باستخدام سجلات هبوط الضغط لسبعة آبار في أربع تكوينات من الصخور السجيلية (shale)، حيث أظهرت النتائج قدرة موثوقة على إعادة إنتاج سلوك هبوط الضغط وتقديرا متسقا لمعامل الانتشار الهيدروليكي اعتمادا فقط على أجزاء قصيرة من منحنى الهبوط. بعد ذلك، يتم تضمين صياغة التسرب الغاوسي نفسها ضمن إطار “حدّ العتبة” القائم على موازنة الكتلة لتحديد أقصى طول نصف كسر قابل للتحقيق تقنيا عندما يتوزع السائل المحقون بين تسرب إلى المكمن وتخزين داخل الكسر. تم تطوير نموذجين: نموذج عتبة هيدروليكي، ونموذج عتبة هيدروليكي مرن يضم معامل يونغ لتمثيل المطاوعة (compliance) والتخزين المرن. تُظهر النتائج أن النفاذية تتحكم في نظام تهيمن عليه خسائر التسرب، بينما في الصخور شديدة الانخفاض في النفاذية قد يهيمن التخزين المرن، وأن إهماله قد يؤدي إلى مبالغة كبيرة في تقدير طول نصف الكسر. وتوضح دراسة حالة حقلية كيف يمكن أن تكون أهداف التصميم التقليدية غير قابلة للتحقيق تشغيليا، في حين أن التصميم المتوافق مع العتبة يعطي أزمنة ضخ واقعية. تتيح المنهجية التحليلية المقترحة فحصا سريعا وشفافا، وتدعم اتخاذ قرارات تصميم أكثر عملية لعمليات الإكمال (completion design).

English Abstract

Diagnostic Fracture Injection Tests (DFITs) are widely used to estimate in-situ stress, leak-off behavior, and permeability prior to hydraulic fracturing, but interpretation is often uncertain in unconventional reservoirs and long shut-in durations can make DFIT operations costly. This thesis develops a unified, physics-based workflow that uses Gaussian Pressure Transient (GPT) solutions to quantify leak-off and pressure fall-off and to determine practical limits on fracture growth for a given pumping schedule. A Gaussian diffusion model is combined with fracture geometry (Sneddon-based) and Darcy flow to compute a time-dependent leak-off rate directly from measured pressure decline. Cumulative leak-off is calculated, which is then coupled with system compressibility to derive a pressure fall-off model that can be history-matched to field DFIT data. The workflow is validated using DFIT pressure fall-off records from seven wells drilled in four shale formations, demonstrating reliable reproduction of pressure fall-off and consistent estimation of hydraulic diffusivity using only short portions of the fall-off curve. The same Gaussian leak-off formulation is then embedded in a mass-balance threshold framework to identify the maximum technically achievable fracture half-length as injected fluid is partitioned between matrix leak-off and fracture storage. A hydraulic threshold model and a hydraulic-elastic threshold model are formulated, the latter including Young’s modulus to capture compliance and elastic storage. Results show that permeability controls a leak-off-dominated regime, while in tight rocks elastic storage can dominate and neglecting it may strongly overestimate fracture half-length. A field case study illustrates how conventional design targets can be operationally unfeasible, while a threshold-compliant design yields realistic pumping times. The proposed analytical workflow enables rapid and transparent screening and supports more practical completion design decisions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum Petroleum > Rock and Fluid Properties
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Thesis Advisor:	Ruud Weijermars,
Thesis Committee Members:	Murtada Al-jawad, Badr Ba Geri,
Depositing User:	AHMED AL-SHAIKH (g202390090)
Date Deposited:	13 Apr 2026 06:18
Last Modified:	13 Apr 2026 06:18
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144102