Micro- and Meso-Scale Wettability Alteration in Tight Sandstones During Post-Fracturing Shut-In Period. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Master’s thesis in Petroleum Engineering on wettability alteration during post-fracturing shut-in period) ThesisStevenFinal.pdf - Updated Version Restricted to Repository staff only until 20 May 2027. Download (14MB)

Arabic Abstract

Hydraulic fracturing fluids do not stop affecting the rock once pumping ends. During the shut-in period, the retained fluid continues interacting with the rock surface and the fluids already present in the pore space, which can modify wettability and later influence recovery. This thesis examines that process at two different scales: meso scale and micro scale. At the meso scale, contact angle experiments were performed on Scioto sandstone chip samples under initially oil-wet and water-wet conditions. Two broken hydraulic fracturing fluids were evaluated, one zirconium-crosslinked and one boron-crosslinked. Additional tests were carried out using selected individual fluid components at different concentrations and exposure times. Surface characterization of selected samples was performed using SEM-EDS. At the micro scale, a Berea sandstone sample was subjected to sequential fluid exposure and micro-CT scanning. The sample was first conditioned with oil, then exposed to brine, oil again, and finally zirconium broken hydraulic fracturing fluid. The resulting images were processed to evaluate pore-scale fluid distribution and in-situ contact angle evolution. The results showed that the strongest wettability changes occurred in the initially oil-wet meso-scale samples, while the water-wet samples remained comparatively stable. Among the individual additives, the surfactant produced the largest contact angle changes, followed by the gelling agent and the clay stabilizer at selected conditions. The SEM-EDS observations suggested that aging mainly modified the outermost surface condition of the rock. At the micro scale, the pore-scale response was history-dependent: brine increased the in-situ contact angle, oil only partially restored the initial condition, and zirconium broken hydraulic fracturing fluid produced the largest shift together with a reduction in oil connectivity. Overall, the results indicate that wettability alteration during post-fracturing shut-in is progressive, depends strongly on the initial wetting state, and is influenced by both exposure time and fluid composition.

English Abstract

لا تتوقف سوائل التكسير الهيدروليكي عن التأثير على الصخور بمجرد انتهاء عملية الضخ. خلال فترة الإغلاق، يستمر السائل المحتجز في التفاعل مع سطح الصخر ومع السوائل الموجودة مسبقًا داخل المسام، مما قد يؤدي إلى تعديل قابلية البلل وبالتالي التأثير لاحقًا على الاستخلاص. تتناول هذه الرسالة هذه العملية على مقياسين مختلفين: المقياس المتوسط والمقياس الدقيق. على المقياس المتوسط، تم إجراء تجارب زاوية التلامس على عينات من رقائق حجر الساوتوم الرملي في حالتي البلل الابتدائي بالزيت والبلل بالماء. تم تقييم نوعين من سوائل التكسير الهيدروليكي المتحللة، أحدهما متشابك بالزركونيوم والآخر بالبورون. كما أُجريت اختبارات إضافية باستخدام مكونات فردية مختارة من السوائل بتركيزات وأزمنة تعرض مختلفة. وتم توصيف سطح بعض العينات المختارة باستخدام تقنية المجهر الإلكتروني الماسح مع تحليل تشتت الطاقة (SEM-EDS). على المقياس الدقيق، خضعت عينة من حجر بجريا الرملي لتعريض متسلسل للسوائل مع إجراء تصوير بالأشعة المقطعية الدقيقة (micro-CT). حيث تم أولاً تكييف العينة بالزيت، ثم تعريضها للمحلول الملحي، ثم الزيت مرة أخرى، وأخيرًا لسائل تكسير هيدروليكي متحلل بالزركونيوم. تمت معالجة الصور الناتجة لتقييم توزيع السوائل على مستوى المسام وتطور زاوية التلامس في الموقع. أظهرت النتائج أن أقوى التغيرات في قابلية البلل حدثت في عينات المقياس المتوسط التي كانت في البداية مبللة بالزيت، بينما بقيت العينات المبللة بالماء أكثر استقرارًا نسبيًا. ومن بين الإضافات الفردية، أدى العامل السطحي إلى أكبر تغيّر في زاوية التلامس، يليه عامل التجلط ومثبت الطين في ظروف محددة. كما أشارت ملاحظات SEM-EDS إلى أن التعتيق أثّر بشكل رئيسي على الحالة السطحية الخارجية للصخر. وعلى المقياس الدقيق، كانت استجابة المسام معتمدة على التاريخ السابق: حيث أدى المحلول الملحي إلى زيادة زاوية التلامس في الموقع، ولم يستطع الزيت إلا استعادة الحالة الأولية جزئيًا، بينما تسبب سائل التكسير المتحلل بالزركونيوم في أكبر تغير، مصحوبًا بانخفاض في ترابط الزيت. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن تغيّر قابلية البلل خلال فترة الإغلاق بعد التكسير هو عملية تدريجية، تعتمد بشكل كبير على حالة البلل الابتدائية، وتتأثر بكل من زمن التعرض وتركيب السائل.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum Petroleum > Well Completion and Stimulation
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Thesis Advisor:	Hasan Khan,
Thesis Committee Members:	Muhammad Shahzad Kamal, Murtada Al-jawad,
Depositing User:	STEVEN GARCIA (g202418000)
Date Deposited:	20 May 2026 11:33
Last Modified:	20 May 2026 11:33
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144404