Innovative Techniques to Reduce Breakdown Pressure in Unconventional Hydrocarbon and Geothermal Reservoirs. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Thesis_Fahad Khan) PhD Thesis_G202210560_Fahad Khan.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 30 May 2027. Download (8MB)

Arabic Abstract

أدى تزايد الطلب العالمي على الطاقة، بالتزامن مع استنزاف موارد الهيدروكربونات التقليدية، إلى ضرورة تطوير تقنيات استخراج فعالة ومجدية اقتصاديًا لمكامن الهيدروكربونات غير التقليدية والمكامن الحرارية الأرضية. تتميز هذه المكامن عادةً بانخفاض مساميتها ونفاذيتها، مما يستلزم استخدام أساليب تحفيز متقدمة، مثل التكسير الهيدروليكي، لتمكين الإنتاج. ومع ذلك، يُعدّ ارتفاع ضغط بدء التكسير اللازم لبدء وانتشار الشقوق أحد أبرز التحديات المرتبطة بهذه العمليات، مما يزيد بشكل كبير من تكاليف التشغيل ومتطلبات الطاقة والمخاطر المصاحبة. يركز هذا البحث على دراسة تقنيات مبتكرة لخفض ضغط بدء التكسير من خلال مناهج كيميائية حرارية. وقد أُجريت دراسة تجريبية شاملة تضمنت توصيفًا تفصيليًا للخصائص البتروفيزيائية والجيوميكانيكية لصخور المكامن، بما في ذلك الحجر الرملي والطفلي والجرانيت الحراري الأرضي. تم فحص العديد من التفاعلات الكيميائية الحرارية الماصة للحرارة بناءً على قدرتها على خفض درجة الحرارة وحركية التفاعل، مما أدى إلى تحديد نظام تفاعل مُحسَّن قادر على إحداث تبريد سريع ومستدام. كما تم تقييم تأثيرات تركيز المواد المتفاعلة ودرجة الحرارة الابتدائية لتحديد الظروف المثلى لتحقيق أقصى صدمة حرارية في ظروف الخزانات. أظهر تطبيق التبريد الكيميائي الحراري انخفاضات ملحوظة في قوة الصخور وضغط بدء التكسير في كل من المكامن غير التقليدية و الخزانات الحرارية الأرضية، مصحوبة بتطور مُحسَّن للتشققات الدقيقة، وزيادة في حجم المسام، وتحسين في خشونة السطح. ساهمت هذه التغييرات في بدء وانتشار الكسور بكفاءة أكبر. بالإضافة إلى ذلك، تم دراسة تبريد جول-طومسون المُحفَّز بثاني أكسيد الكربون كتقنية بديلة، حيث أظهر انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة وإضعافًا فعالًا للتكوين الصخري، إلى جانب مزايا إضافية مثل تحسين اختراق السوائل وإمكانية عزل الكربون. تؤكد النتائج أن التقنيات القائمة على التأثيرات الحرارية توفر وسيلة فعالة ومُحكمة لخفض ضغط بدء التكسير، مما يوفر فوائد تقنية واقتصادية. تُرسّخ هذه الدراسة أساسًا قويًا لتطوير استراتيجيات التحفيز المتقدمة وتُسلط الضوء على إمكانات دمج الطرق الحرارية والكيميائية الحرارية من أجل استغلال المكامن بصورة مستدامة وفعّالة من حيث التكلفة.

English Abstract

The increasing global demand for energy, combined with the depletion of conventional hydrocarbon resources, has necessitated the development of efficient and economically viable extraction techniques for unconventional hydrocarbon and geothermal reservoirs. These reservoirs are typically characterized by low porosity and permeability, requiring advanced stimulation methods such as hydraulic fracturing to enable production. However, one of the major challenges associated with such operations is the high breakdown pressure required to initiate and propagate fractures, which significantly increases operational costs, energy requirements, and associated risks. This research focuses on investigating innovative techniques to reduce breakdown pressure through thermochemical approaches. A comprehensive experimental study was conducted involving detailed petrophysical and geomechanical characterization of reservoir rocks, including sandstone, shale, and geothermal granite. Various endothermic thermochemical reactions were screened based on their temperature reduction capability and reaction kinetics, leading to the identification of an optimized reaction system capable of inducing rapid and sustained cooling. The effects of reactant concentration and initial temperature were also evaluated to determine optimal conditions for maximum thermal shock under reservoir conditions. The application of thermochemical cooling demonstrated significant reductions in rock strength and breakdown pressure in both unconventional and geothermal systems, accompanied by enhanced microcrack development, increased pore volume, and improved surface roughness. These alterations contributed to more efficient fracture initiation and propagation. Additionally, CO₂-induced Joule–Thomson cooling was investigated as an alternative technique, showing rapid temperature reduction and effective weakening of the rock matrix, along with added advantages such as improved fluid penetration and potential for carbon sequestration. The results confirm that thermally driven techniques provide a controlled and efficient means for breakdown pressure reduction, offering both technical and economic benefits. This study establishes a strong foundation for the development of advanced stimulation strategies and highlights the potential to integrating thermal and thermochemical methods for sustainable and cost-effective reservoir exploitation.