Laboratory hydraulic fracturing tests of rock samples with water, carbon dioxide, and slickwater

• Autorzy: Stanisławek S. , Kędzierski P. , Miedzińska D.

Identyfikatory

DOI

10.1515/ace-2017-0033

Warianty tytułu

PL

Szczelinowanie hydrauliczne próbek skalnych za pomocą wody, ditlenku węgla oraz „slickwater”

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Hydraulic fracturing of rocks boosts the production rate by increasing the fracture-face surface area through the use of a pressurized liquid. Complex stress distribution and magnitude are the main factors that hinder the use of information gathered from in situ hydraulic fracturing in other locations. Laboratory tests are a good method for precisely determining the characteristics of these processes. One of the most important parameters is breakdown pressure, defined as the wellbore pressure necessary to induce a hydraulic fracture. Therefore, the main purpose of this investigation is to verify fracture resistance of rock samples fractured with the assistance of the most popular industry fluids. The experiments were carried out using a stand designed specifically for laboratory hydraulic fracturing. Repeatable results with a relative error within the range of 6-11% prove that the experimental methodology was correct. Moreover, the obtained results show that fracturing pressure depends significantly on fluid type. In the case of a water test, the fracturing pressure was 7.1±0.4MPa. A similar result was achieved for slickwater, 7.5±0.7MPa; however, a much lower value (4.7±0.5MPa) was registered in the case of carbon dioxide.

PL

Szczelinowanie hydrauliczne polega na niszczeniu skały za pomocą płynu pod wysokim ciśnieniem w celu zwiększenia powierzchni spękań, co poprawia wydajność produkcyjna. Rozkład naprężenia w górotworach i jego wielkoś jest zwykle relatywnie skomplikowana, a to utrudnia wykorzystanie informacji zgromadzonych w trakcie procesu szczelinowania w innej lokalizacji. Przy tym zwykle prace prowadzone są na dużym obszarze, a znaczna część instalacji znajduje się pod ziemią. W efekcie wiedza na temat warunków, w których przeprowadzono proces jest zwykle ograniczona. Dlatego próby laboratoryjne stanowią dobrą metodę weryfikacji parametrów procesu. Jedną z najistotniejszych wielkości jest ciśnienie szczelinowania niezbędne do wytworzenia spękań. Decyduje ono zarówno o parametrach instalacji szczelinującej jak i ma wpływ na aktywność sejsmiczną obszaru. W literaturze istnieją wzory pozwalające szacować wielkość ciśnienia szczelinującego, jednak nie uwzględniają one roli płynu szczelinującego. Najpopularniejszym medium szczelinującym stosowanym w przemyśle jest woda, często domieszkowana specjalnymi dodatkami redukującymi tarcie. W górotworach o szczególnie zwartej budowie stosuje się zwykle ditlenek węgla lub azot. Dotychczasowe badania nad wpływem płynu szczelinującego na wielkość ciśnienia miały ograniczony charakter. Ze względu na ten fakt praca podejmuje to zagadnienie.

Słowa kluczowe

EN

hydraulic fracturing; fracturing test stand; tensile strength; rock; water; carbon dioxide; slickwater

PL

szczelinowanie hydrauliczne; stanowisko do szczelinowania; wytrzymałość na rozciąganie; skała; woda; ditlenek węgla; slickwater

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 63, nr 3
• Strony: 139--148
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Stanisławek S.

• Warsaw Military University, Faculty of Mechanical Engineering, Warsaw, Poland

autor

Kędzierski P.

• Warsaw Military University, Faculty of Mechanical Engineering, Warsaw, Poland

autor

Miedzińska D.

• Warsaw Military University, Faculty of Mechanical Engineering, Warsaw, Poland

Bibliografia

• 1. N.R. Tschirhart, “The evaluation of waterfrac technology in low-permeability gas sands in the East Texas basin”, Texas A&M University, 2005.
• 2. M.K. Hubbert, D.G. Willis, “Mechanics of hydraulic fracturing. Transactions of American Institute of Mining Engineering” 210: 153−168, 1957.
• 3. L.O. Frash, “Laboratory-scale Study of Hydraulic Fracturing in Heterogeneous Media for Enhanced Geothermal Systems and General Well Stimulation”, Colorado School of Mines, 2014.
• 4. I. Matsunaga, H. Kobayashi, S. Sasaki, T. Ishida, „Studying hydraulic fracturing mechanism by laboratory experiments with acoustic emission monitoring”, Int. ,I. Rock Mech. Min. Sci., 30, 7, 909-912, 1993.
• 5. M.D. Zoback, “Reservoir Geomechanics”, Cambridge University Press, USA, 2007.
• 6. B.C. Haimson, C. Fairhurst, “Initiation and extension of hydraulic fractures in rocks”, Society of Petroleum Engineering Journal 7: 310−318, 1967.
• 7. P. Kędzierski, T. Niezgoda, G. Sławiński, “Development of Stand for Rock Material Fracturing in Laboratory Conditions”, Sol. St. Phen., 94-97, 2015.
• 8. T. Ishida, K. Aoyagi, T. Niwa, Y. Chen, S. Murata, Q. Chen, Y. Nakayama, “Acoustic emission monitoring of hydraulic fracturing laboratory experiment with supercritical and liquid CO2”, Geophys. Res. Lett., 39 (16), 2012
• 9. Y.Sun, “Impact of slickwater fracturing fluid compositions on the petrophysical properties of shale and tightsand”, PHD thesis, Missouri University Of Science And Technology, 2014.
• 10. H. Xie, J. Pei, J. Zuo, R. Zhang, “Investigation of mechanical properties of fractured marbles by uniaxial compression tests”, J. Rock Mech. Geotech. Eng., 3 (4), 302-313, 2011.
• 11. D. G. Prince, “Engineering Geology: Principles and Practice”, Springer-Verlag, United Kingdom, 2009.