Crushing and embedment of proppants during high-stressed rock-proppant interaction test

Shuai Man, Ron Chik-Kwong Wong

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoOttawa 2017: 70th Canadian Geotechnical Conference; 12th joint with IAH-CNC

Session: Rock Mechanics I

ABSTRACT: Proppants are of critical importance in hydraulic fracturing to enhance oil and gas production in low-permeability formations. Understanding the mechanical performance of proppants under field conditions is extremely important for proppant selections, which can make a difference between success and failure in designing hydraulic fracturing treatments. However, this important topic has received inadequate attention among geotechnical engineering researchers. This paper experimentally investigates the grain crushing and embedment of proppants by performing rock-proppant interaction tests. The tests mimicked the proppants™ behavior in a hydraulically induced fracture under in-situ compressive stresses. Ceramic proppants and frac sand with different morphological features and mechanical properties were used in the test, along with rock wafers recovered from gas-bearing sandstone formation in Alberta. Scanning electron microscope was employed to examine grain crushing and embedment at microscopic scales. Test results revealed proppant crushing and embedment under field conditions and their implications for the fracture™s conductivity. Although both ceramic proppants and the frac sand experienced severe grain crushing, they showed different crushing patterns which were inferred to potentially cause varying levels of reduction in fracture conductivity. Quantitative permeability evaluations of proppant packs confirmed this hypothesis. Compared with that of ceramic proppants, indentations on rock surface caused by the frac sand were larger and deeper, which indicated severer grain embedment and potentially greater loss of fracture conductivity. These findings will enable a better understanding of the proppants™ mechanical performance in a hydraulically induced fracture in the sandstone formation.

RÉSUMÉ: Les agents de soutènement sont essentiels pour l'amélioration et le maintien de la production d™hydrocarbure dans les formations non-conventionnel à perméabilité faible. Une bonne connaissance des comportements mécaniques des agents de soutènement se révèle cruciale pour la sélection de ces agents, une décision qui peut faire la différence entre le succès et l'échec de la fracturation hydraulique. Ce sujet est parfois méconnu par les chercheurs et ingénieurs géotechniques. Cet article présente une étude expérimentale de l'écrasement et de l'enchâssement des grains au travers d'essais portant sur l™interaction des agents de soutènement avec les roches. Les essais ont permis de simuler le comportement des grains de soutènement dans une fracture hydraulique sous une pression compressive in-situ. Différents agents céramiques et sable, possédant des caractéristiques morphologiques variées, ont été utilisés lors des expériences, ainsi que certaines tranches rocheuses récupérées d™une formation gazeuse en Alberta. Un microscope électronique à balayage a été utilisé pour examiner l™écrasement et l'enchâssement des grains à l'échelle microscopique. Les résultats des expériences ont révélé le comportement des agents de soutènement dans des conditions réelles ainsi que leur influence sur la conductivité de la fracture hydraulique. Bien que les deux agents aient connu un fort écrasement, les formes d™écrasement se sont révélées différentes, justifiant les différentes difficultés d™écoulement observées. Les évaluations quantitatives de la perméabilité des paquets de proppants ont confirmé cette hypothèse. Par rapport à des agents céramiques, les empreintes superficielles causées par les grains de sable étais plus longue et plus profondes, ce qui montre un enchâssement plus important et une diminution de conductivité plus forte. Les résultats recueillis permettront une meilleure compréhension des performances mécaniques des agents de soutènement dans une fracture hydraulique lors de la formation du grès.

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