Fracture development in high pressure experiment of shale in Texas, USA

Thanapong Vanichnatee

Please use this identifier to cite or link to this item: https://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/53422

Title:	Fracture development in high pressure experiment of shale in Texas, USA
Other Titles:	การพัฒนารอยแตกในการทดลองความดันสูงของหินดินดานบริเวณรัฐเท็กซัส ประเทศสหรัฐอเมริกา
Authors:	Thanapong Vanichnatee
Advisors:	Waruntorn Kanitpanyacharoen
Other author:	Chulalongkorn University. Faculty of Science
Advisor's Email:	waruntorn.k@chula.ac.th
Subjects:	Shale Shale -- United States Shale -- Texas Hydraulic fracturing Hydraulic fracturing -- United States Hydraulic fracturing -- Texas Geology, Structural Geology, Structural -- United States Geology, Structural -- Texas หินดินดาน หินดินดาน -- สหรัฐอเมริกา หินดินดาน -- เท็กซัส ไฮดรอลิกแฟรคเจอริง ไฮดรอลิกแฟรคเจอริง -- สหรัฐอเมริกา ไฮดรอลิกแฟรคเจอริง -- เท็กซัส ธรณีวิทยาโครงสร้าง ธรณีวิทยาโครงสร้าง -- สหรัฐอเมริกา ธรณีวิทยาโครงสร้าง -- เท็กซัส
Issue Date:	2016
Publisher:	Chulalongkorn University
Abstract:	Organic-rich shale has been generally considered as a source rock in hydrocarbon reservoir. With the advancement of horizontal drilling and hydraulic fracturing techniques, recently shale formation can be directly extracted for hydrocarbon. Despite the extensive studies of shale characteristics, there is little information about mechanical behavior and fracture system of shale during hydraulic fracturing process. This study thus aims to simulate the high pressure and high temperature conditions of hydraulic fracturing process and investigate microstructural and mechanical changes of the Barnett Shale from Texas, USA. The multi-anvil press D-DIA apparatus equipped with synchrotron X-ray diffraction (SYN-XRD) technique is used to compress shale to 240 MPa while simultaneously heated to 100 ºc, and monitor compositional various. Moreover, synchrotron X-ray tomographic microscopy (SYN-MCT) is further used to investigate threedimensional (3D) fractures, pores, and organic material (kerogen) of compressed shale. SYN-XRD results show that the sample is mainly composed of quartz (~35%), illite-mica (~28%), and illitesmectite (~25%). Minor minerals include kaolinite (~3%) and pyrite (~9%). Upon compressing sample, the volumes of illite-smectite decrease due to dehydration. Differential stresses of clay minerals and quartz are determined from diffraction patterns, suggesting illite-smectite is the least stiff mineral due to the highest differential stress (~2-3 GPa) whereas quartz is the most stiff one. In addition, SYN-MCT results provide the 3D morphology and distribution of pore, fracture, and kerogen. Pores (~3 vol.%) are mostly rounded and scattered in the sample while kerogen is (~15 vol.%) mostly elongated and aligned parallel with pores. Upon compression, fractures start to develop and become prominent (1.27 vol.%) while unloading, propagating intersect the principal stress direction at the average angle of 26º. Permeability is calculated from these fractures, ranging from 6.4 to 9.3 mD.
Other Abstract:	หินดินดานที่มีสารอินทรีย์เป็นองค์ประกอบในปริมาณมาก มักจะเป็นหินต้นกำเนิดในแหล่งกักเก็บ ปิโตรเลียม ซึ่งในปัจจุบัน หินดินดานประเภทนี้ถูกขุดเจาะเพื่อนำก๊าซธรรมชาติขึ้นมาใช้ได้โดยตรงด้วยการใช้ เทคโนโลยีการขุดเจาะในแนวระนาบ ผสมผสานกับการอัดของไหลด้วยแรงดันสูงเพื่อสร้างรอยแตกใน หินดินดาน แม้ว่าเทคโนโลยีนี้จะช่วยผลิตก๊าซธรรมชาติจากหินดินดานได้มาก แต่การประเมินศักยภาพของ หินดินดานเป็นเรื่องที่ยาก เนื่องจากโครงสร้างหินดินดานมีความซับซ้อนโดยเฉพาะในเรื่องคุณสมบัติของรู พรุนและรอยแตก ซึ่งเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการไหลของปิโตรเลียม การศึกษานี้จึงมีจุดมุ่งหมาย เพื่อจำลองสภาวะความร้อนและความดันสูงของการอัดแรงดันในชั้นหินดินดานใต้ผิวโลก และศึกษาลักษณะ โครงสร้างจุลภาคโดยเฉพาะลักษณะของรูพรุนและรอยแตกรวมทั้งปริมาณความเค้นและความเครียดของแร่ จากชั้นหินดินดานบาร์เน็ตต์ รัฐเท็กซัส ประเทศสหรัฐอเมริกา เครื่องอัดแรงดันสูงจะถูกใช้เพิ่มความดันและ ความร้อนให้กับตัวอย่างหินดินดานสูงถึง 240 เมกะพาสคาล และ 100 องศาเซลเซียส ร่วมกับการใช้วิธี เลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ซินโครตรอน เพื่อศึกษาการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบภายในหินดินดาน นอกจากนี้ยังใช้วิธีถ่ายภาพตัดขวางด้วยรังสีเอ็กซ์ซินโครตรอน เพื่อศึกษาโครงสร้างสามมิติของรูพรุนขนาด เล็ก รอยแตก และสารอินทรีย์ของหินดินดาน จากการศึกษาพบว่าตัวอย่างหินดินดานประกอบด้วยแร่ ควอตซ์ประมาณร้อยละ 35 และแร่ดินประมาณร้อยละ 56 โดยเฉพาะแร่อิลไลต์ไมก้าและแร่อิลไลต์สเมก- ไทต์ เมื่อแร่แต่ละชนิดถูกอัดด้วยแรงดันสูงก็จะได้รับความเค้นที่ไม่เท่ากันในแต่ละทิศทาง แร่อิลไลต์สเมก- ไทต์มีค่าความแตกต่างของความเค้นระหว่างแนวที่สูงสุดและต่ำสุดอยู่ในปริมาณสูงสุดซึ่งหมายความว่า แร่ ชนิดนี้มีความต้านทานต่อแรงที่ได้รับน้อยที่สุด ในขณะที่แร่ควอตซ์เป็นแร่ที่มีความต้านทานต่อแรงที่ได้รับ มากที่สุด นอกจากนี้ผลการศึกษายังแสดงให้เห็นว่าลักษณะและการกระจายตัวของรูพรุน รอยแตกและ สารอินทรีย์มีการเปลี่ยนแปลงไปอย่างมากหลังจากทำการทดลองอัดด้วยแรงดันสูง ปริมาณรูพรุนก่อนทำ การอัดมีอยู่ประมาณร้อยละ 3 ซึ่งรูพรุนมักจะมีขนาดเล็กและรูปร่างเป็นทรงกลม แต่หลังจากทำการอัดรู พรุนส่วนใหญ่ถูกเชื่อมต่อกันเป็นแนวรอยแตกหลายแนว ซึ่งแนวรอยแตกหลักประกอบด้วย 2 แนวและทำ มุมกับระนาบการเรียงตัวของหินดินดาน ที่วางตัวในแนวเดียวกับทิศทางของความเค้นหลัก พบว่าค่าเฉลี่ย ของมุมระหว่างรอยแตกและระนาบการเรียงตัวของหินมีค่าประมาณ 26 องศา ซึ่งการเกิดรอยแตกเหล่านี้ ส่งผลทำให้ค่าความซึมผ่านของหินดินดาน เพิ่มขึ้นเป็น 6.4 ถึง 9.3 มิลลิดาร์ซี ผลลัพธ์ที่ได้จากการศึกษานี้ ช่วยเพิ่มความรู้ความเข้าใจให้กับลักษณะรอยแตกที่เกิดในสภาวะที่มีความดันและความร้อนสูง และสามารถ นำไปเป็นต้นแบบในการศึกษาลักษณะการแตกของหินดินดานจากแอ่งอื่นๆ ในอนาคตได้
Description:	A senior project submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Bachelor of Science Department of Geology Faculty of Science Chulalongkorn University Academic Year 2016
URI:	http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/53422
Type:	Senior Project
Appears in Collections:	Sci - Senior Projects

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Thanapong Vanichnatee.pdf		3.82 MB	Adobe PDF	View/Open

Show full item record