ABSTRACT

Hydraulic fracturing is a technology that has been utilized for more than 50 years in the oil industry. It was originally used for stimulating hard, brittle formations which typically exhibit low permeabilities and roughly linear elastic behavior. Nonetheless, an increasingly important segment of the industry is currently stimulating very soft and poorly consolidated formations; where the assumptions of ideal elasticity and relatively small fluid leakoff fail to hold (e.g. Gulf of Mexico, West Africa, Alaska, East China). In these rocks, hydraulic fracturing stimulation has been used for several years to control and solve critical production problems such as sanding and formation damage (caused during completion and drilling operations). Although successful1, the application of this method has not been accompanied by robust fracturing modeling techniques. In addition, long term production increases were often not materialized. In other words, engineers have been able, via trial-and-error, to avoid major 'operational' problems but with no optimization of such treatments. Thus, most hydraulic fracturing projects carried out in poorly consolidated rocks render unexpected results. A recent worldwide survey on net pressures by the Delft Fracturing Consortium (Papanastasiou, 1997) indicated that net pressures encountered.

Resume

La fracturation hydraulique est une technologie qu'a ete utilise pour plus que 50 ans dans l'industrie petrolière. Elle a ete utilisee au debut pour stimuler les formations dure et fragile que typiquement ont des permeabilites basses et un comportement elastique à peu près lineaire. Neanmoins, un segment plus important de l'industrie stimule actuellement des formations mal consolidees; où les suppositions d'elasticite ideale et de relativement petite fuite de fluide ne se tiennent pas raison (par exemple le Golfe de Mexique, l'Afrique d'ouest, Alaska, la Chine de l'est). Dans ces roches, la stimulation avec fracturation hydraulique a ete utilisee pour plusieurs annees pour contrôler et resoudre les problèmes critiques de production comme les dommages de formation et d'ensablement (cause pendant les operations de l'accomplissement et forage). Bien que prospère, l'application de cette methode n'a pas ete accompagnee de techniques robustes pour le modelage de fractures. En outre, les augmentations à long terme de production n'ont pas ete souvent concretisees. En d'autre termes, les ingenieurs ont pu, via le procès et l'erreur, eviter les majeur problèmes 'operationnel' mais avec aucune optimisation de tels traitements.

Zusammenfassung

Hydraulisches Aufbrechen (fracturing) von Lagerstatten ist eine bewahrte Technologie, die bereits seit ueber 50 Jahren in der Erdölindustrie angewandt wird. Sie wurde urspruenglich fuer die Stimulation harter, spröder Formationen benutzt, deren Permeabilitat gering war und welche in etwa ein linear-elastisches Verhalten aufwiesen. Nichtsdestoweniger wendet ein zunehmender Prozentsatz der Erdölindustrie, dieses Verfahren in weichen, wenig bis unkonsolidierten Formationen an, in welchen die grundlegenden Annahmen der idealen Elastizitat und geringen Fluessigkeitsverluste verletzt werden (z.B. Golf von Mexico, West Afrika, Ost China). In diesen Formationen wird Stimulation durch 'hydraulisches fracturing', zur Beseitigung kritischer Produktionshindernisse wie Sandabsperrung und Lagerstattenschadigung durch Bohrspuelung, seit mehreren Jahren erfolgreich angewandt, obgleich der Anwendung dieses Verfahrens keine rigorosen physikalischen Modelle zugrunde liegen. Desweiteren, können dauerhafte Verbesserungen in den Produktionraten selten erzielt werden. Anders ausgedrueckt, ist es den Technikern gelungen durch Probieren schwerwiegendere verfahrenstechnische Probleme zu umgehen, jedoch ohne fundamentale Optimierung des Verfahrens, weshalb auch die meisten Stimulationen in wenig konsolidierten Formationen ganzlich unvorhersehbare Resultate liefern. Eine unlangst vom Delft Fracturing Consortium veröffentlichte Studie (Papanastasiou, 1997) ueber Nettodruecke verwiest darauf, daß die Nettoduecke die ueblicherweise vor Ort gemessen werden 50% bis 100% höher sind als die Nettodruecke, die von konventionellen 'fracturing'-Simulatoren vorhergesagt werden.

Introduction

The main objective of this work was to develop a new hydraulic fracturing model specially conceived for describing processes sometimes specific for soft/unconsolidated formations. These rocks are characterized by high permeability and low mechanical strength. Thus, fluid leakoff and large non-linear tip deformations become very important for fracture initiation and growth.

Currently, most modern fracture treatments are designed using computer simulators that were built based on the postulates of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM), (see Martin, 2000). LEFM theory assumes that a planar fracture is created by instantaneous brittle failure, with only small and negligible linear-elastic deformation of the rock (even at the crack tip). As a result of such limitations, there is a trend to substitute physically sound approaches with 'knobs' that can be tuned to provide almost any result. Friction changes and arbitrary stress barriers are among such ill-understood concepts.

The new trend of combining hydraulic fracturing with gravel packing in unconsolidated, sanding-prone formations will further increase the use of hydrofrac operations in the petroleum industry in the years to come. Hydraulic fracturing is also becoming one of the most attractive means of solids/fluids disposal underground in poorly consolidated formations.

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