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Frac sand crushing characteristics and morphology changes under high compressive stress and implications for sand pack permeability
Le sable composé de grains de quartz ronds est largement utilisé comme un agent de soutènement pendant la fracturation hydraulique pour produire du gaz naturel à partir de formations de schiste serré. Cet article présente les résultats de la caractérisation de sable et des essais d’écrasement sur le sable de fracturation de la Formation Jordan. Il comprend une évaluation de la réduction de la taille de grain, des changements dans la forme des particules, et la réduction de l’indice des vides. Il examine également les implications pour la réduction de la perméabilité à travers un groupement de sable causé par la contrainte de fermeture sur une fracture hydraulique. Le sable à partir de deux plages de tailles (de 0,6 à 0,71 mm et de 0,5 à 0,6 mm) a été testé à sec sous des contraintes de compression appliquées allant jusqu’à 40 MPa dans une coupelle d’écrasement. La réponse de contrainte–déformation globale du groupement de sable devient plus douce lorsque les grains sont écrasés. La forme des particules change de grains presque sphériques à des grains diamétralement fractionnés et ensuite à de petits fragments de forme allongée et angulaire pour les tailles de particules plus petites. La perméabilité du groupement de sable est réduite de plus de 40 % sous une contrainte de 20 MPa, ce qui est principalement dû à une diminution de l’indice des vides dû au compactage. La perméabilité est réduite par plus de 70 % à une contrainte de 40 MPa, qui est principalement causée par une diminution de l’indice des vides, de la réduction de la taille des particules, et d’un éloignement des formes de particules sphériques. Par rapport à la norme ISO 13503-2 où seul le pourcentage de concassage de sable après l’essai d’écrasement est mesuré, cet article démontre que plus d’informations peuvent être extraites à partir d’essais de concassage de sable et que la perméabilité du groupement de sable peut être évaluée pour optimiser la sélection de sable de fracturation. Un sable avec une gamme de tailles plus grandes a un pourcentage d’écrasement plus élevé, mais est plus perméable par rapport à un sable avec une gamme de tailles plus petites. Cela indique en outre que la sélection de sable de fracturation sur la base du pourcentage d’écrasement de sable ne suffit pas pour obtenir une meilleure perméabilité de groupement de sable. [Traduit par la Rédaction]
Sand consisting of round quartz grains is widely used as a proppant during hydraulic fracturing to produce natural gas from tight shale formations. This paper presents results from sand characterization and crushing tests on Jordan Formation frac sand. It includes an assessment of grain-size reduction, changes in particle shape, and reduction in void ratio. It also examines the implications for permeability reduction through a sand pack caused by the closure stress on a hydraulic fracture. The sand from two size ranges (0.6 to 0.71 mm and 0.5 to 0.6 mm) was tested dry under applied compressive stresses of up to 40 MPa in a crushing cup. The overall sand pack stress–strain response becomes softer as grains are crushed. The particle shape shifts from nearly spherical grains to diametrically split grains and then to small elongated and angular fragments for the smaller particle sizes. The permeability of the sand pack reduces by more than 40% at a 20 MPa stress, which is mainly caused by a decrease in void ratio due to compaction. The permeability reduces by over 70% at a 40 MPa stress, which is primarily caused by void ratio decrease, reduction in particle size, and a shift away from spherical particle shapes. Compared to the ISO 13503-2 standard where only the sand crushing percentage after crushing tests is measured, this paper demonstrates that more information can be extracted from sand crushing tests and that sand pack permeability can be assessed to optimize frac sand selection. A sand with a larger size range has a higher crushing percentage, but is more permeable compared to a sand with a smaller size range. This further indicates that frac sand selection based only on sand crushing percentage is not sufficient to achieve better sand pack permeability.
Frac sand crushing characteristics and morphology changes under high compressive stress and implications for sand pack permeability
Le sable composé de grains de quartz ronds est largement utilisé comme un agent de soutènement pendant la fracturation hydraulique pour produire du gaz naturel à partir de formations de schiste serré. Cet article présente les résultats de la caractérisation de sable et des essais d’écrasement sur le sable de fracturation de la Formation Jordan. Il comprend une évaluation de la réduction de la taille de grain, des changements dans la forme des particules, et la réduction de l’indice des vides. Il examine également les implications pour la réduction de la perméabilité à travers un groupement de sable causé par la contrainte de fermeture sur une fracture hydraulique. Le sable à partir de deux plages de tailles (de 0,6 à 0,71 mm et de 0,5 à 0,6 mm) a été testé à sec sous des contraintes de compression appliquées allant jusqu’à 40 MPa dans une coupelle d’écrasement. La réponse de contrainte–déformation globale du groupement de sable devient plus douce lorsque les grains sont écrasés. La forme des particules change de grains presque sphériques à des grains diamétralement fractionnés et ensuite à de petits fragments de forme allongée et angulaire pour les tailles de particules plus petites. La perméabilité du groupement de sable est réduite de plus de 40 % sous une contrainte de 20 MPa, ce qui est principalement dû à une diminution de l’indice des vides dû au compactage. La perméabilité est réduite par plus de 70 % à une contrainte de 40 MPa, qui est principalement causée par une diminution de l’indice des vides, de la réduction de la taille des particules, et d’un éloignement des formes de particules sphériques. Par rapport à la norme ISO 13503-2 où seul le pourcentage de concassage de sable après l’essai d’écrasement est mesuré, cet article démontre que plus d’informations peuvent être extraites à partir d’essais de concassage de sable et que la perméabilité du groupement de sable peut être évaluée pour optimiser la sélection de sable de fracturation. Un sable avec une gamme de tailles plus grandes a un pourcentage d’écrasement plus élevé, mais est plus perméable par rapport à un sable avec une gamme de tailles plus petites. Cela indique en outre que la sélection de sable de fracturation sur la base du pourcentage d’écrasement de sable ne suffit pas pour obtenir une meilleure perméabilité de groupement de sable. [Traduit par la Rédaction]
Sand consisting of round quartz grains is widely used as a proppant during hydraulic fracturing to produce natural gas from tight shale formations. This paper presents results from sand characterization and crushing tests on Jordan Formation frac sand. It includes an assessment of grain-size reduction, changes in particle shape, and reduction in void ratio. It also examines the implications for permeability reduction through a sand pack caused by the closure stress on a hydraulic fracture. The sand from two size ranges (0.6 to 0.71 mm and 0.5 to 0.6 mm) was tested dry under applied compressive stresses of up to 40 MPa in a crushing cup. The overall sand pack stress–strain response becomes softer as grains are crushed. The particle shape shifts from nearly spherical grains to diametrically split grains and then to small elongated and angular fragments for the smaller particle sizes. The permeability of the sand pack reduces by more than 40% at a 20 MPa stress, which is mainly caused by a decrease in void ratio due to compaction. The permeability reduces by over 70% at a 40 MPa stress, which is primarily caused by void ratio decrease, reduction in particle size, and a shift away from spherical particle shapes. Compared to the ISO 13503-2 standard where only the sand crushing percentage after crushing tests is measured, this paper demonstrates that more information can be extracted from sand crushing tests and that sand pack permeability can be assessed to optimize frac sand selection. A sand with a larger size range has a higher crushing percentage, but is more permeable compared to a sand with a smaller size range. This further indicates that frac sand selection based only on sand crushing percentage is not sufficient to achieve better sand pack permeability.
Frac sand crushing characteristics and morphology changes under high compressive stress and implications for sand pack permeability
Tannant, Dwayne (author) / Zheng, Wenbo
2016
Article (Journal)
English
| British Library Online Contents | 2016