MICHAEL J. ECONOMIDES is Professor of Chemical Engineering at the University of Houston. Until the summer of 1998, he was the Samuel R. Noble Professor of Petroleum Engineering at Texas A & M University and served as Chief Scientist of the Global Petroleum Research Institute (GPRI).Prior to joining the faculty at Texas A & M University, Professor Economides was the Director of the Institute of Drilling and Production at the Institute of Drilling and Production at the Leoben Mining Institute in Austria (1989-1993). From 1984 to 1989, he worked in a variety of senior positions with the Schlumberger companies, including Europe Region Reservoir Engineering and Stimulation Manager and Senior Staff Engineer, North America. Publications include authoring or co-authoring of 7 textbooks and more that 150 journal papers and articles ranges of industrial consulting, including major retainers by national oil companies at the country level and by Fortune 500 companies. He is the founder and a major shareholder in OTEK (Australia), a petroleum service and consulting firm with offices in five Australian cities. In addition to his technical interests, he has written extensively in wide circulation media on a broad range of topics associated with energy and geopolitical issues. KENNETH G. NOLTE has held various senior technical and marketing positions with Schlumberger since 1986. From 1984 to 1986, he was with Nolte-Smith, Inc. (now NSI Technologies, Inc.). Prior to 1984, Dr. Nolte was a research associate with Amoco Production Company, where he worked for 16 years in the areas of offshore/arctic technology and hydraulic fracturing. Dr. Nolte holds a BS degree from the University of Illinois and received and MS and PhD from Brown University. He has authored numerous journal publications and has authored numerous journal publications and has various patents relating to material behavior, drilling, offshore technology and fracturing. Dr. Nolte was 1986-1987 SPE Distinguished Lecturer and received the Lester C. Uren Award in 1992.

Schlumberger 2000 Schlumberger Dowell 300 Schlumberger Drive Sugar Land, Texas 77478 Technical editor: Elsa Kapitan-White Graphic design and production: Martha Dutton Production manager: Robert Thrasher Published by John Wiley & Sons Ltd, Baffins Lane, Chichester, West Sussex PO19 lUD, England National 01243 779777 International (+44) 1243 779777 e-mail (for orders and customer service enquires): es-books@wiley.co.uk Visit our Home Page on http://www.wiley.co.uk or Visit our Home Page on http://www.wiley.com All right reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, scanning or otherwise, except under the terms of the Copyright, Designs and Patents Act 1988 or under the terms of a license issued by the Copyright Licensing Agency, 90 Tottenham Court Road, London UK WIP)HE; without the permission in writing of the publisher. Other Wiley Editorial Offices John Wiley & Sons, Inc., 605 Third Avenue, New York, NY 10158-0012, USA Wiley-VCH Verlag GmbH, Pappelalee 3, D-69469 Weinheim, Germany Jacaranda Wiley Ldt, 33 Park Road, Milton, Queensland 4064, Australia John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd, 2 Clementi Loop #02-01, Jin Xing Distripark, Singapore 0512 John Wiley & Sons (Canada) Ltd, 22 Worcester Road, Rexdale, Ontario M9W 1L1, Canada British Library Cataloguing in Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library ISBN 0 471 49192 6 Produced from camera-ready copy supplied by Schlumberger Dowell Printed and bound in Great Britain by Bookcraft (Bath) Ltd This book is printed on acid-free paper responsibly manufactured from sustainable forestry, in which at least two trees are planted for each one used for paper production.

Reservoir Stimulation v

Reservoir Stimulation

Contents

Preface: Hydraulic Fracturing, A Technology for All TimeAhmed S. Abou-Sayed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P-1

Chapter 1 Reservoir Stimulation in Petroleum ProductionMichael J. Economides and Curtis Boney1-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-1

1-1.1. Petroleum production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-11-1.2. Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-3

1-2. Inflow performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-31-2.1. IPR for steady state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-41-2.2. IPR for pseudosteady state. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-51-2.3. IPR for transient (or infinite-acting) flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-51-2.4. Horizontal well production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-61-2.5. Permeability anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-10

1-3. Alterations in the near-wellbore zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-111-3.1. Skin analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-111-3.2. Components of the skin effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-121-3.3. Skin effect caused by partial completion and slant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-121-3.4. Perforation skin effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-131-3.5. Hydraulic fracturing in production engineering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-16

1-4. Tubing performance and NODAL* analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-181-5. Decision process for well stimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-20

1-5.1. Stimulation economics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-211-5.2. Physical limits to stimulation treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-22

1-6. Reservoir engineering considerations for optimal production enhancement strategies . . . . . . . 1-221-6.1. Geometry of the well drainage volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-231-6.2. Well drainage volume characterizations and production optimization strategies . . . . 1-24

1-7. Stimulation execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-281-7.1. Matrix stimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-281-7.2. Hydraulic fracturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-18

Chapter 2 Formation Characterization: Well and Reservoir TestingChristine A. Ehlig-Economides and Michael J. Economides2-1. Evolution of a technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-1

2-1.1. Horner semilogarithmic analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-12-1.2. Log-log plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-2

2-2. Pressure derivative in well test diagnosis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-32-3. Parameter estimation from pressure transient data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-7

2-3.1. Radial flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-72-3.2. Linear flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-9

vi Contents

2-3.3. Spherical flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-102-3.4. Dual porosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-112-3.5. Wellbore storage and pseudosteady state. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-11

2-4. Test interpretation methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-122-5. Analysis with measurement of layer rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-142-6. Layered reservoir testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-15

2-6.1. Selective inflow performance analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-152-6.2. Analysis of multilayer transient test data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-16

2-7. Testing multilateral and multibranch wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-162-8. Permeability determination from a fracture injection test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-17

2-8.1. Pressure decline analysis with the Carter leakoff model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-172-8.2. Filter-cake plus reservoir pressure drop leakoff model

(according to Mayerhofer et al., 1993). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-21Chapter 3 Formation Characterization: Rock MechanicsM. C. Thiercelin and J.-C. Roegiers3-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-1

Sidebar 3A. Mechanics of hydraulic fracturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-23-2. Basic concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-4

3-2.1. Stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-43-2.2. Strains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-5

Sidebar 3B. Mohr circle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-53-3. Rock behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-6

3-3.1. Linear elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-6Sidebar 3C. Elastic constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-8

3-3.2. Influence of pore pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-83-3.3. Fracture mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-93-3.4. Nonelastic deformation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-113-3.5. Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-11

3-4. Rock mechanical property measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-123-4.1. Importance of rock properties in stimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-123-4.2. Laboratory testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-133-4.3. Stress-strain curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-143-4.4. Elastic parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-153-4.5. Rock strength, yield criterion and failure envelope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-193-4.6. Fracture toughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-19

Sidebar 3D. Fracture toughness testing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-203-5. State of stress in the earth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-21

3-5.1. Rock at rest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-223-5.2. Tectonic strains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-233-5.3. Rock at failure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-233-5.4. Influence of pore pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-253-5.5. Influence of temperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-263-5.6. Principal stress direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-263-5.7. Stress around the wellbore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-263-5.8. Stress change from hydraulic fracturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-27

3-6. In-situ stress management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-283-6.1. Importance of stress measurement in stimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-283-6.2. Micro-hydraulic fracturing techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-28

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3-6.3. Fracture calibration techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-343-6.4. Laboratory techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-34

Chapter 4 Formation Characterization: Well LogsJean Desroches and Tom Bratton4-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-14-2. Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-24-3. Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-24-4. Properties related to the diffusion of fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-3

4-4.1. Porosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-34-4.2. Lithology and saturation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-54-4.3. Permeability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-6

Sidebar 4A. Permeability-porosity correlations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-84-4.4. Pore pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-104-4.5. Skin effect and damage radius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-114-4.6. Composition of fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-12

4-5. Properties related to the deformation and fracturing of rock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-134-5.1. Mechanical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-134-5.2. Stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-15

4-6. Zoning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-24

Chapter 5 Basics of Hydraulic FracturingM. B. Smith and J. W. Shlyapobersky5-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-1

5-1.1. What is fracturing?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-15-1.2. Why fracture? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-45-1.3. Design considerations and primary variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-6

Sidebar 5A. Design goals and variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-75-1.4. Variable interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-9

5-2. In-situ stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-95-3. Reservoir engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-10

5-3.1. Design goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-11Sidebar 5B. Highway analogy for dimensionless fracture conductivity . . . . . . . . . . . 5-11

5-3.2. Complicating factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-125-3.3. Reservoir effects on fluid loss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-13

5-4. Rock and fluid mechanics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-135-4.1. Material balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-135-4.2. Fracture height . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-145-4.3. Fracture width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-155-4.4. Fluid mechanics and fluid flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-155-4.5. Fracture mechanics and fracture tip effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-165-4.6. Fluid loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-175-4.7. Variable sensitivities and interactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-18

5-5. Treatment pump scheduling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-205-5.1. Fluid and proppant selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-215-5.2. Pad volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-215-5.3. Proppant transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-235-5.4. Proppant admittance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-245-5.5. Fracture models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-25

viii Contents

5-6. Economics and operational considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-265-6.1. Economics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-265-6.2. Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-27

Appendix: Evolution of hydraulic fracturing design and evaluationK. G. Nolte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A5-1

Chapter 6 Mechanics of Hydraulic FracturingMark G. Mack and Norman R. Warpinski6-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-16-2. History of early hydraulic fracture modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-2

6-2.1. Basic fracture modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-26-2.2. Hydraulic fracture modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-3

Sidebar 6A. Approximation to the Carter equation for leakoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-6Sidebar 6B. Approximations to Nordgrens equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-6Sidebar 6C. Radial fracture geometry models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-8

6-3. Three-dimensional and pseudo-three-dimensional models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-8Sidebar 6D. Field determination of fracture geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-106-3.1. Planar three-dimensional models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-11

Sidebar 6E. Lateral coupling in pseudo-three-dimensional models . . . . . . . . . . . . . . . 6-12Sidebar 6F. Momentum conservation equation for hydraulic fracturing . . . . . . . . . . 6-13Sidebar 6G. Momentum balance and constitutive equation for non-Newtonian fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-14

6-3.2. Cell-based pseudo-three-dimensional models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-16Sidebar 6H. Stretching coordinate system and stability analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-20

6-3.3. Lumped pseudo-three-dimensional models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-236-4. Leakoff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-25

6-4.1. Filter cake. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-256-4.2. Filtrate zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-266-4.3. Reservoir zone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-266-4.4. Combined mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-266-4.5. General model of leakoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-276-4.6. Other effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-27

6-5. Proppant placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-286-5.1. Effect of proppant on fracturing fluid rheology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-286-5.2. Convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-286-5.3. Proppant transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-29

6-6. Heat transfer models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-296-6.1. Historical heat transfer models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-306-6.2. Improved heat transfer models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-30

6-7. Fracture tip effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-30Sidebar 6I. Efficient heat transfer algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-31Sidebar 6J. Verification of efficient thermal calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-326-7.1. Linear elastic fracture mechanics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-32

Sidebar 6K. Crack tip stresses and the Rice equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-336-7.2. Extensions to LEFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-346-7.3. Field calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-35

6-8. Tortuosity and other near-well effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-366-8.1. Fracture geometry around a wellbore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-366-8.2. Perforation and deviation effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-36

Reservoir Stimulation ix

6-8.3. Perforation friction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-376-8.4. Tortuosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-376-8.5. Phasing misalignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-38

6-9. Acid fracturing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-406-9.1. Historical acid fracturing models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-406-9.2. Reaction stoichiometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-406-9.3. Acid fracture conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-416-9.4. Energy balance during acid fracturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-426-9.5. Reaction kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-426-9.6. Mass transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-426-9.7. Acid reaction model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-436-9.8. Acid fracturing: fracture geometry model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-43

6-10. Multilayer fracturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-446-11. Pump schedule generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-46

Sidebar 6L. Approximate proppant schedules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-476-12. Pressure history matching. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-48

Sidebar 6M. Theory and method of pressure inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-48

Chapter 7 Fracturing Fluid Chemistry and ProppantsJanet Gulbis and Richard M. Hodge7-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-17-2. Water-base fluids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-17-3. Oil-base fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-67-4. Acid-based fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-7

7-4.1. Materials and techniques for acid fluid-loss control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-77-4.2. Materials and techniques for acid reaction-rate control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-8

7-5. Multiphase fluids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-87-5.1. Foams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-97-5.2. Emulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-9

7-6. Additives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-107-6.1. Crosslinkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-10

Sidebar 7A. Ensuring optimum crosslinker performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-137-6.2. Breakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-14

Sidebar 7B. Breaker selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-167-6.3. Fluid-loss additives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-167-6.4. Bactericides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-187-6.5. Stabilizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-187-6.6. Surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-197-6.7. Clay stabilizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-19

7-7. Proppants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-197-7.1. Physical properties of proppants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-197-7.2. Classes of proppants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-21

Sidebar 7C. Minimizing the effects of resin-coated proppants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-227-8. Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-22

7-8.1. Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-227-8.2. Quality assurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-23

Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-23

x Contents

Chapter 8 Performance of Fracturing MaterialsVernon G. Constien, George W. Hawkins, R. K. Prudhomme and Reinaldo Navarrete8-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-18-2. Fracturing fluid characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-18-3. Characterization basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-28-4. Translation of field conditions to a laboratory environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-28-5. Molecular characterization of gelling agents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-2

8-5.1. Correlations of molecular weight and viscosity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-28-5.2. Concentration and chain overlap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-38-5.3. Molecular weight distribution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-48-5.4. Characterization of insoluble components. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-58-5.5. Reaction sites and kinetics of crosslinking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-5

8-6. Rheology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-68-6.1. Basic flow relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-78-6.2. Power law model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-78-6.3. Models that more fully describe fluid behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-88-6.4. Determination of fracturing fluid rheology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-108-6.5. Rheology of foam and emulsion fluids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-128-6.6. Effect of viscometer geometry on fluid viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-158-6.7. Characterization of fluid microstructure using dynamic oscillatory measurements . . 8-168-6.8. Relaxation time and slip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-178-6.9. Slurry rheology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-17

8-7. Proppant effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-198-7.1. Characterization of proppant transport properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-198-7.2. Particle migration and concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-21

8-8. Fluid loss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-228-8.1. Fluid loss under static conditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-238-8.2. Fluid loss under dynamic conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-248-8.3. Shear rate in the fracture and its influence on fluid loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-258-8.4. Influence of permeability and core length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-268-8.5. Differential pressure effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-26

Chapter 9 Fracture Evaluation Using Pressure DiagnosticsSunil N. Gulrajani and K. G. Nolte9-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-19-2. Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-29-3. Fundamental principles of hydraulic fracturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-3

9-3.1. Fluid flow in the fracture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-39-3.2. Material balance or conservation of mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-49-3.3. Rock elastic deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-4

Sidebar 9A. What is closure pressure? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-6Sidebar 9B. Pressure response of toughness-dominated fractures. . . . . . . . . . . . . . . . . 9-9

9-4. Pressure during pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-109-4.1. Time variation for limiting fluid efficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-129-4.2. Inference of fracture geometry from pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-129-4.3. Diagnosis of periods of controlled fracture height growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-149-4.4. Examples of injection pressure analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-15

Sidebar 9C. Pressure derivative analysis for diagnosing pumping pressure . . . . . . . . 9-169-4.5. Diagnostics for nonideal fracture propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-18

Reservoir Stimulation xi

Sidebar 9D. Fluid leakoff in natural fissures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-239-4.6. Formation pressure capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-249-4.7. Pressure response after a screenout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-279-4.8. Fracture diagnostics from log-log plot slopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-289-4.9. Near-wellbore effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-30

Sidebar 9E. Rate step-down test analysisa diagnostic for fracture entry. . . . . . . . . 9-329-5. Analysis during fracture closure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-34

9-5.1. Fluid efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-349-5.2. Basic pressure decline analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-379-5.3. Decline analysis during nonideal conditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-389-5.4. Generalized pressure decline analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-42

Sidebar 9F. G-function derivative analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-439-6. Pressure interpretation after fracture closure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-45

9-6.1. Why linear and radial flow after fracture closure? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-469-6.2. Linear, transitional and radial flow pressure responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-48

Sidebar 9G. Impulse testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-499-6.3. Mini-falloff test. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-509-6.4. Integration of after-closure and preclosure analyses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-509-6.5. Physical and mathematical descriptions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-519-6.6. Influence of spurt loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-539-6.7. Consistent after-closure diagnostic framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-549-6.8. Application of after-closure analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-569-6.9. Field example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-57

9-7. Numerical simulation of pressure: combined analysis of pumping and closing . . . . . . . . . . . . . 9-599-7.1. Pressure matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-609-7.2. Nonuniqueness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-60

9-8. Comprehensive calibration test sequence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-61

Appendix: Background for hydraulic fracturing pressure analysis techniquesSunil N. Gulrajani and K. G. Nolte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A9-1

Chapter 10 Fracture Treatment DesignJack Elbel and Larry Britt10-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1

Sidebar 10A. NPV for fixed costs or designated proppant mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-210-2. Design considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-3

10-2.1. Economic optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-310-2.2. Treatment optimization design procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-310-2.3. Fracture conductivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-410-2.4. Dimensionless fracture conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-610-2.5. Non-Darcy effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-810-2.6. Proppant selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-810-2.7. Treatment size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-910-2.8. Fluid loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1010-2.9. Viscosity effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-11

Sidebar 10B. Fluid exposure time. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1210-2.10. Injection rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-13

10-3. Geometry modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-14Sidebar 10C. Geometry models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1410-3.1. Model selection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-15

xii Contents

10-3.2. Sources of formation parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-16Sidebar 10D. In-situ stress correlation with lithology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-16

10-4. Treatment schedule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-17Sidebar 10E. Fracturing economics sensitivity to formation permeability and skin effect . . . 10-1710-4.1. Normal proppant scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1810-4.2. Tip screenout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-21

10-5. Multilayer fracturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-2410-5.1. Limited entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-2410-5.2. Interval grouping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-2510-5.3. Single fracture across multilayers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-2510-5.4. Two fractures in a multilayer reservoir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-2610-5.5. Field example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-28

Sidebar 10F. Fracture evaluation in multilayer zones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-2810-6. Acid fracturing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-30

10-6.1. Acid-etched fracture conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-31Sidebar 10G. Acid-etched conductivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-32

10-6.2. Acid fluid loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-33Sidebar 10H. Fluid-loss control in wormholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-34

10-6.3. Acid reaction rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-3510-6.4. Acid fracturing models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-3610-6.5. Parameter sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-3610-6.6. Formation reactivity properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-4110-6.7. Propped or acid fracture decision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-41

10-7. Deviated wellbore fracturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-4210-7.1. Reservoir considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-4310-7.2. Fracture spacing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-4510-7.3. Convergent flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-4510-7.4. Fracturing execution in deviated and horizontal wells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-4710-7.5. Horizontal well example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-49

Chapter 11 Fracturing OperationsJ. E. Brown, R. W. Thrasher and L. A. Behrmann11-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-111-2. Completions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1

11-2.1. Deviated and S-shaped completions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-111-2.2. Horizontal and multilateral completions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-211-2.3. Slimhole and monobore completions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-211-2.4. Zonal isolation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-2

Sidebar 11A. Factors influencing cement bond integrity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-3Sidebar 11B. Coiled tubingconveyed fracture treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-6

11-3. Perforating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-811-3.1. Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-8

Sidebar 11C. Estimating multizone injection profiles during hydraulic fracturing . . 11-9Sidebar 11D. Propagating a microannulus during formation breakdown. . . . . . . . . . . 11-11

11-3.2. Perforation phasing for hard-rock hydraulic fracturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1111-3.3. Other perforating considerations for fracturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1411-3.4. Frac and packs and high-rate water packs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1611-3.5. Fracturing for sand control without gravel-pack screens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-16

Sidebar 11E. Calculation of minimum shot density for fracture stimulation . . . . . . . 11-1711-3.6. Extreme overbalance stimulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-18

Reservoir Stimulation xiii

11-3.7. Well and fracture connectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1811-4. Surface equipment for fracturing operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-19

11-4.1. Wellhead isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1911-4.2. Treating iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1911-4.3. High-pressure pumps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-2211-4.4. Blending equipment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-2311-4.5. Proppant storage and delivery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-2311-4.6. Vital signs from sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-2411-4.7. Equipment placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-26

11-5. Bottomhole pressure measurement and analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-2611-6. Proppant flowback control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-29

11-6.1. Forced closure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-3011-6.2. Resin flush . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-3011-6.3. Resin-coated proppants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-3011-6.4. Fiber technology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-30

11-7. Flowback strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-30Sidebar 11F. Fiber technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-31

11-8. Quality assurance and quality control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-3211-9. Health, safety and environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-32

11-9.1. Safety considerations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-3211-9.2. Environmental considerations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-33

Appendix: Understanding perforator penetration and flow performancePhillip M. Halleck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A11-1

Chapter 12 Post-Treatment Evaluation and Fractured Well PerformanceB. D. Poe, Jr., and Michael J. Economides12-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1

12-1.1. Fracture mapping techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-112-1.2. Pressure transient analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-6

12-2. Post-treatment fracture evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1012-2.1. Wellbore storage dominated flow regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1112-2.2. Fracture storage linear flow regime. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1112-2.3. Bilinear flow regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1112-2.4. Formation linear flow regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1312-2.5. Pseudoradial flow regime. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1412-2.6. Pseudosteady-state flow regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-15

12-3. Factors affecting fractured well performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1612-3.1. Non-Darcy flow behavior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1612-3.2. Nonlinear fluid properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-2012-3.3. Fracture damage and spatially varying fracture properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-2112-3.4. Damage in high-permeability fracturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-2512-3.5. Heterogeneous systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-26

12-4. Well test analysis of vertically fractured wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-2712-4.1. Wellbore storage dominated flow analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-2812-4.2. Fracture storage linear flow analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-2812-4.3. Bilinear flow analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-2912-4.4. Formation linear flow analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-2912-4.5. Pseudoradial flow analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-2912-4.6. Well test design considerations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-30

xiv Contents

12-4.7. Example well test analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-3112-5. Prediction of fractured well performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-39

Chapter 13 Introduction to Matrix TreatmentsR. L. Thomas and L. N. Morgenthaler13-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-1

13-1.1. Candidate selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-1Sidebar 13A. The history of matrix stimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-2

13-1.2. Formation damage characterization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-313-1.3. Stimulation technique determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-313-1.4. Fluid and additive selection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-313-1.5. Pumping schedule generation and simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-313-1.6. Economic evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-413-1.7. Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-413-1.8. Evaluation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-4

13-2. Candidate selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-413-2.1. Identifying low-productivity wells and stimulation candidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-4

Sidebar 13B. Candidate selection field case history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-613-2.2. Impact of formation damage on productivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-613-2.3. Preliminary economic evaluation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-7

13-3. Formation damage characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-8Sidebar 13C. Formation damage characterization field case history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-9Sidebar 13D. Fluid and additive selection field case history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-10

13-4. Stimulation technique determination. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-1013-5. Treatment design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-11

13-5.1. Matrix stimulation techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-1113-5.2. Treatment fluid selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-1213-5.3. Pumping schedule generation and simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-19

Sidebar 13E. Placement study case histories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-2913-6. Final economic evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-3213-7. Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-32

13-7.1. Quality control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-3213-7.2. Data collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-34

13-8. Treatment evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-3513-8.1. Pretreatment evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-3513-8.2. Real-time evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-3513-8.3. Post-treatment evaluation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-37

Chapter 14 Formation Damage: Origin, Diagnosis and Treatment StrategyDonald G. Hill, Olivier M. Litard, Bernard M. Piot and George E. King14-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-114-2. Damage characterization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1

14-2.1. Pseudodamage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-214-2.2. Pseudoskin effects and well completion and configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-3

14-3. Formation damage descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-414-3.1. Fines migration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-414-3.2. Swelling clays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-614-3.3. Scales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-614-3.4. Organic deposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-714-3.5. Mixed deposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-8

Reservoir Stimulation xv

14-3.6. Emulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-914-3.7. Induced particle plugging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-914-3.8. Wettability alteration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1014-3.9. Acid reactions and acid reaction by-products. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1114-3.10. Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1114-3.11. Water blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1214-3.12. Oil-base drilling fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-13

14-4. Origins of formation damage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1314-4.1. Drilling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1314-4.2. Cementing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-2114-4.3. Perforating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-2114-4.4. Gravel packing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-2214-4.5. Workovers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-2214-4.6. Stimulation and remedial treatments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-2314-4.7. Normal production or injection operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-24

14-5. Laboratory identification and treatment selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-2614-5.1. Damage identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-2614-5.2. Treatment selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-28

14-6. Treatment strategies and concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-3114-6.1. Fines and clays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-3314-6.2. Scales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-3414-6.3. Organic deposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-3514-6.4. Mixed deposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-3514-6.5. Emulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-3614-6.6. Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-3614-6.7. Induced particle plugging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-3614-6.8. Oil-base drilling fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-3714-6.9. Water blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-3714-6.10. Wettability alteration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-3814-6.11. Wellbore damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-38

14-7. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-39

Chapter 15 Additives in Acidizing FluidsSyed A. Ali and Jerald J. Hinkel15-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-115-2. Corrosion inhibitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-2

15-2.1. Corrosion of metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-215-2.2. Acid corrosion on steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-215-2.3. Pitting types of acid corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-315-2.4. Hydrogen embrittlement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-315-2.5. Corrosion by different acid types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-315-2.6. Inhibitor types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-415-2.7. Compatibility with other additives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-415-2.8. Laboratory evaluation of inhibitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-515-2.9. Suggestions for inhibitor selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-5

15-3. Surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-515-3.1. Anionic surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-615-3.2. Cationic surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-615-3.3. Nonionic surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-615-3.4. Amphoteric surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-7

xvi Contents

15-3.5. Fluorocarbon surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-715-3.6. Properties affected by surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-715-3.7. Applications and types of surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-9

15-4. Clay stabilizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1115-4.1. Highly charged cations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1115-4.2. Quaternary surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1215-4.3. Polyamines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1215-4.4. Polyquaternary amines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1215-4.5. Organosilane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-13

15-5. Mutual solvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1315-5.1. Adsorption of mutual solvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1415-5.2. Chlorination of mutual solvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-14

15-6. Iron control additives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1415-6.1. Sources of iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1415-6.2. Methods of iron control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-15

15-7. Alcohols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1615-8. Acetic acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1815-9. Organic dispersants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1815-10. Organic solvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1815-11. Diversion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1815-12. Additive compatibility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1915-13. Facility upsets following acid stimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-19

15-13.1. Discharge requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1915-13.2. Prevention of facility upsets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-20

Chapter 16 Fundamentals of Acid StimulationA. Daniel Hill and Robert S. Schechter16-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-116-2. Acid-mineral interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-2

16-2.1. Acid-mineral reaction stoichiometry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-216-2.2. Acid-mineral reaction kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-4

Sidebar 16A. Calculating minimum acid volume using dissolving power . . . . . . . . . 16-5Sidebar 16B. Relative reaction rates of sandstone minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-8

16-2.3. Precipitation of reaction products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-10Sidebar 16C. Geochemical model predictions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-11

16-3. Sandstone acidizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-1316-3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-1316-3.2. Acid selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-1316-3.3. Sandstone acidizing models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-13

Sidebar 16D. Comparison of acid volumes for radial and perforation flow . . . . . . . . 16-1616-3.4. Permeability response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-19

16-4. Carbonate acidizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-1916-4.1. Distinctive features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-1916-4.2. Wormholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-2016-4.3. Initiation of wormholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-2116-4.4. Acidizing experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-23

Sidebar 16E. Optimum injection rate for initiating carbonate treatment . . . . . . . . . . . 16-2616-4.5. Propagation of wormholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-27

Reservoir Stimulation xvii

Appendix: Advances in understanding and predicting wormhole formationChristopher N. Fredd. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A16-1

Chapter 17 Carbonate Acidizing DesignJ. A. Robert and C. W. Crowe17-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-117-2. Rock and damage characteristics in carbonate formations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-1

17-2.1. Rock characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-117-2.2. Damage characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-2

17-3. Carbonate acidizing with hydrochloric acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-217-3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-217-3.2. Historical background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-217-3.3. Reactivity of carbonate minerals with hydrochloric acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-317-3.4. Acidizing physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-4

Sidebar 17A. Wormhole initiation and propagation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-617-3.5. Application to field design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-7

Sidebar 17B. Acidizing case study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-817-4. Other formulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-9

17-4.1. Organic acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-917-4.2. Gelled acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-1017-4.3. Emulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-1117-4.4. Microemulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-1117-4.5. Special treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-1217-4.6. Self-diverting acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-12

Sidebar 17C. Examples of special treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-13Sidebar 17D. Placement using self-diverting acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-13

17-5. Treatment design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-1417-5.1. Candidate selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-1417-5.2. Pumping schedule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-1417-5.3. Additives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-1417-5.4. Placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-14

17-6. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-14Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-15

Chapter 18 Sandstone AcidizingHarry O. McLeod and William David Norman18-1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-118-2. Treating fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-1

18-2.1. Hydrochloric acid chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-218-2.2. Chemistry of hydrofluoric acid systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-2

18-3. Solubility of by-products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-418-3.1. Calcium fluoride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-518-3.2. Alkali fluosilicates and fluoaluminates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-518-3.3. Aluminum fluoride and hydroxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-518-3.4. Ferric complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-5

18-4. Kinetics: factors affecting reaction rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-618-4.1. Hydrofluoric acid concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-618-4.2. Hydrochloric acid concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-618-4.3. Temperature . .