Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tăng cường độ cứng của đá cacbonat thông qua sự hình thành của Smithsonite và Fluorit
Tóm tắt
Các kỹ thuật tăng cường đá cacbonat được sử dụng rộng rãi trong bảo tồn di sản văn hóa. Gần đây, đã có một sự quan tâm ngày càng tăng đối với việc áp dụng chúng trong lĩnh vực dầu khí nhằm cải thiện độ cứng và ổn định của bề mặt vết nứt so với khoáng chất chủ yếu. Trong nghiên cứu này, hai loại đá đã được xử lý (phấn và đá vôi) ở nhiệt độ môi trường bằng dung dịch NaF 0,9 M và ZnSO4 0,1 M với mục tiêu cải thiện độ cứng của bề mặt đá bằng cách biến đổi khoáng vật của chúng. Các đá cacbonat được đặc trưng trước và sau khi điều trị bằng nhiều kỹ thuật khác nhau để xác định sự thay đổi trong thành phần khoáng vật của chúng (sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét phổ phát xạ năng lượng (SEM–EDS), và lý thuyết quang phổ quang điện tử tia X (XPS)) và các thuộc tính vật lý/ cơ học (sử dụng thử nghiệm Brinell, búa xung, thử nghiệm xước, bơm khí ổn định). Tốc độ phản ứng được theo dõi bằng cách sử dụng phổ phát xạ quang học plasma cảm ứng và sắc ký ion (ICP-OES) trong khoảng thời gian 2–5 ngày với các khoảng thời gian 4–6 giờ. Kết quả cho thấy việc xử lý bằng NaF đã mang lại sự cải thiện 4% và 6% trong khả năng chống lõm của đá vôi và phấn, tương ứng. Việc xử lý bằng ZnSO4 tạo ra sự cải thiện đáng chú ý nhất trong độ cứng của đá (được thể hiện qua mô đun Young), với sự cải thiện 21% cho phấn và 17% cho đá vôi, tương ứng. Những phát hiện mới trong nghiên cứu này gợi ý rằng NaF và ZnSO4 là những tác nhân tăng cường đá cacbonat tiềm năng có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau, chẳng hạn như giải quyết các vấn đề giảm độ dẫn điện xảy ra trong các vết nứt thủy lực do sự mềm hóa của đá.
Từ khóa
#đá cacbonat #tăng cường độ cứng #NaF #ZnSO4 #di sản văn hóa #đá vôi #phấn #cấu trúc khoáng #đặc trưng hóa #ứng dụng công nghiệp.Tài liệu tham khảo
Abass HH, Al-Mulhem AA, Alqam MS, Mirajuddin KR (2006) Acid fracturing or proppant fracturing in carbonate formation? A rock mechanic’s view. In: Proceedings—SPE Annual Technical Conference and Exhibition.https://doi.org/10.2523/102590-ms
Alakbari FS, Mohyaldinn ME, Muhsan AS, Hasan N, Ganat T (2020) Chemical sand consolidation: from polymers to nanoparticles. Polymers (basel). https://doi.org/10.3390/POLYM12051069
Aljawad MS, Aljulaih H, Mahmoud M, Desouky M (2019) Integration of field, laboratory, and modeling aspects of acid fracturing: a comprehensive review. J Pet Sci Eng. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2019.06.022
Alramahi B, Sundberg MI (2012) Proppant embedment and conductivity of hydraulic fractures in shales. In: 46th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium
Baer NS, Lewin SZ (1970) The replacement of calcite by fluorite: a kinetic study1. Am Mineral 55:466–476
Bandara KMAS, Ranjith PG, Rathnaweera TD (2019) Improved understanding of proppant embedment behavior under reservoir conditions: a review study. Powder Technol. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.04.033
Barton N, Bandis S, Bakhtar K (1985) Strength, deformation and conductivity coupling of rock joints. Int J Rock Mech Min Sci. https://doi.org/10.1016/0148-9062(85)93227-9
Boutrid A, Bensehamdi S, Chaib R (2013) Investigation into Brinell hardness test applied to rocks. World J Eng. https://doi.org/10.1260/1708-5284.10.4.367
Desouky M, Aljawad MS, Solling T, Abduljamiu A, Norrman K, Alshehri D (2021) Improving long-term hydraulic fracture conductivity by alteration of rock minerals. J Pet Sci Eng. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2020.108046
Du Y, Lian F, Zhu L (2011) Biosorption of divalent Pb Cd and Zn on aragonite and calcite mollusk shells. Environ Pollut. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2011.04.017
Erşan YÇ, Wang J, Fraeye D, Boon N, De Belie N (2020) Surface consolidation of maastricht limestone by means of bacillus sphaericus under varying treatment conditions. J Mater Civ Eng. https://doi.org/10.1061/(asce)mt.1943-5533.0003447
Ferreira Pinto AP, Delgado Rodrigues J (2012) Consolidation of carbonate stones: influence of treatment procedures on the strengthening action of consolidants. J Cult Herit. https://doi.org/10.1016/j.culher.2011.07.003
Gamal H, Elkatatny S, Shehri DA, Bahgat M (2020) A novel low-temperature non-corrosive sulfate/sulfide scale dissolver. Sustain. https://doi.org/10.3390/su12062455
Germay C, Richard T (2014) The scratch test: a high resolution log of rock strength with application to geomechanic and petrophysic. In: SPWLA 55th Annual Logging Symposium
Glover ED, Sippel RF (1962) Experimental pseudomorphs: replacement of calcite by fluorite. Am Mineral.
Godelitsas A, Astilleros JM, Hallam K, Harissopoulos S, Putnis A (2003) Interaction of calcium carbonates with lead in aqueous solutions. Environ Sci Technol. https://doi.org/10.1021/es020238i
Gramin P, Fisher R, Frooqnia A, Ai A, Hojnacki P, Boitnott G, Louis L, Hampton J (2016) Evaluation of the impulse hammer technique for core mechanical properties profiling. In: SCA 30th International Symposium
Graziani G, Sassoni E, Franzoni E (2015) Consolidation of porous carbonate stones by an innovative phosphate treatment: mechanical strengthening and physical-microstructural compatibility in comparison with TEOS-based treatments. Sci Herit. https://doi.org/10.1186/s40494-014-0031-0
Guo J, Liu Y (2012) Modeling of proppant embedment: elastic deformation and creep deformation. In: SPE Production and Operations Symposium, Proceedings. https://doi.org/10.2118/157449-ms
Hussain M, Amao AO, Al-Ramadan K, Negara A, Saleh TA (2020) Non-destructive techniques for linking methodology of geochemical and mechanical properties of rock samples. J Pet Sci Eng. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2020.107804
Jansen T, Zhu D, Hill AD (2015) The effect of rock mechanical properties on fracture conductivity for shale formations. In: Society of Petroleum Engineers—SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference. https://doi.org/10.2118/173347-ms
Jimenez-Lopez C, Rodriguez-Navarro C, Piñar G, Carrillo-Rosúa FJ, Rodriguez-Gallego M, Gonzalez-Muñoz MT (2007) Consolidation of degraded ornamental porous limestone stone by calcium carbonate precipitation induced by the microbiota inhabiting the stone. Chemosphere. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2007.02.044
Kahraman S, Gunaydin O (2008) Indentation hardness test to estimate the sawability of carbonate rocks. Bull Eng Geol Environ. https://doi.org/10.1007/s10064-008-0162-1
Kaushansky P, Yariv S (1986) The interactions between calcite particles and aqueous solutions of magnesium, barium or zinc chlorides. Appl Geochem. https://doi.org/10.1016/0883-2927(86)90068-5
Kolawole O, Ispas I (2020) Evaluation of geomechanical properties via scratch tests: where are we and where do we go from here? SN Appl Sci. https://doi.org/10.1007/s42452-020-03469-5
Kolawole O, Ispas I, Kumar M, Weber J, Zhao B (2021) Time-lapse biogeomechanical modified properties of ultra-low permeability reservoirs. Rock Mech Rock Eng. https://doi.org/10.1007/s00603-021-02410-5
López-Arce P, Stella Gómez-Villalba L, Álvarez De Buergo M, Fort R, Martínez-Ramírez S (2010) Consolidation of carbonate stones with nanoparticles. In: Proceedings of 8th International Symposium on the Conservation of Monuments in the Mediterranean Basin, Patras, (Grecia), pp. 110–111
Mahmoud MA (2014) Evaluating the damage caused by calcium sulfate scale precipitation during low- and high-salinity-water injection. J Can Pet Technol. https://doi.org/10.2118/164634-PA
Makurat A, Gutierrez M, Backer L (1997) Fracture flow and fracture cross flow experiments. Nor Pet Soc Spec Publ. https://doi.org/10.1016/S0928-8937(97)80012-4
Masłowski M, Labus M (2021) Preliminary studies on the proppant embedment in baltic basin shale rock. Rock Mech Rock Eng. https://doi.org/10.1007/s00603-021-02407-0
Mueller M, Amro M (2015) Indentaion hardness for improved proppant embedment prediction in shale formations. In: SPE—European Formation Damage Conference, Proceedings, EFDC. https://doi.org/10.2118/174227-ms
Natali I, Tomasin P, Becherini F, Bernardi A, Ciantelli C, Favaro M, Favoni O, Pérez VJF, Olteanu ID, Sanchez MDR, Vivarelli A, Bonazza A (2015) Innovative consolidating products for stone materials: field exposure tests as a valid approach for assessing durability. Herit Sci. https://doi.org/10.1186/s40494-015-0036-3
Nierode DE, Kruk KF (1973) An evaluation of acid fluid loss additives, retarded acids, and acidized fracture conductivity. In: Society of Petroleum Engineers—Fall Meeting of the Society of Petroleum Engineers of AIME, FM 1973. https://doi.org/10.2523/4549-ms
Pedrosa ET, Putnis CV, Renard F, Burgos-Cara A, Laurich B, Putnis A (2016) Porosity generated during the fluid-mediated replacement of calcite by fluorite. Cryst Eng Comm. https://doi.org/10.1039/c6ce01150k
Pedrosa ET, Boeck L, Putnis CV, Putnis A (2017) The replacement of a carbonate rock by fluorite: kinetics and microstructure. Am Mineral. https://doi.org/10.2138/am-2017-5725
Possenti E, Colombo C, Conti C, Gigli L, Merlini M, Plaisier JR, Realini M, Sali D, Gatta GD (2019) Diammonium hydrogenphosphate for the consolidation of building materials. Investigation of newly-formed calcium phosphates. Constr Build Mater. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.11.077
Prieto M, Cubillas P, Fernández-Gonzalez Á (2003) Uptake of dissolved Cd by biogenic and abiogenic aragonite: a comparison with sorption onto calcite. Geochim Cosmochim Acta. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(03)00309-0
Ramurthy M, Barree RD, Kundert DP, Petre E, Mullen M (2011) Surface-area vs. conductivity-type fracture treatments in shale reservoirs. SPE Prod Oper. https://doi.org/10.2118/140169-PA
Sassoni E, Naidu S, Scherer GW (2011) The use of hydroxyapatite as a new inorganic consolidant for damaged carbonate stones. J Cult Herit. https://doi.org/10.1016/j.culher.2011.02.005
Sassoni E, Franzoni E, Pigino B, Scherer GW, Naidu S (2013) Consolidation of calcareous and siliceous sandstones by hydroxyapatite: Comparison with a TEOS-based consolidant. J Cult Herit. https://doi.org/10.1016/j.culher.2012.11.029
Saurabh Mishra KO (2015) Chemical sand consolidation: an overview. J Pet Eng Technol. https://doi.org/10.37591/jopet.v5i2.2036
Schei G, Fjaer E, Detournay E, Kenter CJ, Fuh GF, Zausa F, Agip E, (2000) Scratch test: an attractive technique for determining strength and elastic properties of sedimentary rocks. In: Proceedings—SPE annual technical conference and exhibition. https://doi.org/10.2523/63255-ms
Sena da Fonseca B, Ferreira Pinto AP, Piçarra S, Montemor MF (2020) Alkoxysilane-based sols for consolidation of carbonate stones: Proposal of methodology to support the design and development of new consolidants. J Cult Herit. https://doi.org/10.1016/j.culher.2019.11.003
Szwedzicki T (1998a) Indentation hardness testing of rock. Int J Rock Mech Min Sci. https://doi.org/10.1016/S0148-9062(97)00334-3
Szwedzicki T (1998b) Draft ISRM suggested method for determining the indentation hardness index of rock materials. Int J Rock Mech Min Sci 35:831–835
Tariq Z, Mahmoud MA, Abdulraheem A, Al-Nakhli A, Bataweel M (2019) An experimental study to reduce the fracture pressure of high strength rocks using a novel thermochemical fracturing approach. Geofluids. https://doi.org/10.1155/2019/1904565
Tomasin P, Mondin G, Zuena M, El Habra N, Nodari L, Moretto LM (2019) Calcium alkoxides for stone consolidation: investigating the carbonation process. Powder Technol. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.12.050
Turner BD, Binning P, Stipp SLS (2005) Fluoride removal by calcite: evidence for fluorite precipitation and surface adsorption. Environ Sci Technol. https://doi.org/10.1021/es0505090
Wen Q, Zhang S, Wang L, Liu Y, Li X (2007) The effect of proppant embedment upon the long-term conductivity of fractures. J Pet Sci Eng. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2006.08.010
Yuan K, Lee SS, De Andrade V, Sturchio NC, Fenter P (2016) Replacement of calcite (CaCO3) by Cerussite (PbCO3). Environ Sci Technol. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b03911
Zhizhaev AM, Merkulova EN (2008) Interaction of sulfate solutions of zinc with natural calcium carbonates. Russ J Appl Chem. https://doi.org/10.1134/S1070427208060049
Zornoza-Indart A, López-Arce P, Gómez-Villalba LS, Varas-Muriel MJ, Fort R (2012) Consolidation of deteriorated carbonate stones with Ca(OH)2 nanoparticles. In: 12th International Congress on the Deterioration and Conservation of Stone Columbia University