Development of Oil-Well Cement Formulations for CO2-Rich Environment Relevant to Geologic Carbon Sequestration

Development of Oil-Well Cement Formulations for CO2-Rich Environment Relevant to Geologic Carbon Sequestration. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Development of Oil Well Cement formulations for CO2-Rich Environment Relevant to GCS_Final.pdf
Restricted to Repository staff only until 22 June 2022.

Download (4MB)

Arabic Abstract

تتغير المنتجات المهدرجة للأسمنت من الفئة G بشكل جذري بعد التعرض لمحلول ملحي مشبع بغاز ثاني أكسيد الكربون، مما يضر بالخصائص الفيزيائية للأسمنت، خاصةً مقاومة الانضغاط والشد. في هذه الدراسة، يشمل تأثير الإضافات التكميلية المختلفة كطين المونتموريلونايت المعدل (NC) متناهي الصغر، ألياف البولي بروبلين الاصطناعية(PPF) ، نفايات الزيتون، اللابونايت، والجرافايت على مقاومة تراجع مقاومة مصفوفة الأسمنت في ظل عملية الكربنة. تم تحضير عينات مختلفة من الأسمنت، ولا يتضمن الأسمنت الأساسي أي من الإضافات التكميلية، في حين تم تحضير عينات أسمنت مختلفة أخرى بتركيزات مختلفة من أحد الإضافات التكميلية. بعد التحضير، تمت معالجة العينات لمدة 24 ساعة ثم تم تحليلها باستخدام تحليل حيود الأشعة السينية (XRD). بعد ذلك تم غمر العينات في غرفة تفاعل ذات درجة حرارة عالية الضغط المرتفع وتفاعلت مع محلول كلوريد الصوديوم بتركيز 0.5 مولارية مشبع بثاني أكسيد الكربون عند 95 درجة مئوية أو 130 درجة مئوية و10 ميجا باسكال لفترة زمنية محددة. في نهاية عملية الكربنة، تمت إزالة العينات وتم التحقيق في التغيرات في مقاومة الضغط والشد والنفاذية والبنية المجهرية. أوضحت نتائج هذه الدراسة أن دمج NC في تركيبة أسمنت آبار النفط أدى إلى زيادة تركيز هيدرات سيليكات الكالسيوم (CSH) ، وتقليل الانخفاض في مقاومة الضغط والشد إلى 8.56٪ و 9.82٪ على التوالي، مقارنة بـ 45.67٪ و 27.39٪ للأسمنت الأساسي. النفاذية النهائية للعينة المحتوية على NC أقل بنسبة 51.67٪ من نفاذية العينة الأساسية. إن النقص في نفاذية الأسمنت ومحتوى البورتلاندايت والزيادة في CSH هي الآليات الرئيسية التي عززت مقاومة الأسمنت المحتوي على NC للكربنة. إن دمج 0.125٪ بوزن الأسمنت من الـ PPF قلل من تركيز البورتلاندايت ونفاذية عينات الأسمنت الصلبة ، وبالتالي عزز مقاومة الأسمنت للكربنة. بعد 20 يومًا من الكربنة، يكون عمق الكربنة داخل العينات بنسبة المحتوية على 0.125٪ من PPF أقل بنسبة 31.2٪ من ذلك داخل الاسمنت الأساسي. إن مقاومة الضغط والشد لعينات الأسمنت التي تشتمل على 0.125٪ من PPF كانت 50.6٪ و27.4٪ أكبر من الأسمنت الأساسي، على التوالي. إضافة 0.1٪ بوزن الأسمنت من نفايات الزيتون عززت مقاومة الأسمنت لعملية الكربنة وخفض عمق الكربنة ومعدل الكربنة بنسبة 13.6٪ و 18.6٪ ،على التوالي، وخفضت نفاذية عينات الأسمنت الصلبة بنسبة 33.9٪ مقارنة بالأسمنت الأساسي بعد 20 يومًا من الكربنة. إن الحد من النفاذية هو الآلية الرئيسية المسؤولة عن تعزيز مقاومة الكربنة للأسمنت القائم على نفايات الزيتون. بعد 10 أيام من الكربنة، أدى دمج 0.3٪ بوزن الأسمنت من اللابونايت إلى تقليل عمق الكربنة ومعدل الكربنة بنسبة 27.0٪ و 26.8٪ على التوالي. كانت مقاومة الضغط والشد لعينات الأسمنت التي تحتوي على 0.3٪ من اللابونايت أكبر بنسبة 12.5٪ و 20.1٪ من تلك للأسمنت الأساسي، على التوالي. أدى دمج 0.3٪ من اللابونايت للأسمنت إلى الحفاظ على نفاذية عينات الأسمنت الصلبة أقل بنسبة 50.0٪ من نفاذية الأسمنت الأساسي. إن الانخفاض في تركيز البورتلاندايت ونقص النفاذية هما الآليتان الرئيسيتان المسؤولتان عن تعزيز مقاومة للأسمنت القائم على اللابونايت للكربنة. إضافة 0.2٪ بوزن الأسمنت من الجرافايت أدت لتقليل عمق الكربنة بعد 10 أيام من الكربنة بنسبة 29.8٪. كما أدت لتقليل نفاذية عينات الأسمنت الصلبة بنسبة 31.4% وزيادة مقاومة الضغط والشد بنسبة 16.4٪ و 23.8٪ من تلك لعينات الأسمنت الأساسي، على التوالي. إن الإنخفاض في تركيز البورتلاندايت ونقص النفاذية هما الآليتان الرئيسيتان المسؤولتان عن تعزيز مقاومة للأسمنت القائم على الجرافايت للكربنة. إضافة الجرافايت أدت كذلك لتقليل معدل إذابة كربونات الكالسيوم من عينات الأسمنت.

English Abstract

The hydrated products of Class G cement drastically change after exposure to CO2-saturated brine, compromising the cement physical properties, especially, the compressive and tensile strengths. In this study, the effect of different complementary additives includes the modified montmorillonite nanoclay (NC), synthetic polypropylene fiber (PPF), olive waste, laponite, and graphite on the cement matrix strength retrogression resistance under the carbonation process was evaluated. Different cement slurries were prepared, the base cement does not include any of the evaluated complementary additives, while other different cement formulations were prepared with different concentrations of one of these additives. After preparation, the samples were cured for 24 hrs and then characterized using the x-ray diffraction (XRD) analysis. After that the samples were submerged into high-pressure high-temperature reaction chamber and reacted with CO2-saturated 0.5 M NaCl brine at 95 ºC or 130 ºC and 10 MPa for specific period of time. At the end of the carbonation process, the samples were removed and the changes in their compressive and tensile strengths, permeability, and microstructure were investigated. The results of this study revealed that incorporating NC into oil well cement paste increased the concentration of the calcium silicate hydrates (CSH), and decrease the reduction in the compressive and tensile strengths to 8.56% and 9.82%, respectively, compared with the compressive and tensile strengths retrogressions of 45.67% and 27.39% for the base cement. The final permeability of the NC-based sample is 51.67% less than the base sample permeability. The decrease in the cement permeability and portlandite content and the increase in the CSH are the main mechanisms which enhanced the NC-based cement resistance to carbonation. Incorporating 0.125% by weight of cement (BWOC) of the PPF decreased the portlandite concentration and cement permeability, therefore, enhanced the cement carbonation resistance. After 20 days of carbonation, the carbonation depth inside the samples with 0.125% BWOC of the PPF is 31.2% less than that inside the base cement. The compressive and tensile strengths of the cement samples incorporating 0.125% BWOC of PPF are 50.6% and 27.4% greater than the base cement, respectively. Addition of 0.1% BWOC of the olive waste enhanced the cement resistance to the carbonation process and decrease the carbonation depth and carbonation rate by 13.6% and 18.6%, respectively, and decreased the matrix permeability by 33.9% compared with the base cement after 20 days of carbonation. The permeability reduction is the main mechanism responsible for the enhancement of carbonation resistance for the olive waste-based cement. After 10 days of carbonation, incorporating 0.3% BWOC of the laponite decreased the carbonation depth and carbonation rate by 27.0% and 26.8%, respectively. The compressive and tensile strengths of the cement samples incorporating 0.3% BWOC of the laponite were 12.5% and 20.1% greater than these for the base cement, respectively. Incorporating 0.3% of the laponite to the cement slurry maintained the matrix permeability 50.0% lower than the permeability of the base cement. The decrease in the portlandite concentration and the permeability reduction are the main mechanisms responsible for the enhancement of carbonation resistance for the laponite-based cement. Incorporating 0.2% of the graphite into cement decreased the carbonation depth after 10 days of carbonation by 29.8% as confirmed by the direct measurement and the micro-computerized tomography scan technique. It also reduced the cement matrix permeability by 31.4% and increased its compressive and tensile strengths by 16.4% and 23.8%, respectively, compared to the sample without graphite. The decrease in the portlandite concentration and permeability are the main mechanisms contributed to improve the carbonation resistance for the cement, the addition of graphite also delayed calcium carbonate leaching as confirmed by the microscopic images.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Petroleum
Petroleum > Drilling Engineering
Department: College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor: Elkatatny, Salaheldin
Committee Members: Patil, Shirish and Abdulraheem, Abdulazeez and Al-Shawabkeh, Reyad
Depositing User: AHMED AHMED (g201205160)
Date Deposited: 28 Jun 2021 09:54
Last Modified: 28 Jun 2021 09:54
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141911