DEVELOPMENT OF GEOPOLYMER SYSTEMS FOR OIL AND GAS WELL CEMENTING. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Dissertation) DEVELOPMENT OF GEOPOLYMER SYSTEMS FOR OIL AND GAS WELL CEMENTING.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 28 February 2025. Download (5MB)

Arabic Abstract

في صناعة البترول، يُستخدم الإسمنت البورتلاندي العادي في تطبيقات متنوعة بما في ذلك عمليات الإسمنت الأساسية، وإغلاق الآبار، والتحكم في فقدان السوائل، وعزل المناطق، وعمليات الإسمنت التصحيحية. ومع ذلك، فان هناك بعض المشكلات التقنية والبيئية لاستخدام الإسمنت البورتلاندي في إسمنت الآبار. تشمل هذه المشاكل التقنية غزو الغاز أثناء التصلب، وعدم الاستقرار في بعض البيئات القاسية، وعدم الاستقرار الحراري عند درجات حرارة عالية، وفقدان الضغط الهيدروستاتيكي أثناء عملية التصلب، وفشل غلاف الإسمنت أثناء عمليات التخريم والتكسير الهيدروليكي، وتناقص القوة. بالإضافة إلى ذلك، يتسبب الإسمنت البورتلاندي في بعض المشكلات البيئية مثل انبعاث ثاني أكسيد الكربون بشكل كبير واستهلاك كبير للطاقة خلال عملية إنتاج الإسمنت. هذه المشكلات دفعت الباحثين إلى البحث عن مواد بديلة للتغلب على التحديات التقنية وتوفير أنظمة إسمنتية صديقة للبيئة. تحظى تكنولوجيا الجيوبوليمر بمجموعة واسعة من الاستخدامات، خاصة في صناعة البناء. ومع ذلك، لم يتم رؤية النشر على نطاق واسع في صناعة البترول حتى الآن. يقوم الباحثون في مجال الإسمنت حاليًا بفحص خصائص عدة تركيبات جيوبوليمر تحت ظروف الآبار. تفاعل المواد الألمنيوسيليكات مع هيدروكسيدات القلويات و/أو السيليكات القابلة للذوبان ينتج عنه الجيوبوليمر، وهو عازل معدني عضوي. بالمقارنة مع الإسمنت البورتلاندي، تعد عملية إنتاج الجيوبوليمر أكثر نظافة، ولا تستهلك الكثير من الطاقة. يستخدم الجيوبوليمر بعض النفايات الصناعية والزراعية مثل رماد الفحم، وخبث الحديد، ورماد جوز الهند، وقش الأرز، مما يجعله صديق للبيئة من حيث انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المنخفضة واستخدام النفايات الصناعية كمصدر لمواد الألمنوسيليكات. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الطين مثل الميتاكاولين أو بعض الصخور مثل الأبليت لتشكيل أنواع معينة من الجيوبوليمر. وبالتالي، لا يقوم الجيوبوليمر فقط بتحويل النفايات إلى كنز ولكنه صديق للبيئة أيضًا. تم إجراء دراسة استعراضية لتحديد مدى البحث حول تطبيق الجيوبوليمر في تطبيقات إسمنت الآبار. أظهرت الدراسة أن أنظمة الجيوبوليمر تظهر أداءًا متفوقًا على أنظمة الإسمنت التقليدية. ومع ذلك، هناك أسئلة كبيرة حول استخدامها لم تُحل بعد، مثل التحكم في قابلية الضخ. تم إجراء القليل من البحوث لتطوير أنظمة جيوبوليمر عالية الكثافة باستخدام مواد الوزن عالية الكثافة المتاحة المستخدمة مع الإسمنت البورتلاندي. هدف هذه الرسالة هو تطوير أنظمة جيوبوليمر عالية الكثافة باستخدام مواد الوزن عالية الكثافة مثل الهيماتيت والميكروماكس بالإضافة إلى مواد مصدر مختلفة، خاصة مخلفات المواد الصناعية مثل رماد الفحم والمواد الطبيعية مثل الرماد البركاني لاستخدامها في ظروف الضغط العالي والحرارة العالية. لتقييم إمكانية استخدام الجيوبوليمر عالي الكثافة في عملية الإسمنت، تقوم هذه الدراسة بفحص خصائص الجيوبوليمر عالي الكثافة واستخدام الإسمنت البورتلاندي البئري كمرجع. تشمل هذه الخصائص الخصائص الريولوجية، وقابلية الضخ، وفقدان السوائل، والخصائص الميكانيكية، وتأثير درجة الحرارة. سيتم مقارنة تأثير مواد الوزن المختلفة ومصادر المواد المختلفة. سيتم تصميم واختبار الخلطات عند درجة حرارة القاع الدورانية من ١٥٠ إلى ١٩٤ درجة فهرنهايت، ودرجة حرارة القاع الساكنة من ٢٠٠ إلى ٣٠٠ درجة فهرنهايت، وضغط القاع المعادل لـ ١٥ إلى ١٨ رطل لكل جالون. قدم هذا العمل تركيبات جديدة للجيوبوليمر عالية الكثافة بناءً على رماد الفحم. تم اقتراح خليط جديد من المواد المضافة لتمديد وقت التصلب ومعالجة قضية قابلية الضخ لهذه التركيبات تحت ظروف الآبار. تم تقديم ثلاث حلول لحل مشكلات الترسيب المرتبطة بأنظمة الجيوبوليمر الإسمنتية المبنية على الهيماتيت. علاوة على ذلك، تم تطوير نظام جيوبوليمر إسمنتي جديد بوزن معتدل باستخدام رماد البراكين بعد تنشيط البراكين باستخدام محلول هيدروكسيد الصوديوم. يعزز هذا البحث مبادئ الاقتصاد الدائري للكربون بالإضافة إلى التعامل مع بعض التحديات التقنية والبيئية للإسمنت البورتلاندي

English Abstract

In the petroleum industry, ordinary Portland cement (OPC) is utilized for different applications including primary cementing, plug and abandonment (P&A), loss of circulation control, zonal isolation, and remedial activities. Yet, there are some technical and environmental issues for the usage of OPC in well-cementing. These technical concerns include gas invasion while setting, instability at corrosive environments, thermal instability at high temperatures, hydrostatic pressure loss (unloading) after placement, cement sheath failure while perforation and hydraulic fracturing, and strength retrogression. Additionally, OPC presents some environmental issues such as significant carbon dioxide (CO2) emissions and massive energy consumption during cement production. These concerns persuaded the researchers to search for alternative materials to overcome the technical challenges and to provide more eco-friendly cement systems. Geopolymer technology has a wide range of uses, particularly in the building industry. However, full-scale deployment in petroleum industry has yet to be seen. Researchers in the field of cementing are currently examining the characteristics of several geopolymer formulations under wellbore conditions. The reaction of aluminosilicate substances with alkali hydroxides and/or soluble silicates produces Geopolymer, an inorganic polymeric cementitious binder. In comparison to OPC, the geopolymer production process is cleaner, and the source materials do not consume as much energy. Geopolymer uses some industrial and agro-wastes like fly ash (FA), ground granulated blast furnace slag (GGBFS), silica fume, coconut ash, rice husk that makes geopolymer eco-friendly in terms of low CO2 manufacturing emissions and using industrial by-products as a source of aluminosilicate materials. Moreover, clays like metakaolin or some rocks like aplite can be used to form certain types of geopolymer. Consequently, geopolymers not only turns waste into treasure but are eco-friendly as well. A review study was conducted to determine the extent of research on the application of geopolymer in well cementing applications. The study showed that geopolymer systems exhibit superior performance to conventional cement systems. Nevertheless, there are significant questions about their usage that have yet to be resolved, like managing pumpability while optimizing waiting time on setting. Very few research was conducted to develop high density geopolymer systems using the available weighting agents used with OPC. The goal of this work is to develop high density geopolymer systems using different weighting agents like hematite and Micromax in addition to different source materials, especially industrial waste substances like FA and natural waste materials such as volcanic tephra to be utilized at high pressure and high temperature (HPHT) conditions. To evaluate the usability of high density geopolymers for cementing, this study investigates the properties of high density geopolymers and basic well cement as a reference. These properties include rheological properties, pumpability, fluid loss, mechanical properties, and temperature effects. The effect of different weighting materials and different source materials will be compared. The slurries will be designed and tested at a bottomhole circulating temperature (BHCT) of 150 to 194 °F, a bottomhole static temperature (BHST) of 200 to 300 °F, and a bottomhole pressure equivalent to 15 to 18 ppg. This work introduced new high-density fly ash-based geopolymer formulations. A new mixture of additives was proposed to prolong the thickening time and address the pumpability issue of these formulations at downhole conditions. Three solutions were introduced to solve the sedimentation issues associated with hematite-based geopolymer cement systems. Moreover, a new moderate weight volcanic tephra-based geopolymer cement system was developed after activating the volcanic by a sodium hydroxide solution. This research promotes the circular carbon economy principles in addition to tackling some technical and environmental challenges of Portland cement.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Civil Engineering Petroleum > Well Completion and Stimulation Petroleum > Drilling Engineering
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Elkatatny, Salaheldin
Committee Members:	Al-Shehri, Dhafer and Abdel Fattah, Ahmed and Abdulraheem, Abdulaziz
Depositing User:	AHMED ABDELAAL (g201708850)
Date Deposited:	04 Mar 2024 12:47
Last Modified:	04 Mar 2024 12:47
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142816