Long-Term Investigation of The Integrity of Cement Used for Underground Hydrogen Storage Sites. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Final Msc thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 28 December 2026. Download (1MB)

Arabic Abstract

إنَّ ضمان سلامة البئر على المدى الطويل يُعَدّ أمرًا أساسيًا في تطبيقات النفط والغاز، وكذلك في تقنيات تخزين الهيدروجين تحت الأرض (UHS) الناشئة. ويُستخدم الأسمنت، ولا سيما أسمنت الفئة (G)، على نطاق واسع لتحقيق العزل الطبقي ودعم أنابيب التغليف، غير أن متانته تحت ظروف الدورات الحرارية، والتحلّل الجيوكيميائي، والتعرّض للهيدروجين لا تزال غير واضحة بشكل كافٍ. وتُظهر الدراسات المخبرية أن الإماهة وظروف المعالجة وتقلبات درجات الحرارة تؤثر بدرجة كبيرة في الخصائص الميكانيكية والبتروفزيائية للأسمنت، مما يؤدي إلى تغيّر مقاومته، وتطور مساميته، وحدوث تدهور بنيوي دقيق. كما تشير الأدلة الحديثة إلى وجود آثار طفيفة، لكنها قد تكون تراكمية، لتفاعلات الهيدروجين مع الأسمنت، بما في ذلك تغيّرات في المسامية والخواص الصوتية والمعاملات المرنة. ومن خلال دمج هذه النتائج، يتضح وجود حاجة ملحّة إلى إطار شامل يربط بين العمليات الحرارية والميكانيكية والكيميائية عبر مقاييس زمنية وظروف معالجة مختلفة. ويجمع هذا العمل بين المقاربات التجريبية والتحليلية والعددية لتقييم آليات تدهور الأسمنت، واقتراح استراتيجيات للتخفيف باستخدام الإضافات، وتطوير نماذج تنبؤية لضمان سلامة الآبار في تطبيقات UHS وآبار النفط والغاز. وتهدف النتائج إلى تعزيز التخزين والإنتاج تحت السطح بصورة آمنة ومرنة ومستدامة.

English Abstract

Ensuring long-term wellbore integrity is fundamental for oil, gas, and emerging underground hydrogen storage (UHS) applications. Cement, particularly Class G, is widely employed for zonal isolation and casing support, yet its durability under thermal cycling, geochemical alteration, and hydrogen exposure remains poorly constrained. Laboratory studies demonstrate that hydration, curing conditions, and temperature fluctuations significantly affect cement’s mechanical and petrophysical properties, leading to strength evolution, porosity variation, and microstructural degradation. Moreover, recent evidence highlights the subtle but potentially cumulative effects of hydrogen–cement interactions on porosity, acoustic properties, and elastic parameters. Integrating these findings reveals a pressing need for a comprehensive framework that couples thermal, mechanical, and chemical processes across varying timescales and curing regimes. This work consolidates experimental, analytical, and numerical approaches to evaluate cement degradation mechanisms, propose mitigation strategies through additives, and establish predictive models for wellbore integrity in UHS and hydrocarbon wells. The outcomes aim to advance safe, resilient, and sustainable subsurface energy storage and production.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum Petroleum > Drilling Engineering
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Al Ramadan, Mustafa
Committee Members:	Yaseri, Ahmed and Mahmoud, Ahmed
Depositing User:	ESLAM ABDALRAHMAN (g202214120)
Date Deposited:	30 Dec 2025 04:36
Last Modified:	30 Dec 2025 04:36
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143946