Investigation of CO₂-Induced Degradation in Geopolymer Cement Systems for Subsurface Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) Omer Bakri MSc thesis Final.pdf - Draft Version Restricted to Repository staff only until 18 May 2027. Download (4MB)

Arabic Abstract

تتناول هذه الرسالة دراسة أداء أنظمة الأسمنت الجيوبوليمري بوصفها بدائل محتملة لإسمنت بورتلاند التقليدي من الفئة تطبيقات عزل الآبار الخاصة بمشاريع احتجاز وتخزين ثاني أكسيد الكربون. وتركّز الدراسة على مقاومة التركيبات المختلفة من الأسمنت الجيوبوليمري للبيئات الغنية بثاني أكسيد الكربون، حيث يُعرف عن الإسمنت التقليدي تعرضه للكربنة، ونزع الكالسيوم، والتشقق، وفقدان سلامته الميكانيكية مع الزمن. ولمعالجة هذه المشكلة، جمعت الرسالة بين مراجعة علمية مبنية على فهم آليات التفاعل، ودراسات تجريبية على نظامين جيوبوليمريين محضّرين من مواد أولية مختلفة. شمل الجانب العملي تقييم سلوك أسمنت جيوبوليمري قائم على الخبث وآخر قائم على مخلفات البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية المعاد تدويره (GFRP) تحت تعرّض لثاني أكسيد الكربون عند ضغط 1500 psi ودرجة حرارة 125°F. وتم تقييم الأداء الميكانيكي من خلال قياسات مقاومة الضغط والشد، إلى جانب الفحص البصري، وتحليل كيمياء السوائل، وتحليل الغازات، ودراسة التلف الداخلي باستخدام التصوير المقطعي. وقد أظهرت نتائج النظام القائم على الخبث تدهورًا شديدًا تحت تأثير ثاني أكسيد الكربون، تمثل في انخفاض سريع في المقاومة، وحدوث تشققات، وعمليات رشح كيميائي، وتكوّن غاز كبريتيد الهيدروجين، مما يشير إلى عدم ملاءمة هذه التركيبة لبيئات الآبار الغنية بثاني أكسيد الكربون بصيغتها المختبرة. في المقابل، حافظ النظام القائم على GFRP على سلامته البنيوية، واحتفظ بمقاومة الشد، وأظهر زيادة في مقاومة الضغط مع الزمن، متفوقًا بذلك على إسمنت الفئة. G المستخدم كعينة مرجعية تحت الظروف نفسها وتؤكد النتائج أن الأسمنت الجيوبوليمري لا يمكن التعامل معه كمجموعة واحدة ذات مقاومة موحدة لثاني أكسيد الكربون، إذ يعتمد أداؤه بدرجة كبيرة على كيمياء المادة الأولية، وتركيب الرابط، واستقرار البنية الدقيقة. وبينما قد تفشل بعض التركيبات بسرعة، فإن تركيبات أخرى قد تمثل حلًا تقنيًا واعدًا ومنخفض البصمة الكربونية لعزل الآبار على المدى الطويل في تطبيقات التخزين الجيولوجي لثاني أكسيد الكربون. وبوجه عام، تؤكد هذه الرسالة أن الأسمنت الجيوبوليمري يملك إمكانات قوية ليكون بديلًا مستدامًا لإسمنت بورتلاند التقليدي، شريطة أن يجري تحسين تركيبه والتحقق من أدائه بما يتناسب مع بيئة التشغيل المستهدفة.

English Abstract

This thesis investigates the performance of geopolymer cement systems as potential alternatives to conventional Class G Portland cement for wellbore sealing in carbon capture and storage applications. The study focuses on the resistance of different geopolymer formulations to CO2-rich environments, where ordinary Portland cement is known to suffer from carbonation, decalcification, cracking, and loss of mechanical integrity. To address this challenge, the thesis combines a mechanism-based literature review with experimental investigations on two geopolymer systems prepared from different precursor materials. The experimental work evaluated the behavior of slag-based and recycled glass fiber reinforced plastic (GFRP)-based geopolymer cements under high-pressure CO2 exposure at 1500 psi and 125°F. Mechanical performance was assessed through compressive and tensile strength measurements, while additional observations included visual inspection, aqueous chemistry analysis, gas analysis, and CT-based damage evaluation. The slag-based geopolymer showed severe degradation under CO2 exposure, including rapid strength loss, cracking, leaching, and hydrogen sulfide generation, indicating that this formulation is unsuitable for CO2-rich well environments in its tested form. In contrast, the GFRP-based geopolymer maintained its structural integrity, retained tensile strength, and showed an increase in compressive strength over time, outperforming the Class G cement control under identical conditions. The findings demonstrate that geopolymer cement cannot be treated as a single class of uniformly CO2-resistant materials, since performance is strongly dependent on precursor chemistry, binder composition, and microstructural stability. While some formulations may fail rapidly, others can provide durable, low-carbon, and technically promising solutions for long-term wellbore sealing in subsurface CO2 storage. Overall, this thesis confirms that geopolymer cement has strong potential as a sustainable alternative to Portland cement, provided that the formulation is carefully optimized and validated for the intended service environment.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Thesis Advisor:	Ahmed Mahmoud,
Thesis Committee Members:	Salaheldin Elkatatny, Mustafa Al-ramadan,
Depositing User:	OMER BAKRI (g202409440)
Date Deposited:	20 May 2026 07:30
Last Modified:	20 May 2026 07:30
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144339