Enhancing Wellbore Integrity During CO2 Geological Sequestration Operations Using Basalt-based Cement. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF G202409400 MS-PETE THESIS.pdf Restricted to Repository staff only until 20 May 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

تُعدّ سلامة البئر (Wellbore Integrity) من أبرز التحديات التي تواجه عمليات التخزين الجيولوجي لثاني أكسيد الكربون (CO2)، وذلك بسبب تدهور إسمنت بورتلاند الناتج عن تفاعلات الكربنة. يؤثر هذا التدهور على القوة الميكانيكية للإسمنت وقدرته على تحقيق العزل الطبقي (Zonal Isolation)، مما يؤدي إلى تكوّن مسارات محتملة لتسرّب ثاني أكسيد الكربون. تهدف هذه الدراسة التجريبية إلى تقييم كفاءة المواد الإسمنتية التكميلية المعتمدة على البازلت في تحسين مقاومة الكربنة والمحافظة على سلامة إسمنت الآبار على المدى الطويل. تم استخدام مسحوق البازلت من موقعين جغرافيين مختلفين هما: حرة لونير في المملكة العربية السعودية، ومقاطعة سومرست في الولايات المتحدة الأمريكية، حيث تم خلطه مع إسمنت الفئة G (Class-G Cement) بتراكيز وزنية مختلفة (0%، 1%، 2%، و3%). أُجريت عملية التعتيق تحت تعرّض لغاز ثاني أكسيد الكربون لمدة 8 أسابيع، ثم تم تحليل مجموعة شاملة من النتائج قبل الكربنة وبعدها مع إجراء اختبارات دورية خلال فترات زمنية مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء اختبارات توصيف مثل المجهر الإلكتروني الماسح مع التحليل الطيفي للأشعة السينية (SEM-EDS (XRD)، وتحليل الفلورة بالأشعة السينية (XRF)، إلى جانب اختبارات لتقييم الخصائص الكيميائية والميكانيكية والبنية المجهرية. وشملت هذه الاختبارات اختبار الخدش، والاختبار البرازيلي، والقياسات الصوتية، واختبار الفينولفثالين. أظهرت جميع الاختبارات قبل الكربنة تحسناً في القوة الميكانيكية لجميع تراكيز البازلت المستخدمة في الإسمنت. كما بيّن كل من اختبار الخدش والاختبار البرازيلي تأثير زيادة نسبة البازلت في الخليط على القوة الميكانيكية لعينات الإسمنت. وبالمثل، تم الحصول على قيم نسبة بواسون، ومعامل يونغ، ومعامل الحجم، ومعامل القص من خلال القياسات الصوتية لفهم سلوك الخليط مع زيادة تركيز البازلت. وأظهر اختبار الفينولفثالين تغيراً في اللون تبعاً لكمية هيدروكسيد الكالسيوم Ca(OH)2 قبل الكربنة وبعدها. وتم تكرار الاختبارات نفسها بعد الكربنة عند نهاية الأسابيع الأول والثاني والرابع والثامن على التوالي. وبناءً على ذلك، تهدف النتائج التجريبية إلى التأكد من أن خلطات الإسمنت المحتوية على البازلت والمُحسّنة تتمتع بمقاومة أعلى للكربنة وقوة ميكانيكية أفضل، مما يجعلها حلاً مستداماً وفعالاً من حيث التكلفة.

English Abstract

Wellbore integrity is a major challenge observed in CO2 geological sequestration due to the deterioration of Portland cement induced by carbonation reactions. This degradation influences mechanical strength and the zonal isolation capability of cement, thus creating pathways for CO2 leakage. This experimental study aims to investigate the efficiency of basalt-based supplementary cementitious materials in improving the resistance towards carbonation and long-term integrity of wellbore cement. Basalt powders from two distinct geographical locations - Harrat Lunayyir (Saudi Arabia) and Somerset County (USA) are incorporated into Class-G cement at different concentrations by weight (0%, 1%, 2%, and 3%). Aging under CO2 exposure is done for 8 weeks then, the comprehensive set of results are analyzed for pre-carbonation and post-carbonation with frequent testing at different time intervals. Further, characterization tests like SEM-EDS, and XRF are conducted followed by tests to evaluate chemical, mechanical and microstructural properties. These include scratch test, Brazilian test, acoustic measurements, and phenolphthalein test. All the pre-carbonation tests signify the enhancement in strength for all basalt concentrations in cement. The scratch test and the Brazilian test show the effect on mechanical strength of cement samples with increasing basalt composition in the mixture. Similarly, Poisson’s ratio, Young's, bulk and shear moduli obtained through acoustic measurements to understand the trend as basalt concentration increase in the mixture. The phenolphthalein test indicates a color change with respect to the presence of Ca(OH)2 amount before and after carbonation. The same tests are conducted after carbonation at the end of 1, 2, 4 and 8 weeks respectively. The post-carbonation tests revealed that both basalt types have performed good, but USA basalt-based cements outperformed the Saudi basalt with a little margin in all tests. The reason behind the strength enhancement can be correlated with the chemical compositions that were revealed from various characterization tests. Thus, the motive of the experimental results is to ensure that these optimized basalt-cement formulations show greater carbonation resistance and strength and prove to be a sustainable and cost-effective solution.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research Research > Engineering Petroleum Petroleum > Drilling Engineering
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Thesis Advisor:	Shirish Patil,
Thesis Committee Members:	Muhammad Shahzad Kamal, Ahmed Mahmoud,
Depositing User:	AHMED HASHIM RAZA (g202409400)
Date Deposited:	20 May 2026 11:32
Last Modified:	20 May 2026 11:32
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144393