Development of High-Density Geopolymer Systems for High-Pressure High-Temperature Oil-Well Cementing. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (g202411940 - MS Thesis) MS Thesis - g202411940.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 4 June 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

يُستخدم الأسمنت البورتلاندي العادي (OPC) بشكل واسع في تطبيقات إسمنت آبار النفط، إلا أنه يُظهر عدة مشكلات تحت ظروف الضغط والحرارة المرتفعين (HPHT)، مثل تراجع مقاومة الضغط، والهشاشة، وزيادة النفاذية، وارتفاع انبعاثات الكربون. تهدف هذه الدراسة إلى استكشاف إمكانية استخدام أنظمة الأسمنت الجيوبوليمري عالي الكثافة كبديل للأسمنت البورتلاندي في تطبيقات إسمنت آبار النفط تحت ظروف الضغط والحرارة المرتفعين. وقد تم تقييم ثلاثة أنواع من المواد الأولية، وهي السكوريا البركانية، وخبث الأفران العالية المحبب والمطحون (GGBFS)، ومخلفات الألياف الزجاجية، بشكل منفصل كمواد رابطة جيوبوليمرية. وتم استخدام هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) كمُنشّط قلوي، كما تم تصميم جميع التركيبات لإنتاج أنظمة ملاط عالية الكثافة تحت ظروف تحاكي بيئة الآبار. تم تحليل المواد الأولية باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية (XRD)، وفلورية الأشعة السينية (XRF)، وتحليل توزيع حجم الجسيمات (PSD). كما تم تقييم الأنظمة الجيوبوليمرية المطورة من خلال اختبارات الخواص الريولوجية، وزمن التثخين، ومقاومة الضغط والشد، والخواص المرنة، وتحليل الماء الحر، واختبار فقدان السوائل، وتحليل الترسيب، والتصوير المقطعي المحوسب (CT)، وقياسات المسامية تحت ظروف HPHT المحاكية. وأظهرت النتائج التجريبية أن جميع الأنظمة الجيوبوليمرية امتلكت سلوكًا مستقرًا للملاط ومقاومة ميكانيكية ملحوظة تحت ظروف الحرارة والضغط المرتفعين. وقد أظهر النظام المعتمد على الخبث أعلى مقاومة للضغط وأقل مسامية نسبيًا، في حين أظهر النظام المعتمد على السكوريا البركانية انخفاضًا في انفصال الماء الحر وخصائص تجانس جيدة. أما النظام المعتمد على الألياف الزجاجية فقد أظهر تحكمًا جيدًا في فقدان السوائل مع خواص ريولوجية مستقرة تحت ظروف الاختبار. وبناءً على النتائج، فإن أنظمة الجيوبوليمر عالية الكثافة المعتمدة على السكوريا البركانية والخبث والألياف الزجاجية تمتلك القدرة على أن تكون مواد إسمنتية بديلة لتطبيقات إسمنت آبار النفط تحت ظروف الضغط والحرارة المرتفعين، مع المساهمة في تقليل الاعتماد على استخدام الأسمنت البورتلاندي التقليدي.

English Abstract

For oil-well cementing applications, Ordinary Portland Cement (OPC) is commonly employed, but it is reported to exhibit various drawbacks under high-pressure high- temperature (HPHT) conditions, such as strength retrogression, brittleness, permeability increases, and high carbon emissions. This study aims to explore the feasibility of using a high-density geopolymer cement system as an alternative to Portland cement for HPHT well cementing applications. Three types of precursor materials, namely volcanic scoria, ground granulated blast furnace slag (GGBFS), and glass fiber waste, have been assessed individually as geopolymer binders. The alkaline activator used was sodium hydroxide (NaOH), and all formulations were targeted to produce high-density slurry systems under simulated wellbore conditions. The precursor materials were analyzed by X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), and particle size distribution (PSD) techniques. The rheological evaluation, thickening time, compressive and tensile strengths, elastic properties, free-water analysis, fluid-loss testing, sedimentation analysis, computed tomography (CT) scanning, and porosity measurements under simulated HPHT conditions were used to evaluate the developed geopolymer systems. The experimental results indicated that all geopolymer systems had a stable slurry behavior and significant mechanical strength under high temperature and pressure. The system with slag showed the highest compressive strength and the comparatively lowest porosity, and the volcanic scoria-based system had a low value of separation of the free water and features favorable homogeneity. The glass fiber- based system showed good fluid-loss control with stable rheological properties under the test conditions. Based on the results, high-density geopolymer systems based on volcanic scoria, slag, and glass fiber materials have the potential to become an alternative cementitious material for HPHT oil-well cementing applications and to reduce the dependence on the use of conventional Portland cement.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum > Well Completion and Stimulation Petroleum > Drilling Engineering
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Thesis Advisor:	Salaheldin Elkatatny,
Thesis Committee Members:	Ahmed Mohsen Abd El Fattah, Ahmed Mahmoud,
Depositing User:	JIMIT SHAH
Date Deposited:	04 Jun 2026 07:19
Last Modified:	04 Jun 2026 10:13
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144484