Ayed, Ameni (2026) Investigating the Groundwater Quality Effects of Red Mud-Based Well Cementing. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis Draft_INVESTIGATING THE GROUNDWATER QUALITY EFFECTS OF RED MUD-BASED WELL CEMENTING.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 12 August 2027. Available under License Creative Commons Attribution. Download (4MB)

Arabic Abstract

ُعَدّ الطين الأحمر (RM) ناتجًا ثانويًا عالي القلوية لعملية باير، ويُنتَج بكميات كبيرة حول العالم، مما يسبب تحديات بيئية متزايدة. ويمكن أن تسهم إعادة استخدام الطين الأحمر كمادة إسمنتية مضافة في تدعيم آبار النفط في تقليل النفايات الصناعية وخفض استهلاك الإسمنت. ومع ذلك، يجب تقييم تأثيره على جودة المياه الجوفية، لأن الطين الأحمر قد يطلق مكونات قلوية وعناصر أثرية تحت ظروف قاع البئر. هدفت هذه الدراسة إلى تقييم تأثير إسمنت الفئة G المحتوي على الطين الأحمر على جودة المياه الجوفية تحت ظروف محاكاة لبيئة تدعيم آبار النفط. وتم تعريض إسمنت الفئة G السعودي ومزيج إسمنت + طين أحمر يحتوي على 15% من الطين الأحمر نسبةً إلى وزن الإسمنت لثلاثة أنواع من المياه: مياه منخفضة الملوحة، ومياه متوسطة الملوحة، ومياه عالية الملوحة، والتي تمثل أنظمة منخفضة ومتوسطة وعالية الملوحة على التوالي. أُجريت التجارب عند درجتي حرارة 75°F و125°F، وضغطي 0 psi و1400 psi، خلال فترة تعرض مدتها شهر واحد. تم تحليل مؤشرات جودة المياه، والأيونات الرئيسية، والعناصر الأثرية باستخدام مطيافية الكتلة بالبلازما المقترنة حثيًا (ICP-MS) والكروماتوغرافيا الأيونية (Ion-C). وأظهرت النتائج أن الإسمنت المحتوي على الطين الأحمر أثّر في جودة المياه الجوفية بطرق مختلفة تبعًا لكيمياء المياه، والضغط، ودرجة الحرارة، وزمن التلامس، وتركيب المادة الإسمنتية. وقد سجلت المياه منخفضة الملوحة عند ضغط 1400 psi ودرجة حرارة 75°F أعلى حمل للمعادن الثقيلة وأعلى شدة تلوث في نظام الإسمنت + الطين الأحمر. في المقابل، أظهرت المياه عالية الملوحة تحت ظروف 75°F أو 0 psi أعلى قيم للتلوث الموزون والخطر البيئي، ويُعزى ذلك بصورة رئيسية إلى عنصر السيلينيوم. كما كان الألمنيوم من العناصر المهمة المساهمة في التلوث تحت ظروف المياه منخفضة ومتوسطة الملوحة عند إضافة الطين الأحمر. وأشارت اتجاهات الكالسيوم والصوديوم إلى أن ذوبان الإسمنت، والملوحة، وحركة القلويات، وعمليات الترسيب الثانوي كانت من العوامل الرئيسية التي تتحكم في إطلاق العناصر واحتجازها. كما أوضحت النتائج أن الطين الأحمر قد يعمل إما كمصدر للعناصر القابلة للحركة أو كوسط يساعد على احتجازها، وذلك تبعًا لنوع العنصر وظروف التعرض. وأظهر تقييم إضافي تحت أشد الظروف التجريبية (125°F و1400 psi في المياه عالية الملوحة) أن إضافة الطين الأحمر ساهمت في خفض مؤشرات جودة المياه الجوفية ومؤشرات الخطر البيئي مقارنةً بالإسمنت التقليدي، إلا أن مستويات التلوث والخطر البيئي بقيت ضمن الفئات المرتفعة. وبشكل عام، يمتلك الطين الأحمر إمكانات واعدة كمادة إسمنتية مضافة في عمليات تدعيم الآبار، إلا أن أداءه البيئي يعتمد بدرجة كبيرة على ظروف التشغيل والبيئة المحيطة. ولذلك، يتطلب تطبيقه الميداني التحقق من ملاءمته البيئية من خلال المعالجة المسبقة، والمعالجة الإسمنتية المناسبة، والاختبارات المخبرية، وبرامج المراقبة طويلة الأمد قبل اعتماده في التطبيقات الحقلية.

English Abstract

Red mud (RM), a highly alkaline by-product of the Bayer process, is produced worldwide, creating environmental challenges. Reusing RM as a supplementary material in well cementing may reduce industrial waste and cement consumption. However, its effect on groundwater quality must be evaluated because RM can release alkaline constituents and trace elements under downhole conditions. This study investigated the influence of RM-based Class G cement on groundwater quality under simulated well-cementing conditions. Saudi Class G cement and a Cement + RM blend containing 15% RM by weight of cement were exposed to Low-Salinity water, Medium-Salinity water, and High-Salinity water, representing low-, intermediate-, and high-salinity systems. Experiments were conducted at 75°F and 125°F and at 0 psi and 1400 psi over one month. Water-quality parameters, major ions, and trace elements were analyzed using inductively coupled plasma mass spectrometry and ion chromatography. The results showed that RM-based cement influenced groundwater quality differently depending on water chemistry, pressure, temperature, contact time, and matrix composition. Low-Salinity water at 1400 psi and 75°F produced the highest heavy-metal load and contamination severity in the Cement + RM system. In contrast, High-Salinity water under 75°F or 0 psi conditions showed the highest weighted pollution and ecological risk, mainly due to selenium. Aluminum was an important contributor under Low-Salinity water and Medium-Salinity water conditions when RM was incorporated. Calcium and sodium trends indicated that cement dissolution, salinity, alkali mobility, and secondary precipitation controlled metal release and retention. The results further demonstrated that RM could act either as a source of mobile elements or as a retention medium, depending on the element and exposure conditions. An additional assessment under the combined severe condition (125°F and 1400 psi in High-Salinity water) showed that RM reduced groundwater quality and ecological-risk indices relative to neat cement; however, contamination and ecological-risk levels remained within high-risk categories. Overall, RM has potential as a supplementary cementing material; however, its environmental performance is highly condition-dependent and requires validation through pre-treatment, curing, testing, and long-term monitoring before field implementation.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Petroleum
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Thesis Advisor:	Bassam Al-tawabini,
Thesis Committee Members:	Badr Ba Geri, Ahmed Mahmoud,
Depositing User:	AMENI AYED
Date Deposited:	13 Aug 2026 12:24
Last Modified:	13 Aug 2026 12:24
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144701