Lightweight cement slurries for carbon dioxide geological storage wells

Abstract

La captura y el almacenamiento geológico de CO2 son esenciales para luchar contra el cambio climático. El estudio de los componentes de los emplazamientos de almacenamiento es crucial, en particular la integridad del yacimiento, la roca sello, el casing y la camisa de cemento de los pozos de inyección. Este revestimiento se forma inyectando cemento fresco en el espacio anular entre el casing y la formación geológica. La presión ejercida, proporcional al peso en volumen, debe ser lo suficientemente alta para garantizar una cementación completa, sin sobrepasar el umbral que podría dañar la formación. La adición de materiales ligeros, como las microesferas huecas de vidrio (HGMS), permite controlar la presión y garantizar una cementación adecuada. Este trabajo explora el uso de HGMS en el cemento Portland para pozos de inyección de CO2, probando dos tipos de HGMS con una cáscara exterior de vidrio de borosilicato y que difieren en resistencia mecánica y densidad. Los experimentos de laboratorio simularon los efectos de entornos de CO2 supercrítico en estas pastas de cemento, analizando muestras carbonatadas y no carbonatadas. Las pruebas incluyeron ensayos de compresión uniaxial (UCS) y triaxial, mediciones de parámetros elásticos, análisis de porosimetría por intrusión de mercurio, imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) y mediciones de pH mediante indicadores de pH. En primer lugar, el estudio se centró en la compatibilidad entre las HGMS y la pasta de cemento, evaluando su actividad puzolánica y su efecto filler. Las HGMS mostraron una actividad puzolánica significativa, comparable a la de los aditivos convencionales. Los ensayos mecánicos mostraron variaciones significativas en los parámetros elásticos y el UCS en función del tipo de HGMS utilizado. Los análisis microestructurales mostraron una correlación entre la presencia de HGMS y los cambios en la porosidad y la estructura de los poros. En segundo lugar, los resultados muestran que la carbonatación afectó significativa- mente a las pastas de cemento que contenían HGMS, con una variación del tamaño de los poros. La rotura de las HGMS durante la exposición aumentó la porosidad interconectada, acelerando la carbonatación. Las imágenes SEM y las pruebas de pH confirmaron el con- sumo de CA(OH)2 en las muestras que contenían HGMS. Las pastas con HGMS mostraron notables reducciones del módulo de Young y del UCS. Las pastas de cemento carbonatadas mostraron un mayor aumento de la resistencia al cizallamiento con el aumento de la presión de confinamiento. Los resultados experimentales se utilizaron para modelizar el comportamiento de pastas de cemento tradicionales y ligeras en condiciones reales, utilizando un software de elemen- tos finitos de código abierto desarrollado en la École des Ponts. El modelo implementado resuelve las ecuaciones quimio-poromecánicas acopladas y homogeneiza los parámetros elás- ticos en función de los componentes de la matriz de cemento. El estudio amplió este modelo para incorporar la homogeneización de los parámetros elásticos debida a la presencia de HGMS, así como la ruptura parcial de las HGMS a alta presión, lo que da lugar a una variación de la porosidad del material homogeneizado, que afecta tanto a las propiedades mecánicas como a las de transporte. Esta mejora permitió calibrar el modelo para predecir el comportamiento de pastas ligeras de cemento en pozos de inyección de CO2. En conclusión, este estudio destaca el complejo papel de las HGMS en las pastas de cemento utilizadas para pozos de inyección de CO2. Aunque aligeran las mezclas de ce- mento, su ruptura a alta presión aumenta la tasa de carbonatación y afecta al rendimiento mecánico, lo que pone de manifiesto la necesidad de evaluar su durabilidad a largo plazo. La elección de las HGMS debe tener en cuenta sus propiedades mecánicas y su actividad puzolánica. Estos resultados permiten mejorar el diseño de las pastas de cemento para el almacenamiento geológico de CO2CO2 capture and geological storage are essential for combating climate change. Studying the components of storage sites is crucial, including the integrity of the reservoir, the caprock, the casing, and the cement sheath of injection wells. This sheath is formed by injecting fresh cement into the annular space between the casing and the geological formation. The pressure exerted by the cement during installation, proportional to its specific weight, must be sufficiently high to ensure complete cementing, without exceeding the threshold that could damage the geological formation. The addition of lightweight materials, such as hollow glass microspheres (HGMS), makes it possible to control this pressure and ensures good cementing. This work explores the use of HGMS in Portland cement for CO2 injection wells, testing two classes of HGMS possessing a borosilicate glass outer shell and differing in mechanical strength and density. Laboratory experiments simulated the effects of supercritical CO2 environments on these cement pastes, analysing carbonated and non-carbonated samples. Tests included uniaxial (UCS) and triaxial compression tests, elastic parameter measure- ments, mercury intrusion porosimetry analyses, scanning electron microscopy (SEM) im- ages, and pH measurements using pH indicators. First, the study focuses on the compatibility between HGMS and cement paste, assess- ing their pozzolanic activity and their ‘filler’ effect. HGMS showed meaningful pozzolanic activity, comparable to that of conventional additives. Mechanical tests showed significant variations in elastic parameters and UCS depending on the type of HGMS used. Mi- crostructural analyses showed a correlation between the presence of HGMS and changes in porosity and a pore structure. Second, the results show that carbonation significantly affected cement pastes contain- ing HGMS, with a reduction in pore size. Rupture of HGMS during exposure increased interconnected porosity, accelerating carbonation. SEM images and pH tests confirmed the consumption of Ca(OH)2 in samples containing HGMS. Pastes with HGMS showed marked reductions in Young’s modulus and UCS. The carbonated cement pastes showed a greater increase in shear strength with confining pressure. The experimental results were used to model the behaviour of traditional and lightweight cement pastes under real conditions, using an open-source finite element software devel- oped at École des Ponts. The model implemented solves the coupled chemo-poromechanical equations and homogenises the elastic parameters according to the components of the ce- ment matrix. The study extended this model to incorporate the homogenisation of elastic parameters due to the presence of HGMS, as well as the partial rupture of HGMS under high pressure, resulting in a variation in the porosity of the homogenised material, affecting both mechanical and transport properties. This improvement has enabled the model to be calibrated to predict the behaviour of light cement pastes in CO2 injection wells. In conclusion, this study highlights the complex role of HGMS in cement pastes used for CO2 injection wells. Although they lighten cement formulations, their rupture under high pressure increases the carbonation rate and affects mechanical performance, highlighting the need to properly assess their long-term durability. The choice of HGMS must take into account their mechanical properties and pozzolanic activity. These results make it possible to improve the design of cement pastes for the geological storage of CO2