Lightweight cement slurries for carbon dioxide geological storage wells - Martin, Christian Marcelo (2024)
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 CO2