Effect of a biopolymer on the mechanical and microstructural behaviour of oil well cement for CO2 geological storage.

Abstract

Storing CO2 in deep underground reservoirs is key to reducing emissions to the at-mosphere and standing against climate change. However, the risk of CO2 leakage from geological reservoirs to other rock formations requires a careful long-term analysis of the system. Essentially, oil well cement used for the operation must withstand the carbonation process that changes its poromechanical behaviour over time, possibly affecting the system’s integrity. The use of nanoadditives for cement, such as bacterial nanocellulose (BNC), has been increasing in recent years. This biopolymer has particular properties, like high mechanical properties and thermal resistance, that can improve cement performance. For this reason, and in light of the problems that carbonation may pose in the long term in the context of geological storage of CO2, studies were carried out under supercritical CO2 conditions analyzing the behaviour of cement with nanocellulose additions. Rheological, mechanical, thermal, and microstructural tests were performed on samples with different percentages (0%, 0.05%, 0.10%, 0.15%, 0.20%) of bacterial nanocellulose (BNC). 11 free fluid and 6 thickening-time tests were performed to characterize the slurry with BNC. The mechanical behaviour of the hardened state was investigated through the dynamical mechanical analysis (DMA) of 20 samples, measurements of 32 elastic ultrasound waves, 84 unconfined compressive strength (UCS) and 24 triaxial experiments (20 isotropic and 4 compressive tests). A total of 64 cylindrical specimens were subjected to supercritical CO2 conditions (20 MPa and 90 °C) for 30 and 120 days with several percentages of nanocel- lulose using two curing methods, one long-term curing at low temperature (36 specimens) and one short-term curing at high temperature (32 specimens). The microstructure and crystalline characterization were studied by means of thermogravimetric analysis (TGA) of 9 samples, mercury intrusion porosimetry (MIP) of 52 samples, water porosity of 60 samples, scanning electron microscopy (SEM) of 6 samples, and X-ray diffraction (XRD) of 10 samples. These results showed that BNC produces an increase in slurry viscosity but retains a greater amount of water which aids in its subsequent hydration. This could be observed in its microstructure, where a higher degree of hydration, and a decrease in porosity were observed. This increase in hydration was likely the reason why cements with nanocellulose had a uniaxial compressive strength up to 20% higher than neat cement. It was also observed that higher BNC contents improve the thermo-mechanical behaviour under oscillating bending stress. After carbonation, the microstructure shows that the capillary porosity decreases steadily to values of 5%, which reduces the penetration of carbonic acid into the sample. All cements showed a reduction in mechanical strength, but cements with BNC had a lower degree of ii carbonation and better mechanical behaviour, because of the lower capillary porosity prior to carbonation. However, these effects were not observed when the cement was subjected to a curing process under unfavorable conditions at high temperatures. In this case, the large increase in porosity dulls the short-term hydration effects, and the strength of cements with nanocel-lulose is lower than neat cement prior to the carbonation process. After carbonation, a relative increase in the strength of the specimens with BNC is higher, however, it is still below the strength of neat cement. These experimental studies were simulated using a coupled chemo-hydro-mechanical model. The model simulates the carbonation front advance in cement subjected to super- critical CO2 and the changes generated by the chemical reactions using the classic balance equations of porous continua based on conservation of mass and momentum. Simultaneous dissolution of portlandite and C-S-H, dissolution of calcite, and a damage model were added to the existing code. The carbonation progress of the specimens was represented and extrapolation was made to an oil well based on the parameters obtained from the experiments and simulations.Résumé Le stockage du CO2 dans des réservoirs géologiques profonds est essentiel pour réduire les émissions dans l’atmosphère et lutter contre le changement climatique. Toutefois, le risque de fuite de CO2 des réservoirs géologiques vers d’autres formations rocheuses implique une analyse minutieuse du système à long terme. Principalement, le ciment des puits pétroliers utilisé pour l’opération doit résister au processus de carbonatation qui modifie son comportement poromécanique au fil du temps, ce qui peut affecter l’intégrité du système. L’utilisation de nanoadditifs pour le ciment, comme la nanocellulose bactérienne (BNC), a augmenté ces dernières années. Ce biopolymère possède des propriétés particulières, telles que des propriétés mécaniques élevées et une résistance thermique, qui peuvent améliorer les performances du ciment. Pour cette raison, et à la lumière des problèmes que la carbonatation peut poser à long terme dans le contexte du stockage géologique du 2, des études ont été menées dans des conditions de 2 supercritique pour analyser le comportement du ciment avec des ajouts de nanocellulose. Des essais rhéologiques, mécaniques, thermiques et microstructurels ont été réalisés sur des échantillons contenant différents pourcentages (0%, 0,05%, 0,10%, 0,15%, 0,20%) de nanocellulose bactérienne (BNC). Des essais de fluide libre et de temps d’épaississement ont été réalisés pour caractériser la suspension avec BNC. Le comportement mécanique de l’état durci a été étudié par l’analyse mécanique dynamique (DMA), les mesures des ondes ultrasonores élastiques, la résistance à la compression non confinée (UCS) et les expériences triaxiales. Ensuite, des échantillons cylindriques ont été soumis à des conditions de CO2 supercritique (20 MPa et 90 °C) pendant 30 et 120 jours avec plusieurs pourcentages de nanocellulose en utilisant deux méthodes de durcissement, un durcissement à long terme à basse température et un durcissement à court terme à haute température. La microstructure et la caractérisation cristalline ont été étudiées par analyse thermogravimétrique (TGA), porosimétrie par intrusion de mercure (MIP), porosité à l’eau, microscopie électronique à balayage (SEM) et diffraction des rayons X (XRD). Ces résultats montrent que la BNC produit l’augmentation de la viscosité du coulis mais retient une plus grande quantité d’eau, ce qui facilite son hydratation ultérieure. Cela a pu être observé dans sa microstructure, où un degré d’hydratation plus élevé, et une diminution de la porosité ont été observés. Il est probable que cette augmentation de l’hydratation soit la raison pour laquelle les ciments contenant de la nanocellulose ont une résistance à la compression uniaxiale jusqu’à 20% supérieure à celle du ciment ordinaire. Il a également été observé que des teneurs plus élevées en BNC améliorent le comportement thermo-mécanique sous une contrainte de flexion oscillante. Après carbonatation, la microstructure montre que la porosité capillaire diminue régulière-ment jusqu’à des valeurs de 5%, ce qui réduit la pénétration de l’acide carbonique dans l’échantillon. Tous les ciments ont montré une réduction de la résistance mécanique, mais les ciments avec BNC ont eu un degré de carbonatation plus bas et un meilleur comportement mécanique, en raison de la porosité capillaire plus basse avant la carbonatation. Cependant, ces effets n’ont pas été observés lorsque le ciment a été soumis à un processus de durcissement dans des conditions défavorables à haute température. Dans ce cas, la forte augmentation de la porosité atténue les effets de l’hydratation à court terme et la résistance des ciments avec nanocellulose est plus faible avant le processus de carbonatation. Après la carbonatation, une augmentation relative de la résistance des échantillons avec BNC est plus élevée, cependant, elle reste inférieure à la résistance du ciment ordinaire. Ces études expérimentales ont été simulées à l’aide d’un modèle chimio-hydro-mécanique couplé. Le modèle simule l’avancée du front de carbonatation dans le ciment soumis au 2 supercritique et les changements générés par les réactions chimiques en utilisant les équations de conservation classiques des milieux continus relatives à la masse et à la quantité de mouvement. La dissolution simultanée de la portlandite et du C-S-H, la dissolution de la calcite et un modèle d’endommagement ont été considérés. La progression de la carbonatation des échantillons a été représentée et une extrapolation a été faite à un puits pétroliers sur la base des paramètres obtenus à partir des expériences et des simulations.