Integridade da pasta de cimento classe G de poços de injeção de CO2 em presença de solução salina

Abstract

This work addresses the topic geological storage of CO2 in oil wells from the point of view of studying the integrity of materials, specifically cement paste used to cement and seal oil and gas wells. The degradation of class G cement paste was evaluated after exposure to wet supercritical CO2 and in the presence of different concentrations of saline solutions (NaCl 0. 5 M, 1M, 2M and 4M) in terms of microstructural changes and compressive strength. The degradation tests of cement paste were carried out at a temperature of 70 ° C and 15 MPa, which corresponds to a well of approximately 1. 500 m, for a period up to 50 days. The mechanism of degradation of cement observed involves the dissolution of portlandite, the precipitation of calcium carbonate (cement carbonation) and subsequent dissolution of carbonates, creating a highly porous layer near the surface of samples (bicarbonate layer). The results obtained indicate that the chemically modified layer due to reactions involving CO2 has a tendence to decrease as the salinity of the solution increase up to 2 M, which in this case is probably associated with the fact that the solubility of CO2 in solution decreases as salinity increases. However, for concentration of 4 M, close to NaCl saturation in solution, an increase in thickness of the layer chemically altered was observed, which can be related to high chemical activity of CO2 in this concentration, once its activity increases greatly with salinity. The chemical degradation suffered by the cement paste due to exposition to CO2 for periods up to 50 days did not affect its compressive strength; on the contrary for most of the cases a small increase on compressive strength was observed, which may be associated with the pore clogging by carbonates.

Este trabalho aborda o tema armazenamento geológico de CO2 sob o ponto de vista do estudo da integridade de materiais, mais especificamente da pasta de cimento utilizada no revestimento e selo de poços de petróleo e gás e poços para armazenamento de CO2. A degradação da pasta de cimento classe G foi avaliada após exposição ao CO2 supercrítico úmido e em presença de solução salina de diferentes concentrações (NaCl 0,5M, 1M, 2M e 4M) em termos de mudanças microestruturais e resistência à compressão. Os testes de degradação da pasta de cimento foram realizados a 70°C e 15 MPa, o que corresponde a um poço de aproximadamente 1. 500 m, por períodos de até 50 dias. O mecanismo de degradação da pasta de cimento observado envolve a dissolução da portlandita, a precipitação de carbonato de cálcio (carbonatação do cimento) e posterior dissolução desses carbonatos, criando uma camada de elevada porosidade e baixa resistência próximo à superfície das amostras (camada bicarbonatada). Os resultados obtidos indicam que as camadas alteradas quimicamente devido às reações envolvendo o CO2 apresentam uma tendência de diminuição à medida que a salinidade aumenta até a concentração de 2 M, o que pode ser explicado pelo fato que a solubilidade do CO2 diminui a medida que a salinidade da solução aumenta. Entretanto, para a concentração de 4 M, próxima a saturação do NaCl em solução, houve um aumento da camada alterada quimicamente, o que pode ser atribuído à alta atividade química do CO2 nesta concentração, uma vez que esta aumenta muito com a salinidade para meios contendo CaCO3. A degradação química sofrida pela pasta de cimento pela exposição ao CO2 por um tempo de até 50 dias não comprometeu sua resistência à compressão. Para a maioria dos casos observou-se o contrário, um pequeno aumento na mesma, o que pode estar associado com o fechamento dos poros com cristais de carbonato.