Experimental Investigation of How Supercritical CO2 Changes the Chemistry and Microstructure of Cements
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Carbon capture and storage (CCS) is a crucial technology for mitigating greenhouse gas emissions and combating climate change. However, the long-term integrity of well systems in CCS applications is a critical concern, as the supercritical CO2 (SC-CO2) can dissolve in water forming carbonic acid, which can chemically alter the cement. This study investigates the effects of SC-CO2 exposure on the integrity of cement blends used in well systems for CCS applications. Three cement blends were examined: neat class G based cement (G), neat class G based cement with fly ash (GF), and preliminary testing on a further optimized low Portland cement based system containing permeability reducing polymers (GFP). Samples were exposed to SC-CO2 for up to 56 days under 4,060 psi, 70°C, and the complex changes in their properties evaluated. A review of the various non-standard analytical techniques is described using the three cement systems and their associated changes as a case study for the unique insight and associated limitations that each of these analysis techniques can provide. The results demonstrate that SC-CO2 exposure leads to dehydration, carbonation, and alteration of cement, affecting its pore structure, permeability, and mechanical properties. Blends GF and GFP exhibited improved resistance to SC-CO2-induced alteration compared to blend G, attributed to reduced starting portlandite (Ca(OH)2) content and less alteration of the pore size during exposure. Permeability tests using Nitrogen (N2) and water revealed that although SC-CO2 exposure increased permeability due to cement alteration and dehydration, the permeability remained low, in the tens of μD range. Post-CO2 exposure uniaxial compressive strength tests are difficult to interpret due to the non-uniform nature of the structure but short-term exposure to SC-CO2 enhanced the mechanical properties of cement due to CaCO3 precipitation, while prolonged exposure led to the carbonation of the outermost layer, creating a more complex failure mode. X-ray diffraction (XRD) analysis revealed that Calcium Silicate Hydrate (C-S-H) is more stable than the portlandite under SC-CO2 exposure, confirming the previously described results that minimizing portlandite content is an effective strategy for enhancing cement formulations for CCS applications. The findings provide valuable insights for the development of robust well integrity systems in CCS applications. Future research should focus on optimizing cement blend compositions, exploring mitigation strategies, and establishing guidelines for the design and operation of well systems to ensure the safe and effective implementation of CCS technology.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».