Estudio numérico del ataque ácido por CO2 en cementos de pozos de petróleo sellados

Abstract

In order to cope with the serious and urgent problem of global warming, it is imperative to reduce the impact of CO2 emissions in the atmosphere. One of the alternatives proposed involves the injection of the CO2 in deep geological formations as a part of the process known as Carbon Capture and Storage (CCS). Abandoned hydrocarbon reservoirs constitute ideal CO2 storage locations, since they are generally located under a low permeability cap rock that has been able to retain hydrocarbons for thousands of years. But a significant handicap can be that the cap rock is usually crossed by a number of abandoned wells, which were constructed and sealed using regular Portland cement. Since the hardened Portland cement paste (HCP) is highly alkaline in nature, turning the environment acid, such as resulting from CO2 injection, may trigger chemical degradations processes in the material. Therefore, it is of paramount importance to understand sufficiently well the physical and chemical phenomena involved in the problem, be able to model the way CO2 may attack the Portland cement used in the abandoned wells, and develop advanced reliable numerical tools that may be used to obtain realistic estimates of the risk of leakage of the CO2 sored in the site. In this context, the general objective of this thesis is to formulate and implement a diffusion-reaction model based on the Finite Element Method (FEM) capable of reproducing the most relevant aspects of the acid attack of the HCP, to then couple it to an existing mechanical code developed in the MECMAT group at UPC. In order to achieve this general objective, the efforts have been focused on the following specific developments: (1) A reactive transport model has been developed, the formulation of which is based on four field variables: the concentrations of calcium and carbon, with the corresponding diffusion-reaction equations, and the concentration of chloride and alkalis with diffusion-only field equations (no reaction). These are complemented with chemical equilibrium and kinetics equations at each point of the domain. The model has been verified with experimental results from the literature (advance rate of the attack fronts in HCP specimens); (2) A distinctive feature of the existing mechanical model is the systematic use of zero-thickness interface elements to represent material discontinuities or cracks. A new constitutive formulation for this type of elements, has been developed in order to include the possibility of the decrease of mechanical strength, also due to chemical degradation such as the acid attack; (3) A first simplified version of the fully coupled chemical-mechanical model has been developed, in which a two-way coupling takes place only in the interface elements. On the one hand, the carbon concentration is assumed to cause a reduction of the interface strength parameters, while on the other hand the interface plastic deformations (opening) changes the transport properties of the material, allowing a faster ingress of carbon and accelerating the chemical degradation process. The model performance has been illustrated with results of a three-bending beam subject to a carbon concentration on the lower edge.

Para hacer frente al grave y apremiante problema del calentamiento global es necesario reducir el impacto de las emisiones de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera. Una de las alternativas propuestas consiste en su inyección en formaciones geológicas profundas a través de un proceso conocido como Captura y Almacenamiento de Dióxido de Carbono. Por sus características geológicas, los reservorios de petróleo abandonados pueden ser una ubicación idónea para almacenamiento de CO2, pues a menudo se encuentran debajo de una cobertura de roca impermeable que ha sido capaz de retener los hidrocarburos durante miles de años. Pero un inconveniente que se presenta es que la roca impermeable normalmente está atravesada por numerosos pozos abandonados, en los que se ha empleado cemento Portland común para elaborar los diferentes sellados. Como la pasta de cemento Portland hidratada (PCH) es altamente alcalina, en ambientes ácidos como los resultantes de la inyección de CO2, pueden desencadenarse procesos de degradación química del material. Por lo tanto, resulta de gran importancia entender bien los fenómenos físicos y químicos involucrados en el problema, ser capaz de modelar cómo el CO2 puede atacar el cemento de sellado de antiguos pozos y contar con herramientas avanzadas que permitan evaluar el riesgo de fuga del CO2 almacenado. En este contexto, el objetivo general de esta tesis es formular e implementar mediante el Método de los Elementos Finitos (MEF), un modelo numérico de difusión-reacción que permita reproducir los aspectos más relevantes del ataque ácido a la PCH, para luego acoplarlo con un código mecánico existente desarrollado por el grupo MECMAT (UPC). Para llevar a cabo este objetivo se han desarrollado principalmente los siguientes trabajos: (1) Se ha desarrollado un modelo de transporte reactivo cuya formulación se plantea mediante dos ecuaciones de campo de difusión/reacción para las concentraciones de calcio y carbono en solución de poros, complementada por dos ecuaciones de campo sólo con difusión para las concentraciones de cloruro y álcalis, además de una serie de ecuaciones de equilibrio y de cinética química. El modelo se ha contrastado mediante la reproducción satisfactoria de la tasa de avance de los diferentes frentes de degradación en la PCH observados en resultados experimentales, y se ha validado mediante la simulación de ensayos experimentales de la bibliografía; (2) El modelo mecánico tiene la característica de usar elementos junta sin espesor para representar las discontinuidades en los materiales. Se ha desarrollado una nueva ley constitutiva de estos elementos para tener en cuenta la degradación de resistencia mecánica, también por procesos químicos como el ataque ácido; (3) Se ha desarrollado un modelo químico-mecánico acoplado simplificado en el que el acoplamiento se produce sólo en los elementos junta, en las dos direcciones. Por un lado, la concentración de carbono en el material se relaciona con una tasa de degradación que incide en una reducción adicional de los parámetros resistentes de la junta. Por otro lado, el desarrollo de aperturas "plásticas" de las juntas modifica las propiedades de transporte del material, permitiendo una mayor entrada de carbono hacia el interior del mismo, acelerando así el proceso de degradación química. El modelo se ha contrastado con una serie de ejemplos en una viga de tres puntos expuesta a una concentración de carbono en la cara inferior.