Studying the Effect of Cellulose Nanocrystals on Oil Well Cement Properties

Die Integrität des Zements ermöglicht eine zonale Isolierung und ist ein entscheidender Faktor für den sicheren und ökonomischen Betrieb während dem gesamten Lebenszyklus von Öl- und Gasbohrungen.
Damit die Integrität des Zements seine Ziele erreicht, müssen sowohl die kurz-, als auch die langfristigen Eigenschaften des Zements mit Additiven an die spezifischen Zementierungsanwendungen und Bohrlochbedingungen angepasst werden.
Obwohl es verschiedene Arten von Zementadditiven gibt, motiviert der aktuelle Trend zur Verringerung des CO2-Fußabdrucks die Entwicklung umweltfreundlicherer Zusatzstoffe, die auch aus erneuerbaren und nachhaltigen Quellen hergestellt werden.
Die Verwendung nachhaltiger Materialien auf Basis von Cellulose, wie Zellulosepartikel und insbesondere Zellulose-Nanokristalle (CNC) erfüllen diese Anforderungen, da sie hervorragende Eigenschaften aufweisen.
Mehrere Studien haben eine signifikante Wirkung von CNC auf Zemente gezeigt; Der größte Teil dieser Forschung war jedoch für die Bauindustrie bestimmt, während das Thema der Zementierung von Öl-, Gas- und Geothermie Bohrungen noch nicht wirklich behandelt wurde. Wenn CNC zum Zement hinzugefügt wird, erhöht sich der Hydratationsgrad, die Biegefestigkeit, Zug- und Druckfestigkeit und es kommt zur Reduzierung und Änderung verschiedener Eigenschaften des Zements.
Der signifikante Einfluss von CNC auf Zemente und der Mangel an Daten zu diesem Thema ist ein Grund für die Untersuchung des Einsatzes von CNC als hochwirksamer Zementzusatz. Aus dieser Sicht besteht der Hauptzweck dieser Master-Thesis darin, die Wirkung von CNC auf Bohrlochzement mittels Verwendung von Standard-API-Geräten und Testverfahren zu untersuchen.
Basierend auf experimentellen Ergebnissen wurde herausgefunden, dass CNC die Eigenschaften des Zements in unterschiedlichem Maße beeinflusst. So wurde beispielsweise eine signifikante Reduzierung von freiem Wasser und Schrumpfung, sowie eine signifikante Verbesserung sowohl der Langzeitdruckfestigkeit, als auch der frühen Entwicklung der Druckfestigkeit beobachtet.
Darüber hinaus verursachte eine zunehmende CNC-Konzentration einen Anstieg der Zementviskosität, wobei bei rheologischen Messungen ein strukturviskoses Profil beobachtet wurde. Andererseits wurden geringfügige Einflüsse bei der Verhärtung und dem statischen Flüssigkeitsverlust beobachtet. Die beobachtete Verringerung des Flüssigkeitsverlusts wird dem Anstieg der Viskosität durch die Zugabe von CNCs zugeschrieben. Schließlich wurden Druckfestigkeits- und rheologische Messungen verwendet, um den Grenzwert der CNC-Agglomeration zu bestimmen.