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Influencia del óxido de grafeno reducido en las propiedades mecánicas del cemento en pozos geotérmicos bajo análisis de dinámica molecular a condiciones HPHT

Resumen

La cementación de pozos desempeña un papel crítico en la estabilidad y la integridad mecánica de los mismos, asegurando un aislamiento zonal efectivo para prevenir el flujo cruzado no deseado de fluidos y prolongar la vida útil del pozo. Sin embargo, en entornos geotérmicos de alta presión y temperatura (HPHT), el cemento experimenta una degradación de sus propiedades mecánicas, principalmente debido a cambios en la fase hidratada de silicato de calcio (gel C-S-H). Para comprender la relación entre la estructura atómica y las propiedades macroscópicas del material bajo condiciones HPHT, se utilizaron modelos de gel C-S-H construidos a partir de Tobermorita de 14 Å, adaptados para simular la heterogeneidad del cemento. Mediante la dinámica molecular (DM), se sometieron estos modelos a condiciones normales y HPHT, utilizando diferentes campos de fuerza. Los resultados revelaron estabilidad energética y conservación de la estructura molecular del gel C-S-H a lo largo del tiempo, con densidades promedio ajustadas empíricamente en concordancia con datos experimentales. Se observó un aumento en las propiedades elásticas del gel C-S-H bajo condiciones HPHT, indicando una mayor rigidez del material, aunque con una tendencia a la fragilidad en ciertas direcciones, especialmente en el eje z. Por otro lado, la incorporación de láminas de óxido de grafeno reducido (OGr) en el gel C-S-H demostró mejoras en las propiedades mecánicas, convirtiéndolo en un material dúctil ante esfuerzos de compresión y más rígido ante esfuerzos de tensión y cizalla. Estos hallazgos sugieren que los modelos desarrollados podrían ser representativos del comportamiento mecánico del cemento en entornos geotérmicos, lo que tiene implicaciones significativas para el diseño y la mejora de los cementos utilizados en este tipo de aplicaciones.