Published October 1, 2023 | Version v1
Publication Open

Lightweight cement pastes with hollow glass microspheres: Analytical estimation of elastic parameters

Creators

  • 1. National University of Patagonia San Juan Bosco
  • 2. Laboratoire Navier
  • 3. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
  • 4. École des Ponts ParisTech
  • 5. European Telecommunications Standards Institute

Description

An analytical model is presented for estimation of the elastic parameters of lightweight cement pastes with hollow glass microspheres (HGMS). The microspheres consist of a siliceous spherical outer shell filled with gas, providing a density modification agent for the cement paste. The obtained lightweight cement paste is used for cementing deep wells where it is necessary to guarantee the integrity of the cement sheath to avoid fluid migration, contain the rock mass and protect the casing. The proposed micromechanical model, compared to other alternatives, results in an easy-to-use approach for obtaining an estimation of the elastic parameters of the HGMS lightweight cement. The elastic parameters are necessary for the design of the cement sheath and the analysis of its performances. The model input parameters are the elastic parameters of the cement matrix and the microspheres, as well as microspheres dimensions and volume fraction, which are easy to obtain. The model predictions are compared to experimentally evaluated elastic parameters of lightweight cement pastes. A good compatibility between predictions and experimental data is obtained, even when assuming a perfectly bounded interface between the microspheres and the cement matrix.The model also permits to take into account an imperfect interface between the microspheres and the cement matrix improving the model predictions with respect to the experimental results. The model presents an engineering tool to design lightweight cement slurries with hollow microspheres and to estimate their mechanical contribution to a cement sheath for drilling operations.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يتم تقديم نموذج تحليلي لتقدير المعلمات المرنة للمعاجين الأسمنتية خفيفة الوزن ذات الكريات الدقيقة الزجاجية المجوفة (HGMS). تتكون الكرات الدقيقة من غلاف خارجي كروي سيليسي مملوء بالغاز، مما يوفر عامل تعديل الكثافة لمعجون الأسمنت. يتم استخدام معجون الأسمنت خفيف الوزن الذي تم الحصول عليه لتثبيت الآبار العميقة بالأسمنت حيث يكون من الضروري ضمان سلامة الغلاف الأسمنتي لتجنب انتقال السوائل واحتواء الكتلة الصخرية وحماية الغلاف. ينتج عن النموذج الميكانيكي الدقيق المقترح، مقارنة بالبدائل الأخرى، طريقة سهلة الاستخدام للحصول على تقدير للمعلمات المرنة للأسمنت خفيف الوزن HGMS. المعلمات المرنة ضرورية لتصميم الغلاف الأسمنتي وتحليل أدائه. معلمات إدخال النموذج هي المعلمات المرنة للمصفوفة الأسمنتية والكريات الدقيقة، بالإضافة إلى أبعاد الكريات الدقيقة وجزء الحجم، والتي يسهل الحصول عليها. تتم مقارنة تنبؤات النموذج بالمعلمات المرنة التي تم تقييمها تجريبيًا لمعجون الأسمنت خفيف الوزن. يتم الحصول على توافق جيد بين التنبؤات والبيانات التجريبية، حتى عند افتراض وجود واجهة محدودة تمامًا بين الكرات الدقيقة والمصفوفة الأسمنتية. يسمح النموذج أيضًا بمراعاة واجهة غير كاملة بين الكرات الدقيقة والمصفوفة الأسمنتية لتحسين تنبؤات النموذج فيما يتعلق بالنتائج التجريبية. يقدم النموذج أداة هندسية لتصميم ملاطات أسمنتية خفيفة الوزن بكريات دقيقة مجوفة ولتقدير مساهمتها الميكانيكية في غلاف أسمنتي لعمليات الحفر.

Translated Description (French)

Un modèle analytique est présenté pour l'estimation des paramètres élastiques des pâtes de ciment légères avec des microsphères de verre creuses (HGMS). Les microsphères sont constituées d'une enveloppe externe sphérique siliceuse remplie de gaz, fournissant un agent de modification de densité pour la pâte de ciment. La pâte de ciment légère obtenue est utilisée pour la cimentation de puits profonds où il est nécessaire de garantir l'intégrité de la gaine de ciment pour éviter la migration des fluides, contenir la masse rocheuse et protéger le tubage. Le modèle micromécanique proposé, comparé à d'autres alternatives, aboutit à une approche facile à utiliser pour obtenir une estimation des paramètres élastiques du ciment léger HGMS. Les paramètres élastiques sont nécessaires à la conception de la gaine de ciment et à l'analyse de ses performances. Les paramètres d'entrée du modèle sont les paramètres élastiques de la matrice de ciment et des microsphères, ainsi que les dimensions et la fraction volumique des microsphères, qui sont faciles à obtenir. Les prédictions du modèle sont comparées à des paramètres élastiques évalués expérimentalement de pâtes de ciment légères. Une bonne compatibilité entre les prédictions et les données expérimentales est obtenue, même en supposant une interface parfaitement bornée entre les microsphères et la matrice cimentaire. Le modèle permet également de prendre en compte une interface imparfaite entre les microsphères et la matrice cimentaire améliorant les prédictions du modèle par rapport aux résultats expérimentaux. Le modèle présente un outil d'ingénierie pour concevoir des boues de ciment légères avec des microsphères creuses et pour estimer leur contribution mécanique à une gaine de ciment pour les opérations de forage.

Translated Description (Spanish)

Se presenta un modelo analítico para la estimación de los parámetros elásticos de pastas ligeras de cemento con microesferas huecas de vidrio (HGMS). Las microesferas consisten en una cubierta externa esférica silícea llena de gas, que proporciona un agente de modificación de la densidad para la pasta de cemento. La pasta de cemento ligera obtenida se utiliza para cementar pozos profundos donde es necesario garantizar la integridad de la vaina de cemento para evitar la migración de fluidos, contener el macizo rocoso y proteger la tubería de revestimiento. El modelo micromecánico propuesto, en comparación con otras alternativas, da como resultado un enfoque fácil de usar para obtener una estimación de los parámetros elásticos del cemento ligero HGMS. Los parámetros elásticos son necesarios para el diseño de la vaina de cemento y el análisis de sus rendimientos. Los parámetros de entrada del modelo son los parámetros elásticos de la matriz de cemento y las microesferas, así como las dimensiones de las microesferas y la fracción de volumen, que son fáciles de obtener. Las predicciones del modelo se comparan con los parámetros elásticos evaluados experimentalmente de pastas de cemento liviano. Se obtiene una buena compatibilidad entre las predicciones y los datos experimentales, incluso cuando se asume una interfaz perfectamente delimitada entre las microesferas y la matriz de cemento. El modelo también permite tener en cuenta una interfaz imperfecta entre las microesferas y la matriz de cemento mejorando las predicciones del modelo con respecto a los resultados experimentales. El modelo presenta una herramienta de ingeniería para diseñar lodos de cemento livianos con microesferas huecas y estimar su contribución mecánica a una vaina de cemento para operaciones de perforación.

Files

document.pdf

Files (3.4 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:ee6216001cd9df67b4f494d4d5b3f2b9
3.4 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
معاجين أسمنتية خفيفة الوزن مع كريات زجاجية مجوفة: تقدير تحليلي للمعلمات المرنة
Translated title (French)
Pâtes de ciment légères avec microsphères de verre creuses : Estimation analytique des paramètres élastiques
Translated title (Spanish)
Pastas ligeras de cemento con microesferas huecas de vidrio: estimación analítica de parámetros elásticos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4381094133
DOI
10.1016/j.cemconres.2023.107200

Is supplement to
https://openalex.org/W3191519631 (Other)
https://openalex.org/W3169067092 (Other)
https://openalex.org/W3138954845 (Other)
https://openalex.org/W3117371213 (Other)
https://openalex.org/W3012248399 (Other)
https://openalex.org/W2363129526 (Other)
https://openalex.org/W2357693325 (Other)
https://openalex.org/W2354760670 (Other)
https://openalex.org/W2323787184 (Other)
https://openalex.org/W2319236220 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1594134110
  • https://openalex.org/W1967850225
  • https://openalex.org/W1975332511
  • https://openalex.org/W1980958428
  • https://openalex.org/W1984822512
  • https://openalex.org/W1990379281
  • https://openalex.org/W1991063005
  • https://openalex.org/W2009954919
  • https://openalex.org/W2028108989
  • https://openalex.org/W2028597307
  • https://openalex.org/W2032058837
  • https://openalex.org/W2037606489
  • https://openalex.org/W2049240418
  • https://openalex.org/W2066906578
  • https://openalex.org/W2076467145
  • https://openalex.org/W2077006932
  • https://openalex.org/W2080569535
  • https://openalex.org/W2081001333
  • https://openalex.org/W2091085372
  • https://openalex.org/W2092687026
  • https://openalex.org/W2096105657
  • https://openalex.org/W2121723464
  • https://openalex.org/W2138441475
  • https://openalex.org/W2139124365
  • https://openalex.org/W2264941334
  • https://openalex.org/W2313458252
  • https://openalex.org/W2316964136
  • https://openalex.org/W2535118741
  • https://openalex.org/W2538588289
  • https://openalex.org/W2559994708
  • https://openalex.org/W2605193414
  • https://openalex.org/W2802043907
  • https://openalex.org/W2809947303
  • https://openalex.org/W2982882018
  • https://openalex.org/W2997991182
  • https://openalex.org/W2999207421
  • https://openalex.org/W3109270828
  • https://openalex.org/W3129575345
  • https://openalex.org/W4237197560
  • https://openalex.org/W4254725426
  • https://openalex.org/W4309735535
  • https://openalex.org/W646002149