武汉岩土所抗在CO2腐蚀井筒水泥材料研究中取得进展

CO₂捕集、利用与封存技术是现行最有效的CO₂减排技术之一，是实现我国2060年“碳中和”目标的重要技术支撑。CO₂注入井、监测井等井筒的固井水泥在CO₂腐蚀作用下的耐久性是保障CO₂长期有效封存的关键。因此，开发CO₂注入和监测井用水泥抗腐蚀剂，评价井筒水泥抗CO₂腐蚀剂的性能，阐明抗CO₂腐蚀作用机理，可有效提高井筒水泥耐久性，保障CO₂注入井和监测井长期、稳定运行，具有重要的工程价值和研究意义。此外，为进一步提高CO₂利用效率、拓展其利用途径，可利用超临界CO₂的独特性质，进行新型超临界CO₂改性材料开发，为高附加值、多元化利用CO₂提供新思路。

基于上述需求，中国科学院武汉岩土力学研究所CO₂地质封存组研究团队利用超临界CO₂对纳米黏土材料进行改性处理，利用透射电镜（TEM）与选区电子衍射（SAED）分析，获得了改性纳米黏土的微观结构与纳米晶体物相；利用高温高压反应釜模拟高浓度CO₂腐蚀环境，对添加改性纳米黏土材料的井筒水泥石和对照组腐蚀过程开展研究，并基于微米CT表征手段，提出了CT切片特征分析算法，通过统计分析大孔隙、水泥基质和碳化层的分布概率，得到描述井筒水泥石腐蚀导致的大孔隙、水泥基质和碳化层演变过程的平均化概率分布图，进而评价改性纳米黏土提升井筒水泥石耐CO₂腐蚀的性能。研究表明，由于超临界改性纳米黏土材料的加入，井筒水泥石在长期CO₂腐蚀后其大孔隙的扩展和水泥基质的流失被控制；改性纳米黏土阻碍了CO₂向水泥石内部的侵入，并对溶解区域具有一定的修复作用，使得井筒水泥石耐久性得以提高。

相关研究成果发表在Construction and Building Materials上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、内蒙古自治区科技重大专项、湖北省博士后创新研究岗位和四川省科技计划项目的资助。　

图1.抗CO₂腐蚀纳米黏土材料微观形貌与晶体结构图

图2.基于CT扫描的井筒水泥CO₂腐蚀过程分析框架图

图3.井筒水泥对照组（MT）和改性组（MC）CO₂腐蚀后大孔隙、水泥基质、碳化层分布图

图4.抗CO₂腐蚀纳米黏土材料作用机理图