抗二氧化碳腐蝕井筒水泥材料研究獲新進展
2022-02-24 15:49:23
作者：腐蝕與防護 來源：腐蝕與防護
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CO2捕集、利用與封存技術是現行最有效的CO2減排技術之一，是實現碳中和目標的重要技術支撐。近日，中國科學院武漢巖土力學研究所的科研團隊利用超臨界CO2對納米黏土材料進行改性處理，發現改性納米黏土阻礙了CO2向水泥石內部的侵入，并對溶解區域具有一定的修復作用，使得井筒水泥石耐久性得以提高。
據介紹，CO2注入井、監測井等井筒的固井水泥在CO2腐蝕作用下的耐久性是保障CO2長期有效封存的關鍵。因此，開發CO2注入和監測井用水泥抗腐蝕劑，評價井筒水泥抗CO2腐蝕劑的性能，闡明抗CO2腐蝕作用機理，可有效提高井筒水泥耐久性，保障CO2注入井和監測井長期、穩定運行，具有重要的工程價值和研究意義。
基于上述需求，中國科學院武漢巖土力學研究所CO2地質封存組研究團隊利用超臨界CO2對納米黏土材料進行改性處理，利用透射電鏡（TEM）與選區電子衍射（SAED）分析，獲得了改性納米黏土的微觀結構與納米晶體物相；利用高溫高壓反應釜模擬高濃度CO2腐蝕環境，對添加改性納米黏土材料的井筒水泥石和對照組腐蝕過程開展研究，并基于微米CT表征手段，提出了CT切片特征分析算法，通過統計分析大孔隙、水泥基質和碳化層的分布概率，得到描述井筒水泥石腐蝕導致的大孔隙、水泥基質和碳化層演變過程的平均化概率分布圖，進而評價改性納米黏土提升井筒水泥石耐CO2腐蝕的性能。
抗CO2腐蝕納米黏土材料微觀形貌與晶體結構
基于CT掃描的井筒水泥CO2腐蝕過程分析框架圖
井筒水泥對照組（MT）和改性組（MC）CO2腐蝕后大孔隙、水泥基質、碳化層分布圖
抗CO2腐蝕納米黏土材料作用機理圖
研究結果表明，由于超臨界改性納米黏土材料的加入，井筒水泥石在長期CO2腐蝕后其大孔隙的擴展和水泥基質的流失被控制；改性納米黏土阻礙了CO2向水泥石內部的侵入，并對溶解區域具有一定的修復作用，使得井筒水泥石耐久性得以提高。
研究人員表示，為進一步提高CO2利用效率、拓展其利用途徑，可利用超臨界CO2的獨特性質，進行新型超臨界CO2改性材料開發，為高附加值、多元化利用CO2提供新思路。
相關成果近期已發表于水泥和混凝土材料研究期刊Construction and Building Materials，上。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、內蒙古自治區科技重大專項、湖北省博士后創新研究崗位以及四川省科技項目的資助。
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