CO₂捕集、利用與封存技術(shù)是現(xiàn)行最有效的CO₂減排技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)2060年“碳中和”目標(biāo)的重要技術(shù)支撐。CO₂注入井、監(jiān)測(cè)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(zhǎng)期有效封存的關(guān)鍵。因此，開(kāi)發(fā)CO₂注入和監(jiān)測(cè)井用水泥抗腐蝕劑，評(píng)價(jià)井筒水泥抗CO₂腐蝕劑的性能，闡明抗CO₂腐蝕作用機(jī)理，可有效提高井筒水泥耐久性，保障CO₂注入井和監(jiān)測(cè)井長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行，具有重要的工程價(jià)值和研究意義。此外，為進(jìn)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(dú)特性質(zhì)，進(jìn)行新型超臨界CO₂改性材料開(kāi)發(fā)，為高附加值、多元化利用CO₂提供新思路。

　　針對(duì)上述需求，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所CO₂地質(zhì)封存組研究團(tuán)隊(duì)利用超臨界CO₂對(duì)納米黏土材料進(jìn)行改性處理，利用透射電鏡（TEM）與選區(qū)電子衍射（SAED）分析，獲得了改性納米黏土的微觀結(jié)構(gòu)與納米晶體物相；利用高溫高壓反應(yīng)釜模擬高濃度CO₂腐蝕環(huán)境，對(duì)添加改性納米黏土材料的井筒水泥石和對(duì)照組腐蝕過(guò)程進(jìn)行了研究，并基于微米CT表征手段，提出了CT切片特征分析算法，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析大孔隙、水泥基質(zhì)和碳化層的分布概率，得到描述井筒水泥石腐蝕導(dǎo)致的大孔隙、水泥基質(zhì)和碳化層演變過(guò)程的平均化概率分布圖，進(jìn)而評(píng)價(jià)改性納米黏土提升井筒水泥石耐CO₂腐蝕的性能。研究結(jié)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(zhǎng)期CO₂腐蝕后其大孔隙的擴(kuò)展和水泥基質(zhì)的流失被控制；改性納米黏土阻礙了CO₂向水泥石內(nèi)部的侵入，并對(duì)溶解區(qū)域具有一定的修復(fù)作用，使得井筒水泥石耐久性得以提高。

　　研究成果已發(fā)表于水泥和混凝土材料研究頂級(jí)期刊Construction and Building Materials（一區(qū)TOP，最新影響因子6.141），第一作者為梅開(kāi)元博士后，通訊作者為張力為研究員。研究成果主要由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFE0100100）、國(guó)家自然科學(xué)基金（41902258）、內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項(xiàng)（2021ZD0034）、湖北省博士后創(chuàng)新研究崗位（258560）、四川省科技項(xiàng)目（2021YFSY0056）資助。

　　論文題目：Structural evolution in micro-calcite bearing Ca-montmorillonite reinforced oilwell cement during CO₂ invasion

　　論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061821034784　

圖1 抗CO₂腐蝕納米黏土材料微觀形貌與晶體結(jié)構(gòu)圖

圖2 基于CT掃描的井筒水泥CO₂腐蝕過(guò)程分析框架圖

圖3 井筒水泥對(duì)照組（MT）和改性組（MC）CO₂腐蝕后大孔隙、水泥基質(zhì)、碳化層分布圖

圖4 抗CO₂腐蝕納米黏土材料作用機(jī)理圖

（文/圖 CO₂地質(zhì)封存組）