CO₂地質(zhì)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2060年“碳中和”目標(biāo)的重要技術(shù)支撐。CO₂注入地下儲(chǔ)層后，會(huì)與井筒水泥發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致井筒水泥發(fā)生腐蝕，增大CO₂通過井筒泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)CO₂腐蝕井筒水泥過程進(jìn)行定量精細(xì)表征，研究CO₂注入后井筒水泥中泄漏通道形態(tài)的演變以及有效應(yīng)力和流體流速對(duì)泄漏通道形態(tài)演變的影響，可為CO₂通過固井水泥泄漏風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)價(jià)提供分析依據(jù)，保障CO₂注入井和監(jiān)測井長期、穩(wěn)定運(yùn)行，具有重要的研究意義。

　　中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所CO₂地質(zhì)封存課題組研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述需求，搭建了高溫—應(yīng)力—滲流—腐蝕反應(yīng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬了高濃度CO2鹽水溶液在井筒水泥泄漏通道內(nèi)腐蝕井筒水泥的過程，對(duì)流體流速和有效應(yīng)力對(duì)水泥泄漏通道形態(tài)演變的影響進(jìn)行了研究。團(tuán)隊(duì)利用壓汞測試(MIP)獲得了固井水泥樣品腐蝕后的孔徑分布，采用微米-CT表征手段，提出了CT切片特征分析算法，對(duì)腐蝕反應(yīng)前后水泥樣品的CT切片進(jìn)行配準(zhǔn)和對(duì)齊，成功獲得了反應(yīng)前后樣品中泄漏通道形態(tài)的差異，實(shí)現(xiàn)了流體流速和有效應(yīng)力對(duì)井筒水泥腐蝕過程影響的量化評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，CO₂注入條件下流速和有效應(yīng)力對(duì)水泥中泄漏通道形態(tài)的演變有明顯影響：流體流動(dòng)會(huì)促進(jìn)泄漏通道周圍的氫氧化鈣和水化硅酸鈣的溶解，且靠近CO₂注入端的位置溶解量更大；有效應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致泄漏通道周圍的裂紋明顯增加，從而促進(jìn)氫氧化鈣和水化硅酸鈣的溶解；在CO₂注入階段,因儲(chǔ)層壓力與地表壓差較大，可能誘發(fā)CO₂和咸水在井筒水泥泄漏通道中的高速流動(dòng)，導(dǎo)致泄漏通道擴(kuò)大。因此，在CO₂注入階段監(jiān)測井筒水泥的完整性至關(guān)重要。

　　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(JCR一區(qū)TOP，最新影響因子6.141)，第一作者為甘滿光特別研究助理，通訊作者為張力為研究員。研究成果主要由國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFE0100100)、國家自然科學(xué)基金(41902258)、內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項(xiàng)(2021ZD0034)資助。

　　論文題目:3D micro-structural changes of an artificial flow channel in wellbore cement under geologic CO₂ storage conditions: Combined effect of effective stress and flow

　　論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061822004500

圖1 實(shí)驗(yàn)使用的高溫—應(yīng)力—滲流—腐蝕反應(yīng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 樣品與高濃度CO₂鹽水溶液反應(yīng)前后泄漏通道形態(tài)的變化

圖3　4種條件下腐蝕14天后水泥不同斷面礦物溶解情況

（文/圖 二氧化碳地質(zhì)封存組）