二氧化碳(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，也是實(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，增大井筒泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)CO2腐蝕井筒水泥過(guò)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，可為井筒泄漏風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)價(jià)提供分析依據(jù)，保障井筒長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行。

中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所CO2地質(zhì)封存課題組針對(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(guò)程，圍繞流體流速和有效應(yīng)力對(duì)水泥泄漏通道形態(tài)演變的影響進(jìn)行了研究。該團(tuán)隊(duì)利用壓汞測(cè)試(MIP)獲得了固井水泥樣品腐蝕后的孔徑分布，采用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(guò)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和鹽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(cè)井筒水泥的完整性至關(guān)重要。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《結(jié)構(gòu)與建筑材料》。研究工作獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項(xiàng)的資助。

(摘編自腐蝕與防護(hù)網(wǎng))