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CO2地質利用與封存技術是現行最有效的CO2減排技術之一，是實現我國2060年“碳中和”目標的重要技術支撐。CO2注入地下儲層后，會與井筒水泥發生反應，導致井筒水泥發生腐蝕，增大CO2通過井筒泄漏的風險。因此，對CO2腐蝕井筒水泥過程進行定量精細表征，研究CO2注入后井筒水泥中泄漏通道形態的演變以及有效應力和流體流速對泄漏通道形態演變的影響，可為CO2通過固井水泥泄漏風險量化評價提供分析依據，保障CO2注入井和監測井長期、穩定運行，具有重要的研究意義。
中國科學院武漢巖土力學研究所CO2地質封存課題組研究團隊針對上述需求，搭建了高溫—應力—滲流—腐蝕反應耦合試驗系統，模擬了高濃度CO2鹽水溶液在井筒水泥泄漏通道內腐蝕井筒水泥的過程，對流體流速和有效應力對水泥泄漏通道形態演變的影響進行了研究。團隊利用壓汞測試(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，對腐蝕反應前后水泥樣品的CT切片進行配準和對齊，成功獲得了反應前后樣品中泄漏通道形態的差異，實現了流體流速和有效應力對井筒水泥腐蝕過程影響的量化評價。研究結果表明，CO2注入條件下流速和有效應力對水泥中泄漏通道形態的演變有明顯影響：流體流動會促進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；有效應力的存在會導致泄漏通道周圍的裂紋明顯增加，從而促進氫氧化鈣和水化硅酸鈣的溶解；在CO2注入階段,因儲層壓力與地表壓差較大，可能誘發CO2和咸水在井筒水泥泄漏通道中的高速流動，導致泄漏通道擴大。因此，在CO2注入階段監測井筒水泥的完整性至關重要。
研究成果已發表于水泥和混凝土材料研究頂級期刊Construction and Building Materials(JCR一區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研發計劃(2019YFE0100100)、國家自然科學基金(41902258)、內蒙古自治區科技重大專項(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 實驗使用的高溫—應力—滲流—腐蝕反應耦合試驗系統
圖2 樣品與高濃度CO2鹽水溶液反應前后泄漏通道形態的變化
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 二氧化碳地質封存組）