CO2捕集、利用与封存技术是现行最有效的CO2减排技术之一，是实现我国2060年“碳中和”目标的重要技术支撑。CO2注入井、监测井等井筒的固井水泥在CO2腐蚀作用下的耐久性是保障CO2长期有效封存的关键。因此，开发CO2注入和监测井用水泥抗腐蚀剂，评价井筒水泥抗CO2腐蚀剂的性能，阐明抗CO2腐蚀作用机理，可有效提高井筒水泥耐久性，保障CO2注入井和监测井长期、稳定运行，具有重要的工程价值和研究意义。此外，为进一步提高CO2利用效率、拓展其利用途径，可利用超临界CO2的独特性质，进行新型超临界CO2改性材料开发，为高附加值、多元化利用CO2提供新思路。
针对上述需求，中国科学院武汉岩土力学研究所CO2地质封存组研究团队利用超临界CO2对纳米黏土材料进行改性处理，利用透射电镜（TEM）与选区电子衍射（SAED）分析，获得了改性纳米黏土的微观结构与纳米晶体物相；利用高温高压反应釜模拟高浓度CO2腐蚀环境，对添加改性纳米黏土材料的井筒水泥石和对照组腐蚀过程进行了研究，并基于微米CT表征手段，提出了CT切片特征分析算法，通过统计分析大孔隙、水泥基质和碳化层的分布概率，得到描述井筒水泥石腐蚀导致的大孔隙、水泥基质和碳化层演变过程的平均化概率分布图，进而评价改性纳米黏土提升井筒水泥石耐CO2腐蚀的性能。研究结果表明：由于超临界改性纳米黏土材料的加入，井筒水泥石在长期CO2腐蚀后其大孔隙的扩展和水泥基质的流失被控制；改性纳米黏土阻碍了CO2向水泥石内部的侵入，并对溶解区域具有一定的修复作用，使得井筒水泥石耐久性得以提高。
研究成果已发表于水泥和混凝土材料研究顶级期刊Construction and Building Materials（一区TOP，最新影响因子6.141），第一作者为梅开元博士后，通讯作者为张力为研究员。研究成果主要由国家重点研发计划（2019YFE0100100）、国家自然科学基金（41902258）、内蒙古自治区科技重大专项（2021ZD0034）、湖北省博士后创新研究岗位（258560）、四川省科技项目（2021YFSY0056）资助。
论文题目：Structural evolution in micro-calcite bearing Ca-montmorillonite reinforced oilwell cement during CO2 invasion
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061821034784
图1 抗CO2腐蚀纳米黏土材料微观形貌与晶体结构图
图2 基于CT扫描的井筒水泥CO2腐蚀过程分析框架图
图3 井筒水泥对照组（MT）和改性组（MC）CO2腐蚀后大孔隙、水泥基质、碳化层分布图
图4 抗CO2腐蚀纳米黏土材料作用机理图
（文/图 CO2地质封存组）
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