地下储氢井水泥降解机制研究：氢暴露对固井完整性的影响评估

本文首次系统研究氢暴露固化对API G级水泥的降解效应，发现氢环境导致杨氏模量下降56%、孔隙率增加14.04%，剪切/拉伸粘结强度分别降低36.7%/59.5%。通过超声、显微CT、电镜等揭示氢致赤铁矿分解是界面弱化主因，为储氢井挤注水泥作业完整性保障提供关键依据。

　　

研究亮点

通过超声波速（P-wave）、显微CT（micro-CT）、扫描电镜（SEM）、双直接剪切（double-direct shear）和巴西拉伸强度（Brazilian tensile strength）测试，系统评估氢暴露固化对水泥性能的影响。结果表明氢环境会显著破坏水泥本体及界面结构，其中杨氏模量（Young's modulus）最大降幅达56%，显微CT显示孔隙率提升14.04%。力学测试表明剪切与拉伸粘结强度分别下降36.7%和59.5%。SEM分析证实氢诱导的赤铁矿（hematite）和钙矾石（ettringite）分解导致水泥-套管界面粘结弱化。

对挤注水泥作业的启示

本研究对储氢井挤注水泥（squeeze cementing）作业具有直接指导意义。与传统研究聚焦已固化水泥的氢损伤不同，本文揭示氢在水泥水化关键期的作用更为剧烈，具体影响包括：

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  作业成功率下降：杨氏模量56%的降幅显著降低水泥抗变形能力，易引发微环隙（micro-annuli）形成；
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  密封性能衰减：孔隙率上升及界面强度下降共同加剧氢渗漏风险；
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  材料适配需求：现行API G级水泥难以满足氢环境固化要求，需开发抗氢脆专用材料。

结论

本研究首次阐明氢暴露固化对水泥性能的即时性、严重性损伤机制，为储氢井完整性设计提供实验依据。未来需聚焦抗氢水泥配方研发及多场耦合环境下长期性能评估。