地质碳封存中水泥及界面降解风险研究：机制、影响因素与应对策略

随着全球气候危机加剧，碳捕获、利用和储存（CCUS）技术备受关注，地质碳封存（GCS）是其中关键技术。但 GCS 储层 / 井结构复杂，存在泄漏风险。研究人员针对水泥及界面降解展开研究，明确了相关机制、影响因素并提出缓解措施，对保障 GCS 安全至关重要。

　　在全球气候变暖的严峻形势下，减少二氧化碳（CO₂）排放成为当务之急。碳捕获、利用和储存（CCUS）技术应运而生，其中地质碳封存（GCS）通过将 CO₂注入深层地质构造，成为应对气候变化的重要手段。然而，GCS 并非一帆风顺。在其复杂的储层和井结构中，由多种材料构成的体系面临着诸多挑战。比如，水泥在长期的地质环境中，其与钢套管、地层岩石的界面可能出现完整性问题，这就像坚固的堡垒出现了裂缝，使得储存的 CO₂有泄漏的风险，不仅会降低封存效果，还可能对环境造成潜在威胁。为了深入了解这些问题并找到解决办法，研究人员展开了相关研究，其成果发表在《Carbon Capture Science 》上。

研究人员综合运用多种技术方法对该问题进行研究。在实验室实验方面，他们通过模拟不同的地质条件，研究水泥在各种环境下的性能变化；现场研究则通过对实际项目的采样和分析，获取真实可靠的数据；数值模拟借助计算机模型，对复杂的物理和化学过程进行模拟和预测。

在降解机制研究中，水泥降解过程包括 CO₂解离、水泥碳酸化和溶解。CO₂在水中的解离是动态平衡的，受温度、压力和溶液环境影响。碳酸化过程涉及水泥中多种碱性矿物的反应，生成的碳酸钙（CaCO₃）沉淀会影响水泥的孔隙结构和强度。持续的酸攻击会使水泥溶解，导致其力学性能下降。在碳酸化过程中，水泥会形成分层结构，不同层的矿物组成和力学性能各异，这种分层结构的形成与多种因素相关，并且可能伴随开裂现象。而界面方面，水泥 - 套管和水泥 - 岩石界面由于多种原因，如侧壁效应、收缩导致的微环隙和水力压裂等，力学性能和耐久性较弱。在水泥 - 套管界面，钢腐蚀会影响界面的结合强度；在水泥 - 岩石界面，化学反应受岩石矿物组成影响，进而改变界面的性能。

实验室和现场观察部分，实验室实验存在标准执行不严格的情况，如试件尺寸、养护程序和测试方法多样。不同研究的实验条件差异大，导致结果难以比较。现场研究虽然数量相对较少，但能提供更真实的数据。在实际项目中，水泥和界面的降解情况各不相同，有的水泥在长期封存后仍保持较好的完整性，而有的则出现明显的降解。

关于影响降解的重要因素，温度对水泥水化和降解机制影响复杂。在一定范围内，升高温度会加速水化，但高温会使 C - S - H 相转变，导致强度降低和碳化抗性减弱。压力对水泥水化和降解也有影响，较高压力能加速水化，影响矿物沉淀和溶解，还会改变 CO₂的溶解度和扩散速率，进而影响碳化和腐蚀过程。动态条件下，流体流动会加剧水泥和界面的降解，流速不同影响也不同。盐水中的离子会影响水泥水化、CO₂溶解度和腐蚀过程，改变降解模式。CO₂中的污染物会产生酸性物质，加速降解，不同污染物之间存在复杂的协同效应。

数值模拟为研究水泥降解和 GCS 储层安全评估提供了独特视角。通过调整参数模拟超临界碳化过程，但不同研究的模拟结果存在差异，反映出模拟的复杂性和对更精确方法的需求。

针对水泥和界面降解问题，研究人员提出了多种缓解策略。在水泥体系和配合比设计方面，可以选择合适的水泥类型，如不同的油井水泥（OWC）在性能上有差异，还可以添加辅助胶凝材料（SCMs），如硅灰（SF）、粉煤灰等，以及其他添加剂和增强剂，如纳米材料、纤维材料等，来改善水泥的性能。化学外加剂如缓凝剂、分散剂等能满足不同施工条件的需求。在界面完整性方面，可以通过控制水泥含水量、使用膨胀剂、添加粘结剂等方法来增强界面的粘结强度。

在讨论和研究差距部分，目前实验室测试方法缺乏标准化，实验细节差异大，导致结果难以比较。对于碳酸化水泥分层结构的形成机制，虽然有一定认识，但仍存在许多未知。温度和压力对超临界碳化的影响存在争议，需要进一步研究。此外，还存在标准化测试方法、数值模拟、界面研究、有效环保缓解措施和智能实验设备等方面的研究差距。

总的来说，这项研究全面深入地探讨了地质碳封存中水泥及界面降解的问题。明确了复杂的降解机制，揭示了多种因素的影响规律，提出了一系列有针对性的缓解策略。这些成果对于保障地质碳封存的安全性和有效性具有重要意义，为后续的研究和实际应用提供了坚实的理论基础和实践指导，有助于推动碳捕获与封存技术的发展，助力全球应对气候变化的努力。