高浓度CO2暴露下井筒水泥蚀变深度突增现象的发现及其对地质封存完整性的影响

为应对地质CO2封存（GCS）中井筒水泥因CO2腐蚀导致的密封失效风险，研究人员通过微CT和SEM技术，揭示了水泥在CO2-饱和盐水中反应28天后蚀变深度从0.86 mm突增至3.21 mm的关键现象，证实碳酸盐层缺陷是导致保护失效的主因，为长期封存安全性评估提供了重要依据。

　　

随着工业化进程加速，大气CO₂浓度持续攀升，地质CO₂封存（GCS）成为缓解温室效应的关键策略。然而，封存过程中井筒水泥与CO₂接触引发的碳化反应可能导致密封失效，进而造成CO₂泄漏和环境风险。现有研究多局限于二维分析，难以全面评估水泥三维蚀变特征，且长期反应动力学数据匮乏。针对这些问题，中国科学院的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表论文，通过多尺度表征技术揭示了水泥在高浓度CO₂环境下的蚀变机制。

研究采用Class G波特兰水泥，模拟地质封存条件，将其暴露于CO₂-饱和盐水中7至56天。利用微CT扫描获取反应前后样本三维结构，结合阈值分割区分重度/轻度蚀变区域；SEM观察微观孔隙演变；压缩强度测试评估力学性能变化。

碳化与蚀变深度演化
CT图像分析显示，水泥边缘颜色随反应时间从灰色渐变为黄色，Fe沉淀是主因。定量结果表明，蚀变深度在28天内缓慢增至0.86 mm，而56天时突增至3.21 mm，表明碳酸盐保护层在后期失效。

微观结构机制
SEM显示，7天反应后碳酸盐层致密，而28天后孔隙增大且数量增多。这种结构缺陷使反应液穿透碳酸盐层，侵蚀水泥内部，导致蚀变深度骤增。

长期预测与力学性能
基于Fick第二定律的预测显示，30年后碳化前沿将达14.34 mm，但Elovich方程估算值仅2.56 mm，差异凸显模型选择的重要性。压缩强度在7天和14天分别下降13.7%和22.2%，后期降幅趋缓，表明力学劣化主要发生于反应初期。

该研究首次通过三维成像揭示了井筒水泥蚀变深度非线性增长的临界现象，阐明了碳酸盐层缺陷是长期封存中的潜在风险点。成果为GCS井筒完整性评估提供了新方法，并提示需优化水泥配方以增强抗CO₂腐蚀能力。未来研究可结合原位监测技术，进一步验证长期预测模型的准确性。