煅烧黏土基低碳油井水泥的流变特性与固井性能研究

针对油井水泥高CO2排放问题（～800 kg CO2/吨），德国Technische Universit?t München团队通过50%煅烧黏土（CC）替代API Class G水泥，系统研究了其流变行为、稠化时间及添加剂响应。结果表明，CC可降低45%碳足迹（～450 kg CO2/吨），但需增加分散剂用量并优化缓凝剂（如木质素磺酸盐）。该研究为石油和地热井固井提供了兼具环境友好性与技术可行性的低碳方案。

　　

在全球应对气候变化的背景下，水泥行业作为CO₂排放的主要来源之一，面临着严峻的减排压力。传统油井水泥（如API Class G）每吨生产排放约800 kg CO₂，而石油和地热井固井作业中，水泥的密封性能与泵送特性又直接关系到井筒安全和长期稳定性。如何兼顾环境效益与工程性能，成为行业亟待解决的难题。煅烧黏土（Calcined Clay, CC）作为辅助胶凝材料（SCM）在建筑领域已展现减排潜力，但其在高温高压油井环境中的应用尚缺乏系统性研究。

德国Technische Universit?t München的Vlada Kovalchuk团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表的研究，首次评估了50% CC替代API Class G水泥的可行性。通过模拟27°C至80°C井况，结合API标准测试，揭示了CC对水泥流变性、稠化时间及添加剂适配性的影响。研究发现，CC虽增加水需求（需提高分散剂用量）和塑性粘度，但能显著延长泵送窗口（减少缓凝剂需求），并在添加流体损失控制剂（FLA）后实现优异密封性。更值得注意的是，当CC替代率提升至70%时，可实现气候中性目标（～450 kg CO₂/吨）。

关键技术方法
研究采用API标准测试协议，重点包括：1）使用旋转流变仪测定含CC水泥浆的流变参数（PV、YP）；2）常压稠化仪模拟不同温度（27°C/50°C/80°C）下的泵送时间；3）高温高压滤失仪评估流体损失率；4）X射线衍射（XRD）分析原材料矿物组成。实验设计涵盖水胶比0.44/0.50及商业添加剂（如分散剂CFR-3、缓凝剂HR-5）。

研究结果

1. 流变行为：CC使水泥浆塑性粘度增加15-30%，但屈服应力降低20%，需调整分散剂剂量以维持泵送性。
2. 稠化时间调控：CC的低反应性使稠化时间延长40%，80°C下木质素磺酸盐缓凝剂用量可减少50%。
3. CO₂减排潜力：每增加10% CC替代，碳足迹线性下降50 kg CO₂/吨，70%替代率时达减排极限。
4. 经济性平衡：高CC含量（>50%）需额外分散剂成本，但缓凝剂节省可部分抵消。

结论与意义
该研究证实，普通煅烧黏土（非高岭土）可作为油井水泥的可行SCM，其技术优势体现在：1）拓宽稠化时间安全窗口，降低高温井缓凝剂依赖；2）通过FLA适配实现与传统水泥相当的防窜能力；3）减排路径明确，为行业提供可量化的低碳转型方案。尽管高替代率（70%）对添加剂体系提出新挑战，但这一工作为全球油井水泥的碳中和目标奠定了技术基础，尤其适用于中低温地热井和常规油气井固井场景。未来研究需进一步验证CC水泥在高压/高盐环境中的长期耐久性。