磷酸铝水泥在110°C含CO2环境中的强度发展机制：抗压性能、水化产物与微观形貌的协同演化

针对油气井固井面临的高温高CO2腐蚀难题，研究人员系统探究了磷酸铝水泥在110°C含CO2环境中的抗压强度演变规律与水化产物转化机制。研究发现，羟基磷灰石(Ca5(PO4)3OH)与铝酸盐水化物(C3AH6)的稳定存在，以及腐蚀生成的Ca10(PO4)6CO3保护层，共同保障了材料优异的长期性能，为深层油气开发提供了新型耐蚀胶凝材料解决方案。

　　

在油气资源开发不断向深部地层推进的背景下，井下温度超过150°C且伴随高浓度CO₂的极端环境对传统波特兰水泥(Portland cement)提出了严峻挑战。这类水泥在高温下会形成多孔结构，导致渗透率上升和强度衰减，而CO₂的酸性腐蚀更会加速性能劣化。虽然添加SiO₂基材料能部分缓解问题，但无法从根本上解决长期强度下降和化学腐蚀问题。中国石油集团海洋工程有限公司的研究人员将目光投向具有耐高温耐腐蚀特性的磷酸铝水泥(phosphoaluminate cement)，通过系统实验揭示了其在模拟井下环境中的性能演变规律与作用机制，相关成果发表在《Geoenergy Science and Engineering》。

研究团队采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)、热重分析(TGA)等技术，结合抗压强度和渗透率测试，对110°C、21MPa压力及10MPa CO₂分压条件下的水泥石进行了多尺度表征。

材料与方法
实验选用化学合成的磷酸铝水泥，通过XRF分析其组分，激光粒度仪测定粒径分布。在不同养护时间点，分别测试试样的抗压强度、气体渗透率，并采用XRD、SEM-EDS、TGA、背散射电子成像(BSE)和傅里叶红外光谱(FTIR)分析水化产物演变。

抗压强度与渗透率
数据显示，水泥石渗透率随养护时间呈先降后升趋势，而抗压强度持续增长。腐蚀后试样仍保持极高强度水平，7天养护组渗透率最低时达0.023mD，28天抗压强度达78.5MPa。

高温下磷酸铝水泥产物演化
XRD与TGA证实，反应性矿物铝酸钙(CAP)和铝酸三钙(CA)生成水化磷酸钙(CPH)、水化磷铝酸钙(CAPH)、六水铝酸三钙(C₃AH₆)和氢氧化铝(Al(OH)₃)。BSE显示1天养护后水化产物占比达85.40%，未水化产物仅8.87%。羟基磷灰石(Ca₅(PO₄)₃OH)在110°C保持化学惰性，其六方晶体结构与纤维状CAPH共同构成致密微观结构。

碳化腐蚀机制
腐蚀产物分析表明，CPH、CAPH与C₃AH₆反应生成的Al(OH)₃和CaCO₃对孔隙发育有积极作用。部分Ca₅(PO₄)₃OH转化形成的碳酸磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆CO₃)保持原六方结构形成保护层。水化产物腐蚀释放的H₃PO₄使溶液酸性增强，抑制CO₂向水泥石内部扩散。

该研究首次阐明了磷酸铝水泥在高温高压CO₂环境中的协同强化机制：稳定的Ca₅(PO₄)₃OH和C₃AH₆作为"骨架"，持续生成的CPH/CAPH维持片状-纤维状均匀分布，腐蚀产物形成的保护层与酸性屏障共同作用，突破了传统水泥在极端环境下的应用瓶颈。研究成果为深层油气资源开发提供了革命性的固井材料解决方案，对保障国家能源安全具有重要战略意义。