高温高压CO2碳化作用下油井水泥的矿物演化与力学降解机制研究

针对油井水泥在CO2封存环境中易发生碳化损伤的难题，研究人员通过高温高压实验模拟地层条件，系统研究了水泥矿物相变规律与力学性能退化机制。创新性提出孔隙填充修正系数模型，为CO2驱油与封存工程中的井筒完整性评价提供理论支撑。

　　

在碳中和目标推动下，CO₂地质封存技术成为能源行业的研究热点。然而，注入地层的超临界CO₂会与井筒水泥发生化学反应，导致矿物相变和力学性能退化，这种"隐形杀手"严重威胁着封存井的长期完整性。传统研究多聚焦于常温常压条件，难以真实反映地下数千米深处高温高压环境的材料行为。

俄罗斯国立石油天然气大学（Gubkin University）的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表的重要成果，首次系统揭示了油井水泥在模拟封存环境（90°C/10MPa）下的失效机制。通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）追踪碳酸钙（CaCO₃）等次生矿物的结晶过程，结合三轴力学测试建立强度退化模型。特别值得注意的是，研究发现方解石相变会引发微裂缝网络，而文石沉淀则能部分修复孔隙结构，这种"自愈合效应"为新型智能水泥设计提供了启示。

关键技术包括：1）高温高压反应釜模拟封存环境；2）同步辐射X射线断层扫描（SR-μCT）三维重构；3）纳米压痕技术定量表征界面过渡区；4）基于Archimedes原理的孔隙率修正算法。

【矿物演化规律】
XRD图谱显示，72小时碳化后硅酸钙水化物（C-S-H）特征峰强度降低42%，伴随霰石（aragonite）和球霰石（vaterite）多晶型碳酸钙的生成。SEM-EDS证实反应前沿存在明显的Ca/Si梯度分布，揭示离子迁移主导的反应动力学。

【力学性能退化】
三轴测试表明抗压强度随碳化程度呈三段式衰减：初期（0-7天）快速下降28%，中期（7-28天）稳定期，后期（>28天）出现二次强度损失。值得注意的是，10MPa围压下样品表现出应变硬化特性，这与表层碳酸钙壳层的约束作用密切相关。

【孔隙结构演变】
汞侵入孔隙度测定（MIP）显示孔径分布双峰特征：原生孔隙（50-100nm）在碳化初期扩大，而次生孔隙（1-5μm）在后期显著增加。创新性提出的"等效孔隙填充系数"模型，成功预测了渗透率变化与力学性能的定量关系。

该研究建立了温度-压力-化学耦合作用下的水泥退化本构方程，提出的"临界碳酸化度"概念为封存井寿命预测提供了新指标。特别是发现文石相在高温下的稳定性优于方解石，这一发现为通过调控pH值优化矿物结晶序列提供了理论依据。研究团队开发的预测模型已成功应用于萨哈林大陆架CO₂封存项目，将井筒服役寿命评估精度提高30%以上。