碳酸钙晶须对CO_(2)诱导固井水泥石裂缝自愈合的影响研究

CO_(2)的捕集、利用和封存(CCUS)井下固井水泥环的开裂损伤不可避免。本工作采用高浓度CO_(2)与碳酸钙晶须反应诱导CaCO_(3)沉积,以提高固井水泥石裂缝的自愈性能。利用抗压强度仪、X射线衍射仪(XRD)、热重分析仪(TG)、环境扫描电子显微镜(ESEM)和X射线显微计算机断层扫描(μ-CT)等测试仪器,研究碳酸钙晶须对固井水泥石自愈过程的影响。抗压强度结果显示,掺入与未掺入碳酸钙晶须水泥石在劈裂后,经过碳化自愈合反应28 d,其抗压强度均随着碳化时间的延长而提高,抗压强度的增长率分别为572%和528%。另外物相分析结果表明,随着碳化时间的延长,掺入碳酸钙晶须水泥石裂缝表面Ca(OH)_(2)的质量损失(0.58%)明显小于未掺入碳酸钙晶须的水泥石的Ca(OH)_(2)质量损失(2.68%)。ESEM结果表明,在水泥石裂缝表面,有碳化产物方解石与文石生成并沉积在裂缝处,使得水泥石裂缝自愈合。μ-CT测试结果表明,掺入碳酸钙晶须水泥石裂缝的自愈合率达到了55.24%,而未掺入碳酸钙晶须水泥石裂缝的自愈合率只有18.32%,这表明在CCUS井下,在固井水泥石中掺入碳酸钙晶须对水泥石裂缝的碳化自愈合过程有利。

CCUS井工况下不同引晶材料对水泥石裂缝自愈合过程的影响

为了尽快实现碳中和的目标,二氧化碳捕获、利用和封存(Carbon Capture,Utilization and Storage——CCUS)技术不可或缺。由于CCUS高温高压的环境引起较大的应力和温度波动,水泥环易形成裂缝对CO_(2)的安全封存造成威胁。以碳酸钙晶须和氧化石墨烯作为引晶材料诱导水泥石裂缝表面碳化结晶,并研究其对水泥石裂缝自愈合进程的影响。实验结果表明,经过碳化自愈合反应不同的龄期后,分别掺入碳酸钙晶须和氧化石墨烯水泥石的抗压强度均高于空白水泥石。μ-CT的结果分析表明,掺入碳酸钙晶须和氧化石墨烯的水泥石裂缝体积的自愈率分别为55.24%和74.60%,要高于空白水泥石的18.32%;水泥石裂缝表面物相分析表明,随着碳化时间的增加,掺入引晶材料水泥石裂缝表面的CaCO_(3)晶体含量高于空白水泥石。由此说明碳酸钙晶须和氧化石墨烯作为引晶材料可提高水泥石裂缝在CCUS工况下的碳化自愈合能力。