凝結(jié)混凝土的技術(shù)可以促進(jìn)新水泥的開發(fā)

鉆探和開采新油井的關(guān)鍵部分是使用專用水泥對井眼進(jìn)行襯砌，并防止井眼坍塌和泄漏。為了防止這些水泥在滲透到井的最深處之前過快地硬化，它們與稱為緩凝劑的化學(xué)物質(zhì)混合在一起，從而減慢了凝固過程。

但是，很難研究這些緩凝劑的工作方式，因為該過程發(fā)生在難以在表面重現(xiàn)的極端壓力和溫度下。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了用于觀察微觀細(xì)節(jié)的凝結(jié)過程的新技術(shù)，他們說，這一進(jìn)展可能會導(dǎo)致開發(fā)出專門針對給定井位條件設(shè)計的新配方。這對于解決當(dāng)今配方中可能發(fā)生的甲烷泄漏和井壁坍塌的問題可能會大有幫助。

麻省理工學(xué)院教授Oral Buyukozturk，麻省理工學(xué)院研究科學(xué)家Kunal Kupwade-Patil和其他八位論文的作者發(fā)表在《水泥與混凝土研究》雜志上的《水泥和混凝土研究》雜志上。

麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)教授喬治·馬康伯說：“目前正在使用的水泥有數(shù)百種不同的混合物”。他說，該小組開發(fā)的用于觀察這些不同配方在凝結(jié)過程中表現(xiàn)如何的新方法為開發(fā)這些特種水泥“打開了研究和創(chuàng)新的新環(huán)境”。

在極端條件下和存在各種腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的情況下，用于密封油井襯里的水泥通常必須在地表以下幾百米甚至數(shù)千米處凝固。緩凝劑的研究通常是通過從井中取出固化的水泥樣品進(jìn)行實驗室測試來完成的，但是此類測試并未揭示固化過程中發(fā)生的化學(xué)變化順序的細(xì)節(jié)。

新方法使用了橡樹嶺國家實驗室的一種獨特的檢測器設(shè)置，稱為納米級有序材料衍射儀或NOMAD，用于執(zhí)行稱為中子對分布函數(shù)分析或PDF的過程。該技術(shù)可以在材料中原位檢查原子對的分布，這些原子對模仿在真實油井深處遇到的實際條件。

該論文的合著者ORNL的Thomas Proffen說：“由于NOMAD具有高通量和中子對輕元素(如氫)的敏感性，因此它非常適合研究復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問題，例如了解混凝土中的水合作用。”

實驗表明，在廣泛使用的緩凝劑材料中起作用的主要機理是硬化水泥中鈣離子的消耗，鈣離子是硬化過程中的關(guān)鍵成分。由于存在的鈣離子較少，固化過程會大大減慢。這些知識應(yīng)有助于實驗人員確定可以產(chǎn)生相同效果的不同化學(xué)添加劑。

鉆油井時，下一步是插入鋼套管以保護(hù)井眼的完整性，防止松散的材料塌陷到井中并造成堵塞。這些套管還可以防止處于高壓下的石油和天然氣逸出到周圍的巖石和土壤中，并遷移到地表，甲烷的泄漏在該地表中可對氣候變化起重要作用。但是，套管和井眼之間始終有一個可達(dá)幾英寸的空間。該空間必須充滿水泥漿，以防止泄漏并保護(hù)鋼襯免于暴露于水和腐蝕性化學(xué)藥品中，否則可能導(dǎo)致其失效。

甲烷是一種比二氧化碳強得多的溫室氣體，因此限制其逸出是限制油氣井對全球變暖的重要貢獻(xiàn)。

Buyukozturk說：“井中的甲烷，水和各種化學(xué)物質(zhì)都會產(chǎn)生腐蝕問題。” “此外，井眼的圓周區(qū)域靠近地殼中具有不穩(wěn)定性的部分，因此材料可能會掉入孔中并損壞套管。” 防止這些不穩(wěn)定的方法是將水泥通過套管泵入井眼與套管之間的區(qū)域，從而提供“區(qū)域隔離”。然后，水泥提供了液壓密封，以使水和其他流體遠(yuǎn)離套管。

他說，但是在深處發(fā)現(xiàn)的高溫和高壓呈現(xiàn)出一種“對材料最糟糕的事情”的環(huán)境，因此了解這些惡劣環(huán)境如何影響材料及其化學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。他們盡自己的努力來密封油井。

本文的主要作者Kupwade-Patil說，這種研究固化過程的新方法提供了一種“精確理解該過程的方法，因此我們可以設(shè)計下一代的阻燃劑”。“這些阻滯劑非常重要，”不僅用于保護(hù)環(huán)境，而且還用于防止由于油井損壞或泄漏而造成的嚴(yán)重經(jīng)濟損失。他說，在水泥密封過程中，“密封件的損失很嚴(yán)重，因此您不能承擔(dān)任何失誤” 。

“大約30年前獲得博士學(xué)位后，我的第一項工作就是改善油井固井質(zhì)量，”加利福尼亞大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院Roy W. Carlson杰出教授Paulo Monteiro說沒有參與這項工作的伯克利。“當(dāng)時，有限的復(fù)雜的表征技術(shù)是有限的，因此，很高興看到X射線和中子全散射法被用于研究在存在化學(xué)混合物的情況下油井水泥的水合作用。” 他補充說，這些新方法“有潛力指導(dǎo)量身定制的外加劑的開發(fā)，可以顯著改善油井固井性能。”