凝结混凝土的技术可以促进新水泥的开发

钻探和开采新油井的关键部分是使用专用水泥对井眼进行衬砌，并防止井眼坍塌和泄漏。为了防止这些水泥在渗透到井的最深处之前过快地硬化，它们与称为缓凝剂的化学物质混合在一起，从而减慢了凝固过程。

但是，很难研究这些缓凝剂的工作方式，因为该过程发生在难以在表面重现的极端压力和温度下。

现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员已经开发出了用于观察微观细节的凝结过程的新技术，他们说，这一进展可能会导致开发出专门针对给定井位条件设计的新配方。这对于解决当今配方中可能发生的甲烷泄漏和井壁坍塌的问题可能会大有帮助。

麻省理工学院教授Oral Buyukozturk，麻省理工学院研究科学家Kunal Kupwade-Patil和其他八位论文的作者发表在《水泥与混凝土研究》杂志上的《水泥和混凝土研究》杂志上。

麻省理工学院土木与环境工程学教授乔治·马康伯说：“目前正在使用的水泥有数百种不同的混合物”。他说，该小组开发的用于观察这些不同配方在凝结过程中表现如何的新方法为开发这些特种水泥“打开了研究和创新的新环境”。

在极端条件下和存在各种腐蚀性化学物质的情况下，用于密封油井衬里的水泥通常必须在地表以下几百米甚至数千米处凝固。缓凝剂的研究通常是通过从井中取出固化的水泥样品进行实验室测试来完成的，但是此类测试并未揭示固化过程中发生的化学变化顺序的细节。

新方法使用了橡树岭国家实验室的一种独特的检测器设置，称为纳米级有序材料衍射仪或NOMAD，用于执行称为中子对分布函数分析或PDF的过程。该技术可以在材料中原位检查原子对的分布，这些原子对模仿在真实油井深处遇到的实际条件。

该论文的合著者ORNL的Thomas Proffen说：“由于NOMAD具有高通量和中子对轻元素(如氢)的敏感性，因此它非常适合研究复杂的结构问题，例如了解混凝土中的水合作用。”

实验表明，在广泛使用的缓凝剂材料中起作用的主要机理是硬化水泥中钙离子的消耗，钙离子是硬化过程中的关键成分。由于存在的钙离子较少，固化过程会大大减慢。这些知识应有助于实验人员确定可以产生相同效果的不同化学添加剂。

钻油井时，下一步是插入钢套管以保护井眼的完整性，防止松散的材料塌陷到井中并造成堵塞。这些套管还可以防止处于高压下的石油和天然气逸出到周围的岩石和土壤中，并迁移到地表，甲烷的泄漏在该地表中可对气候变化起重要作用。但是，套管和井眼之间始终有一个可达几英寸的空间。该空间必须充满水泥浆，以防止泄漏并保护钢衬免于暴露于水和腐蚀性化学药品中，否则可能导致其失效。

甲烷是一种比二氧化碳强得多的温室气体，因此限制其逸出是限制油气井对全球变暖的重要贡献。

Buyukozturk说：“井中的甲烷，水和各种化学物质都会产生腐蚀问题。” “此外，井眼的圆周区域靠近地壳中具有不稳定性的部分，因此材料可能会掉入孔中并损坏套管。” 防止这些不稳定的方法是将水泥通过套管泵入井眼与套管之间的区域，从而提供“区域隔离”。然后，水泥提供了液压密封，以使水和其他流体远离套管。

他说，但是在深处发现的高温和高压呈现出一种“对材料最糟糕的事情”的环境，因此了解这些恶劣环境如何影响材料及其化学性质至关重要。他们尽自己的努力来密封油井。

本文的主要作者Kupwade-Patil说，这种研究固化过程的新方法提供了一种“精确理解该过程的方法，因此我们可以设计下一代的阻燃剂”。“这些阻滞剂非常重要，”不仅用于保护环境，而且还用于防止由于油井损坏或泄漏而造成的严重经济损失。他说，在水泥密封过程中，“密封件的损失很严重，因此您不能承担任何失误” 。

“大约30年前获得博士学位后，我的第一项工作就是改善油井固井质量，”加利福尼亚大学土木与环境工程学院Roy W. Carlson杰出教授Paulo Monteiro说没有参与这项工作的伯克利。“当时，有限的复杂的表征技术是有限的，因此，很高兴看到X射线和中子全散射法被用于研究在存在化学混合物的情况下油井水泥的水合作用。” 他补充说，这些新方法“有潜力指导量身定制的外加剂的开发，可以显着改善油井固井性能。”