CO₂ 环境固井水泥腐蚀劣化机理研究调研报告

报告编号：OGG-A-014 出品方：北京经纬智汇信息咨询有限公司 报告日期：2026年7月 保密级别：内部参考 版本：V1.0 所属专题：CCUS 封存井完整性与封隔材料（A 级专题）

执行摘要

CO₂ 地质封存与 CO₂-EOR（二氧化碳驱油）是我国"双碳"战略下油气行业规模化减排的核心技术路径，而封存井/注入井的井筒完整性是决定 CO₂ 能否长期（百年至千年尺度）安全封存的关键约束。井筒完整性的薄弱环节高度集中于固井水泥环——普通硅酸盐油井水泥（API Class G/H）在 CO₂ 富集环境下会发生不可逆的碳化-脱钙腐蚀劣化，直接威胁封存系统的密封性。本报告围绕该腐蚀劣化机理展开原理级深度剖析，兼顾技术路线、竞争格局与市场趋势，为经纬智汇及其客户在 CCUS 井工程材料领域的立项、选型与投资决策提供支撑。

核心发现如下：

第一，腐蚀机理已形成"多阶段反应链"共识，但速率预测仍存在实验室与现场的显著背离。 硅酸盐水泥在 CO₂-饱和盐水环境中经历"碳酸溶蚀→碳酸钙沉淀致密化→碳酸氢化再溶解脱钙"的多阶段演化，腐蚀前沿推进整体遵循扩散控制的 √t（平方根时间）规律。然而实验室加速实验（高温高压反应釜）中，水泥可在数周内出现 50%–65% 抗压强度损失；而 SACROC 油田经历约 30 年 CO₂ 驱的现场取心水泥样品却显示碳化仅局限于毫米级前沿、整体力学与密封性能仍然可控。这一背离揭示了实验室加速条件对真实井下缓慢扩散过程的过度放大，是当前长期完整性预测模型最大的不确定性来源。

第二，抗 CO₂ 固井技术已形成六条相对成熟的路线，但没有任何单一路线可通吃全部工况。 主流路线包括：①降钙硅比的火山灰/矿渣/硅灰改性硅酸盐水泥（成本最低、应用最广）；②铝酸钙水泥 CAC（抗酸性强但施工窗口窄、成本高）；③地质聚合物（无 Portlandite、抗碳化优异，但标准化与现场经验不足）；④树脂/聚合物基封隔材料（如 SLB 的 WellLock，密封性极佳但成本高、适用于局部封堵）；⑤纳米/乳胶/纤维增强改性；⑥自修复水泥（前沿探索）。选型本质是"抗蚀性能—施工性—成本—标准合规"的多目标权衡。

第三，全球竞争格局呈"油服巨头主导配方与服务、国家实验室主导机理、中国快速追赶应用"三层结构。 SLB（EverCRETE、WellLock）、Halliburton（CorrosaLock、Tuned系列）等国际油服巨头掌握核心抗 CO₂ 水泥配方专利与一体化服务能力；美国 NETL、Sandia、LBNL 及挪威 SINTEF、法国 IFPEN 等主导机理与长期预测研究；中国以中石油、中石化石油工程技术研究院、中国石油大学为主体，在齐鲁石化-胜利油田、吉林油田、恩平 15-1 等示范项目中实现工程应用，机理原创与高端外加剂仍存代际差距。

第四，市场处于由示范向规模化爆发的临界点。 全球 CCUS 市场规模预计从 2024 年约 58 亿美元增长至 2030 年约 177 亿美元（CAGR 约 20%+），井工程与固井材料作为强制性配套环节将同步放量；中国"3060"目标与 EPA Class VI、ISO 27914、NORSOK D-010 等标准体系的收紧，将进一步把"抗 CO₂ 固井"从可选项变为合规刚需。

关键行动建议（详见第 07 章）：技术选型上，短中期以"火山灰/矿渣改性硅酸盐水泥+局部树脂封隔"为主力组合，规避高成本特种水泥的全井段滥用；研发投入上，应聚焦长期腐蚀预测模型的实验室-现场标定、国产高端抗 CO₂ 外加剂与地质聚合物固井工艺；投资与合作上，优先卡位注入井固井材料与井筒完整性监测评价服务两个高确定性赛道。

01 · 调研背景与目标

1.1 调研缘起与问题意识

在全球碳中和进程与我国"碳达峰、碳中和"战略框架下，CCUS（Carbon Capture, Utilization and Storage，碳捕集、利用与封存）被 IEA、IPCC 等权威机构一致列为难以替代的规模化减排技术，尤其对钢铁、水泥、化工、燃煤电厂等难减排行业不可或缺。油气行业凭借其成熟的地下作业能力、废弃油气藏与咸水层资源，天然成为 CO₂ 地质封存与 CO₂-EOR 的主力实施方。

然而，CO₂ 地质封存要求封存体系在数百年乃至上千年尺度保持密封。封存/注入井作为贯穿盖层、连通地表与储层的人工通道，是整个封存系统中唯一由人工材料构成、且最可能率先失效的泄漏路径。井筒完整性一旦丧失，被封存的 CO₂ 可能沿井筒上窜污染浅层地下水、返回大气，使减排努力前功尽弃，并触发安全与合规风险。

在井筒各屏障中，固井水泥环的化学耐久性是最受关注、也最脆弱的一环。占据全球油井固井绝对主导地位的普通硅酸盐水泥（Portland Cement，API Class G/H）本质上是碱性钙基胶凝材料，其水化产物在酸性 CO₂ 环境下热力学不稳定，会发生碳化-脱钙腐蚀劣化。因此，深入理解 CO₂ 环境下固井水泥的腐蚀劣化机理、准确预测其长期演化、并据此优化抗蚀材料选型，成为 CCUS 井工程能否安全落地的底层技术命题。

1.2 核心调研问题

本报告聚焦回答以下关键问题：

• 机理层面：CO₂（尤其超临界 CO₂ 及 CO₂-饱和盐水）如何与油井水泥的水化产物发生反应？腐蚀劣化经历怎样的阶段演化？其对孔隙结构、渗透率、力学强度的影响规律如何？
• 量化层面：腐蚀前沿的推进速率遵循何种规律？实验室数据与现场取心数据为何存在背离？如何据此建立可信的长期完整性预测？
• 材料层面：抗 CO₂ 腐蚀的固井水泥体系与外加剂有哪些技术路线？各自的原理、性能、成本与适用工况如何？
• 格局层面：全球研究机构、油服公司在该领域的技术布局、核心专利、竞争态势如何？中国与国际的差距在哪里？
• 决策层面：面向立项、选型、投资，应采取怎样的技术路线组合与行动路径？

1.3 调研范围界定

• 技术对象：油井固井水泥（以硅酸盐 Class G/H 为主，兼及特种水泥体系），CO₂ 封存井、CO₂-EOR 注入井、废弃井封堵场景。
• 地域范围：全球视野，重点覆盖北美（美国、加拿大）、欧洲（挪威、法国、荷兰）与中国，并进行国际-中国对比。
• 时间视角：全时间轴，梳理从早期油田酸性气腐蚀认知（20 世纪中后期）→CCS 项目驱动的系统研究（2000 年代至今）→未来技术演进的完整脉络。
• 颗粒度：宏观（市场与格局）+中观（技术路线与产业链）+微观（反应机理与具体案例）多层次结合。

1.4 调研方法说明

本报告采用多源信息交叉验证方法，优先援引：SPE（石油工程师协会）技术论文、《International Journal of Greenhouse Gas Control》《Cement and Concrete Research》《Energy Procedia》等 CCS 与水泥材料核心期刊、美国 NETL 及 IEA GHG 技术报告、Global CCS Institute 行业报告、主要油服公司技术白皮书，以及中国知网、《石油学报》《石油钻探技术》等中文文献。所有关键数据均标注来源机构与年份（详见配套《参考文献汇总》）。

02 · 技术现状全景

2.1 技术定义与核心原理（白话版）

固井水泥环是套管与地层岩石之间填充的水泥保护层，其两大核心功能是：①提供层间封隔（zonal isolation），阻止不同地层流体（尤其是被封存的 CO₂）沿井筒环空上窜；②支撑并保护套管。可以把它理解为封存井这道"人工屏障"的密封填缝剂。

问题在于，通用油井水泥是碱性钙基材料：水泥水化后主要生成两类关键物相——提供强度的 C-S-H（水化硅酸钙凝胶）和提供碱性缓冲的 Ca(OH)₂（氢氧化钙，即 Portlandite/氢氧钙石），另有少量钙矾石类物相（AFt/AFm）。而 CO₂ 溶于水后形成酸性的碳酸，会与这些碱性物相发生反应，逐步"侵蚀"水泥的骨架。这就好比把一块混凝土长期泡在碳酸水里，表层会被慢慢"啃"掉——只不过井下是超临界高温高压环境，过程更复杂。

关键区别：CO₂ 对水泥的腐蚀，并非简单的"溶解"，而是先"碳化致密"、再"脱钙软化"的两面过程，理解这一双向性是把握其长期行为的核心（详见第 04 章机理剖析）。

2.2 发展脉络与成熟度评估

CO₂ 环境固井水泥研究的历史演进大致可分为三个阶段：

总体成熟度判断：腐蚀反应的定性机理已达成学界共识（TRL 高、成熟）；加速实验方法相对成熟但标准化不足；长期（百年尺度）定量预测模型仍处于发展中（不确定性大）；抗 CO₂ 新型固井材料中，改性硅酸盐水泥已工业化应用（成熟），地质聚合物、树脂基、自修复等处于示范至中试阶段（TRL 4–7 不等）。

2.3 国内外整体发展现状

国际：以美国 NETL、Sandia、LBNL 及欧洲 SINTEF（挪威）、IFPEN（法国）、BGS（英国）为代表的国家级研究机构，主导了腐蚀机理与长期封存完整性的基础研究；SLB、Halliburton 等油服巨头则将研究成果转化为商业化抗 CO₂ 固井产品与一体化服务，形成"机理研究—产品开发—工程服务"的完整闭环。北美依托丰富的 CO₂-EOR 历史数据（尤其 SACROC、Weyburn）积累了独一无二的长期现场证据。

中国：起步略晚但追赶迅速。中石油、中石化下属石油工程技术研究院、中国石油大学（华东/北京）、西南石油大学等，在抗 CO₂ 固井水泥体系、井筒完整性评价方面产出大量研究，并在齐鲁石化-胜利油田 CCUS（我国首个百万吨级）、吉林油田 CO₂-EOR、中海油恩平 15-1（海上首个）等示范项目中实现工程应用。差距主要体现在原创机理研究深度、长期预测模型、高端抗蚀外加剂的自主化，以及缺乏北美那样的数十年现场取心数据积累。

*图 2-1 全球 CO₂ 环境固井水泥研究与应用地理分布及时间演进图*