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研究生:林唐筠
研究生(外文):Tang-YunLin
論文名稱:超臨界二氧化碳環境下添加不同鈣矽比摻料對套管水泥力學、物理與化學性質之研究
論文名稱(外文):A Study of the Mechanical, Physical and Chemical Properties of API G well Cement with CaO and Different SiO2 Admixtures Exposed to Supercritical CO2 Environment.
指導教授:王建力王建力引用關係
指導教授(外文):Chein-Lee Wang
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:資源工程學系
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:115
中文關鍵詞:API-G 水泥氧化鈣二氧化矽超臨界二氧化碳碳酸化
外文關鍵詞:API Class GCaOSiO2supercritical CO2carbonation
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二氧化碳捕獲與封存是目前公認最有效的減碳技術之一,台灣西部濱海深部鹽水層具有百億噸以上龐大的封存潛能。但封存場址處於高溫、高壓且潮濕環境下,注入的二氧化碳會與水反應形成碳酸,影響隔離套管與井孔岩壁的套管水泥(API-G 水泥)並產生碳酸化反應,使得水泥材料的力學性質降低,進而造成二氧化碳洩漏,縮短有效封存的時間。
因此本研究針對上述情形規劃對套管水泥(API-G 水泥)及添加不同配比之氧化鈣與二氧化矽之套管水泥進行試驗。 試驗規劃分成水泥漿體及水泥塊體,水泥塊體置入模擬井底高溫高壓環境(45°C、25MPa之超臨界二氧化碳溶於去離子水),觀察經過不同反應時間(未反應、7、14、28、56、84 天)之物理、化學及微觀性質變化。研究結果發現在API-G水泥中添加5wt.%SiO2,會使鈣矽比明顯降低,矽原子分布較均勻,而微觀結構產生許多白色微小的矽晶體,此晶體能堆積填補孔隙使其結構更加緻密,增強水泥強度並降低透性,有較佳之防止水泥碳化而弱化之能力。
Carbon capture and storage (CCS) is regarded as one of the most effective carbon reduction technologies. Deep saline aquifers in the coast of western Taiwan have the potential for storing more than 10 billion tons of CO2. However, the storage site is exposed to high temperatures and pressures. Consequently, Injection of CO2 which reacts with water to form carbonic acid, results in the carbonation of the insulating casings as well as casing cement (API Class G) on the borehole. This reduces the mechanical properties of the cement material, thereby causing CO2 leakage and shortening storage time.
Therefore, this study proposes to carry a series of tests to the casing cement (API-G cement) and the additions of different proportions of calcium oxide and silica to casing cement (under a supercritical carbon dioxide dissolved in deionized water environment of 45°C and 25 MPa). The changes of physical, chemical and microscopic properties were observed after different reaction time (unreacted, 7, 14,28,56,84 days). The results show that the addition of 5wt. % SiO2 in API-G cement will make a significant reduction in the ratio of calcite to silicon, and a relatively uniform distribution of silicon atoms. Many tiny white silicon crystals produced in microstructures can fill the pores to make the structure denser, and enhance the strength of cement and reduce the permeability, preventing the cement carbonization in a better way.
摘 要 I
Extended Abstract II
SUMMARY II
INTRODUCTION III
MATERIALS AND METHODS IV
RESULTS AND DISCUSSIONS V
CONCLUSION XII
誌 謝 XIII
目 錄 XIV
表目錄 XVII
圖目錄 XVIII
第一章 緒論 1
1-1 研究動機與目的 1
1-2 研究內容與流程 4
第二章 文獻回顧 6
2-1 碳補捉與封存 6
2-2 二氧化碳經井孔洩漏之研究 8
2-2-1二氧化碳於封存中洩漏之實例 11
2-3 套管水泥 13
2-3-1 水泥漿體(密度、黏度、比重) 15
2-4二氧化碳對水泥之碳酸化機制 19
2-5二氧化碳於井底之封存狀態 23
2-6模擬水泥於井底環境下之相關試驗 24
2-7水泥添加摻料於井底環境下之相關試驗 37
2-8本研究室歷屆模擬井底環境下之相關研究 47
第三章 試驗材料與方法 53
3-1試體材料 53
3-2試體製成 55
3-3各項試驗設備與方法 61
3-3-1比重(Specific Gravity)量測 61
3-3-2黏度(Viscosity)量測 63
3-3-3透水試驗 66
3-3-4超聲波檢測 68
3-3-5單軸壓縮試驗 69
3-3-6碳化深度量測 72
3-3-7微觀結構與組成成份分析(SEM、EDS &Mapping) 73
第四章試驗結果與討論 75
4-1黏度與比重 75
4-2超聲波試驗之 P 波與 S 波速率 78
4-2-1 動態泊松比與動態楊氏模數 80
4-3 透水比 81
4-4 單軸壓縮強度 84
4-5 碳化深度 86
4-6 化學性質分析(SEM、EDS &Mapping) 87
4-6-1不同區域微觀結構之變化 87
4-6-2不同區域之相對含量與影像 94
4-7綜合討論 99
第五章 結論與建議 102
5-1 結論 102
5-2 建議 105
參考文獻 106


圖2- 19實驗溫度50°C反應後試體剖面圖 26
圖2- 20試驗模擬設備與試體 27
圖2- 21反應9天之表層顏色變化 27
圖2- 22反應不同天數之水泥試體的表面 28
圖2- 23反應器示意圖 30
圖2- 24壓縮強度與反應時間 30
圖2- 25不同氫氧化鈣與矽酸鈣水合物之SEM圖 30
圖2- 26不同碳酸鈣之SEM圖 31
圖2- 27二氧化碳與水泥相互作用的概念圖 31
圖2- 28 為不同環境下之碳化深度 32
圖2- 29模擬井底封存設備圖 33
圖2- 30 反應前後水泥之壓縮強度性質 34
圖2- 31反應前後水泥之滲透率性質 34
圖2- 32水泥接觸二氧化碳穿透深度比較圖 34
圖2- 33水泥樣品反應不同天數之背向散射電子影像 35
圖2- 34圖(1)試驗儀器、圖(2)反應環境 36
圖2- 35反應時間與壓縮強度之關係 36
圖2- 36試體碳化情形 38
圖2- 37透過添加奈米二氧化矽使漿體的流體損失量降低 40
圖2- 38水泥(1)添加與(2)未添加摻料後之 SEM 圖像 41
圖2- 39試體反應 48小時之壓縮強度 41
圖2- 40水泥碳化圖 42
圖2- 41未碳化水泥與碳化水泥之SEM圖像 43
圖2- 42反應器示意圖 44
圖2- 43試體腐蝕示意圖 44
圖2- 44不同環境下矽酸鈣水合物及氫氧化鈣之組成成分比例 46
圖2- 45不同纖維摻料對API-G級水泥斷裂韌度之影響 48
圖2- 46 API-G級水泥於不同超臨界二氧化碳環境中之斷裂韌度 49
圖2- 47單軸壓縮強度(API-G級水泥,反應0~84天) 51
圖2- 48 單軸壓縮強度趨勢圖 52
圖3- 1各項試驗之試體模具 56
圖3- 2試體製作流程圖 57
圖3- 3 超臨界二氧化碳反應設備示意圖 58
圖3- 4超臨界二氧化碳反應設備 59
圖3- 5超臨界二氧化碳反應設備 59
圖3- 6試體放入反應釜及組裝流程圖 60
圖3- 7比重秤 62
圖3- 8 黏度儀量測系統 65
圖3- 9數位式混凝土滲透儀器與試驗樣品 67
圖3- 10乾點式低頻超聲波探頭量測儀與量測方式69
圖3- 11載重系統 70
圖3- 12單軸壓縮試驗示意圖 71
圖3- 13碳化深度量測示意圖 72
圖3- 14試體反應後之不同縱深分區圖 74
圖3- 15低真空可變壓掃描式電子顯微鏡SU1510 74
圖4- 1黏度計試驗結果之黏度 77
圖4- 2黏度換算成雷諾數之結果 77
圖4- 3超聲波試驗之 P 波速率趨勢圖 79
圖4- 4超聲波試驗之 S波速率趨勢圖 79
圖4- 5動態泊松比趨勢圖 80
圖4- 6動態楊氏模數趨勢圖 80
圖4- 7反應前後之滲透試體圖示 82
圖4- 8四種配比反應0~84天之孔隙率 83
圖4- 9 五種配比反應0~84天之透水比83
圖4- 10單軸壓縮強度趨勢圖 85
圖4- 11碳化深度量測結果 86
圖4- 12水泥試體之SEM分析區域 88
圖4- 13 API-G水泥之SEM 89
圖4- 14 API-G+5wt.%CaO之SEM 90
圖4- 15 API-G+5wt.%SiO2之SEM 91
圖4- 16 API-G+8wt.%SiO2之SEM 92
圖4- 17 API-G+10wt.%SiO2之SEM 93
圖4- 18為API-G級水泥不同區域之相對組成圖 94
圖4- 19為API-G級水泥碳化區之鈣、矽原子分布情況 94
圖4- 20為API-G+5wt.%CaO不同區域之相對組成圖 95
圖4- 21為API-G+5wt.%CaO碳化區之鈣、矽原子分布情況 95
圖4- 22為API-G+5wt.%SiO2不同區域之相對組成圖 96
圖4- 23為API-G+5wt.%SiO2碳化區之鈣、矽原子分布情況 96
圖4- 24為API-G+8wt.%SiO2不同區域之相對組成圖 97
圖4- 25為API-G+8wt.%SiO2碳化區之鈣、矽原子分布情況 97
圖4- 26為API-G+10wt.%SiO2不同區域之相對組成圖 98
圖4- 27為API-G+10wt.%SiO2碳化區之鈣、矽原子分布情況99
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