CO2貯留（CCS）のためのG級セメントの最適化：フライアッシュと卵殻粉の混合が坑井セメントの完全性に及ぼす影響に関する包括的研究

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:The paper offers a systematic approach to designing CO2-resistant cement with self-healing properties, providing a foundation for further microstructural optimization.

🏢実務担当者:Cement manufacturers and CCS operators can adopt the FA/ESP blend to enhance wellbore integrity and reduce leakage risk, potentially lowering operational costs.

🏛政策担当者:Regulators can cite this evidence to refine CCS well integrity guidelines and promote sustainable cement formulations in storage projects.

二酸化炭素回収・貯留（CCS）はネットゼロ排出を達成するための重要な経路であるが、CO2に富む条件下での長期的な坑井セメント完全性の維持は依然として主要な技術的課題である。従来のClass Gセメントは、炭酸化–溶解反応に対して非常に脆弱であり、これにより空隙率と浸透率が増加し、機械的強度が弱まり、最終的にはゾーン分離が損なわれる。これらの劣化プロセスは、貯留の安全性を脅かし、CO2貯留効率を低下させる潜在的な漏出経路を生み出す。本研究は、フライアッシュ（FA）と廃棄物由来の卵殻粉末（ESP）を補助セメント材料として用いたClass Gセメントの系統的最適化を提示する。目的は、CO2耐性配合を開発し、模擬坑内条件下での地盤力学・岩石物理学・地球化学的性能を定量的に評価し、耐久性向上の原因となる微細構造メカニズムを特定することである。FAとESPの間の相乗的なカルシウム–シリカ相互作用を活用して細孔構造を根本的に再設計する、新規の配合戦略が導入される。従来の細孔径低減を超えて、このアプローチは細孔ネットワークの非連結化を主要なシール機構として促進し、同時にCO2曝露下での自己修復（自律的シール）応答を可能にする。ESP由来の反応性カルシウム相の存在は炭酸塩析出を促進し、微小亀裂と細孔スロートがin situ鉱化作用を通じて段階的にシールされることを可能にする。セメントシステム［ベースセメント（BS）、FA/ESP（75%/25%）、およびFA/ESP（50%/50%）］は、CO2飽和ブライン中、高圧・高温エージング（2000 psi、170 °C）を最長60日間受けた。包括的特性評価は、核磁気共鳴、超音波伝播（Auto-Lab 1500）、X線回折、および走査型電子顕微鏡を用いて実施された。FA/ESP（75%/25%）配合は優れた性能を示し、浸透率の75%低減（ベースセメントの0.045 mDに対して0.01125 mD）と空隙率の82.22%減少を達成し、一方ベースセメントは56.7%の増加を示した。機械的特性は大幅に改善され、ヤング率で19.5%、ポアソン比で19.3%の増加が観察され、構造的復元力の向上を示した。鉱物学的分析により、方解石の漸進的形成（46.4%から56.5%）が明らかになり、化学的劣化を強化メカニズムに変換する活発なCO2鉱化作用が確認された。これらの知見は、浸透率を低減し、漏出リスクを最小化し、長期的な閉じ込めを改善することにより、坑井完全性とCO2貯留効率を直接的に向上させる。細孔ネットワークの非連結化と改善された機械的強度は、持続的なゾーン分離を保証し、一方CO2駆動の鉱化作用は、細孔および微小亀裂内での方解石析出を通じた自己シールを可能にする。産業副産物と農業廃棄物の新規な統合は、持続可能で費用対効果の高い解決策を提供し、地質学的炭素貯留における耐久性のある自己修復セメントシステムの新たなパラダイムを確立する。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

Carbon capture and storage (CCS) is a critical pathway for achieving net-zero emissions; however, maintaining long-term wellbore cement integrity under CO2-rich conditions remains a major technical challenge. Conventional Class G cement is highly vulnerable to carbonation–dissolution reactions, which increase porosity and permeability, weaken mechanical strength, and ultimately compromise zonal isolation. These degradation processes create potential leakage pathways that threaten storage security and reduce CO2 storage efficiency. This study presents a systematic optimization of Class G cement using fly ash (FA) and waste-derived eggshell powder (ESP) as supplementary cementitious materials. The objectives are to develop CO2-resistant formulations, quantitatively evaluate geomechanical, petrophysical, and geochemical performance under simulated downhole conditions, and identify the microstructural mechanisms responsible for enhanced durability. A novel formulation strategy is introduced, leveraging synergistic calcium–silica interactions between FA and ESP to fundamentally redesign the pore structure. Beyond conventional pore size reduction, this approach promotes pore network disconnection as the dominant sealing mechanism while simultaneously enabling a self-healing (autonomous sealing) response under CO2 exposure. The presence of reactive calcium phases from ESP enhances carbonate precipitation, allowing microcracks and pore throats to be progressively sealed through in situ mineralization. Cement systems [base cement (BS), FA/ESP (75%/25%), and FA/ESP (50%/50%)] were subjected to high-pressure, high-temperature aging (2000 psi, 170 °C) in CO2-saturated brine for up to 60 days. Comprehensive characterization was performed using Nuclear Magnetic Resonance, ultrasonic wave propagation (Auto-Lab 1500), X-ray diffraction, and Scanning Electron Microscopy. The FA/ESP (75%/25%) formulation exhibited superior performance, achieving a 75% reduction in permeability (0.01125 mD vs 0.045 mD for base cement) and an 82.22% decrease in porosity, while base cement showed a 56.7% increase. Mechanical properties improved significantly, with increases of 19.5% in Young’s modulus and 19.3% in Poisson’s ratio, indicating enhanced structural resilience. Mineralogical analysis revealed progressive calcite formation (46.4% to 56.5%), confirming active CO2 mineralization that transforms chemical degradation into a strengthening mechanism. These findings directly enhance wellbore integrity and CO2 storage efficiency by reducing permeability, minimizing leakage risk, and improving long-term containment. Pore network disconnection and improved mechanical strength ensure sustained zonal isolation, while CO2-driven mineralization enables self-sealing through calcite precipitation within pores and microfractures. The novel integration of industrial byproducts and agricultural waste offers a sustainable, cost-effective solution, establishing a new paradigm for durable, self-healing cement systems in geological carbon storage.

• semanticscholar https://doi.org/10.1021/acsomega.5c12873first seen 2026-06-23 06:01:34 · last seen 2026-09-22 05:06:20