CN113372045A - 一种地热开采低热阻低密度复合固井材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种地热开采低热阻低密度复合固井材料及制备方法，固相材料为100份，水为75～85份，胶乳为0.4份，消泡剂为0.1份；所述的固相材料，以重量份数计，由以下原料制成：混合鳞片石墨为2～10份，氧化石墨为0.2～0.8份，六方氮化硼为0.2～0.6份，聚丙烯腈基碳纤维为0.2～0.8份，沥青基碳纤维为0.5份，石英粉为9～15份，碳酸钙晶须为3～5份，硅灰为6～9份，粉煤灰为7份，高炉矿渣为4～6份，分散剂为0.2份，降失水剂为2份，早强剂为0.2份，晶格膨胀剂为0.5份，晶型稳定剂2份，余量为油井水泥，原料的重量份数之和为100份。本发明在满足固井性能指标要求的同时大大降低了固井材料传热热阻，有效提升地热取热效率。

Description

一种地热开采低热阻低密度复合固井材料及制备方法
技术领域
本发明属于地热领域，涉及固井材料，具体涉及一种地热开采低热阻低密度复合固井材料及制备方法。
背景技术
地热能是一种资源丰富、可持续利用、安全、绿色的可再生能源。相比煤、石油、天然气、页岩气和核能，地热能取之不尽；相比风能、太阳能，地热能不受季节、气候、昼夜变化等外部自然环境因素干扰，可持续利用。
我国地热资源约占全球地热资源总量的7.9％，尤其是中低温地热资源开发潜力巨大。近年来我国已初步形成地热能产业体系：以地源热泵为主的浅层地热，需占用一定场地且对全年冷热负荷平衡有要求，换热面积有限；以直接采水取热为主的水热型地热，受制于地质条件且尾水回灌率低，会引发环境问题而难以大规模推广；近年发展形成的“取热不取水”的中深层地埋套管换热技术，弥补了上述不足，成为地热能科学高效开发利用的热门方向。而处身于岩土层与换热器之间的固井材料(水泥环)的传热热阻，是中深层地埋套管换热系统高效换热所不可忽视的因素之一。
目前我国地热井施工沿用油气井钻井与固井工艺，而对于井深通常为两三千米的中深层地热井，考虑到由于分级注水泥施工程序复杂、钻井工期较长且成本较高，为满足其长封固段固井要求，可采取降低水泥浆密度的方法进行低压易漏地层固井。
而现有低密度固井材料均存在热阻较大(自身热阻及胶接界面接触热阻)的缺点，极大地影响了地层与换热器的传热效率。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种地热开采低热阻低密度复合固井材料及制备方法，解决现有技术中的低密度固井材料的热阻较大的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种地热开采低热阻低密度复合固井材料，以重量份数计，由以下原料制成：固相材料为100份，水为75～85份，胶乳为0.4份，消泡剂为0.1份；
所述的固相材料，以重量份数计，由以下原料制成：混合鳞片石墨为2～10份，氧化石墨为0.2～0.8份，六方氮化硼为0.2～0.6份，聚丙烯腈基碳纤维为0.2～0.8份，沥青基碳纤维为0.5份，石英粉为9～15份，碳酸钙晶须为3～5份，硅灰为6～9份，粉煤灰为7份，高炉矿渣为4～6份，分散剂为0.2份，降失水剂为2份，早强剂为0.2份，晶格膨胀剂为0.5份，晶型稳定剂2份，余量为油井水泥，原料的重量份数之和为100份。
本发明还具有如下技术特征：
所述的混合鳞片石墨为粒径分别为6.5μm、106μm和380～830μm的鳞片石墨以1:1:1的质量比组成的混合鳞片石墨。
所述的分散剂为三聚磷酸钠。
所述的降失水剂为聚乙烯醇型降失水剂。
所述的早强剂为亚硝酸钠。
所述的胶乳为丁苯胶乳。
所述的消泡剂为磷酸三丁酯消泡剂。
所述的水为80份。
本发明还保护一种地热开采低热阻低密度复合固井材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，先将固相材料的原料中除了氧化石墨和分散剂之外的原料搅拌混合均匀，得到干混料；
步骤二，再量取水并盛到恒速搅拌器的搅拌杯中，将胶乳加入到水中并搅拌均匀；然后向其中加入氧化石墨的粉末和分散剂，先用机械以12000r/min的高转速搅拌1min，然后使用超声分散3h，得到湿混料；
步骤三，将步骤一制得的干混料加入到步骤二制得的湿混料中，先用机械以12000r/min的高转速间歇搅拌3min，并添加消泡剂，制得地热开采低热阻低密度复合固井材料。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明针对现有低密度固井材料普遍存在传热性能欠佳的问题，研发了一种地热开采低热阻低密度复合固井材料，在满足固井性能指标要求的同时大大降低了固井材料传热热阻，有效提升地热取热效率。
(Ⅱ)本发明的低热阻低密度复合固井材料的密度在1.40～1.50g/cm3之间，具有流动性良好、体系稳定、强度可靠等优点，可满足地热开采低密度固井施工的性能指标要求。
(Ⅲ)本发明的低热阻低密度复合固井材料在低密度的基础上，自身热阻较低，其导热系数可达2.0W/(m·K)以上，第一、二界面胶结性能较好，有效降低了等效界面热阻。
(Ⅳ)本发明的地热开采低热阻低密度复合固井材料有效提高了地热开采系统取热效率，适用于地热资源开发技术领域。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
现有低密度固井材料自身热阻
Figure BDA0003130636100000041
(R为单位面积热阻，K/W；δ为厚度，m；λ为导热系数，W/(m·K)；)，如，固井材料密度为1.4-1.5g/cm3时其导热系数常低于0.8W/(m·K)(远低于导热系数最高可达3.98W/(m·K)的地下岩土层)，且密度越低其导热系数越低，即其自身热阻随密度降低而不断增大。在此，以较为常见的外直径为177.8mm的套管为例，通常使用Φ241mm钻头成孔直径245mm，则现有常见低密度固井材料自身单位面积热阻
Figure BDA0003130636100000042
Figure BDA0003130636100000043
倘若将密度为1.4-1.5g/cm3的固井材料导热系数提高到2W/(m·K)时，则其自身单位面积热阻为
Figure BDA0003130636100000044
降低了60％。
现有低密度固井材料与换热器壁面和岩土层的胶结界面(即第一界面和第二界面)的界面热阻
Figure BDA0003130636100000045
(RA为单位面积热阻，K/W；Δt为接触界面温差，K；q为通过界面的热流量密度，W/m2；Q为通过界面的热流量，W；A为接触面积，m)。第一、二界面胶结质量的好坏直接影响到界面接触热阻，一般胶结性能越好，胶接界面热阻越小。而现有低密度固井材料通常存在第二界面胶结性能欠佳等问题，使其与岩土层未能充分接触，增加了第二界面缝隙和空隙等缺陷，增大了其等效界面热阻。
考虑到第一界面和第二界面界面热阻的客观存在与影响，本发明为方便、有效、较为准确研究固井材料热阻的影响，将套管、固井材料及岩土体作为整体研究，则该整体传热热阻有自身传热热阻和胶结界面传热热阻两部分组成。其中整体自身传热热阻由套管、固井材料、岩土体以及套管与固井材料之间的间隙、固井材料与岩土体中的间隙共五部分构成，且整体自身传热热阻
Figure BDA0003130636100000051
(Rs为整体自身传热热阻，K/W；λ1、λ2、λ3、λ4、λ5分别岩土层、岩土层与固井材料(水泥环)之间的间隙、固井材料、固井材料与套管之间的间隙、套管的导热系数；d1、d2分别为套管内壁、外壁直径，d3、d4分别为水泥环内壁、外壁直径，d5、d6分别为岩土层内壁、岩土层影响范围内的外边界)；整体胶结界面传热热阻由固井材料与换热器壁面形成的第一界面和固井材料与岩土层形成的第二界面构成，且整体胶结界面热阻
Figure BDA0003130636100000052
(Ri、Ri1、Ri2分别为界面、第一界面、第二界面传热热阻，K/W；Δt为岩土层与套管之间的温差，K；Φ为单位时间内通过整体的热流量，W)。在此，以较为常见的外直径为177.8mm的套管为例，则d1为159.4mm，d2为177.8mm，d3为179.0mm，d4为240mm，d5为245mm，d6为1000mm，λ1、λ2、λ3、λ4、λ5分别为44.5W/(m·K)、0.02W/(m·K)、0.8W/(m·K)、0.02W/(m·K)、2.02W/(m·K)，则每m长度整体热阻R＝8.114×10-1m2·K/W；倘若采用本发明低热阻低密度复合固井材料，同样以外直径为177.8mm的套管为例，则d1为159.4mm，d2为177.8mm，d3为178.0mm，d4为243mm，d5为245mm，d6为20000mm，λ1、λ2、λ3、λ4、λ5分别为44.5W/(m·K)、0.02W/(m·K)、2.0W/(m·K)、0.02W/(m·K)、2.02W/(m·K)，则每m长度整体热阻R＝4.386×10-1m2·K/W，降低了30.2％。
由于目前国内外关于低密度固井材料热阻方面的研究甚少，因此，开展低密度固井材料自身热阻和界面热阻研究，研发低热阻低密度复合固井材料将对地热高效开发利用具有重要意义。
本发明中，原料的规格要求如下：
油井水泥：为G级高抗硫酸盐(HSR)型油井水泥；
混合鳞片石墨为粒径分别为6.5μm、106μm和380～830μm的鳞片石墨以1:1:1的质量比组成的混合鳞片石墨。
氧化石墨：由粒径为106μm的鳞片石墨经化学氧化制得，为单层石墨、石墨烯等的混合物。
六方氮化硼：平均粒径为5-10μm。
聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF)：长度为1mm、3mm、5mm的其中一种。
沥青基碳纤维(P-CF)：长度为13μm。
石英粉：平均粒径为48μm。
碳酸钙晶须：直径为0.5-2μm、长度为20-80μm。
硅灰：平均粒径为0.1-0.2μm。
粉煤灰：粒径为0.5-300μm。
高炉矿渣：粒径为150-270μm。
分散剂：三聚磷酸钠分散剂。
降失水剂：聚乙烯醇型降失水剂。
早强剂：亚硝酸钠早强剂。
晶格膨胀剂：采用本领域常用晶格膨胀剂即可。
晶型稳定剂：采用本领域常用晶型稳定剂即可。
水：采用本领域常用水即可。
胶乳：丁苯胶乳。
消泡剂：磷酸三丁酯消泡剂。
需要说明的是，本发明人中的所有原料，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的原料。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种地热开采低热阻低密度复合固井材料，以重量份数计，由以下原料制成：固相材料为100份，水为80份，胶乳为0.4份，消泡剂为0.1份；
所述的固相材料，以重量份数计，由以下原料制成：混合鳞片石墨为2份，氧化石墨为0.2份，六方氮化硼为0.2份，聚丙烯腈基碳纤维为0.2份，沥青基碳纤维为0.5份，石英粉为15份，碳酸钙晶须为3份，硅灰为9份，粉煤灰为7份，高炉矿渣为6份，分散剂为0.2份，降失水剂为2份，早强剂为0.2份，晶格膨胀剂为0.5份，晶型稳定剂2份，余量为油井水泥，原料的重量份数之和为100份。
本实施例的地热开采低热阻低密度复合固井材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，先将固相材料的原料中除了氧化石墨和分散剂之外的原料搅拌混合均匀，得到干混料；
步骤二，再量取水并盛到恒速搅拌器的搅拌杯中，将胶乳加入到水中并搅拌均匀；然后向其中加入氧化石墨的粉末和分散剂，先用机械以12000r/min的高转速搅拌1min，然后使用超声分散3h，得到湿混料；
步骤三，将步骤一制得的干混料加入到步骤二制得的湿混料中，先用机械以12000r/min的高转速间歇搅拌3min，并添加消泡剂，制得地热开采低热阻低密度复合固井材料(浆液)。
本实施例的固井材料性能测试结果如表1所示。
实施例2：
本实施例给出一种地热开采低热阻低密度复合固井材料，以重量份数计，由以下原料制成：固相材料为100份，水为80份，胶乳为0.4份，消泡剂为0.1份；
所述的固相材料，以重量份数计，由以下原料制成：混合鳞片石墨为6份，氧化石墨为0.5份，六方氮化硼为0.4份，聚丙烯腈基碳纤维为0.5份，沥青基碳纤维为0.5份，石英粉为12份，碳酸钙晶须为4份，硅灰为7.5份，粉煤灰为7份，高炉矿渣为5份，分散剂为0.2份，降失水剂为2份，早强剂为0.2份，晶格膨胀剂为0.5份，晶型稳定剂2份，余量为油井水泥，原料的重量份数之和为100份。
本实施例的地热开采低热阻低密度复合固井材料的制备方法与实施例1的制备方法基本相同。
本实施例的固井材料性能测试结果如表1所示。
实施例3：
本实施例给出一种地热开采低热阻低密度复合固井材料，以重量份数计，由以下原料制成：固相材料为100份，水为80份，胶乳为0.4份，消泡剂为0.1份；
所述的固相材料，以重量份数计，由以下原料制成：混合鳞片石墨为10份，氧化石墨为0.8份，六方氮化硼为0.6份，聚丙烯腈基碳纤维为0.8份，沥青基碳纤维为0.5份，石英粉为9份，碳酸钙晶须为5份，硅灰为6份，粉煤灰为7份，高炉矿渣为4份，分散剂为0.2份，降失水剂为2份，早强剂为0.2份，晶格膨胀剂为0.5份，晶型稳定剂2份，余量为油井水泥，原料的重量份数之和为100份。
本实施例的地热开采低热阻低密度复合固井材料的制备方法与实施例1的制备方法基本相同。
本实施例的固井材料性能测试结果如表1所示。
对比例：
本对比例为市面上较为常见的密度为1.40-1.45g/cm3的低密度固井材料，包括G级油井水泥、硅灰、粉煤灰、珍珠岩和外加剂。
本对比例低密度固井材料的制备方法如下所述：
步骤一，先将油井水泥、硅灰、粉煤灰、珍珠岩和降失水剂、早强剂、膨胀剂、稳定剂等外加剂粉末材料搅拌混合均匀，得到干混料；
步骤二，然后取配方量的水置于恒速搅拌器中，以4000r/min的低转速开始搅拌，缓慢加入油井水泥、降失水剂、早强剂、膨胀剂、稳定剂，15-20s内加入完毕，再以12000r/min的高转速搅拌45-60s，添加消泡剂，如此间歇搅拌3min，得到低密度固井材料(浆液)。
本对比例的固井材料性能测试结果如表1所示。
性能测试：
对实施例1-3所得的地热开采低热阻低密度复合固井材料和对比例的现有常用的低密度固井材料进行性能检测，具体测试结果见表1。
表1固井材料性能测试结果
Figure BDA0003130636100000091
Figure BDA0003130636100000101
由表1可知，对比例的固井材料自身传热热阻为85.06×10-3m2·K/W，实施例1、实施例2、实施例3的固井材料自身传热热阻分别为57.44×10-3m2·K/W、45.10×10-3m2·K/W、33.27×10-3m2·K/W，实施例1、实施例2和实施例3相比对比例的固井材料自身热阻分别降低32.48％、46.98％、60.89％。
对比例的固井材料胶结界面(第一、二界面)传热热阻为24.68×10-3m2·K/W，实施例1、实施例2和实施例3的固井材料自身传热热阻分别为19.47×10-3m2·K/W、15.05×10- 3m2·K/W、9.39×10-3m2·K/W，实施例1、实施例2和实施例3相比对比例的固井材料自身热阻分别降低32.48％、46.98％、60.89％。
实施例1、实施例2和实施例3相比对比例的固井材料界面热阻分别降低21.11％、39.02％、61.95％。
当按照传热热阻影响半径为20m考虑时，对比例的固井材料整体等效热阻为653.05×10-3m2·K/W，实施例1、实施例2和实施例3的固井材料自身传热热阻分别为475.98×10-3m2·K/W、462.42×10-3m2·K/W、448.00×10-3m2·K/W，实施例1、实施例2和实施例3相比对比例的固井材料自身热阻分别降低27.11％、29.19％、31.40％
综上所述，实施例1、实施例2和实施例3通过混合鳞片石墨、氧化石墨、六方氮化硼、聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、石英粉、碳酸钙晶须、硅灰、粉煤灰、高炉矿渣、胶乳以及外加剂的综合作用，在满足地热开采固井性能要求的同时，有效的降低了传统低密度固井材料自身传热热阻和胶结界面热阻，即降低了整体等效热阻，为地热高效开采提供了良好的解决方案。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见。

Claims (9)

1.一种地热开采低热阻低密度复合固井材料，其特征在于，以重量份数计，由以下原料制成：固相材料为100份，水为75～85份，胶乳为0.4份，消泡剂为0.1份；
所述的固相材料，以重量份数计，由以下原料制成：混合鳞片石墨为2～10份，氧化石墨为0.2～0.8份，六方氮化硼为0.2～0.6份，聚丙烯腈基碳纤维为0.2～0.8份，沥青基碳纤维为0.5份，石英粉为9～15份，碳酸钙晶须为3～5份，硅灰为6～9份，粉煤灰为7份，高炉矿渣为4～6份，分散剂为0.2份，降失水剂为2份，早强剂为0.2份，晶格膨胀剂为0.5份，晶型稳定剂2份，余量为油井水泥，原料的重量份数之和为100份。
2.如权利要求1所述的地热开采低热阻低密度复合固井材料，其特征在于，所述的混合鳞片石墨为粒径分别为6.5μm、106μm和380～830μm的鳞片石墨以1:1:1的质量比组成的混合鳞片石墨。
3.如权利要求1所述的地热开采低热阻低密度复合固井材料，其特征在于，所述的分散剂为三聚磷酸钠。
4.如权利要求1所述的地热开采低热阻低密度复合固井材料，其特征在于，所述的降失水剂为聚乙烯醇型降失水剂。
5.如权利要求1所述的地热开采低热阻低密度复合固井材料，其特征在于，所述的早强剂为亚硝酸钠。
6.如权利要求1所述的地热开采低热阻低密度复合固井材料，其特征在于，所述的胶乳为丁苯胶乳。
7.如权利要求1所述的地热开采低热阻低密度复合固井材料，其特征在于，所述的消泡剂为磷酸三丁酯消泡剂。
8.如权利要求1所述的地热开采低热阻低密度复合固井材料，其特征在于，所述的水为80份。
9.一种如权利要求1至8任一项所述的地热开采低热阻低密度复合固井材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，先将固相材料的原料中除了氧化石墨和分散剂之外的原料搅拌混合均匀，得到干混料；
步骤二，再量取水并盛到恒速搅拌器的搅拌杯中，将胶乳加入到水中并搅拌均匀；然后向其中加入氧化石墨的粉末和分散剂，先用机械以12000r/min的高转速搅拌1min，然后使用超声分散3h，得到湿混料；
步骤三，将步骤一制得的干混料加入到步骤二制得的湿混料中，先用机械以12000r/min的高转速间歇搅拌3min，并添加消泡剂，制得地热开采低热阻低密度复合固井材料。
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