一种干热岩生产井保温固井水泥体系的制作方法

[0001]
本发明涉及水泥浆体系技术领域，具体涉及一种干热岩生产井保温固井水泥体系。


背景技术：

[0002]
随着我国经济的快速发展，能源短缺和环境污染问题日益显著，对清洁型能源的需求急剧增加。地热资源作为一种清洁、环保、储量巨大的自然资源，被人类认为是一种重要的可开发资源。干热岩是地热资源中的一种，是一种没有水或蒸汽的热岩体，埋藏于距地表2-6km的深处，温度大约150-650℃。目前，干热岩主要用于发电，通过深井将水注入地下干热岩层中，使其渗透进入岩层的缝隙并吸收地热能量，水被加热至高温后进入生产井，取出的水、汽温度可达150-200℃，通过热交换及地面循环装置用于发电；冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用。
[0003]
由于干热岩岩石具有低渗透的特性，通过深井注入的介质并不能自行到达生产井，需要通过人工方法在高温岩体中建造一个热储层，即增强型地热系统（egs)。在增强型地热系统中，水被加热至高温后从生产井流出，由于高温水的温度高于井筒，水与井筒之间的热传递将导致水温降低，最终导致热水效用降低。为了避免被加热至高温的水介质的热量流失，要求完井系统具有良好的保温效果。此外，生产井的温度除了受到地层温度的影响，还面临高温水介质温度变化的影响。当高温水介质温度变化时，水泥环将面临由于温度变化导致的复杂热应力环境。
[0004]
此外，水泥环还面临温度变化导致的复杂热应力环境。干热岩生产井在固井工作完成后，水泥环与地层的温度一致，自上而下井内温度随井深增加而升高。开始进行生产后，被干热岩层加热至高温的高温高压水从生产井流向地面，通过热传递把套管和水泥环加热至高温，由于套管与水泥环热膨胀系数的差异，水泥环在第一界面将面临来自轴向和周向的拉应力，同时面临径向的压应力。因此干热岩生产井固井水泥不仅要求具有良好的施工性能、高温强度稳定性，还需要有低导热系数、高韧性的要求。
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目前对干热岩高温固井水泥浆体系的研究较少，在实施过程中仅关注了高温固井水泥的施工及耐高温性能。
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cn201610053575.9介绍了一种干热岩用高温固井水泥浆，该水泥浆含有如下组分：油井g级水泥；以油井g级水泥的质量为100％计的：40-60％的强度处理剂；3-5％的缓凝剂；3-5％的减阻剂；3-5％的降失水剂；0.05-0.1％的消泡剂；63-72％的水。刘会斌等在文献《青海共和盆地干热岩gr1井超高温固井水泥浆技术》中介绍一种高温固井水泥浆体系，通过优选耐温降失水剂、高温大温差缓凝剂及高温强度稳定剂，水泥浆可以满足循环温度为200℃的固井要求。
[0007]
在高温油气井固井领域中对高温固井水泥有一定的研究成果，但研究范围限于改善高温强度稳定性和韧性。cn201110403225.8 介绍了一种高温高密度韧性固井水泥浆，具体组成为h级油井水泥100份、硅石粉30-40份、gm加重剂80-120份、悬浮剂0.6-0.8份、高温
降失水剂4-6份、分散剂4.0-5.0份；消泡剂0.1份、nacl5.0-6.0份、胶乳3份、水57.35-59.72份。该水泥浆抗温达到160℃，通过加入胶乳来改善水泥石高温韧性。cn201710179424.2介绍了一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系及其制备方法，具体组分为油井水泥、粗石英砂、细石英砂、纳米二氧化硅、降失水剂、分散剂和水，通过加入纳米二氧化硅改善水泥石的韧性。
[0008]
由于干热岩生产井要求固井水泥环具有高温强度稳定性、高韧性和低热传导率，上述固井水泥体系均不能有效满足干热岩生产井固井水泥的性能要求。


技术实现要素：

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本发明的目的在于提供一种干热岩生产井保温固井水泥体系浆体系，同时具有高温强度稳定性、高韧性和低热传导率，解决了现有的固井水泥在稳定性、高韧性以及低热传导率上达不到增强型地热系统施工要求的问题。
[0010]
本发明通过下述技术方案实现：一种干热岩生产井保温固井水泥体系，按重量百分比计由以下原料组成：低水化热水泥或低钙硅比水泥
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70-88%；高温强度稳定剂
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10.5-25%；保温材料
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1-8%；高温增韧剂
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0.5-4%；优选的，所述低水化热水泥的c2s含量≥40%，比表面积为280-330m2/kg，7d水化热≤240kj/kg。
[0011]
优选的，所述低钙硅比水泥的化学成分中氧化钙/氧化硅摩尔比为1.8-2.2。
[0012]
优选的，所述高温强度稳定剂为废弃混凝土粉，sio2含量≥70%，粉体细度≥300目。
[0013]
优选的，所述保温材料为空心玻璃微珠、改性铝粉中的一种。
[0014]
优选的，所述空心玻璃微珠材质为硼硅玻璃，直径10-70
µ
m，抗压强度30-100mpa。
[0015]
优选的，所述改性铝粉为表面经氧化处理后的铝粉，粉体细度≥200目。
[0016]
优选的，所述高温增韧材料为碳化硅晶须，晶须长度为10-100
µ
m，直径为200-600nm，热膨胀系数为2.5-2.9
×
10-6
k-1
。
[0017]
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：（1）、本发明中，该固井材料具有良好的保温性能：在固井水泥中加入保温材料可以起到两个方面的作用。一方面，在水泥石内部形成空腔结构，由于处于干热岩环境中，即使后期空腔结构被破坏，空腔内仍以气体介质为主，这是一种良好的绝热载体，有效减少了水泥石内部的热流通道，从而降低了水泥的导热系数；另一方面，加入的保温材料在高温水热环境下具有良好的活性，将于水溶液中的ca
2+
反应，形成高温水化产物，与基体结合良好，有效减小由于内部孔隙结构导致的强度降低问题。
[0018]
（2）、本发明中，该固井材料具有良好的韧性：碳化硅具有良好的高温性能，与水泥基体结合良好，有效提高水泥石在高温条件下的抗拉强度，在遇到套管的热膨胀周向拉应力时，避免水泥环第二界面的开裂风险。
[0019]
（3）、本发明中，该固井材料具有良好的高温外加剂适应性和高抗压强度：采用低
热水泥或低钙硅比水泥在高温水热环境条件下，具有更好的抗压强度稳定性和外加剂适应性，其机理在于两个方面：一方面，高钙硅比的水泥水化反应时，由于石英砂溶液速率较慢的问题，导致水化产物中钙硅离子不是理想中均匀分布的状态，这种分布不均匀的状态导致部分区域仍存在高钙硅比水化产物的产生，这导致了水泥石的高温强度衰退的问题。通过采用低热水泥及低钙硅比水泥水化产物中的氢氧化钙含量更低，高温稳定剂加量更少，提高了水泥水化产物的均匀性，通过改善水泥高温水化产物的微观、介观结构分布，有效提高高温固井水泥高温强度稳定性；另一方面，低热水泥及低钙硅比水泥中的硅酸二钙含量高、水泥比表面积小，在高温条件下的水化速度更慢，所需要的高温缓凝剂、降失水剂掺量及适应性更好。
[0020]
（4）、本发明中，该固井材料具有绿色环保和低成本的特点：废弃混凝土主要由水泥、砂和骨料组成，其中部分混凝土中砂石骨料中的化学成分以二氧化硅为主，从成分上满足高温固井水泥的性能需求，采用废弃混凝土作为高温强度稳定剂有以下特点：a.绿色环保：废弃混凝土是城市建设中常见的固体废弃物，已成为一种重要的环境污染源，将废弃混凝土粉磨后作为高温固井水泥的强度稳定剂成为处理该类废弃物的有效方式之一；b.成本低、来源广：通过采用低热水泥或低钙硅比水泥作为主要材料后，对高温强度稳定剂的组分要求下降，放宽了对硅质材料中的二氧化硅含量要求，扩大了高温强度稳定剂的来源，降低高温固井水泥的成本。
附图说明
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图1是实施例1在240℃养护14d后的sem图。
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图2是实施例3在240℃养护14d后的sem图。
具体实施方式
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通过结合以下实例，对本发明进一步阐述说明，本发明包括但不限于以下实例内容。低水化热水泥和低钙硅比水泥均为嘉华特种水泥股份有限公司提供，高温强度稳定剂为废弃混凝土粉磨制备，碳化硅晶须秦皇岛一诺高新材料开发有限公司产品，空心玻璃微珠为安徽凯盛基础材料科技有限公司产品，改性金属铝粉为嘉华特种水泥股份有限公司研发产品。
[0024]
实施例1一种干热岩生产井保温固井水泥体系，属于水泥浆体系技术领域，采用低钙硅比水泥为基础水泥，c2s含量为50.2%，比表面积283m2/kg，7d水化热≤182kj/kg；废弃混凝土经破碎、粉磨后经控制粉体细度为300目，粉体中的sio2含量为73.4%；碳化硅晶须直径500nm，长度为50
µ
m，弹性模量为400gpa；具体组成如下：低钙硅比水泥88%+废弃混凝土粉10.5%+改性金属铝粉1%+碳化硅晶须0.5%，水灰比0.45，具体组成如下：
按上述表中的具体成分比例取原料，混合，按照gb/t 19139进行制备水泥浆，水灰比0.45，得固井水泥浆。并取样品，在240℃进行养护，结果见图示1。
[0025]
实施例2本实施例中，采用低钙硅比水泥为基础水泥，保温材料采用空心玻璃微珠，按下表中的比例加入材料，水灰比0.45，得固井水泥浆。
[0026]
实施例3本实施例中，采用低水化热水泥为基础水泥，具体组成如下表，水灰比0.45，得固井水泥浆。在240℃进行养护，结果见图示2。
[0027]
实施例4本实施例中，采用低水化热水泥为基础水泥，具体组成如下表，水灰比0.45，得固井水泥浆。在240℃进行养护，结果见图示2。
[0028]
对比例1该方案为常规高温固井水泥，具体组成为：g级高抗油井水泥65%+石英砂35%，水灰比0.44。
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实施例5本实施例是对按本发明中的技术方案制得的水泥浆性能的考察。
[0030]
将上述实施例1-4、对比例1中的得到的水泥浆样品，倒入铜模成型后放入高温养护釜中养护，养护温度为240℃，凝期为2d、7d、14d。采用三轴应力试验机检测水泥石养护14d后的弹性模量，采用热流法检测水泥石的热传导系数，检测结果见表1-1。
[0031]
表1-1：上表为实施例1-3、对比例1的样品的抗压强度、弹性模量和导热系数检测结果，实施例1-3中，由于加入了保温材料，固井水泥石的抗压强度绝对值较低，但在高温长期养护后，强度未出现下降趋势。由于加入增韧外掺料，实施例1-3样品的弹性模量明显低于g级加砂水泥。加入保温材料后，实施案例1样品的导热系数降低至0.31，仅为g级加砂水泥导热系数的1/3。
[0032]
结合图1、图2，样品在经过高温养护后，在内部形成球形孔洞，减少热流通通道，达到降低导热系数的目的。
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通过前述实施案例可知，本发明通过采用低水化热水泥及低钙硅比水泥，加入高温外掺料、保温材料及高温增韧材料后，有效改善了固井水泥的高温强度稳定性、韧性，降低了水泥石的导热性能能够满足干热岩生产井固井工程的性能要求。
[0034]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。