一种用于地热井的高导热高保温水泥及其制备方法技术

本发明专利技术属于地热资源开发技术领域，具体涉及一种用于地热井的高导热高保温水泥及其制备方法，该高导热高保材料包括水、G级高抗硫酸盐型油井水泥、天然鳞片石墨、碳化硅和氧化铝；所述水与G级高抗硫酸盐型油井水泥的重量比为：0.42～0.60；所述天然鳞片石墨与G级高抗硫酸盐型油井水泥的重量比为：0.05～0.10；所述碳化硅、氧化铝的质量和与G级高抗硫酸盐型油井水泥的重量比为：0.02～0.04；碳化硅、氧化铝的质量比为1：1～2性。本发明专利技术配方设计科学合理，石墨、碳化硅、氧化铝均为无机材料，其材料本身导热性能优异，碳化硅和氧化铝可以起到进一步充填孔隙、密实基体，使材料之间相互连通作用，提高固井材料导热性能。提高固井材料导热性能。提高固井材料导热性能。

【技术实现步骤摘要】
一种用于地热井的高导热高保温水泥及其制备方法


[0001]本专利技术属于地热资源开发
，具体涉及一种用于地热井的高导热高保温水泥及其制备方法。

技术介绍

[0002]中深层“取热不取水”地热井固井，就是将水泥浆注入井壁与外管之间的环状空间的施工过程。目的是利用水泥浆的凝固封固环形空间，支撑和保护外管，防止地层流体对套管的腐蚀、阻止地层流体相互窜漏、保护产层，要求井下整个系统密闭不与地层发生流体交换，固井质量的好坏直接关系到地热井的寿命和地热资源的保护。必须充分考虑固井作业的全方面、全过程、所有环节。
[0003]长期以来，中深层“取热不取水”地热井固井基本延用油井水泥浆固井技术，油井固井技术经过多年研究、引进和实践，已经形成系列化的水泥、掺料、外加剂，建立了适用于各种类型油井固井的水泥浆体系和工艺技术。对于中深层“取热不取水”地热井固井，有别于油井水泥浆固井的是固井形成的水泥环是地热井换热器的组成部分，其导热系数直接影响着热储层段的换热效率，而油井水泥浆固井普遍没有考虑这一更高指标需求。选用较高导热系数的固井材料用于中深层“取热不取水”能够有效减小地下岩层与套管间的热阻，提升换热器热交换效率。
[0004]对于关中盆地施工地热井，由于地层压力低，存在井漏井段，下套管、循环、注水泥浆、顶替、候凝中极易发生井漏；热储层以第三系松散砂泥岩为主，切泥岩段长、摩擦阻力大，大尺寸套管下至设计井深难度大；根据工程建设标准《中深层地热地埋管供热系统应用技术规程DBJ61/T166
‑
2020》4.5.5固井应符合以下内容：固井作业后宜在钻孔作业施工结束后24h之内完成，防止施工过程中出现地下水窜层现象。要求一方面，在固井施工过程中，固井材料需要在狭窄复杂空间中克服流动阻力才能覆盖整个中深层地热井的固井层，要求固井材料具有良好的流动性，降低灌浆动力，避免固井事故；另一方面，采用导热性能不佳的固井材料会显著增加地热井井下换热过程中的热阻，在同等的采热量下，需要增加钻孔深度来弥补所需热量，致使初期成本投资及运行费用增加。
[0005]因此，地热固井材料的优化改进对于保证地热井的质量具有重要的现实需求和重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服传统技术中存在的至少一个上述问题，提供一种用于地热井的高导热高保温水泥及其制备方法。
[0007]为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术是通过以下技术方案实现：
[0008]一种用于地热井的高导热高保温水泥，该高导热高保材料包括水、G级高抗硫酸盐型油井水泥、天然鳞片石墨、碳化硅和氧化铝；
[0009]所述水与G级高抗硫酸盐型油井水泥的重量比为：0.42～0.60；
[0010]所述天然鳞片石墨与G级高抗硫酸盐型油井水泥的重量比为：0.05～0.10；
[0011]所述碳化硅、氧化铝的质量和与G级高抗硫酸盐型油井水泥的重量比为：0.02～0.04；碳化硅、氧化铝的质量比为1：1～2。
[0012]进一步地，上述用于地热井的高导热高保温水泥中，所述水为实验地自来水。
[0013]进一步地，上述用于地热井的高导热高保温水泥中，所述天然鳞片石墨主要成分为C，含碳量为99.99％；所述天然鳞片石墨的密度为2.25g/cm3，粒度为35μm，比表面积为115.9m2，导热系数为400W/(m
·
K)。
[0014]进一步地，上述用于地热井的高导热高保温水泥中，所述碳化硅为立方碳化硅，主要成分β
‑
SiC，纯度为99.99％；所述碳化硅的密度为3.2g/cm3，粒度为2.5
‑
3.5μm，导热系数为80W/(m
·
K)。
[0015]进一步地，上述用于地热井的高导热高保温水泥中，所述氧化铝的主要成分为α
‑
Al2O3，纯度为99.995％；所述氧化铝的粒度为1μm，密度为3.5g/m3，导热系数为33
‑
36W/(m
·
K)。
[0016]进一步地，上述用于地热井的高导热高保温水泥中，所述水与G级高抗硫酸盐型油井水泥的重量比为：0.45。
[0017]进一步地，上述用于地热井的高导热高保温水泥中，所述碳化硅、氧化铝的质量和与G级高抗硫酸盐型油井水泥的重量比为：0.03；碳化硅、氧化铝的质量比为1：2。
[0018]进一步地，上述用于地热井的高导热高保温水泥中，该方法为：采用分析天平对各组实验所需水量、水泥量、掺料量进行准确称量，倒入浆液杯中，使用搅拌器搅拌，搅拌时间3
‑
5min，即可制得所需高导热高保温水泥。
[0019]本专利技术的有益效果是：
[0020]1、本专利技术配方设计科学合理，石墨、碳化硅、氧化铝均为无机材料，其材料本身导热性能优异。石墨不参与水泥的水化反应，但可以促进水泥的水化进程，使水泥水化更充分，水化产物更多，有效减少未水化的水泥颗粒，使得高导热固井材料整体结构更密实，孔隙少，孔隙小，减少热量传递过程中的热阻，石墨虽然导热性能优良，但因为工程可行性原因，加量受到限制，而碳化硅和氧化铝可以起到进一步充填孔隙、密实基体，使材料之间相互连通作用。
[0021]2、由水泥基体和石墨、碳化硅、氧化铝组成无机复合固井材料，无机材料热量传导原理适用声子传热，即通过晶格振动，使能量从高温区向低温区传递。
[0022]3、关于水泥基材料导热机理的研究大多引用无机高分子材料的导热理论，目前应用较多的是“导热路径理论”，石墨、碳化硅、氧化铝在基体中均匀分散，通过相互接触形成了导热路径，导热路径进而相互连通形成导热网络，形成以电子传播为主的导热路径，加快热能传递速率，提高固井材料导热性能。
[0023]当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附
图。
[0025]图1是实施例中导热系数随水灰比变化曲线图；
[0026]图2是实施例中无机导热因子单掺试验导热系数变化曲线图；
[0027]图3是实施例中按照AHP法的层次结构模型建立示意图；
[0028]图4是实施例中按照AHP法的判断矩阵一致性检测示意图；
[0029]图5是实施例中按照AHP法的计算结果示意图；
[0030]图6是实施例中SPSSAU在线数据输入界面；
[0031]图7是实施例中SPSSAU在线计算结果界面；
[0032]图8是实施例中水泥浆液流变曲线图。
具体实施方式
[0033]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于地热井的高导热高保温水泥，其特征在于，该高导热高保材料包括水、G级高抗硫酸盐型油井水泥、天然鳞片石墨、碳化硅和氧化铝；所述水与G级高抗硫酸盐型油井水泥的重量比为：0.42～0.60；所述天然鳞片石墨与G级高抗硫酸盐型油井水泥的重量比为：0.05～0.10；所述碳化硅、氧化铝的质量和与G级高抗硫酸盐型油井水泥的重量比为：0.02～0.04；碳化硅、氧化铝的质量比为1：1～2。2.根据权利要求1所述的用于地热井的高导热高保温水泥，其特征在于：所述水为实验地自来水。3.根据权利要求1所述的用于地热井的高导热高保温水泥，其特征在于：所述天然鳞片石墨主要成分为C，含碳量为99.99％；所述天然鳞片石墨的密度为2.25g/cm3，粒度为35μm，比表面积为115.9m2，导热系数为400W/(m
·
K)。4.根据权利要求1所述的用于地热井的高导热高保温水泥，其特征在于：所述碳化硅为立方碳化硅，主要成分β
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SiC，纯度为99.99％；所述碳化硅的密度为3.2g/cm3，粒度为2.5
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭文，陈擎，张未，陈斌，孙虎，张胜龙，
申请(专利权)人：核工业二零三研究所，
类型：发明
国别省市：