地?zé)峋叹牧蠈?dǎo)熱性能影響因素

張 浩，徐拴海，楊 雨，韓永亮，張衛(wèi)東，李永強(qiáng)

地?zé)峋叹牧蠈?dǎo)熱性能影響因素

張 浩1,2，徐拴海2，楊 雨1,2，韓永亮2，張衛(wèi)東2，李永強(qiáng)1,2

(1. 煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

固井材料導(dǎo)熱性能是影響地?zé)峋嵝Ч囊蛩刂?。為提升地?zé)峋叹牧蠈?dǎo)熱系數(shù)，采用正交試驗(yàn)，借助層次分析–指標(biāo)重復(fù)性相關(guān)(AHP-CRITIC)混合加權(quán)法和極差分析，進(jìn)行固井材料導(dǎo)熱性能研究。結(jié)果表明：添加天然鱗片石墨、鐵粉和石英砂均可提高固井材料導(dǎo)熱系數(shù)，其中石墨對導(dǎo)熱系數(shù)的提升作用最為顯著，鐵粉次之，石英砂最小；石墨摻量和水固比分別是影響固井材料綜合性能的主次要因素；隨著石墨摻量遞增，其導(dǎo)熱系數(shù)遞增、48 h抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度均遞減；得出高導(dǎo)熱固井材料的優(yōu)選配合比為：水固比值0.44，石墨、鐵粉和石英砂摻量分別占水泥質(zhì)量的7.5%、3%、2%，其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1.87 W/(m·K)，較常規(guī)固井材料提高約70%。研究成果可為地?zé)崮芨咝ч_發(fā)利用提供參考。

地?zé)崮埽还叹牧?；?dǎo)熱系數(shù)；正交試驗(yàn)；層次分析–指標(biāo)重復(fù)性相關(guān)(AHP-CRITIC)混合加權(quán)法；極差分析

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，面對愈發(fā)突出的能源供需矛盾及生態(tài)環(huán)境問題，調(diào)整優(yōu)化能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、大力發(fā)展低碳環(huán)保的可再生能源成為必然之舉。地?zé)崮茏鳛橐环N資源豐富、不受外部自然環(huán)境干擾、可持續(xù)利用、安全、綠色的可再生清潔能源，更是被提升到國家能源戰(zhàn)略高度[1-3]。

我國地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富，約占全球地?zé)豳Y源總量的7.9%，其中，水熱型地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤12 500億t；336個(gè)地級以上城市淺層地?zé)崮苜Y源每年可開采量折合標(biāo)準(zhǔn)煤7億t[4]。面對如此豐富的地?zé)釋毑?，如何高效開發(fā)利用成為重中之重。

近年來，國內(nèi)外在油井水泥及外加劑、水泥漿體系等方面取得了長足進(jìn)步，逐漸形成較完備的常規(guī)固井材料體系[5]。然而，現(xiàn)有常規(guī)固井材料(水泥石)導(dǎo)熱系數(shù)通常不高于1.1 W/(m·K)，低于導(dǎo)熱系數(shù)為0.83~3.98 W/(m·K)的地下巖土[6]。而且，T. Kohl等[7]發(fā)現(xiàn)影響同軸型換熱系統(tǒng)出口換熱溫度低于預(yù)期的原因之一為水泥與套管間的熱阻；李瑞霞等[8]認(rèn)為固井水泥石導(dǎo)熱性能對同軸型換熱系統(tǒng)取熱效果影響程度隨地層導(dǎo)熱系數(shù)、地溫梯度及井深增加而明顯增加。因此，開展高導(dǎo)熱固井材料研究將對提高地?zé)峋嵝Ч?、?shí)現(xiàn)地?zé)崮芨咝Ю镁哂兄匾饬x。

目前，國內(nèi)外針對固井材料研究多集中于物理力學(xué)性能和細(xì)微觀結(jié)構(gòu)研究[9-12]；關(guān)于建筑施工材料導(dǎo)熱性能研究[13]的關(guān)注點(diǎn)大都在于提高其保溫性能；部分研究[14-15]著眼于提高混凝土熱學(xué)性能，鮮有專門針對地?zé)峋叹牧蠈?dǎo)熱性能的研究。鑒于此，本文以我國固井工程中最為常用的G級高抗硫酸鹽(HSR)型油井水泥為基體材料，選取石墨、鐵粉和石英砂為導(dǎo)熱分散相，采用正交試驗(yàn)，基于層次分析—指標(biāo)重復(fù)性相關(guān)(AHP-CRITIC)混合加權(quán)法和極差分析，進(jìn)行地?zé)峋嗷叹牧蠈?dǎo)熱性能影響因素研究和高導(dǎo)熱固井材料研發(fā)，以期為地?zé)峋嵝Ч嵘峁﹨⒖肌?/p>

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

a. 水 泥 G級HSR(高抗硫酸鹽)型油井水泥。

b. 導(dǎo)熱強(qiáng)化材料 包括天然鱗片石墨(GP)、普通鐵粉(Fe)、精制石英砂(Sa)，其中，天然鱗片石墨具有較高導(dǎo)熱系數(shù)、較易獲取且具有化學(xué)惰性，普通鐵粉則較易獲取、價(jià)格較低且不會(huì)對固井水泥石耐久性產(chǎn)生不利影響[16-17]；具體技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。

c. 外加劑 降失水劑、膨脹劑、流變劑、早強(qiáng)劑、緩凝劑、穩(wěn)定劑和消泡劑等。

表1 導(dǎo)熱強(qiáng)化材料主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

1.2 試樣制備及測試方法

參照油井水泥及水泥石相關(guān)規(guī)范，按照相應(yīng)質(zhì)量比稱取拌合水、G級HSR型油井水泥、導(dǎo)熱強(qiáng)化材料和外加劑。先將水倒入OWC-9040A型恒速攪拌器的攪拌杯中，以4 000 r/min進(jìn)行低速攪拌，在15 s內(nèi)將由導(dǎo)熱強(qiáng)化材料、水泥及粉末外加劑混合而成的干混料緩慢倒入漿杯，隨即以12 000 r/min高速攪拌35 s，期間加入3~5滴消泡劑，漿液配置完畢。

分別使用YM-3型液體密度計(jì)、OWC-9508D型高溫高壓失水儀和OWC-9040H型增加稠化儀對配制好的固井漿液進(jìn)行密度、靜態(tài)濾失量、游離液和稠化時(shí)間測試；分別使用截錐圓模和沉降管測試固井漿液流動(dòng)度和沉降穩(wěn)定性。

將配好漿液澆入50 mm×50 mm×50 mm的銅試模中，將試模放入65℃恒溫水浴養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24 h后，繼續(xù)脫模養(yǎng)護(hù)至48 h，得到固井水泥石試樣(圖1)。

圖1 地?zé)峋邔?dǎo)熱固井水泥石試樣

使用YAW-300型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行固井水泥石抗壓強(qiáng)度測試；測試壓力范圍為12~300 kN，準(zhǔn)確度優(yōu)于±1%。使用DRE-2C型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，采用瞬態(tài)平面熱源法，進(jìn)行固井水泥石導(dǎo)熱系數(shù)測試；導(dǎo)熱系數(shù)測定范圍為0.010~100 W/(m·K)，準(zhǔn)確度優(yōu)于±5%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 全面試驗(yàn)

分別以天然鱗片石墨(GP)、普通鐵粉(Fe)及精制石英砂(Sa)作為導(dǎo)熱強(qiáng)化材料，依次按照水泥質(zhì)量的1%、2%、3%作為摻量，進(jìn)行各試驗(yàn)組固井材料導(dǎo)熱系數(shù)測試，并以未添加導(dǎo)熱材料的常規(guī)固井材料作為對照組，具體試驗(yàn)方案見表2。通過此試驗(yàn)為下一步正交試驗(yàn)各因素的水平梯度設(shè)置提供依據(jù)。

表2 全面試驗(yàn)方案

1.3.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)全面試驗(yàn)導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果，選取水固比、石墨(GP)摻量、鐵粉(Fe)摻量及石英砂(Sa)摻量為4個(gè)因素，代號分別為A，B，C，D；各因素分設(shè)3個(gè)水平，分別進(jìn)行各組固井材料的基本性能測試和最優(yōu)配合比固井材料的其他固井指標(biāo)測試。各因素與水平取值見表3。

表3 正交試驗(yàn)因素水平

注：GP、Fe及Sa的摻量均以占水泥質(zhì)量比的百分?jǐn)?shù)表示。

基本性能測試包括導(dǎo)熱系數(shù)、流動(dòng)度和48 h抗壓強(qiáng)度測試。

再根據(jù)各組基本性能綜合評價(jià)結(jié)果，對其最優(yōu)配合比固井材料進(jìn)行初始稠度及稠化時(shí)間、游離液、沉降穩(wěn)定性和靜態(tài)濾失量等固井指標(biāo)的規(guī)范符合性驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)熱系數(shù)變化特征

采用全面試驗(yàn)的1個(gè)常規(guī)固井材料對照組和9個(gè)添加導(dǎo)熱材料試驗(yàn)組的測試結(jié)果，繪制不同導(dǎo)熱材料固井水泥石的導(dǎo)熱系數(shù)如圖2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，天然鱗片石墨、鐵粉及石英砂均可提高固井材料的導(dǎo)熱系數(shù)，且隨著摻量的增加，其導(dǎo)熱系數(shù)不斷提升，其中，石墨對其導(dǎo)熱系數(shù)提升影響最大，鐵粉次之，石英砂最小。這主要是由于石墨為片狀六方晶系晶體，在晶體中同層碳原子間，石墨以sp2雜化形成共價(jià)鍵，每個(gè)碳原子與另外3個(gè)碳原子相連，6個(gè)碳原子在同一平面上形成正六邊形環(huán)，伸展形成片層結(jié)構(gòu)。石墨不僅借助晶格振動(dòng)中單個(gè)的載流子來完成熱量傳導(dǎo)，其片層上活性較高的離域大π鍵使它也能憑借電子進(jìn)行熱量傳遞，從而使得其導(dǎo)熱系數(shù)可與一些金屬相媲美，達(dá)到200 W/(m·K)左右。

圖2 添加不同導(dǎo)熱材料固井水泥石導(dǎo)熱系數(shù)

2.2 導(dǎo)熱性能影響因素分析

2.2.1 基本性能測試結(jié)果

正交試驗(yàn)的9個(gè)試驗(yàn)組測得各組固井材料基本性能結(jié)果見表4。為方便進(jìn)行各組固井材料導(dǎo)熱系數(shù)、流動(dòng)度和48 h抗壓強(qiáng)度的綜合評價(jià)，本試驗(yàn)采用AHP-CRITIC混合加權(quán)法確定各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，采用極差分析進(jìn)行固井材料導(dǎo)熱性能影響因素分析和高導(dǎo)熱固井材料最優(yōu)配合比確定。

2.2.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

對于固井材料多指標(biāo)性能綜合評價(jià)，權(quán)重確定的合理與否將直接影響評價(jià)結(jié)果的可靠性和有效性。AHP-CRITIC混合加權(quán)法兼具AHP法和CRITIC法的優(yōu)點(diǎn)，既能體現(xiàn)各指標(biāo)的主次順序，又能較客觀全面地體現(xiàn)樣本的數(shù)據(jù)信息。其權(quán)重Zi計(jì)算公式如下：

Zi＝Ai·Ci/∑AiCi(1)

式中：Ai表示AHP法計(jì)算的權(quán)重；Ci表示CRITIC法計(jì)算的權(quán)重；表示評價(jià)指標(biāo)。

為消除固井材料導(dǎo)熱系數(shù)、流動(dòng)度和48 h抗壓強(qiáng)度3項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)單位量綱的影響，方便評價(jià)指標(biāo)間的比較，先將表4試驗(yàn)測試結(jié)果作線性標(biāo)準(zhǔn)化處理[18]，即：評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值=(實(shí)測值/最大值)×100，各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 正交試驗(yàn)基本性能測試結(jié)果

注：表中0.44(1)前一個(gè)數(shù)字表示參數(shù)取值，括號中的數(shù)字表示所在水平。

表5 評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果

按照AHP法指標(biāo)權(quán)重的確定方法，將固井材料導(dǎo)熱系數(shù)、48 h抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度3項(xiàng)性能指標(biāo)分為3個(gè)層次，并根據(jù)其相對重要程度確定各指標(biāo)的優(yōu)先順序?yàn)椋簩?dǎo)熱系數(shù)＞48 h抗壓強(qiáng)度=流動(dòng)度。因此，導(dǎo)熱系數(shù)與抗壓強(qiáng)度對比后賦值4；導(dǎo)熱系數(shù)與流動(dòng)度對比后賦值5；48 h抗壓強(qiáng)度與流動(dòng)度同樣賦值1。使用Yaahp12.2軟件，計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)、48 h抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度的AHP權(quán)重Ai分別為0.690 8、0.160 3和0.148 8；一致性比例因子CR=0.005 3＜0.10，即指標(biāo)成對比較判斷優(yōu)先矩陣具有一致性，權(quán)重系數(shù)有效。

根據(jù)CRITIC法求指標(biāo)權(quán)重的思路，使用SPSSAU軟件，將表5中導(dǎo)熱系數(shù)、48 h抗壓強(qiáng)度及流動(dòng)度標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)果代入，計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)、48 h抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度的CRITIC權(quán)重Ci依次為0.455 6、0.247 5、0.296 9。

因此，根據(jù)式(1)計(jì)算得到各組固井材料導(dǎo)熱系數(shù)、48 h抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度的權(quán)重Zi依次為0.789 6、0.099 5、0.110 8，從而求得各組最終的綜合評分，即：綜合評分=(導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值×0.789 6+48 h抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值×0.099 5+流動(dòng)度標(biāo)準(zhǔn)值×0.110 8)× 100。各試驗(yàn)組綜合評分結(jié)果見表5。

2.2.3 極差分析及最優(yōu)配合比確定

對表4正交試驗(yàn)基本性能測試結(jié)果進(jìn)行極差分析，流程如下：

①對每個(gè)指標(biāo)各因素各水平的值求和得K，其中，表示指標(biāo)導(dǎo)熱系數(shù)L、48 h抗壓強(qiáng)度M、流動(dòng)度N及綜合評分O；水平=1,2,3；表示因素A，B，C，D；

②對每個(gè)指標(biāo)的同一水平K求平均得到k，k=K/3；

③計(jì)算每個(gè)指標(biāo)各因素列的極差R，R=k,max–k,min。R值越大則該因素對某評價(jià)指標(biāo)影響越重要。故而得到各因素水平K值和R值，結(jié)果見表6。

根據(jù)表6結(jié)果可知，各因素對固井材料導(dǎo)熱系數(shù)影響的主次順序?yàn)锽＞A＞C＞D，對導(dǎo)熱系數(shù)影響趨勢如圖3所示；對48 h抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度影響的主次順序均為B＞A＞D＞C；而對固井材料3指標(biāo)綜合影響的主次順序?yàn)锽＞A＞C＞D。由于評價(jià)指標(biāo)取值均越大越佳，根據(jù)各組綜合評分的極差分析，得出固井材料的最優(yōu)因素水平組合(即最優(yōu)配合比)為A1B3C2D2，形成高導(dǎo)熱固井材料配合比，即石墨是影響高導(dǎo)熱固井材料綜合性能的主要因素，隨著石墨摻量增加，固井材料導(dǎo)熱系數(shù)增加，48 h抗壓強(qiáng)度降低，漿液流動(dòng)度減?。凰瘫仁怯绊懝叹牧暇C合性能的次要因素，隨著水固比增加，固井材料導(dǎo)熱系數(shù)降低，48 h抗壓強(qiáng)度降低，漿液流動(dòng)度增大；鐵粉和石英砂對固井材料綜合性能影響較小，屬于一般因素。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

圖3 各因素對固井水泥石導(dǎo)熱系數(shù)影響趨勢

其原因主要在于：石墨自身導(dǎo)熱系數(shù)較高，是鐵粉的2~3倍，石英砂的十幾倍，對固井材料導(dǎo)熱系數(shù)提升貢獻(xiàn)最大。石墨能夠吸附極性較強(qiáng)的水，其自身包覆一部分拌合水后，使參與水泥水化的拌合水減少，于是整個(gè)漿液體系稠度增加，流動(dòng)度減小。隨著石墨摻量增加，石墨顆粒間接觸程度增加、接觸面積變大，使石墨顆粒間發(fā)生滑移，導(dǎo)致水泥石抗壓強(qiáng)度下降；且隨著石墨摻量增加，為保持固井漿液較好流動(dòng)性能和較低稠度的拌合水量增加，水泥占總拌合材料的質(zhì)量百分比減少，漿液水灰比增大，從而使?jié){液硬化形成的水泥石內(nèi)部孔隙等缺陷增加，最終導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低。因此，為確保固井材料各項(xiàng)指標(biāo)滿足地?zé)峋叹螅杩刂剖珦搅俊?/p>

2.2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于最優(yōu)配合比A1B3C2D2未包含在9組正交試驗(yàn)中，故設(shè)計(jì)3組平行驗(yàn)證試驗(yàn)對優(yōu)選結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證：按照水固比值0.44，石墨、鐵粉、石英砂摻量分別按水泥質(zhì)量的7.5%、3%、2%進(jìn)行配漿和入模養(yǎng)護(hù)，形成高導(dǎo)熱固井材料，測得試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 優(yōu)選配方平行驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，固井材料平均導(dǎo)熱系數(shù)為1.875 8 W/(m·K)，較常規(guī)固井材料對照組導(dǎo)熱系數(shù)值1.10 W/(m·K)提高約70%；平均流動(dòng)度為24.1 cm；48 h抗壓強(qiáng)度平均值為15.08 MPa；綜合評分平均值為97.3；相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.22%，表明該試驗(yàn)穩(wěn)定、重復(fù)性好。該配合比固井材料的流動(dòng)度性能較好、48 h抗壓強(qiáng)度大于14 MPa，均滿足SY/T 6544—2017《油井水泥漿性能要求》規(guī)定，可應(yīng)用于地?zé)峋叹?/p>

2.2.5 其他固井性能

根據(jù)最優(yōu)配合比A1B3C2D2，配制高導(dǎo)熱固井漿液，參照GB/T19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》分別進(jìn)行了稠化時(shí)間、穩(wěn)定性及靜態(tài)濾失試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如下。

a. 稠化時(shí)間 試驗(yàn)時(shí)選擇溫度梯度為2.9℃/hm的井深，初始溫度27℃，初始壓力3.8 MPa，升溫時(shí)間30 min，升壓時(shí)間30 min，循環(huán)溫度65℃，最終壓力33.8 MPa。測得配比漿液稠化曲線如圖4所示，初始稠度23.2Bc＜30Bc、稠化時(shí)間為155 min，稠化時(shí)間可調(diào)，滿足地?zé)峋叹杀闷诘囊蟆?/p>

b. 穩(wěn)定性 包括游離液試驗(yàn)和沉降試驗(yàn)。

①先將配制好的固井漿液倒入常壓稠化儀漿杯中，在65℃下攪拌30 min；隨后立即注入到250 mL量筒中并加蓋防蒸發(fā)，在環(huán)境溫度下靜置2 h后，吸出并測量漿液上層清液為3.4 mL，即游離液為1.36%＜1.40%，滿足SY/T 6544—2017《油井水泥漿性能要求》規(guī)定，可應(yīng)用于地?zé)峋叹?/p>

圖4 高導(dǎo)熱固井材料稠化曲線

②采用沉降管制樣，將硬化水泥石分為5份，從上到下依次標(biāo)記為1號、2號、3號、4號、5號。測得1號—5號水泥石密度分別為1.802、1.805、1.806、1.807和1.821 g/cm3，5組試樣最大密度差為0.019 g/cm3＜0.030 g/cm3，滿足SY/T 6544—2017《油井水泥漿性能要求》規(guī)定，可應(yīng)用于地?zé)峋叹?/p>

c. 靜態(tài)濾失 在65℃、6.9 MPa壓差下，使用高溫高壓失水儀濾失30 min，測得水泥漿濾失量為8 mL＜50 mL，滿足SY/T 6544—2017《油井水泥漿性能要求》規(guī)定，可應(yīng)用于地?zé)峋叹?/p>

3 結(jié)論

a. 由全面試驗(yàn)結(jié)果可知，向常規(guī)固井水泥中分別添加天然鱗片石墨、鐵粉和石英砂，其導(dǎo)熱系數(shù)均有提升，且隨各摻量的增加而不斷提升；其中石墨對固井材料導(dǎo)熱系數(shù)提升影響最大，鐵粉次之，石英砂最小。

b.由正交試驗(yàn)分析可知，石墨是影響固井材料綜合性能的主要因素，隨著石墨摻量增加，固井材料導(dǎo)熱系數(shù)增加、48 h抗壓強(qiáng)度降低、流動(dòng)度減小。水固比是影響固井材料綜合性能的次要因素，隨著水固比增加，固井材料導(dǎo)熱系數(shù)降低、48 h抗壓強(qiáng)度降低、流動(dòng)度增大。鐵粉和石英砂是影響固井材料綜合性能的一般因素。

c.由多指標(biāo)綜合評價(jià)得出，具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的固井材料優(yōu)選配合比為：水固比值0.44，石墨、鐵粉和石英砂摻量分別為水泥質(zhì)量的7.5%、3%和2%，其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1.87 W/(m·K)，較常規(guī)固井材料提高約70%。

請聽作者語音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進(jìn)行交流

[1] WANG Kai，YUAN Bin，JI Guomin，et al. A comprehensive review of geothermal energy extraction and utilization in oilfields[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering，2018，168：465–477.

[2] 多吉. 鉆獲干熱巖體推進(jìn)地?zé)岚l(fā)電[J]. 科技導(dǎo)報(bào)，2015，33(19)：1. DUO Ji. Drilling dry hot rock to promote geothermal power generation[J]. Science & Technology Review，2015，33(19)：1.

[3] 自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局等. 《中國地?zé)崮馨l(fā)展報(bào)告(2018)》[R]. 北京：中國石化出版社，2018. China Geologic Survey，et al. China geothermal energy development report[R]. Beijing：China Petrochemical Press，2018.

[4] 王貴玲，張薇，梁繼運(yùn)，等. 中國地?zé)豳Y源潛力評價(jià)[J]. 地球?qū)W報(bào)，2017，38(4)：449–459. WANG Guiling，ZHANG Wei，LIANG Jiyun，et al. Evaluation of geothermal resources potential in China[J]. Acta Geoscientica Sinica，2017，38(4)：449–459.

[5] 張明昌. 固井工藝技術(shù)[M]. 北京：中國石化出版社，2016. ZHANG Mingchang. Cementing technology[M]. Beijing：China Petrochemical Press，2016.

[6] 楊世銘，陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2006. YANG Shiming，TAO Wenquan. Heat transfer[M]. Beijing：Higher Education Press，2006.

[7] KOHL T，SALTON M，RYBACH L. Data analysis of the deep borehole heat exchanger plant Weissbad(Switzerland)[C]//Procee-dings World Geothermal Congress. Kyushu，Japan：Research-Gate，2000：3459–3464.

[8] 李瑞霞，王高升，宋先知，等. 固井水泥對同軸型換熱系統(tǒng)取熱效果影響數(shù)值分析[J]. 建筑科學(xué)，2018，34(4)：36–40. LI Ruixia，WANG Gaosheng，SONG Xianzhi，et al. Numerical analysis of the effect of cement sheath on the heat extraction performance of coaxial borehole heat exchangers geothermal system[J]. Building Science，2018，34(4)：36–40.

[9] 劉崇建，黃柏宗，徐同臺(tái)，等. 油氣井注水泥理論與應(yīng)用[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2001. LIU Chongjian，HUANG Baizong，XU Tongtai，et al. Theory and application of cementing for oil & gas well[M]. Beijing：Petroleum Industry Press，2001.

[10] 齊奉忠，劉碩瓊，沈吉云. 中國石油固井技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展建議[J]. 石油科技論壇，2017，36(1)：26–31. QI Fengzhong，LIU Shuoqiong，SHEN Jiyun. Suggestion on CNPC cementing technological development[J]. Oil Forum， 2017，36(1)：26–31.

[11] 丁士東，陶謙，馬蘭榮. 中國石化固井技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展方向[J]. 石油鉆探技術(shù)，2019，47(3)：41–49.DING Shidong，TAO Qian，MA Lanrong. Progress，outlook，and the development directions at Sinopec in cementing technology progress[J]. Petroleum Drilling Techniques，2019，47(3)：41–49.

[12] 王楚峰，王瑞和，楊煥強(qiáng)，等. 煤層氣泡沫水泥漿固井工藝技術(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2016，44(2)：116–120. WANG Chufeng，WANG Ruihe，YANG Huanqiang，et al. Cementing technology of foam cement slurry for coalbed methane well and its application[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(2)：116–120.

[13] 陳春，錢春香，陳惠蘇，等. 水泥基保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的模型研究[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)，2009，12(3)：348–351.CHEN Chun，QIAN Chunxiang，CHEN Huisu，et al. Model study of thermal conductivity of cement based thermal insulation materials[J]. Journal of Building Materials，2009，12(3)：348–351.

[14] 張偉平，童菲，邢益善，等. 混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)研究與預(yù)測模型[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)，2015，18(2)：183–189. ZHANG Weiping，TONG Fei，XING Yishan，et al. An investigation of thermal conductivity of cement-based composites with multi-scale micromechanical method[J]. Journal of Building Materials，2015，18(2)：183–189.

[15] 趙育. 高導(dǎo)熱性混凝土細(xì)觀數(shù)值模擬與工程應(yīng)用[D]. 西安：長安大學(xué)，2017. ZHAO Yu. Mesosopic numerical simulation and engineering application of high thermal conductivity concrete[D]. Xi’an：Chang’an University，2017.

[16] 周仕明，李根生，王其春. 超高密度水泥漿研制[J]. 石油勘探與開發(fā)，2013，40(1)：107–110. ZHOU Shiming，LI Gensheng，WANG Qichun. Research and preparation of ultra-heavy slurry[J]. Petroleum Exploration and Development，2013，40(1)：107–110.

[17] 袁燊. 高密度水泥漿體系研究[D]. 青島：中國石油大學(xué)(華東)，2013. YUAN Shen. Research on high density cement slurry system[D]. Qingdao：China University of Petroleum(East China)，2013.

[18] 劉競妍，張可，王桂華. 綜合評價(jià)中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法比較研究[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018，36(6)：84–85. LIU Jingyan，ZHANG Ke，WANG Guihua. Comparative study on data standardization methods in comprehensive evaluation[J]. Digital Technology & Application，2018，36(6)：84–85.

Influencing factors of thermal conductivity of cementing materials for geothermal wells

ZHANG Hao1,2, XU Shuanhai2, YANG Yu1,2, HAN Yongliang2, ZHANG Weidong2, LI Yongqiang1,2

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The thermal conductivity of cementing materials is one of the factors that affect the heat removal effect of geothermal wells. In order to improve the thermal conductivity of cementing materials for geothermal wells, orthogonal test was used to study the thermal conductivity of cementing materials based on the AHP-CRITIC mixed weighting method and range analysis. The results show that the thermal conductivity of cementing materials can be improved by adding natural flake graphite, iron powder and quartz sand. The content of graphite and the ratio of water to solid are the primary and secondary factors that affect the comprehensive properties of cementing materials. With the increase of graphite content, the thermal conductivity, the 48 hours compressive strength and the fluidity decreased. The results show that the optimal mix ratio of high thermal conductivity cementing materials is: water solid ratio is 0.44, the amount of graphite, iron powder and quartz sand accounted for 7.5%, 3%, and 2% of the cement mass, respectively, its thermal conductivity can reach 1.87 W/(m·K), which is about 70% higher than conventional cementing materials. It can provide reference for the efficient development and utilization of geothermal energy.

geothermal energy; cementing material; thermal conductivity; orthogonal test; AHP-CRITIC mixed weigh-ting method; range analysis

TK529

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.029

1001-1986(2020)02-0195-07

2019-12-16；

2020-02-25

天地科技股份有限公司科技創(chuàng)新基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2018TDZD017)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2018XAYZD13)

Science and Technology Innovation Fund Key Project of Tiandi Science and Technology Co. Ltd.(2018TDZD017)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2018XAYZD13)

張浩，1988年生，男，陜西寶雞人，碩士，研究方向?yàn)橹猩顚拥責(zé)崮荛_發(fā)利用. E-mail：614654929@qq.com

張浩，徐拴海，楊雨，等. 地?zé)峋叹牧蠈?dǎo)熱性能影響因素[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(2)：195–201.

ZHANG Hao，XU Shuanhai，YANG Yu，et al. Influencing factors of thermal conductivity of cementing materials for geothermal wells[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：195–201.

(責(zé)任編輯 周建軍)