地?zé)峋邔?dǎo)熱低密度固井材料制備、性能及結(jié)構(gòu)

楊雨，徐拴海，張浩，韓永亮，張衛(wèi)東，李永強(qiáng)

（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，西安 710077）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)新能源開(kāi)發(fā)利用的大力支持，地?zé)崮茏鳛橐环N綠色環(huán)保、低碳高效的可再生資源，已經(jīng)得到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1]。特別是《地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》發(fā)布以來(lái)，全國(guó)范圍內(nèi)掀起了地?zé)崮苜Y源勘探、開(kāi)發(fā)利用新的高潮[2]?，F(xiàn)有地?zé)崮苜Y源主要可分為：淺層地?zé)崮?、中深層地?zé)崮芎透蔁釒r型地?zé)崮堋Ｆ渲?，以現(xiàn)有技術(shù)，能夠開(kāi)采的最有價(jià)值的地?zé)豳Y源屬于中深層地?zé)崮躘3]。中深層地?zé)崮荛_(kāi)采主要通過(guò)同軸型套管式換熱器系統(tǒng)，而影響該系統(tǒng)性能的主要因素之一便是固井質(zhì)量的好壞。其中，固井材料的選取便是重中之重，因?yàn)槠鋵?dǎo)熱性能會(huì)對(duì)該系統(tǒng)井下熱儲(chǔ)層段的換熱效率產(chǎn)生極大的影響。若能選用具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的固井材料，便能減小地下巖層與套管間的熱阻，極大提升換熱器熱交換效率[4]。

張浩[5]等通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，向水泥基中摻入石墨、鐵粉、石英砂，制備了一種常規(guī)密度的高導(dǎo)熱固井材料，可用于淺層地?zé)峋墓叹┕ぁ５?，中深層地?zé)峋疃瓤蛇_(dá)到3 km，井下地質(zhì)條件極其復(fù)雜，可能會(huì)穿越存在天然裂縫、溶洞甚至較大斷層的地層。此時(shí)，常規(guī)密度固井材料已不能滿足固井要求，必須用低密度固井材料進(jìn)行固井，防止壓漏地層，導(dǎo)致漿液漏失，固井失敗[6]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于低密度固井材料的研究多采用向常規(guī)油井水泥中摻入減輕材料，從而達(dá)到降低密度的效果。丁志偉[7]等針對(duì)某油氣井低壓易漏等固井難題，研制了一種低密度高強(qiáng)度水泥漿體系；左景欒[8]等針對(duì)某煤層氣井低壓、低滲、膠結(jié)性差的特點(diǎn)，研制了一種超低密度固井材料，成功地解決了漿液漏失等問(wèn)題。這些研究成果均旨在降低固井材料密度，并未考慮其導(dǎo)熱性能，反而由于減輕材料的加入和水灰比的增大，導(dǎo)致固井材料的導(dǎo)熱性能大大降低，這對(duì)中深層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用將產(chǎn)生極大的阻礙。

鑒于此，筆者團(tuán)隊(duì)以常規(guī)油井水泥為基體材料，分別選取石墨、石英粉、硅粉、粉煤灰為導(dǎo)熱填料和減輕材料，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，基于層次分析法和矩陣分析法，進(jìn)行高導(dǎo)熱低密度固井材料（High heat conduction and low-density cementing material，HLC）的研發(fā)，并對(duì)其性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，為地?zé)崮芨咝ч_(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

G 級(jí)高抗硫酸鹽（HSR）型油井水泥為原材料；寧夏億昀特種工程材料有限公司生產(chǎn)的普通低密度固井材料（Ordinary low-density cementing materials，OLC）為對(duì)照組，其配方為：0.8 水固比+60%水泥+12%硅灰+10%珍珠巖+10%粉煤灰+8%添加劑

天然鱗片石墨為導(dǎo)熱強(qiáng)化材料，其規(guī)格為：100 μm，純度92%；石英粉、硅粉、粉煤灰為減輕材料。

外加劑：降失水劑，穩(wěn)定劑，膨脹劑，緩凝劑和消泡劑等。

1.2 樣品制備

按照油井水泥和水泥石制備實(shí)驗(yàn)相關(guān)規(guī)范，根據(jù)相應(yīng)化學(xué)計(jì)量比稱取水泥、填料和外加劑，并混合均勻待用。按照相應(yīng)的水固比稱取水。將水倒入OWC-9040A 型恒速攪拌器，按下低速攪拌按鈕，默認(rèn)轉(zhuǎn)速4000 r/min，將混合料均勻緩慢倒入攪拌桶，攪拌15 s；然后按下高速攪拌按鈕，默認(rèn)轉(zhuǎn)速12 000 r/min，攪拌35 s；期間加入5 滴消泡劑，漿液制備完成。

對(duì)漿液各物理性能進(jìn)行測(cè)試，之后將剩余漿液倒入50 mm×50 mm×50 mm 的試模中，用玻璃密封后，放入SY-84 型恒溫水浴養(yǎng)護(hù)箱，設(shè)置溫度60 ℃，養(yǎng)護(hù)24 h 后脫模，繼續(xù)水浴常溫養(yǎng)護(hù)至48 h，取出得到水泥石樣品。

分別測(cè)試水泥石導(dǎo)熱系數(shù)和48 h 抗壓強(qiáng)度，之后將破碎試塊放入無(wú)水乙醇中浸泡48 h 終至水化，然后放入烘箱中60 ℃烘干至恒重。取大小約1 cm×1 cm×1 cm 的塊體，用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行冷鑲嵌，24 h 后，用拋光機(jī)拋光并噴金，進(jìn)行微觀形貌觀測(cè)；選取部分破碎試塊，研磨至顆粒粒徑小于80 μm 后，進(jìn)行物相成分測(cè)試；取體積不大于0.5 cm×0.5 cm×1 cm 的試塊，進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試。

1.3 測(cè)試方法

1）漿液性能。YM-3 型液體密度計(jì)測(cè)量密度；截錐圓模測(cè)量流動(dòng)度，其尺寸為：上口內(nèi)徑36 mm，下口內(nèi)徑60 mm，高度60 mm；RST-SST 型博勒飛流變儀測(cè)試漿液流變性能；OWC-9040H 型增壓稠化儀測(cè)量稠度及稠化時(shí)間；OWC-9508D 型高溫高壓失水儀測(cè)量靜態(tài)濾失量和游離液含量；沉降管測(cè)量沉降穩(wěn)定性。

2）水泥石性能。DRE-2C 型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)，測(cè)試方法為瞬態(tài)平面熱源法，測(cè)定范圍：0.01～100 W/（m·K），準(zhǔn)確度優(yōu)于±5%；YAW-300 型微機(jī)控制電液伺服壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試48 h 抗壓強(qiáng)度，測(cè)試范圍：12～300 kN，準(zhǔn)確度優(yōu)于±1%。

3）微觀結(jié)構(gòu)。JSM-6390A 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀測(cè)水泥石的微觀形貌，放大倍數(shù)分別為300 倍、1000 倍、5000 倍；XRD-6000 型X 射線衍射儀（XRD）對(duì)水泥石的物相成分進(jìn)行分析，其中管電壓40 kV，管電流30 mA；Auto Pore IV 9510 型全自動(dòng)壓汞儀（MIP）測(cè)試水泥試塊的孔隙結(jié)構(gòu)。

2 正交實(shí)驗(yàn)

2.1 方案設(shè)計(jì)及結(jié)果

通過(guò)大量的篩選實(shí)驗(yàn)，最終確定了以石墨作為導(dǎo)熱強(qiáng)化材料；以石英粉、硅粉和粉煤灰為減輕材料。原因在于，石墨由單一C 元素組成，自身具有很好的導(dǎo)熱性能，并且價(jià)格相較于其他導(dǎo)熱材料便宜，如：碳纖維、氮化硼、氧化鋁、碳化硅等。而石英粉、硅粉、粉煤灰加入水泥基中，要想保持漿液足夠的流動(dòng)度，需要增大水的用量，從而達(dá)到降低水泥漿密度的目的。硅粉和粉煤灰能夠參與水泥的水化反應(yīng)，生成更多的硅酸鹽類水化產(chǎn)物，可以增加密實(shí)度，提高水泥石的宏觀性能。而硅粉粒徑較小，可達(dá)到納米級(jí)別，根據(jù)緊密堆積理論[9]，該小粒徑顆粒能夠有效填充于大顆?？紫吨g，有效改善水泥石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提升水泥石的導(dǎo)熱和力學(xué)性能。

因此，選取水固比、水泥用量、石墨摻量、石英粉摻量為因素，分別記作A、B、C、D；各因素設(shè)置三個(gè)水平，實(shí)驗(yàn)方案選用四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)表L9(3)4。分別以密度、導(dǎo)熱系數(shù)、48 h 抗壓強(qiáng)度、成本（不計(jì)外加劑）為考察指標(biāo)，以此衡量固井材料的綜合性能，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)方案與測(cè)試結(jié)果

2.2 極差分析

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行極差分析，見(jiàn)表2。其中，i=1，2，3，4，分別代表因素A、B、C、D；j=1，2，3，代表相應(yīng)水平。本實(shí)驗(yàn)中對(duì)于值越大越好的指標(biāo)（導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度），kij由各因素各水平對(duì)應(yīng)指標(biāo)求平均值得到；對(duì)于值越小越好的指標(biāo)（密度和成本），kij則為各因素各水平對(duì)應(yīng)指標(biāo)平均值的倒數(shù)。kij的大小反映了該因素水平對(duì)指標(biāo)的重要程度，其值越大則越重要。ri為因素的極差，由對(duì)應(yīng)kij的最大值減去最小值得到；其大小反映了該因素對(duì)指標(biāo)影響的顯著程度，值越大影響越顯著。

由表2 可知，各因素對(duì)固井材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響程度為：C>D>A>B，最優(yōu)配方為A1B3C3D3；對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響程度為：D>C>A>B，最優(yōu)配方為A3B1C1D1；對(duì)密度的影響程度為：A>D>C>B，最優(yōu)配方為A3B2C3D3；對(duì)成本的影響程度為：C>D>B（因素A 為水的含量，不計(jì)成本），最優(yōu)配方為B1C1D1。可見(jiàn)，所求指標(biāo)不同，固井材料最優(yōu)配方也不同，僅考慮單一指標(biāo)，不能滿足固井要求，因此要對(duì)各考察指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，從而確定綜合性能優(yōu)異的固井材料配方。

表2 各指標(biāo)極差分析

3 綜合分析

由于極差分析不能滿足多指標(biāo)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，故考慮采用層次分析法和矩陣分析法相結(jié)合，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。這種分析方法相較于單一的多指標(biāo)綜合分析法，減少了人為主觀因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，使得最終結(jié)論更加準(zhǔn)確可靠。

3.1 層次分析法

層次分析法（AHP）通過(guò)對(duì)目標(biāo)建立一種層次結(jié)構(gòu)，一般為3 層：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層，然后構(gòu)造判斷矩陣，從而計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。對(duì)于不同的指標(biāo)，根據(jù)其重要程度，賦予各自不同的等級(jí)。其中，等級(jí)劃分九級(jí)，一級(jí)為兩指標(biāo)同等重要，級(jí)別越高則指標(biāo)越重要，依次遞增，九級(jí)為該指標(biāo)相較另一指標(biāo)絕對(duì)重要[10]。基于此，以導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、密度、成本為考察指標(biāo)，根據(jù)各自的重要程度，構(gòu)造判斷矩陣，見(jiàn)表3。利用yaahp12.2 軟件建立模型，并計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、密度、成本的權(quán)重值分別為：0.5767、0.2216、0.1251、0.0766。一致性比例因子CR=0.0127<0.1，則該判斷矩陣具有一致性，各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)有效。

表3 判斷矩陣

3.2 矩陣分析法

矩陣分析法則是通過(guò)矩陣計(jì)算，得到各因素水平（簡(jiǎn)稱因子）對(duì)各指標(biāo)準(zhǔn)確的權(quán)重值，從而更加直觀地表示出各因子對(duì)指標(biāo)的重要程度，以此確定最佳方案[11]。矩陣分析法也具有三層結(jié)構(gòu)：指標(biāo)層、因素層和水平層，且每一層均對(duì)應(yīng)一個(gè)矩陣。其中，指標(biāo)層矩陣見(jiàn)式（1）：

式中，kij同表2。

因素層矩陣見(jiàn)式（2）：

水平層矩陣見(jiàn)式（3）：

將式（1）、（2）、（3）相乘即可得各指標(biāo)的權(quán)矩陣，見(jiàn)式（4）和式（5）：

將表2 中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)代入式（1）～（5），計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、密度和成本的權(quán)矩陣，分別記為ω1、ω2、ω3、ω4，結(jié)果見(jiàn)式（6）～（9）。

結(jié)合層次分析法計(jì)算結(jié)果，令各指標(biāo)的權(quán)矩陣分別乘以該指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，相加后得到綜合權(quán)矩陣，結(jié)果見(jiàn)式（10）。

為了使計(jì)算結(jié)果更加直觀，便于分析，將式（10）結(jié)果匯總于表4。

表4 各因子綜合指標(biāo)權(quán)值

由表4 可知，各因素對(duì)固井材料綜合性能影響顯著程度依次為：C>D>A>B，即石墨是影響固井材料綜合性能的關(guān)鍵因素，石英粉次之，而水固比和水泥用量則影響較小。這是因?yàn)椋谝詫?dǎo)熱系數(shù)為主要考察指標(biāo)時(shí)，石墨較其他材料具有極好的導(dǎo)熱性能，其摻量的微小變化都會(huì)對(duì)固井材料性能產(chǎn)生較大影響。結(jié)合各因子權(quán)值，得到固井材料最優(yōu)配方為A1B3C3D3，即HLC 配方為：55%水泥+9%石墨+25%石英粉+2%粉煤灰+2%硅灰+2%降失水劑+3%穩(wěn)定劑+1.5%膨脹劑+0.5%緩凝劑，W/C=0.78。經(jīng)測(cè)試，HLC 密度為1.47 g/cm3，流動(dòng)度為24.5 cm，導(dǎo)熱系數(shù)為1.890 6 W/（m·K），比對(duì)照組OLC 的0.857 8 W/（m·K）提高約120%；48 h 抗壓強(qiáng)度5.8 MPa，比對(duì)照組5.42 MPa 略有提升。

4 固井材料綜合性能分析

參照GB/T19139—2012《油井水泥實(shí)驗(yàn)方法》對(duì)HLC 進(jìn)行了全方面的性能實(shí)驗(yàn)。

4.1 流變性能

利用流變儀分別對(duì)HLC 和OLC 的流變性能進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置剪切速率為0～150 r/s-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示：隨著剪切速率增大，HLC 和OLC 漿液的剪切應(yīng)力均逐漸增大，且變化規(guī)律一致，剪切應(yīng)力大小也比較接近。說(shuō)明HLC 同OLC 一樣，具有良好的流變性能，易于泵送，可用于固井施工。

圖1 固井漿液流變曲線

4.2 稠化性能

實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置溫度梯度為3 ℃/100 m 井深，初始溫度和壓力分別為20 ℃和3.3 MPa，升溫和升壓時(shí)間均為30 min，循環(huán)溫度為65 ℃，最終壓力33.3 MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 固井漿液稠化曲線

由圖2 可以看出，HLC 漿液初始稠度為13.3 Bc，小于30 Bc；稠化時(shí)間為170 min，可調(diào)，滿足固井要求。

4.3 穩(wěn)定性能

漿液的穩(wěn)定性主要通過(guò)游離液含量和沉降程度進(jìn)行評(píng)判。

1）游離液含量測(cè)定。將制備好的漿液倒入常壓稠化儀漿杯中，65 ℃下攪拌20 min，后迅速注入250 mL 量筒中，蓋上蓋子，防止水分蒸發(fā)。靜置2 h，吸取上清液，測(cè)其體積為3.2 mL。即游離液含量為1.28%，低于規(guī)范中的上限值1.4%。

2）沉降程度測(cè)定。將制備好的漿液倒入沉降管中，65 ℃下水浴養(yǎng)護(hù)24 h，之后取出硬化后的水泥塊，從上到下均分為5 份，依次標(biāo)記為1～5 號(hào)，其密度分別為1.463、1.466、1.472、1.486、1.508 g/cm3。計(jì)算5 組試塊的最大密度差為0.045 g/cm3，小于規(guī)范中最大值0.050 g/cm3。

因此，HLC 漿液穩(wěn)定性能好，能夠滿足規(guī)范要求。

4.4 靜態(tài)濾失性能

將配制好的漿液倒入常壓稠化儀漿杯中，65 ℃下攪拌20 min，再倒入高溫高壓失水儀中，65 ℃、6.9 MPa 條件下濾失30 min。測(cè)得漿液濾失量為18.5 mL，小于規(guī)范上限50 mL，滿足要求。

通過(guò)對(duì)HLC 各性能的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，可知該材料各個(gè)性能均能滿足相關(guān)規(guī)范要求，因此，可以應(yīng)用于中深層地?zé)峋叹┕?。其各?xiàng)性能指標(biāo)匯總見(jiàn)表5。

表5 HLC 各性能指標(biāo)

5 固井材料微觀結(jié)構(gòu)及導(dǎo)熱機(jī)理

5.1 微觀結(jié)構(gòu)

材料的導(dǎo)熱性能是其自身固有的物理特性之一，而材料的物理性能往往是由材料自身結(jié)構(gòu)所決定的，如組成材料的物質(zhì)成分、各物相的形狀排布、內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)等[12]。而本研究的HLC 相較于OLC顯然擁有著更加優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，為了探求其導(dǎo)熱性能變化的原因，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)材料的微觀形貌、物相成分、孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

5.1.1 微觀形貌

分別對(duì)OLC 和HLC 進(jìn)行SEM 觀測(cè)，結(jié)果圖3、圖4。由圖3 可知，OLC 結(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)部有大量較大孔隙，水泥水化反應(yīng)不徹底，水化產(chǎn)物較少，有大量未水化的圓球形的水泥顆粒和珍珠巖顆粒等，這些顆粒的導(dǎo)熱性能極差，因此導(dǎo)致OLC整體導(dǎo)熱系數(shù)較低。而由圖4 可以看出，HLC 整體結(jié)構(gòu)密實(shí)，孔隙較小，有大量板狀Ca（OH）2、纖維狀水化硅酸鈣凝膠（CSH）以及針棒狀鈣礬石（AFt）等水化產(chǎn)物生成。石墨片層周圍出現(xiàn)了較多的CSH，說(shuō)明石墨的加入可以誘導(dǎo)水泥進(jìn)一步水化，這是由于石墨顆粒周圍存在大量的游離水，因此吸引水泥顆粒在其附近進(jìn)行水化反應(yīng)生成更多的水化產(chǎn)物。由于石墨本身的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于水泥基體及其他顆粒，因此極大提升了HLC 的導(dǎo)熱性能。

圖3 OLC 微觀形貌

圖4 HLC 微觀形貌

5.1.2 物相分析

分別對(duì)OLC 和HLC 進(jìn)行XRD 分析，其結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5（a）可以看出，OLC 中含有較多的水化產(chǎn)物Ca（OH）2和未水化的硅酸三鈣（C3S），其中C3S 的衍射峰數(shù)量較多，峰值也最高，而Ca（OH）2的衍射峰數(shù)量較少且峰值極低。這說(shuō)明OLC 中含有較多未水化的水泥顆粒，而水化產(chǎn)物含量較少，水化反應(yīng)極不充分，因此各方面性能較差，這一結(jié)論與圖3 的SEM 結(jié)果相一致。而圖5（b）可以看出，HLC 中含有大量的C、Ca（OH）2和C3S，其中C 相占有一個(gè)最強(qiáng)的衍射峰，剩余較強(qiáng)的衍射峰則都是Ca（OH）2相，而C3S 相的衍射峰雖多，但強(qiáng)度都極低，幾乎不易察覺(jué)。這說(shuō)明，石墨不參與水泥的水化反應(yīng)生成新的產(chǎn)物，但可以促進(jìn)其水化進(jìn)程，使材料水化更加充分，水化產(chǎn)物增多，未水化的水泥顆粒幾乎消失不見(jiàn)。因此，使得HLC 導(dǎo)熱性能大大提升，這一結(jié)論也與圖4 的結(jié)果相一致。

圖5 OLC 和HLC 物相分析

5.1.3 孔隙結(jié)構(gòu)

分別對(duì)OLC 和HLC 試塊做MIP 實(shí)驗(yàn)，各自的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)如表6 所示，可知HLC 與OLC 相比，孔隙率和總孔隙面積較大，平均孔徑和中值孔徑則較小。

表6 OLC 和HLC 孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

相關(guān)研究表明，材料的宏觀性能特別是力學(xué)性能與孔隙率、總孔面積和平均孔徑具有一定的相關(guān)性。其中，總孔面積反映了孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，數(shù)值越大，孔結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對(duì)材料宏觀性能影響最大；平均孔徑反映了孔的大小，數(shù)值越大，材料強(qiáng)度越低，對(duì)材料宏觀性能影響較大；而孔隙率則反映了孔數(shù)量的多少，對(duì)材料性能的影響相對(duì)較小，主要還需結(jié)合孔徑分布情況進(jìn)行分析[13]。按照IO.M 中孔的分類方法，將孔隙按孔徑大小分為：大孔、毛細(xì)孔、過(guò)渡孔和凝膠孔，其孔徑范圍分別為：>1 000 nm、100～1 000 nm、10～100 nm、<10 nm[14]。據(jù)此，OLC 和HLC 的孔徑分布見(jiàn)圖6，孔徑大小與汞累計(jì)侵入量的關(guān)系見(jiàn)圖7。

由圖6 可知，OLC 中過(guò)渡孔含量最高，為57.83%，其次是大孔，含量為37.77%；而HLC 中，則為過(guò)渡孔含量最高，為79.4%。由圖7 可以看出，OLC 中汞侵入量快速上升的階段為孔徑1～0.1 μm范圍，而HLC 中對(duì)應(yīng)階段則為孔徑0.1～0.01 μm范圍。HLC 相較于OLC，孔徑分布更集中于微小孔隙，結(jié)構(gòu)更加合理。這是因?yàn)椋琀LC 水化反應(yīng)充分，而硅灰的加入進(jìn)一步細(xì)化了內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，使材料的大孔和毛細(xì)孔比例大大降低。相關(guān)文獻(xiàn)表明，材料的力學(xué)性能受毛細(xì)孔和大孔影響較大，與凝膠孔和過(guò)渡孔無(wú)關(guān)[15]。而對(duì)于導(dǎo)熱性能，孔徑越大，其熱量在傳播過(guò)程中的熱阻越大，導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)越低。

圖6 OLC 和HLC 孔徑分布

圖7 孔徑大小與汞累計(jì)侵入量的關(guān)系

綜合上述分析，HLC 與OLC 相比，總孔隙面積較大，平均孔徑較小；雖然孔隙率較大，但孔隙類型大多屬于過(guò)渡孔和凝膠孔，孔徑分布合理，結(jié)構(gòu)優(yōu)化明顯，因此，綜合性能更加優(yōu)異。

5.2 導(dǎo)熱機(jī)理

本研究中所制備的HLC 是由水泥基體和減輕材料以及導(dǎo)熱填料共同組成的，屬于無(wú)機(jī)多孔介質(zhì)復(fù)合材料。而無(wú)機(jī)復(fù)合材料中，熱量的傳導(dǎo)主要通過(guò)晶格振動(dòng)，使能量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞，即聲子傳熱[16]。目前，關(guān)于水泥基材料導(dǎo)熱機(jī)理的研究大多引用無(wú)機(jī)高分子材料中的導(dǎo)熱理論，應(yīng)用較多的是“導(dǎo)熱路徑理論”[17]，共分為4 個(gè)階段，如圖8 所示。從8（a）～8（d），石墨顆粒在水泥基體中分別經(jīng)歷了a：無(wú)；b：均勻分散；c：相互接觸形成導(dǎo)熱路徑；d：導(dǎo)熱路徑相互連通形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)四個(gè)階段。在這一過(guò)程中，熱量傳遞方式先以基體顆粒間聲子傳播為主，后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫?dǎo)熱路徑間電子傳播為主，傳播速率大大加快，材料的導(dǎo)熱性能得到極大提升。

圖8 導(dǎo)熱填料在基體中的分布

由于石墨的導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于水泥基體，熱量在固井材料內(nèi)部?jī)?yōu)先通過(guò)石墨進(jìn)行傳播。結(jié)合圖3和圖4，在OLC 中，材料僅由水泥顆粒和減輕材料顆粒組成，且內(nèi)部含有大量直徑較大的孔隙，熱阻較大，其熱量傳導(dǎo)僅處于圖8（a）階段，材料導(dǎo)熱系數(shù)極低。在HLC 中，片層狀的石墨顆粒在水泥基體中均勻分布，并且部分顆?；ハ嘟佑|，已經(jīng)形成了較多短小的導(dǎo)熱路徑，熱量傳導(dǎo)已達(dá)到圖8（c）階段，熱量在水泥基中的傳播效率大大提高，因此材料的導(dǎo)熱性能得到了極大的提升。

6 結(jié)論

1.通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，基于層次分析法和矩陣分析法，綜合考慮導(dǎo)熱系數(shù)、48 h 抗壓強(qiáng)度、密度、成本等指標(biāo)，制備了一種中深層地?zé)峋叹盟酀{（HLC），其配方為：55%水泥+9%石墨+25%石英粉+2%粉煤灰+2%硅灰+2%降失水劑+3%穩(wěn)定劑+1.5%膨脹劑+0.5%緩凝劑，W/C=0.78。

2.研究了HLC 的流變性、稠化性、穩(wěn)定性和靜態(tài)濾失性能，各性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，可用于中深層地?zé)峋叹┕ぁ?/p>

3.通過(guò)SEM、XRD 和MIP 實(shí)驗(yàn)，研究了HLC的微觀形貌、物相成分和孔隙結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)HLC 內(nèi)部水化反應(yīng)充分，結(jié)構(gòu)致密，孔隙分布均勻，小孔居多。材料導(dǎo)熱機(jī)理符合導(dǎo)熱路徑理論。