保溫水泥在中低溫地?zé)峋械膽?yīng)用及建議

張豐琰,李立鑫,韓麗麗

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037；2.中國地質(zhì)調(diào)查局，中國地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測中心，北京 100037)

0 引言

地?zé)崾且环N清潔的可再生能源，充分開發(fā)利用地?zé)豳Y源可以有效減少環(huán)境污染，應(yīng)對氣候變化。中國是世界上地?zé)豳Y源儲量豐富的國家之一，尤其以溫度150 ℃以下的中低溫地?zé)豳Y源為主，開發(fā)潛力巨大(藺文靜等，2013)。我國中低溫地?zé)豳Y源主要分布在沉積盆地和山地?cái)嗔褞希貏e是儲集條件好、儲層多且厚度大、分布廣的十多個(gè)大中型沉積盆地，儲量可觀，地?zé)豳Y源量為24964.4×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤8531.9×108t。現(xiàn)階段，國內(nèi)中低溫地?zé)嵋灾苯永脼橹?，對熱水溫度依賴較大，根據(jù)產(chǎn)業(yè)對熱流體需求溫度的不同，遵循梯級利用原則，合理分配各個(gè)溫度區(qū)間服務(wù)于相關(guān)產(chǎn)業(yè)，主要涉及工業(yè)、溫室種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、供暖制冷、旅游療養(yǎng)等方面(王貴玲等，2017)。

中低溫地?zé)豳Y源的利用效率與地?zé)峁叹に嚸芮邢嚓P(guān)。目前，我國中低溫地?zé)豳Y源在選址過程中，往往將鉆孔布置于沉積盆地的構(gòu)造斷裂帶或碳酸鹽巖儲層上(杜真科等，2020)，利用儲層高度發(fā)育的裂隙和孔洞，保證地層有充分的地下熱水流動通道。該類型儲層地層壓力較低，采用常規(guī)油氣固井水泥漿(1.80～1.90 g/cm3)固井易發(fā)生漏失(張建松等，2020)，質(zhì)量難以控制。通過多年實(shí)踐，采用尾管懸掛固井(張曉延等，2004；鄭國濤等，2005)、雙級固井(張斌，2012)和正注反擠(胡晉軍等，2020)等工藝可有效解決漏失地層的固井難題，但實(shí)現(xiàn)全段封固的水泥漿在固化后形成的水泥石導(dǎo)熱系數(shù)較高(約1.0 W/(m·K))，保溫性能較差，導(dǎo)致熱水抽采和回注過程中沿程熱量損失較大，井口水溫較儲層溫度下降明顯，大幅降低了地?zé)豳Y源的梯級利用效率，嚴(yán)重影響其有效利用價(jià)值，尤其在部分熱損嚴(yán)重的井中，抽采的熱水甚至?xí)适Оl(fā)電能力或有效使用價(jià)值。

為解決前述問題，分析了我國中低溫地?zé)崽讲蛇^程的熱損原因，提出在固井過程中引入保溫水泥的技術(shù)思路，并充分利用其導(dǎo)熱系數(shù)低、密度低的特點(diǎn)，以期實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低熱損的固井目標(biāo)。為探究保溫水泥特性對熱水抽采過程中熱損失的影響，選擇適合快速評價(jià)注、采井筒傳熱特性的多層圓管傳熱模型，定量計(jì)算在不同井徑、不同開次等情況下使用不同導(dǎo)熱系數(shù)的保溫水泥后井筒內(nèi)熱水溫度分布和到泵溫度，得出各因素對保溫水泥使用效果的影響規(guī)律，并借鑒建筑用保溫水泥和稠油井保溫固井水泥的研究現(xiàn)狀，為中低溫地?zé)峋帽毓叹嗟难芯刻岢鼋ㄗh。

1 中低溫地?zé)峋疅釗p原因分析及熱損評價(jià)方法

1.1 中低溫地?zé)峋疅釗p原因分析

地?zé)峋疅崴椴蛇^程中，在抽水泵作用下，熱水由儲層進(jìn)入井筒后，由井底依次流經(jīng)生產(chǎn)套管、技術(shù)套管、表層套管，最后進(jìn)入電潛泵流出地面，在井筒中以類一維軸向運(yùn)動方式運(yùn)移。當(dāng)熱水流經(jīng)不同深度井段時(shí)，熱水溫度高于同深段地層溫度，熱量由井筒中熱水經(jīng)由套管和水泥石組成的保溫層向筒外低溫地層傳導(dǎo)?；诟道锶~定律可知，保溫層(套管和水泥石組成)的傳熱能力由其導(dǎo)熱系數(shù)決定，且與水泥石和套管導(dǎo)熱系數(shù)、層數(shù)、厚度、尺寸及井筒內(nèi)外溫差有關(guān)。由于水泥石(導(dǎo)熱系數(shù)0.98～1.05 W/(m·K))和套管(導(dǎo)熱系數(shù)14 W/(m·K))均是熱的良導(dǎo)體，熱損會持續(xù)發(fā)生于熱水抽采和回注過程中，導(dǎo)致能源浪費(fèi)，其熱損值和熱損速率因井段、井徑、熱水與地層的溫差、熱水流速的不同而發(fā)生變化。

1.2 基于圓筒傳熱模型的熱損評價(jià)方法

1.2.1 物理模型

熱水沿井筒從井底向上流動過程中，溫度高于井筒外的地層，熱量經(jīng)套管和水泥石散失到地層，導(dǎo)致地層升溫；在抽采一定時(shí)間后，井筒對地層升溫影響范圍達(dá)到最大，熱散失達(dá)到平衡(豆惠萍等，2019)。結(jié)合地?zé)峋斫Y(jié)構(gòu)和抽采實(shí)際，井筒中熱量的散失需經(jīng)過多層套管和水泥石，其熱損過程可借助多層圓筒傳熱模型(見圖1)進(jìn)行定量評價(jià)(Eickmeier et al.，1970；Alves et al.，1992；Spindler，2011)，基本假設(shè)如下：①地層是一個(gè)無限大的散熱體；②將井筒過流通道、套管層、水泥石和地層簡化為多層同軸圓筒；③井筒長度遠(yuǎn)大于套管和水泥石厚度，認(rèn)為管壁內(nèi)外邊界條件均勻一致；④井筒內(nèi)熱水為均質(zhì)體并做塞流運(yùn)動，相鄰水柱間無對流，地溫梯度、圓筒和地層導(dǎo)熱系數(shù)為定值；⑤井筒所在地層可水平分割成若干個(gè)中空圓盤，相鄰水柱溫差較小，可忽略相鄰水柱間的熱傳導(dǎo)，圓盤內(nèi)水柱為徑向一維導(dǎo)熱。⑥假設(shè)這是一個(gè)等溫過程，即地?zé)崴⑻坠?、水泥與地層巖石的熱阻不會隨著溫度的變化發(fā)生變化，始終是一個(gè)定值。

圖1 評價(jià)井筒熱損過程的多層圓筒傳熱模型

井筒和地層的傳熱效果由水泥石、套管和地層組成的多層圓筒總熱阻R決定。根據(jù)多層圓筒傳熱模型，熱流體經(jīng)過套管、水泥和高溫地層傳給低溫地層時(shí)在單位時(shí)間、單位長度圓筒壁的熱阻可由下式計(jì)算：

(1)

式中，n為圓筒層數(shù)；i為圓筒層序號；j為圓盤序列數(shù)；Rj為第j個(gè)圓盤圓筒熱阻,K/W；rj為各層圓筒內(nèi)徑和外徑,m；λi為各層圓筒導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)；π為圓周率；ri為第i層圓筒的內(nèi)徑,m；ri+1為第i層圓筒的外徑,m。

結(jié)合多層圓通傳熱模型(圖1)，地?zé)峋椴蛇^程中抽采初期和熱損平衡后的井筒熱阻計(jì)算方法如下：

①熱水抽采初期，熱阻僅受套管和水泥環(huán)的導(dǎo)熱系數(shù)、直徑和厚度影響，圓筒熱阻為：

(2)

式中：n=2～4。

體育課不同于文化課，它大多是室外課，或多或少會有一些突發(fā)事件發(fā)生，對于這些突發(fā)事件的處理，老師要靈活機(jī)智，以敏稅的眼光和機(jī)智的語言引導(dǎo)學(xué)生，巧妙地應(yīng)對和化解課程教學(xué)中的各種“意外”，讓學(xué)生以大無畏的精神迎難而上，提高學(xué)生積極參與體育運(yùn)動的熱情。

②熱損平衡后，需考慮地層參數(shù)(例如r6、λ5(見圖1))，圓筒熱阻為：

(3)

式中：n=2～4。

取井筒最后一開次套管底0.1 m水柱為計(jì)算微元、圓盤厚度為各開次每0.1 ℃地溫梯度對應(yīng)的地層厚度lj，微元在中空圓盤中沿軸向向上運(yùn)動，基于前述假設(shè)，微元在圓盤中的入口溫度等于上一個(gè)圓盤的出口溫度，故微元通過第j段圓盤的熱量損失等于其徑向的導(dǎo)熱，即：

(4)

(5)

(6)

式中，k為井筒開次；qj為微元流經(jīng)圓盤的熱損，J；Tj,1為第j個(gè)圓盤熱水入口溫度,℃；Tj.n+1為第j個(gè)圓盤對應(yīng)地層溫度,℃；dk為微元在第k開次高度,m；tj為微元通過第j個(gè)圓盤時(shí)間,s；lj為第j個(gè)圓盤對應(yīng)地層厚度,m；G為地?zé)峋债a(chǎn)量,m3/d；AK為第k開次套管內(nèi)截面積,m2；Ak=max為最深開次套管內(nèi)截面積,m2。

井筒總熱損Q為：

(7)

式中，m為圓盤總數(shù)；Q為井筒總熱損,J。

為方便計(jì)算，本文僅討論地?zé)岢椴删臒釗p情況，且對保溫水泥使用效果的評價(jià)僅限于技術(shù)套管底部到抽水泵的井筒部分，并以熱水到達(dá)抽水泵的溫度作為熱損失的重要評價(jià)指標(biāo)。熱水在井底的溫度默認(rèn)為技術(shù)套管鞋處的地層溫度(即儲層溫度)，在熱水向上運(yùn)動過程中，流經(jīng)不同開次時(shí)，由于井徑的改變，微元水柱的高度會有相應(yīng)變化。井筒熱損計(jì)算過程中，若沒有特別說明，計(jì)算結(jié)果均為地?zé)岢椴沙跗跔顟B(tài)下熱水在井筒中溫度分布和在圓盤中通過時(shí)的熱損和溫降。熱損計(jì)算基本參數(shù)見表1。

表1 熱損計(jì)算基本參數(shù)Table 1 Basic parameters for calculation of heat loss

1.2.2 基于地?zé)岢椴删畬?shí)測數(shù)據(jù)的模型驗(yàn)證

本文調(diào)研了天津CGSD-01井和雄安D35井實(shí)測抽采數(shù)據(jù)、井身結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)地層數(shù)據(jù)(陳浩文等，2019；衛(wèi)萬順等，2012；王貴玲等，2020)，見表2。借助上述公式，編程計(jì)算了多層圓筒傳熱模型在熱水抽采中熱損計(jì)算的合理性，其中，計(jì)算所得出水溫度和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的對比見表3。由表3可知，CGSD-01井在出水量為140 m3/h和60 m3/h時(shí)，出水溫度計(jì)算結(jié)果分別為98.82 ℃和95.29 ℃，與實(shí)測值相差分別為0.32 ℃和0.29 ℃，誤差分別為0.33%和0.31%，說明模型計(jì)算的準(zhǔn)確度較高。D35井在出水量為250 m3/h時(shí)，其出水溫度在熱采初期和后期的計(jì)算值分別為104.48 ℃和113.85 ℃，實(shí)測抽采過程中的出水溫度(108.9 ℃)位于熱采初期和后期的計(jì)算值之間，符合現(xiàn)場抽采實(shí)際。綜上所述，多層圓筒傳熱模型在地?zé)峋椴蛇^程的熱損評價(jià)中具有很好的適用性，可用于不同導(dǎo)熱系數(shù)保溫水泥使用效果的快速評價(jià)與分析。

表2 CGSD-01和D35鉆遇地層和工程參數(shù)Table 2 Strata penetrated by CGSD-01 and D35 and engineering parameters

表3 模擬計(jì)算與實(shí)際抽采結(jié)果對比Table 3 Comparison between simulation calculation and actual pumping results

1.2.3 熱損評價(jià)用典型地?zé)岢椴删图皡?shù)

本文在兩種典型的地?zé)崽讲删?井身結(jié)構(gòu)如圖2所示)的基礎(chǔ)上，定量評價(jià)了不同導(dǎo)熱系數(shù)水泥石的保溫效果。A、B兩種井型均為套管全段固井，其中井型A為四開結(jié)構(gòu)，井型B為三開結(jié)構(gòu)，均采用含水層以上分開次固井、鉆穿含水層裸眼或篩管完井的方式，默認(rèn)開次轉(zhuǎn)換處套管重合段長度為150 m，井況及地層參數(shù)見表4。

圖2 典型地?zé)峋斫Y(jié)構(gòu)

表4 地層和工程基礎(chǔ)參數(shù)

2 保溫水泥在中低溫地?zé)峋械氖褂眯Чu價(jià)

井筒作為熱水的流動通道，在熱水從井底運(yùn)移到抽水泵的過程中扮演著保溫層的角色，套管和水泥石自身的導(dǎo)熱系數(shù)、井身結(jié)構(gòu)和熱水的抽采速率(朱明等，2015)等均會對井筒的保溫效果造成影響。

2.1 水泥石導(dǎo)熱系數(shù)對井筒保溫效果的影響

基于多層圓筒模型，井型A三開和二開井段使用保溫水泥，在熱采初期的井筒溫度分布和微元熱損值如圖3所示，熱水溫度損失占比結(jié)果見圖4。由圖可知，熱水在井筒中向上運(yùn)移時(shí)，水泥石導(dǎo)熱系數(shù)越低，井筒中熱水溫度越高，熱水到泵溫度越高；總體上微元熱損逐漸增加，僅在開次轉(zhuǎn)換處熱損降速有所降低；熱水熱損主要發(fā)生在一開和二開井段，占比97%以上。水泥石導(dǎo)熱系數(shù)由1.0 W/(m·K)降低到0.4 W/(m·K)后，熱水到泵溫度由68.53 ℃提高到78.16 ℃，增值為9.63 ℃。分析可知，同一開次內(nèi)，熱水在向上運(yùn)移過程中，與地層溫差增大，保溫層熱阻不變，微元在井筒內(nèi)運(yùn)移時(shí)單位長度井段熱損量不斷增加；開次轉(zhuǎn)換處，圓筒由兩層變四層，熱阻增加，因而微元熱損明顯降低，溫度降速放緩；熱水進(jìn)入上一級套管后，套管通徑和水泥石厚度增加，圓筒總導(dǎo)熱系數(shù)和微元高度減小，但微元通過單個(gè)圓盤的時(shí)間變長，導(dǎo)致微元熱損增減不定。

圖3 不同井深熱水溫度和微元熱損

圖4 不同導(dǎo)熱系數(shù)水泥石下熱水在井筒內(nèi)溫度損失比

2.2 保溫水泥使用效果影響因素分析

2.2.1 井徑

參照井型B，分析了井徑對保溫水泥使用效果的影響，在二開全井段使用保溫水泥時(shí)，計(jì)算得出不同井徑下的熱損情況見圖5。由圖可知，保溫水泥的使用能明顯降低熱水在二開井段運(yùn)移時(shí)微元熱損，顯著提高熱水到泵溫度，在B2型井身結(jié)構(gòu)中使用效果優(yōu)于B1型井；水泥石導(dǎo)熱系數(shù)由1.0 W/(m·K)降低到0.4 W/(m·K)后，井型B1和B2熱水到泵溫度分別為71.36 ℃和73.99 ℃，較未使用保溫水泥時(shí)熱水到泵溫度分別提高8.65 ℃和7.78 ℃。分析可知，熱水微元在井筒內(nèi)單位長度熱損和套管通徑、圓筒熱阻、熱水與地層溫差有關(guān)，在相同排量和微元高度下，二開井徑由215.9 mm變?yōu)?11.1 mm時(shí)，微元運(yùn)移速度降低，保溫層熱阻和微元質(zhì)量增加，微元熱損變大，但溫度降低值變小。

圖5 不同井徑微元溫度和熱損

2.2.2 井底溫度

為了比較不同井底熱水溫度下使用保溫水泥時(shí)的效果，在表4和表1計(jì)算參數(shù)的基礎(chǔ)上改變了儲層溫度(見表5)，利用井型A計(jì)算了同一井深、不同井底水溫下井筒中熱水溫度分布和微元熱損，結(jié)果見圖6。由圖可知，儲層溫度越高，微元在相同井深處熱損越小，但熱水到泵溫度降低值越大，且使用保溫水泥后熱水到泵溫度提高值越大。降低水泥石導(dǎo)熱系數(shù)后，在70 ℃、90 ℃和110 ℃三個(gè)溫度下，熱水到泵溫度分別為55.64 ℃、70.56 ℃和86.12 ℃，較使用常規(guī)水泥分別提高了6.47 ℃、8.6 ℃和10.5 ℃。分析認(rèn)為，井底水溫越高，相應(yīng)圓盤數(shù)量越多，單個(gè)圓盤對應(yīng)地層厚度越小，即出現(xiàn)高井底溫度下微元在不同井深處熱損較小但總熱損較大和熱水到泵溫度降低值較大的情況。

表5 井況1～3地層參數(shù)Table 5 Temperatures of well conditions 1～3

圖6 井底水溫對保溫水泥使用效果的影響

2.2.3 井深

利用表1和表4數(shù)據(jù)計(jì)算了井型B1在同一儲層溫度、不同井深H下熱水在井筒中溫度分布和降低值，結(jié)果見圖7。由圖可知，隨著井深的增加，溫度降低值先減小后增大，保溫水泥使用后熱水到泵溫度提高值越大。使用常規(guī)水泥石，隨著井深增加，熱水到泵溫度分別為66.33 ℃、52.33 ℃和56.6 ℃；降低水泥石導(dǎo)熱系數(shù)到0.4 W/(m·K)后，熱水到泵溫度分別能提高4.34 ℃、7.21 ℃和9.64 ℃。分析認(rèn)為，熱水在井筒中運(yùn)移時(shí)，某井段熱損主要受熱水與地層溫度差和其流經(jīng)圓盤時(shí)間的影響，在二開井筒，隨著井底深度變小，0.1 ℃對應(yīng)地層厚度變小，微元流經(jīng)圓盤時(shí)間明顯減少，地層溫度降低較快，熱水與地層溫度差為主要影響因素，導(dǎo)致熱水熱損較大，溫度降低較快；開次轉(zhuǎn)換后，圓筒熱阻增加，微元流經(jīng)圓盤時(shí)間明顯增加，并轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕蛩兀揖咨疃仍酱?，熱損越大。

圖7 井深對保溫水泥使用效果的影響

2.2.4 使用開次

圖8為利用井型A、表1和表4數(shù)據(jù)(取λ=1.0 W/(m·K)和0.4 W/(m·K))計(jì)算得出的保溫水泥在不同使用開次下的熱損情況，分析可知，保溫水泥在三開、一開、二開、全井段的使用效果依次增加。各開次使用保溫水泥后的熱水到泵溫度分別為68.79 ℃、74.25 ℃、77.80 ℃和84.68 ℃，較不使用保溫水泥時(shí)的熱水到泵溫度(68.53 ℃)分別提升0.26 ℃、5.72 ℃、9.27 ℃和16.15 ℃。分析認(rèn)為，三開井段較短、熱水流速快、水泥環(huán)相對較薄，僅在此井段使用保溫水泥對熱水到泵溫度的提高有一定效果，但影響不大；二開和一開水泥環(huán)厚度依次增加，井段相對三開更長，故保溫水泥的應(yīng)用效果明顯提升，在二開或一開使用保溫水泥時(shí)，其熱水到泵溫度較使用常規(guī)水泥增幅達(dá)13.53%和8.34%；全井段使用保溫水泥時(shí)的熱水到泵溫度較使用常規(guī)水泥增幅可達(dá)23.57%。因此，推薦全井段采用低導(dǎo)熱系數(shù)水泥進(jìn)行固井，以獲取較高熱水到泵溫度，但因特殊情況不能全井段使用保溫水泥時(shí)，如井底地層出現(xiàn)異常高壓，應(yīng)盡可能采取上部井段保溫水泥固井配合下部井段常規(guī)水泥固井的方案，獲取最佳的保溫效果。

圖8 井身不同開次使用保溫水泥的效果

2.3 典型地?zé)峋疅釗p分析和保溫水泥使用效果評價(jià)

2.3.1 典型井熱采初期熱損分析

基于表1、表4、表6數(shù)據(jù)和上述分析結(jié)論，在一開、二開井段使用導(dǎo)熱系數(shù)為0.4 W/(m·K)的保溫水泥時(shí)，計(jì)算了不同日產(chǎn)量下井型A的熱損情況，結(jié)果見圖9。由圖可知，隨著日產(chǎn)量的增加，井筒內(nèi)熱水到泵溫度提高明顯，且日產(chǎn)量達(dá)到一定值后，熱水到泵溫度趨于穩(wěn)定；當(dāng)水泥石導(dǎo)熱系數(shù)降低到0.4 W/(m·K)后，熱水到泵溫度有較大的提升，井底熱水溫度越高，日產(chǎn)量越低，熱水到泵溫度提高值越大，并隨著日產(chǎn)量的提高逐漸減??；排量為400 m3/d條件下，井底水溫為120 ℃、100 ℃和80 ℃時(shí)，使用保溫水泥能夠?qū)崴奖脺囟确謩e提高到79.50 ℃、62.16 ℃和53.09 ℃，溫度提高值分別為25.29 ℃、22.92 ℃和16.07 ℃；排量為2600 m3/d時(shí)，三種井底熱水溫度下，使用保溫水泥能夠?qū)崴奖脺囟确謩e提高到111.46 ℃、91.94 ℃和74.23 ℃，溫度提高值分別為10.24 ℃、9.58 ℃和6.69 ℃；當(dāng)日產(chǎn)量為1050 m3/d，井底水溫為120 ℃時(shí)，使用保溫水泥即能將熱水到泵溫度提高到100 ℃以上。分析認(rèn)為，日產(chǎn)量的增加和保溫水泥的使用能夠明顯減少微元與井筒的傳熱時(shí)間、降低圓筒的導(dǎo)熱系數(shù)，提高熱水到泵溫度，日產(chǎn)量超過2000 m3/d后熱水到泵溫度增速減緩，繼續(xù)提高日產(chǎn)量對熱水到泵溫度的提高效果并不明顯，建議該井日產(chǎn)量為2000 m3/d左右。

表6 井況4～5地層參數(shù)Table 6 Temperatures of well conditions 4～5

圖9 熱水到泵溫度及其增加值

2.3.2 典型地?zé)峋疅岵珊笃诘臒釗p分析

利用表1、表4和表6中的井身和地層數(shù)據(jù)計(jì)算了地?zé)峋疅嵘⑹胶夂?受影響地層半徑達(dá)到最大)保溫水泥的保溫效果，結(jié)果見圖10。由圖可知，隨著日產(chǎn)量的提高，熱水到泵溫度逐漸增大；使用保溫水泥后，隨著日產(chǎn)量提高，熱水到泵溫度增加值降低，且井底水溫越高，熱水到泵溫度增加值越大。日產(chǎn)量由400 m3/d提升到2000 m3/d，井底水溫為120 ℃、100 ℃和80 ℃三種情況下使用保溫水泥熱水到泵溫度值分別為108.71～118.13 ℃、89.19～98.21 ℃和72.03～78.67 ℃，熱水到泵溫度增加值分別為1.52～0.27 ℃、1.46～0.27 ℃和1.09～0.2 ℃。分析可知，熱損平衡后的圓筒熱阻增加了地層因素，較厚的受影響地層大大延長了熱傳遞時(shí)間，提高了圓筒的總熱阻；相對較薄的水泥環(huán)在圓筒中的作用降低嚴(yán)重，但保溫水泥的使用仍能一定程度降低微元總熱損，對熱水到泵溫度的提高值保持在熱采初期的6%左右。

圖10 熱水到泵溫度及其增加值

3 地?zé)衢_發(fā)用保溫固井水泥的發(fā)展建議

目前，地?zé)衢_發(fā)用保溫水泥尚未取得實(shí)際工程應(yīng)用，僅少數(shù)學(xué)者開展了水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的研究工作(Won et al.，2016)。Ichim et al.(2018)探討了水泥石導(dǎo)熱性能的主要影響因素，同時(shí)提出保溫水泥也可作為降低回注井近地表層熱水熱損的有效手段；徐冰欽等(2017)利用二氧化鎢、玻璃棉纖維和空心玻璃微球，制備出強(qiáng)度高于13.5 MPa、導(dǎo)熱系數(shù)低于0.2 W/(m·K)的水泥石，但成本較高。為實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的高效利用，亟待開發(fā)出適用于中低溫地?zé)峋玫牡统杀靖咝П厮?。此外，建筑用保溫水泥及稠油井用保溫水泥技術(shù)可供借鑒。

建筑用無機(jī)保溫砂漿和泡沫混凝土(Gabbar et al.，2014)的溫度和化學(xué)穩(wěn)定性好，其通過延長水泥內(nèi)部熱傳導(dǎo)路徑(張磊蕾，2011；代丹丹，2016)來降低熱量擴(kuò)散速度的方式可為地?zé)峁叹帽厮嗟难芯刻峁┲匾獏⒖肌Ｆ渲?，無機(jī)保溫砂漿常在水泥中通常加入玻化微珠、膨脹珍珠巖、空心微珠、氣體或氣凝膠等無機(jī)低導(dǎo)熱材料，在大幅降低導(dǎo)熱系數(shù)(最低可降至0.05 W/(m·K))的同時(shí)還能維持一定水泥石強(qiáng)度(Fickler et al.，2015；孫亮，2015；韓金光等，2016；梅陽等，2017；王亮等，2018)。稠油井利用泡沫水泥應(yīng)對因熱損導(dǎo)致稠油溫度降低時(shí)粘度急劇升高的難題(崔傳智等，2016)，在多口井的應(yīng)用中都取得了不錯(cuò)的效果(胡常忠，1998；徐可軍等，2002；顧軍等，2002)。

為保證地?zé)岚踩?、高效開發(fā)，對接工程需求，地?zé)峋叹帽厮鄳?yīng)具備低導(dǎo)熱系數(shù)、低密度、高強(qiáng)度、易配制、低成本等特點(diǎn)。結(jié)合地?zé)峋F(xiàn)場實(shí)際和已有成熟技術(shù)，提出如下建議：①篩選和研制高性價(jià)比、合理粒徑級配和具有火山灰活性的無機(jī)保溫材料，保證材料在水泥漿中的均勻分布，降低堆積密度的同時(shí)提高水泥石抗壓強(qiáng)度；②加入細(xì)?；钚蕴畛洳牧希畛渌嗄z體與保溫材料間的微小孔隙，提高水泥石抗壓強(qiáng)度；③降失水劑、懸浮劑和緩凝劑等性能調(diào)節(jié)材料應(yīng)優(yōu)先使用高效、配伍性好和施工難度低的品類。

4 結(jié)論

本文簡要分析了地?zé)峋椴蛇^程中的熱損原因，驗(yàn)證了多層圓筒傳熱模型在地?zé)峋疅崴椴蛇^程中用于熱水熱損快速計(jì)算的有效性，并計(jì)算了在不同水泥石導(dǎo)熱系數(shù)、井徑、井深和保溫水泥使用開次情況下熱水在井筒中的溫度分布和到泵溫度。同時(shí)，針對性地評價(jià)了保溫水泥在典型地?zé)峋膽?yīng)用效果，并總結(jié)了地?zé)衢_發(fā)用保溫水泥的發(fā)展建議，得到如下結(jié)論：

(1)保溫水泥的使用可有效降低地?zé)峋椴蛇^程中的熱損量，且增加保溫水泥水泥環(huán)層數(shù)和使用井段效果更佳。

(2)多層圓筒傳熱模型可有效計(jì)算熱水熱損和到泵溫度，模擬結(jié)果表明：對井深3500米、日產(chǎn)量1200 m3、儲層溫度100 ℃的井，熱損主要發(fā)生在一開和二開井段；水泥石導(dǎo)熱系數(shù)由1.0 W/(m·K)降至0.4 W/(m·K)后，熱水到泵溫度可由68.53 ℃提高到78.16 ℃；保溫水泥使用效果隨井徑、井底熱水溫度、井深和使用開次的增加而提高，且熱水到泵均能提高6 ℃以上。

(3)對于典型地?zé)峋?，在熱采初期，保溫水泥的使用能有效提高熱水到泵溫度，但隨日產(chǎn)量的提高其效果逐漸降低，熱水到泵溫度增加值最高可達(dá)25.29 ℃；在熱采后期，受熱損影響參與熱阻計(jì)算的地層半徑增加至最大，導(dǎo)致水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的降低對圓筒熱阻的影響大大降低，但仍具有一定影響，熱水到泵溫度增加值最大可達(dá)1.52 ℃。

(4)保溫水泥是解決中低溫地?zé)峋疅釗p難題的一個(gè)重要手段和研究內(nèi)容，可以借鑒建筑和稠油井保溫水泥技術(shù)，以期同時(shí)解決固井漏失和熱水在井筒中熱損嚴(yán)重的難題，提高熱水到泵溫度，最大化其使用價(jià)值。