溫度對(duì)高導(dǎo)熱固井材料性能及結(jié)構(gòu)的影響研究★

雷燕子,楊永健,汪啟龍,田 燁

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)

0 引言

在全球能源日益緊缺,溫室效應(yīng)日益加劇的今天,我國(guó)向全世界宣示了為地球“減碳降溫”的決心,制定了“碳中和”“碳達(dá)峰”的遠(yuǎn)大目標(biāo)[1]。為了限制一次性化石能源的持續(xù)消耗,避免其對(duì)環(huán)境的進(jìn)一步破壞,開發(fā)利用低碳環(huán)保可持續(xù)的綠色能源成了當(dāng)今社會(huì)的唯一選擇[2]。地?zé)崮茏鳛橐环N不受天氣影響,零碳排放的清潔能源,逐漸受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[3]。地?zé)崮艿拈_發(fā)利用效率受到很多因素的制約,例如:井型、井徑、井深、地下?lián)Q熱器性能等等[4-6]。其中,固井材料的導(dǎo)熱性能是影響地下?lián)Q熱器工作效率的重要因素之一[7]。

王中明[8]、連會(huì)青[9]、李桂平[10]等基于分形理論、復(fù)合材料理論等,研究得到了適用于不同條件的固井材料體系。部分學(xué)者[11-14]借鑒復(fù)合材料領(lǐng)域相關(guān)經(jīng)驗(yàn),研究了不同填料對(duì)水泥基物理性能的影響。筆者團(tuán)隊(duì)[15-17]借鑒上述經(jīng)驗(yàn),向水泥基中加入石墨、鐵粉等導(dǎo)熱填料,制備出了適用于地?zé)峋叹母邔?dǎo)熱固井材料,極大提升了地?zé)峋叵聯(lián)Q熱器的換熱效率。但是,有關(guān)固井材料長(zhǎng)期處于地下高溫環(huán)境時(shí),其性能及結(jié)構(gòu)變化的相關(guān)研究卻鮮有報(bào)道。

因此,本文選取團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的高導(dǎo)熱固井材料作為研究對(duì)象,通過試驗(yàn)測(cè)試、微觀分析等方法,研究了溫度對(duì)高導(dǎo)熱固井材料導(dǎo)熱性能、抗壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為地?zé)崮艿母咝ч_發(fā)利用提供指導(dǎo)和借鑒。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文主要針對(duì)2 000 m～3 000 m深度的地?zé)峋M(jìn)行研究。其井內(nèi)不同深度處的溫度可通過式(1)進(jìn)行計(jì)算:

T=T0+αH

(1)

其中，T為地層溫度,℃;T0為地表溫度,℃;α為地溫梯度,℃/hm;H為地層深度,m。α由地層屬性、地質(zhì)條件等因素決定，不同地區(qū)其值各異，此處取通用值：3 ℃/hm；T0與所處位置、節(jié)令、天氣等有關(guān)，此處取年平均氣溫10 ℃。通過式(1)計(jì)算可得，地?zé)峋畠?nèi)3 000 m深度處溫度為100 ℃。因此，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度為0 ℃～100 ℃。

1.2 試驗(yàn)材料

作者團(tuán)隊(duì)通過大量試驗(yàn)，制備出了一種高導(dǎo)熱固井材料(HTC)，相較于普通油井水泥固井材料(HGC)，其導(dǎo)熱性能得到了極大提升。該材料配方及基本物理性能指標(biāo)分別見表1，表2。本研究以HTC為試驗(yàn)對(duì)象，以HGC為對(duì)照樣，探討?zhàn)B護(hù)溫度與固井材料性能及結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

表1 材料配方

表2 材料基本物理性能

1.3 樣品制備

參照水泥試驗(yàn)相關(guān)規(guī)范,按材料配方制備漿液。待漿液的基本物理性能測(cè)試完畢后,將剩余漿液倒入50 mm×50 mm×50 mm試模中,振搗均勻。然后放入恒溫水浴養(yǎng)護(hù)箱中,設(shè)置好溫度,開始計(jì)時(shí)。達(dá)到試驗(yàn)齡期后,取出脫模,得到試驗(yàn)樣品,進(jìn)行性能測(cè)試。

1.4 測(cè)試方法

1)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試。

采用DRE-2C型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀對(duì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試原理為瞬態(tài)平面熱源法,計(jì)算方法見式(2)。該設(shè)備測(cè)試范圍為:0.01 W/(m·K)～100 W/(m·K),精確度優(yōu)于±5%。

(2)

其中，λ為材料導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);q為加熱功率,W;θ為探頭溫升,K;t為加熱時(shí)間,s。

2)抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

采用YAW-300型壓力機(jī)測(cè)試材料的單軸抗壓強(qiáng)度,計(jì)算方法見式(3)。該設(shè)備測(cè)試范圍為12 kN～300 kN,準(zhǔn)確度優(yōu)于±1%。

σ=0.1×F/A

(3)

其中，σ為單軸抗壓強(qiáng)度,MPa;F為樣品破壞前的最大承載力,kN;A為樣品最大接觸面積,cm2。

3)掃描電鏡測(cè)試。

采用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)樣品的微觀形貌進(jìn)行觀測(cè),放大倍數(shù)為300倍～20 000倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 養(yǎng)護(hù)溫度與固井材料性能的關(guān)系

2.1.1 溫度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

分別測(cè)試了HGC和HTC在20 ℃，40 ℃，60 ℃，80 ℃，100 ℃溫度下養(yǎng)護(hù)14 d的導(dǎo)熱系數(shù),如圖1所示?？梢钥闯?對(duì)照樣HGC在20 ℃～80 ℃范圍內(nèi),導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高呈小幅度增大的趨勢(shì),增幅為6.41%。當(dāng)溫度大于80 ℃后,導(dǎo)熱系數(shù)略有降低。試驗(yàn)樣HTC在養(yǎng)護(hù)溫度由20 ℃升至40 ℃時(shí),其導(dǎo)熱系數(shù)大幅提升,增幅為12.22%,當(dāng)溫度處于40 ℃～80 ℃時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)基本處于穩(wěn)定,不隨溫度變化而變化。當(dāng)溫度大于80 ℃時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)又略微降低。由此可見,固井材料的導(dǎo)熱系數(shù)整體上隨溫度升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),而高導(dǎo)熱樣HTC的導(dǎo)熱系數(shù)比對(duì)照樣HGC受溫度的影響更大。

2.1.2 溫度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

測(cè)試了在不同溫度下HGC和HTC的抗壓強(qiáng)度,如圖2所示?？芍?HTC和HGC的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度的變化趨勢(shì)基本一致。在20 ℃～60 ℃時(shí),HTC和HGC的抗壓強(qiáng)度均隨溫度升高逐漸增大,其中HTC增幅為10.84%,HGC的增幅為12.99%。當(dāng)溫度在60 ℃～100 ℃時(shí),兩者均隨溫度增大而降低,HTC的降幅為17.25%,HGC的降幅為15.95%。

綜上可知,適當(dāng)?shù)臏囟?60 ℃)有助于高導(dǎo)熱固井材料導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的發(fā)展,而過高(100 ℃)和過低(20 ℃)的溫度均會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生不利影響。

2.1.3 不同溫度下固井材料的微觀結(jié)構(gòu)

為了探究養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)高導(dǎo)熱固井材料性能影響的原因,選取了在20 ℃,60 ℃和100 ℃時(shí)養(yǎng)護(hù)14 d的HTC樣品,對(duì)其進(jìn)行了SEM觀測(cè)試驗(yàn),結(jié)果見圖3。首先,由圖3(a)，圖3(c)，圖3(e)可以看出,HTC的整體致密程度由大到小的順序?yàn)?60 ℃>20 ℃>100 ℃。再由圖3(b)、圖3(d)、圖3(f)可以看出,在20 ℃時(shí),HTC的水化程度很低,生成的六方塊狀Ca(OH)2直徑較小,而水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)的數(shù)量也極少;在60 ℃時(shí),HTC的水化程度很高,有大量板狀Ca(OH)2和團(tuán)狀C-S-H凝膠生成;而在100 ℃時(shí),HTC又進(jìn)一步水化,消耗了大量Ca(OH)2生成了更多絮狀的C-S-H,同時(shí)材料內(nèi)部的孔隙尺寸和數(shù)量都極大。

由此可見,溫度對(duì)水泥基固井材料宏觀性能的影響,主要是因?yàn)樵诓煌B(yǎng)護(hù)溫度下材料內(nèi)部的物質(zhì)成分以及孔隙結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化導(dǎo)致的。

2.2 60 ℃時(shí)養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間的固井材料性能

2.2.1 導(dǎo)熱系數(shù)

為了探究材料的導(dǎo)熱系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系,分別測(cè)試了在60 ℃環(huán)境下養(yǎng)護(hù)1 d，3 d，7 d，14 d后HTC和HGC的導(dǎo)熱系數(shù),其結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知,整體上HTC的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于HGC。HTC和 HGC的導(dǎo)熱系數(shù)均隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加呈逐漸增大的趨勢(shì),其中,HGC的增幅為5.80%,而HTC的增幅為7.87%?？梢?HTC導(dǎo)熱系數(shù)的增幅略大于HGC。因此,HTC的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)溫度的敏感程度大于HGC,這與上節(jié)研究結(jié)果相一致。

2.2.2 抗壓強(qiáng)度

測(cè)試了在60 ℃養(yǎng)護(hù)1 d,3 d,7 d,14 d后HTC和HGC的抗壓強(qiáng)度,其與養(yǎng)護(hù)時(shí)間之間的關(guān)系見圖5?？梢?整體上HTC的抗壓強(qiáng)度略小于HGC,而兩者的抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加逐漸增大。其中,HTC的增幅為37.38%,HGC的增幅為43.32%。因此,HTC的抗壓強(qiáng)度對(duì)溫度的敏感程度略低于HGC。

2.2.3 微觀結(jié)構(gòu)

分別對(duì)HTC在60 ℃時(shí)養(yǎng)護(hù)1 d,3 d,7 d,14 d的樣品進(jìn)行了SEM觀測(cè),其結(jié)果見圖6。由圖6可以看出,隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加,材料的水化程度逐漸增大,鈣礬石(AFt)以及未水化的基體顆粒的含量越來越低,Ca(OH)2和C-S-H等水化產(chǎn)物的含量越來越高,并且Ca(OH)2由剛開始的小塊狀逐漸長(zhǎng)大為層板狀,基體顆粒之間也有越來越多的硅鈣質(zhì)水化產(chǎn)物填充。因此,這也是導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度隨著時(shí)間增加逐漸增大的本質(zhì)原因。

3 結(jié)語

1)養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥基固井材料的導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度均有較大影響。適當(dāng)?shù)臏囟?60 ℃)有助于材料導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的發(fā)展,而過高(100 ℃)和過低(20 ℃)的溫度均會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生不利影響。

2)在60 ℃下固井材料的導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加呈逐漸增大的趨勢(shì)。相較于HGC,HTC的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)溫度的敏感程度更高,而抗壓強(qiáng)度對(duì)溫度的敏感程度較低。

3)不同的養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間均會(huì)對(duì)HTC的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。兩者均通過改變材料的水化產(chǎn)物和孔隙結(jié)構(gòu)等,從而影響其宏觀物理性能。