地?zé)峋厮鄬?dǎo)熱系數(shù)影響因素研究

摘 要：選擇合適的測(cè)試方法探究不同因素對(duì)保溫水泥導(dǎo)熱系數(shù)的作用規(guī)律和方式。研究表明：隨著保溫材料加量和水灰比的增大，水泥石導(dǎo)熱系數(shù)先迅速減小，隨后下降速率降低并逐漸趨于穩(wěn)定；隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高和時(shí)間的增長(zhǎng)，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，并在7 d后基本穩(wěn)定；隨著含水率的增大和測(cè)試溫度的升高，導(dǎo)熱系數(shù)顯著增大；其中，含水率、測(cè)試溫度、保溫材料加量和水灰比等因素對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響逐級(jí)遞減。低密度和具有類蜂窩狀結(jié)構(gòu)的保溫材料在降低導(dǎo)熱系數(shù)和維持抗壓強(qiáng)度等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，且保溫材料的推薦加量為15%～20%。

關(guān)鍵詞：地?zé)崮埽粺釗p失；保溫材料；導(dǎo)熱系數(shù)；地?zé)峋?；影響因?/p>

中圖分類號(hào)：P314.9" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

對(duì)于流體交換型和井筒換熱型地?zé)峋?，?dāng)熱水在井筒內(nèi)流動(dòng)的過(guò)程中，其熱量會(huì)大規(guī)模、持續(xù)地經(jīng)套管和水泥環(huán)向四周低溫地層散失，導(dǎo)致地?zé)崮芾眯食霈F(xiàn)不同程度的降低［1-4］。為減少井筒熱損，前人在搭建井筒傳熱模型、優(yōu)選日抽水量和抽水管深度、優(yōu)化抽水管保溫性能、合理組合主出水層段和提高套管保溫能力等方面開(kāi)展了大量研究，在理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐下均取得了較好成果［5-8］。同時(shí)，存在于數(shù)千米井筒中的水泥環(huán)在降低井筒沿程熱損的作用方面也逐漸受到關(guān)注，使用低導(dǎo)熱系數(shù)水泥（保溫水泥）以實(shí)現(xiàn)減少地?zé)崮芾速M(fèi)和提高井口水溫的工程手段逐漸得到認(rèn)可［5，9-12］。

水泥環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)受漿體配方、地層環(huán)境和傳熱環(huán)境等多方面因素影響［13-15］。針對(duì)固井水泥環(huán)的傳熱特點(diǎn)，前人使用實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬兩種手段探究了養(yǎng)護(hù)時(shí)間、外加材料粒徑和種類、孔隙度和含濕量等因素對(duì)固井水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的影響，在研究手段和固井水泥石傳熱認(rèn)識(shí)方面取得了較大突破［10，16-18］。然而，已有研究在探索各因素與水泥石導(dǎo)熱系數(shù)之間聯(lián)系的過(guò)程中，尚存在影響因素研究不夠全面、未考慮多因素聯(lián)合作用和微觀解釋有待進(jìn)一步深入等問(wèn)題。

本文旨在探究地?zé)峋厮鄬?dǎo)熱系數(shù)在不同影響因素下的變化規(guī)律、作用方式和各因素協(xié)同效果?；诖?，研究過(guò)程中在優(yōu)選合理導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法的前提下，通過(guò)測(cè)試不同保溫水泥配方、養(yǎng)護(hù)和測(cè)試條件下水泥樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度，并借助壓汞實(shí)驗(yàn)和掃描電鏡等手段，以期揭示不同影響因素下水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律、作用方式和因素間的內(nèi)在聯(lián)系。

1 地?zé)峋叹嗍瘜?dǎo)熱系數(shù)影響因素分析

根據(jù)傅里葉定律，水泥石傳熱能力與其骨架導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱面積、溫度差和厚度有關(guān)。一般情況下，固井水泥環(huán)的厚度基本可確定，因此水泥環(huán)骨架導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱面積和井筒內(nèi)外溫度差是影響其傳熱能力的主要因素。同時(shí)，從傳熱介質(zhì)屬性分析，水泥石屬多孔介質(zhì)［19］，其導(dǎo)熱系數(shù)主要由骨架成分、孔隙度和含水率等因素決定［14，17，20-21］，因而水泥石熱傳遞能力的主要影響因素包括保溫材料類型和加量、水灰比、含水率、養(yǎng)護(hù)條件和溫度差等［14，22-23］。

基于上述分析，在研究地?zé)峋菜喹h(huán)導(dǎo)熱系數(shù)影響因素的過(guò)程中，需考慮漿體配方、水化條件和熱水開(kāi)采過(guò)程中井筒內(nèi)外的溫度差等因素［24-26］。而對(duì)于保溫水泥，漿體配方的差異會(huì)影響水泥石的骨架成分和孔隙度，包括保溫材料類型和加量、水灰比等［27］；數(shù)千米井段地層溫度與壓力的變化會(huì)影響水泥顆粒的水化進(jìn)程、產(chǎn)物類型以及孔隙尺寸和數(shù)量，從而導(dǎo)致不同井深水泥石骨架成分和孔隙度的差異［28-29］；地?zé)崮荛_(kāi)采過(guò)程中，盡管沿程熱損會(huì)導(dǎo)致熱水溫度持續(xù)降低，但其降低速率遠(yuǎn)低于地層溫度的降低速度，因此由井底至井口井筒內(nèi)外的溫度差一般逐步增大，同時(shí)該差值也受抽采時(shí)間和日抽水量的影響；由于水的傳熱能力遠(yuǎn)高于空氣，水泥石固化時(shí)的高含水狀態(tài)、地層濕潤(rùn)環(huán)境和傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象等都會(huì)影響水泥石的含水率和濕分分布，從而影響其整體傳熱能力［30］?？偟膩?lái)說(shuō)，水泥石的傳熱能力主要由水泥石骨架成分、孔隙度、含水率和溫度差等4個(gè)方面決定，而地?zé)峋厮嗟膶?dǎo)熱系數(shù)是水泥漿水灰比、保溫材料加量、含水率、養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間以及測(cè)試溫度等因素共同作用的結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)材料和測(cè)試方法

2.1 材 料

為簡(jiǎn)化研究范圍，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選用具有代表性的固井水泥材料（G級(jí)油井水泥）和保溫材料（空心玻璃微珠）配制保溫水泥。其中，G級(jí)油井水泥由山東省諸城市九七建材有限公司提供，其化學(xué)成分和物理性質(zhì)見(jiàn)表1、表2；懸浮劑WH-2由衛(wèi)輝市化工有限公司提供；空心玻璃微珠由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦院新材料科技有限公司提供，綜合考慮密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)等方面因素，空心玻璃微珠的型號(hào)選擇為Y4000，其技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

2.2 測(cè)試方法

鑒于保溫水泥具有孔隙含水和導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低的特征，本文中水泥石導(dǎo)熱系數(shù)均選用穩(wěn)態(tài)法中的平板熱流計(jì)法（DRPL-Ⅲ 高精度材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，熱面和冷面溫度范圍均為0～99.9 ℃，測(cè)試精度為1%）完成測(cè)試，所選取熱面和冷面溫度組合用“熱面溫度+冷面溫度”表示，例如70 ℃+30 ℃。其中，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還配套設(shè)計(jì)制作測(cè)試樣品的模具，制作的測(cè)試樣品是尺寸為Φ47 mm×5.5 mm的薄片（圖1），滿足《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定 熱流計(jì)法》（GB/T 10295—2008）的要求。同時(shí)，參考《油井水泥試驗(yàn)方法》（GB/T 19139—2012），設(shè)計(jì)水泥石導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度測(cè)試步驟。

配制水泥漿時(shí)，先用天平稱取確定數(shù)量的蒸餾水和固體材料，然后將蒸餾水倒入漿杯中，設(shè)置攪拌器以低速（4000±200 r/min）轉(zhuǎn)動(dòng)，并在15 s內(nèi)倒入混合均勻的固體材料，接著在高速（6000±200 r/min）下繼續(xù)攪拌35 s（避免在更高攪拌速度下攪拌葉打碎空心玻璃微珠），并將配制完成的水泥漿倒入養(yǎng)護(hù)模具并置于一定溫度、壓力條件下養(yǎng)護(hù)設(shè)定的時(shí)間。待養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，取出測(cè)試樣品并放入鼓風(fēng)干燥箱（100 ℃）干燥至恒重。隨后，將測(cè)試樣品置于干燥皿中，在待其冷卻至室溫的過(guò)程中，打開(kāi)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀并設(shè)置好熱面和冷面溫度，待加熱至設(shè)定溫度后，放置測(cè)試樣品于導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀冷面和熱面之間并施加約500 N壓力，達(dá)到保證兩個(gè)平面與水泥石導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試樣品緊密接觸和熱量的正常、順利傳遞。熱流穩(wěn)定后，開(kāi)始測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)，直至連續(xù)5次測(cè)試值的差值在3%以內(nèi)，取平均值為測(cè)試結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)中空心玻璃微珠與G級(jí)油井水泥的質(zhì)量比分別為5%、10%、15%和20%，固定水灰比為0.7，若存在流變性和懸浮性問(wèn)題，可適當(dāng)添加減水劑和懸浮劑。在測(cè)試水灰比對(duì)水泥導(dǎo)熱系數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)中，確定空心玻璃微珠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，選取保溫水泥漿水灰比分別為0.6、0.7、0.8和0.9，同時(shí)設(shè)定水灰比分別為0.50、0.55、0.60和0.70的純水泥作為測(cè)試對(duì)照組。上述樣品養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為60 ℃和24 h，測(cè)試溫度組合為70 ℃+30 ℃。此外，在研究含水率對(duì)水泥石導(dǎo)熱系數(shù)影響的過(guò)程中，分析對(duì)象為不同水灰比測(cè)試樣品飽和含濕及完全干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)。

在探究測(cè)試溫度對(duì)水泥石導(dǎo)熱系數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試溫度分別選取50 ℃+30 ℃、70 ℃+30 ℃、90 ℃+30 ℃、70 ℃+50 ℃和90 ℃+70 ℃的組合，測(cè)試對(duì)象為上述不同空心玻璃微珠加量的水泥石。在探究養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥石導(dǎo)熱系數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)中，分別選取養(yǎng)護(hù)溫度為60、90、120 ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24 h，測(cè)試溫度組合為70 ℃+30 ℃。在探究養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥石導(dǎo)熱系數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)中，選取養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1、3、7、15 d，養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃，測(cè)試溫度組合為70 ℃+30 ℃。上述抗壓強(qiáng)度測(cè)試樣品的養(yǎng)護(hù)條件與對(duì)應(yīng)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試樣品的養(yǎng)護(hù)條件均相同。

YAW-300B型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)被用于固井水泥抗壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試壓力范圍為12～300 kN，準(zhǔn)確度優(yōu)于±1%。其中，加載速率為（71.7±7.2）kN/min，測(cè)試溫度為20 ℃。DRPL-Ⅲ高精度材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀用于水泥石導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試，測(cè)試范圍為0.001～5.0 W/（m·K），測(cè)量精度為1%，溫度控制精度為0.1 ℃，壓力分辨力為0.1 N。高性能全自動(dòng)壓汞儀AutoPore Ⅳ 9500用于開(kāi)展樣品孔喉半徑的測(cè)試，壓力3.3萬(wàn)磅（228 MPa），孔徑測(cè)量范圍50 ?～1000 μm，測(cè)試溫度20 ℃。蔡司研究級(jí)正置生物顯微鏡Axio Scope A1和蔡司相機(jī)AxioCam MRc 5用于拍攝水泥石顯微照片。FEI Nova Nano SEM 450場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡用于開(kāi)展水泥石微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)和對(duì)空心玻璃微珠周圍物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，測(cè)試溫度20 ℃。

3 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試與分析

3.1 空心玻璃微珠加量

不同空心玻璃微珠加量保溫水泥的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖2a所示，添加不同保溫材料水泥石的導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖2b和圖2c所示。純水泥（w/c=0.7）、10%和20%空心玻璃微珠加量保溫水泥（w/c=0.7）的顯微鏡觀察結(jié)果如圖3所示。10%和20%空心玻璃微珠保溫水泥的孔喉分布頻率、孔喉半徑中值和干密度測(cè)試結(jié)果如圖4所示?？招牟Ａ⒅樵谒酀{中堿性環(huán)境下的水化結(jié)果如圖5所示。

由圖2可知，空心玻璃微珠的加入可有效降低水泥石的導(dǎo)熱系數(shù)。3種測(cè)試溫度下，當(dāng)空心玻璃微珠加量為0～10%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)降低速度較快，而加量超過(guò)10%后，導(dǎo)熱系數(shù)降低速度基本保持穩(wěn)定；添加20%空心玻璃微珠保溫水泥的導(dǎo)熱系數(shù)較相同水灰比下純水泥導(dǎo)熱系數(shù)的降低值均在26.3%以上，空心玻璃微珠保溫水泥導(dǎo)熱系數(shù)最低可降至0.482 W/（m·K）。掃描電鏡和壓汞實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果表明，水泥石孔隙度的增加是導(dǎo)熱系數(shù)降低的主要原因：空心玻璃微珠的加入可有效取代純水泥內(nèi)部原生孔隙，同時(shí)顯著增大孔隙度。其中，當(dāng)加量為0%時(shí)，純水泥內(nèi)原生孔隙尺寸基本呈正態(tài)分布，且孔隙尺寸相對(duì)較大；當(dāng)加量為0～10%時(shí)，加入的空心玻璃微珠的主要作用是取代尺寸較大和較小的原生孔隙以及增大單位體積水泥石的孔隙度，且由于空心玻璃微珠的尺寸分布主要集中于40～100 μm，因而壓汞實(shí)驗(yàn)測(cè)試的孔喉主要分布區(qū)間由10～160 μm減小至16～100 μm（圖4a），孔喉半徑中值從65 μm降至56 μm。此外，圖4b中水泥石干密度在加量為5%～10%時(shí)的降幅顯著高于加量為0～5%時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)的下降值，該結(jié)果可進(jìn)一步說(shuō)明：加量為0～5%時(shí)，空心玻璃微珠加入的主要作用是取代純水泥原生大孔隙和小孔隙，加量為5%～10%時(shí)，其主要作用為提高水泥石孔隙度。當(dāng)加量為10%～20%時(shí)，隨著空心玻璃微珠加量的增加，空心玻璃微珠的數(shù)量逐漸增大，且大尺寸原生孔隙進(jìn)一步被取代，孔喉半徑主要分布區(qū)間減小至25～63 μm（圖4a），孔喉半徑中值降至46 μm（圖4b）。綜上所述，加量為0～10%時(shí)，空心玻璃微珠可顯著取代原生大孔隙和小孔隙從而降低水泥石內(nèi)的對(duì)流傳熱，同時(shí)也可有效提高水泥石孔隙度，最終將導(dǎo)熱系數(shù)的降低速率維持在較高水平；加量為10%～20%時(shí)，由于漿體體積顯著增加，后續(xù)加入的空心玻璃微珠可分配至單位體積漿體的數(shù)量逐漸減少，因而水泥石導(dǎo)熱系數(shù)降低速率降低，并趨于穩(wěn)定。

此外，3種保溫材料的加入均能顯著降低水泥石導(dǎo)熱系數(shù)和維持較高的抗壓強(qiáng)度，其中空心玻璃微珠在降低導(dǎo)熱系數(shù)方面具有較大優(yōu)勢(shì)，而膨脹珍珠巖在維持抗壓強(qiáng)度方面具有優(yōu)異效果。據(jù)已有研究，3種保溫材料外表面的活性物質(zhì)可與水泥漿內(nèi)的Ca（OH）2反應(yīng)生成傳熱能力較低的水化硅酸鈣，從而減小水泥石導(dǎo)熱系數(shù)和一定程度提高其抗壓強(qiáng)度。以空心玻璃微珠為例，其表面的SiO2等活性物質(zhì)與Ca（OH）2反應(yīng)生成水化硅酸鈣，微珠表面及其周邊的鈣含量提高，并呈現(xiàn)出水泥石骨架向空心玻璃微珠表面過(guò)渡范圍內(nèi)鈣含量逐漸減小的現(xiàn)象（圖5）。分析可知，空心玻璃微珠的密度遠(yuǎn)低于漂珠和膨脹珍珠巖，因而相同加量下空心玻璃微珠在顆粒數(shù)量上具有較大優(yōu)勢(shì)，可更大程度提高水泥石孔隙度，這是其實(shí)現(xiàn)優(yōu)異保溫效果的主要原因（圖2b）。同時(shí)，膨脹珍珠巖內(nèi)部的類蜂窩狀結(jié)構(gòu)不僅可有效降低顆粒內(nèi)部的對(duì)流傳熱，還能提高水泥石的塑性，最終為其帶來(lái)更佳的保溫效果和抗壓強(qiáng)度（圖2c，圖6）。因此，保溫材料篩選過(guò)程中，應(yīng)首先優(yōu)選低密度和具有類蜂窩狀結(jié)構(gòu)的材料，建議加量為15%～20%。

水泥石孔隙度增大是其導(dǎo)熱系數(shù)減小的宏觀解釋，其微觀作用方式需借助傅里葉定律來(lái)說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)測(cè)試使用的水泥石樣品可視為單層平板，則樣品導(dǎo)熱系數(shù)為：

式中：[λ]——水泥石導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；[Q]——單位時(shí)間水

泥石樣品傳遞的熱量，W；[d]——水泥石樣品厚度，m；[A]——水泥石樣品傳熱面積，m2；[ΔT]——測(cè)試水泥石樣品導(dǎo)熱系數(shù)的冷熱面溫度，℃。

分析可知，當(dāng)孔隙度增加后，水泥石樣品橫向截面的骨架面積減?。▓D3），但水泥石骨架傳熱能力未變（水灰比和養(yǎng)護(hù)條件未變），因而其內(nèi)部傳熱能力降低，導(dǎo)致水泥石單位時(shí)間內(nèi)可傳遞的熱量減少。然而，測(cè)試軟件計(jì)算過(guò)程中使用的傳熱面積不變，因此水泥石導(dǎo)熱系數(shù)減小，這是水泥石導(dǎo)熱系數(shù)減小的主要原因。其次，當(dāng)水泥石內(nèi)空心玻璃微珠加量增加時(shí)，單位體積內(nèi)空心玻璃微珠的比表面積增大，導(dǎo)致熱量在水泥石內(nèi)傳遞路徑延長(zhǎng)［31-32］，相當(dāng)于增加了水泥石樣品的厚度（圖7）。然而，該情況下，傳熱面積、溫差和水泥石骨架傳熱能力不變，因此單位時(shí)間傳遞的熱量減少，但計(jì)算使用水泥石厚度不變，這是水泥石導(dǎo)熱系數(shù)減小的次要原因。

3.2 水灰比

純水泥和10%空心玻璃微珠保溫水泥在不同水灰比下的導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，隨著水灰比的增大，純水泥和保溫水泥的導(dǎo)熱系數(shù)均顯著減小，且減小速率逐漸減緩。當(dāng)純水泥水灰比由0.5增至0.7時(shí)，其干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)由0.909 W/（m·K）減至0.731 W/（m·K），減幅為19.6%；當(dāng)保溫水泥水灰比從0.6增至0.9后，其導(dǎo)熱系數(shù)由0.596 W/（m·K）減至0.437 W/（m·K），減幅為26.7%。分析認(rèn)為，水灰比的增大一方面可有效提高水泥顆粒的水化程度，另一方面可顯著提高水泥石孔隙度：當(dāng)水灰比較小時(shí)，增加的自由水的主要作用為提高水泥顆粒的水化程度，從而增加水泥骨架中導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低的水化硅酸鈣的占比，實(shí)現(xiàn)降低水泥石骨架傳熱能力的效果［17，20］；當(dāng)水灰比較大時(shí)，自由水提高水泥顆粒水化程度的效果逐漸減弱，未參與水泥顆粒水化的剩余自由水主要在水泥石內(nèi)形成孔隙，提高水泥石孔隙度。

對(duì)比純水泥導(dǎo)熱系數(shù)與抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律可知，水灰比大于0.55后導(dǎo)熱系數(shù)降速變化不大，而抗壓強(qiáng)度顯著降低，說(shuō)明水灰比在高于0.55后自由水開(kāi)始大量形成孔隙。同時(shí)，當(dāng)水灰比進(jìn)一步增大，單位體積漿體可分配的自由水逐漸減少，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的降低速率也逐漸趨緩，且抗壓強(qiáng)度仍能保持較高數(shù)值。此外，對(duì)比純水泥和保溫水泥的導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律可知，由于空心玻璃微珠表面水化需消耗自由水，因而其導(dǎo)熱系數(shù)減小的拐點(diǎn)是水灰比為0.8（略大于純水泥），且在高水灰比下仍能維持較高的抗壓強(qiáng)度。因此，在抗壓強(qiáng)度和濾失量滿足要求的情況下，可適當(dāng)提高水泥漿水灰比以進(jìn)一步減小水泥石導(dǎo)熱系數(shù)。

3.3 含水率

不同水灰比下純水泥和10%空心玻璃微珠保溫水泥在完全干燥和飽和含濕狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖9所示。水泥石內(nèi)含水量的增加可明顯增大水泥石導(dǎo)熱系數(shù)。對(duì)于不同水灰比的純水泥，飽和含濕狀態(tài)下的純水泥導(dǎo)熱系數(shù)較干燥狀態(tài)下的增加值均在0.680 W/（m·K）以上；對(duì)于不同水灰比的保溫水泥，飽和含濕狀態(tài)下的純水泥導(dǎo)熱系數(shù)較干燥狀態(tài)下的增加值均在0.780 W/（m·K）以上，且隨水灰比的增大而有所增大。分析認(rèn)為，水的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于空氣，當(dāng)水分取代空氣填充水泥石全部分孔隙后，即可顯著提升孔隙的熱傳遞能力，從而增強(qiáng)水泥石導(dǎo)熱能力［33-34］。而對(duì)于保溫水泥，其孔隙度相對(duì)較大，因此該水泥石內(nèi)孔隙完全被水填充后導(dǎo)熱系數(shù)的增加值相對(duì)更大。

3.4 測(cè)試溫度

純水泥和空心玻璃微珠保溫水泥在不同測(cè)試溫度組合下的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖10所示。隨著熱面和冷面溫度同時(shí)升高，水泥石導(dǎo)熱系數(shù)顯著增大，但增幅有減小趨勢(shì)；隨著水灰比和保溫材料加量的增加，測(cè)試溫度變化對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響逐漸減小。對(duì)于水灰比為0.5的純水泥，測(cè)試溫度為50 ℃+30 ℃時(shí)，水泥石導(dǎo)熱系數(shù)為0.872 W/（m·K），隨著測(cè)試溫度的上升，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增至0.992 W/（m·K）和1.090 W/（m·K），增幅分別為0.12 W/（m·K）和0.098 W/（m·K）；對(duì)于水灰比為0.7的純水泥，測(cè)試溫度為50 ℃+30 ℃時(shí)，水泥石導(dǎo)熱系數(shù)為0.675 W/（m·K），隨著測(cè)試溫度的上升，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增至0.765 W/（m·K）和0.84 W/（m·K），增幅分別為0.09 W/（m·K）和0.075 W/（m·K），均小于水灰比為0.5時(shí)的純水泥增幅；對(duì)于20%空心玻璃微珠保溫水泥（w/c=0.7），測(cè)試溫度為50 ℃+30 ℃時(shí)，水泥石導(dǎo)熱系數(shù)為0.470 W/（m·K），隨著測(cè)試溫度的上升，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增至0.564 W/（m·K）和0.603 W/（m·K），增幅分別為0.082 W/（m·K）和0.039 W/（m·K），該增幅也整體低于水灰比為0.7的純水泥。分析認(rèn)為，在溫度升高時(shí)，水泥石骨架上的固相原子或分子振動(dòng)的劇烈程度大大增加，熱量傳導(dǎo)速度變快，導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大，這是水泥石導(dǎo)熱系數(shù)變大的主要原因［14，35］。同時(shí)，溫度的升高也會(huì)加劇孔隙內(nèi)氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的程度，加大不同能量的氣體分子碰撞的幾率，促進(jìn)氣體的對(duì)流傳熱［36］，這是次要原因。此外，鑒于溫度升高對(duì)水泥石骨架傳熱能力的影響遠(yuǎn)高于對(duì)孔隙內(nèi)氣體的影響，因此水灰比和保溫材料加量越大，孔隙度越大，作為水泥石內(nèi)主要傳熱介質(zhì)的骨架體積越小，溫度變化對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響效果也逐漸降低。

冷面溫度一定時(shí)，水泥石導(dǎo)熱系數(shù)隨熱面溫度的升高而增大（圖10c）。當(dāng)熱面溫度由50 ℃升至90 ℃后，純水泥（w/c=0.5）導(dǎo)熱系數(shù)增至0.955 W/（m·K），提高0.083 W/（m·K）；純水泥（w/c=0.7）導(dǎo)熱系數(shù)增至0.757 W/（m·K），提高0.051 W/（m·K）。對(duì)比圖10a與圖10c可知，冷面溫度的升高帶來(lái)的導(dǎo)熱系數(shù)增值遠(yuǎn)高于熱面溫度升高的效果，說(shuō)明水泥石導(dǎo)熱系數(shù)主要由冷面溫度決定。因此，在地?zé)崮荛_(kāi)采過(guò)程中，相同傳熱厚度條件下，地層深度越大，水泥環(huán)兩側(cè)溫度越高，熱損越嚴(yán)重。此情況下，若使用孔隙度相對(duì)較大的保溫水泥完成固井作業(yè)，則既能降低水泥環(huán)自身的傳熱能力，又能減小在井深增加和地?zé)崮荛_(kāi)采過(guò)程中地層溫度上升導(dǎo)致的水泥石導(dǎo)熱系數(shù)增大的幅值，最終實(shí)現(xiàn)降低井筒熱損和精確預(yù)測(cè)井口水溫的目的。

3.5 養(yǎng)護(hù)溫度

10%空心玻璃微珠保溫水泥和純水泥（w/c=0.6）在不同養(yǎng)護(hù)溫度下制備的測(cè)試樣品的導(dǎo)熱系數(shù)如圖11所示。養(yǎng)護(hù)溫度的升高可一定程度減小水泥石導(dǎo)熱系數(shù)。對(duì)于純水泥（w/c=0.6），當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度分別為90 ℃和120 ℃時(shí)，水泥石導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.734 W/（m·K）和0.698 W/（m·K），較養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃分別減小5.5%和10.1%；對(duì)于10%中空玻璃微珠保溫水泥，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度由60 ℃升至90 ℃和120 ℃后，水泥石導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.540 W/（m·K）和0.530 W/（m·K），降幅為6.4%和8.2%。對(duì)比兩種水泥在不同養(yǎng)護(hù)溫度下的降幅可知，隨著水泥漿水灰比的增加和保溫材料的加入，單位體積內(nèi)水泥顆粒越少，受養(yǎng)護(hù)溫度影響越小。

3.6 養(yǎng)護(hù)時(shí)間

10%空心玻璃微珠保溫水泥和純水泥（w/c=0.7）在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥石導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小。在養(yǎng)護(hù)3、7、15 d后，10%空心玻璃微珠保溫水泥的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.536、0.522、0.521 W/（m·K），純水泥（w/c=0.7）的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.704、0.688、0.686 W/（m·K），兩種水泥的導(dǎo)熱系數(shù)在養(yǎng)護(hù)7 d后基本趨于穩(wěn)定（圖12a）。分析認(rèn)為，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥顆粒和空心玻璃微珠表面活性物質(zhì)的水化程度不斷提高，水泥石內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)較低的水化硅酸鈣含量逐漸增加，水泥石整體傳熱能力下降。同時(shí)，兩種水泥石抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律也與導(dǎo)熱系數(shù)類似，即抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增加，在養(yǎng)護(hù)7 d后基本趨于穩(wěn)定，這從另一方面證明了導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律的正確。

3.7 影響因素顯著性評(píng)價(jià)

上述研究結(jié)果揭示了不同因素作用下固井水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律。為了進(jìn)一步比較不同因素對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響程度，考慮到固井水泥石中水泥顆粒和空心玻璃微珠在一定時(shí)間后均會(huì)實(shí)現(xiàn)完全水化，故本文試驗(yàn)主要對(duì)比空心玻璃微珠加量、水灰比、含水率和測(cè)試溫度等因素對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響。影響因素正交試驗(yàn)方案和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，導(dǎo)熱系數(shù)極差分析見(jiàn)表5和圖13。由表5和圖13可知，含水率對(duì)水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的影響最大，空心玻璃微珠加量和測(cè)試溫度次之，且兩者影響程度相近，水灰比的影響程度最小。

4 結(jié) 論

1）水泥石導(dǎo)熱系數(shù)與骨架傳熱能力、含水率和測(cè)試溫度呈正相關(guān)，與孔隙度呈負(fù)相關(guān)；保溫材料加量和水灰比的增大可同時(shí)降低骨架傳熱能力和提高孔隙度，測(cè)試溫度的升高可提高骨架傳熱能力，養(yǎng)護(hù)時(shí)間和溫度的延長(zhǎng)可降低骨架傳熱能力；其中，含水率、測(cè)試溫度、保溫材料加量和水灰比等因素對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響程度逐級(jí)遞減。

2）保溫材料的加入可有效降低水泥石導(dǎo)熱系數(shù)和維持較高抗壓強(qiáng)度，其中密度較低和具有類蜂窩狀結(jié)構(gòu)的保溫材料是首選對(duì)象；綜合考慮保溫性能、抗壓強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)效益，建議加量為15%～20%。

3）水泥石內(nèi)孔隙度越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小，且受冷熱面溫度影響越小。因此，在抗壓強(qiáng)度和濾失量滿足要求的情況下，也可通過(guò)適當(dāng)增大水灰比來(lái)提高水泥石孔隙度，從而進(jìn)一步減小其導(dǎo)熱系數(shù)。

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RESEARCH ON INFLUENCING FACTORS OF THERMAL CONDUCTIVITY OF THERMAL INSULATION CEMENT FOR

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（1. Chinese Academy of Geological Sciences， Beijing 100037， China；

2. Geology Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau， Beijing 100101， China）

Abstract：This paper reveals the variation law of thermal conductivity of thermal insulation cement under various factors and the corresponding changes of micro characteristics on the basis of selecting appropriate test methods. The experimental results show that the thermal conductivity first decreases rapidly， and then the decline rate tends to be stable with the increase of the amount of insulation materials and the water cement ratio. The extension of curing time and the increase of curing temperature help to reduce the heat transfer capacity of the skeleton， but the thermal conductivity is basically stable after the curing temperature exceeds 120 ℃ in a same curing time and the curing time exceeds 7 d at a same temperature. And the increase of moisture content and test temperature can significantly improve the thermal conductivity by enhancing the heat transfer capacity of voids and skeletons. What’s more， the results of factor significance analysis show that the effect of moisture content is the most obvious， the test temperature and the amount of insulation material are the second， and the influence of water cement ratio is the lowest. The analysis results show that the low-density thermal insulation material can effectively reduce the thermal conductivity， and the honeycomb like structure has great advantages in maintaining the strength of cement. In addition， cement within 15%-20% thermal insulation material can get better thermal insulation effect on the basis of ensuring reasonable compressive strength and economy.

Keywords：geothermal energy； heat losses； thermal insulating materials； thermal conductivity； geothermal well； influencing factors

收稿日期：2022-05-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFB1504102）；中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（JKY202008；JKY21029）

通信作者：李立鑫（1988—），男，博士、高級(jí)工程師，主要從事鉆探工藝方面的研究。zgdzkxyllx@163.com