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地热井用超细石墨及碳纤维增强固井水泥浆

党冬红 黄中伟 齐鹏飞 王红科 任强 彭松 程小伟

党冬红,黄中伟,齐鹏飞,等. 地热井用超细石墨及碳纤维增强固井水泥浆[J]. 钻井液与完井液,2026,43(1):1-7
引用本文: 党冬红,黄中伟,齐鹏飞,等. 地热井用超细石墨及碳纤维增强固井水泥浆[J]. 钻井液与完井液,2026,43(1):1-7
DANG Donghong, HUANG Zhongwei, QI Pengfei, et al.Research on the thermal conductivity of ultrafine graphite and carbon fiber reinforced cement for well cementing[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2026, 43(1):1-7
Citation: DANG Donghong, HUANG Zhongwei, QI Pengfei, et al.Research on the thermal conductivity of ultrafine graphite and carbon fiber reinforced cement for well cementing[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2026, 43(1):1-7

地热井用超细石墨及碳纤维增强固井水泥浆

基金项目: 国家自然科学基金创新研究群体项目“新型射流钻井完井”(5242100023)。
详细信息
    作者简介:

    党冬红,1980年生,毕业于西安石油大学,现在从事油气井工程技术与生产管理工作。E-mail:dangdonghong@cnpc.com.cn

    通讯作者:

    黄中伟,1972年生,博士,中国石油大学(北京)石油工程学院教授,主要从事高压水射流技术理论研究及其在石油工程中的应用等工作。E-mail:huangzw@cup.edu.cn

  • 中图分类号: TE256

Research on the Thermal Conductivity of Ultrafine Graphite and Carbon Fiber Reinforced Cement for Well Cementing

  • 摘要: 为降低地热井井筒与岩层之间的热阻,提高地热井取热能力,选用具有优异导热性能的石墨(SG)作为导热材料,并使用表面活性剂将其制成石墨分散液,并引入具有高长径比的碳纤维(CF)构建导热网络,协同提高水泥石导热性能。评价了石墨分散液-水泥浆体性能以及水泥石的力学性能和导热性能,采用X射线衍射分析(XRD)、热重分析(TG/DTG)、压汞法(MIP)和扫描电子显微镜(SEM)对水泥石的物相组成、孔结构、微观形貌进行了表征,探究其导热机理。结果表明,当水固比为0.51,掺入石墨和碳纤维后制备的水泥浆体性能满足工程性能,水泥石24 h抗压强度不低于17.0 MPa、7 d抗压强度高于25.0 MPa,且其导热系数能达到2.86 W/(m·K)。石墨的促进水化与碳纤维的抑制水化共同作用下高导热水泥石的C—S—H与CH的失重量为10.91%,略低于纯水泥石的11.04%。适量的石墨能细化水泥石孔径,降低水泥石孔隙率,而碳纤维会显著增大水泥石孔隙度,增多水泥石大孔数量,将二者混掺,水泥石孔隙率为36.95%,高于纯水泥石,但高导热水泥石中孔径大于70 nm的孔数量与纯水泥石相差较小,在水泥浆中掺入石墨与碳纤维能形成导热网络。

     

  • 图  1  水泥石XRD图谱

    图  2  不同组别的水泥石TG-DTG曲线

    图  3  水泥石孔结构

    图  4  水泥石微观形貌图

    表  1  水泥浆配方

    水泥浆 水泥/
    %
    USZ/
    %
    G33S/
    %
    XP-1/
    %
    SG/
    %
    CF/
    %
    W/S
    M1 100 0.5 1.5 0.2 0 0 0.51
    M2 100 0.5 1.5 0.2 11.5 0 0.51
    M3 100 0.5 1.5 0.2 0 1.5 0.51
    M4 100 0.5 1.5 0.2 11.5 1.5 0.51
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    表  2  水泥石导热系数及抗压强度测试结果

    水泥石 导热系数/
    W·(m·K)-1
    抗压强度/
    MPa
    M1 1.110 25.83
    M2 2.144 18.96
    M3 1.399 33.61
    M4 2.923 26.39
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    表  3  水泥试样在不同温度段的质量损失

    水泥石 不同温度(℃)下的质量损失/%
    105~350 350~500 500~720 720~1000 105~1000
    M1 5.70 5.34 2.96 6.72 20.73
    M2 5.92 5.82 4.42 8.07 24.23
    M3 5.23 4.99 3.56 7.61 21.39
    M4 5.55 5.36 3.96 8.55 23.42
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  • 网络出版日期:  2025-12-03

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