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地热井固井用低导热水泥浆

党冬红 黄中伟 李敬彬 刘景丽 任强 刘岩

党冬红,黄中伟,李敬彬,等. 地热井固井用低导热水泥浆[J]. 钻井液与完井液,2025,42(6):781-787 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2025.06.010
引用本文: 党冬红,黄中伟,李敬彬,等. 地热井固井用低导热水泥浆[J]. 钻井液与完井液,2025,42(6):781-787 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2025.06.010
DANG Donghong, HUANG Zhongwei, LI Jingbin, et al.Low thermal conductivity cement slurry for geothermal well cementing[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2025, 42(6):781-787 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2025.06.010
Citation: DANG Donghong, HUANG Zhongwei, LI Jingbin, et al.Low thermal conductivity cement slurry for geothermal well cementing[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2025, 42(6):781-787 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2025.06.010

地热井固井用低导热水泥浆

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2025.06.010
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

Low Thermal Conductivity Cement Slurry for Geothermal Well Cementing

  • 摘要: 地热能开发中,水泥环热损失是影响采热效率的关键因素。以G级油井水泥为基体,采用空心玻璃微珠和改性坡缕石纤维为复合低导热材料,通过配方优化,形成了低导热水泥浆体系,并进行了流变性、稳定性、导热能力和抗压能力等测试,导热系数比常规水泥下降了74.4%,7 d抗压强度为19.7 MPa,复合低导热材料的加入使得材料内部孔隙分布更小、更均匀,不仅降低了材料的导热系数,而且提高了其力学性能和耐久性,可降低系统热损失,提高地热能的采出效率。

     

  • 图  1  空心玻璃微珠和改性坡缕石纤维加量对水泥石性能的影响

    图  2  水泥浆流变曲线

    图  3  低导热水泥浆稠化曲线

    图  4  不同类型水泥石孔隙占比

    图  5  不同密度低导热水泥石的微观结构

    表  1  空心玻璃微珠优选

    空心玻璃
    微珠
    真实密度/
    g·cm−3
    p/
    MPa
    D50/
    μm
    耐压密度差/
    g·cm−3
    HL30 0.28~0.32 10 55 0.22
    HL40 0.38~0.42 28 40 0.14
    HL42 0.40~0.44 55 40 0.02
    HL46 0.44~0.48 41 40 0.06
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    表  2  改性前后坡缕石结构特征对比

    坡缕石 比表面积/
    m2·g−1
    平均孔径/
    nm
    孔隙率/
    %
    层间距/
    Å
    表面基团 ζ/
    mV
    接触角/(°) Pb2+浓度/
    mg·g−1
    水中分散性
    原始坡缕石 80~120 3~5 40~45 ~10.5 Si—OH
    (3620 cm−1
    −25 20(超亲水) 30 易团聚,沉降快
    酸活化坡缕石 160~320 5~8
    60~65 ~10.5 Si—OH增强,
    杂质峰消失
    −35 25(亲水) 70 悬浮稳定性提高,
    2 h不沉降
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    表  3  不同水泥浆配方对导热系数和抗压强度的影响

    配方 导热系数/
    W·(m·K)−1
    p/
    MPa
    配方 导热系数/
    W·(m·K)−1
    p/
    MPa
    配方 导热系数/
    W·(m·K)−1
    p/
    MPa
    1# 0.61 17.8 4# 0.44 16.8 7# 0.34 13.5
    2# 0.54 17.1 5# 0.35 12.2 8# 0.32 16.2
    3# 0.33 13.3 6# 0.46 16.7 9# 0.33 11.5
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    表  4  水泥浆体系抗压强度测试结果

    水泥石p1 d/MPap2 d/MPap7 d/MPa
    常规水泥石15.820.929.5
    低导热水泥石11.216.219.7
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    表  5  低导热水泥浆的游离液和API失水量测试结果

    T/℃FLAPI/mL游离液/mL
    2090
    50130
    70180
    90230
    95290
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    表  6  低导热水泥石上下密度差

    水泥石空气中质量mi/g水中质量mi,w/g相对密度/(g·cm−3)
    1#21.6018.621.360
    2#23.5920.411.354
    3#22.8719.731.359
    4#22.2119.131.361
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    表  7  水泥石孔隙结构参数

    水泥石 孔隙率/
    %
    总孔面积/
    m2·g−1
    中值孔径/
    nm
    平均孔径/
    nm
    常规 41.25 21.372 32.86 57.39
    低导热 62.97 183.897 14.69 17.81
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-05-21
  • 修回日期:  2025-07-01
  • 网络出版日期:  2025-12-08
  • 刊出日期:  2025-12-08

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