温度对高导热固井材料性能及结构的影响研究★

雷燕子,杨永健,汪启龙,田 烨

(中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710077)

0 引言

在全球能源日益紧缺,温室效应日益加剧的今天,我国向全世界宣示了为地球“减碳降温”的决心,制定了“碳中和”“碳达峰”的远大目标[1]。为了限制一次性化石能源的持续消耗,避免其对环境的进一步破坏,开发利用低碳环保可持续的绿色能源成了当今社会的唯一选择[2]。地热能作为一种不受天气影响,零碳排放的清洁能源,逐渐受到社会各界的广泛关注[3]。地热能的开发利用效率受到很多因素的制约,例如:井型、井径、井深、地下换热器性能等等[4-6]。其中,固井材料的导热性能是影响地下换热器工作效率的重要因素之一[7]。

王中明[8]、连会青[9]、李桂平[10]等基于分形理论、复合材料理论等,研究得到了适用于不同条件的固井材料体系。部分学者[11-14]借鉴复合材料领域相关经验,研究了不同填料对水泥基物理性能的影响。笔者团队[15-17]借鉴上述经验,向水泥基中加入石墨、铁粉等导热填料,制备出了适用于地热井固井的高导热固井材料,极大提升了地热井地下换热器的换热效率。但是,有关固井材料长期处于地下高温环境时,其性能及结构变化的相关研究却鲜有报道。

因此,本文选取团队自主研发的高导热固井材料作为研究对象,通过试验测试、微观分析等方法,研究了温度对高导热固井材料导热性能、抗压强度和微观结构的影响规律。研究结果可为地热能的高效开发利用提供指导和借鉴。

1 试验部分

1.1 试验设计

本文主要针对2 000 m～3 000 m深度的地热井进行研究。其井内不同深度处的温度可通过式(1)进行计算:

T=T0+αH

(1)

其中，T为地层温度,℃;T0为地表温度,℃;α为地温梯度,℃/hm;H为地层深度,m。α由地层属性、地质条件等因素决定，不同地区其值各异，此处取通用值：3 ℃/hm；T0与所处位置、节令、天气等有关，此处取年平均气温10 ℃。通过式(1)计算可得，地热井内3 000 m深度处温度为100 ℃。因此，本试验设计温度为0 ℃～100 ℃。

1.2 试验材料

作者团队通过大量试验，制备出了一种高导热固井材料(HTC)，相较于普通油井水泥固井材料(HGC)，其导热性能得到了极大提升。该材料配方及基本物理性能指标分别见表1，表2。本研究以HTC为试验对象，以HGC为对照样，探讨养护温度与固井材料性能及结构之间的关系。

表1 材料配方

表2 材料基本物理性能

1.3 样品制备

参照水泥试验相关规范,按材料配方制备浆液。待浆液的基本物理性能测试完毕后,将剩余浆液倒入50 mm×50 mm×50 mm试模中,振捣均匀。然后放入恒温水浴养护箱中,设置好温度,开始计时。达到试验龄期后,取出脱模,得到试验样品,进行性能测试。

1.4 测试方法

1)导热系数测试。

采用DRE-2C型导热系数测试仪对材料的导热系数进行测试,测试原理为瞬态平面热源法,计算方法见式(2)。该设备测试范围为:0.01 W/(m·K)～100 W/(m·K),精确度优于±5%。

(2)

其中，λ为材料导热系数,W/(m·K);q为加热功率,W;θ为探头温升,K;t为加热时间,s。

2)抗压强度测试。

采用YAW-300型压力机测试材料的单轴抗压强度,计算方法见式(3)。该设备测试范围为12 kN～300 kN,准确度优于±1%。

σ=0.1×F/A

(3)

其中，σ为单轴抗压强度,MPa;F为样品破坏前的最大承载力,kN;A为样品最大接触面积,cm2。

3)扫描电镜测试。

采用JSM-6390A型扫描电子显微镜(SEM)对样品的微观形貌进行观测,放大倍数为300倍～20 000倍。

2 结果与讨论

2.1 养护温度与固井材料性能的关系

2.1.1 温度与导热系数的关系

分别测试了HGC和HTC在20 ℃，40 ℃，60 ℃，80 ℃，100 ℃温度下养护14 d的导热系数,如图1所示。可以看出,对照样HGC在20 ℃～80 ℃范围内,导热系数随温度升高呈小幅度增大的趋势,增幅为6.41%。当温度大于80 ℃后,导热系数略有降低。试验样HTC在养护温度由20 ℃升至40 ℃时,其导热系数大幅提升,增幅为12.22%,当温度处于40 ℃～80 ℃时,导热系数基本处于稳定,不随温度变化而变化。当温度大于80 ℃时,导热系数又略微降低。由此可见,固井材料的导热系数整体上随温度升高呈现先增大后减小的趋势,而高导热样HTC的导热系数比对照样HGC受温度的影响更大。

2.1.2 温度与抗压强度的关系

测试了在不同温度下HGC和HTC的抗压强度,如图2所示。可知,HTC和HGC的抗压强度随养护温度的变化趋势基本一致。在20 ℃～60 ℃时,HTC和HGC的抗压强度均随温度升高逐渐增大,其中HTC增幅为10.84%,HGC的增幅为12.99%。当温度在60 ℃～100 ℃时,两者均随温度增大而降低,HTC的降幅为17.25%,HGC的降幅为15.95%。

综上可知,适当的温度(60 ℃)有助于高导热固井材料导热系数和抗压强度的发展,而过高(100 ℃)和过低(20 ℃)的温度均会对其性能产生不利影响。

2.1.3 不同温度下固井材料的微观结构

为了探究养护温度对高导热固井材料性能影响的原因,选取了在20 ℃,60 ℃和100 ℃时养护14 d的HTC样品,对其进行了SEM观测试验,结果见图3。首先,由图3(a)，图3(c)，图3(e)可以看出,HTC的整体致密程度由大到小的顺序为:60 ℃>20 ℃>100 ℃。再由图3(b)、图3(d)、图3(f)可以看出,在20 ℃时,HTC的水化程度很低,生成的六方块状Ca(OH)2直径较小,而水化硅酸钙凝胶(C-S-H)的数量也极少;在60 ℃时,HTC的水化程度很高,有大量板状Ca(OH)2和团状C-S-H凝胶生成;而在100 ℃时,HTC又进一步水化,消耗了大量Ca(OH)2生成了更多絮状的C-S-H,同时材料内部的孔隙尺寸和数量都极大。

由此可见,温度对水泥基固井材料宏观性能的影响,主要是因为在不同养护温度下材料内部的物质成分以及孔隙结构等发生变化导致的。

2.2 60 ℃时养护不同时间的固井材料性能

2.2.1 导热系数

为了探究材料的导热系数与养护时间的关系,分别测试了在60 ℃环境下养护1 d，3 d，7 d，14 d后HTC和HGC的导热系数,其结果如图4所示。

由图4可知,整体上HTC的导热系数远大于HGC。HTC和 HGC的导热系数均随养护时间增加呈逐渐增大的趋势,其中,HGC的增幅为5.80%,而HTC的增幅为7.87%。可见,HTC导热系数的增幅略大于HGC。因此,HTC的导热系数对温度的敏感程度大于HGC,这与上节研究结果相一致。

2.2.2 抗压强度

测试了在60 ℃养护1 d,3 d,7 d,14 d后HTC和HGC的抗压强度,其与养护时间之间的关系见图5。可见,整体上HTC的抗压强度略小于HGC,而两者的抗压强度均随养护时间增加逐渐增大。其中,HTC的增幅为37.38%,HGC的增幅为43.32%。因此,HTC的抗压强度对温度的敏感程度略低于HGC。

2.2.3 微观结构

分别对HTC在60 ℃时养护1 d,3 d,7 d,14 d的样品进行了SEM观测,其结果见图6。由图6可以看出,随着养护时间增加,材料的水化程度逐渐增大,钙矾石(AFt)以及未水化的基体颗粒的含量越来越低,Ca(OH)2和C-S-H等水化产物的含量越来越高,并且Ca(OH)2由刚开始的小块状逐渐长大为层板状,基体颗粒之间也有越来越多的硅钙质水化产物填充。因此,这也是导致其导热系数和抗压强度随着时间增加逐渐增大的本质原因。

3 结语

1)养护温度对水泥基固井材料的导热系数和抗压强度均有较大影响。适当的温度(60 ℃)有助于材料导热系数和抗压强度的发展,而过高(100 ℃)和过低(20 ℃)的温度均会对其性能产生不利影响。

2)在60 ℃下固井材料的导热系数和抗压强度均随养护时间增加呈逐渐增大的趋势。相较于HGC,HTC的导热系数对温度的敏感程度更高,而抗压强度对温度的敏感程度较低。

3)不同的养护温度和养护时间均会对HTC的微观结构产生较大影响。两者均通过改变材料的水化产物和孔隙结构等,从而影响其宏观物理性能。