溫度對高導熱固井材料性能及結構的影響研究★

雷燕子,楊永健,汪啟龍,田 燁

(中煤科工集團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,溫室效應日益加劇的今天,我國向全世界宣示了為地球“減碳降溫”的決心,制定了“碳中和”“碳達峰”的遠大目標[1]。為了限制一次性化石能源的持續消耗,避免其對環境的進一步破壞,開發利用低碳環保可持續的綠色能源成了當今社會的唯一選擇[2]。地熱能作為一種不受天氣影響,零碳排放的清潔能源,逐漸受到社會各界的廣泛關注[3]。地熱能的開發利用效率受到很多因素的制約,例如:井型、井徑、井深、地下換熱器性能等等[4-6]。其中,固井材料的導熱性能是影響地下換熱器工作效率的重要因素之一[7]。

王中明[8]、連會青[9]、李桂平[10]等基于分形理論、復合材料理論等,研究得到了適用于不同條件的固井材料體系。部分學者[11-14]借鑒復合材料領域相關經驗,研究了不同填料對水泥基物理性能的影響。筆者團隊[15-17]借鑒上述經驗,向水泥基中加入石墨、鐵粉等導熱填料,制備出了適用于地熱井固井的高導熱固井材料,極大提升了地熱井地下換熱器的換熱效率。但是,有關固井材料長期處于地下高溫環境時,其性能及結構變化的相關研究卻鮮有報道。

因此,本文選取團隊自主研發的高導熱固井材料作為研究對象,通過試驗測試、微觀分析等方法,研究了溫度對高導熱固井材料導熱性能、抗壓強度和微觀結構的影響規律。研究結果可為地熱能的高效開發利用提供指導和借鑒。

1 試驗部分

1.1 試驗設計

本文主要針對2 000 m～3 000 m深度的地熱井進行研究。其井內不同深度處的溫度可通過式(1)進行計算:

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、地質條件等因素決定，不同地區其值各異，此處取通用值：3 ℃/hm；T0與所處位置、節令、天氣等有關，此處取年平均氣溫10 ℃。通過式(1)計算可得，地熱井內3 000 m深度處溫度為100 ℃。因此，本試驗設計溫度為0 ℃～100 ℃。

1.2 試驗材料

作者團隊通過大量試驗，制備出了一種高導熱固井材料(HTC)，相較于普通油井水泥固井材料(HGC)，其導熱性能得到了極大提升。該材料配方及基本物理性能指標分別見表1，表2。本研究以HTC為試驗對象，以HGC為對照樣，探討養護溫度與固井材料性能及結構之間的關系。

表1 材料配方

表2 材料基本物理性能

1.3 樣品制備

參照水泥試驗相關規范,按材料配方制備漿液。待漿液的基本物理性能測試完畢后,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護箱中,設置好溫度,開始計時。達到試驗齡期后,取出脫模,得到試驗樣品,進行性能測試。

1.4 測試方法

1)導熱系數測試。

采用DRE-2C型導熱系數測試儀對材料的導熱系數進行測試,測試原理為瞬態平面熱源法,計算方法見式(2)。該設備測試范圍為:0.01 W/(m·K)～100 W/(m·K),精確度優于±5%。

(2)

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

2)抗壓強度測試。

采用YAW-300型壓力機測試材料的單軸抗壓強度,計算方法見式(3)。該設備測試范圍為12 kN～300 kN,準確度優于±1%。

σ=0.1×F/A

(3)

其中，σ為單軸抗壓強度,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)掃描電鏡測試。

采用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡(SEM)對樣品的微觀形貌進行觀測,放大倍數為300倍～20 000倍。

2 結果與討論

2.1 養護溫度與固井材料性能的關系

2.1.1 溫度與導熱系數的關系

分別測試了HGC和HTC在20 ℃，40 ℃，60 ℃，80 ℃，100 ℃溫度下養護14 d的導熱系數,如圖1所示。可以看出,對照樣HGC在20 ℃～80 ℃范圍內,導熱系數隨溫度升高呈小幅度增大的趨勢,增幅為6.41%。當溫度大于80 ℃后,導熱系數略有降低。試驗樣HTC在養護溫度由20 ℃升至40 ℃時,其導熱系數大幅提升,增幅為12.22%,當溫度處于40 ℃～80 ℃時,導熱系數基本處于穩定,不隨溫度變化而變化。當溫度大于80 ℃時,導熱系數又略微降低。由此可見,固井材料的導熱系數整體上隨溫度升高呈現先增大后減小的趨勢,而高導熱樣HTC的導熱系數比對照樣HGC受溫度的影響更大。

2.1.2 溫度與抗壓強度的關系

測試了在不同溫度下HGC和HTC的抗壓強度,如圖2所示。可知,HTC和HGC的抗壓強度隨養護溫度的變化趨勢基本一致。在20 ℃～60 ℃時,HTC和HGC的抗壓強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%。當溫度在60 ℃～100 ℃時,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,適當的溫度(60 ℃)有助于高導熱固井材料導熱系數和抗壓強度的發展,而過高(100 ℃)和過低(20 ℃)的溫度均會對其性能產生不利影響。

2.1.3 不同溫度下固井材料的微觀結構

為了探究養護溫度對高導熱固井材料性能影響的原因,選取了在20 ℃,60 ℃和100 ℃時養護14 d的HTC樣品,對其進行了SEM觀測試驗,結果見圖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為:60 ℃>20 ℃>100 ℃。再由圖3(b)、圖3(d)、圖3(f)可以看出,在20 ℃時,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)的數量也極少;在60 ℃時,HTC的水化程度很高,有大量板狀Ca(OH)2和團狀C-S-H凝膠生成;而在100 ℃時,HTC又進一步水化,消耗了大量Ca(OH)2生成了更多絮狀的C-S-H,同時材料內部的孔隙尺寸和數量都極大。

由此可見,溫度對水泥基固井材料宏觀性能的影響,主要是因為在不同養護溫度下材料內部的物質成分以及孔隙結構等發生變化導致的。

2.2 60 ℃時養護不同時間的固井材料性能

2.2.1 導熱系數

為了探究材料的導熱系數與養護時間的關系,分別測試了在60 ℃環境下養護1 d，3 d，7 d，14 d后HTC和HGC的導熱系數,其結果如圖4所示。

由圖4可知,整體上HTC的導熱系數遠大于HGC。HTC和 HGC的導熱系數均隨養護時間增加呈逐漸增大的趨勢,其中,HGC的增幅為5.80%,而HTC的增幅為7.87%。可見,HTC導熱系數的增幅略大于HGC。因此,HTC的導熱系數對溫度的敏感程度大于HGC,這與上節研究結果相一致。

2.2.2 抗壓強度

測試了在60 ℃養護1 d,3 d,7 d,14 d后HTC和HGC的抗壓強度,其與養護時間之間的關系見圖5。可見,整體上HTC的抗壓強度略小于HGC,而兩者的抗壓強度均隨養護時間增加逐漸增大。其中,HTC的增幅為37.38%,HGC的增幅為43.32%。因此,HTC的抗壓強度對溫度的敏感程度略低于HGC。

2.2.3 微觀結構

分別對HTC在60 ℃時養護1 d,3 d,7 d,14 d的樣品進行了SEM觀測,其結果見圖6。由圖6可以看出,隨著養護時間增加,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等水化產物的含量越來越高,并且Ca(OH)2由剛開始的小塊狀逐漸長大為層板狀,基體顆粒之間也有越來越多的硅鈣質水化產物填充。因此,這也是導致其導熱系數和抗壓強度隨著時間增加逐漸增大的本質原因。

3 結語

1)養護溫度對水泥基固井材料的導熱系數和抗壓強度均有較大影響。適當的溫度(60 ℃)有助于材料導熱系數和抗壓強度的發展,而過高(100 ℃)和過低(20 ℃)的溫度均會對其性能產生不利影響。

2)在60 ℃下固井材料的導熱系數和抗壓強度均隨養護時間增加呈逐漸增大的趨勢。相較于HGC,HTC的導熱系數對溫度的敏感程度更高,而抗壓強度對溫度的敏感程度較低。

3)不同的養護溫度和養護時間均會對HTC的微觀結構產生較大影響。兩者均通過改變材料的水化產物和孔隙結構等,從而影響其宏觀物理性能。