玻璃微珠_珍珠岩_稻壳灰对固井水泥性能影响_嵇鹰.pdf

-1-第46卷第1期 非金属矿 Vol.46 No.12023年1月 Non-Metallic Mines January,2023地热能是可再生清洁能源中前景较好的能源之一，我国地热储备约占世界地热资源 7.9%，是地热资源储备大国1。但是我国传统的地热能提取模式取热率较低，造成了极大的资源浪费，因此，在满足工程质量的前提下降低热损耗成为研究热点2。距离地面越近，外部环境温度越低，在将地热能运输到地面的过程中会出现大量的热损失，亟需利用导热系数低的保温固井水泥降低热损失3，故提高固井水泥保温性能对我国地热资源利用具有重大意义4。目前，国内外学者对影响材料导热性能因素进行了较多研究。张丰琰等5-6认为外掺料、孔隙率及连续性颗粒等均是影响水泥导热性能的重要因素。Lambert 等7-8认为，微观上两个接触面的实际接触面积远小于表观接触面积，小的接触面积是产生热阻的原因。杨世铭等9-10研究表明，当孔隙中存在气体时，固体是通过分子振动传递热量，而气体则是通过分子扩散传递热量，这两种传热机制混合在一起使得材料的热阻增大，导热系数降低。李佩悦等11研究发现，声子传输是聚合物发生热传导的主要机制，它一般被描述为量子化的振动模式，热阻是由不同的声子散射所引起；声子散射越小，无机材料的导热作用越 强12-15。已有保温材料研究主要集中在混凝土、涂层等方面，将固井水泥和保温材料以一定配比混合制备保温固井水泥研究尚鲜见报道。玻璃微珠、珍珠岩粉、稻壳灰粉这 3 种保温材料的微观结构分别为空心球形、收稿日期：2022-11-29基金项目：省级自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室重大专项项目(ZD2018-3)。*通信作者，E-mail：。玻璃微珠/珍珠岩/稻壳灰对固井水泥性能影响嵇 鹰1*樊 帅1 薛宇泽2,3 张廷会2,3 白 龙1 刘 玺1 韩元红2,3(1 西安建筑科技大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710055；2 自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021；3 陕西省煤田地质集团有限公司，陕西 西安 710021)摘 要 在将地热井抽取的热量运往地面的过程中，为减少热损失，采用掺入玻璃微珠、珍珠岩和稻壳灰配制新型保温固井水泥，对水泥样品的导热系数、抗压强度、微观形貌、孔隙率等进行测试，研究保温材料对固井水泥的性能影响。结果表明，珍珠岩对固井水泥的性能改善最大，珍珠岩掺量增加至 20%，样品孔隙率降低 5%，中值孔径尺寸降低 41.3%；在 38、60 温度下水养 8 h，抗压强度分别增大 194.7%、49.9%；在 30、60、90 温度下，导热系数下降 27.36%、25.37%、26.41%；孔隙率、孔径尺寸、连续性颗粒数量、掺料种类等是影响固井水泥抗压强度及导热性能的主要因素。关键词 保温水泥；导热系数；孔隙率；地热井中图分类号：TU526；TE256文献标志码：A文章编号：1000-8098(2023)01-0001-05Study on the Effect of Glass Beads/Expanded Perlite/Rice Husk Ash on the Performance of Oil Well Cement Ji Ying1*Fan Shuai1 Xue Yuze2,3 Zhang Tinghui2,3 Bai Long1 Liu Xi1 Han Yuanhong2,3(1 School of Materials Science and Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xian,Shaanxi 710055;2 Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization,Ministry of Natural Resources,Xian,Shaanxi 710021;3 Shaanxi Coal Geology Group Co.,Ltd.,Xian,Shaanxi 710021)Abstract In the process of transporting the heat extracted from geothermal wells to the ground,in order to reduce the heat loss,it is proposed to add glass beads,perlite and rice husk ash to prepare a new type of thermal insulation cementing cement.The thermal conductivity,compressive strength,microscopic morphology,porosity of the cement samples are tested to study the impact of thermal insulation materials on the performance of cement.The study shows that perlite has the greatest effect on the performance of cement;with the content of perlite content increasing to 20%,the po-rosity of the sample decreases by 5%,and the median pore size decreases by 41.3%;at 38 and 60,the compressive strength of the test block cured in water for 8 h increases by 194.7%and 49.9%,respectively;at 30,60 and 90,the thermal conductivity decreases by 27.36%,25.37%and 26.41%;the main factors affecting the compressive and thermal conductivity of cement are porosity,pore size,number of continuous particles,type of admixture.Key words insulation cement;thermal conductivity;porosity;geothermal well-2-第46卷第1期 非金属矿 2023年1月蓬松多孔、麻面状结构，可有效提高固井水泥的保温性能，且 3 种保温材料的主要成分为 SiO2，加入水泥后可以促进水泥水化，对固井水泥抗压强度有改善作用。基于此，本试验通过在固井水泥中单掺玻璃微珠、珍珠岩粉和稻壳灰粉，探究保温材料对固井水泥抗压强度及保温性能的影响，为提高地热固井水泥的保温性能提供一定的理论指导。1 试验部分1.1 原料 试验用水泥为 G 级高抗硫酸盐(HSR)型油井水泥，宁夏青铜峡水泥有限公司提供，物理性能见表 1。保温材料为玻璃微珠、珍珠岩、稻壳灰，性能见表 2。表 1 G 级油井水泥物理性能密度/(g/cm3)比表面积/(m2/kg)水灰比35.6 MPa，52 8 h抗压强度/MPa1530 min稠度/Bc稠化时间/min38 60 3.143600.4425.81113.3815.12表 2 保温材料性能保温材料密度/(g/cm3)导热系数/(W/(mK)质量分数/%SiO2Al2O3玻璃微珠1.500.2162.1228.55珍珠岩2.530.04889.081.38稻壳灰2.120.06276.5512.81.2 试验方案 保温材料与油井水泥的配比，见 表 3。表 3 保温水泥配比保温材料 编号 水泥/g保温材料质量/g保温材料占比/%水/g空白C079200349玻璃微珠B1752.439.65349B2712.879.210B3673.2118.815B4633.6158.420珍珠岩Z1752.439.65349Z2712.879.210Z3673.2118.815Z4633.6158.420稻壳灰D1752.439.65349D2712.879.210D3673.2118.815D4633.6158.420将原料以干料的形式混合均匀，然后控制搅拌机以(4 000200)r/min 低速旋转，并在 15 s 内添加混合料，然后以(12 000500)r/min 高速旋转约 35 s。将制备好的浆液倒入 50 mm 50 mm 50 mm铜试模中，放入 OWC-1080E 型常压水养养护箱中养护 8 h，养护温度为 38 和 60，最后脱模得到抗压试块。使用 YAW-300 型全自动压力试验机 测试抗压强度，加压速率为 1.2 kN/s。制 备 导 热 试 块 时，将 搅 拌 好 的 浆 体 倒 入 50 mm 50 mm10 mm 铜试模内，在室温下养护24 h，脱模后转移至 20、95%湿度的养护箱中养护 28 d。然后使用 TC3100 热导仪测试导热系数，测试温度为 30、60、90。留出直径 1 cm 以内的小块，利用 Auto Pore IV 9500 高性能全自动压汞仪、Quanta200 F 场发射扫描电子显微镜（SEM）测出样品的孔隙率及微观形貌。2 结果与讨论2.1 掺玻璃微珠的保温水泥试验2.1.1 导热系数：掺入玻璃微珠的水泥浆体在 30、60、90 测试温度下测得的导热系数，见图 1。由图 1 可知，随着温度的升高，水泥浆体的导热系数逐渐降低。温度升高使水泥内部的分子运动加剧，从而促使分子间的引力减小，它们的排列也由原来的有序变得无序，样品缺陷增多，声子散射增强，热阻增大，导热系数下降。当玻璃微珠掺量为 15%时，固井水泥的保温性能最佳。在测试温度为 30、60、90 的条件下，水泥浆体导热系数从 1.174 W/(mK)、1.023 W/(mK)、0.943 5 W/(mK)分 别 下 降 到 0.923 8 W/(mK)、0.792 3 W/(mK)、0.695 3 W/(mK)，下降幅度为21.31%、22.55%、26.31%。图1 玻璃微珠保温水泥导热系数2.1.2 抗压强度：玻璃微珠保温水泥抗压强度，见图2。图2 玻璃微珠保温水泥的抗压强度由图 2 可知，玻璃微珠掺量为 10%时，固井水泥抗压强度达到最高。在 38、60 下水养 8 h，水泥浆体抗压强度从 3.38 MPa、15.12 MPa 上升到 0 5 10 15 20玻璃微珠掺量/%1.31.21.11.00.90.80.7导热系数/(W/(mK)30 60 90 0 5 10 15 20玻璃微珠掺量/%201816141210864抗压强度/MPa38 60-3-5.44 MPa、18.20 MPa，上升幅度为 60.9%、20.4%。当玻璃微珠掺量为 15%时，在 38 下，固井水泥抗压强度从 3.38 MPa 上升到 4.64 MPa，上升幅度为 37.3%，符合 GB/T 19139-2012 大于 2.1 MPa 要求；在 60 下，固井水泥抗压强度从 15.12 MPa 下降到 13.76 MPa，下降幅度为9.0%，符合 GB/T 19139-2012 大于10.3 MPa 要求。2.1.3 孔隙率和扫描电镜分析：B3 样品的孔隙率、中值孔径及平均孔径，见表 4。由表 4 可知，在水泥浆体中加入 15%玻璃微珠，孔隙率降低 5%，中值孔径降低 19.6%，平均孔径降低 8.0%。表 4 含玻璃微珠保温水泥的孔隙率、中值孔径和平均孔径编号孔隙率/%中值孔径/nm平均孔径/nmC040.8