高温地热井微珠超低密度水泥的研究目的及意义

  在节能减排和石油资源日益紧张的压力下，世界上各个国家开发地热资源的力度不断加大。地热能的利用主要是将中、高温地热资源用于地热发电。含热水的地热储层常出现在有高温热流和具有断裂、可渗透岩石构造的区域。为获取高温热水资源，通常要钻穿断裂地带，然后储层内的高温热水以蒸汽的形式喷出或者流出，这些蒸汽或流体被用来驱动涡轮机来产生电能；残留的热水经冷却后重新回灌至地下以补充热储。我国的高温地热资源的开发利用程度相对较低，除了受到资源、政策等诸多因素的限制外，地热井的钻完井技术也是制约我国地热资源开发的重要因素之一.

 

  地热井固井面临的首要问题是井内温度较高，通常可达 150℃~300℃，高温首先对会硅酸盐水泥的水化产物有直接的影响，不良的水化反应产物会降低水泥石的强度性能。另外，高温也会缩短水泥浆的凝固时间，因此在注水泥前，需要向井内注入大量冷水并循环，降低井内温度，并加入缓凝剂，以延长水泥浆的凝固时间。另一个问题是地热田中的地层通常为典型的裂隙构造，地层破裂压力低，储层具有很高的渗透性，易引起漏失状况的发生，在固井作业时，水泥浆的漏失是一项非常严重的问题，水泥漏失到地层中会造成固井成本的大量增加并导致水泥浆低返和污染含水层等问题。例如在美国内华达州蓝山地区的地热井固井案例中，该区的热储层岩性都是松散的沉积岩，井内存在多个薄弱地层和漏失层，地层难以承受常规的密度（1.9g/cm3）和普通低密度（1.4~1.7g/cm3）的水泥液柱压力。另外在某些特殊的地层，可能会使用欠平衡钻井技术，配套固井时，要求使用超低密度水泥浆进行封固，有些地层甚至要求水泥浆密度低至 1.0g/cm3。

 

  在注水泥作业时，为使解决上述出现的状况和问题，使用具有抗高温能力的超低密度水泥是更好的方法。地热井目前已经试验过了一些降低水泥密度的方法，包括添加膨润土、硅藻土、粉煤灰以及珍珠岩，然而在高温条件下，这些常用的减轻剂会对水泥浆整体的强度和渗透能力产生不利的影响，水泥浆也难以达到超低密度水泥密度变化范围的要求。

 

  在地热井固井案例中，设计超低密度水泥浆最常使用的减轻材料是具有很高抗压强度空心微珠（High strength microspheres，HSM）。微珠不仅质量轻，密度可调节范围更大，而且它具有优良抗高温和抗高压能力，更适宜作为高温地热井超低密度水泥的减轻材料。因此根据高温地热井及特殊状况下的固井需求，决定开发出一套适用于高温地热井的微珠超低密度水泥体系，密度在 1.0~1.4 g/cm3之间。

 

  20 世纪 70 年代，国外开始系统地进行地热水泥的研究，美国布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory，BNL）开发出多种应用于地热井的水泥体系，包括以 API 油井水泥为基础材料的地热水泥，低密度地热水泥和新型地热水泥[8-11]

 

  。国内目前缺乏地热井超低密度水泥的系统性研究，一般主要研究用于复杂油气井的耐高温水泥和低密度水泥。因此可借鉴国内外的地热井和复杂油气井固井水泥的研究理论和现场应用情况，开展高温地热井微珠超低密度水泥的研究。这对我国的地热井固井水泥的开发和研究具有重大意义，并可为相关的固井施工提供理论依据。

 

  研究内容本文根据高温地热井和特殊地层对水泥浆密度提出的要求，设计开发出密度在1.0~1.4g/cm3的高温地热井超低密度水泥体系，并对体系整体性能进行了评价，具体研究内容如下：

 

  （1）设计超低密度水泥的基本组分，采用 API“G”级油井水泥加硅粉，并使用抗高温缓凝剂，使该水泥体系具有良好的抗温能力。

 

  （2）调研普通低密度水泥和超低密度水泥的研究应用状况，展开对减轻剂的分析评价，选择适合该体系的减轻材料——空心玻璃微珠 T46。

 

  （3）向体系中加入超细材料——微硅，提高浆体的稳定性与水泥石的早期强度。利用 Andreasen 颗粒连续分布模型，计算出三级级颗粒向一级颗粒有效填充的质量比，设计比例关系的同时考虑起始物料的钙硅比（CaO/SiO2）。通过试验测定微珠和微硅的需水量，确定体系的基本配方。

 

  （4）对微珠超低密度水泥浆体系的综合性能进行评价。根据国内外对地热水泥和超低密度水泥性能要求，初步提出了各项性能指标，主要的室内评价实验如下：

 

  1）游离液实验，游离液含量小于 1%32）沉降稳定性实验，水泥石最大密度差小于 0.05 g/cm3；3）失水量实验，API 失水量小于 100mL；4）稠化性能评价，稠化时间可调，达到 3~4h；5）抗压强度试验，水泥石 24h 早期抗压强度大于 6.9MPa：

 

  6）使用 X 射线衍射仪（XRD）和扫描电镜（SEM）对超低密度水泥体系的水泥石进行物相分析和微观形貌观察，研究体系的水化产物组成和微观结构。