具有绿色环保自降解特性的地热井碱激发泡沫暂堵水泥的设计及其制备研究

Lost circulation not only increases the drill cost of geothermal wells, but also damages the reservoir, causing ‘dry well’, which is taken as the biggest risk for geothermal exploitation. This project intends to research the self-degradable alkali-activated temporary sealing foam cement, the properties of which might be adjusted and controlled according to the elevated temperature, with which stabilization of the wellbore could be secured for its high strength and low permeability during drilling process, while good permeable flow paths for geothermal brine production could be achieved through its self-degradation after completion. The research work would be focused on the following aspects: 1) degradation and modification mechanism of biodegradable polymers in the cement system; 2) polymerization and hydration mechanism of geo-polymers prepared with blast furnace slag, fly ash, chaff ash, geothermal silica scaling objects of the industrial and agricultural by-products in alkali activation conditions; 3) preparation of porous ceramic foamed cement foam under geothermal conditions; 4) chemical modification, treatment of interfacial properties of gas-liquid-solid and the connectivity of aphrons, evaluation and validation.

钻井过程中的漏失不仅增加地热钻井成本，而且可能损害热储甚至造成“干井”给地热能勘探开发带来巨大风险。本项目拟研究可自降解碱激发地聚物泡沫暂堵水泥，利用钻探过程中和完井后地热井温度等条件的改变，控制泡沫水泥性能，使其在钻井过程中具有较高的强度和较低的渗透性，起护壁堵漏作用；完井后自降解，为地热流体提供流动通道。研究内容包括：1）自降解聚合物在地热井环境温度下的降解机理和降解产物及其对水泥性能的影响规律以及改性技术；2）高炉矿渣、煤灰和地热硅结垢物等工业副产品在碱激发条件下合成地聚物水泥的机理以及对聚合物降解的影响规律；3）具有多孔陶瓷特性能的泡沫水泥制备机理和在地热环境下发泡剂和稳泡剂以及可降解聚合物等对泡沫水泥性能的影响，并利用化学改性技术调节气-液-固界面特性，调控泡沫水泥的连通性，改善水泥性能；4）根据上述研究成果设计制备地热井可降解泡沫暂堵水泥并对其进行综合评价和验证。

地热钻井过程中的漏失不仅增加地热开发成本，而且可能损害热储甚至造成“干井”，给地热能利用带来巨大风险。开展钻井过程中护壁堵漏且在完井后可通过自降解的暂堵材料具有重要意义。.本项目开展了以下研究：1）六种聚合物在地聚合物水泥中的降解机理；2）矿渣/粉煤灰-硅酸钠碱激发地聚物水泥基浆水化机理；3）发泡剂和SiO2等纳米材料对地热环境下碱激发可降解地聚合物水泥的影响； 4）根据聚合物的热解特性，设计和制备可降解碱激发地聚物泡沫暂堵水泥，并调控其降解特性，满足高温地热可降解水泥性能要求；5）钻井过程中井筒温度分布，提出通过控制循环钻井液特性，维持井筒温度在85℃以下。.取得了以下成果： 1）揭示了聚合物的降解特性、矿渣/粉煤灰/硅酸钠的水泥特性、泡沫水泥及发泡剂以及其他添加剂的在高温地热环境下可降解水泥中的作用机理和影响规律；2）通过选择合适的聚合物和发泡剂等，可制备在不同温度条件下的自降解水泥；3）建立了适合高温地热井循环过程中井筒温度分布模型，并分析了主要影响因素。 .可降解水泥基本性能：矿渣/粉煤灰可降解水泥的初凝时间都大于100min，终凝时间大于130min；失水量小于40ml，游离液含量均小于0.5%，沉降稳定性均小于0.02%。 实验配方及降解特性：首先确定了碱激发水泥体系中，矿渣、粉煤灰以及碱激发剂的种类和加量。矿渣/粉煤灰配比为80/20，碱激发剂种类为无水硅酸钠，模数为1.4，加量为固体质量的6%，水固比为0.6。在此基础上，利用发泡剂和聚合物协同制备泡沫暂堵水泥，确定了150℃、180℃、200℃、250℃和300℃下的自降解水泥配方。.本项目以工业废料矿渣和粉煤灰为原料，具有绿色环保低能耗，填补了我国在此方面研究的空白。本项目开展的可降解地聚物泡沫水泥的降解、水化以及泡沫控制机理等方面的研究成果具有普适性，对多孔陶瓷材料的连通性研究理论做出贡献。