基于温敏聚合物的地热井暂堵型高透水固结材料研究

Our country has abundant medium-low temperature geothermal resources. However, the contradiction between wall protection and leakage plugging in geothermal wells during drilling and recovery of production channels during mining is always difficult to solve, which limits the development of geothermal energy. The developed temporary sealing cement was mainly aimed at high temperature geothermal resources, and the removal process of cement after complete degradation is easy to cause sticking and other accidents. In this project, temporary sealing high-permeable cementitious materials for medium-low temperature geothermal resources will be developed by utilizing the characteristics of thermosensitive polymers, which degrade with the increase of ambient temperature. The materials maintain high strength and low permeability to effectively plug formation while drilling. After the drilling, the temperature of the wellbore rises, thus the polymers degrade to form interconnected holes to provide channels for fluid production. The material skeleton remains intact to protect the bore-hole from collapse. The main research contents are as follows: the change rule affected by cementious materials and regulation of degradation properties of the thermosensitive polymers; the formation mechanism of high-permeable porous cementitious materials; the influences of polymers on application performance materials, design and preparation of temporary sealing high-permeable cementitious materials. This project will simplify the exploration and development process, reduce drilling costs and risks, and thus promote the development of geothermal resources in our country.

我国是以中低温为主的地热资源大国，但地热井在钻进中护壁堵漏与开采时产出通道恢复的矛盾一直难以解决，因此限制了地热能的发展。已研制的暂堵水泥主要针对高温地热资源，且完全破碎后水泥的排除过程易引起卡钻等事故。本项目拟利用温敏聚合物具有随环境温度升高而降解的特性，研究适用于中低温地热资源的暂堵型高透水固结材料。该材料在钻进时保持高强度、低渗透有效封堵地层；完钻后井筒温度升高聚合物降解，在其内部形成相互连通的孔洞为流体产出提供通道，且材料骨架保持原状继续保护孔壁、防止坍塌。主要研究内容为：温敏聚合物降解性质受水泥材料影响的变化规律及调控；高透水多孔固结材料的形成机理研究；聚合物对材料应用性能的影响规律、设计制备暂堵型高透水固结材料。本项目利用地热开发中的温度变化规律，研究暂堵型高透水固结材料，将简化地热资源的勘探开发过程，有利于降低钻井成本和风险，从而为我国地热资源的发展起到一定的推动作用。

本项目面向我国广大的中低温地热资源，针对地热井钻进中护壁堵漏与开采时产出通道恢复的矛盾，利用温敏聚合物具有随环境温度升高而降解的特性，研制了适用于中低温地热井的暂堵型高透水固结材料。主要研究内容包括：（1）基于文献调研，总结了目前我国地热能开发的主力储层，地热井堵漏施工过程中的温度变化规律及所面临的技术挑战。（2）开展了胶凝材料替代水泥配方和轻质堵漏水泥配方的优选，以及腐蚀环境下水泥基材料受腐蚀机理的研究。（3）利用高温水溶性聚乙烯醇（PVA）纤维结合粉煤灰漂珠，共同制备了中低温地热井暂堵型固结材料，分析了多孔固结材料形成的机理，探讨了聚合物降解性能调控的方法，并利用多孔陶瓷废料研制了高强度地热井暂堵水泥。（4）开展了聚合物形态及加量等对固结材料应用性能的影响规律研究，建立了聚合物加量等与固结材料性能参数之间的数学关系模型。.取得的主要认识如下：（1）岩溶裂隙发育的碳酸盐岩热储因渗流条件良好，是我国地热资源最具开发利用潜力的主力储层；而地热井堵漏过程面临的主要技术挑战是高温下水泥的强度衰退、脆弱地层破裂压力低以及地层流体中的腐蚀性成分；（2）在≤90℃的含水环境下宜采用油井水泥，在≥120℃的干燥条件下胶凝材料替代率为80%的固结材料性能更佳。（3）玻化微珠含量为50%、气相SiO2为10%、水固比1.52的轻质堵漏水泥，其密度和导热系数分别降低至1.00g/cm3和0.1905W/(m·K)。（4）水泥水化产物中Ca(OH)2、C-S-H以及钙矾石等，在高温高压下与H2S和CO2反应，而丁苯胶乳可提高水泥的耐腐蚀性能。（5）利用10%漂珠和3%PVA纤维共同制备的可降解固结材料中，纤维在≥90℃的热水中的4小时内在硬化水泥石中溶解并浸出，水泥石渗透率提高至225mD。（6）利用表面改性的方式可降低聚合物的热降解温度，废旧多孔陶瓷颗粒对90℃热水浸泡后水泥强度的提高幅度超过57%。（7）聚合物纤维加量与降解后材料的孔隙度和渗透率呈正相关，与材料强度呈负相关。.本项目研究成果利于简化地热开发过程、降低时间成本。研究总结了90℃水热及高温高压腐蚀条件下水泥基材料的性能演变规律，对于高地温隧道支护及油气固井过程也有一定的借鉴意义。