在節(jié)能減排和石油資源日益緊張的壓力下，世界上各個(gè)國(guó)家開發(fā)地?zé)豳Y源的力度不斷加大。地?zé)崮?/a>的利用主要是將中、高溫地?zé)豳Y源用于地?zé)岚l(fā)電。含熱水的地?zé)醿?chǔ)層常出現(xiàn)在有高溫熱流和具有斷裂、可滲透巖石構(gòu)造的區(qū)域。為獲取高溫熱水資源，通常要鉆穿斷裂地帶，然后儲(chǔ)層內(nèi)的高溫熱水以蒸汽的形式噴出或者流出，這些蒸汽或流體被用來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)來(lái)產(chǎn)生電能；殘留的熱水經(jīng)冷卻后重新回灌至地下以補(bǔ)充熱儲(chǔ)。我國(guó)的高溫地?zé)豳Y源的開發(fā)利用程度相對(duì)較低，除了受到資源、政策等諸多因素的限制外，地?zé)峋?/a>的鉆完井技術(shù)也是制約我國(guó)地?zé)豳Y源開發(fā)的重要因素之一.

 

  地?zé)峋?/a>固井面臨的首要問(wèn)題是井內(nèi)溫度較高，通?？蛇_(dá) 150℃~300℃，高溫首先對(duì)會(huì)硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物有直接的影響，不良的水化反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)降低水泥石的強(qiáng)度性能。另外，高溫也會(huì)縮短水泥漿的凝固時(shí)間，因此在注水泥前，需要向井內(nèi)注入大量冷水并循環(huán)，降低井內(nèi)溫度，并加入緩凝劑，以延長(zhǎng)水泥漿的凝固時(shí)間。另一個(gè)問(wèn)題是地?zé)崽?/a>中的地層通常為典型的裂隙構(gòu)造，地層破裂壓力低，儲(chǔ)層具有很高的滲透性，易引起漏失狀況的發(fā)生，在固井作業(yè)時(shí)，水泥漿的漏失是一項(xiàng)非常嚴(yán)重的問(wèn)題，水泥漏失到地層中會(huì)造成固井成本的大量增加并導(dǎo)致水泥漿低返和污染含水層等問(wèn)題。例如在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州藍(lán)山地區(qū)的地?zé)?/a>井固井案例中，該區(qū)的熱儲(chǔ)層巖性都是松散的沉積巖，井內(nèi)存在多個(gè)薄弱地層和漏失層，地層難以承受常規(guī)的密度（1.9g/cm3）和普通低密度（1.4~1.7g/cm3）的水泥液柱壓力。另外在某些特殊的地層，可能會(huì)使用欠平衡鉆井技術(shù)，配套固井時(shí)，要求使用超低密度水泥漿進(jìn)行封固，有些地層甚至要求水泥漿密度低至 1.0g/cm3。

 

  在注水泥作業(yè)時(shí)，為使解決上述出現(xiàn)的狀況和問(wèn)題，使用具有抗高溫能力的超低密度水泥是更好的方法。地?zé)?/a>井目前已經(jīng)試驗(yàn)過(guò)了一些降低水泥密度的方法，包括添加膨潤(rùn)土、硅藻土、粉煤灰以及珍珠巖，然而在高溫條件下，這些常用的減輕劑會(huì)對(duì)水泥漿整體的強(qiáng)度和滲透能力產(chǎn)生不利的影響，水泥漿也難以達(dá)到超低密度水泥密度變化范圍的要求。

  在地?zé)峋?/a>固井案例中，設(shè)計(jì)超低密度水泥漿最常使用的減輕材料是具有很高抗壓強(qiáng)度空心微珠（High strength microspheres，HSM）。微珠不僅質(zhì)量輕，密度可調(diào)節(jié)范圍更大，而且它具有優(yōu)良抗高溫和抗高壓能力，更適宜作為高溫地?zé)?/a>井超低密度水泥的減輕材料。因此根據(jù)高溫地?zé)?/a>井及特殊狀況下的固井需求，決定開發(fā)出一套適用于高溫地?zé)?/a>井的微珠超低密度水泥體系，密度在 1.0~1.4 g/cm3之間。

  20 世紀(jì) 70 年代，國(guó)外開始系統(tǒng)地進(jìn)行地?zé)崴?/a>泥的研究，美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory，BNL）開發(fā)出多種應(yīng)用于地?zé)峋?/a>的水泥體系，包括以 API 油井水泥為基礎(chǔ)材料的地?zé)崴?/a>泥，低密度地?zé)崴?/a>泥和新型地?zé)崴?/a>泥[8-11]

  。國(guó)內(nèi)目前缺乏地?zé)?/a>井超低密度水泥的系統(tǒng)性研究，一般主要研究用于復(fù)雜油氣井的耐高溫水泥和低密度水泥。因此可借鑒國(guó)內(nèi)外的地?zé)?/a>井和復(fù)雜油氣井固井水泥的研究理論和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，開展高溫地?zé)?/a>井微珠超低密度水泥的研究。這對(duì)我國(guó)的地?zé)峋叹嗟?a href="http://kaichele.cn/t/開發(fā).html" >開發(fā)和研究具有重大意義，并可為相關(guān)的固井施工提供理論依據(jù)。

 

  研究?jī)?nèi)容本文根據(jù)高溫地?zé)峋吞厥獾貙訉?duì)水泥漿密度提出的要求，設(shè)計(jì)開發(fā)出密度在1.0~1.4g/cm3的高溫地?zé)峋兔芏人囿w系，并對(duì)體系整體性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，具體研究?jī)?nèi)容如下：

 

  （1）設(shè)計(jì)超低密度水泥的基本組分，采用 API“G”級(jí)油井水泥加硅粉，并使用抗高溫緩凝劑，使該水泥體系具有良好的抗溫能力。

 

  （2）調(diào)研普通低密度水泥和超低密度水泥的研究應(yīng)用狀況，展開對(duì)減輕劑的分析評(píng)價(jià)，選擇適合該體系的減輕材料——空心玻璃微珠 T46。

 

  （3）向體系中加入超細(xì)材料——微硅，提高漿體的穩(wěn)定性與水泥石的早期強(qiáng)度。利用 Andreasen 顆粒連續(xù)分布模型，計(jì)算出三級(jí)級(jí)顆粒向一級(jí)顆粒有效填充的質(zhì)量比，設(shè)計(jì)比例關(guān)系的同時(shí)考慮起始物料的鈣硅比（CaO/SiO2）。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定微珠和微硅的需水量，確定體系的基本配方。

 

  （4）對(duì)微珠超低密度水泥漿體系的綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)地?zé)崴嗪统兔芏人嘈阅芤螅醪教岢隽烁黜?xiàng)性能指標(biāo)，主要的室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)如下：

 

  1）游離液實(shí)驗(yàn)，游離液含量小于 1%32）沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，水泥石最大密度差小于 0.05 g/cm3；3）失水量實(shí)驗(yàn)，API 失水量小于 100mL；4）稠化性能評(píng)價(jià)，稠化時(shí)間可調(diào)，達(dá)到 3~4h；5）抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，水泥石 24h 早期抗壓強(qiáng)度大于 6.9MPa：

 

  6）使用 X 射線衍射儀（XRD）和掃描電鏡（SEM）對(duì)超低密度水泥體系的水泥石進(jìn)行物相分析和微觀形貌觀察，研究體系的水化產(chǎn)物組成和微觀結(jié)構(gòu)。