面向中深层地热井的固井复合材料性能研究与井下换热过程模拟

论文摘要

中深层地热通常是指地下两三千米以上的岩浆或干热岩所具有的热能,相对于浅层地热,具有稳定、品味高、经济等优点,目前已成为国家《地热能开发利用“十三五”规划》的重点发展方向。套管式地热井是一种常用的中深层地热井,它通过内外套管中流动的循环工质与固井材料、地层之间的换热,达到取热目的。由于中深层地热井井深的特点,固井材料的导热性能显得尤为重要,直接影响了井下换热效率。同时,固井材料浆液的流动性能也特别重要,直接关系到固井灌浆的质量与安全。然而,目前对这一课题的研究内容很少,因此,本文开展了面向中深层地热井固井材料的导热性能、固井材料浆液的流动性能以及井下换热过程模拟研究。首先,本文在固井水泥中填充金属材料铁粉、碳材料石墨以及无机材料碳化硅、氧化铝(纳米、微米)等导热粒子形成固井复合材料,研究了导热粒子种类、粒径、级配比、水灰比、养护时间、养护环境和减水剂等因素对复合材料导热系数的影响,并建立了复合材料导热系数预测模型。结果表明:单因素分析中:填充10%石墨的复合材料导热系数从1.038w/(m·℃)增至1.644w/(m·℃),提高了58.38%,远高于掺同比例其他填料的导热系数。同比例下,填充纳米氧化铝比填充微米氧化铝的复合材料的导热系数高5.12%;多因素复掺多种填料时,不同填料、不同粒径或它们之间的搭配均会有不同的效果;随着水灰比增大和养护时间地延长,固井材料导热系数不断减小;养护环境会影响固井材料导热系数的整体改善效果,不同养护环境表现出的整体变化规律基本一致;添加适量的减水剂,固井材料的导热系数均有所提高。其次,建立了套管式固井水泥浆流动性能测量装置,采用以上形成的固井复合材料,研究了导热粒子种类、粒径、级配比、水灰比、减水剂等因素对水泥浆流动性能的影响,并建立了固井复合材料水泥浆流动性能预测模型。研究表明:单因素分析中:填充3%石墨时,水泥浆的流动时间已经超过其他材料填料比例为30%的流动时间。在微米、纳米氧化铝总填料比例一定时,随着纳米氧化铝填料的增多,水泥浆的流动时间不断增大;多因素复掺多种填料时,不同填料、不同粒径或它们之间的搭配均会有不同的效果;随着水灰比不断增大,水泥浆液的流动性不断增大;掺减水剂会改善水泥浆的流动性能,但当减水剂的掺量超过一定比例时,改善效果显著下降,且改善效果根据填料的不同而不同。最后,基于以上形成的固井复合材料,采用数值模拟的方法,对某2800m中深层地热井井下换热进行了数值模拟。结果表明:当固井层不填充材料即固井层为空气时,地热井的取热效率明显降低;取热效率随着固井材料导热系数的增大而增大,但当导热系数增至2.5w/(m·℃)时,取热功率增加的幅度显著减小;相对于固井材料的体积热容,导热系数对地热井换热的影响更大;随着地热井深度的增加,出水温度不断增加,且固井材料导热系数值越高时,单位深度内平均出水温度越大;当在固井层不同段布置不同导热系数的固井材料时,导热系数高的固井材料放置在固井层底端时的出水温度更高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 固井材料导热性能研究现状
•     1.2.2 固井水泥浆流动性能研究现状
•     1.2.3 地热井井下换热过程研究现状
•   1.3 本文研究内容
• 第二章 固井复合材料导热系数研究
•   2.1 理论分析
•   2.2 实验部分
•     2.2.1 实验材料
•     2.2.2 实验仪器与方法
•     2.2.3 试块的制作与养护
•     2.2.4 实验方案
•   2.3 结果与分析
•     2.3.1 水灰比对固井水泥净浆材料导热系数的影响
•     2.3.2 填料种类对固井复合材料导热系数的影响
•     2.3.3 填料粒径对固井复合材料导热系数的影响
•     2.3.4 填料种类与粒径复配对固井复合材料导热系数的影响
•     2.3.5 养护时间对固井复合材料导热系数的影响
•     2.3.6 养护环境对固井复合材料导热系数的影响
•     2.3.7 减水剂对固井复合材料导热系数的影响
•   2.4 固井复合材料导热模型
•     2.4.1 模型建立依据
•     2.4.2 导热系数模型建立
•   2.5 本章小结
• 第三章 固井复合材料水泥浆流动性能研究
•   3.1 理论分析
•   3.2 实验部分
•     3.2.1 实验材料
•     3.2.2 水泥浆液的制作
•     3.2.3 实验装置与方法
•     3.2.4 套管式流动时间Δt与水泥净浆流动度实验方法及结果对比
•     3.2.5 实验方案
•   3.3 结果与分析
•     3.3.1 水灰比对水泥净浆流动性能的影响
•     3.3.2 填料种类对水泥浆流动性能的影响
•     3.3.3 填料粒径对水泥浆流动性能的影响
•     3.3.4 填料种类与粒径复配对水泥浆流动性能的影响
•     3.3.5 减水剂对水泥浆流动性能的影响
•   3.4 固井复合材料水泥浆流动性模型
•     3.4.1 模型建立依据
•     3.4.2 流动性模型建立
•   3.5 本章小结
• 第四章 井下流动换热数值模拟研究
•   4.1 计算模型及网格划分
•   4.2 基本假设及数学模型
•     4.2.1 基本假设
•     4.2.2 数学模型
•   4.3 边界条件
•   4.4 模拟结果与分析
•     4.4.1 地热井传热工质流动分析
•     4.4.2 固井材料导热系数对地热井系统换热的影响
•     4.4.3 地热井固井材料区域传热性能的影响因素分析
•       4.4.3.1 固井材料导热系数的影响
•       4.4.3.2 固井材料体积比热容的影响
•       4.4.3.3 固井材料导热系数与体积比热容的影响比较分析
•     4.4.4 固井材料导热系数对不同深度地热井系统换热的影响
•     4.4.5 固井材料定向导热系数对地热井系统换热的影响
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 创新点
•   5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介、攻读硕士期间的学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 方姚

导师: 张勇,雷达

关键词: 中深层地热井,固井复合材料,导热性能,流动性能,数值模拟

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地球物理学,材料科学

单位: 东南大学

分类号: TB33;P314

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.000873

总页数: 79

文件大小: 3935K

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