在節(jié)能減排和石油資源日益緊張的壓力下，世界上各個國家開發(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?/a>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驅(qū)動渦輪機來產(chǎn)生電能；殘留的熱水經(jīng)冷卻后重新回灌至地下以補充熱儲。我國的高溫地?zé)豳Y源的開發(fā)利用程度相對較低，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>固井面臨的首要問題是井內(nèi)溫度較高，通?？蛇_ 150℃~300℃，高溫首先對會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)物會降低水泥石的強度性能。另外，高溫也會縮短水泥漿的凝固時間，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，以延長水泥漿的凝固時間。另一個問題是地?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，水泥漿的漏失是一項非常嚴重的問題，水泥漏失到地層中會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題。例如在美國內(nèi)華達州藍山地區(qū)的地?zé)?/a>井固井案例中，該區(qū)的熱儲層巖性都是松散的沉積巖，井內(nèi)存在多個薄弱地層和漏失層，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，可能會使用欠平衡鉆井技術(shù)，配套固井時，要求使用超低密度水泥漿進行封固，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，為使解決上述出現(xiàn)的狀況和問題，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)試驗過了一些降低水泥密度的方法，包括添加膨潤土、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對水泥漿整體的強度和滲透能力產(chǎn)生不利的影響，水泥漿也難以達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)計超低密度水泥漿最常使用的減輕材料是具有很高抗壓強度空心微珠（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 70 年代，國外開始系統(tǒng)地進行地?zé)崴?/a>泥的研究，美國布魯克海文國家實驗室（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。這對我國的地?zé)峋叹嗟?a href="http://www.qddehua.com.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)。

 

  研究內(nèi)容本文根據(jù)高溫地?zé)峋吞厥獾貙訉λ酀{密度提出的要求，設(shè)計開發(fā)出密度在1.0~1.4g/cm3的高溫地?zé)峋兔芏人囿w系，并對體系整體性能進行了評價，具體研究內(nèi)容如下：

 

  （1）設(shè)計超低密度水泥的基本組分，采用 API“G”級油井水泥加硅粉，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，展開對減輕劑的分析評價，選擇適合該體系的減輕材料——空心玻璃微珠 T46。

 

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

 

  （4）對微珠超低密度水泥漿體系的綜合性能進行評價。根據(jù)國內(nèi)外對地?zé)崴嗪统兔芏人嘈阅芤?，初步提出了各項性能指標，主要的室?nèi)評價實驗如下：

 

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

 

  6）使用 X 射線衍射儀（XRD）和掃描電鏡（SEM）對超低密度水泥體系的水泥石進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)。