本發(fā)明屬于地?zé)醾鲗?dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
干熱巖(hdr)，也稱增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(egs)，或稱工程型地?zé)嵯到y(tǒng)，是一般溫度大于200℃，埋深數(shù)千米，內(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體。
開發(fā)干熱巖資源國際上普遍采用的是雙井壓裂滲透回灌法，其原理是：從地表往干熱巖中打一眼井(注入井)，封閉井孔后向井中高壓注入溫度較低的水，產(chǎn)生了非常高的壓力；在巖體致密無裂隙的情況下，高壓水會使巖體大致垂直最小地應(yīng)力的方向產(chǎn)生許多裂縫；若巖體中本來就有少量天然節(jié)理，這些高壓水使之?dāng)U充成更大的裂縫；隨著低溫水的不斷注入，裂縫不斷增加、擴(kuò)大，并相互連通，最終形成一個大致呈面狀的人工干熱巖熱儲構(gòu)造；在距注入井合理的位置處鉆幾口井并貫通人工熱儲構(gòu)造，這些井用來回收高溫水、汽，稱之為生產(chǎn)井；注入的水沿著裂隙運(yùn)動并與周邊的巖石發(fā)生熱交換，產(chǎn)生了溫度高達(dá)200～300℃的高溫高壓水或水汽混合物；從貫通人工熱儲構(gòu)造的生產(chǎn)井中提取高溫蒸汽，用于地?zé)岚l(fā)電和綜合利用；利用之后的溫水又通過注入井回灌到干熱巖中，從而達(dá)到循環(huán)利用的目的。
但是普遍采用的這種雙井壓裂滲透回灌法獲取地?zé)崮?，由于花崗巖的熱導(dǎo)率只有2.721w/m℃，地?zé)豳Y源不能更有效的傳導(dǎo)給循環(huán)水，并且其存在著回灌率低，地下巖層破壞，循環(huán)水漏損失，提水能耗高等缺陷。
為了克服此缺陷，并改善地?zé)醿咏貛У牧芽p系統(tǒng)導(dǎo)熱能量，提高攜熱流體在地?zé)釅毫褍又械臐B流能力，增加地?zé)醿又械娜崃浚暾埲松暾埩松暾執(zhí)枮椤?017100509513”，名稱為“一種深層地?zé)釤醾鲗?dǎo)根系的建造方法”，以及申請?zhí)枮椤?017200871321”，名稱為“一種u型井深層地?zé)釤醾鲗?dǎo)系統(tǒng)”的系列專利，該系列專利中，采用深層地?zé)釤醾鲗?dǎo)根系的建造方法構(gòu)建了一種u型井深層地?zé)釤醾鲗?dǎo)系統(tǒng)，具體是結(jié)合井下射孔及壓裂技術(shù)，在壓裂裂縫中灌入導(dǎo)熱劑，利用膨脹管密封技術(shù)使管道內(nèi)循環(huán)介質(zhì)不滲漏到地層當(dāng)中，形成只取熱不采地下水和不污染地下水的無干擾地?zé)嵯到y(tǒng)；管道外部的導(dǎo)熱劑固化后，使地?zé)峋吧顚拥責(zé)嵯到y(tǒng)形成一種熱傳導(dǎo)根系，能夠?qū)⑸顚拥牡責(zé)嵬ㄟ^熱傳導(dǎo)根系裂縫內(nèi)的導(dǎo)熱劑傳導(dǎo)至套管內(nèi)的導(dǎo)熱流體，再通過導(dǎo)熱流體循環(huán)將熱能傳至地面。在此系列專利中，地?zé)衢_采用到了導(dǎo)熱劑，這在地?zé)衢_采技術(shù)領(lǐng)域?qū)儆谑状巍?/p>
為了使熱傳導(dǎo)根系的深層地?zé)醾鲗?dǎo)性能更好，地?zé)豳Y源得到最大程度地開發(fā)利用，申請人對地?zé)衢_采用導(dǎo)熱劑進(jìn)行了深入研究。
現(xiàn)有用于熱傳導(dǎo)的導(dǎo)熱劑有導(dǎo)熱油、水或蒸汽，水或蒸汽一般只適合低溫?zé)醾鲗?dǎo)使用，高溫?zé)醾鲗?dǎo)一般使用導(dǎo)熱油作用導(dǎo)熱劑。導(dǎo)熱油由于其具有加熱均勻，調(diào)溫控制準(zhǔn)確，能在低蒸汽壓下產(chǎn)生高溫，傳熱效果好，節(jié)能，輸送和操作方便等特點(diǎn)，近年來被廣泛用于各種場合，其用途和用量越來越多。但使用導(dǎo)熱油會存在過熱時會發(fā)生裂解或縮合，在容器、管道中結(jié)焦或積碳等缺點(diǎn)，在地?zé)衢_采中會影響深層地?zé)岬臒醾鬟f效率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決雙井壓裂滲透回灌法獲取地?zé)崮芊椒ㄖ写嬖诘幕◢弾r的熱導(dǎo)率低，地?zé)豳Y源不能更有效的傳導(dǎo)給循環(huán)水，且回灌率低、地下巖層破壞、循環(huán)水漏損失，提水能耗高等缺陷，以及現(xiàn)有導(dǎo)熱劑在深層地?zé)衢_采中不能更有效地傳導(dǎo)地?zé)崮芰康膯栴}，本發(fā)明提供了一種深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑及其制備方法。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
一種深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑，由以下重量百分比的原料制備而成：油井超細(xì)水泥15～25％，高嶺土3～5％，膨潤土1～3％，硫酸鈣1～3％，導(dǎo)熱硅膠2～5％，碳素纖維8～15％，水30～50％，丁苯橡膠乳液2～5％，石墨10～18％。
優(yōu)選地，本發(fā)明的導(dǎo)熱劑由以下重量百分比的原料制備而成：油井超細(xì)水泥19％，高嶺土4％，膨潤土2％，硫酸鈣2％，導(dǎo)熱硅膠3％，碳素纖維13％，水40％，丁苯橡膠乳液3％，石墨14％。
優(yōu)選地，本發(fā)明的導(dǎo)熱劑原料還可以包括2～4％的增稠劑。
上述任一種深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑的制備方法為：室溫下，先將油井超細(xì)水泥、碳素纖維和石墨充分混合，得到混合物；然后取其余組份依次加入混合物中，不斷攪拌，攪拌均勻后得到所述導(dǎo)熱劑。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：
1.本發(fā)明的導(dǎo)熱劑由于添加了碳素纖維，使導(dǎo)熱劑的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了60mpa，能夠承受周圍巖層的擠壓；并能提高導(dǎo)熱劑的抗裂、抗沖磨以及導(dǎo)熱能力；
2.本發(fā)明的導(dǎo)熱劑采用的石墨為天然鱗片石墨，其熱導(dǎo)率高達(dá)500w/m℃，大大提高了導(dǎo)熱劑的導(dǎo)熱效果；
3.本發(fā)明的導(dǎo)熱劑采用的油井超細(xì)水泥使形成的封隔層具有顯著的導(dǎo)熱效果；
4.本發(fā)明的導(dǎo)熱劑采用的導(dǎo)熱硅膠具有重量輕、耐腐蝕、導(dǎo)熱性能好及浸水線性變形率小等特點(diǎn)，可提高導(dǎo)熱劑的抗裂性能；
5.本發(fā)明的導(dǎo)熱劑采用的硫酸鈣可用于調(diào)節(jié)導(dǎo)熱劑的凝結(jié)時間，使導(dǎo)熱劑在盡量短的時間內(nèi)凝結(jié)成固態(tài)，防止被地應(yīng)力的影響而產(chǎn)生的閉合擠壓力擠壓回地?zé)峋?；同時也防止還未凝固的導(dǎo)熱劑被地下水稀釋；
6.本發(fā)明的導(dǎo)熱劑采用的高嶺土、膨潤士等組分，用以調(diào)節(jié)砂漿黏結(jié)度，使本發(fā)明的導(dǎo)熱劑具有附著力強(qiáng)、抗裂性好、導(dǎo)熱性能優(yōu)等顯著特點(diǎn)；
7.本發(fā)明的導(dǎo)熱劑采用的增稠劑用于保水增稠，改善施工性能和導(dǎo)熱劑的濕粘性；
8.將本發(fā)明的各原料組分按配比混合、拌勻后可以直接向下入表層套管灌入，分隔地下松散易塌地形，制備方法簡單，操作簡便；且按本發(fā)明的幾種成分配比而成的導(dǎo)熱劑凝固熱導(dǎo)率是42.61w/m℃，是原有封閉地?zé)峋谢◢弾r石熱導(dǎo)率的約15倍，大大提高了傳熱速率，而且具有附著力強(qiáng)、抗裂性好，尤其結(jié)合深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系導(dǎo)熱系統(tǒng)使用導(dǎo)熱效果更加顯著。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例1：
本實(shí)施例的深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑，由以下重量百分比的原料制備而成：油井超細(xì)水泥19％，高嶺土4％，膨潤土2％，硫酸鈣2％，導(dǎo)熱硅膠3％，碳素纖維13％，水40％，丁苯橡膠乳液3％，石墨14％。
其制備方法如下：室溫下，先將19％的油井超細(xì)水泥、13％的碳素纖維和14％的石墨充分混合，得到混合物；然后取4％的高嶺土，2％的膨潤土，2％的硫酸鈣，3％的導(dǎo)熱硅膠，的40％水，3％的丁苯橡膠乳液依次加入混合物中，不斷攪拌，攪拌均勻后得到本實(shí)施例的深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑。
實(shí)施例2：
本實(shí)施例的深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑，由以下重量百分比的原料制備而成：油井超細(xì)水泥20％，高嶺土5％，膨潤土3％，硫酸鈣3％，導(dǎo)熱硅膠5％，碳素纖維15％，水34％，丁苯橡膠乳液5％，石墨10％。
其制備方法如下：室溫下，先將20％的油井超細(xì)水泥、15％的碳素纖維和10％的石墨充分混合，得到混合物；然后取5％的高嶺土，3％的膨潤土，3％的硫酸鈣，5％的導(dǎo)熱硅膠，34％的水，5％的丁苯橡膠乳液依次加入混合物中，不斷攪拌，攪拌均勻后得到本實(shí)施例的深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑。
實(shí)施例3：
一種深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑，由以下重量百分比的原料制備而成：油井超細(xì)水泥25％，高嶺土3％，膨潤土1％，硫酸鈣1％，導(dǎo)熱硅膠2％，碳素纖維8％，水40％，丁苯橡膠乳液2％，石墨18％。
其制備方法如下：室溫下，先將25％的油井超細(xì)水泥、8％的碳素纖維和18％的石墨充分混合，得到混合物；然后取3％的高嶺土，1％的膨潤土，1％的硫酸鈣，2％的導(dǎo)熱硅膠，40％的水，2％的丁苯橡膠乳液依次加入混合物中，不斷攪拌，攪拌均勻后得到本實(shí)施例的深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑。
實(shí)施例4：
一種深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑，由以下重量百分比的原料制備而成：油井超細(xì)水泥15％，高嶺土4％，膨潤土2％，硫酸鈣2％，導(dǎo)熱硅膠2％，碳素纖維8％，水50％，丁苯橡膠乳液3％，石墨12％，水泥增稠劑2％。
其制備方法如下：室溫下，先將15％的油井超細(xì)水泥、8％的碳素纖維和12％的石墨充分混合，得到混合物；然后取4％的高嶺土，2％的膨潤土，2％的硫酸鈣，2％的導(dǎo)熱硅膠，50％的水，3％的丁苯橡膠乳液和2％的水泥增稠劑依次加入混合物中，不斷攪拌，攪拌均勻后得到本實(shí)施例的深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑。
實(shí)施例5：
一種深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑，由以下重量百分比的原料制備而成：油井超細(xì)水泥22％，高嶺土4％，膨潤土3％，硫酸鈣3％，導(dǎo)熱硅膠5％，碳素纖維15％，水30％，丁苯橡膠乳液5％，石墨10％，水泥增稠劑3％。
其制備方法如下：室溫下，先將22％的油井超細(xì)水泥、15％的碳素纖維和10％的石墨充分混合，得到混合物；然后取4％的高嶺土，3％的膨潤土，3％的硫酸鈣，5％的導(dǎo)熱硅膠，30％的水，5％的丁苯橡膠乳液和3％的水泥增稠劑依次加入混合物中，不斷攪拌，攪拌均勻后得到本實(shí)施例的深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑。
實(shí)施例6：
一種深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑，由以下重量百分比的原料制備而成：油井超細(xì)水泥25％，高嶺土3％，膨潤土2％，硫酸鈣3％，導(dǎo)熱硅膠5％，碳素纖維8％，水33％，丁苯橡膠乳液3％，石墨14％，水泥增稠劑4％。
其制備方法如下：室溫下，先將25％的油井超細(xì)水泥、8％的碳素纖維和14％的石墨充分混合，得到混合物；然后取3％的高嶺土，2％的膨潤土，3％的硫酸鈣，5％的導(dǎo)熱硅膠，33％的水，3％的丁苯橡膠乳液和4％的水泥增稠劑依次加入混合物中，不斷攪拌，攪拌均勻后得到本實(shí)施例的深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系建造用導(dǎo)熱劑。
以上實(shí)施例中采用的碳素纖維由碳纖維與相關(guān)的基體樹脂(如環(huán)氧樹脂)制備而成的復(fù)合材料，其多項(xiàng)物理力學(xué)性能可以與金屬媲美，能承受3000℃以上的高溫，耐燒蝕，熱膨脹系數(shù)小，且具有高比強(qiáng)度、高比模量等特性，因此，用于深層地?zé)衢_采用導(dǎo)熱劑，使導(dǎo)熱劑的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了60mpa，能夠承受周圍巖層的擠壓；并能提高導(dǎo)熱劑的抗裂、抗沖磨以及導(dǎo)熱能力。
油井超細(xì)水泥是油井常用的由超細(xì)水泥等無機(jī)超細(xì)微粒組成的高性能灌漿材料，超細(xì)水泥的平均粒徑小于5μm，最大不超過10μm，它具有良好的滲透性及可灌性，能夠滲入到常規(guī)水泥達(dá)不到的區(qū)域，具有比有機(jī)化學(xué)灌漿液更高的強(qiáng)度及耐久性，不存在老化現(xiàn)象，因而可適用于各種土質(zhì)環(huán)境的地基加固處理、砂土層的固化處理、各種復(fù)雜的基礎(chǔ)加固處理、各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)灌漿處理，如隧道、地鐵、大壩、高速公路、橋墩、油井、大型設(shè)備基礎(chǔ)等；本發(fā)明的導(dǎo)熱劑采用的油井超細(xì)水泥使形成的封隔層具有顯著的導(dǎo)熱效果。
由于對地?zé)釒r層進(jìn)行壓裂后，產(chǎn)生的根狀裂隙，會因?yàn)榈貞?yīng)力的影響而產(chǎn)生閉合擠壓導(dǎo)熱劑，如果不能在盡量短的時間凝結(jié)成固態(tài)，會造成導(dǎo)熱劑被擠壓回地?zé)峋?；另外還沒凝固的導(dǎo)熱劑容易被地下水稀釋，因此，本發(fā)明的導(dǎo)熱劑加入了硫酸鈣，用于調(diào)節(jié)導(dǎo)熱劑的凝結(jié)時間，使導(dǎo)熱劑在盡量短的時間內(nèi)凝結(jié)成固態(tài)。
在高溫高壓的深層地下，溫度的波動造成的熱脹冷縮容易使固化的導(dǎo)熱劑開裂，地應(yīng)力的高壓環(huán)境也容易對導(dǎo)熱劑產(chǎn)生影響，導(dǎo)熱劑裂開后，形成的裂痕會影響熱量的傳導(dǎo)，影響熱導(dǎo)率。因此，本發(fā)明的導(dǎo)熱劑中加入了導(dǎo)熱硅膠，導(dǎo)熱硅膠具有重量輕、耐腐蝕、導(dǎo)熱性能好及浸水線性變形率小等特點(diǎn)，可提高導(dǎo)熱劑的抗裂性能。
本發(fā)明的導(dǎo)熱劑采用的石墨為天然鱗片石墨，其熱導(dǎo)率高達(dá)500w/m℃，大大提高了導(dǎo)熱劑的導(dǎo)熱效果。
本發(fā)明的導(dǎo)熱劑采用的高嶺土、膨潤士等組分，用以調(diào)節(jié)砂漿黏結(jié)度，使本發(fā)明的導(dǎo)熱劑具有附著力強(qiáng)、抗裂性好、導(dǎo)熱性能優(yōu)等顯著特點(diǎn)；采用的水泥增稠劑是一種水泥砂漿塑化劑，一般由生石膏、乙氧基化烷基硫化鈉、十二烷基磺酸鈉、減水劑等成分組成，在水泥配比不變的情況下可節(jié)水10-20％，節(jié)約水泥15-20％，提高工效5％以上，無毒、無輻射、無污染、無公害。本發(fā)明的導(dǎo)熱劑中的水泥增稠劑還具有保水增稠，改善施工性能和導(dǎo)熱劑濕粘性等特點(diǎn)。
將本發(fā)明的各原料組分按配比混合、拌勻后可以直接向下入表層套管灌入，分隔地下松散易塌地形，制備方法簡單，操作簡便；且按本發(fā)明的幾種成分配比而成的導(dǎo)熱劑根據(jù)熱傳導(dǎo)測試儀得出的導(dǎo)熱劑固態(tài)熱導(dǎo)率達(dá)到42.61w/m℃，是原有封閉地?zé)峋谢◢弾r熱導(dǎo)率的15倍(花崗巖石的熱導(dǎo)率是2.721w/m℃)；本發(fā)明的導(dǎo)熱劑不僅導(dǎo)熱效果顯著，而且具有附著力強(qiáng)、抗裂性好，尤其結(jié)合深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系導(dǎo)熱系統(tǒng)使用效果更加顯著。
本發(fā)明的導(dǎo)熱劑適用的深層地?zé)釤醾鲗?dǎo)根系的建造方法，包括以下步驟：
步驟一、在完井提鉆后的u型井中沿井眼軌跡加入導(dǎo)熱系數(shù)大于100w/(m.k)的且耐腐蝕的鋼管，在地?zé)醿雍弯摴苤g注入密度為1.89g/cm3，api失水小于100ml的水泥漿固井，將鋼管的對接部分焊接密封，形成密封的環(huán)保地?zé)嵯到y(tǒng)。
步驟二、在地面安裝射孔設(shè)備，將射孔設(shè)備的射孔槍攜入地?zé)醿訁^(qū)域的鋼管中，打開射孔設(shè)備上的點(diǎn)火裝置，引爆射孔彈，將深層地?zé)醿訁^(qū)域的鋼管、水泥層和地?zé)醿由浯?，在鋼管、水泥層和地?zé)醿由闲纬删鶆蚍植嫉纳淇卓籽?；操作時，可先在u型井的豎直井段地?zé)醿訁^(qū)域射孔，然后再將射孔槍攜入u型井的水平井段進(jìn)行二次射孔。
由于射孔密度增加，地層破裂壓力減低，且射孔密度要高于孔深對破裂壓力的影響，為了降低施工風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)置射孔間距為0.05～0.2m，射孔相位為60°～80°。
步驟三、采用壓裂工藝分層壓裂地?zé)釁^(qū)域儲層，壓裂液沿射孔孔眼壓入地?zé)醿?，形成沿井筒周圍分布的壓裂裂縫，建造供攜熱流體滲流熱交換的地?zé)釅毫褍?；裂縫的長度為10～100m。
步驟四、將導(dǎo)熱劑灌入壓裂裂縫，導(dǎo)熱劑固化后使深層地?zé)醿有纬梢环N熱傳導(dǎo)根系，然后對井管做鉆洗作業(yè)。
步驟五、在鉆洗后的井管中下入膨脹管封堵射孔，利用膨脹管密封技術(shù)使管道內(nèi)循環(huán)介質(zhì)不滲漏到地層當(dāng)中；膨脹管密封技術(shù)使用的是石油開采領(lǐng)域現(xiàn)有的技術(shù)。
步驟六、打開地面抽吸泵，在鋼管中注入攜熱流體，攜熱流體將通過高溫地層開采其中的地?zé)崮芰?，?shí)現(xiàn)u型井?dāng)y熱流體循環(huán)流動。
該u型井深度約為3000米，深層地?zé)醾鲗?dǎo)根系位于2000～3000米的干熱巖層中，單個u型井供熱面積可達(dá)7～10萬平方米，可將井中的流體加熱至60℃～150℃，壽命可長達(dá)50年，而且其運(yùn)營費(fèi)用遠(yuǎn)低于市政供熱、天然氣、深地源熱泵等供熱系統(tǒng)的運(yùn)營費(fèi)用。因此，適用本發(fā)明的導(dǎo)熱劑的深層地?zé)釤醾鲗?dǎo)根系系統(tǒng)，是一種環(huán)保、高效且低成本的地?zé)醾鲗?dǎo)利用系統(tǒng)。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。