EGS地热井矿渣/粉煤灰可自降解水泥的实验研究

【摘要】：增强型地热系统(Enhance Geothermal System-EGS)主要是流体通过地层深部的干热岩采热进行发电,温度一般在150~300℃,甚至更高。一方面,EGS钻井过程中会遇到裂缝,引起钻井液漏失,需要进行堵漏,如果漏失层是热储,要求堵漏作业不能降低储层的渗透性阻碍流体的流动;另一方面,EGS开发的关键技术之一是压裂,而多层压裂可大大降低EGS开发成本,多层压裂也需要暂堵技术完成:即利用暂堵材料封堵第一层裂缝,然后进行第二条裂缝的压裂作业,甚至第三条裂缝。当所有裂缝压裂作业完成后,需要解堵使流体能够通过裂缝流动。矿渣是一种富含玻璃体的颗粒,在磨细情况下具有很好的活性,高钙粉煤灰也具有火山灰性和水硬性,在碱激发时能够形成很高的强度,而且随养护温度升高,试样抗压强度逐渐增加。碱激发矿渣粉煤灰在常温条件下生成产物主要为托勃莫来石、水化硅酸钙(C-S-H)等;高温蒸汽条件下还能够生成更硬的沸石类产物。羧甲基纤维素钠(CMC)在高于200℃时分解产生大量CO2和乙酸蒸汽,能够增大和破坏水泥的孔隙结构,当遇水时其剩余分解产物与未反应的或部分反应的硅酸钠反应放热促进碱激发水泥的产生裂缝。本文针对EGS钻井和压裂的特点,利用碱激发矿渣/粉煤灰水泥抗高温耐腐蚀的特性以及聚合物在高温下降解特性,开展可自降解水泥的实验研究。实验研究分析了硅酸钠加量、矿渣粉煤灰配合比对碱激发水泥凝结时间以及抗压强度的影响规律:随着硅酸钠和粉煤灰加量的增多能够延缓凝结时间,随着硅酸钠加量的增多强度逐渐增大和矿渣/粉煤灰配合比的减小强度逐渐降低。优选出基浆配方,矿渣粉煤灰比为80/20,硅酸钠加量为6%:凝结时间在90℃环境下能够达到90min,在200℃下养护5h的抗压强度达到30Mpa,而且200~300℃养护时,强度随温度的升高逐渐增大。实验研究了低粘CMC加量对矿渣/粉煤灰碱激发水泥的凝结时间、抗压强度及可自降解特性的影响。随着CMC加量增加,凝结时间显著延长,强度逐渐降低降解效果变好,但是加量不宜超过1.5%。综合性能评价表明矿渣粉煤灰可降解水泥的初凝时间、抗压强度、沉降稳定性、失水量、游离液和耐酸腐蚀性能良好。 【关键词】：增强型地热系统(EGS) 自降解 羧甲基纤维素钠
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU528
【目录】：

• 中文摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 前言10-22
• 1.1 研究目的和意义10-13
• 1.2 国内外研究现状13-19
• 1.2.1 暂堵材料研究现状13-15
• 1.2.2 碱激发水泥的研究现状15-16
• 1.2.3 地热水泥的研究现状16-18
• 1.2.4 APIG级油井水泥强度衰退机理18-19
• 1.3 存在的问题19
• 1.4 研究内容和技术路线19-20
• 1.4.1 研究内容19
• 1.4.2 技术路线19-20
• 1.5 主要完成工作量和取得成果20-22
• 第2章 矿渣/粉煤灰可自降解水泥的组成及反应机理22-36
• 2.1 矿渣的形成、作用和性能22-26
• 2.1.1 矿渣的形成和作用23-24
• 2.1.2 矿渣的性能24-26
• 2.1.3 矿渣的相关标准规范26
• 2.2 碱-激发矿渣的水化机理及产物26-29
• 2.3 粉煤灰的形成、分类和性能29-33
• 2.3.1 粉煤灰的形成与分类29-30
• 2.3.2 粉煤灰物理化学性质和作用30-31
• 2.3.3 粉煤灰的相关标准规范31-33
• 2.4 碱-激发粉煤灰的水化机理及产物33-34
• 2.5 降解机理分析34-35
• 2.6 本章小结35-36
• 第3章 矿渣/粉煤灰可自降解水泥实验36-57
• 3.1 实验材料36-40
• 3.1.1 矿渣36-37
• 3.1.2 粉煤灰37-38
• 3.1.3 硅酸钠38
• 3.1.4 羧甲基纤维素钠（CMC）38-39
• 3.1.5 水泥39-40
• 3.2 实验仪器40
• 3.3 实验方法40
• 3.4 实验设计及数据测试40-51
• 3.4.1 CMC热重分析40-42
• 3.4.2 矿渣/粉煤灰需水量测试42-44
• 3.4.3 凝结时间测试44-45
• 3.4.4 抗压强度测试45-48
• 3.4.5 CMC加量对降解效果的影响48-51
• 3.5 确定配方51-54
• 3.6 流变性评价54-56
• 3.7 本章小结56-57
• 第4章 矿渣/粉煤灰可自降解水泥综合性能评价57-63
• 4.1 凝结时间评价57-58
• 4.2 失水量评价58-59
• 4.3 游离液评价59
• 4.4 沉降稳定性评价59-60
• 4.5 耐酸性评价60-61
• 4.6 XRD实验分析61-62
• 4.7 本章小结62-63
• 第5章 结论与建议63-64
• 5.1 结论63
• 5.2 建议63-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-69

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