一种深层地热传导根系建造用导热剂及其制备方法

摘要

本发明涉及一种深层地热传导根系建造用导热剂，由以下重量百分比的原料制备而成：油井超细水泥15～25％，高岭土3～5％，膨润土1～3％，硫酸钙1～3％，导热硅胶2～5％，碳素纤维8～15％，水30～50％，丁苯橡胶乳液2～5％，石墨10～18％；其制备方法是：室温下，先将油井超细水泥、碳素纤维和石墨充分混合，得到混合物；然后取其余组份依次加入混合物中，不断搅拌，搅拌均匀后得到。本发明的导热剂制备后可直接向下入表层套管灌入，分隔地下松散易塌地形；制备方法简单，操作简便；且按本发明的几种成分配比而成的导热剂不仅导热效果显著，而且具有附着力强、抗裂性好，尤其结合深层地热传导根系导热系统使用导热效果更加显著。

说明书

技术领域

本发明属于地热传导技术领域，具体涉及一种深层地热传导根系建造用导热剂及其制备方法。

背景技术

干热岩(HDR)，也称增强型地热系统(EGS)，或称工程型地热系统，是一般温度大于200℃，埋深数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。

开发干热岩资源国际上普遍采用的是双井压裂渗透回灌法，其原理是：从地表往干热岩中打一眼井(注入井)，封闭井孔后向井中高压注入温度较低的水，产生了非常高的压力；在岩体致密无裂隙的情况下，高压水会使岩体大致垂直最小地应力的方向产生许多裂缝；若岩体中本来就有少量天然节理，这些高压水使之扩充成更大的裂缝；随着低温水的不断注入，裂缝不断增加、扩大，并相互连通，最终形成一个大致呈面状的人工干热岩热储构造；在距注入井合理的位置处钻几口井并贯通人工热储构造，这些井用来回收高温水、汽，称之为生产井；注入的水沿着裂隙运动并与周边的岩石发生热交换，产生了温度高达200～300℃的高温高压水或水汽混合物；从贯通人工热储构造的生产井中提取高温蒸汽，用于地热发电和综合利用；利用之后的温水又通过注入井回灌到干热岩中，从而达到循环利用的目的。

但是普遍采用的这种双井压裂渗透回灌法获取地热能，由于花岗岩的热导率只有2.721w/m℃，地热资源不能更有效的传导给循环水，并且其存在着回灌率低，地下岩层破坏，循环水漏损失，提水能耗高等缺陷。

为了克服此缺陷，并改善地热储层近井地带的裂缝系统导热能量，提高携热流体在地热压裂储层中的渗流能力，增加地热储层中的取热量，申请人申请了申请号为“2017100509513”，名称为“一种深层地热热传导根系的建造方法”，以及申请号为“2017200871321”，名称为“一种U型井深层地热热传导系统”的系列专利，该系列专利中，采用深层地热热传导根系的建造方法构建了一种U型井深层地热热传导系统，具体是结合井下射孔及压裂技术，在压裂裂缝中灌入导热剂，利用膨胀管密封技术使管道内循环介质不渗漏到地层当中，形成只取热不采地下水和不污染地下水的无干扰地热系统；管道外部的导热剂固化后，使地热井及深层地热系统形成一种热传导根系，能够将深层的地热通过热传导根系裂缝内的导热剂传导至套管内的导热流体，再通过导热流体循环将热能传至地面。在此系列专利中，地热开采用到了导热剂，这在地热开采技术领域属于首次。

为了使热传导根系的深层地热传导性能更好，地热资源得到最大程度地开发利用，申请人对地热开采用导热剂进行了深入研究。

现有用于热传导的导热剂有导热油、水或蒸汽，水或蒸汽一般只适合低温热传导使用，高温热传导一般使用导热油作用导热剂。导热油由于其具有加热均匀，调温控制准确，能在低蒸汽压下产生高温，传热效果好，节能，输送和操作方便等特点，近年来被广泛用于各种场合，其用途和用量越来越多。但使用导热油会存在过热时会发生裂解或缩合，在容器、管道中结焦或积碳等缺点，在地热开采中会影响深层地热的热传递效率。

发明内容

为了解决双井压裂渗透回灌法获取地热能方法中存在的花岗岩的热导率低，地热资源不能更有效的传导给循环水，且回灌率低、地下岩层破坏、循环水漏损失，提水能耗高等缺陷，以及现有导热剂在深层地热开采中不能更有效地传导地热能量的问题，本发明提供了一种深层地热传导根系建造用导热剂及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种深层地热传导根系建造用导热剂，由以下重量百分比的原料制备而成：油井超细水泥15～25％，高岭土3～5％，膨润土1～3％，硫酸钙1～3％，导热硅胶2～5％，碳素纤维8～15％，水30～50％，丁苯橡胶乳液2～5％，石墨10～18％。

优选地，本发明的导热剂由以下重量百分比的原料制备而成：油井超细水泥19％，高岭土4％，膨润土2％，硫酸钙2％，导热硅胶3％，碳素纤维13％，水40％，丁苯橡胶乳液3％，石墨14％。

优选地，本发明的导热剂原料还可以包括2～4％的增稠剂。

上述任一种深层地热传导根系建造用导热剂的制备方法为：室温下，先将油井超细水泥、碳素纤维和石墨充分混合，得到混合物；然后取其余组份依次加入混合物中，不断搅拌，搅拌均匀后得到所述导热剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明的导热剂由于添加了碳素纤维，使导热剂的抗压强度达到了60MPA，能够承受周围岩层的挤压；并能提高导热剂的抗裂、抗冲磨以及导热能力；

2.本发明的导热剂采用的石墨为天然鳞片石墨，其热导率高达500w/m℃，大大提高了导热剂的导热效果；

3.本发明的导热剂采用的油井超细水泥使形成的封隔层具有显著的导热效果；

4.本发明的导热剂采用的导热硅胶具有重量轻、耐腐蚀、导热性能好及浸水线性变形率小等特点，可提高导热剂的抗裂性能；

5.本发明的导热剂采用的硫酸钙可用于调节导热剂的凝结时间，使导热剂在尽量短的时间内凝结成固态，防止被地应力的影响而产生的闭合挤压力挤压回地热井；同时也防止还未凝固的导热剂被地下水稀释；

6.本发明的导热剂采用的高岭土、膨润士等组分，用以调节砂浆黏结度，使本发明的导热剂具有附着力强、抗裂性好、导热性能优等显著特点；

7.本发明的导热剂采用的增稠剂用于保水增稠，改善施工性能和导热剂的湿粘性；

8.将本发明的各原料组分按配比混合、拌匀后可以直接向下入表层套管灌入，分隔地下松散易塌地形，制备方法简单，操作简便；且按本发明的几种成分配比而成的导热剂凝固热导率是42.61w/m℃，是原有封闭地热井中花岗岩石热导率的约15倍，大大提高了传热速率，而且具有附着力强、抗裂性好，尤其结合深层地热传导根系导热系统使用导热效果更加显著。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本实施例的深层地热传导根系建造用导热剂，由以下重量百分比的原料制备而成：油井超细水泥19％，高岭土4％，膨润土2％，硫酸钙2％，导热硅胶3％，碳素纤维13％，水40％，丁苯橡胶乳液3％，石墨14％。

其制备方法如下：室温下，先将19％的油井超细水泥、13％的碳素纤维和14％的石墨充分混合，得到混合物；然后取4％的高岭土，2％的膨润土，2％的硫酸钙，3％的导热硅胶，的40％水，3％的丁苯橡胶乳液依次加入混合物中，不断搅拌，搅拌均匀后得到本实施例的深层地热传导根系建造用导热剂。

实施例2：

本实施例的深层地热传导根系建造用导热剂，由以下重量百分比的原料制备而成：油井超细水泥20％，高岭土5％，膨润土3％，硫酸钙3％，导热硅胶5％，碳素纤维15％，水34％，丁苯橡胶乳液5％，石墨10％。

其制备方法如下：室温下，先将20％的油井超细水泥、15％的碳素纤维和10％的石墨充分混合，得到混合物；然后取5％的高岭土，3％的膨润土，3％的硫酸钙，5％的导热硅胶，34％的水，5％的丁苯橡胶乳液依次加入混合物中，不断搅拌，搅拌均匀后得到本实施例的深层地热传导根系建造用导热剂。

实施例3：

一种深层地热传导根系建造用导热剂，由以下重量百分比的原料制备而成：油井超细水泥25％，高岭土3％，膨润土1％，硫酸钙1％，导热硅胶2％，碳素纤维8％，水40％，丁苯橡胶乳液2％，石墨18％。

其制备方法如下：室温下，先将25％的油井超细水泥、8％的碳素纤维和18％的石墨充分混合，得到混合物；然后取3％的高岭土，1％的膨润土，1％的硫酸钙，2％的导热硅胶，40％的水，2％的丁苯橡胶乳液依次加入混合物中，不断搅拌，搅拌均匀后得到本实施例的深层地热传导根系建造用导热剂。

实施例4：

一种深层地热传导根系建造用导热剂，由以下重量百分比的原料制备而成：油井超细水泥15％，高岭土4％，膨润土2％，硫酸钙2％，导热硅胶2％，碳素纤维8％，水50％，丁苯橡胶乳液3％，石墨12％，水泥增稠剂2％。

其制备方法如下：室温下，先将15％的油井超细水泥、8％的碳素纤维和12％的石墨充分混合，得到混合物；然后取4％的高岭土，2％的膨润土，2％的硫酸钙，2％的导热硅胶，50％的水，3％的丁苯橡胶乳液和2％的水泥增稠剂依次加入混合物中，不断搅拌，搅拌均匀后得到本实施例的深层地热传导根系建造用导热剂。

实施例5：

一种深层地热传导根系建造用导热剂，由以下重量百分比的原料制备而成：油井超细水泥22％，高岭土4％，膨润土3％，硫酸钙3％，导热硅胶5％，碳素纤维15％，水30％，丁苯橡胶乳液5％，石墨10％，水泥增稠剂3％。

其制备方法如下：室温下，先将22％的油井超细水泥、15％的碳素纤维和10％的石墨充分混合，得到混合物；然后取4％的高岭土，3％的膨润土，3％的硫酸钙，5％的导热硅胶，30％的水，5％的丁苯橡胶乳液和3％的水泥增稠剂依次加入混合物中，不断搅拌，搅拌均匀后得到本实施例的深层地热传导根系建造用导热剂。

实施例6：

一种深层地热传导根系建造用导热剂，由以下重量百分比的原料制备而成：油井超细水泥25％，高岭土3％，膨润土2％，硫酸钙3％，导热硅胶5％，碳素纤维8％，水33％，丁苯橡胶乳液3％，石墨14％，水泥增稠剂4％。

其制备方法如下：室温下，先将25％的油井超细水泥、8％的碳素纤维和14％的石墨充分混合，得到混合物；然后取3％的高岭土，2％的膨润土，3％的硫酸钙，5％的导热硅胶，33％的水，3％的丁苯橡胶乳液和4％的水泥增稠剂依次加入混合物中，不断搅拌，搅拌均匀后得到本实施例的深层地热传导根系建造用导热剂。

以上实施例中采用的碳素纤维由碳纤维与相关的基体树脂(如环氧树脂)制备而成的复合材料，其多项物理力学性能可以与金属媲美，能承受3000℃以上的高温，耐烧蚀，热膨胀系数小，且具有高比强度、高比模量等特性，因此，用于深层地热开采用导热剂，使导热剂的抗压强度达到了60MPA，能够承受周围岩层的挤压；并能提高导热剂的抗裂、抗冲磨以及导热能力。

油井超细水泥是油井常用的由超细水泥等无机超细微粒组成的高性能灌浆材料，超细水泥的平均粒径小于5μm，最大不超过10μm，它具有良好的渗透性及可灌性，能够渗入到常规水泥达不到的区域，具有比有机化学灌浆液更高的强度及耐久性，不存在老化现象，因而可适用于各种土质环境的地基加固处理、砂土层的固化处理、各种复杂的基础加固处理、各种复杂的结构灌浆处理，如隧道、地铁、大坝、高速公路、桥墩、油井、大型设备基础等；本发明的导热剂采用的油井超细水泥使形成的封隔层具有显著的导热效果。

由于对地热岩层进行压裂后，产生的根状裂隙，会因为地应力的影响而产生闭合挤压导热剂，如果不能在尽量短的时间凝结成固态，会造成导热剂被挤压回地热井；另外还没凝固的导热剂容易被地下水稀释，因此，本发明的导热剂加入了硫酸钙，用于调节导热剂的凝结时间，使导热剂在尽量短的时间内凝结成固态。

在高温高压的深层地下，温度的波动造成的热胀冷缩容易使固化的导热剂开裂，地应力的高压环境也容易对导热剂产生影响，导热剂裂开后，形成的裂痕会影响热量的传导，影响热导率。因此，本发明的导热剂中加入了导热硅胶，导热硅胶具有重量轻、耐腐蚀、导热性能好及浸水线性变形率小等特点，可提高导热剂的抗裂性能。

本发明的导热剂采用的石墨为天然鳞片石墨，其热导率高达500w/m℃，大大提高了导热剂的导热效果。

本发明的导热剂采用的高岭土、膨润士等组分，用以调节砂浆黏结度，使本发明的导热剂具有附着力强、抗裂性好、导热性能优等显著特点；采用的水泥增稠剂是一种水泥砂浆塑化剂，一般由生石膏、乙氧基化烷基硫化钠、十二烷基磺酸钠、减水剂等成分组成，在水泥配比不变的情况下可节水10-20％，节约水泥15-20％，提高工效5％以上，无毒、无辐射、无污染、无公害。本发明的导热剂中的水泥增稠剂还具有保水增稠，改善施工性能和导热剂湿粘性等特点。

将本发明的各原料组分按配比混合、拌匀后可以直接向下入表层套管灌入，分隔地下松散易塌地形，制备方法简单，操作简便；且按本发明的几种成分配比而成的导热剂根据热传导测试仪得出的导热剂固态热导率达到42.61w/m℃，是原有封闭地热井中花岗岩热导率的15倍(花岗岩石的热导率是2.721w/m℃)；本发明的导热剂不仅导热效果显著，而且具有附着力强、抗裂性好，尤其结合深层地热传导根系导热系统使用效果更加显著。

本发明的导热剂适用的深层地热热传导根系的建造方法，包括以下步骤：

步骤一、在完井提钻后的U型井中沿井眼轨迹加入导热系数大于100W/(m.k)的且耐腐蚀的钢管，在地热储层和钢管之间注入密度为1.89g/cm³，API失水小于100ml的水泥浆固井，将钢管的对接部分焊接密封，形成密封的环保地热系统。

步骤二、在地面安装射孔设备，将射孔设备的射孔枪携入地热储层区域的钢管中，打开射孔设备上的点火装置，引爆射孔弹，将深层地热储层区域的钢管、水泥层和地热储层射穿，在钢管、水泥层和地热储层上形成均匀分布的射孔孔眼；操作时，可先在U型井的竖直井段地热储层区域射孔，然后再将射孔枪携入U型井的水平井段进行二次射孔。

由于射孔密度增加，地层破裂压力减低，且射孔密度要高于孔深对破裂压力的影响，为了降低施工风险，设置射孔间距为0.05～0.2m，射孔相位为60°～80°。

步骤三、采用压裂工艺分层压裂地热区域储层，压裂液沿射孔孔眼压入地热储层，形成沿井筒周围分布的压裂裂缝，建造供携热流体渗流热交换的地热压裂储层；裂缝的长度为10～100m。

步骤四、将导热剂灌入压裂裂缝，导热剂固化后使深层地热储层形成一种热传导根系，然后对井管做钻洗作业。

步骤五、在钻洗后的井管中下入膨胀管封堵射孔，利用膨胀管密封技术使管道内循环介质不渗漏到地层当中；膨胀管密封技术使用的是石油开采领域现有的技术。

步骤六、打开地面抽吸泵，在钢管中注入携热流体，携热流体将通过高温地层开采其中的地热能量，实现U型井携热流体循环流动。

该U型井深度约为3000米，深层地热传导根系位于2000～3000米的干热岩层中，单个U型井供热面积可达7～10万平方米，可将井中的流体加热至60℃～150℃，寿命可长达50年，而且其运营费用远低于市政供热、天然气、深地源热泵等供热系统的运营费用。因此，适用本发明的导热剂的深层地热热传导根系系统，是一种环保、高效且低成本的地热传导利用系统。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。