摘要
针对地热开采过程中孔壁发生垮塌、漏失，而常规水泥基材料在高温条件下各方面性能恶化，满足不了护壁堵漏技术要求。采用理论分析和试验，系统地开展常规水泥材料的比较研究，筛选出多种材料及试剂进行正交试验，获得了优化配方。通过试验，以初始流动度、可泵期、凝结时间和抗压强度4个性能指标比较了普通硅酸盐水泥和G级油井水泥的抗高温性能，评选出适于研究的高温下性能相对稳定的水泥；针对高温下水泥性能衰退的问题，筛选了几种含硅材料与试剂，通过正交试验优化了配方，优化配方为：25%GS+0.6%SiO2 +0.3%JSS+1.5%SN+0.03%SC+0.3%纳米材料。性能评价结果表明，该配方流动度等性能满足一定施工要求，在高温下具有较好的抗压强度。
随着我国“十四五”规划的提出，推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，推动经济社会发展绿色转型，是未来几年能源方面的主要发展方向。地热能具有储量大、分布广、污染小、稳定性好、利用系数高等优
水泥基材料以其综合性能的优异是当前主要的护壁堵漏材料之
基于此，选择了常用的普通硅酸盐水泥和G级油井水泥研究其高温凝固特性，同时对部分含硅材料进行了初步的筛选。研究对高温条件下水泥水化过程的分析及抗高温水泥基材料的复合改性有一定的借鉴意义与参考价值。
高温对于水泥浆最显著的影响就是流动度的变化，由于未添加抗高温的降失水剂，水分的蒸发使得浆液的流动度在短时间内快速下降，失去可泵性。在实际工程中则表现为未到达堵漏位置便无法泵送。
在浆液配制完成测试其初始流动度后，将其放入滚子加热炉中滚动加热，模拟泵送的过程。每隔一段时间测试其流动度，最终的试验结果如
(a) 普通硅酸盐水泥流动度测试结果
(b) 油井水泥测试结果
图4 流动度与可泵期测试结果
从试验结果可以看出，随着水灰比的增加，2种水泥浆液的流动度与常温下的可泵期都有所增加。原因显而易见，水灰比的增加使得浆液体系内固相物质占比减小，从而提高了浆液的流动度，延长了浆液的可泵送时间。对比2种水泥的实验结果来看，油井水泥在初始流动度与可泵期上都要略优于普通硅酸盐水泥。二者的差异主要是由于成分的有所不同。G级油井水泥是专用于油井固井的水泥，相比于普通硅酸盐水泥，石膏的含量有所增加。而石膏具有一定的缓凝作用，延长了水泥的水化进程，从而延长了浆液的可泵期。同时，2种水泥在高温下的表现较差，浆液的可泵期急剧缩短，不及常温下的一半。在实际应用过程中就表现为未到达堵漏地层便失去可泵性，堵塞管道。分析认为，高温导致可泵期缩短的原因表现在两方面：一方面，高温条件下水分的蒸发导致浆液的水灰比减小，使得流动性降低；另一方面，高温条件下增加了浆液中各粒子的碰撞机率，缩短了水泥的凝结时间，此结论与凝结时间试验结果相对应。
将配制好的水泥浆放置在高温条件下进行养护，测得的试验结果如
图5 2种水泥高温条件下凝结时间对比
从试验结果可以看出，高温下油井水泥的凝结时间要长于普通硅酸盐水泥，这也与常温下的凝结情况相似。随着水灰比的增加，2种水泥的初、终凝时间都有所提高，但与常温下2种水泥凝结时间相比（0.55水灰比，普通硅酸盐水泥初凝时间为470 min左右，油井水泥为570 min左右），高温下的凝结时间显著减少，这对于护壁堵漏是不利的。凝结时间过短，使得浆液在裂隙中扩散不充分，未大量填充于孔隙便凝固，影响堵漏效果；同时，在泵送距离较远的情况下，浆液甚至会在管道内滞留、凝固，最终堵塞管道，影响施工的顺利进行。
由结果可见，高温对于水泥浆液凝固时间的影响很大。高温下，水分的大量蒸发，间接减小了水灰比，使得水泥熟料与水之间的接触减少；同时，高温条件下也促进了水泥熟料与水之间的水化反应，进而导致浆液总体的水化过程不均匀、不充分，也就使得凝结时间显著减少，结石体的强度也不理想。
将普通硅酸盐水泥及G级油井水泥在常温和100℃下养护3 d，抗压强度试验结果如
图6 抗压强度测试结果
由试验结果可以看出，随着水灰比的增大，不论是常温下还是高温下，结石体的强度都有所下降；且在高温下，普通硅酸盐水泥受温度影响较大，抗压强度下降幅度较大，而油井水泥相对比较稳定。在高温下，结石体的强度都受到了较大的影响。原因主要有两点：一是高温条件下水分的散失，导致水泥中熟料的水化反应受到影响，水化过程的不完全、不充分使得水化产物较为分散，彼此间联结不足，同时，高温也破坏了水化产物分子稳定性及其间形成的稳定结构；二是高温下水分的沸腾、蒸发给结石体带来的负面效应。水分的蒸发使得结石体内部孔隙增多，孔隙间的相互连接形成内部的微裂缝，这些微裂缝就是水泥石的力学薄弱点，大大降低了结石体的力学性能，在外力的作用下结石体结构会发生破坏。
相关研究表明，部分含硅材料加入水泥中形成的复合水泥基材料能够提高其抗高温性
正交试验结果如
(a) 流动度
(b) 可泵期
(c) 初凝时间
(d) 初凝时间
图7 极差分析
分析
结合实际施工要求、前文研究及正交试验分析结果，纳米复合水泥基固井材料优化方案如
对正交试验结果得出的优化配方进行流动度、凝结时间等性能测试，结果如
图8 优化配方性能测试结果
综合优化配方各性能指标来看，其能够满足一定的施工需求，对于实际工程的护壁堵漏与相关研究有一定的参考价值与借鉴意义。
（1）通过对普通硅酸盐水泥与G级油井水泥在高温条件下的各项性能指标的试验研究，发现2种水泥在高温下的性质都有所恶化，具体表现为：可泵期与凝结时间显著缩短，影响了浆液的可泵送性及护壁堵漏效果；高温条件下强度的衰退直接导致浆液的护壁堵漏效果大打折扣。
（2）针对高温条件下水泥强度衰退的问题，筛选材料进行了正交试验，得出了适应高温条件下护壁堵漏水泥基材料的优化配方，优化配方为：25%GS+0.6%SiO2 +0.3%JSS+1.5%SN+0.03%SC+0.3%纳米材料。试验结果表明，该配方流动性（25.2 cm）、可泵期（70 min）、凝结时间适中（初、终凝间隔20 min），抗压强度（25.94 MPa）较高，有效解决了高温下水泥强度衰退的问题，对于实际工程与类似研究有一定参考价值。
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