高导热水泥入井后稠化形成的水泥石。

    ■ 产品介绍

    导热水泥基材料主要用于地热井固井作业，利用高效热传导粒子填充，在水泥石中形成导热通道，在井筒内可直接与地层接触，提升水泥石导热系数。与常规水泥石相比，导热水泥基材料具有导热系数高、热传导快的优点，能有效传递地层热量、提高井筒内流体换热效率，是实现“取热不取水”绿色环保开发的重要技术之一。

    ■ 研发应用 

    地球是个天然的“大火炉”，越往地心走，温度越高。随着公众环保意识的增强，地热能作为一种稳定可靠、绿色低碳的可再生能源，正逐渐成为全球能源转型的重要方向，深层地热资源高效开发也是中国石化新能源战略的重要领域。

    “地热能的好处很多，但开发也面临许多难题。”工程院钻井研究中心经理陶谦介绍，现有成熟地热取暖技术的抽水回灌需要大量的水资源，易对环境造成影响。为解决这个难题，新星公司在西咸新区部署了U形地热连通井，联合工程院成立项目组，积极探索“取热不取水”绿色开发模式，利用井下流体热交换提取地层热量。

    “U形对接井换热是一种闭式循环取热技术，但与地层直接接触的水泥环导热系数偏低，难以高效传导地层热量，直接影响了U形连通井取热效率。”项目专家王磊说。为提高井下换热效率，工程院从增强水泥石导热系数的角度入手，遴选出能与水泥颗粒具有良好界面相容性的导热材料，通过多次试验总结出高导热材料对水泥石导热性能及抗压性能的影响规律，并初步得到了以片层状HC-C为关键材料的二组分和三组分高导热配方。

    “HC-C的表面疏水材料特性，会导致水泥浆增黏、分散性降低及稠化时间缩短等问题。”项目负责人熊梓洲说。为此，项目组通过分析配套分散剂和降失水剂，最终构建了能满足现场应用需求的高导热水泥浆体系，实现了稠化时间在3.5～7小时可控，且水泥石导热性能在90摄氏度较常规水泥石提升了40%以上。

    随后，在研发过程中，项目组又发现了高导热水泥浆存在导热材料分散性不足、极限加量低等问题，制约了井下换热效率的进一步提高，且水泥浆流变性能仍有待提升。经过反复讨论，项目组提出通过对关键材料表面亲水改性提高分散程度的思路。

    然而，片层状材料HC-C的优异导热性结构一旦破坏，势必会影响材料导热性能。经过大量调研与探索，项目组利用温和的氧化条件，通过氧化改性剂结构、浓度及pH值的精细控制，在保留材料导热性能的前提下，改善了材料表面水润湿性和水泥界面相容性，同时配套研发了与非极性材料官能团适配度更高的复合分散剂，实现了高导热材料在水泥浆中极限加量的提升，在90摄氏度地层条件下，水泥石导热性是常规水泥石的1.6倍以上。

    “在中天未来玥U形地热连通井的技术试验中，水平段1000米采用了导热水泥固井，成功实现了连通井封固。数据表明，在流量60立方米/小时工况下，入口温度10摄氏度，出井最高温度48.7摄氏度，稳定温度22.7摄氏度，平均换热量952千瓦，效果良好。”工程院项目专家肖京南介绍。

    ■ 效果评价

    中石化绿源地热能开发有限公司陕西分公司副总经理 邹彦荣：我们在西咸新区开展的地热开发井下高效换热技术试验，是中国石化落实“双碳”行动、破解城市清洁供热难题的重要探索。导热水泥基材料在中天未来玥U形地热连通井的成功应用，有力地保障了今后对地热资源的低影响开发和高效率利用，为进一步探索“取热不取水”地热高效技术、大力开发利用地热能增添了新利器。