在節能減排和石油資源日益緊張的壓力下，世界上各個國家開發地熱資源的力度不斷加大。地熱能的利用主要是將中、高溫地熱資源用于地熱發電。含熱水的地熱儲層常出現在有高溫熱流和具有斷裂、可滲透巖石構造的區域。為獲取高溫熱水資源，通常要鉆穿斷裂地帶，然后儲層內的高溫熱水以蒸汽的形式噴出或者流出，這些蒸汽或流體被用來驅動渦輪機來產生電能；殘留的熱水經冷卻后重新回灌至地下以補充熱儲。我國的高溫地熱資源的開發利用程度相對較低，除了受到資源、政策等諸多因素的限制外，地熱井的鉆完井技術也是制約我國地熱資源開發的重要因素之一.

 

  地熱井固井面臨的首要問題是井內溫度較高，通常可達 150℃~300℃，高溫首先對會硅酸鹽水泥的水化產物有直接的影響，不良的水化反應產物會降低水泥石的強度性能。另外，高溫也會縮短水泥漿的凝固時間，因此在注水泥前，需要向井內注入大量冷水并循環，降低井內溫度，并加入緩凝劑，以延長水泥漿的凝固時間。另一個問題是地熱田中的地層通常為典型的裂隙構造，地層破裂壓力低，儲層具有很高的滲透性，易引起漏失狀況的發生，在固井作業時，水泥漿的漏失是一項非常嚴重的問題，水泥漏失到地層中會造成固井成本的大量增加并導致水泥漿低返和污染含水層等問題。例如在美國內華達州藍山地區的地熱井固井案例中，該區的熱儲層巖性都是松散的沉積巖，井內存在多個薄弱地層和漏失層，地層難以承受常規的密度（1.9g/cm3）和普通低密度（1.4~1.7g/cm3）的水泥液柱壓力。另外在某些特殊的地層，可能會使用欠平衡鉆井技術，配套固井時，要求使用超低密度水泥漿進行封固，有些地層甚至要求水泥漿密度低至 1.0g/cm3。

 

  在注水泥作業時，為使解決上述出現的狀況和問題，使用具有抗高溫能力的超低密度水泥是更好的方法。地熱井目前已經試驗過了一些降低水泥密度的方法，包括添加膨潤土、硅藻土、粉煤灰以及珍珠巖，然而在高溫條件下，這些常用的減輕劑會對水泥漿整體的強度和滲透能力產生不利的影響，水泥漿也難以達到超低密度水泥密度變化范圍的要求。

 

  在地熱井固井案例中，設計超低密度水泥漿最常使用的減輕材料是具有很高抗壓強度空心微珠（High strength microspheres，HSM）。微珠不僅質量輕，密度可調節范圍更大，而且它具有優良抗高溫和抗高壓能力，更適宜作為高溫地熱井超低密度水泥的減輕材料。因此根據高溫地熱井及特殊狀況下的固井需求，決定開發出一套適用于高溫地熱井的微珠超低密度水泥體系，密度在 1.0~1.4 g/cm3之間。

 

  20 世紀 70 年代，國外開始系統地進行地熱水泥的研究，美國布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory，BNL）開發出多種應用于地熱井的水泥體系，包括以 API 油井水泥為基礎材料的地熱水泥，低密度地熱水泥和新型地熱水泥[8-11]

 

  。國內目前缺乏地熱井超低密度水泥的系統性研究，一般主要研究用于復雜油氣井的耐高溫水泥和低密度水泥。因此可借鑒國內外的地熱井和復雜油氣井固井水泥的研究理論和現場應用情況，開展高溫地熱井微珠超低密度水泥的研究。這對我國的地熱井固井水泥的開發和研究具有重大意義，并可為相關的固井施工提供理論依據。

 

  研究內容本文根據高溫地熱井和特殊地層對水泥漿密度提出的要求，設計開發出密度在1.0~1.4g/cm3的高溫地熱井超低密度水泥體系，并對體系整體性能進行了評價，具體研究內容如下：

 

  （1）設計超低密度水泥的基本組分，采用 API“G”級油井水泥加硅粉，并使用抗高溫緩凝劑，使該水泥體系具有良好的抗溫能力。

 

  （2）調研普通低密度水泥和超低密度水泥的研究應用狀況，展開對減輕劑的分析評價，選擇適合該體系的減輕材料——空心玻璃微珠 T46。

 

  （3）向體系中加入超細材料——微硅，提高漿體的穩定性與水泥石的早期強度。利用 Andreasen 顆粒連續分布模型，計算出三級級顆粒向一級顆粒有效填充的質量比，設計比例關系的同時考慮起始物料的鈣硅比（CaO/SiO2）。通過試驗測定微珠和微硅的需水量，確定體系的基本配方。

 

  （4）對微珠超低密度水泥漿體系的綜合性能進行評價。根據國內外對地熱水泥和超低密度水泥性能要求，初步提出了各項性能指標，主要的室內評價實驗如下：

 

  1）游離液實驗，游離液含量小于 1%32）沉降穩定性實驗，水泥石最大密度差小于 0.05 g/cm3；3）失水量實驗，API 失水量小于 100mL；4）稠化性能評價，稠化時間可調，達到 3~4h；5）抗壓強度試驗，水泥石 24h 早期抗壓強度大于 6.9MPa：

 

  6）使用 X 射線衍射儀（XRD）和掃描電鏡（SEM）對超低密度水泥體系的水泥石進行物相分析和微觀形貌觀察，研究體系的水化產物組成和微觀結構。