Pasaulinis perėjimas prie tvarių, mažai anglies dioksido išskiriančių{0} energijos sistemų paskatino precedento neturinčias investicijas į giluminės geoterminės energijos infrastruktūrą. Skirtingai nuo tradicinių seklių geoterminių įrenginių, šiuolaikiniai giluminiai geoterminiai projektai yra nukreipti į aukštos-entalpijos rezervuarus, esančius giliose, karštose kristalinėse uolienose arba vulkaninėse dariniuose. Šie gręžiniai turi veikti ekstremaliomis sąlygomis, kai statinė dugno temperatūra dažnai viršija 250 laipsnių (482 laipsnių F) ir siekia iki 350 laipsnių (662 laipsnių F) superkritinėse geoterminėse sistemose. Nors mechaninio ir šiluminio gręžimo technologijos, reikalingos tokiam gyliui pasiekti, sparčiai vystėsi, ilgalaikio-gręžinio vientisumo užtikrinimas tebėra pagrindinis inžinerinis iššūkis. Konkrečiai, cementinis apvalkalas, įdėtas į korpuso žiedą, turi veikti kaip patikimas barjeras trisdešimt–penkiasdešimt metų, užkertant kelią skysčių migracijai, apsaugant apvalkalą nuo korozinių geoterminių sūrymų ir išlaikant struktūrinę atramą ekstremaliomis sąlygomis.
Istoriškai geoterminio cementavimo praktika buvo labai pasiskolinta iš standartinių naftos telkinių protokolų, apibrėžtų Amerikos naftos instituto (API). Tačiau standartinės naftos gręžinių cementavimo konstrukcijos iš esmės netinka intensyviai, cikliškai šiluminei aplinkai, kuri yra geoterminės energijos gamyboje. Geoterminės gamybos ir įpurškimo ciklų metu gręžinys patiria didžiulius temperatūros svyravimus. Dėl šio terminio ciklo plieninis korpusas plečiasi ir susitraukia, sukeldamas didelį mechaninį įtempimą aplinkiniam cemento apvalkalui. Jei cementas yra trapus, šios ciklinės apkrovos sukelia tempimo įtrūkimus, šlyties trūkumą ir cemento korpuso sąsajos atsipalaidavimą. Kad būtų išvengta katastrofiškų konstrukcinių gedimų žaliosios energijos gręžiniuose, inžinieriai turi pritaikyti tradicinius naftos telkinių cementavimo protokolus. Šioje išsamioje techninėje analizėje nagrinėjama aukštos temperatūros cemento skilimo fizinė chemija, įvertinamos geoterminių įrenginių bandymų sistemos ir pateikiama laboratorinė metodika, naudojanti pažangiaskietėjimo kamerosirHPHT konsistometraiprojektuoti elastingus geoterminius cementinius barjerus.
Aukštos{0}}temperatūros cemento degradacijos ir stiprumo sumažėjimo fizika
Norėdami sukurti cementinį apvalkalą, galintį išgyventi geoterminio gręžinio eksploatavimo laiką, inžinieriai turi suprasti fizinius ir cheminius pokyčius, vykstančius Portlando cemento matricose, kai jos veikiamos aukštesnėje nei 110 laipsnių (230 laipsnių F) temperatūroje. Be tinkamo cheminio modifikavimo, veikiant aukštai-temperatūrai, prasideda negrįžtamas skilimo procesas, vadinamas stiprumo retrogresija.
Aplinkos ir vidutinėje temperatūroje hidratuojant portlandcementį susidaro kalcio silikato hidrato (C-S-H) gelis, kuris yra pagrindinis cemento gniuždymo stiprio ir mažo pralaidumo šaltinis. Tačiau kai temperatūra viršija 110 laipsnių, šiame amorfiniame C-S-H gelyje vyksta mineraloginis perėjimas. Didelė šiluminė energija skatina C-S-H perkristalizaciją į labai kristalinę dikalcio silikato hidrato fazę, ypač į alfa-dikalcio silikato hidratą. Jo susidarymas labai kenkia gręžinio barjero vientisumui. Šio kristalinio mineralo tankis yra daug didesnis nei originalaus C-S-H gelio, todėl kieta matrica labai susitraukia. Šis susitraukimas padidina vidinį cemento poringumą, todėl stipris gniuždant sumažėja iki 60%, o pralaidumas padidėja keliais dydžiais. Ši labai porėta, susilpnėjusi matrica negali atsispirti slėgiui geoterminiame rezervuare, todėl koroziniai skysčiai gali apeiti barjerą ir atakuoti plieninį korpusą.
Siekiant išvengti stiprumo retrogresijos, cemento chemija turi būti sureguliuota taip, kad pasikeistų kalcio -ir -silicio dioksido (C/S) santykis hidratacijos produktuose. Naudojant standartinį naftos gręžinio cementavimą, tai pasiekiama pridedant didelės koncentracijos kristalinio silicio dioksido (paprastai nuo 35 % iki 40 % masės cemento arba BWOC) kvarcinio smėlio arba silicio dioksido miltų pavidalu. Šis papildymas perkelia C/S santykį nuo standartinės maždaug 1,7 vertės žemyn iki tikslinio diapazono nuo 0,8 iki 1,0. Aukštoje temperatūroje ši silicio dioksido{9}}turtinga aplinka skatina alternatyvių kristalinių fazių susidarymą, pvz., Tobermorito iki 150 laipsnių temperatūroje ir ksonotlito iki 300 laipsnių temperatūroje. Šie mineralai suteikia didelį mechaninį stiprumą ir išlaiko itin mažą pralaidumą, išsaugo cemento barjerines savybes. Tačiau geoterminiuose gręžiniuose, kuriuose vyrauja ekstremalus terminis ciklas, net ksonotlito{14}}matricos gali sugesti dėl didelių šiluminių įtempių, todėl norint išvengti trapių įtrūkimų, reikia integruoti pažangius lanksčius polimerus ir armuojančius pluoštus.
Bandymų sistemos palyginimas: standartinis naftos telkinys ir geoterminis terminis dviratis
Norint įvertinti geoterminių gręžinių cemento eksploatacines savybes, reikalingi bandymų protokolai, kurie imituotų tiek pradinį gręžinio įdėjimą, tiek ekstremalius šiluminius įtempius, patiriamus gamybos ir įpurškimo ciklų metu.
Toliau pateiktoje palyginamojoje vertinimo lentelėje standartiniai API naftos telkinių bandymų protokolai kontrastuojami su specializuotais vertinimo standartais, reikalingais aukštos temperatūros geoterminiam cementavimui:
| Testavimo parametras | Standartinis API naftos telkinių bandymų protokolas | Pritaikytas geoterminių barjerų protokolas |
|---|---|---|
| Kietėjimo aplinkos modeliavimas | Izoterminis ir izobarinis kietėjimas statinėje dugno skylės temperatūroje, kol stabilizuosis gniuždymo stipris. | Dinaminis šiluminio ciklo kietėjimas, veikiantis bandiniams greitus temperatūros svyravimus nuo 50 laipsnių iki daugiau nei 250 laipsnių. |
| Kietėjimo įrangos standartas | Standartiniai statiniai autoklavai arba vieno{0}}pakopio kietinimo įrenginiai. | Keli{0}}ciklaikietėjimo kamerosgalintis automatizuoti šiluminį pakilimą esant pastoviam slėgiui. |
| Dinaminis srutų įvertinimas | Sutirštėjimo laikas, matuojamas esant vienai linijinei šildymo rampai iki statinės apatinės skylės temperatūros. | Klampumo ir storinimo profiliai įvertinti naudojant sudėtingus daugiapakopius terminius profiliusHPHT konsistometrai. |
| Mechaninių savybių metrika | Pagrindinis dėmesys skiriamas dideliam gniuždymo stipriui (ardomieji gniuždymo bandymai). | Išsamus elastingumo (Youngo modulio), atsparumo tempimui ir Puasono santykio įvertinimas. |
| Atsparumas rūgštims ir dujoms | Pagrindinis cheminio atsparumo įvertinimas, pagrįstas regiono šulinių istorija. | Ilgalaikio poveikio bandymas prisotintoje $ \\text{CO}_2 $ ir $ \\text{H}_2\\text{S} $ rūgštinėje geoterminio skysčio aplinkoje. |
Pagrindinis skirtumas pritaikant bandymų protokolus geoterminėms reikmėms yra būtinybė įvertinti mechanines savybes esant cikliniam šiluminiam įtempimui. Įprastame naftos ar dujų gręžinyje temperatūra išlieka gana stabili po įdėjimo, o tai reiškia, kad norint numatyti ilgalaikį veikimą, pakanka atlikti izoterminio kietėjimo bandymus. Tačiau geoterminis gręžinys patiria dramatiškus temperatūros pokyčius. Pavyzdžiui, įpurškiant šaltą-vandenį, korpusas greitai atvėsta ir susitraukia nuo cemento apvalkalo. Atnaujinus gamybą, korpusas įkaista ir plečiasi, suspaudžiant cementą. Šis ciklas kartojamas šimtus kartų per visą šulinio eksploatavimo laiką. Norint įvertinti šiuos įtempius, laboratorijos turi naudoti automatizuotąkietėjimo kamerossu tiksliais temperatūros ir slėgio valdikliais. Šie instrumentai turi būti suprogramuoti taip, kad taikytų greitus terminius ciklus, kad mokslininkai galėtų išmatuoti mikro-įtrūkimus, jungčių degradaciją ir laidumo pokyčius laikui bėgant.
Esminiai laboratoriniai instrumentai geoterminio cemento patvirtinimui
Norint sukurti elastingas geotermines cemento suspensijas, atitinkančias tarptautinius saugos standartus, bandymų įrenginiuose turi būti integruota pažangi įranga, galinti atkurti giluminio gręžinio sąlygas. Pradinė maišymo fazė yra labai svarbi, nes bet koks oro įstrigimas arba netolygi priedų pasiskirstymas iškraipys tolesnius rezultatus. Technikai naudoja didelį-našumąpastovaus greičio maišytuvaiužtikrinti, kad cementas, kvarcinis smėlis ir terminiai stabilizatoriai būtų kruopščiai sumaišyti į vienalytę srutą, sukuriant vienodą hidratacijos bazę.
Sumaišius reikia įvertinti srutų pumpuojamumą ir sutirštėjimo profilį. Šis etapas valdomas naudojant automatizuotąHPHT konsistometras. Kadangi geoterminiuose šuliniuose yra ilgų atvirų{1}}skylių su įvairiais temperatūros gradientais, konsistometras turi turėti galimybę pritaikyti sudėtingus, kelių{2} pakopų temperatūros profilius. Šiuolaikinės testavimo sistemos turi centralizuotąPLC išmanusis valdymassistema, leidžianti operatoriams programuoti konkrečius rampos{0}}ir{1}}laikymo profilius. Tai užtikrina, kad suspensijos Bearden konsistencija (Bc) išliks pumpuojamoje ribose per visą imituojamą įdėjimo kelią, taip užkertant kelią priešlaikiniam apvalkalo stūmimo procesui.
Patvirtinus konsistenciją, srutos turi būti sukietintos tokiomis sąlygomis, kurios imituoja gręžinio aplinką. Tai pasiekiama naudojant specializuotuskietėjimo kamerosgalintis išlaikyti ekstremalų slėgį (iki 30 000 psi) ir temperatūrą (iki 400 laipsnių F). Šie aukšto slėgio -autoklavai yra būtini, kad vandens fazė srutoje neužvirtų, o tai užtikrina normalią hidrataciją ir kristalų susidarymą. Be to, naudojant intuityvumąjutiklinio ekrano HMIleidžia technikai programuoti automatinius šiluminio ciklo profilius tiesiai į sistemą, supaprastinant geoterminių formulių vertinimą tikroviškomis eksploatavimo sąlygomis.
Geoterminių srutų bandymo ir patvirtinimo techninis projektas
Naudokite šį išsamų laboratorinio patvirtinimo kontrolinį sąrašą, kad sistemingai įvertintumėte geoterminio cemento kompozicijas, išvengtumėte stiprumo sumažėjimo ir užtikrintumėte ilgalaikį{0}}gręžinio barjero vientisumą.
✔ 1 veiksmas: paruoškite ir sumaišykite aukštos temperatūros{1}}srutų mišinius
• Paruoškite visas srutų kompozicijas naudodami sertifikuotąpastovaus greičio maišytuvaskad būtų užtikrintas vienodas maišymas.
• Įpilkite mažiausiai 35–40 % silicio dioksido smėlio arba silicio dioksido miltų (BWOC), kad pakeistumėte kalcio -ir -silicio dioksido santykį ir išvengtumėte stiprumo sumažėjimo.
• Integruokite specialius latekso arba elastomerų priedus, kad pagerintumėte cemento lankstumą ir padėtų jam atsispirti cikliniams šiluminiams įtempiams.
✔ 2 veiksmas: patvirtinkite siurbimo ir dinaminio tankinimo profilius
• Paruoštą pavyzdį perkelkite į didelį{0}}našumąHPHT konsistometrasįrengtas automatinis greičio reguliatorius.
• Užprogramuokite konsometro šildymo profilį taip, kad jis atitiktų gręžinio temperatūros gradientą, užtikrinant, kad srutos išliktų skystos per visą įdėjimo laiką.
• Patvirtinkite, kad perėjimas iš skystos būsenos į 100 Bc vyksta greitai, o tai rodo ryškų, nuspėjamą nustatymo profilį.
✔ 3 veiksmas: vykdykite terminio važiavimo dviračiu ir kietėjimo programas
• Supilkite suspensiją į standartizuotas kietėjimo formas ir padėkite jas į aukšto{0}}slėgiokietėjimo kameros.
• Suprogramuokite sistemą, kad ji veiktų sparčių šiluminių ciklų seriją, svyruojant temperatūrai tarp gamybos ir įpurškimo objektų esant pastoviam slėgiui.
• Viso kietėjimo ciklo metu palaikykite pastovų slėgį, kad vanduo neužvirtų ir užtikrintumėte tinkamą hidratacijos fazės vystymąsi.
✔ 4 veiksmas: įvertinkite po{1}}kietėjimo mechanines savybes ir pralaidumą
• Iš autoklavo išimkite sukietėjusius mėginius ir patikrinkite, ar juose nėra mikro-įtrūkimų, struktūrinių lūžių ar atsirišimo.
• Naudokite mechaninius testerius cemento Youngo moduliui, gniuždymo stipriui ir tempimui išmatuoti.
• Atlikite dujų ir vandens pralaidumo bandymus, kad įsitikintumėte, jog cemento matrica išlieka nepralaidi po terminio ciklo.
Išvada
Norint sukurti patikimas šulinių kliūtis aukštos{0}}temperatūriniams geoterminiams gręžiniams, reikia gerai suprasti fizinius ir cheminius cemento matricos pokyčius. Atsisakius standartinių izoterminių naftos telkinių bandymų ir pritaikius dinaminius, šiluminio ciklo vertinimus, inžinieriai gali sukurti cemento srutas, kurios gali atlaikyti didelius geoterminės energijos gamybos įtempius. Naudojant pažangiusHPHT konsistometraiir automatizuotaskietėjimo kamerosleidžia laboratorijų komandoms labai tiksliai imituoti gręžinių aplinką. Šis sistemingas, su API-suderinamas bandymų metodas suteikia operatoriams tikslių duomenų, reikalingų lanksčiam, karščiui-atspariam cemento formų optimizavimui, užtikrinant ilgalaikę-zoninę izoliaciją ir remiant žaliosios geoterminės energijos infrastruktūros plėtrą.
