石墨烯基材料定向分布增强地热井固井材料导热性能研究

西京学院《石墨烯基材料定向分布增强地热井固井材料导热性能研究》课题以中深层地热井固井材料的发展趋势及多功能需求为导向，融合多学科交叉理论，采用理论分析、实验测试与数学建模相结合的方法，从宏观与微观角度对定向氧化石墨烯增强复合固井材料导热性能与机理进行研究。项目研究既传承传统、顺应学科发展趋势，又能协同不同学科创新解决中深层地热高效开采之瓶颈，对于拓展功能型水泥基复合材料研究领域及促进产业升级具有重要的科学意义和应用价值。

该课题小组成员主要由薛梦雅、张格、吴楚天和赵子昂组成，均来自于土木工程学院。课题小组在前期进行了深入调研，搜集并阅读了大量关于中深层地热能开发井固材料资料和文献，分析国内外的最新研究动态。中深层地埋管换热技术是基于井内套管式结构，利用环空低温水与周围热岩体换热，实现地热能的新型开采方式，其中固井材料是其高效开采的重要环节。由于受井深及井下环境温度及压力大幅度变化影响，环空水泥浆凝固硬化后易产生裂缝与孔隙等结构缺陷，致使其物理性能劣化；同时，对中深层地热井而言，常规油井水泥较岩体热储层导热性能最大相差约 1 个数量级，硬化固井水泥环成为传热的不良导体，其热阻效应一定程度上降低了地热能开采效率。因此，地热井固井材料具有多功能化性能需求，高导热、高强度及高韧性的复合固井材料正成为地热领域的研究热点，同时也是中深层地热能高效开发亟待解决的关键问题。

在指导老师指导下根据项目研究内容确定研究计划和方案，进行试验设计。从宏观上分析地热井的传热过程，研究地热传递过程的多场耦合关系，建立地热井热流固耦合的非稳态传热模型；研究地层热物性、地温梯度、井深及固井材料导热性能等因素对单井取热量的影响规律，定性及定量分析评价固井材料的热阻效应；研究氧化石墨烯磁化取向技术及其制备工艺，基于 FTIR等测试手段对定向氧化石墨烯微观结构进行表征，揭示其氧化程度及面间距、官能团、形貌及粒径分布特征；从微观上研究不同导热性能固井材料水化产物组成与形状、集料与凝胶体间过渡层、孔隙等微观结构形成与演化规律，探索微观结构的多尺度特征与导热性能的关联关系，建立定向氧化石墨烯复合固井材料导热性能评价模型。

该课题主要研究内容及解决的关键问题如下：（1）地热传递多场耦合及固井材料热阻效应分析；（2）定向氧化石墨烯的制备及结构表征;（3）定向氧化石墨烯复合固井材料导热性能的多因素作用机制。本项目的具体实施步骤如下图1所示:

图1 项目实施步骤

本项目研究着眼于复合固井材料纳米化改性及其机理，属于多学科交叉的创新性应用基础研究。从学科发展层面，对于丰富和发展功能型复合材料领域具有重要的学术意义，从技术进步层面，“定向氧化石墨烯增强复合固井材料的导热性能 ”对于提高中深层地热能的开采效率具有显著的工程应用价值。