CN111499300B - 一种节能型导热复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种节能型导热复合材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种节能型导热复合材料及其制备方法与应用，所述复合材料包括以下重量份数的原料：水泥336～600份、石墨0～24份、碳化硅0～180份、铁粉0～60份、萘系减水剂0～4.8份、水355～360份。所述方法包含以下步骤：将水泥、碳化硅、铁粉在磁力线方向与重力方向相反的均匀磁场环境中搅拌，得混合物一；向混合物一中加入萘系减水剂，混合均匀得到粉末状混合物；向水中缓缓加入混合物，搅拌至混合均匀；将水泥浆浇筑成型，标准养护箱中养护，得到节能型导热复合材料。所述应用为节能型导热复合材料在增强中深层地热井固井导热性能方面的应用。本发明能够避免金属颗粒与其他物料由于密度不同而出现的分层现象，有利于水泥粉末与导热粒子的混合均匀。

Description

一种节能型导热复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体为一种节能型导热复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
我国地热资源的开发利用有着广泛的应用前景，市场潜力巨大，然而怎样实现地热能的高效和持续利用，成为当前面临的主要问题。地热井作为开发地热资源中最为重要的一项工程步骤，从地面向下几千米来开采，索取热能，传输到地上，进行各种地热利用。而地热井成井有着非常复杂的工艺流程，工程项目一般时间很长，投入资金也很高，但这一阶段的工程关系到地热能开发利用的成败，因而，地热井成井质量的好坏对地热能的开发与高效利用有着至关重要的意义。
地热井的换热器埋入地下，通过循环介质(一般为水)在封闭地下埋管中流动，实现地下岩石与***间的传热。地埋管换热器实现了地热资源的初步提取。固井则是地埋管换热器施工过程中的重要环节，所用到的固井材料是介于地埋管换热器的埋管与钻孔壁之间，用来增强埋管与周围岩土之间的换热，同时防止地下水各蓄水层之间的交叉污染。固井材料的选择以及正常的施工对于保证地埋管换热器的效率有着至关重要的意义，采用导热性能不良的固井材料会显著增加换热过程中的热阻，造成地热井井下换热效率低下，因而选择合适的固井材料对整个地热井取热性能起着重要的作用。
因此，在这种背景下，开发一种具有较高导热系数，又不会影响施工的地热井固井强化换热水泥基复合材料，势在必行。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种提高导热系数和换热效率的节能型导热复合材料，本发明的另一目的是提供一种物料混合均匀的节能型导热复合材料的制备方法，本发明的再一目的是提供一种节能型导热复合材料在中深层地热井固井中的应用。
技术方案：本发明所述的一种节能型导热复合材料，包括以下重量份数的原料：水泥336～600份、石墨0～24份、碳化硅0～180份、铁粉0～60份、萘系减水剂0～4.8份、水355～360份。
优选地，水泥基复合材料包括以下重量份数的原料：普通硅酸盐425#或普通硅酸盐525#或油井水泥336份至600份、石墨0份至24份、碳化硅0份至180份、铁粉0份至60份、萘系减水剂0份至4.8份、水360份。
优选地，水泥基复合材料包括以下重量份数的原料：普通硅酸盐425#水泥570份、石墨0份、碳化硅15份、铁粉15份、萘系减水剂4.8份，水360份。
其中，水泥为普通硅酸盐425#、普通硅酸盐525#和油井水泥中的任意一种。碳化硅平均粒度大于3000目，质量纯度大于98％，水分含量小于等于0.5％。铁粉平均粒度大于1000目，质量纯度大于99％，水分含量小于等于0.5％。碳化硅和铁粉为球形。石墨平均粒度大于3000目，质量纯度大于99％；水分含量小于等于0.5％。萘系减水剂为FDN粉体萘系磺酸钠。
上述节能型导热复合材料的制备方法，包含以下步骤：
步骤一，按化学计量比将水泥、碳化硅、铁粉在磁力线方向与重力方向相反的均匀磁场环境中搅拌至混合均匀，得混合物一；
步骤二，向步骤一混合均匀的混合物一中加入事先准备好的配方量的粉末状萘系减水剂，并再次混合均匀，得到粉末状混合物；
步骤三，向水中缓缓加入步骤二中所得混合均匀的水泥基复合材料的粉末状混合物，经水泥净浆搅拌机搅拌至混合均匀，得到中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料水泥浆；
步骤四，将步骤三中得到的水泥浆浇筑成型，标准养护箱中养护，得到节能型导热复合材料。
上述节能型导热复合材料在增强中深层地热井固井导热性能方面的应用。
针对常规固井水泥导热系数低的问题进行配方，其设计构思如下：
首先通过实验测试普通硅酸盐425#水泥、普通硅酸盐525#水泥以及油井水泥，导热填料和萘系减水剂在不同质量比重或在不同粒径时，水泥浆的密度和流动度的发展规律，并根据实验结果调整各组分质量比例大小，填料的粒径大小，使体系密度和流动度没有影响或影响较小时，得到中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料水泥浆及各组分组成。
然后待水泥浆浇筑成型后，测试分析不同粒径或比例的填料对中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料导热性能的影响，优选出提高导热系数的配方，同时该配方对中深层地热井固井强化换热水泥浆密度和流动性影响较小，从而最终形成中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料配方。
石墨是碳质元素结晶矿物，其化学性质稳定，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀，导热性超过钢、铁、铅等金属材料。本实施例选用导热性能良好的石墨，减小固井材料的传热热阻，提高地热井井下的换热效率。
碳化硅有很高的化学稳定性、高硬度、高热导率、低热胀系数。被广泛应用于电子、信息、精密加工技术、军工、航空航天、高级耐火材料、特种陶瓷材料、高级磨削材料和和增强材料等领域。
铁是国民经济，特别是机械制造工业不可缺少的一类金属原料。作为金属材料，而且有良好的延展性、导电、导热性能。
减水剂是一种在维持水泥浆流动度不变的条件下，能减少拌合用水量的水泥外加剂，大多属于阴离子表面活性剂。加入拌合物后对水泥颗粒有分散作用，能改善其工作性，减少单位用水量，改善拌合物的流动性。本发明所选减水剂为萘系减水剂。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、常规中深层地热井固井材料仅为水泥净浆，未掺杂其他材料，这样获得的净浆材料导热系数低，而本发明的中深层地热井固井复合材料含有金属和无机材料导热粒子，这些导热粒子具有较高的导热系数，可以明显提高复合材料的导热性；
2、常规中深层地热井固井材料制备过程中未添加减水剂，而本发明的中深层地热井固井复合材料在制备过程中添加了减水剂，这样可以减少水的用量，降低多余水分蒸发后形成的空泡数量，减小空气热阻的影响，从而提高复合材料的导热性；
3、本发明的中深层地热井固井复合材料添加的金属铁粉和无机导热粒子碳化硅，具有球形的外形特征，可以起到一定的润滑作用，从而提高复合材料的流动性；
4、与常规的中深层地热井固井材料制备方法不同，本发明的中深层地热井固井复合材料制备方法先将固体物料混合均匀后再依次添加减水剂和水，这样的操作有利于水泥粉末与其他导热粒子的混合均匀，避免了由于物料混合不均引起的导热系数不均匀问题；
5、本发明的中深层地热井固井复合材料制备方法中，固体物料的混合是在一个磁力线方向与重力方向相反的均匀磁场环境中进行的，这样的设计可以避免金属颗粒与其他物料由于密度不同而出现的分层现象，有利于水泥粉末与导热粒子的混合均匀。
具体实施方式
以下各实施例中的原料均为购买使用。碳化硅平均粒度大于3000目，质量纯度大于98％，水分含量小于等于0.5％；铁粉平均粒度大于1000目，质量纯度大于99％，水分含量小于等于0.5％；石墨平均粒度大于3000目，质量纯度大于99％；水分含量小于等于0.5％。碳化硅和铁粉为球形。
实施例1
本实施例的中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成：普通硅酸盐425#水泥570份，石墨0份，碳化硅15份，铁粉15份，萘系减水剂0份，水355份，以上均为质量配比。
该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将所需的普通硅酸盐425#水泥570份、碳化硅15份、铁粉15份在磁力线方向与重力方向相反的均匀磁场环境中搅拌至混合均匀，得混合物一；
步骤二：向360份水中缓缓加入步骤一中混合均匀的水泥基复合材料的粉末状混合物，经水泥净浆搅拌机搅拌至混合均匀，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料水泥浆；
步骤三：将步骤二中得到的水泥浆浇筑成型，标准养护箱中养护至28天，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料。
实施例2
本实施例的中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成：普通硅酸盐425#水泥570份，石墨0份，碳化硅15份，铁粉15份，萘系减水剂4.8份，水360份，以上均为质量配比。
该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将所需的普通硅酸盐425#水泥570份、碳化硅15份、铁粉15份在磁力线方向与重力方向相反的均匀磁场环境中搅拌至混合均匀，得混合物一；
步骤二：向步骤一混合均匀的混合物一中加入事先准备好的4.8份粉末状萘系减水剂，并再次混合均匀；
步骤三：向360份水中缓缓加入步骤二中混合均匀的水泥基复合材料的粉末状混合物，经水泥净浆搅拌机搅拌至混合均匀，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料水泥浆；
步骤四：将步骤三中得到的水泥浆浇筑成型，标准养护箱中养护至28天，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料。
实施例3
本实施例的中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成：普通硅酸盐525#水泥570份，石墨0份，碳化硅15份，铁粉15份，萘系减水剂4.8份，水360份，以上均为质量配比。
该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将所需的普通硅酸盐525#水泥570份、碳化硅15份、铁粉15份在磁力线方向与重力方向相反的均匀磁场环境中搅拌至混合均匀，得混合物一；
步骤二：向步骤一混合均匀的混合物一中加入事先准备好的4.8份粉末状萘系减水剂，并再次混合均匀；
步骤三：向360份水中缓缓加入步骤二中混合均匀的水泥基复合材料的粉末状混合物，经水泥净浆搅拌机搅拌至混合均匀，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料水泥浆；
步骤四：将步骤三中得到的水泥浆浇筑成型，标准养护箱中养护至28天，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料。
实施例4
本实施例的中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成：油井水泥570份，石墨0份，碳化硅15份，铁粉15份，萘系减水剂4.8份，水360份，以上均为质量配比。
该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将所需的油井水泥570份、碳化硅15份、铁粉15份在磁力线方向与重力方向相反的均匀磁场环境中搅拌至混合均匀，得混合物一；
步骤二：向步骤一混合均匀的混合物一中加入事先准备好的4.8份粉末状萘系减水剂，并再次混合均匀；
步骤三：向360份水中缓缓加入步骤二中混合均匀的水泥基复合材料的粉末状混合物，经水泥净浆搅拌机搅拌至混合均匀，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料水泥浆；
步骤四：将步骤三中得到的水泥浆浇筑成型，标准养护箱中养护至28天，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料。
实施例5
本实施例的中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成：普通硅酸盐425#水泥564份，石墨6份，碳化硅15份，铁粉15份，萘系减水剂4.8份，水360份，以上均为质量配比。
该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将所需的普通硅酸盐425#水泥564份、石墨6份、碳化硅15份、铁粉15份在磁力线方向与重力方向相反的均匀磁场环境中搅拌至混合均匀，得混合物一；
步骤二：向步骤一混合均匀的混合物一中加入事先准备好的4.8份粉末状萘系减水剂，并再次混合均匀；
步骤三：向360份水中缓缓加入步骤二中混合均匀的水泥基复合材料的粉末状混合物，经水泥净浆搅拌机搅拌至混合均匀，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料水泥浆；
步骤四：将步骤三中得到的水泥浆浇筑成型，标准养护箱中养护至28天，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料。
实施例6
本实施例的中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成：普通硅酸盐425#水泥558份，石墨12份，碳化硅15份，铁粉15份，萘系减水剂4.8份，水360份，以上均为质量配比。
该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将所需的普通硅酸盐425#水泥558份、石墨12份、碳化硅15份、铁粉15份在磁力线方向与重力方向相反的均匀磁场环境中搅拌至混合均匀，得混合物一；
步骤二：向步骤一混合均匀的混合物一中加入事先准备好的4.8份粉末状萘系减水剂，并再次混合均匀；
步骤三：向360份水中缓缓加入步骤二中混合均匀的水泥基复合材料的粉末状混合物，经水泥净浆搅拌机搅拌至混合均匀，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料水泥浆；
步骤四：将步骤三中得到的水泥浆浇筑成型，标准养护箱中养护至28天，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料。
实施例7
本实施例的中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成：普通硅酸盐425#水泥552份，石墨18份，碳化硅15份，铁粉15份，萘系减水剂4.8份，水360份，以上均为质量配比。
该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将所需的普通硅酸盐425#水泥552份、石墨18份、碳化硅15份、铁粉15份在磁力线方向与重力方向相反的均匀磁场环境中搅拌至混合均匀，得混合物一；
步骤二：向步骤一混合均匀的混合物一中加入事先准备好的4.8份粉末状萘系减水剂，并再次混合均匀；
步骤三：向360份水中缓缓加入步骤二中混合均匀的水泥基复合材料的粉末状混合物，经水泥净浆搅拌机搅拌至混合均匀，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料水泥浆；
步骤四：将步骤三中得到的水泥浆浇筑成型，标准养护箱中养护至28天，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料。
本发明采用在传统水泥基材中添加导热粒子的方式，来配制强化换热型固井材料。所选水泥基材为常用的普通硅酸盐425、525或油井水泥，当针对不同种的水泥会有不同的最优实施例；本发明减水剂为粉末状，故选择与粉状基材混合均匀后再加入水中搅拌，如选择液体减水剂，可与水一起加入。
性能测试
表1中深层地热井固井强化换热型水泥基材料性能检测结果
项目 净浆 实施例5 对比例
流动度(mm) 210 208 190
泥浆比重(t/m<sup>3</sup>) 1.710 1.735 1.652
导热系数(W/(m·K)) 1.038 1.130 0.82
设计对比水泥基材料，包括以下重量份数的物质：普通硅酸盐425#水泥564份，石墨6份，萘系减水剂4.8份，水360份，以上均为质量配比。
将对比例、实施例5的中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料水泥浆的流动度按《GB/T 8077-2000混凝土外加剂匀质性试验方法》的水泥净浆流动度方法进行测试，部分实验结果如表1所示。对比例、实施例5的中深层地热井固井强化换热水泥浆的密度由水泥浆比重计测量出，实验前用水进行校核。实验结果如表1所示。
对比例、实施例5的中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料导热系数由DRE-III多功能快速导热系数测定仪测量，该导热仪采用瞬态平面热源技术(Transient PlaneSource Method，TPS)：根据非稳态传热学理论，若恒定热源存在于固体介质中，在热源作用下，其本身和周围介质温度都将上升，而热源本身温度上升的快慢将取决于周围介质导热系数的大小。因此通过测定热源的温升速率，就可以相应的计算介质的导热系数。测试时，探头被夹在两个相同样品的中间，由于通电后温度的增加，探头的电阻发生变化，从而使探头两端的电压发生变化，通过记录在一段时间内电流和电压的变化，可以得到探头和样品中的热流信息，进而计算介质的导热系数。每组实验共3个试样，测量3个数据，在其误差不超过10％时，取其平均值作为实验值，且每一个试样的尺寸为70mm×70mm×20mm。
由表1可以看出，实施例5的中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料导热系数高，同时对水泥浆密度和流动性影响较小。该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料特别适用于中深层地热井固井用材料。随着地热能资源市场的开拓，本发明的中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料必有着十分广阔的应用前景。

Claims (1)

1.一种节能型导热复合材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一：将所需的普通硅酸盐425#水泥564份、石墨6份、碳化硅15份、铁粉15份在磁力线方向与重力方向相反的均匀磁场环境中搅拌至混合均匀，得混合物一；
步骤二：向步骤一混合均匀的混合物一中加入事先准备好的4.8份粉末状萘系减水剂，并再次混合均匀；
步骤三：向360份水中缓缓加入步骤二中混合均匀的水泥基复合材料的粉末状混合物，经水泥净浆搅拌机搅拌至混合均匀，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料水泥浆；
步骤四：将步骤三中得到的水泥浆浇筑成型，标准养护箱中养护至28天，得该中深层地热井固井强化换热水泥基复合材料；
所述碳化硅平均粒度大于3000目，质量纯度大于98%，水分含量小于等于0.5%；所述铁粉平均粒度大于1000目，质量纯度大于99%，水分含量小于等于0.5%；所述碳化硅和铁粉为球形；所述萘系减水剂为FDN粉体萘系磺酸钠；
所述石墨平均粒度大于3000目，质量纯度大于99%；水分含量小于等于0.5%；
所述节能型导热复合材料的导热系数为1.130 W/(m·K)。
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