石墨如何影响地热井的导电性?司钻新利18体育全站登录

近年来，随着越来越多的钻井公司完全或部分放弃使用砂，石墨在导热注浆中的应用出现了爆炸式增长。这种更大的兴趣部分是由于经济，部分是由于劳动力减少或工人安全问题。在这篇文章中，我将讨论在地热热循环注浆中使用石墨和沙子之间的好处和一些潜在的权衡。

概述:石墨和碳

对于那些可能不熟悉石墨或它在地源热泵中的用途的人，这里是一个快速入门。我们最常在标准铅笔中发现石墨。“铅”实际上是石墨和粘土混合在一起使其变硬。铅笔的记号是由我们按在纸上时铺在纸上的薄石墨层组成的。乍一看似乎很奇怪，这种材料可以用来增加灌浆的热导率。然而，结晶碳既能导热又能导电，其中石墨是最柔软的一种，而且很经济。

石墨是晶体碳的一种形式，其中单个原子呈片状排列，而不是像金刚石那样以三维晶格排列，也不是像富勒烯那样以空心管或球体排列。这些薄片看起来像蜂巢，有6个独立的原子排列成环，在x-y轴上连接在一起。每个石墨碳原子与其他三个碳原子相连。纯石墨层与层之间没有键合。这些层很容易滑过另一层。相比之下，煤是碳的一种形式，其中的碳原子没有排列成任何固定的模式。这种排列的缺乏通常被称为无定形。煤还含有大量的非碳杂质，如硫、氮和氢，而石墨、钻石和富勒烯的纯度要高得多。

石墨可以开采，也可以利用极热合成。就地热循环的目的而言，这两种来源都能很好地传导能量，但并不是所有的都是经济上合理的。合成石墨的纯度可以接近99.9%，甚至一些热解或蒸汽沉积形式更高。这种纯度是昂贵的，对我们的目的不一定有利。即使是纯度为80%的石墨，其导热性能也远好于任何硅砂。

所有的石墨在x-y平面(或在其最宽面上)都具有极高的热能导电性。在这个方向上，天然开采的石墨通常能够达到120 - 200 Btu/hr。-ft°F，但只有1.75 Btu/hr左右。-ft°F在z轴上，或横跨薄片的厚度。

现在，重要的是要记住，我们可能在大多数土壤中遇到的最大热导率约为1.4 Btu./hr.-ft°F。(2.41 W/m°K)，这远远低于大多数石墨的值。即使是纯净的岩石石英，其热导率也只有4.87 Btu/hr。-ft°F，而硅砂的数值则在2.2 ~ 3.5 Btu/hr之间。由于沙子和石墨之间的差异如此之大，我们明白了为什么实际需要的石墨如此之少。

我们如何在地源加热中使用石墨

石墨被添加到膨润土基的标准灌浆中，其方法与我们目前使用的沙子大致相同，但用量要低得多。仅此而已。在每袋灌浆中可能添加400磅沙子的情况下，我们只需要不到25磅的石墨。在膨润土被允许水化后，石墨通常被添加到浆液混合物中。

石墨比沙子有什么好处?

因此，人们经常会问，当沙子几十年来一直运转良好时，为什么要改用石墨呢?以下是五个原因:

首先，沙子很重，每批使用400磅的沙子需要大量的工人举升，而且有可能造成伤害。石墨很轻，而且使用量少。一袋典型的注浆石墨重量不到25磅。
硅砂具有磨蚀性。其莫氏硬度为7.0，比软钢和不锈钢更硬。淬火钢的硬度在7到8之间，但有些陶瓷的硬度要高得多。石墨的莫氏硬度只有1.0，是一种极好的润滑剂。
添加少量更昂贵的石墨实际上比添加大量廉价的沙子更划算。如果你在好的沙子很难获得的地方灌浆，这是特别正确的。运费可能相当可观。
由于石墨浆的流体密度比砂粒低得多，因此泵送石墨浆通常更容易。
最后，一串孔实际所需的石墨袋比沙子少，因此在工地上占用的空间更少。

潜在的热导率

通过向膨润土浆液中添加石墨，可以产生比钻井人员在现场可能遇到的任何土壤或岩石都要高的导热系数值。将400磅的沙子和24磅的石墨混合，就会得到比大多数便携式导热设备所能测量的更高的数值。本文所示为一个带有一些典型热数据的图表。石墨的装载量随着你向右移动而增加，从没有到每批30磅。请注意，这种特殊的石墨类型在性能上只是中等，其他类型的每剂量可以提供或多或少的效益。

导热系数:石墨vs沙子

选择石墨作为地热材料

那么，在地热应用中什么是好的石墨呢?虽然更高的碳纯度当然可以提供更高的导热系数，但最终更重要的是薄片的大小和形状。一般来说，我们希望更宽，更平坦的薄片，只要他们不消极地影响泵送和灌浆的位置。

为了理解这一点，我们需要知道我们的散装浆液(膨润土、水泥、沙子和水)的导热系数远低于石墨的导热系数。当热在石墨薄片的长度上有效地传播时，薄片之间的浆液相对而言就像一个电阻，限制了热的移动速率。如果我们能增加石墨片接触石墨片的地方，那么我们就能在一定距离内显著增加灌浆的热导率。这可以通过两种方式实现:第一，增加石墨片的数量，第二，增加石墨片的尺寸。

大多数用于地热应用的石墨薄片的直径在1 - 5毫米(或更大)之间。一般来说，平均薄片尺寸越大，满足特定热导率值所需的石墨就越少。然而，这可能是一种权衡，因为真正大的薄片会引起一些泵送和混合问题。这些巨大的石墨片可以像小风帆一样，不断地与其他石墨片纠缠在一起，凝结在一起。另一方面，更小的薄片不仅产生更低的导热率，而且需要更多的水来湿润它们的表面。细石墨的使用会导致浆液粘度的急剧增加。简单地稀释浆液以降低粘度可能会获得更好的产量，但它会增加渗透性，降低导热系数，降低凝结强度，并减少添加的固体(如沙子)的悬浮。

水对含石墨浆液的影响

一个很大的杠杆

因为石墨的热导势非常高，而且我们每批使用的量很少，任何剂量的变化都会对测得的TC值产生巨大的影响。每批只修改一加仑的水含量，就能使TC值改变大约15%。对于那些对石墨的依赖更少的混合物来说，差别甚至会更大。

石墨砂的优点

一磅一磅的石墨成本比沙子高，但它提供的热效益往往与井下价格持平。在某些情况下，石墨本身实际上是最经济的选择。然而，通常情况下，最划算的选择实际上是混合沙子和石墨。当加砂时，石墨的用量可以减少一半或更好。例如，为了达到1.2 Btu/hr。-ft°F的热导率值，一个常见的配方要求添加一袋石墨到一袋膨润土基灌浆。也可以达到同样的1.2 Btu/hr。-ft°F规格使用半袋石墨和100磅沙子。根据沙子的交付成本(以及优质类型的可用性)，这种混合方法通常比单独使用沙子更划算(每立方英尺)，大约是单独使用一整袋石墨成本的四分之三。

选择石墨而不是沙子有什么问题吗?

使用石墨有几个重要的考虑因素。首先，石墨的选择是细小的或含有粉状部分。这些细颗粒物会在空气中产生黑色的灰尘。灰尘很乱，午夜的黑色和足够轻的东西，包括设备和工人的衣服。极细的石墨颗粒不仅会产生过多的粉尘，还会产生较低的导热率，增加浆液的粘度。这种情况可以通过使用精心挑选的商用石墨来避免，这些石墨用于地热钻探，其粒径范围尽量减少细粒。

尘埃云是一个重要的问题，因为石墨尘具有潜在的可燃性，也有电弧危险。应注意只在室外或通风良好的地方使用石墨。减少在石墨混合附近使用火花和火焰发生器也是非常重要的。正确使用防尘面罩可以减少吸入任何石墨粉尘。

最后，有些情况下，添加大量固体是一个主要的好处。当注浆在渗流带或其他土壤有干燥倾向的区域时，用砂粒增加注浆的固体含量可以大大减少收缩和开裂。如果需要更高的热导率值，砂和石墨的组合也可以有效地使用。