基于正交試驗(yàn)的地?zé)峁叹牧闲阅茉u(píng)價(jià)

嵇 鷹,劉 旸,薛宇澤,張廷會(huì),祝永超,韓元紅

(1.西安建筑科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710055;2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西,西安 710021;3.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710021)

1 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步,對(duì)能源需求日益劇增,能源危機(jī)是現(xiàn)階段制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的兩大突出問(wèn)題,改變能源結(jié)構(gòu)、開發(fā)利用綠色能源成為一種趨勢(shì)[1]。地?zé)崮茏鳛橐环N清潔、可持續(xù)循環(huán)利用的綠色能源,近些年來(lái)在利用規(guī)模上,我國(guó)一直位居世界首位,《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》提出,到2020年,中國(guó)地?zé)崮苣昀昧空酆?000萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤[2]。但傳統(tǒng)地?zé)崮茉撮_發(fā)過(guò)程中存在地?zé)峤粨Q效率低、利用效果差、浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題,因此,高效開發(fā)及利用地?zé)崮茉闯蔀橐粋€(gè)新問(wèn)題[3-4]。

水泥基材料本身導(dǎo)熱系數(shù)較低,約為0.83 W/(m·K),已有的研究多集中在如何提高其保溫性能[5-8]。以油井水泥為主的地?zé)峁叹牧?國(guó)內(nèi)外對(duì)其力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)及外加劑開展了較為深入的研究[9-14],逐漸形成了較為成熟的固井材料體系[15],但對(duì)其熱學(xué)性能的研究較少。Song等[3]研究表明石墨、鐵粉和銅粉都能有效提高固井材料導(dǎo)熱系數(shù),隨著石墨摻量的增加,導(dǎo)熱系數(shù)先增大后減小,隨著鐵粉、銅粉摻量的增加,導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大。張浩等[16]研究表明石墨、鐵粉和石英砂都能提高導(dǎo)熱系數(shù),石墨提升作用最為顯著,鐵粉次之,石英砂最小;摻加7.5%石墨、3%鐵粉、2%石英砂,其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1.87 W/(m·K),比空白樣提升70%。袁金艷[17]研究表明石墨、炭黑、氧化鐵黑都能提高導(dǎo)熱系數(shù),在0%～10%摻量下,炭黑最佳、石墨次之、氧化鐵黑最小,在10%～25%摻量下,石墨最佳,炭黑次之、氧化鐵黑最小。Xing等[18]研究表明骨料對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)有影響,其中含硅質(zhì)骨料的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)最高,含鈣硅質(zhì)骨料混凝土次之,含鈣質(zhì)骨料混凝土最低。

本研究以G 級(jí)高抗硫酸鹽(HSR)型油井水泥為基體,分別選取石墨、氧化鋁粉和鋼渣粉作為導(dǎo)熱外摻料,運(yùn)用層次分析法(AHP)和極差分析法對(duì)地?zé)峁叹牧系膶?dǎo)熱性能、力學(xué)性能等影響因素進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)高導(dǎo)熱地?zé)峁叹牧夏苡行岣邿峤粨Q效率、增加地?zé)峋娜崃?對(duì)地?zé)崮茉撮_發(fā)利用具有重要意義。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

HSR 型油井水泥由寧夏青銅峽水泥有限責(zé)任公司提供,其化學(xué)組成見表1,物理性能見表2。

表1 G 級(jí)油井水泥組成表Table 1 Composition table of grade G oil well cement

表2 G 級(jí)油井水泥物理性能表Table 2 Physical properties of grade G oil well cement

導(dǎo)熱外摻料分別為外購(gòu)的石墨、氧化鋁粉和鋼渣粉,其中鋼渣由陜西龍門鋼廠提供,實(shí)驗(yàn)使用時(shí)鋼渣需經(jīng)粉磨、磁選后制成鋼渣粉。石墨、氧化鋁粉和鋼渣粉的主要性能見表3。

表3 導(dǎo)熱材料物理性能Table 3 Physical properties of thermal conductive materials

采用的外加劑包括減水劑、緩凝劑、降失水劑等。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案及試樣制備

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方案 選取石墨粉、氧化鋁粉及鋼渣粉為導(dǎo)熱外摻料的三個(gè)因素,分別編號(hào)為A、B、C,每個(gè)因素再選取三個(gè)水平設(shè)計(jì)成三因素三水平的正交試驗(yàn),各因素與水平取值見表4。對(duì)九組試驗(yàn)及空白樣材料進(jìn)行基本性能檢測(cè),包括38及60℃養(yǎng)護(hù)溫度下8 h抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和流動(dòng)度。對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析得出最佳配比進(jìn)行油井水泥其他指標(biāo)檢測(cè),包括稠化時(shí)間和游離液。

表4 正交試驗(yàn)因素水平表Table 4 Orthogonal test factor level table

2.2.2 試樣制備及檢測(cè)方法 參考GB 10238-2015《油井水泥》標(biāo)準(zhǔn),將稱取好的(792.0±0.5)g油井水泥、導(dǎo)熱材料和外加劑在水泥凈漿攪拌機(jī)中低速干混15 min,之后再使用OWC-9040A 型恒速攪拌器,先將稱取好的(349.0±0.5)g拌合水倒入漿杯中以4 000 r/min的低速攪,之后將干混好的水泥導(dǎo)熱材料在15 s內(nèi)緩慢倒入漿杯中,再以12 000 r/min高速攪拌35 s,水泥漿液制備完成。

力學(xué)性能檢測(cè):將制備好的漿液倒入尺寸為50 mm×50 mm×50 mm 的銅試模中,將試模分別放入38℃、60℃的恒溫水浴養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)8 h后,脫模取出、擦去試塊表面的脫模劑。使用YAW-300型微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試樣抗壓強(qiáng)度測(cè)試;加壓速率為1.2 k N/s,對(duì)四組數(shù)據(jù)求平均值,得到抗壓強(qiáng)度值。

導(dǎo)熱系數(shù)檢測(cè):將制備好的水泥凈漿倒入尺寸為50 mm×50 mm×10mm 的模具中,室溫養(yǎng)護(hù)24 h,脫模后轉(zhuǎn)移至20℃、95%濕度的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)到28 d齡期,制成用于測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)的試塊。使用TC3100型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀,采用瞬態(tài)平面熱線法測(cè)定試樣的導(dǎo)熱系數(shù);導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定范圍為0.001～20 W/(m·K),準(zhǔn)確度為±3%。

游離液及稠化時(shí)間檢測(cè):分別使用OWC-2250B型常壓稠化儀和OWC-9040F型增壓稠化儀對(duì)配制好的水泥凈漿進(jìn)行游離液和稠化時(shí)間檢測(cè)。

3 結(jié)果與分析

3.1 基本性能測(cè)試結(jié)果

正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5,運(yùn)用極差分析得出三種導(dǎo)熱材料對(duì)抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和流動(dòng)度的影響趨勢(shì),通過(guò)AHP法確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,得出高導(dǎo)熱固井材料最優(yōu)摻量。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果表Table 5 Orthogonal test results table

由表5可知,38℃和60℃8 h抗壓強(qiáng)度影響因素大小均為A＞B＞C。38℃8 h抗壓強(qiáng)度隨石墨摻量和鋼渣摻量的增加而下降,隨氧化鋁摻量的增加而上升。60℃8 h抗壓強(qiáng)度隨石墨摻量的增加而下降,隨氧化鋁摻量增加先上升后下降,隨著鋼渣摻量增加而上升。導(dǎo)熱系數(shù)、流動(dòng)性影響因素大小分別為A＞C＞B,導(dǎo)熱系數(shù)隨石墨和鋼渣摻量增加而上升,隨氧化鋁摻量的增加先下降后上升。流動(dòng)度隨著導(dǎo)熱外摻料摻量的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響趨勢(shì)分別見圖1、圖2。各因素對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)和流動(dòng)度的影響趨勢(shì)分別見圖3、圖4。

圖1 各因素水平對(duì)38℃8 h抗壓強(qiáng)度影響趨勢(shì)圖Fig.1 Trend diagram of influence of each factor level on compressive strength at 38℃8 h

圖2 各因素水平對(duì)60℃8 h抗壓強(qiáng)度影響趨勢(shì)圖Fig.2 Trend diagram of influence of each factor level on compressive strength at 60℃8 h

圖3 各因素水平對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響趨勢(shì)圖Fig.3 Trend diagram of influence of each factor level on thermal conductivity

圖4 各因素水平對(duì)流動(dòng)度影響趨勢(shì)圖Fig.4 Trend diagram of the influence of each factor level on liquidity

對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度,石墨都屬于顯著因素,氧化鋁和鋼渣則屬于一般因素。由于石墨為片狀六方晶系,每個(gè)碳原子與相鄰三個(gè)碳原子以sp2雜化方式形成共價(jià)鍵,而同平面的孤對(duì)電子形成離域大π鍵,使得石墨以孤對(duì)電子在平面內(nèi)自由移動(dòng)傳遞熱量為主,以晶格振動(dòng)傳遞熱量為輔,故石墨有較高的導(dǎo)熱系數(shù),約為129 W/(m·K),是氧化鋁的2～3倍,是鋼渣的十幾倍。隨著石墨摻量的增加,原本被水泥顆粒分散的石墨能夠有效接觸,形成熱流通道來(lái)傳輸熱量,這對(duì)固井材料導(dǎo)熱系數(shù)提升作用明顯。石墨片層狀結(jié)構(gòu)中層間范德華力較為薄弱,在受到外力作用下,容易發(fā)生斷裂并產(chǎn)生滑移,抗壓強(qiáng)度降低。同時(shí)石墨有較強(qiáng)的吸水性,會(huì)吸附拌合水,從而使參與水泥水化的拌合水減少,使得水泥凈漿體系稠度增加,流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度降低。氧化鋁和鋼渣顆粒能夠填充孔隙,使水泥漿體變得密實(shí)。在受到外力時(shí),可以防止空隙微裂紋擴(kuò)展,從而提高抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)。

3.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

AHP法是運(yùn)籌學(xué)家薩蒂提出的定性與定量相結(jié)合的層次權(quán)重決策分析方法,該方法可以合理地給出每一層次的相對(duì)權(quán)重,進(jìn)而得到各層次的優(yōu)劣次序?；舅悸肥前逊治龅膯?wèn)題層次化,將總目標(biāo)分解為多項(xiàng)指標(biāo),每項(xiàng)指標(biāo)包含多個(gè)影響因素,每個(gè)因素下有不同的水平,利用AHP 分析得出各因素各水平對(duì)不同指標(biāo)和總目標(biāo)的影響權(quán)重。

由于各指標(biāo)都有單位量綱,為了消除量綱及方便測(cè)評(píng),需對(duì)表5數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[19],即:數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值=(實(shí)測(cè)值/最大值)×100。按照AHP 法指標(biāo)權(quán)重的確定方法,將導(dǎo)熱系數(shù)、38℃8 h抗壓強(qiáng)度、60℃8 h抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度4項(xiàng)性能指標(biāo)作為4個(gè)層次,并依據(jù)4個(gè)指標(biāo)重要性確定各指標(biāo)的優(yōu)先順序依次為:導(dǎo)熱系數(shù)＞60℃8 h抗壓強(qiáng)度＞38℃8 h抗壓強(qiáng)度=流動(dòng)度。因此,導(dǎo)熱系數(shù)與流動(dòng)度、38℃8 h抗壓強(qiáng)度、60℃8 h抗壓強(qiáng)度對(duì)比后分別賦值9、8、7;60℃8 h抗壓強(qiáng)度與38℃8 h抗壓強(qiáng)度、流動(dòng)度對(duì)比后分別賦值2、2;38℃8 h抗壓強(qiáng)度與流動(dòng)度對(duì)比后賦值1。

使用Yaahp12.2軟件,計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)、60℃8 h抗壓強(qiáng)度、38℃8 h抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度的AHP權(quán)重ω分別為0.7198、0.1318、0.0755和0.0730;一致性比例因子CR=0.0123＜0.10,即指標(biāo)成對(duì)比較判斷優(yōu)先矩陣具有一致性,權(quán)重系數(shù)有效。

綜合評(píng)分計(jì)算公式:綜合評(píng)分=(導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值×0.7198+60℃抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值×0.1318+38℃抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值×0.0755+流動(dòng)度標(biāo)準(zhǔn)值×0.0730)×100。各試驗(yàn)組標(biāo)準(zhǔn)值及綜合評(píng)分結(jié)果見表6,綜合評(píng)分極差見表7。

表6 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值及綜合評(píng)分表Table 6 Index standard values and comprehensive score table

表7 綜合評(píng)分極差表Table 7 Comprehensive score range table

通過(guò)綜合評(píng)分表的分析可知,均值越大對(duì)固井材料綜合性能貢獻(xiàn)越大,故最佳外摻料因素水平為A3B1C3,即石墨摻量為7%、氧化鋁摻量為1%、鋼渣粉摻量為3%。

3.3 微觀分析

由圖5可知,隨著相對(duì)壓力的逐漸增加,空白試樣和最佳試樣的氮?dú)馕搅慷及l(fā)生了變化。在相同條件下,空白試樣的氮?dú)馕搅扛哂谧罴雅浔仍嚇?13組。氮?dú)馕搅吭缴?材料孔隙率越低,試樣越密實(shí)。

圖5 材料氮?dú)馕摳降葴貓DFig.5 Isothermal diagrams of nitrogen adsorption and desorption of materials

由圖6可知,最佳配比試樣在小于50 nm 無(wú)害孔的孔體積遠(yuǎn)小于空白試樣,而隨著孔體積的增大,二者的孔隙相差不大。說(shuō)明外摻料的加入能減小無(wú)害孔,從而提高材料的致密性。

圖6 累計(jì)孔體積曲線圖Fig.6 Cumulative pore volume graph

如圖7所示,空白試樣水泥漿體整體呈現(xiàn)出不規(guī)則、不密實(shí)、不均勻現(xiàn)象,試樣表面呈麻面狀、凹凸不平,還有明顯的孔洞。微裂縫以及孔洞中的空氣會(huì)成為熱阻,阻礙熱量傳遞。同時(shí)受到外力時(shí),微裂紋和孔洞發(fā)生斷裂使材料強(qiáng)度降低。

圖7 空白樣SEM 圖像Fig.7 SEM image of blank sample

如圖8所示,最佳配比試樣水泥漿體整體較規(guī)則、密實(shí),相比于空白樣孔洞、裂縫明顯較少,試樣表面平整、沒有麻面狀結(jié)構(gòu)。較為平整的試樣表面能有效傳遞熱量,減少在孔洞、裂縫處的熱量損失。

圖8 最佳配比固井試樣SEM 圖像Fig.8 SEM image of cementing materials with the best ratio

3.4 稠化時(shí)間及游離液檢測(cè)

按照最佳配比A3B1C3配制水泥凈漿,參考GB 10238-2015《油井水泥》對(duì)水泥漿液進(jìn)行稠化時(shí)間及游離液檢測(cè)。

稠化時(shí)間初始溫度為27.6℃,初始?jí)毫?.1 MPa,升壓、升溫時(shí)間均為35 min。最終循環(huán)溫度為65℃、循環(huán)壓力為35 MPa。初始稠度為11.4 Bc＜30 Bc符合國(guó)標(biāo)要求,稠化時(shí)間為95 min,稠化時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況調(diào)節(jié)。水泥凈漿稠化時(shí)間曲線如圖9所示。

圖9 固井材料稠化時(shí)間曲線圖Fig.9 Thickening time curve of cementing material

將制備好的水泥凈漿裝入常壓稠化漿杯中,在65℃水浴中攪拌20 min,立即將攪拌好的水泥漿裝入干凈錐形燒瓶中,加上薄膜防止水分蒸發(fā),在無(wú)振動(dòng)的臺(tái)面上室溫靜置2 h后,將上層清液倒入量筒中測(cè)得為質(zhì)量為17.76 g,計(jì)算得出游離液為4.51%＜5.9%,符合GB 10238-2015《油井水泥》要求。

4 結(jié) 論

1.由正交試驗(yàn)可知,在地?zé)峁叹牧系目箟簭?qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、流動(dòng)度指標(biāo)中,石墨都屬于顯著因素,氧化鋁和鋼渣粉屬于一般因素。隨著石墨摻量的增加,導(dǎo)熱系數(shù)升高、抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)性能降低。隨著氧化鋁摻量的增加,導(dǎo)熱系數(shù)先降低后升高,38℃8 h抗壓強(qiáng)度升高,60℃8 h抗壓強(qiáng)度先升高后降低,流動(dòng)性能降低。隨著鋼渣粉摻量的增加,導(dǎo)熱系數(shù)、60℃8 h抗壓強(qiáng)度升高,38℃8 h抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)性能降低。

2.由綜合評(píng)價(jià)可知,地?zé)峁叹牧献罴雅浔仁?石墨摻量為7%、氧化鋁摻量為1%、鋼渣粉摻量為3%,38℃、60℃8 h 抗壓強(qiáng)度分別為2.92 MPa、13.51 MPa,符合GB 10238-2015《油井水泥》要求,導(dǎo)熱系數(shù)為1.604 W/(m·K),相較于常規(guī)固井材料0.9059 W/(m·K)的導(dǎo)熱系數(shù),提高了約77%。

3.石墨的加入能有效提高固井材料的導(dǎo)熱系數(shù),但同時(shí)其他性能惡化,如力學(xué)強(qiáng)度降低、稠化時(shí)間縮短、稠度升高等。在固井過(guò)程中應(yīng)綜合考慮各因素,并對(duì)石墨摻量加以控制。同時(shí)不同外加劑種類也會(huì)與高導(dǎo)熱固井材料產(chǎn)生配伍問(wèn)題。