基于响应面法的高导热固井材料多目标优化与性能研究OA

【目的】地热能作为全球能源结构低碳转型的战略性清洁能源,其高效开发利用对早日达成“双碳”目标至关重要。在地热资源开发中,固井结构的导热性能决定着地热由岩层向地热井套管的传输效率,成为地热资源高效开采的关键影响因素。因此,研发高导热固井材料可为地热资源高效开发提供重要支撑。【方法】以水胶比、石墨掺量、铁粉掺量、碳化硅掺量与石英砂掺量为主要试验因素,采用正交试验确定对高导热固井材料导热性能影响最显著的3个因素。进一步通过响应面法(RSM)设计3因素3水平响应面试验,建立以导热系数、抗压强度、流动度为响应值的回归模型,分析各因素及其交互作用对高导热固井材料性能的影响,最终通过多目标优化确定高导热固井材料的最优配比。【结果和结论】各因素对高导热固井材料导热系数的影响程度由高到低依次为石墨掺量(10%)、水胶比(0.57)、铁粉掺量(30%)、石英砂掺量(30%)、碳化硅掺量(10%)。通过RSM构建以水胶比、石墨掺量、铁粉掺量为自变量,导热系数、抗压强度、流动度为响应目标的回归模型,其拟合值R2分别为0.986 7、0.984 8、0.973 7,表明模型可靠性高。RSM方差分析结果表明,石墨掺量、水胶比、铁粉掺量对导热系数的影响极显著(P<0.01),水胶比与石墨掺量、水胶比与铁粉掺量交互项对导热系数影响显著(P<0.05);水胶比对抗压强度影响极显著,石墨掺量、铁粉掺量、水胶比与石墨掺量交互项对抗压强度的影响显著;水胶比与石墨掺量对流动度的影响极显著。采用多目标优化法得到的高导热固井材料的最优配比为水胶比0.573、石墨掺量9.95%、铁粉掺量28.62%,对应导热系数、抗压强度及流动度分别为3.136 W/(m·K)、17.53 MPa、22.1 cm与RSM预测值误差小于5%。该优化配比及模型为地热井高导热固井材料的工程应用提供了可靠依据。