无固相冲洗液正交试验的优选与优化

裴灵　刘鸿燕

摘 要：正交试验设计（Orthogonal experimental design）是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，正交试验设计是分式析因设计的主要方法。是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。在钻探行业中，无固相冲洗液是复杂地层小口径金刚石钻进中最优选择的钻井液之一，它可以有效的解决复杂地层中护壁难和钻进受阻问题。文章为新型无固相冲洗液的研制，主要是正交试验的设计优选与优化进行研究。

关键词：正交试验；析因设计；无固相冲洗液

中图分类号：R979.7 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）05-0001-03

1 无固相冲洗液

当今在世界范围内从事钻探工作的工程技术人员已经意识到泥浆的类型和组分，对生态环境影响极大。大到对人类生存环境的污染，小到对所取心和机具的污染和侵蚀等一系列问题。因此，环保型冲洗液具有相当重要的现实意义，这也是当前国内外冲洗液研究的热点。

无固相冲洗液具有提高钻速、降低摩阻、减少运输量等优点，能解决在复杂矿区绳索取心钻进中泥皮厚，阻碍内管投放等问题。无固相聚合物冲洗液出现得较晚，目前还没有形成成熟的类别，现可以分为聚丙烯酰胺类、水玻璃类、聚乙烯醇类、纤维素类和植物胶类等几种常用无固相冲洗液。

2 正交试验设计原理

正交试验属于试验设计方法的一种，简单的讲实验设计是研究如何科学安排试验，以较少人力物力消耗而取得较多交全面的信息。试验安排得好，事半功倍；反之则事倍功半，甚至达不到预期目的，因此，如何进行试验设计是一个至关重要的问题。正交设计是用部分试验来代替全面试验，通过对部分试验结果的分析，了解全面试验的情况。

本文通过对无固相冲洗液的研制，选出试验元素，然后通过正交试验设计先进行初配试验，然后优选、优化。正交试验设计从不同的优良性出发，合理设计试验方案，有效控制试验干扰，科学处理试验数据，全面进行优化分析，直接实现优化目标，已成为现代优化技术的一个重要方面。本试验选用的是正交表为L9（34）进行钻井液的优选，L9（34）的含义为四因素、三水平、每组9个实验。

3 正交试验及其分析

3.1 冲洗液正交试验实验初选配方

在复杂地层金刚石钻进中，冲洗液是保证施工能够顺利进行的重要因素，选取冲洗液主要是依据冲洗液的性能参数：漏斗黏度小于28 s、失水量小于15 ml（越小越好）、pH值8～9，根据以上参数选择合适的冲洗液配方。

实验的基本思想是利用无固相冲洗液的基本性能，解决在复杂地层钻进中所遇到的塌孔等钻井问题。本实验的配方组成是：SH植物胶，水玻璃，硫酸铵，四硼酸钠。根据对所需冲洗液的性能分析，确定出初步实验材料及用量，见表1。

3.2 正交试验

用以上材料及三种加量进行正交实验，选用正交实验表L9（34）进行冲洗液的优选，每组9个实验，试验数据，见表2。

3.3 试验结果分析

由表2可得到各因素水平对冲洗液性能的影响趋势，如图1、图2、图3和图4所示。

在整个实验中，影响冲洗液最主要的因素是SH植物胶和AK水玻璃，它们加量的多少直接影响到冲洗液的性能。SH植物胶的加量越多粘度也就越大，失水量相对减少；水玻璃本身具有交联的作用，所以水玻璃越多粘度越多，失水量明显的减少，pH值会升高，pH值太高对冲洗液的性能是不利的因素；硫酸铵对水玻璃有凝聚作用，它会间接的影响冲洗液的粘度和失水量，用它可以调节pH值；四硼酸钠对SH植物胶具有交联作用，对pH的值影响小，一般不用硼砂的加量去调节pH值。后三种都有提高冲洗液的防塌性能。

4 钻井液的优选与优化

4.1 钻井液的优选

通过正交实验分析得出最优的配方有两组，分别是在粘度上的最优配方和在失水量上的最优配方，见表3。两种配方，通过实验所测得的性能，见表4。

通过试验现象的观察和正交试验的结果分析得出：

①新型冲洗液配完后静止一段时间会变成冻胶状，此现象与PH值有关。再次搅拌一定时间后静止，它的结构已经破坏，所以就不会再变成胶状。

②配完的冲洗液一直搅拌24 h后，往里加入水玻璃，搅拌一段时间后静止，冲洗液开始分层，而不变成冻胶状。

③当冲洗液的pH值在10～11时，会很容易（很快）变成冻胶状（静止的情况下），当冲洗液在流动状态下，使其成为冻胶状就得调节pH值。因为水玻璃的pH值在12左右，所以还得加入适量的硫酸铵调节PH值。

综上所述，相比上两组的实验结果，可以得出第二组为最优。

4.2 钻井液的优化

根据所配冲洗液的优选结果表示，pH值过高，导致冲洗液的性能不甚理想，需进一步优化，优化配方可以在优选的基础上通过改变某一因素的加量，重新配制冲洗液，降低其pH值，掌握其粘度和失水量的变化规律。由于该冲洗液的pH值主要是受水玻璃的影响，所以通过改变水玻璃的加量来改变其pH值。其所测性能的结果见表5，变化曲线如图5所示。

由此可知，水玻璃的增加，冲洗液失水量减少，但pH值增大，在用于复杂地层金刚石钻进中，失水量较少的冲洗液防塌性能好，同时考虑到中性冲洗液性能最好，所以在这组优化实验中，第二组配方最好即（2221）。

该冲洗液的一大问题就是pH值过高，要想减小其摩擦阻力就是降低pH值，通过实验得出可以向冲洗液中加入KCl，再滴加盐酸等。如此，即便冲洗液pH值在8～9时也不会变成冻胶状。但是该冲洗液pH值过高时会很快的絮凝成胶状，这也不是完全没有好处，可以利用絮凝成其冻胶状的时间，把它作为堵漏浆材来利用。利用冲洗液的这一性质，可以随时将冲洗液转换成堵漏浆液，使进入岩层漏失通道内的冲洗液，在指定的时间内凝结成冻胶状封堵漏失层。

5 结 语

该无固相冲洗液适应钻井技术发展的要求，是在现有的多种植物胶冲洗液的基础上，经研究、实验配制出来的一种新型无固相冲洗液。

①与含有粘土的泥浆相比，该新型无固相冲洗液具有密度低、粘度可调、流动性好的优点，并且在钻进过程中由于高聚物絮凝剂对固相颗粒的自动絮凝清除，不会产生钻屑积累，能大幅度提高孔底钻头的碎岩效率。

②该无固相冲洗液能够较好地满足第四系覆盖层、松散破碎地层、砂卵石层的钻进与取心的要求，在岩土工程勘察中，它更以其独特的优越性，避免了冲洗液中因固相颗粒而造成的地层孔隙受堵或岩心污染的现象。

③该冲洗液维护简单，可实现自然降解，有利于环境保护。

④正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。

参考文献：

[1] 王文臣.钻孔冲洗与注浆[M].北京：冶金工业出版社，1996.

[2] 靖向党.钻孔工程[M].北京：冶金工业出版社，1999.

[3] 舒本耀，李漪.仿DWY2Ⅱ型无固相冲洗液在砂宝斯矿区水敏层的应 用[J].探矿工程，2002，（5）.

[4] 张熙，黄荣华，代华，等.聚合物泥浆处理剂CUD的研制与性能研究[J].油 田化学，1997，（2）.

[5] 曾祥熹，陈志超，何玉明.钻孔护壁堵漏与减阻[M].北京：地质出版社，

1981.

[6] 阮文军.国内勘探领域钻井冲洗液的研究应用现状综述[J].地质找矿 论丛，2006，（1）.