無固相沖洗液正交試驗的優選與優化

裴靈　劉鴻燕

摘 要：正交試驗設計（Orthogonal experimental design）是研究多因素多水平的一種設計方法，它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，正交試驗設計是分式析因設計的主要方法。是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法。在鉆探行業中，無固相沖洗液是復雜地層小口徑金剛石鉆進中最優選擇的鉆井液之一，它可以有效的解決復雜地層中護壁難和鉆進受阻問題。文章為新型無固相沖洗液的研制，主要是正交試驗的設計優選與優化進行研究。

關鍵詞：正交試驗；析因設計；無固相沖洗液

中圖分類號：R979.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）05-0001-03

1 無固相沖洗液

當今在世界范圍內從事鉆探工作的工程技術人員已經意識到泥漿的類型和組分，對生態環境影響極大。大到對人類生存環境的污染，小到對所取心和機具的污染和侵蝕等一系列問題。因此，環保型沖洗液具有相當重要的現實意義，這也是當前國內外沖洗液研究的熱點。

無固相沖洗液具有提高鉆速、降低摩阻、減少運輸量等優點，能解決在復雜礦區繩索取心鉆進中泥皮厚，阻礙內管投放等問題。無固相聚合物沖洗液出現得較晚，目前還沒有形成成熟的類別，現可以分為聚丙烯酰胺類、水玻璃類、聚乙烯醇類、纖維素類和植物膠類等幾種常用無固相沖洗液。

2 正交試驗設計原理

正交試驗屬于試驗設計方法的一種，簡單的講實驗設計是研究如何科學安排試驗，以較少人力物力消耗而取得較多交全面的信息。試驗安排得好，事半功倍；反之則事倍功半，甚至達不到預期目的，因此，如何進行試驗設計是一個至關重要的問題。正交設計是用部分試驗來代替全面試驗，通過對部分試驗結果的分析，了解全面試驗的情況。

本文通過對無固相沖洗液的研制，選出試驗元素，然后通過正交試驗設計先進行初配試驗，然后優選、優化。正交試驗設計從不同的優良性出發，合理設計試驗方案，有效控制試驗干擾，科學處理試驗數據，全面進行優化分析，直接實現優化目標，已成為現代優化技術的一個重要方面。本試驗選用的是正交表為L9（34）進行鉆井液的優選，L9（34）的含義為四因素、三水平、每組9個實驗。

3 正交試驗及其分析

3.1 沖洗液正交試驗實驗初選配方

在復雜地層金剛石鉆進中，沖洗液是保證施工能夠順利進行的重要因素，選取沖洗液主要是依據沖洗液的性能參數：漏斗黏度小于28 s、失水量小于15 ml（越小越好）、pH值8～9，根據以上參數選擇合適的沖洗液配方。

實驗的基本思想是利用無固相沖洗液的基本性能，解決在復雜地層鉆進中所遇到的塌孔等鉆井問題。本實驗的配方組成是：SH植物膠，水玻璃，硫酸銨，四硼酸鈉。根據對所需沖洗液的性能分析，確定出初步實驗材料及用量，見表1。

3.2 正交試驗

用以上材料及三種加量進行正交實驗，選用正交實驗表L9（34）進行沖洗液的優選，每組9個實驗，試驗數據，見表2。

3.3 試驗結果分析

由表2可得到各因素水平對沖洗液性能的影響趨勢，如圖1、圖2、圖3和圖4所示。

在整個實驗中，影響沖洗液最主要的因素是SH植物膠和AK水玻璃，它們加量的多少直接影響到沖洗液的性能。SH植物膠的加量越多粘度也就越大，失水量相對減少；水玻璃本身具有交聯的作用，所以水玻璃越多粘度越多，失水量明顯的減少，pH值會升高，pH值太高對沖洗液的性能是不利的因素；硫酸銨對水玻璃有凝聚作用，它會間接的影響沖洗液的粘度和失水量，用它可以調節pH值；四硼酸鈉對SH植物膠具有交聯作用，對pH的值影響小，一般不用硼砂的加量去調節pH值。后三種都有提高沖洗液的防塌性能。

4 鉆井液的優選與優化

4.1 鉆井液的優選

通過正交實驗分析得出最優的配方有兩組，分別是在粘度上的最優配方和在失水量上的最優配方，見表3。兩種配方，通過實驗所測得的性能，見表4。

通過試驗現象的觀察和正交試驗的結果分析得出：

①新型沖洗液配完后靜止一段時間會變成凍膠狀，此現象與PH值有關。再次攪拌一定時間后靜止，它的結構已經破壞，所以就不會再變成膠狀。

②配完的沖洗液一直攪拌24 h后，往里加入水玻璃，攪拌一段時間后靜止，沖洗液開始分層，而不變成凍膠狀。

③當沖洗液的pH值在10～11時，會很容易（很快）變成凍膠狀（靜止的情況下），當沖洗液在流動狀態下，使其成為凍膠狀就得調節pH值。因為水玻璃的pH值在12左右，所以還得加入適量的硫酸銨調節PH值。

綜上所述，相比上兩組的實驗結果，可以得出第二組為最優。

4.2 鉆井液的優化

根據所配沖洗液的優選結果表示，pH值過高，導致沖洗液的性能不甚理想，需進一步優化，優化配方可以在優選的基礎上通過改變某一因素的加量，重新配制沖洗液，降低其pH值，掌握其粘度和失水量的變化規律。由于該沖洗液的pH值主要是受水玻璃的影響，所以通過改變水玻璃的加量來改變其pH值。其所測性能的結果見表5，變化曲線如圖5所示。

由此可知，水玻璃的增加，沖洗液失水量減少，但pH值增大，在用于復雜地層金剛石鉆進中，失水量較少的沖洗液防塌性能好，同時考慮到中性沖洗液性能最好，所以在這組優化實驗中，第二組配方最好即（2221）。

該沖洗液的一大問題就是pH值過高，要想減小其摩擦阻力就是降低pH值，通過實驗得出可以向沖洗液中加入KCl，再滴加鹽酸等。如此，即便沖洗液pH值在8～9時也不會變成凍膠狀。但是該沖洗液pH值過高時會很快的絮凝成膠狀，這也不是完全沒有好處，可以利用絮凝成其凍膠狀的時間，把它作為堵漏漿材來利用。利用沖洗液的這一性質，可以隨時將沖洗液轉換成堵漏漿液，使進入巖層漏失通道內的沖洗液，在指定的時間內凝結成凍膠狀封堵漏失層。

5 結 語

該無固相沖洗液適應鉆井技術發展的要求，是在現有的多種植物膠沖洗液的基礎上，經研究、實驗配制出來的一種新型無固相沖洗液。

①與含有粘土的泥漿相比，該新型無固相沖洗液具有密度低、粘度可調、流動性好的優點，并且在鉆進過程中由于高聚物絮凝劑對固相顆粒的自動絮凝清除，不會產生鉆屑積累，能大幅度提高孔底鉆頭的碎巖效率。

②該無固相沖洗液能夠較好地滿足第四系覆蓋層、松散破碎地層、砂卵石層的鉆進與取心的要求，在巖土工程勘察中，它更以其獨特的優越性，避免了沖洗液中因固相顆粒而造成的地層孔隙受堵或巖心污染的現象。

③該沖洗液維護簡單，可實現自然降解，有利于環境保護。

④正交試驗設計是研究多因素多水平的一種設計方法，它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法。

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