正交試驗對抗鹽泥漿配方的優選與優化

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，抗鹽鉆井液是運用于水敏性或鹽膏地層中的一種沖洗液，對付鹽侵的原則可用九個字來概括：抗鹽、護膠、拆結構、換土。下面就正交試驗對抗鹽鉆井液配比的優選與優化進行研究。

關鍵詞：正交試驗；析因設計；抗鹽鉆井液；鹽侵

1 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，以較少的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。

文章通過鹽膏地層分析，選出試驗元素，然后通過正交試驗設計先進行初配試驗配方，然后復配、優化。其實正交試驗設計已經是試驗優化的常用技術，它是在優化思想的指導下進行最優的一種優化方法。它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。

全面試驗包括的水平組合數較多，工作量大，由于受試驗場地、試驗材料、經費等限制而難于實施，而正交試驗是在試驗安排中，每個因素在研究的范圍內選幾個水平，從優選區全面試驗點（水平組合）中挑選出有代表性的部分試驗點（水平組合）來進行試驗，利用一套規格化的正交表（orthogonaltable）安排試驗，得到的試驗結果再用數理統計方法進行處理，使之得出科學的結論。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。

2 鉆井液正交試驗實驗初選配方

對付鹽侵的原則可用九個字來概括：抗鹽、護膠、拆結構、換土。抗鹽、護膠就是加入抗鹽能力強的有機護膠劑，保護粘土膠粒在鈉離子濃度較高的環境仍然具有足夠的數量，如鈉羧甲基纖維素（Na-CMC）、磺甲基酚醛樹脂（SMP）等；拆結構就是加入抗鹽稀釋劑，利用稀釋劑與粘土吸附能力強的特點，拆散已經形成的絮凝網架結構，恢復被污染前的鉆井液性能，如FCLS，磺甲基單寧（SMT）等；換土的方法則是指將配漿膨潤土改換成抗鹽粘土，如海泡石、凹凸棒土。

鹽水鉆井液屬于低固相鉆井液，粘土不宜超過5%。若配制的高密度飽和鹽水鉆井液用于造漿地層，一般所用的粘土有膨潤土或者抗鹽粘土海泡石和凹凸棒石，且土的加量一般小于3%；配制欠飽和鹽水鉆井液，土的加量在3%～4%為宜。在舞陽Y4井現場施工中，可以利用地層造漿作用，減小土的加量到2%即可。而在室內實驗中，為了更好的配制出優質鹽水鉆井液性能，所用土為膨潤土4%，初步配方如表1。實驗的基本思想是利用添加劑在鉆井液所起的作用和抗鹽性，配制鹽水鉆井液來解決在鹽膏層中所遇到的縮徑、卡鉆、掉塊、坍塌、“大肚子”等各種復雜問題。本實驗的配方組成是：膨潤土、低粘Na-CMC、SMP-II、KPAN和膏狀磺化瀝青（SAS）。

配制飽和鹽水鉆井液的基本原則是以降失水為主，降粘為輔。所以所選的四種添加劑需具有降失水的作用，該配方中具有起降失水劑的有低粘Na-CMC、SMP-II和 KPAN；潤滑劑：磺化瀝青SAS；泥頁巖抑制劑：KPAN；具有護膠作用的有：低粘Na-CMC和磺化瀝青SAS；KPAN與SAS具有很好的造壁性。

3 正交試驗及其分析

3.1 正交試驗

表1 初選方案材料及用量表

用以上添加劑及三種加量做正交試驗，選用正交試驗表為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。具體見表2鉆井液的正交試驗結果。

從正交實驗表中，可以看出，在整個實驗中，粘度的級差值最大的是低粘Na-CMC，所以影響鉆井液粘度的主要因素是低粘Na-CMC，失水量級差值最大的也是低粘Na-CMC，所以影響失水量的最主要因素是低粘Na-CMC，其次是水解聚丙烯腈鉀鹽，它們加量的多少直接影響到鉆井液的粘度與失水量性能。

表2 鹽水鉆井液的正交實驗及其實驗結果

注：1.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別為三因素的三個相同加量所對應表觀粘度（s）、失水量（ml/30min）性能結果的平均值。

2. R稱為極差值，是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ對應數據中的最大值與最小值之差。

3.2 試驗結果分析

由表2也可得到各因素水平對鉆井液性能的影響趨勢（如圖1、 2所示），在其添加劑中低粘Na-CMC具有“穿針引線”的作用，隨著其加量的增大，能使鉆井液的失水量降低，同時也會提高鉆井液的粘度；SMP-II和KPAN主要起降失水的作用；SAS除了有降失水作用以外，主要起潤滑作用。在鉆井液的性能中，失水量和粘度對鹽膏層的穩定性影響最大，鉆井液的PH值可以通過加入純堿來調節；重晶石可以調節鉆井液的比重，由于舞陽地層壓力變化均勻，對比重沒有太高的要求，在1.200左右就足夠滿足地層的需要。

圖1a 低粘Na-CMC因素水平趨勢圖

圖1b SMP-II因素水平趨勢圖

圖1c KPAN因素水平趨勢圖

圖1d SAS因素水平趨勢圖

圖2a 低粘Na-CMC因素水平趨勢圖

圖2b SMP-II因素水平趨勢圖

圖2c KPAN因素水平趨勢圖

圖2d SAS因素水平趨勢圖

4 鉆井液的復配與優選

4.1 鉆井液的復配

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如表4。

表3 優選配方

注：原漿為4%的鈣土+土的2%純堿。上述漿液都加入了30%NaCl。

從性能上可以看出第二組鉆井液的性能較好，對第二組配方通過24小時的攪拌和水浴加熱，分別測出在不同溫度（25℃、55℃、85 ℃、95℃）下的鉆井液性能，在55℃時，鉆井液的粘度降低幅度太大，攜帶巖屑的能力大大降低，所以應提高鉆井液的粘度。在優選的配方上，調節鉆井液添加劑的加量。具體方法是提高一種提粘添加劑的加量，保證其它添加劑加量不變。

表4 優選配方性能測試表

表5 不同溫度下鹽水鉆井液的性能

4.2 鉆井液的優化

該配方的四種添加劑中，Na-CMC和KPAN具有增粘的作用，所以調節鉆井液粘度有三種方法，其一提高低粘Na-CMC的加量（到1.8%），其二增加KPAN的加量（到3%），其三同時增加兩種添加劑加量對比其性能，即：4%膨潤土漿+0.2%NaOH+3%純堿（土的3%）+1.8%低粘Na-CMC+4%SMP-II+3%水解聚丙烯腈鉀鹽+2%磺化瀝青+30%NaCl。最后比較第三種配方加量能保證鉆井液的性能較穩定，且失水量低，測得不同溫度下鉆井液的性能如表5，圖3。

圖3 不同溫度下鹽水鉆井液的性能

從圖3可以看出隨著溫度的升高，鉆井液的表觀粘度降低，失水量增大，但是到達一溫度（85℃）后有所降低，運用趨勢預測/回歸分析方法可以得出粘度和失水量的預測方程式，如圖4表觀粘度的曲線類似于對數方程式（1）的曲線，失水量曲線類似于三次多項式（2）曲線，根據方程式，就可以預測出不同溫度下鉆井液的粘度和失水量，這樣有利于準確的預測出鉆井液在孔內的性能而預防事故的發生。

圖4 不同溫度下鉆井液性能曲線與預測方程曲線對比

（1）

（2）

通過大量的室內試驗分析得出鹽水鉆井液的最終配方為：70%水+4%膨潤土漿+3%純堿（土的3%）+1.8%低粘Na-CMC+4%SMP-II+3%水解聚丙烯腈鉀鹽+2%磺化瀝青+30%NaCl。

5 結束語

（1）該鉆井液的配方用于2011年河南永銀化工實業有限公司20萬噸/年聚氯乙烯項目一期工程，10萬噸/年燒堿，12萬噸/年PVC項目，取得了很好的經濟和社會效益。

（2）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，是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法。

（3）此飽和鹽水鉆井液配方是一種高礦化度和強抑制性泥漿，對于含鹽地層或含膏鹽地層、泥頁巖地層的巖心鉆進具有很好的護心和護壁作用。且由于所用添加劑種類少和用量適中，固其成本遠遠小于工程總費用的15%。

參考文獻

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