無(wú)固相沖洗液正交試驗(yàn)的優(yōu)選與優(yōu)化

裴靈　劉鴻燕

摘 要：正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Orthogonal experimental design）是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分式析因設(shè)計(jì)的主要方法。是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。在鉆探行業(yè)中，無(wú)固相沖洗液是復(fù)雜地層小口徑金剛石鉆進(jìn)中最優(yōu)選擇的鉆井液之一，它可以有效的解決復(fù)雜地層中護(hù)壁難和鉆進(jìn)受阻問(wèn)題。文章為新型無(wú)固相沖洗液的研制，主要是正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)優(yōu)選與優(yōu)化進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：正交試驗(yàn)；析因設(shè)計(jì)；無(wú)固相沖洗液

中圖分類號(hào)：R979.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）05-0001-03

1 無(wú)固相沖洗液

當(dāng)今在世界范圍內(nèi)從事鉆探工作的工程技術(shù)人員已經(jīng)意識(shí)到泥漿的類型和組分，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響極大。大到對(duì)人類生存環(huán)境的污染，小到對(duì)所取心和機(jī)具的污染和侵蝕等一系列問(wèn)題。因此，環(huán)保型沖洗液具有相當(dāng)重要的現(xiàn)實(shí)意義，這也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外沖洗液研究的熱點(diǎn)。

無(wú)固相沖洗液具有提高鉆速、降低摩阻、減少運(yùn)輸量等優(yōu)點(diǎn)，能解決在復(fù)雜礦區(qū)繩索取心鉆進(jìn)中泥皮厚，阻礙內(nèi)管投放等問(wèn)題。無(wú)固相聚合物沖洗液出現(xiàn)得較晚，目前還沒(méi)有形成成熟的類別，現(xiàn)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(wú)固相沖洗液。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

正交試驗(yàn)屬于試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的一種，簡(jiǎn)單的講實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究如何科學(xué)安排試驗(yàn)，以較少人力物力消耗而取得較多交全面的信息。試驗(yàn)安排得好，事半功倍；反之則事倍功半，甚至達(dá)不到預(yù)期目的，因此，如何進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。正交設(shè)計(jì)是用部分試驗(yàn)來(lái)代替全面試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)部分試驗(yàn)結(jié)果的分析，了解全面試驗(yàn)的情況。

本文通過(guò)對(duì)無(wú)固相沖洗液的研制，選出試驗(yàn)元素，然后通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)先進(jìn)行初配試驗(yàn)，然后優(yōu)選、優(yōu)化。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)從不同的優(yōu)良性出發(fā)，合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，有效控制試驗(yàn)干擾，科學(xué)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，全面進(jìn)行優(yōu)化分析，直接實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)，已成為現(xiàn)代優(yōu)化技術(shù)的一個(gè)重要方面。本試驗(yàn)選用的是正交表為L(zhǎng)9（34）進(jìn)行鉆井液的優(yōu)選，L9（34）的含義為四因素、三水平、每組9個(gè)實(shí)驗(yàn)。

3 正交試驗(yàn)及其分析

3.1 沖洗液正交試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)初選配方

在復(fù)雜地層金剛石鉆進(jìn)中，沖洗液是保證施工能夠順利進(jìn)行的重要因素，選取沖洗液主要是依據(jù)沖洗液的性能參數(shù)：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(jù)以上參數(shù)選擇合適的沖洗液配方。

實(shí)驗(yàn)的基本思想是利用無(wú)固相沖洗液的基本性能，解決在復(fù)雜地層鉆進(jìn)中所遇到的塌孔等鉆井問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)的配方組成是：SH植物膠，水玻璃，硫酸銨，四硼酸鈉。根據(jù)對(duì)所需沖洗液的性能分析，確定出初步實(shí)驗(yàn)材料及用量，見(jiàn)表1。

3.2 正交試驗(yàn)

用以上材料及三種加量進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，選用正交實(shí)驗(yàn)表L9（34）進(jìn)行沖洗液的優(yōu)選，每組9個(gè)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

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

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)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?jīng)_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(duì)減少；水玻璃本身具有交聯(lián)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(huì)升高，pH值太高對(duì)沖洗液的性能是不利的因素；硫酸銨對(duì)水玻璃有凝聚作用，它會(huì)間接的影響沖洗液的粘度和失水量，用它可以調(diào)節(jié)pH值；四硼酸鈉對(duì)SH植物膠具有交聯(lián)作用，對(duì)pH的值影響小，一般不用硼砂的加量去調(diào)節(jié)pH值。后三種都有提高沖洗液的防塌性能。

4 鉆井液的優(yōu)選與優(yōu)化

4.1 鉆井液的優(yōu)選

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)分析得出最優(yōu)的配方有兩組，分別是在粘度上的最優(yōu)配方和在失水量上的最優(yōu)配方，見(jiàn)表3。兩種配方，通過(guò)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的性能，見(jiàn)表4。

通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和正交試驗(yàn)的結(jié)果分析得出：

①新型沖洗液配完后靜止一段時(shí)間會(huì)變成凍膠狀，此現(xiàn)象與PH值有關(guān)。再次攪拌一定時(shí)間后靜止，它的結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，所以就不會(huì)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(shí)間后靜止，沖洗液開(kāi)始分層，而不變成凍膠狀。

③當(dāng)沖洗液的pH值在10～11時(shí)，會(huì)很容易（很快）變成凍膠狀（靜止的情況下），當(dāng)沖洗液在流動(dòng)狀態(tài)下，使其成為凍膠狀就得調(diào)節(jié)pH值。因?yàn)樗ＡУ膒H值在12左右，所以還得加入適量的硫酸銨調(diào)節(jié)PH值。

綜上所述，相比上兩組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出第二組為最優(yōu)。

4.2 鉆井液的優(yōu)化

根據(jù)所配沖洗液的優(yōu)選結(jié)果表示，pH值過(guò)高，導(dǎo)致沖洗液的性能不甚理想，需進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化配方可以在優(yōu)選的基礎(chǔ)上通過(guò)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(guī)律。由于該沖洗液的pH值主要是受水玻璃的影響，所以通過(guò)改變水玻璃的加量來(lái)改變其pH值。其所測(cè)性能的結(jié)果見(jiàn)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(fù)雜地層金剛石鉆進(jìn)中，失水量較少的沖洗液防塌性能好，同時(shí)考慮到中性沖洗液性能最好，所以在這組優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中，第二組配方最好即（2221）。

該沖洗液的一大問(wèn)題就是pH值過(guò)高，要想減小其摩擦阻力就是降低pH值，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)也不會(huì)變成凍膠狀。但是該沖洗液pH值過(guò)高時(shí)會(huì)很快的絮凝成膠狀，這也不是完全沒(méi)有好處，可以利用絮凝成其凍膠狀的時(shí)間，把它作為堵漏漿材來(lái)利用。利用沖洗液的這一性質(zhì)，可以隨時(shí)將沖洗液轉(zhuǎn)換成堵漏漿液，使進(jìn)入巖層漏失通道內(nèi)的沖洗液，在指定的時(shí)間內(nèi)凝結(jié)成凍膠狀封堵漏失層。

5 結(jié) 語(yǔ)

該無(wú)固相沖洗液適應(yīng)鉆井技術(shù)發(fā)展的要求，是在現(xiàn)有的多種植物膠沖洗液的基礎(chǔ)上，經(jīng)研究、實(shí)驗(yàn)配制出來(lái)的一種新型無(wú)固相沖洗液。

①與含有粘土的泥漿相比，該新型無(wú)固相沖洗液具有密度低、粘度可調(diào)、流動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)，并且在鉆進(jìn)過(guò)程中由于高聚物絮凝劑對(duì)固相顆粒的自動(dòng)絮凝清除，不會(huì)產(chǎn)生鉆屑積累，能大幅度提高孔底鉆頭的碎巖效率。

②該無(wú)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(jìn)與取心的要求，在巖土工程勘察中，它更以其獨(dú)特的優(yōu)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(xiàn)象。

③該沖洗液維護(hù)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)自然降解，有利于環(huán)境保護(hù)。

④正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

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