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正交试验对抗盐泥浆配方的优选与优化

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分享到: 本站编辑:admin 日期: 2015-03-27 09:28 点击:

  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,抗盐钻井液是运用于水敏性或盐膏地层中的一种冲洗液,对付盐侵的原则可用九个字来概括:抗盐、护胶、拆结构、换土。下面就正交试验对抗盐钻井液配比的优选与优化进行研究。 
  关键词:正交试验;析因设计;抗盐钻井液;盐侵
  1 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,以较少的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。 
  文章通过盐膏地层分析,选出试验元素,然后通过正交试验设计先进行初配试验配方,然后复配、优化。其实正交试验设计已经是试验优化的常用技术,它是在优化思想的指导下进行最优的一种优化方法。它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。 
  全面试验包括的水平组合数较多,工作量大,由于受试验场地、试验材料、经费等限制而难于实施,而正交试验是在试验安排中,每个因素在研究的范围内选几个水平,从优选区全面试验点(水平组合)中挑选出有代表性的部分试验点(水平组合)来进行试验,利用一套规格化的正交表(orthogonaltable)安排试验,得到的试验结果再用数理统计方法进行处理,使之得出科学的结论。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。 
  2 钻井液正交试验实验初选配方 
  对付盐侵的原则可用九个字来概括:抗盐、护胶、拆结构、换土。抗盐、护胶就是加入抗盐能力强的有机护胶剂,保护粘土胶粒在钠离子浓度较高的环境仍然具有足够的数量,如钠羧甲基纤维素(Na-CMC)、磺甲基酚醛树脂(SMP)等;拆结构就是加入抗盐稀释剂,利用稀释剂与粘土吸附能力强的特点,拆散已经形成的絮凝网架结构,恢复被污染前的钻井液性能,如FCLS,磺甲基单宁(SMT)等;换土的方法则是指将配浆膨润土改换成抗盐粘土,如海泡石、凹凸棒土。 
  盐水钻井液属于低固相钻井液,粘土不宜超过5%。若配制的高密度饱和盐水钻井液用于造浆地层,一般所用的粘土有膨润土或者抗盐粘土海泡石和凹凸棒石,且土的加量一般小于3%;配制欠饱和盐水钻井液,土的加量在3%~4%为宜。在舞阳Y4井现场施工中,可以利用地层造浆作用,减小土的加量到2%即可。而在室内实验中,为了更好的配制出优质盐水钻井液性能,所用土为膨润土4%,初步配方如表1。实验的基本思想是利用添加剂在钻井液所起的作用和抗盐性,配制盐水钻井液来解决在盐膏层中所遇到的缩径、卡钻、掉块、坍塌、“大肚子”等各种复杂问题。本实验的配方组成是:膨润土、低粘Na-CMC、SMP-II、KPAN和膏状磺化沥青(SAS)。 
  配制饱和盐水钻井液的基本原则是以降失水为主,降粘为辅。所以所选的四种添加剂需具有降失水的作用,该配方中具有起降失水剂的有低粘Na-CMC、SMP-II和 KPAN;润滑剂:磺化沥青SAS;泥页岩抑制剂:KPAN;具有护胶作用的有:低粘Na-CMC和磺化沥青SAS;KPAN与SAS具有很好的造壁性。 
  3 正交试验及其分析 
  3.1 正交试验 
  表1 初选方案材料及用量表 
  用以上添加剂及三种加量做正交试验,选用正交试验表为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。具体见表2钻井液的正交试验结果。 
  从正交实验表中,可以看出,在整个实验中,粘度的级差值最大的是低粘Na-CMC,所以影响钻井液粘度的主要因素是低粘Na-CMC,失水量级差值最大的也是低粘Na-CMC,所以影响失水量的最主要因素是低粘Na-CMC,其次是水解聚丙烯腈钾盐,它们加量的多少直接影响到钻井液的粘度与失水量性能。 
  表2 盐水钻井液的正交实验及其实验结果 
  注:1.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为三因素的三个相同加量所对应表观粘度(s)、失水量(ml/30min)性能结果的平均值。 
  2. R称为极差值,是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应数据中的最大值与最小值之差。 
  3.2 试验结果分析 
  由表2也可得到各因素水平对钻井液性能的影响趋势(如图1、 2所示),在其添加剂中低粘Na-CMC具有“穿针引线”的作用,随着其加量的增大,能使钻井液的失水量降低,同时也会提高钻井液的粘度;SMP-II和KPAN主要起降失水的作用;SAS除了有降失水作用以外,主要起润滑作用。在钻井液的性能中,失水量和粘度对盐膏层的稳定性影响最大,钻井液的PH值可以通过加入纯碱来调节;重晶石可以调节钻井液的比重,由于舞阳地层压力变化均匀,对比重没有太高的要求,在1.200左右就足够满足地层的需要。 
  图1a 低粘Na-CMC因素水平趋势图 
  图1b SMP-II因素水平趋势图 
  图1c KPAN因素水平趋势图 
  图1d SAS因素水平趋势图 
  图2a 低粘Na-CMC因素水平趋势图 
  图2b SMP-II因素水平趋势图 
  图2c KPAN因素水平趋势图 
  图2d SAS因素水平趋势图 
  4 钻井液的复配与优选 
  4.1 钻井液的复配

  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如表4。 
  表3 优选配方 
  注:原浆为4%的钙土+土的2%纯碱。上述浆液都加入了30%NaCl。 
  从性能上可以看出第二组钻井液的性能较好,对第二组配方通过24小时的搅拌和水浴加热,分别测出在不同温度(25℃、55℃、85 ℃、95℃)下的钻井液性能,在55℃时,钻井液的粘度降低幅度太大,携带岩屑的能力大大降低,所以应提高钻井液的粘度。在优选的配方上,调节钻井液添加剂的加量。具体方法是提高一种提粘添加剂的加量,保证其它添加剂加量不变。 
  表4 优选配方性能测试表 
  表5 不同温度下盐水钻井液的性能 
  4.2 钻井液的优化 
  该配方的四种添加剂中,Na-CMC和KPAN具有增粘的作用,所以调节钻井液粘度有三种方法,其一提高低粘Na-CMC的加量(到1.8%),其二增加KPAN的加量(到3%),其三同时增加两种添加剂加量对比其性能,即:4%膨润土浆+0.2%NaOH+3%纯碱(土的3%)+1.8%低粘Na-CMC+4%SMP-II+3%水解聚丙烯腈钾盐+2%磺化沥青+30%NaCl。最后比较第三种配方加量能保证钻井液的性能较稳定,且失水量低,测得不同温度下钻井液的性能如表5,图3。 
  图3 不同温度下盐水钻井液的性能 
  从图3可以看出随着温度的升高,钻井液的表观粘度降低,失水量增大,但是到达一温度(85℃)后有所降低,运用趋势预测/回归分析方法可以得出粘度和失水量的预测方程式,如图4表观粘度的曲线类似于对数方程式(1)的曲线,失水量曲线类似于三次多项式(2)曲线,根据方程式,就可以预测出不同温度下钻井液的粘度和失水量,这样有利于准确的预测出钻井液在孔内的性能而预防事故的发生。 
  图4 不同温度下钻井液性能曲线与预测方程曲线对比 
  (1) 
  (2) 
  通过大量的室内试验分析得出盐水钻井液的最终配方为:70%水+4%膨润土浆+3%纯碱(土的3%)+1.8%低粘Na-CMC+4%SMP-II+3%水解聚丙烯腈钾盐+2%磺化沥青+30%NaCl。 
  5 结束语 
  (1)该钻井液的配方用于2011年河南永银化工实业有限公司20万吨/年聚氯乙烯项目一期工程,10万吨/年烧碱,12万吨/年PVC项目,取得了很好的经济和社会效益。 
  (2)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,是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。 
  (3)此饱和盐水钻井液配方是一种高矿化度和强抑制性泥浆,对于含盐地层或含膏盐地层、泥页岩地层的岩心钻进具有很好的护心和护壁作用。且由于所用添加剂种类少和用量适中,固其成本远远小于工程总费用的15%。 
  参考文献 
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本文出自:http://www.starlunwen.net/Papers/183954.html

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