正交试验法研制适合煤系地层钻进的泥浆

煤系地层钻进, 尤其是在井下巷道沿煤层钻进时, 因煤层松散、胶结性差经常会出现坍塌、缩径, 从而造成卡钻、埋钻事故, 钻探工作无法进行下去。目前国内已研制了适合该地层钻进的钻探工具和相应钻探技术, 泥浆体系主要采用了高分子化合物泥浆处理剂如FA367系列、双聚泥浆、植物胶等, 使配制的泥浆具有较强的抑制性。

所谓钻井液的“抑制性”是指钻井液具有抑制地层造浆的特性, 也就是对泥页岩层中的粘土具有抑制水化、膨胀及分散的作用。要起到这种作用, 钻井液必须具备提供抑制性化学环境, 在这个化学环境下, 所钻钻屑及岩层不易水化、膨胀及分散。钙处理钻井液是目前生产中常用的一类抑制性泥浆, 其作用机理是:一方面溶液中的Ca2+通过Na+/Ca2+的交换, 使钠土转化成钙土。由于钙土的水化能力弱, 转化后, 体系分散度下降。另一方面, Ca2+本身是一种无机絮凝剂, 会压缩粘土颗粒的双电层, 使土颗粒的水化膜缩小, ζ电位下降, 从而引起粘土晶片面-面及端-面聚结, 使土粒分散度下降。

1 正交试验

正交试验是一种在多因素情况下, 利用数学原理合理安排试验点, 以较少的试验次数, 又准又快地寻找最优方案的试验方法。它能表明各因素间谁起主要作用, 谁起次要作用, 谁单独起作用, 谁与谁搭配起综合作用产生最优效果。

1.1 确定指标和因素、水平

考察主要指标:失水量、漏斗黏度、表观黏度ηa、塑性黏度ηp、初静切力、终静切力、动切力 (表1) 。

试验考虑了各因素直接的交互作用, 因此选用L27 (313) 正交 (表2) 。

1.2 试验方案及实验结果 (表3)

注:#NULL!代表因误差过大而被剔除的数据。

1.3 极差分析和方差分析

由极差分析得, 各因素对不同指标的影响主次关系如表4、表5所示。

A因素对以上5个试验指标均高度显著, 以低失水量、流变参数适中为原则综合考虑, 应选A1水平。

B因素对动切力有一定影响, 以低动切力为原则故应选B2水平。

C因素对失水量和表观黏度有一定影响, 以低失水量、黏度适当为原则综合考虑, 应选C2 (或C3, 因为试验设计时对C因素采取拟水平法, 使2、3水平相同) 水平。

综上, 最优水平组合为A1B2C3, 即本次正交试验中的第6号试验:

基浆+20g/L植物胶+3g/L防塌剂+5g/L降失水剂。

2 浸泡试验

前面已经通过试验分析选出最优配比, 所选配比的泥浆的实际效果, 应到现场实钻中去检验。考虑到实钻成本高、需检验泥浆品种多的缺点, 特设计室内浸泡试验间接检验各配方泥浆的护壁防塌性能。将预制好的等大小煤样分别浸泡在各种配比的泥浆杯中, 实时观察煤样变化。由27杯不同配比的钙处理不分散聚合物抑制性泥浆的浸泡结果显示, 所选的6号泥浆 (基浆+20g/L植物胶+3g/L防塌剂+5g/L降失水剂) 中的煤样26小时内未完全垮塌, 确实起到了良好的防塌性能。

3 结语

本文主要是针对煤系地层易坍塌、缩径、掉块等不稳定特点所进行的泥浆体系的研究, 通过正交试验法设计优选试验, 依据极差、方差和卡尼尔分析得到了适合煤系地层钻进用的泥浆配比为:基浆+20g/L植物胶+3g/L防塌剂+5g/L降失水剂。对煤系地层安全钻探施工提供了保障, 可以用于指导煤田钻探工程的生产, 具有一定的实际意义与先进性。

注:**表示该因素对某指标呈高度显著性, *表示该因素对某指标呈一般显著性。

摘要：通过现场搜集与查阅相关技术资料, 总结出组成煤系地层的岩石的物理、化学性质。在适合于煤系地层钻进的泥浆体系中, 在实验室内利用正交优化实验确定泥浆体系中各化学处理剂的配方, 并分别测量不同配方的泥浆性能, 确定最能解决煤系地层钻进中遇到的孔内事故的泥浆配方。再进行煤系地层岩样的浸泡实验, 观察煤柱变化情况, 检验所选泥浆是否具备理想防塌效果, 并从中找出规律, 解决煤系地层钻进时钻孔出现的问题。

关键词：煤系地层,泥浆,正交试验,浸泡试验

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