PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進(jìn)泥包機(jī)理及對(duì)策研究進(jìn)展

趙志剛 王春秀

摘 要：在鉆井工業(yè)中，PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進(jìn)泥包的現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)。本文分析其泥包機(jī)理，總結(jié)形成鉆頭泥包的影響因素，進(jìn)而提出三個(gè)方面的防止PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進(jìn)泥包的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：PDC鉆頭；PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進(jìn)泥包機(jī)理；影響因素；對(duì)策

1.PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進(jìn)泥包機(jī)理

PDC鉆頭泥包是指在下鉆過程或者鉆進(jìn)過程中在鉆頭的切削齒和鉆頭體上粘附大量的泥頁巖切屑，形成泥包。PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進(jìn)泥包是一個(gè)復(fù)雜的過程，泥包的形成對(duì)于PDC鉆頭的使用效率具有重大的影響，一方面使鉆機(jī)的下鉆的速度減慢，鉆頭切入地層的功能不能得到有效的發(fā)揮，嚴(yán)重還會(huì)產(chǎn)生活塞現(xiàn)象，下鉆時(shí)造成壓力變化，從而在起鉆時(shí)誘發(fā)非常危險(xiǎn)的井噴。另一方面鉆頭泥包的形成也會(huì)導(dǎo)致鉆頭的切削齒壽命下降。鉆頭工作中切削齒會(huì)產(chǎn)生大量的熱損耗，但是由于泥包的形成對(duì)于鉆頭起到包裹的作用，因此鉆井液不能很快滲進(jìn)去對(duì)切削齒進(jìn)行有效得冷卻，從而縮短切削齒的使用壽命。造成鉆頭泥包的原因有很多，主要跟下鉆的操作方法和軟地層送鉆不均勻有關(guān)。

2.PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進(jìn)泥包影響因素

通過對(duì)PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進(jìn)泥包的機(jī)理進(jìn)行分析，影響PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進(jìn)泥包的因素主要有5個(gè)方面：①地層性質(zhì)。地層性質(zhì)在影響PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進(jìn)泥包過程中屬于不可控因素，地層結(jié)構(gòu)組成如礦物的組成、黏土的含量、水含量以及顆粒大小對(duì)巖層的黏附性能產(chǎn)生重要的影響，其次泥巖層的水化也會(huì)形成鉆頭泥包。②有效圍壓。有效圍壓也屬于不可控因素，它是指下鉆過程中巖石層給予鉆頭的有效壓力，一般來說，有效圍壓越大，越容易使PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進(jìn)泥包。③鉆頭結(jié)構(gòu)。鉆頭泥包的形成跟切削齒和鉆頭體的黏附有關(guān)，PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)中，鉆頭的類型和冠部形狀與泥包的形成有關(guān)，一般來說，脊柱式PDC鉆頭更容易形成泥包。其次鉆頭結(jié)構(gòu)中的水力結(jié)構(gòu)和切削齒結(jié)構(gòu)參數(shù)也會(huì)影響泥包的形成。④鉆井液類型以及性能。鉆井液的作用是冷卻切削齒和防止泥頁巖水化，因此鉆井液的類型以及性能如抑制性、潤滑性，都能夠影響鉆頭泥包的形成。⑤鉆頭水力學(xué)參數(shù)。鉆頭水力學(xué)參數(shù)包括噴嘴射流速度、噴嘴總過流面積、每平方英寸的水力功率以及鉆頭流量等參數(shù)，對(duì)下鉆的速度產(chǎn)生影響，其中水力功率和鉆頭流量的增大會(huì)引起下鉆速度的提高。

3.處理鉆頭泥包的對(duì)策

PDC鉆頭泥包的形成對(duì)于鉆頭下鉆效率產(chǎn)生重大的影響，因此有效改善鉆頭泥包的現(xiàn)象是非常必要的。以下是其對(duì)策的具體分析：

3.1采用有效方法控制和改善泥漿性能

PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進(jìn)泥包的現(xiàn)象的發(fā)生大部分取決于泥漿的性能，因此，有效防止鉆頭泥包就要在泥漿的性能下手。主要可以通過以下措施來改善：首先可以采用低鉆、低切、低固的含泥漿，從而保證在鉆頭鉆進(jìn)過程中能夠?qū)δ酀{的中固加強(qiáng)控制。其次在鉆井液的處理上，可以在鉆井液的聚合物中加大泥頁巖抑制劑的含量，從而有效抑制粘土水化和變形；也可以加入防泥包劑、清潔劑以及潤滑劑等使鉆頭金屬表面形成保護(hù)膜。防止泥土的黏附；另外還可以通過選用陽離子懸浮液鉆井液體系，來提高鉆井液的抑制性和潤滑性。

3.2對(duì)鉆井工藝參數(shù)和操作方法進(jìn)行合理的分析并確定

用PDC鉆頭鉆井的程序主要包括下鉆和起鉆，這兩個(gè)過程都會(huì)對(duì)巖壁進(jìn)行刮削和擠壓，從而形成鉆頭泥包。因此要防止泥包的形成就要在鉆井工藝和操作方法等進(jìn)行合理的分析和設(shè)計(jì)。如下鉆時(shí)采用短起下鉆的方式，將較厚的泥餅拉薄和壓實(shí)，防止井眼出現(xiàn)阻礙。下鉆的過程中也要保證分段循環(huán)鉆井液的方法來防止水眼堵塞。在鉆頭下到井底之前要保證泵的排量要足夠清洗井底和鉆頭，因此操作上要盡量精細(xì)。其次，在軟泥巖中進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，要把鉆壓調(diào)低，轉(zhuǎn)速調(diào)高，爭取以大排量鉆進(jìn)，另外也要對(duì)鉆進(jìn)的過程進(jìn)行合理的控制。在下鉆和起鉆的過程中，要對(duì)巖石情況和鉆頭性能參數(shù)進(jìn)行巡回的監(jiān)測和檢查，保證鉆進(jìn)過程的安全性和有效性。

3.3對(duì)鉆頭進(jìn)行鉆前和鉆后的防護(hù)

PDC鉆頭的防護(hù)也是在鉆井過程中避免出現(xiàn)泥包的重要舉措。在下鉆之前可以通過將鉆頭的排屑槽和切削齒表面涂滿黃油，形成潤滑的保護(hù)膜，并且還可以用細(xì)鐵絲將鉆頭的排屑槽包裹起來，從而防止其與泥沙的接觸，這樣就能讓鉆頭在鉆井的過程中讓黏附的泥沙隨著鐵絲網(wǎng)的磨損同時(shí)脫落，這樣既對(duì)鉆頭性能進(jìn)行保護(hù)，又能使黏附的泥沙在鉆進(jìn)過程中自動(dòng)脫落從而避免堵塞。

4.結(jié)語

PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進(jìn)泥包的現(xiàn)象在鉆井工作中是比較常見的，鉆頭泥包的機(jī)理比較復(fù)雜且影響因素也比較多，除了不可控因素外，還有可控因素，因此為了防止鉆頭泥包可以從可控因素下手，采取一定的對(duì)策，如通過控制和改善泥漿性能的方法、鉆井工藝和操作方法優(yōu)化的方法以及鉆頭防護(hù)的方法來改善鉆頭泥包的現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

趙志剛，男，河北科技大學(xué)（塑性成形工藝及設(shè)備專業(yè)），本科，中級(jí)晉副高，山東陸海石油裝備有限公司。

王春秀，女，中國石油大學(xué)（石油工程專業(yè)），本科，助理進(jìn)中級(jí)，山東陸海石油裝備有限公司。