PDC鉆頭泥包原因分析及預(yù)防處理措施

牛亞峰，楊雨豪，吳國容，齊航，劉正杰，閻英娥

(中石化中原石油工程有限公司管具公司，河南 濮陽 457000)

0 引言

近年來，我國石油對(duì)外依存度逐年攀升，為保障能源安全，國家加大了頁巖油氣等非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)力度。然而，隨著經(jīng)濟(jì)下行，鉆井行業(yè)競爭日益激烈，提高鉆井效率，降低鉆井成本已成為各大鉆井承包商的重要課題[1]。PDC鉆頭經(jīng)過幾十年的長足發(fā)展，已成為鉆井行業(yè)提速增效的重要工具，與傳統(tǒng)的牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭配合油基鉆井液在鉆探頁巖地層時(shí)無論是成本、機(jī)械鉆速還是單只鉆頭進(jìn)尺都有明顯優(yōu)勢(shì)，在鉆探深井和高壓井時(shí)優(yōu)勢(shì)更加明顯[2]。頁巖油氣大多蘊(yùn)藏于泥頁巖地層中，而泥頁巖地層機(jī)械性能較差，易滲透，吸水能力強(qiáng)，在水基鉆井液中易水化分解，產(chǎn)生的粘土礦物容易吸附在鉆頭表面，造成鉆頭泥包，削弱了鉆頭的切削能力，降低了水力效率，導(dǎo)致機(jī)械鉆速大大降低，嚴(yán)重影響鉆井效率，大幅增加鉆井成本，甚至可能引發(fā)鉆井事故[3]。因此，對(duì)PDC鉆頭產(chǎn)生泥包的現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)地分析并采取相應(yīng)的預(yù)防處理措施具有非常重要的意義。

1 PDC鉆頭泥包的常見現(xiàn)象

鉆頭泥包是指鉆頭表面被泥團(tuán)所包覆，使得鉆頭無法進(jìn)行正常破巖的現(xiàn)象，在正常鉆進(jìn)和起下鉆的過程中都有可能發(fā)生。在鉆井過程中，可以通過一些現(xiàn)象判斷PDC鉆頭是否被泥包：(1)當(dāng)?shù)貙記]有變化時(shí)，鉆速明顯降低，且改變鉆壓對(duì)鉆速的影響不大；(2)當(dāng)?shù)貙影l(fā)生明顯變化時(shí)，鉆速仍無明顯變化；(3)出現(xiàn)扭矩變小或扭矩波動(dòng)范圍減小的情況；(4)泵壓略有上升，泥包嚴(yán)重時(shí)泵壓會(huì)明顯上升甚至出現(xiàn)憋泵的情況；(5)起下鉆有“拔活塞”的現(xiàn)象出現(xiàn)，短起下過程中經(jīng)常遇到阻礙，短起下后鉆速可能恢復(fù)也可能繼續(xù)降低，甚至出現(xiàn)鉆具無法轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。

現(xiàn)象解釋：當(dāng)PDC鉆頭被泥包后，大量的泥質(zhì)巖屑粘附在鉆頭體和切削齒上，切削齒無法有效地“吃入”地層，鉆頭攻擊力顯著下降，因此機(jī)械鉆速會(huì)明顯降低，即使調(diào)整鉆壓或者地層發(fā)生變化，鉆頭仍不能有效切入地層，鉆速不會(huì)發(fā)生明顯的變化。由于鉆頭沒有切入地層，造成鉆頭空轉(zhuǎn)，因此扭矩及其波動(dòng)范圍都會(huì)減小。泥包還會(huì)阻塞鉆頭水眼，造成泵壓上升，嚴(yán)重時(shí)水眼被完全堵死就會(huì)出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象。大量泥質(zhì)巖屑附著會(huì)使鉆頭體積大大增加，使得鉆頭在井筒內(nèi)上下活動(dòng)產(chǎn)生類似活塞運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，泥包嚴(yán)重時(shí)甚至可能發(fā)生卡死的情況。短起下過程可能刮扯或甩掉鉆頭上的泥包，能夠緩解或者消除泥包現(xiàn)象，但是也有可能附著更多的泥質(zhì)并進(jìn)一步壓實(shí)泥包層，使泥包現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

2 PDC鉆頭泥包原因分析

造成鉆頭泥包的原因是錯(cuò)綜復(fù)雜的，不同的學(xué)者提出了不同的理論。Feenstra R等[4]從鉆井液的循環(huán)和鉆頭的清洗過程分析，認(rèn)為泥包的形成與鉆井液的循環(huán)速度和鉆井壓力有關(guān)。當(dāng)鉆壓較低時(shí)，鉆頭與巖屑之間的摩擦力較小，巖屑容易被鉆井液帶出井筒；而鉆壓較高時(shí)，鉆頭與巖屑之間的摩擦力較大，不容易被鉆井液帶走，因而滯留在井底粘附在鉆頭上，產(chǎn)生泥包；此外，當(dāng)鉆井液循環(huán)速度較慢時(shí)，無法有效清洗鉆頭上粘附的巖屑并攜帶出井筒，也容易生成泥包。Zijsling D H等[5]從鉆井液的流動(dòng)和巖屑的尺寸方面分析認(rèn)為，PDC鉆頭在切削過程中，切削齒前的巖石受到巨大的剪切力和壓力，使巖石產(chǎn)生微裂紋并快速擴(kuò)展，造成巖石的孔隙度增大，鉆井液進(jìn)入巖層，導(dǎo)致鉆頭切削齒前的流體壓力降低，因此在鉆頭表面會(huì)形成較大的壓差將巖屑牢牢壓實(shí)在鉆頭表面，進(jìn)而產(chǎn)生泥包。Ledgerwood L W等[6]從地層巖性的角度分析，認(rèn)為粘土地層中陽離子的類型是影響泥包生成的關(guān)鍵，但是粘土中的水分含量和陽離子的交換能力與泥包的形成沒有直接關(guān)聯(lián)；此外，粘土形成致密結(jié)構(gòu)的能力和其釋水性是形成泥包的必要條件。Paske W C等[7]從巖屑和鉆頭的帶電性來分析認(rèn)為，巖屑在長期地質(zhì)活動(dòng)的作用下本身帶有負(fù)電荷，而由金屬制造而成的鉆頭則帶有正電荷，因此巖屑在靜電引力的作用下容易吸附在鉆頭表面進(jìn)而產(chǎn)生泥包。

在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工況，本文將造成鉆頭泥包的具體原因進(jìn)行總結(jié)。

2.1 地質(zhì)因素

當(dāng)鉆探地層上部為巖性較差的軟泥巖地層時(shí)，巖屑極易粘附在鉆頭上，在鉆進(jìn)過程中經(jīng)過反復(fù)壓實(shí)后形成泥包；某些地層中的粘土礦物含量較高，易水化分解，對(duì)鉆井液造成污染，使鉆井液中的有害固相含量大大增加，粘附于鉆頭表面形成泥包；若鉆遇滲透率高的地層，在壓差的作用下，井壁上容易大量吸附井筒內(nèi)未及時(shí)攜帶出的巖屑和有害固相進(jìn)而形成虛厚泥餅，起下鉆的時(shí)候容易在鉆頭部位堆積而形成泥包[8]。

2.2 鉆井液性能因素

鉆井液的密度、抑制性、潤滑性和固相含量等都會(huì)對(duì)鉆頭泥包產(chǎn)生重要影響。鉆井液密度較大，失水較多時(shí)，井筒內(nèi)的固相顆粒容易吸附在井壁上形成粗糙的厚泥餅；鉆井液抑制性差，則會(huì)導(dǎo)致粘土礦物的水化分解難以實(shí)現(xiàn)有效控制；鉆井液的潤滑性能差則無法對(duì)鉆頭形成有效的保護(hù)，造成鉆井液中有害固相容易吸附在鉆頭上；鉆井液中的固相含量過高時(shí)，井底巖屑無法得到及時(shí)清除，容易粘附在鉆頭表面。

2.3 工程技術(shù)因素

鉆進(jìn)過程中排量太小，無法及時(shí)有效地沖洗井底和鉆頭，同時(shí)鉆井液循環(huán)速度太慢，攜巖能力不足，不能及時(shí)有效地將巖屑攜帶出來，導(dǎo)致巖屑長時(shí)間滯留在井內(nèi)，易粘附在井壁上形成虛厚泥餅，尤其是在高速鉆進(jìn)巖屑產(chǎn)生速度快時(shí)更為嚴(yán)重；鉆壓是影響機(jī)械鉆速的重要參數(shù)，在理想條件下，鉆進(jìn)速度與鉆壓是成正比的，但在軟泥巖地層的鉆進(jìn)過程中，如果鉆壓過大、送鉆不均勻或發(fā)生頓鉆，鉆速變慢后盲目增大鉆壓等都會(huì)導(dǎo)致鉆頭與地層接觸面積加大而使鉆頭快速泥包；長裸眼井段起下鉆過程未進(jìn)行中途循環(huán)，導(dǎo)致井壁上的虛厚泥餅被鉆頭刮下后沒有及時(shí)沖刷掉，堆積在鉆頭下方被壓實(shí)后造成鉆頭泥包；下鉆遇阻時(shí)未開泵即強(qiáng)行下壓同樣會(huì)導(dǎo)致泥餅堆積而造成鉆頭泥包；下鉆到底時(shí)在泥漿泵未啟動(dòng)的情況下先轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤導(dǎo)致鉆頭直接與地層接觸，也會(huì)造成鉆頭泥包。當(dāng)泥漿泵發(fā)生故障導(dǎo)致泵效過低或者鉆具發(fā)生刺漏造成鉆頭干鉆時(shí)，鉆頭得不到有效的水力清洗，從而導(dǎo)致泥包現(xiàn)象出現(xiàn)；鉆井過程中井身質(zhì)量不合格，導(dǎo)致井深全角變化率過大，在起下鉆過程中，鉆頭緊貼井壁造成鉆頭泥包。

2.4 鉆頭結(jié)構(gòu)因素

PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)直接影響其水力清洗的效果，因此鉆頭的結(jié)構(gòu)對(duì)于泥包的產(chǎn)生也具有非常重要的影響[9]。采用散步式布齒和淺錐輪廓的鉆頭，水力清洗效果較差；鉆頭切削齒側(cè)傾角較小時(shí)，巖屑不易排出；鉆頭水眼的位置與噴射角度不合理，導(dǎo)致鉆井液在井底產(chǎn)生渦流，使得刀翼和切削齒得不到充分有效地清洗，也會(huì)造成巖屑在鉆頭表面層粘附而產(chǎn)生泥包現(xiàn)象；鉆頭噴嘴尺寸太小，造成鉆頭壓耗大，噴嘴排量過小，則會(huì)導(dǎo)致攜巖能力難以達(dá)到排屑要求；鉆頭流道角度設(shè)計(jì)不合理，排屑槽太窄，導(dǎo)致巖屑難以及時(shí)地離開井底，長時(shí)間地堆積后也會(huì)造成鉆頭泥包。

3 PDC鉆頭泥包的預(yù)防措施

3.1 調(diào)整鉆井液性能

鉆井液的性能對(duì)于PDC鉆頭的泥包是一個(gè)非常重要的影響因素，因此在易發(fā)生泥包的井段，可以通過調(diào)整鉆井液的性能來預(yù)防泥包現(xiàn)象的發(fā)生[10]。通過控制鉆井液密度和失水，可以改善泥餅質(zhì)量；通過添加抑制劑提高鉆井液的抑制性，對(duì)泥頁巖的水化分解實(shí)現(xiàn)有效控制；鉆井液中的固相含量需要加強(qiáng)控制，降低鉆井液粘切力，及時(shí)清除有害固相；在鉆井液中加入一定量的潤滑劑、表面活性劑和清潔劑，提高鉆井液潤滑性，可對(duì)鉆頭形成有效地保護(hù)，減少鉆頭表面的鉆屑吸附量；此外，在進(jìn)入膏質(zhì)地層前需提前向鉆井液中加入堿性物質(zhì)，防止其污染鉆井液；對(duì)于滲透性強(qiáng)的砂巖層，可在鉆井液中加入屏蔽暫堵材料來降低滲透性漏失。

3.2 工程技術(shù)措施

在設(shè)備允許的條件下，易泥包井段盡量采用大排量鉆進(jìn)，以保證對(duì)井底和鉆頭實(shí)現(xiàn)有效地沖洗，而且能及時(shí)將井筒內(nèi)的巖屑攜帶出來，防止形成虛厚泥餅；在軟泥巖地層，應(yīng)采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速，要求司鉆操作精細(xì)，勤點(diǎn)少放，均勻送鉆；下入PDC鉆頭前，可采取一系列措施來防止鉆頭泥包：應(yīng)進(jìn)行充分循環(huán)，防止井內(nèi)滯留巖屑水化分解；應(yīng)進(jìn)行短起下將井壁上的泥餅剮蹭、擠壓，在短起下效果不好時(shí)可以先用牙輪鉆頭通井；可提前在鉆頭和扶正器上涂抹黃油，在其表面形成保護(hù)膜。長裸眼井段下鉆過程中要進(jìn)行中途循環(huán)，將鉆頭上堆積的泥餅沖刷干凈后再繼續(xù)下鉆；下鉆遇阻時(shí)不能盲目下壓，必須先開泵建立循環(huán)；下鉆到井底時(shí)也需要先開泵循環(huán)，使用大排量將鉆頭和井底進(jìn)行充分地清洗，待排量達(dá)到鉆進(jìn)要求時(shí)再采用低鉆壓鉆進(jìn)0.5～1.0 m。

3.3 合理選擇鉆頭

鉆頭切削齒的側(cè)傾角較大時(shí)，在鉆進(jìn)過程中對(duì)可巖屑產(chǎn)生側(cè)向推力，使其向鉆頭外側(cè)運(yùn)動(dòng)，有利于巖屑的外排，防止鉆頭產(chǎn)生泥包；鉆頭水眼的位置、尺寸、形狀、角度等對(duì)鉆頭的水力清洗效果有非常重要的影響，其設(shè)計(jì)應(yīng)有利于巖屑的排出；在泥包多發(fā)段應(yīng)選擇刀翼式PDC鉆頭，其排屑槽深且寬，過流體積大，水力清洗效果好[11]。

3.4 其他措施

通過在鉆頭表面制備一層功能性的涂層也可以防止鉆頭泥包。目前常用的涂層主要分為兩種：一種是通過在鉆頭表面產(chǎn)生微小的負(fù)電勢(shì)抑制帶負(fù)電荷的鉆屑吸附到鉆頭表面來防止泥包的涂層，主要包括鍍鎳涂層、環(huán)氧樹脂涂層和表面滲氮等[7,12-13]；另一種涂層通過降低表面能來減弱鉆頭對(duì)鉆屑的吸附，進(jìn)而防止泥包的產(chǎn)生，主要包括強(qiáng)化特氟龍等含氟聚合物涂層[14]。

4 PDC鉆頭泥包的處理措施

在鉆進(jìn)過程中發(fā)生泥包后應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，采取合理的措施進(jìn)行處理，防止泥包的情況加劇。首先將鉆頭提離井底，然后加大排量循環(huán)進(jìn)行水力沖洗，并高速轉(zhuǎn)動(dòng)嘗試將泥包甩掉；同時(shí)檢查鉆井液性能是否滿足要求，必要時(shí)及時(shí)調(diào)整鉆井液性能；在懸重不大時(shí)可快速上下大幅度活動(dòng)鉆具，然后下至井底不轉(zhuǎn)動(dòng)開泵循環(huán)5～10 min；上述操作反復(fù)進(jìn)行2個(gè)循環(huán)周后仍然無法解決泥包的問題，只能起鉆進(jìn)行人工清理泥包；若泥包非常嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重抽吸而導(dǎo)致無法起鉆的情況時(shí)，可以配制一定量的高效清潔劑和柴油的混合液注入到鉆頭附近，先進(jìn)行30 min左右的浸泡后再采用上述步驟進(jìn)行處理；若采取相應(yīng)的措施后鉆頭泥包仍反復(fù)發(fā)生，可以更換牙輪鉆頭進(jìn)行通井或者鉆進(jìn)一段距離，待地質(zhì)狀況改善后再用PDC鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)[15]。

5 結(jié)語

PDC鉆頭泥包嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)速度，主要體現(xiàn)在降低了鉆頭的切削作用和鉆井液的水力沖刷作用。

地質(zhì)因素、鉆井液性能因素、工程技術(shù)因素和鉆頭結(jié)構(gòu)因素是造成PDC鉆頭泥包的主要因素，其中地質(zhì)因素為不可控因素，其余為可控因素。

通過采取調(diào)整鉆井液的性能，強(qiáng)化工程技術(shù)，合理地選擇鉆頭以及在鉆頭表面制備功能性涂層等措施可以有效預(yù)防PDC鉆頭泥包。

發(fā)生鉆頭泥包后，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，及時(shí)采取相應(yīng)措施來清除泥包。