削減PDC鉆頭泥包提高機(jī)械鉆速的技術(shù)途徑

韓斅 彭芳芳 徐同臺(tái) 潘小鏞

北京石大胡楊石油科技發(fā)展有限公司

削減PDC鉆頭泥包提高機(jī)械鉆速的技術(shù)途徑

韓斅 彭芳芳 徐同臺(tái) 潘小鏞

北京石大胡楊石油科技發(fā)展有限公司

采用PDC鉆頭與水基鉆井液配合方式鉆進(jìn)泥頁(yè)巖地層時(shí)，如何防止鉆頭泥包成為提高鉆速的一大技術(shù)難點(diǎn)。為此，首先介紹了國(guó)外水基鉆井液和水基鉆井液添加ROP增速劑的鉆頭提速室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)取得的成果；然后用典型實(shí)例分別評(píng)述了PDC鉆頭優(yōu)化（結(jié)構(gòu)、氮化處理）以及在泥巖段地層中應(yīng)用水基鉆井液添加ROP增速劑的提速效果。考慮到鉆井液的費(fèi)用和環(huán)保問(wèn)題，認(rèn)為加入ROP增速劑的水基鉆井液配合拋光PDC鉆頭將是軟泥巖地層提速的有效技術(shù)途徑，其應(yīng)用一定會(huì)有更廣闊的前景。

泥頁(yè)巖 水基鉆井液 PDC鉆頭 鉆頭泥包 增速劑 鉆速評(píng)價(jià)方法

石油鉆井遇到的地層中，頁(yè)巖或泥質(zhì)類型占60%～80%。頁(yè)巖吸水后容易膨脹和水化，導(dǎo)致鉆頭泥包和井壁失穩(wěn)等問(wèn)題，降低了鉆井效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年與“頁(yè)巖鉆井問(wèn)題”有關(guān)的時(shí)間和材料費(fèi)用損失，每年約5億美元［1］。

滲透壓力和裸眼液柱壓力能夠提供鉆井液濾液向頁(yè)巖孔隙滲透的水力學(xué)動(dòng)力，形成井壁過(guò)平衡，維持低強(qiáng)度頁(yè)巖的井壁穩(wěn)定。擁有高滲透率地層的井段由于壓力釋放，使得暴露在水基鉆井液中的裸眼地層產(chǎn)生較小的井內(nèi)壓力梯度，井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)較小。相比之下，軟韌性頁(yè)巖的機(jī)械強(qiáng)度弱，滲透率非常低，侵入的濾液將提高近井壁處的孔隙壓力，由于壓力不能像高滲透率地層一樣盡快向遠(yuǎn)處釋放，所以容易產(chǎn)生井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。PDC鉆頭與油基、合成基鉆井液結(jié)合使用鉆進(jìn)泥頁(yè)巖地層時(shí)，因?yàn)橛突蚝铣苫@井液能夠降低扭矩、減弱鉆柱黏附、防止鉆頭泥包、保持井壁穩(wěn)定，機(jī)械鉆速通常比PDC鉆頭在水基鉆井液中使用時(shí)要高得多。但在環(huán)保要求嚴(yán)格的地方，油基鉆井液的使用通常會(huì)受到限制，迫使運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)公司投入相當(dāng)多的資源，努力改善PDC鉆頭在水基鉆井液（WBM）中的使用性能。

從發(fā)展情況來(lái)看，要解決鉆頭泥包、提高機(jī)械鉆速和井壁失穩(wěn)等問(wèn)題，需要綜合考慮鉆頭設(shè)計(jì)和鉆井液體系性能。優(yōu)化的鉆頭設(shè)計(jì)和在水基鉆井液中加入ROP增速劑能顯著減少鉆頭泥包和提高鉆井效率。

1 室內(nèi)鉆頭防泥包評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

為評(píng)價(jià)鉆頭和鉆井液設(shè)計(jì)對(duì)減少鉆頭泥包和提高鉆井速度的效果，國(guó)外大公司在室內(nèi)做的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)肯定了鉆頭改進(jìn)和ROP的提速效果。

1.1 單點(diǎn)牙輪鉆頭試驗(yàn)

殼牌石油公司的Oort E V等人設(shè)計(jì)的高壓?jiǎn)吸c(diǎn)牙輪鉆井模擬器只含一組牙輪。由于鉆屑由單組牙輪產(chǎn)生，該儀器可以更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)切削齒特性（如表面光潔度）和ROP增速劑對(duì)鉆屑尺寸的影響。此外，由于單組牙輪難以發(fā)生鉆頭泥包現(xiàn)象，可以評(píng)估在不發(fā)生鉆頭泥包的情況下切削齒特性和ROP增速劑對(duì)鉆井過(guò)程的影響［1］。測(cè)試過(guò)程中，單組牙輪在鉆井液壓力下以恒定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，對(duì)軸向和切向載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)傳感器記錄壓力，轉(zhuǎn)速，軸向載荷，切向載荷和軸向位移隨時(shí)間的變化進(jìn)行評(píng)價(jià)。

使用后傾角為20°切削深度1.27 mm的鉆頭，在120 r／min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行單點(diǎn)牙輪鉆井模擬試驗(yàn)。牙輪載荷越大，說(shuō)明發(fā)生的泥包現(xiàn)象越嚴(yán)重。從圖1可見(jiàn)，鉆頭在合成基鉆井液（Synthetic－Based Mud簡(jiǎn)稱SBM）中的牙輪載荷最低；鉆頭在水基鉆井液（Water－Based Mud，簡(jiǎn)稱WBM）中的牙輪載荷最大；水基鉆井液中加入ROP增速劑后載荷明顯下降，拋光后的鉆頭載荷比未拋光鉆頭的載荷要小得多。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1、2［2］。

圖1 未拋光單點(diǎn)牙輪鉆頭載荷測(cè)試分析圖

圖2 拋光單點(diǎn)牙輪鉆頭載荷測(cè)試分析圖

1.2 全尺寸模擬測(cè)試

美國(guó)貝克休斯公司的Ron［3］等人設(shè)計(jì)的高壓全尺寸鉆井模擬器，由于可以直接觀察和使用計(jì)算機(jī)控制測(cè)試環(huán)境，使全尺寸鉆井模擬器非常適合研究鉆頭泥包現(xiàn)象。該儀器可以恒定鉆壓（WOB），測(cè)試機(jī)械鉆速的變化，反之亦然。為了在測(cè)試中更快產(chǎn)生的鉆頭泥包，需要將水力學(xué)馬力調(diào)到較低值。產(chǎn)生鉆頭泥包時(shí)，鉆壓會(huì)顯著增大。使用全尺寸高壓鉆井模擬器測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3［3］。

圖3 不同鉆壓下的PDC鉆頭測(cè)試機(jī)械鉆速圖

使用 215.9 mm的拋光和未拋光鉆頭，在水馬力為3HSI、轉(zhuǎn)速為120 r／min、井底壓力為41.36 MPa的條件下進(jìn)行高壓全尺寸鉆井模擬器測(cè)試。

1.3 微型鉆機(jī)測(cè)試

美國(guó)Hughes Christensen公司設(shè)計(jì)的微型鉆機(jī)測(cè)試裝置可以模擬高壓鉆井，測(cè)試過(guò)程中，可以在恒定鉆壓（WOB）或恒定機(jī)械鉆速的模式下進(jìn)行。可以恒定鉆壓模式下測(cè)試機(jī)械鉆速的變化或在恒定機(jī)械鉆速的模式下測(cè)試鉆壓的變化。

在恒定鉆壓11 k N、轉(zhuǎn)速60 r／min的條件下進(jìn)行微型鉆機(jī)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖4［4］所示。

圖4 不同鉆頭和不同加量ROP增速劑測(cè)試機(jī)械鉆速圖

2 PDC鉆頭改進(jìn)及應(yīng)用效果

2.1 PDC鉆頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

水基鉆井液中使用PDC鉆頭鉆探頁(yè)巖層時(shí)，如果小頁(yè)巖片不能及時(shí)從PDC排屑槽排出，單個(gè)小頁(yè)巖片便容易黏接在一起形成長(zhǎng)的“帶狀”頁(yè)巖片，很難再分開(kāi)。由于帶狀巖屑尺寸較大（通常為幾英寸或更長(zhǎng)），更難從排屑槽排出，導(dǎo)致相互聚集而結(jié)塊，形成泥包。

通過(guò)優(yōu)化鉆頭設(shè)計(jì)，如增大排屑槽的容量以收納和排放更多的鉆屑、優(yōu)化噴嘴位置以提供足夠的水力學(xué)動(dòng)力，用切削齒深度控制鉆屑數(shù)量和大小等途徑，減少鉆頭泥包的形成。

使用水基鉆井液時(shí)，泥包對(duì)鉆具的黏附力與ROP增速劑、PDC鉆頭排屑槽容量、切削齒的鋒利度和表面光潔度等因素有關(guān)。為了探究PDC鉆頭類型對(duì)泥包形成的影響，殼牌公司Oort E V等人利用高壓全尺寸鉆井模擬器對(duì)不同類型PDC鉆頭鉆探頁(yè)巖層時(shí)對(duì)泥包形成的影響因素進(jìn)行了評(píng)價(jià)［2］。

試驗(yàn)測(cè)試證明：由于大容量的排屑槽更容易收納和排放更多的鉆屑，使用排屑槽小的鉆頭比排屑槽大的鉆頭更易出現(xiàn)鉆頭泥包。

PDC切削齒拋光鉆頭較標(biāo)準(zhǔn)PDC鉆頭具有更好的鋒利度，與ROP增速劑結(jié)合使用能減少鉆頭泥包，顯著提高機(jī)械鉆速。

2002年澳大利亞近海地區(qū)［5］，在澳大利亞近海距離西北大陸架16 km處，A、B兩口井的 215.9 mm井眼段，使用不同的鉆井液和鉆頭鉆進(jìn)。其中A井采用油包水型合成基鉆井液和八刀翼PDC鉆頭（含倒劃眼齒）鉆進(jìn)，平均鉆速為29.82 m／h。B井采用ROP增速劑加量為2%的聚乙二醇水基鉆井液和六刀翼PDC鉆頭（不含倒劃眼齒）鉆進(jìn)，平均鉆速為45.6 m／h，鉆速超過(guò)A井50%。該結(jié)果證明，優(yōu)選合適的鉆頭，使用含ROP增速劑的水基鉆井液的鉆井速度已超越油基鉆井液的鉆進(jìn)速度。

2.2 PDC鉆頭表面性質(zhì)的處理

除了鉆頭形狀外，對(duì)鉆頭的表面材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)也可以防止黏土對(duì)鉆頭的黏附，達(dá)到防止鉆頭泥包的目的。

多翼鉆頭通常含有大量的鎳銅，能提供較強(qiáng)的正電勢(shì)，經(jīng)過(guò)氮化處理后能將正電勢(shì)轉(zhuǎn)化為非常強(qiáng)的負(fù)電勢(shì)。氮化處理后鉆頭的鋼材表面，相對(duì)于鉆井液體系呈電負(fù)性，鉆井液中的電負(fù)性離子被鉆頭表面排斥，水分子遷移到帶電金屬表面，形成潤(rùn)滑層，達(dá)到防止鉆屑吸附，產(chǎn)生抗泥包的效果［1］。氮化處理鉆頭已在北海和墨西哥灣等地區(qū)應(yīng)用成功，不僅解決了鉆頭泥包問(wèn)題，提高了機(jī)械鉆速，還降低了鉆井成本。

在北海的一口井的311.2 mm井段中，由于頁(yè)巖水化和鉆頭泥包問(wèn)題嚴(yán)重，使用特殊防泥包設(shè)計(jì)的鉆頭鉆探時(shí)，鉆井速度仍然非常低，前后兩個(gè)特殊防泥包鉆頭的鉆速分別只有4.1 m／h和3.8 m／h。改用氮化處理的表面改性鉆頭之后，再未出現(xiàn)鉆頭泥包現(xiàn)象。鉆井速度由之前的4.1 m／h和3.8 m／h提高到6.4 m／h，鉆井成本分別由2 568＄／m和1 060＄／m減少為814＄／m，節(jié)省了78 000＄，大大降低了鉆井成本。

在挪威，使用KCl／聚合物鉆井液體系（加入3%聚合醇），使用氮化處理鉆頭（S611 ABC）在 444.5 mm井眼的鉆頭進(jìn)尺為1 917 m，平均機(jī)械鉆速達(dá)42.7 m／h。在另一口井斜為58.1°的井中，使用相同的鉆井液體系和氮化處理鉆頭，創(chuàng)造了該地區(qū)最長(zhǎng)的單個(gè)鉆頭進(jìn)尺1 918 m，平均機(jī)械鉆頭為48.8 m／h，其中前1 800 m井段的平均機(jī)械鉆速高達(dá)60 m／h。

3 水基鉆井液ROP增速劑的應(yīng)用效果

水基鉆井液ROP增速劑（ROP enhancer），國(guó)內(nèi)又叫快速鉆井劑［5－8］，主要從早期的油類發(fā)展到目前的表面活性劑。

3.1 作用機(jī)理

ROP增速劑加入到水基鉆井液中，能夠減少鉆頭泥包和提高井壁穩(wěn)定性，作用機(jī)理有3個(gè)方面。

1）快速滲入巖屑和地層之間的微裂縫，阻止微裂縫的復(fù)原，防止巖屑的重復(fù)破碎。

2）防止泥頁(yè)巖水化形成黏性泥團(tuán)。

3）有效吸附在鉆頭、BHA等金屬表面，使其變成為弱親水或非親水性，降低部分水化泥頁(yè)巖在金屬表面的黏附。

3.2 ROP增速劑特點(diǎn)和適應(yīng)性

1）油或油類似物：1937年，在Pottawatamie County，Oklahomall首次報(bào)道了水基鉆井液中使用一種油性物質(zhì)提高鉆速［4］，該油性物質(zhì)即為最初的ROP增速劑。油或?yàn)橛皖愃莆飸腋』蚍稚⒃谒@井液中，即為常規(guī)乳化鉆井液。但是油類化合物增速劑在水基鉆井液中的加量一般大于10%，在環(huán)保要求嚴(yán)格的地區(qū)，其應(yīng)用受到限制。

2）萜烯類：1991年，在得克薩斯州Austin Chalk，發(fā)現(xiàn)使用低濃度的萜烯混合物，能顯著降低阻力和扭矩，顯著提高機(jī)械鉆速。1994年J.R.Hasley等人使用含萜烯的水基鉆井液在南得克薩斯Wilcox開(kāi)發(fā)井中應(yīng)用成功。與柴油基鉆井液相比，該體系具有很大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)勢(shì)，超過(guò)45口井使用了這一鉆井液體系，數(shù)據(jù)顯示，某些井的平均鉆速，較柴油基鉆井液提高了30%，總的鉆井成本下降20%［9］。萜烯濃度較稀時(shí)具有柑橘或松樹(shù)般的清香味，但在封閉的環(huán)境中，會(huì)導(dǎo)致濃度富集，具有一定的刺激性，加之對(duì)海洋生物的毒性。現(xiàn)在大多數(shù)鉆井區(qū)域，已停止了萜烯的使用。

3）高分子量聚合醇：高分子量不可溶聚丙二醇（PPG）具有無(wú)毒、無(wú)味的特點(diǎn)，與PDC鉆頭配合使用能夠顯著提高鉆井速度，尤其與乙烯基磺酸鹽共聚物配合使用時(shí)效果更佳，可作為萜烯類水基鉆井增速劑的替代品。1993年報(bào)道了在Bay Marchand鉆井項(xiàng)目中，使用一種PPG／鋁復(fù)合物鉆井液體系，PPG是一種非水溶性聚丙二醇，鉆井液中只需要添加少量的PPG（1%～5%），平均機(jī)械鉆速為6.70 m／h，是鄰井KOH／石灰鉆井液體系2.74 m／h的2倍多［10］。PPG只適合由淺層到中間層段的鉆進(jìn)。

4）異構(gòu)烯烴和石蠟：鉆進(jìn)更深的地層，特別是海上鉆井時(shí)，主要使用異構(gòu)烯烴類活性物質(zhì)的產(chǎn)品，異構(gòu)烯烴類增速劑產(chǎn)品可生物降解，無(wú)毒，與鉆井液體系／處理劑兼容性好。能夠提高井眼清潔，防止鉆頭泥包和鉆屑重復(fù)破碎，提高了鉆井效率。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室高壓全尺寸鉆井測(cè)試和油田現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證［10］，異構(gòu)烯烴鉆井增速劑配合合適的鉆頭，在水基鉆井液中能顯著減少鉆頭泥包和提高鉆井速度，比OBM或SBM更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

Halliday等人［11］從白油及食用級(jí)石蠟中篩選了一種用作ROP提速劑的非毒性、可生物降解的純化石蠟，與表面活性劑配合使用具有較好的潤(rùn)滑性，在鉆井液中的加量為1%～2%時(shí)能夠顯著提高機(jī)械鉆速［11］。

5）表面活性劑類：Friedheim等人研制了一種新型水基鉆井液，該鉆井液配方中使用了一種表面活性劑混合物ROP增速劑。國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較成功的是孫金生等研發(fā)的KSZJ鉆井增速劑。KSZJ由帶電荷的蛋白質(zhì)類大分子＋表面活性劑＋其他輔助成分組成。分子結(jié)構(gòu)具備強(qiáng)吸附基團(tuán)，有較長(zhǎng)的多官能團(tuán)分子鏈以及較長(zhǎng)的烴基側(cè)鏈。既能提高定向吸附能力，又能使鉆具、鉆屑和井壁潤(rùn)濕性從強(qiáng)親水向弱親水方向轉(zhuǎn)變［7］。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外鉆井提速劑產(chǎn)品的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，各大公司及目前應(yīng)用的鉆井提速劑成分主要是混合表面活性劑。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

KSZJ快速鉆井劑在勝利油田的試驗(yàn)證明：在相同鉆具結(jié)構(gòu)、水力參數(shù)條件下與鄰井同井段相比，機(jī)械鉆速在砂巖段提高26%，泥巖段提高18%。

1997年美國(guó)Louisiana油田［4］，在Louisiana近海區(qū)，使用ROP增速劑與牙輪鉆頭鉆進(jìn)687.6 m深的井段，平均鉆速4.94 m／h。在鄰井，使用未添加ROP增速劑的鉆井液用PDC鉆頭鉆進(jìn)，平均鉆速僅為1.34 m／h。在測(cè)試井中，相同的鉆井液中添加了ROP增速劑后，使用PDC鉆頭的平均鉆速增加到6.80 m／h，相對(duì)于使用ROP增速劑的牙輪鉆頭和未使用ROP增速劑的PDC鉆頭，鉆進(jìn)速度分別提高了38%和400%。

4 結(jié)論與展望

鉆頭結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)對(duì)減少鉆頭泥包和提高鉆井速度有重要的影響，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，大體積排屑槽、鋒利的拋光牙輪結(jié)構(gòu)和電負(fù)性表面PDC鉆頭能減少鉆頭泥包，提高鉆井速度。

通過(guò)在水基鉆井液中加入ROP增速劑，能顯著抑制鉆頭泥包的形成，提高機(jī)械鉆速和井壁穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，ROP增速劑的組成和性能得到不斷地提升。目前，ROP增速劑的主要由環(huán)保性能和功能更好的復(fù)配表面活性劑組成。

目前結(jié)合鉆頭和水基鉆井液優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆探高壓深層頁(yè)巖層時(shí)，還不能完全消除鉆頭泥包。但室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，在水基鉆井液中加入ROP增速劑，并配合使用拋光鉆頭的效果已經(jīng)逐步趕上或超過(guò)逆乳化鉆井液體系，并凸顯出其在環(huán)保和成本上的優(yōu)勢(shì)。隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，水基鉆井液及ROP增速劑的應(yīng)用一定會(huì)有更廣闊的前景。

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Technical methods for mitigating PDC bit bailing and improving the rate of penetration（ROP）

Han Xiao，Peng Fangfang，Xu Tongtai，Pan Xiaoyong
（Beijing Shida Huyang Petroleum Science ＆Technology Development Co.，Ltd.，Beijing 102200，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 8，pp.88－91，8／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

The prevention of bit bailing has become a bottlenecking problem in the improvement of rate of penetration（ROP）when a PDC bit is used for drilling in shale formation together with water－based drilling fluids.This paper first introduced foreign waterbased drilling fluids and the achievements in indoor simulating experiments on the ROP enhancement by adding accelerating agents into the water－based drilling fluid.Then some typical case histories were used to make comments on the PDC bit optimization（structure and nitrogen treatment）and the acceleration effect of drilling in shale formations by use of the water－based drilling fluid with ROP accelerating agents added.Moreover，concerning the drilling fluid cost and environmental protection，it is regarded as an effective technical method to improve the ROP when drilling in soft mudstone formations using the polished PDC bit along with the waterbased drilling fluid with ROP accelerating agents added.

clay shale，water－based drilling fluid，PDC bit，bit bailing，ROP accelerator，ROP evaluation method

韓斅等.削減PDC鉆頭泥包提高機(jī)械鉆速的技術(shù)途徑.天然氣工業(yè)，2012，32（8）：88－91.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.019

韓斅，1985年生，工程師，中國(guó)石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)碩士研究生；主要從事鉆井液材料與配方研究工作。地址：（102200）北京市昌平區(qū)科技園區(qū)火炬街23號(hào)石大胡楊公司。電話：18611896212。E－mail：hanxiao5977＠gmail.com

（修改回稿日期 2012－06－05 編輯 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.019

Han Xiao，engineer，born in 1985，is mainly engaged in research of material and formula of drilling fluids.

Add：No.23，Huoju Street，Changping Science ＆Technology Park，Changping District，Beijing 1022000，P.R.China

E－mail：hanxiao5977＠gmail.com