PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包機理及對策研究進展

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泥包的現(xiàn)象經常出現(xiàn)。本文分析其泥包機理，總結形成鉆頭泥包的影響因素，進而提出三個方面的防止PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包的對策。

關鍵詞：PDC鉆頭；PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包機理；影響因素；對策

1.PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包機理

PDC鉆頭泥包是指在下鉆過程或者鉆進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泥包是一個復雜的過程，泥包的形成對于PDC鉆頭的使用效率具有重大的影響，一方面使鉆機的下鉆的速度減慢，鉆頭切入地層的功能不能得到有效的發(fā)揮，嚴重還會產生活塞現(xiàn)象，下鉆時造成壓力變化，從而在起鉆時誘發(fā)非常危險的井噴。另一方面鉆頭泥包的形成也會導致鉆頭的切削齒壽命下降。鉆頭工作中切削齒會產生大量的熱損耗，但是由于泥包的形成對于鉆頭起到包裹的作用，因此鉆井液不能很快滲進去對切削齒進行有效得冷卻，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。

2.PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包影響因素

通過對PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包的機理進行分析，影響PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包的因素主要有5個方面：①地層性質。地層性質在影響PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包過程中屬于不可控因素，地層結構組成如礦物的組成、黏土的含量、水含量以及顆粒大小對巖層的黏附性能產生重要的影響，其次泥巖層的水化也會形成鉆頭泥包。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泥包。③鉆頭結構。鉆頭泥包的形成跟切削齒和鉆頭體的黏附有關，PDC鉆頭的結構中，鉆頭的類型和冠部形狀與泥包的形成有關，一般來說，脊柱式PDC鉆頭更容易形成泥包。其次鉆頭結構中的水力結構和切削齒結構參數也會影響泥包的形成。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鉆頭水力學參數。鉆頭水力學參數包括噴嘴射流速度、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，對下鉆的速度產生影響，其中水力功率和鉆頭流量的增大會引起下鉆速度的提高。

3.處理鉆頭泥包的對策

PDC鉆頭泥包的形成對于鉆頭下鉆效率產生重大的影響，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過程中能夠對泥漿的中固加強控制。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對鉆井工藝參數和操作方法進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，這兩個過程都會對巖壁進行刮削和擠壓，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行合理的分析和設計。如下鉆時采用短起下鉆的方式，將較厚的泥餅拉薄和壓實，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。其次，在軟泥巖中進行鉆進時，要把鉆壓調低，轉速調高，爭取以大排量鉆進，另外也要對鉆進的過程進行合理的控制。在下鉆和起鉆的過程中，要對巖石情況和鉆頭性能參數進行巡回的監(jiān)測和檢查，保證鉆進過程的安全性和有效性。

3.3對鉆頭進行鉆前和鉆后的防護

PDC鉆頭的防護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，形成潤滑的保護膜，并且還可以用細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的磨損同時脫落，這樣既對鉆頭性能進行保護，又能使黏附的泥沙在鉆進過程中自動脫落從而避免堵塞。

4.結語

PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包的現(xiàn)象在鉆井工作中是比較常見的，鉆頭泥包的機理比較復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的方法來改善鉆頭泥包的現(xiàn)象。

參考文獻：

[1]陳修平，鄒德永.PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包機理及對策研究進展[J].天然氣工業(yè)，2014，02：87-91.

[2]陳培亮.PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包機理研究[J].中國石油和化工標準與質量，2014，12：167.

作者簡介：

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

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