中古151 井二開PDC 鉆頭泥包原因和對策分析

明瑞卿 張時中 王越之

1.長江大學石油工程學院， 湖北 武漢 430100

2.中國石化河南石油工程有限公司， 河南 南陽 473132

0 前言

鉆頭泥包是指在鉆井作業中，鉆屑和無用固相吸附聚集在鉆頭表面，包裹住鉆頭切削刃，或堵塞鉆頭水眼或流道，使鉆頭無法正常工作的現象。在PDC 鉆頭未嚴重磨損或所鉆地層巖性未發生明顯變化時，出現鉆時明顯增加，鉆井泵泵壓上漲，扭矩變小而其他鉆進參數未發生變化的情況，則可能是井下鉆頭出現泥包［1－4］。

塔中西部近年來修改井深結構設計為三開以來，二開地層跨度大，鉆井技術難度高，復雜情況頻發。其中三疊系地層含有大段紫紅色和褐色泥巖，水化嚴重，頻繁造成PDC 鉆頭泥包，導致鉆頭無法正常工作，甚至被迫起鉆清洗鉆頭，嚴重制約了鉆井的經濟效益。

1 中古151 井基本情況

中古151 井是位于塔中西部的一口預探井。井型為直井，其丼身結構為三開設計。一開采用Ф 311.2 mm 鉆頭鉆至井深1 503.6 m 下入Ф 244.5 mm 表層套管，二開采用Ф 215.9 mm 鉆頭鉆至井深6 087.0 m 下入Ф 177.8 mm技術套管，三開使用Ф 152.4 mm 鉆頭鉆至井深6 223.81 m裸眼完鉆。鉆井周期為109 d，平均機械鉆速4.8 m/h。二開井段共穿越第三系、白堊系、三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系和奧陶系共8 個層位，其中三疊系、二疊系、石炭系和志留系4 個地層均有大段泥巖存在。

該井在鉆進過程中，二開井段發生了4 次鉆頭泥包，分別發生在三疊系井深2 858 m 處2 個水眼被堵死，三疊系和二疊系交界處井深3 480 m 和井深3 655 m，鉆頭多個刀翼被泥包，在奧陶系井深5 464 m 處由于三疊系泥巖水化造漿導致PDC 鉆頭起鉆后發現四刀翼泥包。塔中西部區域內多口鄰井，如中古157 H 井、中古14－3 H 井等也多次發生類似的泥包。二開鉆進時，三疊系地層上部的紫紅色泥巖，三疊系和二疊系交界處紅褐色泥巖水化造漿嚴重，PDC 鉆頭泥包頻繁發生。

2 PDC 鉆頭泥包原因分析

2.1 水敏性黏土礦物組分原因

對三疊系紫紅色泥巖和褐色泥巖進行X 射線衍射礦物成分分析(表1)。三疊系地層黏土礦物總量高，紫紅色泥巖黏土總量近45，這是該地層發生鉆頭泥包的主要原因之一。同時，雖然純蒙脫石剖面缺失，但伊蒙間層含量高達50左右，且間層比高，泥巖水化造漿比其他地層更加嚴重，鉆頭泥包易于發生。

表1 黏土礦物含量X 射線衍射結果

2.2 泥巖理化性能原因

對三疊系鉆屑進行理化性能試驗評價，三疊系地層泥巖的吸水性、膨脹性和分散性都很強，造成三疊系地層鉆進中水化造漿嚴重。劣質固相和巖屑影響了鉆井液的流變性，使得鉆頭泥包在這一地層發生。

根據現場鉆屑在自來水中的膨脹率實驗結果(表2)，三疊系上部紫紅色泥巖吸水膨脹性強，吸水線膨脹率達到15左右。

表2 現場鉆屑在自來水中的線性膨脹率

根據現場鉆屑在四種鉆井液體系和清水中的滾動回收率實驗結果(表3)，三疊系上部紫紅色泥巖分散性強，在現場使用的CP 全陽離子鉆井液，KCl－聚合物鉆井液，KCl－聚磺鉆井液和聚合物鉆井液四種鉆井液體系中滾動回收率僅60～70。

表3 現場鉆屑在四種鉆井液體系和清水中的滾動回收率

2.3 現場清潔劑使用原因

模擬現場鉆井液對鉆屑滾動回收率及鉆井液濾液對膨潤土的線性膨脹率發現，KCl－聚合物鉆井液體系對抑制三疊系地層黏土礦物水化，防止鉆頭泥包的發生有較好效果。但現場實際使用時，中古151 井僅在泥包發生后才開始加入RH－4 潤滑清潔劑，未及時使用清潔劑導致清潔劑實際使用效果較差，防泥包效果不佳［5－8］。

2.4 地層長期浸泡原因

塔中西部地層埋藏深度較東部更深，地層更厚，中古151 井二開從1 500 m 開始，2 509 m 進入三疊系地層，二開井段橫跨侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、志留系直至奧陶系近4 000 m 長，三疊系地層被鉆井液浸泡時間長達34 d。長時間被鉆井液浸泡加劇了地層泥巖水化作用，導致泥包發生。

3 PDC 鉆頭泥包預防措施

針對中古151 井三疊系鉆頭泥包嚴重的情況，提出預防措施:

1)應使用對泥巖水化抑制性較強的鉆井液體系。KCl－聚合物鉆井液體系對地層泥巖水化抑制性較強，使用KCl－聚合物鉆井液時，應提高KCl 的加量到4～5以抑制泥巖水化造漿，并保證鉆進過程中鉆井液膠液的及時補充。

2)保證鉆井液的潤滑性。應加入適量的防塌潤滑劑TYRF－1，低熒光潤滑劑RH－3 等，以保證鉆井液的潤滑性，減少鉆屑和劣質固相在鉆頭表面的附著。

3)加入適量清潔劑。打開三疊系地層之前，及時加入鉆井液清潔劑3～4DET-6。并防止鉆井液起泡影響泥餅質量。

4)降低鉆井液失水。進入三疊系之前，應檢查并調整鉆井液性能，控制固相含量小于10，API 失水小于8 mL;在二疊系井段加入超細碳酸鈣封堵地層中微孔隙和微裂縫。

5)控制鉆井液流變性。地層泥巖造漿會增加鉆井液黏度，適當使用降黏劑，及時替換污染的鉆井液，防止鉆井液中劣質固相的積累。

6)保證鉆頭沖洗效率。在三疊系和二疊系鉆進時，使用Ф 127 mm－S 135 大水眼鉆桿，鉆井液排量在215.9 mm井眼中應達到33 L /s，在243.1 mm 井眼中應達到42 L /s，以保證鉆頭的沖洗效率，鉆完單根后，應循環沖洗鉆頭后再進行接單根作業，以保證井底凈化充分。

7)勤劃眼，嚴格控制起下鉆。在二開井段，特別是三疊系和二疊系地層應勤劃眼，為修整井壁每200 m 進尺短起下鉆一次，并嚴格控制起下鉆速度［9－10］。

4 結論

1)鉆頭泥包的主要原因是地層高黏土礦物含量。水敏性礦物含量越高，泥巖膨脹性、分散性就越強，地層造漿越嚴重。鉆井液污染后鉆屑及劣質固相吸附與鉆頭表面造成PDC 鉆頭泥包。

2)使用強抑制性鉆井液體系控制泥巖水化是防止鉆頭泥包的主要措施。

3)正確使用鉆井液清潔劑有助于提高防泥包效果。

4)大排量清洗鉆頭，保證井底凈化效率是減少鉆頭泥包必不可少的措施。

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