淺析PDC鉆頭及泥包原因分析和對策

陳紅玲（新疆油田公司概預算中心克拉瑪依　834000）

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淺析PDC鉆頭及泥包原因分析和對策

陳紅玲
（新疆油田公司概預算中心克拉瑪依834000）

摘要使用PDC鉆頭是現代鉆井提高鉆速采用的普遍方法，很多鉆井隊在施工過程中經常碰到PDC鉆頭泥包的情況，這不僅延長了鉆井周期，還給現場施工人員帶來更大的工作量和施工風險。找到PDC鉆頭泥包的原因，如何避免反復發生鉆頭泥包現象是本文主要討論的內容。

關鍵詞PDC鉆頭原因對策

DOI∶10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.02.014

1　 PDC鉆頭簡介

PDC鉆頭屬一體式鉆頭，整個鉆頭無活動部件，主要有鉆頭體、冠部、水力結構（水眼或噴嘴、水槽亦稱流道、排屑槽）、保徑、切削刃（齒）五部分，見圖1。

圖1

1.1 PDC鉆頭的工作原理

PDC鉆頭的鉆井液從水眼中流出，經過各種分流元件分散到鉆頭工作面各處冷卻、清洗、潤滑切削齒。鉆頭的水眼位置和數量根據鉆頭結構而定。保徑部分在鉆進時起到扶正鉆頭、保證井徑不致縮小的作用。采用在鉆頭側面鑲裝金剛石的方法達到保徑目的時，金剛石的密度和質量可根據鉆頭所鉆巖石的研磨性和硬度而定。對于硬而研磨性高的地層，保徑部位的金剛石的質量較高，密度也較大。

1.2 PDC鉆頭破巖機理要點

⑴在鉆進某些硬地層時，在鉆壓作用下壓入巖石，使與切削齒接觸的巖石處于極高的應力狀態而使巖石呈現塑性。

⑵在塑性地層（或巖石在應力作用下呈塑性的地層），切削齒吃入地層并在鉆頭扭矩的作用下使前方的巖石內部發生破碎或塑性流動，脫離巖石基體，形成巖屑，這一切削過程相當于“犁地”，稱作犁削。巖屑的體積大體等于切削齒吃入巖石的位移體積。

⑶在脆性較大的巖石中，在鉆壓和扭矩作用下所產生的應力使巖石表現為脆性破碎，即屬于以剪力和張力破壞巖石。在這種情況下，PDC鉆頭的破巖速度較高，巖石破碎的體積遠大于切削齒吃入后位移的體積。

⑷在堅硬巖石（如燧石、硅質白云巖、硅質石灰巖等）中，由于切削齒本身強度的限制，較大粒度切削齒上的鉆壓不足以使巖石內部產生塑性變形，所以一般均采用細顆粒的金剛石制成孕鑲式切削齒來鉆進，其特點是要靠切削齒的棱角實現微切削、刻劃等方式來破碎巖石。這時分離出來的巖屑基本上是粒度很細的粉末。

2　使用PDC鉆頭鉆進中泥包的常見現象

⑴鉆進時進尺明顯變慢，或者說鉆時明顯升高；

⑵增大鉆壓或減小鉆壓對鉆速無明顯影響；

⑶地層變化時對鉆速影響不大；

⑷部分鉆頭水眼堵死，致使循環通道阻塞，不能有效通過導流槽排除鉆屑造成泥包。一般情況下泵壓略有升高或無明顯變化，但有時也會出現高泵壓；

⑸鉆頭牙齒不能有效吃入地層，表現出扭矩變小或扭矩波動范圍減小；

⑹起下鉆出現“拔活塞”現象；

⑺短起下鉆過后鉆速明顯變慢，繼續鉆進可能會逐漸恢復原鉆速而泥包解除，或者繼續變慢造成嚴重泥包導致無法鉆進；

⑻鉆進中發生鉆具刺漏、循環出現短路，處理完后鉆速明顯變慢。

3　造成PDC鉆頭泥包的原因

⑴地質因素：所鉆地層為上部不成巖的軟泥，極易粘帖于鉆頭表層，壓實后造成鉆頭泥包；地層中的泥頁巖雖成巖，但易于水化分散，使井眼內泥質或固相含量大增，吸附于鉆頭表面造成鉆頭泥包；或者地層中含有分散狀石膏，造成泥漿污染后，泥漿中的有害固相難于清除，使鉆頭被泥包的機率大增；地層滲透率高，在壓差作用下，吸附井筒內有害固相及未及時攜帶出的巖屑，形成厚泥餅，起下鉆時在PDC鉆頭下方堆積造成鉆頭泥包。

⑵泥漿性能因素：泥漿抑制性差，無法控制泥頁巖的水化分散；固相含量和粘切過高，鉆出的巖屑難于清除，易吸附在鉆頭表面，如果使用的是無固相鉆井液，鉆頭是絕對不會發生泥包的；泥漿比重偏高，失水大，易形成過厚的粗糙泥餅；潤滑性能差、鉆頭表面無法形成有效的保護膜，鉆井液中的劣質固相易吸附在鉆頭上。

⑶工程技術因素：鉆進中排量小，不能有效清洗井底及鉆頭，同時上返速度不足，巖屑在井內滯留時間長，粘附于井壁形成厚泥餅，尤其是中上部鉆速高時更為嚴重；在軟泥巖地層，鉆壓過大，地層或鉆屑與鉆頭表面形成直接接觸，造成鉆頭泥包；長裸眼下鉆未進行中途循環，從井壁上刮下的泥餅或鉆屑則會泥包鉆頭。

⑷鉆頭選型因素：水眼設計無法滿足排屑要求；流道排屑角阻礙了鉆屑順利脫離井底。

⑸操作水平因素：下鉆速度過快，鉆頭不是在順著螺旋型軌道向下滑行，而是在井壁上不斷刮削泥餅或鉆屑，極易造成鉆頭泥包；下鉆時遇阻不是接方鉆桿循環劃眼沖洗鉆頭，而是下壓或下沖，從井壁上刮下的泥餅或鉆屑則會泥包鉆頭；下鉆到底時操作方法有誤，如果先啟動轉盤，后啟動泵，同樣也會造成鉆頭泥包；在軟地層中鉆進時，送鉆不均勻。

4　 PDC鉆頭泥包的預防

4.1泥漿性能的調整

⑴混油或增加潤滑劑投入量，使鉆屑不易粘附到鉆頭上；

⑵加大鉆井液中聚合物含量，控制失水，提高泥餅質量；

⑶提高鉆井液抑制性，減少泥頁巖的水化分散；

⑷降低鉆井液粘度、切力，及時清除劣質固相；

⑸對高滲砂層，可使用屏蔽暫堵技術，減少滲透性漏失；

⑹對含膏巖層，應提前加堿，防止其污染泥漿。

4.2工程技術措施

⑴首先做好PDC鉆頭的選型工作，鉆頭水眼、流道設計應利于排屑；

⑵下入PDC鉆頭之前，應充分循環泥漿，清洗井眼，防止起鉆后滯留在井眼內的鉆屑繼續水化分散；

⑶下入PDC前先短起下鉆，對井壁泥餅進行刮削、擠壓，將厚泥餅拉薄、壓實，盡量保證井眼暢通、消除阻卡；在鉆頭泥包高發區，如果采用了所有方法也無法避免PDC鉆頭泥包，那么先使用牙輪通一趟井就成了必要手段；

⑷下鉆時在鉆頭流道表面涂滿黃油，形成一層保護膜，減少鉆頭與泥漿中的劣質固相直接接觸的時間，或者把鉆頭包起來，這樣做即便在深井中也是有一定作用的；

⑸下鉆時鉆頭不斷刮削井壁，井壁上的泥餅或滯留于井內的鉆屑會在鉆頭下堆積，到一定程度便會壓實在鉆頭上，那么下鉆中途進行循環，將鉆頭沖洗干凈也是有其必要的；

⑹下鉆過程中還應適當控制速度，防止鉆頭突然沖入砂橋，鉆進一堆爛泥中；另外如果速度恰當，PDC鉆頭會順著上一只鉆頭所鉆的螺旋形井眼軌道行進，而不是在井壁上劃拉下大量泥餅。

⑺每次下鉆到底時必須先開泵，盡量提高排量充分沖洗井底和鉆頭，等排量滿足要求后再輕壓旋轉鉆進0.5～1 m，這也是PDC鉆頭造型的要求。

⑻盡量采用大排量鉆進，保證PDC鉆頭的充分清洗與冷卻；

⑼在軟泥巖中鉆進，應盡量采用低鉆壓、高轉速、大排量，沒有必要盲目使用高鉆壓去追求那僅高一小點的鉆速，那只是牙輪鉆頭的使用方式；

⑽操作要精細，送鉆加壓一定要均勻。

5　 PDC鉆頭泥包的處理

⑴處理鉆頭泥包的第一條原則就是：不要急于打鉆，因為越打，包的越厲害；

⑵發現鉆頭有泥包跡象，應立即停鉆并將無（低）固相鉆井液在第一時間打入井內清洗鉆頭；

⑶停止鉆進，提高排量加強水力沖洗效果，上提鉆頭脫離井底，提高轉速增大離心力使泥塊易于甩出，并上下大幅度活動幾次，然后下壓至井底不開轉盤循環5～10 min，將上述過程反復操作；如果在2個循環周內無效，就應當考慮起鉆了。

參考文獻

［1］鉆井施工工藝技術.

［2］鉆井工程理論與技術.

收稿：2016-02-15