PDC鉆頭泥包現象的研究與分析

曹正一 王雲 王兵 張翔 宋春光

摘要：隨著鉆井提速的需求，鉆井現場更多地使用PDC鉆頭，顯著提高鉆井效率，減少起下鉆，避免掉鉆頭等事故，降低成本。但在應用中經常有PDC鉆頭泥包的現象，泥包是制約PDC鉆頭使用和提高機械鉆速的主要問題。本文在分析泥包原因的基礎上，從泥漿性能、鉆井參數、現場操作等方面結合施工井鉆頭泥包現象，對PDC鉆頭泥包進行了分析，提出預防PDC鉆頭泥包的技術措施，有助于解決PDC鉆頭泥包的問題。

關鍵詞：PDC鉆頭;泥包;粘度;切力;劣質固相

1?PDC鉆頭結構及布齒方式

1.1 PDC鉆頭結構

PDC鉆頭是以聚晶金剛石復合片（PDC）作為切削刃的鉆頭，主要由鉆頭體、聚晶金剛石復合片切削齒、水力結構等部分組成。其中鉆頭冠部是其工作面，其工作面的幾何形狀影響鉆頭的穩定性、井底清洗、鉆頭磨損及鉆頭各部位載荷分布。鉆頭工作面形狀一般包括內錐、頂部、側面、肩部及保徑五個基本要素。

1.2 布齒方式

PDC鉆頭布齒方式有三種：刮刀式布齒，單齒式布齒，組合式切削齒。

刮刀式布齒方式的特點是將切削齒沿著從鉆頭中心附近到保徑部位的直線（或接近于直線的曲線）布置在胎體刮刀上，在適當的位置布置噴嘴（或水眼），每個噴嘴或水眼起到冷卻或清洗一個或兩個刮刀片上的切削齒的作用。采用這種方式布齒的PDC鉆頭具有整體強度高、抗沖擊能力強、易于清洗和冷卻、排屑好、抗泥包能力強的特點，在黏性或軟地層中應使用這種布齒方式的PDC鉆頭。

單齒式布齒方式是將切削齒一個一個地單獨布置在鉆頭工作面上，在適當的地方布置噴嘴或水眼，鉆井液從噴嘴流出后，切削齒收到清洗及冷卻，當同時也起到阻流與分配液流的作用。這種結構的布齒區域大、布齒密度高，可以提供鉆頭的使用壽命，但水力控制能力低，容易在黏性地層泥包。

組合式切削齒的布置采用直線刮刀和單齒式相結合的方式，在適當的地方布置水眼或噴嘴，這種布齒方式具有較好的清洗、冷卻和排屑能力，布齒密度較高。這種布齒方式的鉆頭多用于中等硬度地層。

2?PDC鉆頭泥包現象及原因

鉆井現場應用實踐表明，在使用PDC鉆頭的地層的各井段都不同程度地出現過泥包現象，隨著的定向井、特別是大位移定向井和水平井的增多，泥包現象尤為突出。鉆頭泥包后易切削能力迅速降低容易發生蹩跳現象，造成脆性PDC復合片的先期損壞，導致PDC鉆頭復合片的崩、脫的惡性循環，也會對隨后入井PDC鉆頭構成一定潛在威脅。同時增加了鉆井周期，在很大程度上增加了鉆井成本。

2.1 PDC鉆頭泥包的現象

2.1.1 正常鉆進時鉆時明顯變高，通過增加鉆壓或減少鉆壓對鉆時無明顯影響。

2.1.2 通常泵壓略有升高或無明顯變化，采用動力鉆具鉆進時加壓幾乎無憋泵現象;但有時下鉆到底堵死鉆頭水眼，也會出現高泵壓，阻塞循環通道造成鉆頭泥包，繼續鉆進可能會逐漸恢復原鉆速，泥包解除，或者繼續變慢造成嚴重泥包致無法鉆進。

2.1.3 鉆頭牙齒吃入地層有效深度降低，表現出扭矩變小或扭矩波動范圍減小，機械鉆機轉盤負荷明顯降低。

2.1.4 鉆井中發生鉆具刺漏、地面循環系統出現短路，有效排量降低，處理完后鉆速明顯變慢。

2.1.5 上提鉆頭有阻力，阻力的大小隨泥包的程度而定。起鉆時，井口環形空間的液面不降，或下降很慢，或隨鉆桿的上起而外溢。

3?PDC鉆頭泥包的預防

判斷是否鉆頭泥包，必須結合地質、泥漿性能、工程技術方面綜合考慮。鉆頭現象大幅減少，機械鉆速明顯提高，鉆井周期不斷縮短，鉆頭消耗明顯降低。

3.1 工程技術措施

3.1.1 要有足夠的鉆井液排量。東營組以上地層松軟，因機械鉆速快，因機械鉆速快，鉆屑濃度大，必須有足夠的排量才能把鉆屑及時帶走，實踐證明28-30L/S的排量足夠滿足PDC鉆頭清洗。

3.1.2 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。

3.1.3 進入軟硬交界面地層，在軟地層中鉆進，要有意的控制機械鉆速或每根單根最后1-2米有意放慢速度增加循環鉆井液的時間，目的是降低井底巖屑濃度減少鉆頭泥包的機會。操作要精細，送鉆加壓均勻，不能忽大忽小。

3.1.4 在鉆進時，要經常觀察泵壓和鉆井液出口流量有無變化。如泵上水不好，則泵壓與流量降低也容易造成泥包。

3.1.5 換鉆頭下入PDC前先短起下，可以充分利用牙輪鉆頭對井壁泥餅進行刮削、壓實。

3.1.6 下鉆時在PDC鉆頭底部涂上一層黃油，形成一層油膜，可以減少泥漿中的固相顆粒長時間與鉆頭接觸把鉆頭包起來。

3.1.7 控制下鉆速度，防止遇阻鉆頭扎進爛泥中?？刂坪孟裸@速度可以使PDC鉆頭順著上一只鉆頭所鉆的螺旋形井眼軌道下行，減少井壁上刮下大量泥餅。

3.1.8 PDC鉆頭鉆進過程盡量采用大排量鉆進，保證PDC鉆頭的充分清洗與冷卻;在軟泥巖中鉆進，應盡量采用低鉆壓、高轉速、大排量，不要盲目使用高鉆壓去追求那僅高一小點的鉆速。

3.1.9 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0.5-1m，這也是PDC鉆頭造型的基本要求。

3.2泥漿技術措施

3.2.1 在軟地層中鉆進，一定要維持低粘度、低切力的鉆井液性能，一般要求粘度不超過30S。初切力為零，10min切力在2mg/cm2以下.采用用清水鉆進，效果更好。

3.2.2 定向井施工中混油或增加潤滑劑投入量，使鉆屑不易粘附到鉆頭上，對預防鉆具粘卡降低摩阻，防止脫壓后鉆壓忽然增大造成鉆頭泥包。

3.2.3 加大鉆井液中聚合物含量，控制失水，提高泥餅質量。

3.2.4 降低鉆井液粘度、切力，及時清除劣質固相。

3.2.5 在PDC鉆頭入井前后維護處理好泥漿性能，對預防鉆頭泥包都是有效的。

4?處理PDC鉆頭泥包的做法

4.1如發現有泥包現象，應停止鉆進，提起鉆頭，高速旋轉，快速下放，利用鉆頭的離心力和液流的高速沖刷力將泥包物清除，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分鐘。如有條件，可增大排量，降低鉆井液粘度，再配合上述動作，效果更好。

4.2通過調整鉆井液性能防止泥包現象的發生。在井壁穩定前提下，盡量采用低粘、低切性能的鉆井液，調整好鉆井液流動性。充分利用好固控設備盡最大可能降低井漿中無用固相含量，降低鉆井液濾失量。改善鉆井液體系的流變性，動塑比控制在0.4-0.5，在滿足攜巖的前提下盡可能的發揮水力破巖的功效，以最大可能地提高鉆速。

4.3在使用PDC鉆頭時，要做到“早開泵，晚停泵”技術要領，減少鉆頭泥包機會。

4.4如果在起鉆中途泥包遇卡，應用鉆具的重量盡全力下壓。在條件許可時，應大排量循環鉆井液，降低鉆井液粘度和切力并加入清洗劑，爭取把泥包物沖洗掉。切勿猛提拔死，喪失了泡解卡劑的機會。

5?結論及建議

發現鉆頭泥包后，通過分析PDC鉆頭發生泥包的原因，采取有效應對措施以防止PDC鉆頭泥包現象的發生。隨著定向井特別是大位移井的增多，PDC鉆頭泥包現象還不能完全避免，需要在今后的施工中繼續努力，重在預防防泥包技術措施的執行。施工中根據不同地層特點調整鉆井參數和泥漿性能必需和地層情況相適應，對易泥包的井段，要及時提高排量，降粘降切。固相的控制有利于流變性的改善，對解決鉆頭泥包現象有一定效果。

參考文獻：

[1] 陳庭根 管志川.鉆井工程理論與技術.石油大學出版社，2000.8

[2] 蔣希文.鉆井事故預防與處理.石油工業出版社，2008.7