削减PDC钻头泥包提高机械钻速的技术途径

韩斅 彭芳芳 徐同台 潘小镛

北京石大胡杨石油科技发展有限公司

削减PDC钻头泥包提高机械钻速的技术途径

韩斅 彭芳芳 徐同台 潘小镛

北京石大胡杨石油科技发展有限公司

采用PDC钻头与水基钻井液配合方式钻进泥页岩地层时，如何防止钻头泥包成为提高钻速的一大技术难点。为此，首先介绍了国外水基钻井液和水基钻井液添加ROP增速剂的钻头提速室内模拟实验取得的成果；然后用典型实例分别评述了PDC钻头优化（结构、氮化处理）以及在泥岩段地层中应用水基钻井液添加ROP增速剂的提速效果。考虑到钻井液的费用和环保问题，认为加入ROP增速剂的水基钻井液配合抛光PDC钻头将是软泥岩地层提速的有效技术途径，其应用一定会有更广阔的前景。

泥页岩 水基钻井液 PDC钻头 钻头泥包 增速剂 钻速评价方法

石油钻井遇到的地层中，页岩或泥质类型占60%～80%。页岩吸水后容易膨胀和水化，导致钻头泥包和井壁失稳等问题，降低了钻井效率。据统计，每年与“页岩钻井问题”有关的时间和材料费用损失，每年约5亿美元［1］。

渗透压力和裸眼液柱压力能够提供钻井液滤液向页岩孔隙渗透的水力学动力，形成井壁过平衡，维持低强度页岩的井壁稳定。拥有高渗透率地层的井段由于压力释放，使得暴露在水基钻井液中的裸眼地层产生较小的井内压力梯度，井壁失稳的风险较小。相比之下，软韧性页岩的机械强度弱，渗透率非常低，侵入的滤液将提高近井壁处的孔隙压力，由于压力不能像高渗透率地层一样尽快向远处释放，所以容易产生井壁失稳的风险。PDC钻头与油基、合成基钻井液结合使用钻进泥页岩地层时，因为油基或合成基钻井液能够降低扭矩、减弱钻柱黏附、防止钻头泥包、保持井壁稳定，机械钻速通常比PDC钻头在水基钻井液中使用时要高得多。但在环保要求严格的地方，油基钻井液的使用通常会受到限制，迫使运营商和服务公司投入相当多的资源，努力改善PDC钻头在水基钻井液（WBM）中的使用性能。

从发展情况来看，要解决钻头泥包、提高机械钻速和井壁失稳等问题，需要综合考虑钻头设计和钻井液体系性能。优化的钻头设计和在水基钻井液中加入ROP增速剂能显著减少钻头泥包和提高钻井效率。

1 室内钻头防泥包评价实验

为评价钻头和钻井液设计对减少钻头泥包和提高钻井速度的效果，国外大公司在室内做的室内实验肯定了钻头改进和ROP的提速效果。

1.1 单点牙轮钻头试验

壳牌石油公司的Oort E V等人设计的高压单点牙轮钻井模拟器只含一组牙轮。由于钻屑由单组牙轮产生，该仪器可以更准确的评价切削齿特性（如表面光洁度）和ROP增速剂对钻屑尺寸的影响。此外，由于单组牙轮难以发生钻头泥包现象，可以评估在不发生钻头泥包的情况下切削齿特性和ROP增速剂对钻井过程的影响［1］。测试过程中，单组牙轮在钻井液压力下以恒定的转速旋转，对轴向和切向载荷进行监测。通过传感器记录压力，转速，轴向载荷，切向载荷和轴向位移随时间的变化进行评价。

使用后倾角为20°切削深度1.27 mm的钻头，在120 r／min的转速下进行单点牙轮钻井模拟试验。牙轮载荷越大，说明发生的泥包现象越严重。从图1可见，钻头在合成基钻井液（Synthetic－Based Mud简称SBM）中的牙轮载荷最低；钻头在水基钻井液（Water－Based Mud，简称WBM）中的牙轮载荷最大；水基钻井液中加入ROP增速剂后载荷明显下降，抛光后的钻头载荷比未抛光钻头的载荷要小得多。测试结果见图1、2［2］。

图1 未抛光单点牙轮钻头载荷测试分析图

图2 抛光单点牙轮钻头载荷测试分析图

1.2 全尺寸模拟测试

美国贝克休斯公司的Ron［3］等人设计的高压全尺寸钻井模拟器，由于可以直接观察和使用计算机控制测试环境，使全尺寸钻井模拟器非常适合研究钻头泥包现象。该仪器可以恒定钻压（WOB），测试机械钻速的变化，反之亦然。为了在测试中更快产生的钻头泥包，需要将水力学马力调到较低值。产生钻头泥包时，钻压会显著增大。使用全尺寸高压钻井模拟器测试的试验结果见图3［3］。

图3 不同钻压下的PDC钻头测试机械钻速图

使用 215.9 mm的抛光和未抛光钻头，在水马力为3HSI、转速为120 r／min、井底压力为41.36 MPa的条件下进行高压全尺寸钻井模拟器测试。

1.3 微型钻机测试

美国Hughes Christensen公司设计的微型钻机测试装置可以模拟高压钻井，测试过程中，可以在恒定钻压（WOB）或恒定机械钻速的模式下进行。可以恒定钻压模式下测试机械钻速的变化或在恒定机械钻速的模式下测试钻压的变化。

在恒定钻压11 k N、转速60 r／min的条件下进行微型钻机测试，试验结果如图4［4］所示。

图4 不同钻头和不同加量ROP增速剂测试机械钻速图

2 PDC钻头改进及应用效果

2.1 PDC钻头结构的优化

水基钻井液中使用PDC钻头钻探页岩层时，如果小页岩片不能及时从PDC排屑槽排出，单个小页岩片便容易黏接在一起形成长的“带状”页岩片，很难再分开。由于带状岩屑尺寸较大（通常为几英寸或更长），更难从排屑槽排出，导致相互聚集而结块，形成泥包。

通过优化钻头设计，如增大排屑槽的容量以收纳和排放更多的钻屑、优化喷嘴位置以提供足够的水力学动力，用切削齿深度控制钻屑数量和大小等途径，减少钻头泥包的形成。

使用水基钻井液时，泥包对钻具的黏附力与ROP增速剂、PDC钻头排屑槽容量、切削齿的锋利度和表面光洁度等因素有关。为了探究PDC钻头类型对泥包形成的影响，壳牌公司Oort E V等人利用高压全尺寸钻井模拟器对不同类型PDC钻头钻探页岩层时对泥包形成的影响因素进行了评价［2］。

试验测试证明：由于大容量的排屑槽更容易收纳和排放更多的钻屑，使用排屑槽小的钻头比排屑槽大的钻头更易出现钻头泥包。

PDC切削齿抛光钻头较标准PDC钻头具有更好的锋利度，与ROP增速剂结合使用能减少钻头泥包，显著提高机械钻速。

2002年澳大利亚近海地区［5］，在澳大利亚近海距离西北大陆架16 km处，A、B两口井的 215.9 mm井眼段，使用不同的钻井液和钻头钻进。其中A井采用油包水型合成基钻井液和八刀翼PDC钻头（含倒划眼齿）钻进，平均钻速为29.82 m／h。B井采用ROP增速剂加量为2%的聚乙二醇水基钻井液和六刀翼PDC钻头（不含倒划眼齿）钻进，平均钻速为45.6 m／h，钻速超过A井50%。该结果证明，优选合适的钻头，使用含ROP增速剂的水基钻井液的钻井速度已超越油基钻井液的钻进速度。

2.2 PDC钻头表面性质的处理

除了钻头形状外，对钻头的表面材质进行改进也可以防止黏土对钻头的黏附，达到防止钻头泥包的目的。

多翼钻头通常含有大量的镍铜，能提供较强的正电势，经过氮化处理后能将正电势转化为非常强的负电势。氮化处理后钻头的钢材表面，相对于钻井液体系呈电负性，钻井液中的电负性离子被钻头表面排斥，水分子迁移到带电金属表面，形成润滑层，达到防止钻屑吸附，产生抗泥包的效果［1］。氮化处理钻头已在北海和墨西哥湾等地区应用成功，不仅解决了钻头泥包问题，提高了机械钻速，还降低了钻井成本。

在北海的一口井的311.2 mm井段中，由于页岩水化和钻头泥包问题严重，使用特殊防泥包设计的钻头钻探时，钻井速度仍然非常低，前后两个特殊防泥包钻头的钻速分别只有4.1 m／h和3.8 m／h。改用氮化处理的表面改性钻头之后，再未出现钻头泥包现象。钻井速度由之前的4.1 m／h和3.8 m／h提高到6.4 m／h，钻井成本分别由2 568＄／m和1 060＄／m减少为814＄／m，节省了78 000＄，大大降低了钻井成本。

在挪威，使用KCl／聚合物钻井液体系（加入3%聚合醇），使用氮化处理钻头（S611 ABC）在 444.5 mm井眼的钻头进尺为1 917 m，平均机械钻速达42.7 m／h。在另一口井斜为58.1°的井中，使用相同的钻井液体系和氮化处理钻头，创造了该地区最长的单个钻头进尺1 918 m，平均机械钻头为48.8 m／h，其中前1 800 m井段的平均机械钻速高达60 m／h。

3 水基钻井液ROP增速剂的应用效果

水基钻井液ROP增速剂（ROP enhancer），国内又叫快速钻井剂［5－8］，主要从早期的油类发展到目前的表面活性剂。

3.1 作用机理

ROP增速剂加入到水基钻井液中，能够减少钻头泥包和提高井壁稳定性，作用机理有3个方面。

1）快速渗入岩屑和地层之间的微裂缝，阻止微裂缝的复原，防止岩屑的重复破碎。

2）防止泥页岩水化形成黏性泥团。

3）有效吸附在钻头、BHA等金属表面，使其变成为弱亲水或非亲水性，降低部分水化泥页岩在金属表面的黏附。

3.2 ROP增速剂特点和适应性

1）油或油类似物：1937年，在Pottawatamie County，Oklahomall首次报道了水基钻井液中使用一种油性物质提高钻速［4］，该油性物质即为最初的ROP增速剂。油或为油类似物悬浮或分散在水基钻井液中，即为常规乳化钻井液。但是油类化合物增速剂在水基钻井液中的加量一般大于10%，在环保要求严格的地区，其应用受到限制。

2）萜烯类：1991年，在得克萨斯州Austin Chalk，发现使用低浓度的萜烯混合物，能显著降低阻力和扭矩，显著提高机械钻速。1994年J.R.Hasley等人使用含萜烯的水基钻井液在南得克萨斯Wilcox开发井中应用成功。与柴油基钻井液相比，该体系具有很大的经济和环境优势，超过45口井使用了这一钻井液体系，数据显示，某些井的平均钻速，较柴油基钻井液提高了30%，总的钻井成本下降20%［9］。萜烯浓度较稀时具有柑橘或松树般的清香味，但在封闭的环境中，会导致浓度富集，具有一定的刺激性，加之对海洋生物的毒性。现在大多数钻井区域，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）具有无毒、无味的特点，与PDC钻头配合使用能够显著提高钻井速度，尤其与乙烯基磺酸盐共聚物配合使用时效果更佳，可作为萜烯类水基钻井增速剂的替代品。1993年报道了在Bay Marchand钻井项目中，使用一种PPG／铝复合物钻井液体系，PPG是一种非水溶性聚丙二醇，钻井液中只需要添加少量的PPG（1%～5%），平均机械钻速为6.70 m／h，是邻井KOH／石灰钻井液体系2.74 m／h的2倍多［10］。PPG只适合由浅层到中间层段的钻进。

4）异构烯烃和石蜡：钻进更深的地层，特别是海上钻井时，主要使用异构烯烃类活性物质的产品，异构烯烃类增速剂产品可生物降解，无毒，与钻井液体系／处理剂兼容性好。能够提高井眼清洁，防止钻头泥包和钻屑重复破碎，提高了钻井效率。

经实验室高压全尺寸钻井测试和油田现场验证［10］，异构烯烃钻井增速剂配合合适的钻头，在水基钻井液中能显著减少钻头泥包和提高钻井速度，比OBM或SBM更具有经济优势。

Halliday等人［11］从白油及食用级石蜡中筛选了一种用作ROP提速剂的非毒性、可生物降解的纯化石蜡，与表面活性剂配合使用具有较好的润滑性，在钻井液中的加量为1%～2%时能够显著提高机械钻速［11］。

5）表面活性剂类：Friedheim等人研制了一种新型水基钻井液，该钻井液配方中使用了一种表面活性剂混合物ROP增速剂。国内应用比较成功的是孙金生等研发的KSZJ钻井增速剂。KSZJ由带电荷的蛋白质类大分子＋表面活性剂＋其他辅助成分组成。分子结构具备强吸附基团，有较长的多官能团分子链以及较长的烃基侧链。既能提高定向吸附能力，又能使钻具、钻屑和井壁润湿性从强亲水向弱亲水方向转变［7］。根据对国内外钻井提速剂产品的调查发现，各大公司及目前应用的钻井提速剂成分主要是混合表面活性剂。

3.3 现场应用

KSZJ快速钻井剂在胜利油田的试验证明：在相同钻具结构、水力参数条件下与邻井同井段相比，机械钻速在砂岩段提高26%，泥岩段提高18%。

1997年美国Louisiana油田［4］，在Louisiana近海区，使用ROP增速剂与牙轮钻头钻进687.6 m深的井段，平均钻速4.94 m／h。在邻井，使用未添加ROP增速剂的钻井液用PDC钻头钻进，平均钻速仅为1.34 m／h。在测试井中，相同的钻井液中添加了ROP增速剂后，使用PDC钻头的平均钻速增加到6.80 m／h，相对于使用ROP增速剂的牙轮钻头和未使用ROP增速剂的PDC钻头，钻进速度分别提高了38%和400%。

4 结论与展望

钻头结构和表面性质对减少钻头泥包和提高钻井速度有重要的影响，实验室试验和现场应用表明，大体积排屑槽、锋利的抛光牙轮结构和电负性表面PDC钻头能减少钻头泥包，提高钻井速度。

通过在水基钻井液中加入ROP增速剂，能显著抑制钻头泥包的形成，提高机械钻速和井壁稳定性。经过多年的发展，ROP增速剂的组成和性能得到不断地提升。目前，ROP增速剂的主要由环保性能和功能更好的复配表面活性剂组成。

目前结合钻头和水基钻井液优化设计钻探高压深层页岩层时，还不能完全消除钻头泥包。但室内试验及现场应用表明，在水基钻井液中加入ROP增速剂，并配合使用抛光钻头的效果已经逐步赶上或超过逆乳化钻井液体系，并凸显出其在环保和成本上的优势。随着环保要求的日益严格，水基钻井液及ROP增速剂的应用一定会有更广阔的前景。

［1］SMITH L，MODY F K，HALE A，et al.Successful field application of an electro－negative‘coating’to reduce bit balling tendencies in water based mud［C］∥paper 35110－MS presented at the SPE／IADC Drilling Conference，12－15 March 1996，New Orleans，Louisiana，USA.New York：SPE，1996.

［2］OORT E V，BLAND R，PESSIER R.Drilling more stable wells faster and cheaper with PDC bits and water based muds［C］∥paper 59192－MS presented at the IADC／SPE Drilling Conference，23－25 February 2000，New Orleans，Louisiana，USA.New York：SPE，2000.

［3］RON B，ROLF P，MATT L.Balling in water－based muds.［C］∥AADE National Drilling Technical Conference，27－29 March 2001，Houston，Texas，USA.New York：AADE，2001.

［4］TOM，RON B，TOM J，TIBBITTS G A.Reducing drilling costs by drilling faster［C］∥paper 38616－MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，5－8 October 1997，San Antonio，Texas，USA.New York：SPE，1997.

［5］余丽彬，朱夫立，熊开俊.快速钻进钻井液的研究及其在吐哈油田的应用［J］.钻井液与完井液，2007，24（5）：18－21.

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［7］杨宇平，孙金生，杨枝，等.快速钻井剂稳定井壁快速钻进作用机理研究［J］.西南石油大学学报：自然科学版，2010，32（1）：165－169.

［8］金潮苏.KRH－1快钻剂的研究与应用［J］.石油钻探技术，2009，37（2）：57－59.

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［11］HALLIDAY W S，DAVID S.Olefin isomers as lubricants，rate of penetration enhancers，and spotting fluid additives for water－based drilling fluids.［P］.United States Patent 5605879，1997－02－25.

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

韩斅等.削减PDC钻头泥包提高机械钻速的技术途径.天然气工业，2012，32（8）：88－91.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.019

韩斅，1985年生，工程师，中国石油大学油气井工程专业硕士研究生；主要从事钻井液材料与配方研究工作。地址：（102200）北京市昌平区科技园区火炬街23号石大胡杨公司。电话：18611896212。E－mail：hanxiao5977＠gmail.com

（修改回稿日期 2012－06－05 编辑 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