PDC钻头泥包原因分析及预防处理措施

2023-01-03牛亚峰杨雨豪吴国容齐航刘正杰阎英娥

化工管理 2022年4期

牛亚峰，杨雨豪，吴国容，齐航，刘正杰，阎英娥

(中石化中原石油工程有限公司管具公司，河南濮阳 457000)

0 引言

近年来，我国石油对外依存度逐年攀升，为保障能源安全，国家加大了页岩油气等非常规油气资源的勘探开发力度。然而，随着经济下行，钻井行业竞争日益激烈，提高钻井效率，降低钻井成本已成为各大钻井承包商的重要课题[1]。PDC钻头经过几十年的长足发展，已成为钻井行业提速增效的重要工具，与传统的牙轮钻头相比，PDC钻头配合油基钻井液在钻探页岩地层时无论是成本、机械钻速还是单只钻头进尺都有明显优势，在钻探深井和高压井时优势更加明显[2]。页岩油气大多蕴藏于泥页岩地层中，而泥页岩地层机械性能较差，易渗透，吸水能力强，在水基钻井液中易水化分解，产生的粘土矿物容易吸附在钻头表面，造成钻头泥包，削弱了钻头的切削能力，降低了水力效率，导致机械钻速大大降低，严重影响钻井效率，大幅增加钻井成本，甚至可能引发钻井事故[3]。因此，对PDC钻头产生泥包的现象进行系统地分析并采取相应的预防处理措施具有非常重要的意义。

1 PDC钻头泥包的常见现象

钻头泥包是指钻头表面被泥团所包覆，使得钻头无法进行正常破岩的现象，在正常钻进和起下钻的过程中都有可能发生。在钻井过程中，可以通过一些现象判断PDC钻头是否被泥包：(1)当地层没有变化时，钻速明显降低，且改变钻压对钻速的影响不大；(2)当地层发生明显变化时，钻速仍无明显变化；(3)出现扭矩变小或扭矩波动范围减小的情况；(4)泵压略有上升，泥包严重时泵压会明显上升甚至出现憋泵的情况；(5)起下钻有“拔活塞”的现象出现，短起下过程中经常遇到阻碍，短起下后钻速可能恢复也可能继续降低，甚至出现钻具无法转动的情况。

现象解释：当PDC钻头被泥包后，大量的泥质岩屑粘附在钻头体和切削齿上，切削齿无法有效地“吃入”地层，钻头攻击力显著下降，因此机械钻速会明显降低，即使调整钻压或者地层发生变化，钻头仍不能有效切入地层，钻速不会发生明显的变化。由于钻头没有切入地层，造成钻头空转，因此扭矩及其波动范围都会减小。泥包还会阻塞钻头水眼，造成泵压上升，严重时水眼被完全堵死就会出现憋泵现象。大量泥质岩屑附着会使钻头体积大大增加，使得钻头在井筒内上下活动产生类似活塞运动的现象，泥包严重时甚至可能发生卡死的情况。短起下过程可能刮扯或甩掉钻头上的泥包，能够缓解或者消除泥包现象，但是也有可能附着更多的泥质并进一步压实泥包层，使泥包现象更加严重。

2 PDC钻头泥包原因分析

造成钻头泥包的原因是错综复杂的，不同的学者提出了不同的理论。Feenstra R等[4]从钻井液的循环和钻头的清洗过程分析，认为泥包的形成与钻井液的循环速度和钻井压力有关。当钻压较低时，钻头与岩屑之间的摩擦力较小，岩屑容易被钻井液带出井筒；而钻压较高时，钻头与岩屑之间的摩擦力较大，不容易被钻井液带走，因而滞留在井底粘附在钻头上，产生泥包；此外，当钻井液循环速度较慢时，无法有效清洗钻头上粘附的岩屑并携带出井筒，也容易生成泥包。Zijsling D H等[5]从钻井液的流动和岩屑的尺寸方面分析认为，PDC钻头在切削过程中，切削齿前的岩石受到巨大的剪切力和压力，使岩石产生微裂纹并快速扩展，造成岩石的孔隙度增大，钻井液进入岩层，导致钻头切削齿前的流体压力降低，因此在钻头表面会形成较大的压差将岩屑牢牢压实在钻头表面，进而产生泥包。Ledgerwood L W等[6]从地层岩性的角度分析，认为粘土地层中阳离子的类型是影响泥包生成的关键，但是粘土中的水分含量和阳离子的交换能力与泥包的形成没有直接关联；此外，粘土形成致密结构的能力和其释水性是形成泥包的必要条件。Paske W C等[7]从岩屑和钻头的带电性来分析认为，岩屑在长期地质活动的作用下本身带有负电荷，而由金属制造而成的钻头则带有正电荷，因此岩屑在静电引力的作用下容易吸附在钻头表面进而产生泥包。

在前人研究的基础上，结合实际工况，本文将造成钻头泥包的具体原因进行总结。

2.1 地质因素

当钻探地层上部为岩性较差的软泥岩地层时，岩屑极易粘附在钻头上，在钻进过程中经过反复压实后形成泥包；某些地层中的粘土矿物含量较高，易水化分解，对钻井液造成污染，使钻井液中的有害固相含量大大增加，粘附于钻头表面形成泥包；若钻遇渗透率高的地层，在压差的作用下，井壁上容易大量吸附井筒内未及时携带出的岩屑和有害固相进而形成虚厚泥饼，起下钻的时候容易在钻头部位堆积而形成泥包[8]。

2.2 钻井液性能因素

钻井液的密度、抑制性、润滑性和固相含量等都会对钻头泥包产生重要影响。钻井液密度较大，失水较多时，井筒内的固相颗粒容易吸附在井壁上形成粗糙的厚泥饼；钻井液抑制性差，则会导致粘土矿物的水化分解难以实现有效控制；钻井液的润滑性能差则无法对钻头形成有效的保护，造成钻井液中有害固相容易吸附在钻头上；钻井液中的固相含量过高时，井底岩屑无法得到及时清除，容易粘附在钻头表面。

2.3 工程技术因素

钻进过程中排量太小，无法及时有效地冲洗井底和钻头，同时钻井液循环速度太慢，携岩能力不足，不能及时有效地将岩屑携带出来，导致岩屑长时间滞留在井内，易粘附在井壁上形成虚厚泥饼，尤其是在高速钻进岩屑产生速度快时更为严重；钻压是影响机械钻速的重要参数，在理想条件下，钻进速度与钻压是成正比的，但在软泥岩地层的钻进过程中，如果钻压过大、送钻不均匀或发生顿钻，钻速变慢后盲目增大钻压等都会导致钻头与地层接触面积加大而使钻头快速泥包；长裸眼井段起下钻过程未进行中途循环，导致井壁上的虚厚泥饼被钻头刮下后没有及时冲刷掉，堆积在钻头下方被压实后造成钻头泥包；下钻遇阻时未开泵即强行下压同样会导致泥饼堆积而造成钻头泥包；下钻到底时在泥浆泵未启动的情况下先转动转盘导致钻头直接与地层接触，也会造成钻头泥包。当泥浆泵发生故障导致泵效过低或者钻具发生刺漏造成钻头干钻时，钻头得不到有效的水力清洗，从而导致泥包现象出现；钻井过程中井身质量不合格，导致井深全角变化率过大，在起下钻过程中，钻头紧贴井壁造成钻头泥包。

2.4 钻头结构因素

PDC钻头的结构直接影响其水力清洗的效果，因此钻头的结构对于泥包的产生也具有非常重要的影响[9]。采用散步式布齿和浅锥轮廓的钻头，水力清洗效果较差；钻头切削齿侧倾角较小时，岩屑不易排出；钻头水眼的位置与喷射角度不合理，导致钻井液在井底产生涡流，使得刀翼和切削齿得不到充分有效地清洗，也会造成岩屑在钻头表面层粘附而产生泥包现象；钻头喷嘴尺寸太小，造成钻头压耗大，喷嘴排量过小，则会导致携岩能力难以达到排屑要求；钻头流道角度设计不合理，排屑槽太窄，导致岩屑难以及时地离开井底，长时间地堆积后也会造成钻头泥包。

3 PDC钻头泥包的预防措施

3.1 调整钻井液性能

钻井液的性能对于PDC钻头的泥包是一个非常重要的影响因素，因此在易发生泥包的井段，可以通过调整钻井液的性能来预防泥包现象的发生[10]。通过控制钻井液密度和失水，可以改善泥饼质量；通过添加抑制剂提高钻井液的抑制性，对泥页岩的水化分解实现有效控制；钻井液中的固相含量需要加强控制，降低钻井液粘切力，及时清除有害固相；在钻井液中加入一定量的润滑剂、表面活性剂和清洁剂，提高钻井液润滑性，可对钻头形成有效地保护，减少钻头表面的钻屑吸附量；此外，在进入膏质地层前需提前向钻井液中加入碱性物质，防止其污染钻井液；对于渗透性强的砂岩层，可在钻井液中加入屏蔽暂堵材料来降低渗透性漏失。

3.2 工程技术措施

在设备允许的条件下，易泥包井段尽量采用大排量钻进，以保证对井底和钻头实现有效地冲洗，而且能及时将井筒内的岩屑携带出来，防止形成虚厚泥饼；在软泥岩地层，应采用低钻压、高转速，要求司钻操作精细，勤点少放，均匀送钻；下入PDC钻头前，可采取一系列措施来防止钻头泥包：应进行充分循环，防止井内滞留岩屑水化分解；应进行短起下将井壁上的泥饼剐蹭、挤压，在短起下效果不好时可以先用牙轮钻头通井；可提前在钻头和扶正器上涂抹黄油，在其表面形成保护膜。长裸眼井段下钻过程中要进行中途循环，将钻头上堆积的泥饼冲刷干净后再继续下钻；下钻遇阻时不能盲目下压，必须先开泵建立循环；下钻到井底时也需要先开泵循环，使用大排量将钻头和井底进行充分地清洗，待排量达到钻进要求时再采用低钻压钻进0.5～1.0 m。

3.3 合理选择钻头

钻头切削齿的侧倾角较大时，在钻进过程中对可岩屑产生侧向推力，使其向钻头外侧运动，有利于岩屑的外排，防止钻头产生泥包；钻头水眼的位置、尺寸、形状、角度等对钻头的水力清洗效果有非常重要的影响，其设计应有利于岩屑的排出；在泥包多发段应选择刀翼式PDC钻头，其排屑槽深且宽，过流体积大，水力清洗效果好[11]。

3.4 其他措施

通过在钻头表面制备一层功能性的涂层也可以防止钻头泥包。目前常用的涂层主要分为两种：一种是通过在钻头表面产生微小的负电势抑制带负电荷的钻屑吸附到钻头表面来防止泥包的涂层，主要包括镀镍涂层、环氧树脂涂层和表面渗氮等[7,12-13]；另一种涂层通过降低表面能来减弱钻头对钻屑的吸附，进而防止泥包的产生，主要包括强化特氟龙等含氟聚合物涂层[14]。

4 PDC钻头泥包的处理措施

在钻进过程中发生泥包后应立即停止钻进，采取合理的措施进行处理，防止泥包的情况加剧。首先将钻头提离井底，然后加大排量循环进行水力冲洗，并高速转动尝试将泥包甩掉；同时检查钻井液性能是否满足要求，必要时及时调整钻井液性能；在悬重不大时可快速上下大幅度活动钻具，然后下至井底不转动开泵循环5～10 min；上述操作反复进行2个循环周后仍然无法解决泥包的问题，只能起钻进行人工清理泥包；若泥包非常严重，甚至出现严重抽吸而导致无法起钻的情况时，可以配制一定量的高效清洁剂和柴油的混合液注入到钻头附近，先进行30 min左右的浸泡后再采用上述步骤进行处理；若采取相应的措施后钻头泥包仍反复发生，可以更换牙轮钻头进行通井或者钻进一段距离，待地质状况改善后再用PDC钻头继续钻进[15]。