削減PDC鉆頭泥包提高機械鉆速的技術途徑

韓斅 彭芳芳 徐同臺 潘小鏞

北京石大胡楊石油科技發(fā)展有限公司

削減PDC鉆頭泥包提高機械鉆速的技術途徑

韓斅 彭芳芳 徐同臺 潘小鏞

北京石大胡楊石油科技發(fā)展有限公司

采用PDC鉆頭與水基鉆井液配合方式鉆進泥頁巖地層時，如何防止鉆頭泥包成為提高鉆速的一大技術難點。為此，首先介紹了國外水基鉆井液和水基鉆井液添加ROP增速劑的鉆頭提速室內模擬實驗取得的成果；然后用典型實例分別評述了PDC鉆頭優(yōu)化（結構、氮化處理）以及在泥巖段地層中應用水基鉆井液添加ROP增速劑的提速效果?？紤]到鉆井液的費用和環(huán)保問題，認為加入ROP增速劑的水基鉆井液配合拋光PDC鉆頭將是軟泥巖地層提速的有效技術途徑，其應用一定會有更廣闊的前景。

泥頁巖 水基鉆井液 PDC鉆頭 鉆頭泥包 增速劑 鉆速評價方法

石油鉆井遇到的地層中，頁巖或泥質類型占60%～80%。頁巖吸水后容易膨脹和水化，導致鉆頭泥包和井壁失穩(wěn)等問題，降低了鉆井效率。據統計，每年與“頁巖鉆井問題”有關的時間和材料費用損失，每年約5億美元［1］。

滲透壓力和裸眼液柱壓力能夠提供鉆井液濾液向頁巖孔隙滲透的水力學動力，形成井壁過平衡，維持低強度頁巖的井壁穩(wěn)定。擁有高滲透率地層的井段由于壓力釋放，使得暴露在水基鉆井液中的裸眼地層產生較小的井內壓力梯度，井壁失穩(wěn)的風險較小。相比之下，軟韌性頁巖的機械強度弱，滲透率非常低，侵入的濾液將提高近井壁處的孔隙壓力，由于壓力不能像高滲透率地層一樣盡快向遠處釋放，所以容易產生井壁失穩(wěn)的風險。PDC鉆頭與油基、合成基鉆井液結合使用鉆進泥頁巖地層時，因為油基或合成基鉆井液能夠降低扭矩、減弱鉆柱黏附、防止鉆頭泥包、保持井壁穩(wěn)定，機械鉆速通常比PDC鉆頭在水基鉆井液中使用時要高得多。但在環(huán)保要求嚴格的地方，油基鉆井液的使用通常會受到限制，迫使運營商和服務公司投入相當多的資源，努力改善PDC鉆頭在水基鉆井液（WBM）中的使用性能。

從發(fā)展情況來看，要解決鉆頭泥包、提高機械鉆速和井壁失穩(wěn)等問題，需要綜合考慮鉆頭設計和鉆井液體系性能。優(yōu)化的鉆頭設計和在水基鉆井液中加入ROP增速劑能顯著減少鉆頭泥包和提高鉆井效率。

1 室內鉆頭防泥包評價實驗

為評價鉆頭和鉆井液設計對減少鉆頭泥包和提高鉆井速度的效果，國外大公司在室內做的室內實驗肯定了鉆頭改進和ROP的提速效果。

1.1 單點牙輪鉆頭試驗

殼牌石油公司的Oort E V等人設計的高壓單點牙輪鉆井模擬器只含一組牙輪。由于鉆屑由單組牙輪產生，該儀器可以更準確的評價切削齒特性（如表面光潔度）和ROP增速劑對鉆屑尺寸的影響。此外，由于單組牙輪難以發(fā)生鉆頭泥包現象，可以評估在不發(fā)生鉆頭泥包的情況下切削齒特性和ROP增速劑對鉆井過程的影響［1］。測試過程中，單組牙輪在鉆井液壓力下以恒定的轉速旋轉，對軸向和切向載荷進行監(jiān)測。通過傳感器記錄壓力，轉速，軸向載荷，切向載荷和軸向位移隨時間的變化進行評價。

使用后傾角為20°切削深度1.27 mm的鉆頭，在120 r／min的轉速下進行單點牙輪鉆井模擬試驗。牙輪載荷越大，說明發(fā)生的泥包現象越嚴重。從圖1可見，鉆頭在合成基鉆井液（Synthetic－Based Mud簡稱SBM）中的牙輪載荷最低；鉆頭在水基鉆井液（Water－Based Mud，簡稱WBM）中的牙輪載荷最大；水基鉆井液中加入ROP增速劑后載荷明顯下降，拋光后的鉆頭載荷比未拋光鉆頭的載荷要小得多。測試結果見圖1、2［2］。

圖1 未拋光單點牙輪鉆頭載荷測試分析圖

圖2 拋光單點牙輪鉆頭載荷測試分析圖

1.2 全尺寸模擬測試

美國貝克休斯公司的Ron［3］等人設計的高壓全尺寸鉆井模擬器，由于可以直接觀察和使用計算機控制測試環(huán)境，使全尺寸鉆井模擬器非常適合研究鉆頭泥包現象。該儀器可以恒定鉆壓（WOB），測試機械鉆速的變化，反之亦然。為了在測試中更快產生的鉆頭泥包，需要將水力學馬力調到較低值。產生鉆頭泥包時，鉆壓會顯著增大。使用全尺寸高壓鉆井模擬器測試的試驗結果見圖3［3］。

圖3 不同鉆壓下的PDC鉆頭測試機械鉆速圖

使用 215.9 mm的拋光和未拋光鉆頭，在水馬力為3HSI、轉速為120 r／min、井底壓力為41.36 MPa的條件下進行高壓全尺寸鉆井模擬器測試。

1.3 微型鉆機測試

美國Hughes Christensen公司設計的微型鉆機測試裝置可以模擬高壓鉆井，測試過程中，可以在恒定鉆壓（WOB）或恒定機械鉆速的模式下進行?？梢院愣ㄣ@壓模式下測試機械鉆速的變化或在恒定機械鉆速的模式下測試鉆壓的變化。

在恒定鉆壓11 k N、轉速60 r／min的條件下進行微型鉆機測試，試驗結果如圖4［4］所示。

圖4 不同鉆頭和不同加量ROP增速劑測試機械鉆速圖

2 PDC鉆頭改進及應用效果

2.1 PDC鉆頭結構的優(yōu)化

水基鉆井液中使用PDC鉆頭鉆探頁巖層時，如果小頁巖片不能及時從PDC排屑槽排出，單個小頁巖片便容易黏接在一起形成長的“帶狀”頁巖片，很難再分開。由于帶狀巖屑尺寸較大（通常為幾英寸或更長），更難從排屑槽排出，導致相互聚集而結塊，形成泥包。

通過優(yōu)化鉆頭設計，如增大排屑槽的容量以收納和排放更多的鉆屑、優(yōu)化噴嘴位置以提供足夠的水力學動力，用切削齒深度控制鉆屑數量和大小等途徑，減少鉆頭泥包的形成。

使用水基鉆井液時，泥包對鉆具的黏附力與ROP增速劑、PDC鉆頭排屑槽容量、切削齒的鋒利度和表面光潔度等因素有關。為了探究PDC鉆頭類型對泥包形成的影響，殼牌公司Oort E V等人利用高壓全尺寸鉆井模擬器對不同類型PDC鉆頭鉆探頁巖層時對泥包形成的影響因素進行了評價［2］。

試驗測試證明：由于大容量的排屑槽更容易收納和排放更多的鉆屑，使用排屑槽小的鉆頭比排屑槽大的鉆頭更易出現鉆頭泥包。

PDC切削齒拋光鉆頭較標準PDC鉆頭具有更好的鋒利度，與ROP增速劑結合使用能減少鉆頭泥包，顯著提高機械鉆速。

2002年澳大利亞近海地區(qū)［5］，在澳大利亞近海距離西北大陸架16 km處，A、B兩口井的 215.9 mm井眼段，使用不同的鉆井液和鉆頭鉆進。其中A井采用油包水型合成基鉆井液和八刀翼PDC鉆頭（含倒劃眼齒）鉆進，平均鉆速為29.82 m／h。B井采用ROP增速劑加量為2%的聚乙二醇水基鉆井液和六刀翼PDC鉆頭（不含倒劃眼齒）鉆進，平均鉆速為45.6 m／h，鉆速超過A井50%。該結果證明，優(yōu)選合適的鉆頭，使用含ROP增速劑的水基鉆井液的鉆井速度已超越油基鉆井液的鉆進速度。

2.2 PDC鉆頭表面性質的處理

除了鉆頭形狀外，對鉆頭的表面材質進行改進也可以防止黏土對鉆頭的黏附，達到防止鉆頭泥包的目的。

多翼鉆頭通常含有大量的鎳銅，能提供較強的正電勢，經過氮化處理后能將正電勢轉化為非常強的負電勢。氮化處理后鉆頭的鋼材表面，相對于鉆井液體系呈電負性，鉆井液中的電負性離子被鉆頭表面排斥，水分子遷移到帶電金屬表面，形成潤滑層，達到防止鉆屑吸附，產生抗泥包的效果［1］。氮化處理鉆頭已在北海和墨西哥灣等地區(qū)應用成功，不僅解決了鉆頭泥包問題，提高了機械鉆速，還降低了鉆井成本。

在北海的一口井的311.2 mm井段中，由于頁巖水化和鉆頭泥包問題嚴重，使用特殊防泥包設計的鉆頭鉆探時，鉆井速度仍然非常低，前后兩個特殊防泥包鉆頭的鉆速分別只有4.1 m／h和3.8 m／h。改用氮化處理的表面改性鉆頭之后，再未出現鉆頭泥包現象。鉆井速度由之前的4.1 m／h和3.8 m／h提高到6.4 m／h，鉆井成本分別由2 568＄／m和1 060＄／m減少為814＄／m，節(jié)省了78 000＄，大大降低了鉆井成本。

在挪威，使用KCl／聚合物鉆井液體系（加入3%聚合醇），使用氮化處理鉆頭（S611 ABC）在 444.5 mm井眼的鉆頭進尺為1 917 m，平均機械鉆速達42.7 m／h。在另一口井斜為58.1°的井中，使用相同的鉆井液體系和氮化處理鉆頭，創(chuàng)造了該地區(qū)最長的單個鉆頭進尺1 918 m，平均機械鉆頭為48.8 m／h，其中前1 800 m井段的平均機械鉆速高達60 m／h。

3 水基鉆井液ROP增速劑的應用效果

水基鉆井液ROP增速劑（ROP enhancer），國內又叫快速鉆井劑［5－8］，主要從早期的油類發(fā)展到目前的表面活性劑。

3.1 作用機理

ROP增速劑加入到水基鉆井液中，能夠減少鉆頭泥包和提高井壁穩(wěn)定性，作用機理有3個方面。

1）快速滲入巖屑和地層之間的微裂縫，阻止微裂縫的復原，防止巖屑的重復破碎。

2）防止泥頁巖水化形成黏性泥團。

3）有效吸附在鉆頭、BHA等金屬表面，使其變成為弱親水或非親水性，降低部分水化泥頁巖在金屬表面的黏附。

3.2 ROP增速劑特點和適應性

1）油或油類似物：1937年，在Pottawatamie County，Oklahomall首次報道了水基鉆井液中使用一種油性物質提高鉆速［4］，該油性物質即為最初的ROP增速劑。油或為油類似物懸浮或分散在水基鉆井液中，即為常規(guī)乳化鉆井液。但是油類化合物增速劑在水基鉆井液中的加量一般大于10%，在環(huán)保要求嚴格的地區(qū)，其應用受到限制。

2）萜烯類：1991年，在得克薩斯州Austin Chalk，發(fā)現使用低濃度的萜烯混合物，能顯著降低阻力和扭矩，顯著提高機械鉆速。1994年J.R.Hasley等人使用含萜烯的水基鉆井液在南得克薩斯Wilcox開發(fā)井中應用成功。與柴油基鉆井液相比，該體系具有很大的經濟和環(huán)境優(yōu)勢，超過45口井使用了這一鉆井液體系，數據顯示，某些井的平均鉆速，較柴油基鉆井液提高了30%，總的鉆井成本下降20%［9］。萜烯濃度較稀時具有柑橘或松樹般的清香味，但在封閉的環(huán)境中，會導致濃度富集，具有一定的刺激性，加之對海洋生物的毒性。現在大多數鉆井區(qū)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）具有無毒、無味的特點，與PDC鉆頭配合使用能夠顯著提高鉆井速度，尤其與乙烯基磺酸鹽共聚物配合使用時效果更佳，可作為萜烯類水基鉆井增速劑的替代品。1993年報道了在Bay Marchand鉆井項目中，使用一種PPG／鋁復合物鉆井液體系，PPG是一種非水溶性聚丙二醇，鉆井液中只需要添加少量的PPG（1%～5%），平均機械鉆速為6.70 m／h，是鄰井KOH／石灰鉆井液體系2.74 m／h的2倍多［10］。PPG只適合由淺層到中間層段的鉆進。

4）異構烯烴和石蠟：鉆進更深的地層，特別是海上鉆井時，主要使用異構烯烴類活性物質的產品，異構烯烴類增速劑產品可生物降解，無毒，與鉆井液體系／處理劑兼容性好。能夠提高井眼清潔，防止鉆頭泥包和鉆屑重復破碎，提高了鉆井效率。

經實驗室高壓全尺寸鉆井測試和油田現場驗證［10］，異構烯烴鉆井增速劑配合合適的鉆頭，在水基鉆井液中能顯著減少鉆頭泥包和提高鉆井速度，比OBM或SBM更具有經濟優(yōu)勢。

Halliday等人［11］從白油及食用級石蠟中篩選了一種用作ROP提速劑的非毒性、可生物降解的純化石蠟，與表面活性劑配合使用具有較好的潤滑性，在鉆井液中的加量為1%～2%時能夠顯著提高機械鉆速［11］。

5）表面活性劑類：Friedheim等人研制了一種新型水基鉆井液，該鉆井液配方中使用了一種表面活性劑混合物ROP增速劑。國內應用比較成功的是孫金生等研發(fā)的KSZJ鉆井增速劑。KSZJ由帶電荷的蛋白質類大分子＋表面活性劑＋其他輔助成分組成。分子結構具備強吸附基團，有較長的多官能團分子鏈以及較長的烴基側鏈。既能提高定向吸附能力，又能使鉆具、鉆屑和井壁潤濕性從強親水向弱親水方向轉變［7］。根據對國內外鉆井提速劑產品的調查發(fā)現，各大公司及目前應用的鉆井提速劑成分主要是混合表面活性劑。

3.3 現場應用

KSZJ快速鉆井劑在勝利油田的試驗證明：在相同鉆具結構、水力參數條件下與鄰井同井段相比，機械鉆速在砂巖段提高26%，泥巖段提高18%。

1997年美國Louisiana油田［4］，在Louisiana近海區(qū)，使用ROP增速劑與牙輪鉆頭鉆進687.6 m深的井段，平均鉆速4.94 m／h。在鄰井，使用未添加ROP增速劑的鉆井液用PDC鉆頭鉆進，平均鉆速僅為1.34 m／h。在測試井中，相同的鉆井液中添加了ROP增速劑后，使用PDC鉆頭的平均鉆速增加到6.80 m／h，相對于使用ROP增速劑的牙輪鉆頭和未使用ROP增速劑的PDC鉆頭，鉆進速度分別提高了38%和400%。

4 結論與展望

鉆頭結構和表面性質對減少鉆頭泥包和提高鉆井速度有重要的影響，實驗室試驗和現場應用表明，大體積排屑槽、鋒利的拋光牙輪結構和電負性表面PDC鉆頭能減少鉆頭泥包，提高鉆井速度。

通過在水基鉆井液中加入ROP增速劑，能顯著抑制鉆頭泥包的形成，提高機械鉆速和井壁穩(wěn)定性。經過多年的發(fā)展，ROP增速劑的組成和性能得到不斷地提升。目前，ROP增速劑的主要由環(huán)保性能和功能更好的復配表面活性劑組成。

目前結合鉆頭和水基鉆井液優(yōu)化設計鉆探高壓深層頁巖層時，還不能完全消除鉆頭泥包。但室內試驗及現場應用表明，在水基鉆井液中加入ROP增速劑，并配合使用拋光鉆頭的效果已經逐步趕上或超過逆乳化鉆井液體系，并凸顯出其在環(huán)保和成本上的優(yōu)勢。隨著環(huán)保要求的日益嚴格，水基鉆井液及ROP增速劑的應用一定會有更廣闊的前景。

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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

韓斅等.削減PDC鉆頭泥包提高機械鉆速的技術途徑.天然氣工業(yè)，2012，32（8）：88－91.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.019

韓斅，1985年生，工程師，中國石油大學油氣井工程專業(yè)碩士研究生；主要從事鉆井液材料與配方研究工作。地址：（102200）北京市昌平區(qū)科技園區(qū)火炬街23號石大胡楊公司。電話：18611896212。E－mail：hanxiao5977＠gmail.com

（修改回稿日期 2012－06－05 編輯 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