PDC鉆頭泥包處理措施及新型防泥包鉆頭

于建峰

（江漢石油鉆頭股份有限公司，湖北 武漢430223）

PDC鉆頭泥包處理措施及新型防泥包鉆頭

于建峰

（江漢石油鉆頭股份有限公司，湖北 武漢430223）

PDC鉆頭產(chǎn)生泥包現(xiàn)象的影響因素包括鉆頭特性、地質(zhì)、泥漿、使用方法等，各種針對PDC鉆頭的防泥包現(xiàn)場處理措施，可一定程度上減少下鉆過程及鉆進(jìn)過程中的泥包產(chǎn)生，在施工過程中應(yīng)重視針對性地選用。新型防泥包PDC鉆頭綜合性能優(yōu)于普通PDC鉆頭，具有推廣價值。

PDC鉆頭；泥包；影響因素；處理措施；新型鉆頭

PDC鉆頭具有鉆速高、進(jìn)尺長、井下事故少等特點(diǎn)，綜合性能優(yōu)異，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但在使用過程中易產(chǎn)生鉆頭泥包，嚴(yán)重影響了PDC鉆頭的使用效率。研究泥包產(chǎn)生原因、泥包判斷及現(xiàn)場處理方法，預(yù)防泥包產(chǎn)生，對提高PDC鉆頭的使用效率及設(shè)計防泥包鉆頭均有重要意義。

1 PDC鉆頭泥包簡介

PDC鉆頭泥包是指PDC鉆頭在下鉆或鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的水眼堵死、排屑槽及刀翼被井底、井壁和未及時上返的巖屑等包裹?。ㄒ妶D1），造成泵壓升高，鉆速降低的現(xiàn)象。泥包的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了鉆頭正常使用。

圖1 PDC鉆頭泥包

PDC鉆頭在鉆進(jìn)過程中如果產(chǎn)生泥包，將出現(xiàn)如下現(xiàn)象：

1）鉆進(jìn)時進(jìn)尺明顯變慢，鉆時明顯升高；

2）增大鉆壓或減小鉆壓對鉆速無明顯影響；

3）地層變化時對鉆速影響不大；

4）一般情況下泵壓略有升高或無明顯變化；有時也會出現(xiàn)高泵壓，甚至堵死鉆頭水眼，阻塞循環(huán)通道；

5）鉆頭牙齒不能有效吃入地層，表現(xiàn)出扭矩變小或扭矩波動范圍減小，鉆頭起出后，排屑槽甚至刀翼被泥巴包住，并伴隨噴嘴堵塞。

2 PDC鉆頭產(chǎn)生泥包的主要原因

造成PDC鉆頭在鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生泥包的原因，主要有地質(zhì)、作業(yè)參數(shù)、泥漿性能及鉆頭特性等。

2.1 地質(zhì)因素的影響

1）上部地層不成巖的軟泥易粘附于鉆頭表面，壓實后易造成鉆頭泥包。

2）地層中的泥頁巖雖成巖，但易于水化分散，吸附于鉆頭表面造成鉆頭泥包。

3）地層滲透率高，在壓差作用下，吸附井筒內(nèi)有害固相及未及時攜帶出的巖屑，形成虛厚泥餅，起下鉆時在PDC鉆頭下方堆積造成鉆頭泥包。

4）地層較軟，泥巖遇水膨脹及膏鹽層蠕變等，導(dǎo)致井眼縮徑，起下鉆遇卡遇阻，排屑槽被泥巖、膏鹽等機(jī)械鑲嵌，水眼被堵死等。

2.2 作業(yè)參數(shù)及操作技術(shù)的影響

1）鉆進(jìn)中泥漿排量小，不能有效清洗井底及鉆頭，同時上返速度不足，巖屑在井內(nèi)滯留時間長，造成重復(fù)切削，尤其是中上部（4 000m以內(nèi)）鉆速高時尤為嚴(yán)重。

2）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。

3）長裸眼井下鉆過程中未進(jìn)行中途泥漿循環(huán)，從井壁上刮下的泥餅或鉆屑則會泥包鉆頭。

4）鉆進(jìn)中鉆壓不均勻，使切削齒瞬間切入地層的深度不一致，特別是鉆時變慢后，盲目加壓，造成泥包。

5）下鉆速度過快，在井壁上不斷刮削泥餅或鉆屑，極易造成鉆頭泥包。

6）下鉆遇阻時，不是接方鉆桿循環(huán)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。

7）下鉆到井底時，如果操作方法錯誤，如先開轉(zhuǎn)盤，后開泵，同樣也會造成鉆頭泥包。

2.3 泥漿性能的影響

1）泥漿抑制性差，無法控制泥頁巖的水化分散。

2）固含和粘切過高，鉆出的巖屑難于清除，易吸附在鉆頭表面。

3）泥漿比重偏高，失水大，易形成過厚的粗糙泥餅。

4）潤滑性能差、鉆頭表面無法形成有效的保護(hù)膜，鉆井液中的劣質(zhì)固相易吸附在鉆頭上。

2.4 鉆頭特性的影響

1）鉆頭水孔噴射位置及角度不合理，產(chǎn)生渦流，無法充分清洗刀翼及復(fù)合片，巖屑運(yùn)移不暢。

2）鉆頭排屑槽過窄，阻礙鉆屑順利脫離井底。

3）水孔噴嘴過小，憋泵，排量不足，影響巖屑及時上返。

3 PDC鉆頭泥包現(xiàn)場處理措施

鉆井施工現(xiàn)場防止PDC鉆頭產(chǎn)生泥包現(xiàn)象，常用措施有：控制和改善泥漿性能、合理確定鉆井工藝參數(shù)和操作方法、下鉆時預(yù)先對鉆頭采取保護(hù)措施等。

3.1 控制和改善泥漿性能的方法

油基泥漿的防泥包效果很理想，但是容易污染產(chǎn)層，破壞環(huán)境，且成本高。一般多采用水基泥漿。為防泥包，可采用以下措施改善泥漿性能：

1）采用低粘、低切、低固含泥漿，鉆進(jìn)過程中，加強(qiáng)泥漿中固相控制。

2）加大鉆井液中聚合物、泥頁巖抑制劑的含量，一般使用DBF一2、KPAM、PMHC等抑制劑，抑制粘土水化和塑性變形，減少鉆頭泥包傾向。

3）在快速鉆井液中加人防泥包劑、清潔劑、潤滑劑等，在金屬表面形成憎水膜，降低甚至清除水化粘土在鉆頭、扶正器等金屬表面的粘附。

4）對高滲砂層，可使用屏蔽暫堵技術(shù)，加入QS一2、FD一1、PB一1等暫堵劑，提高濾餅質(zhì)量，減少滲透性濾失，減少鉆頭泥包的可能。

5）選用陽離子懸乳液鉆井液體系，通過改變鉆井液連續(xù)相和電性來提高鉆井液的抑制性、潤滑性，改善流變性，從而達(dá)到防止PDC鉆頭泥包的目的。

3.2 合理確定鉆井工藝參數(shù)和操作方法

1）進(jìn)行短起下鉆，對井壁泥餅進(jìn)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。

2）下鉆時采用分段循環(huán)鉆井液，防止堵水眼。

3）鉆頭下到井底前，必須先開泵循環(huán)泥漿，并提高排量充分沖洗井底和鉆頭，轉(zhuǎn)盤必須在排量滿足要求后才能開。

4）在軟泥巖中鉆進(jìn)時，應(yīng)盡量采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆進(jìn)；控制好機(jī)械鉆速，或增加鉆井液循環(huán)時間，其目的是為了降低鉆井液中的巖屑濃度。

5）操作要精細(xì)，送鉆加壓一定要均勻，不能忽大忽小。

6）嚴(yán)禁低于設(shè)計排量鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)中要加強(qiáng)巡回檢查，監(jiān)控好排量和泵壓的變化。

7）避免在易產(chǎn)生泥包的純泥巖段起鉆，可選擇鉆時相對較高的砂巖段或含泥質(zhì)砂巖段起鉆，避免因長時間未循環(huán)泥漿。

3.3 鉆頭防護(hù)

下鉆前，可在鉆頭排屑槽及刀翼表面，涂滿黃油，形成一層保護(hù)膜，并用160目以上鐵絲網(wǎng)把鉆頭排屑槽包起來，并用鐵絲將其捆扎好，減少泥砂與鉆頭排屑槽表面的接觸，在包裹的鐵絲網(wǎng)上再涂滿黃油，減少鉆頭本體和泥漿及其劣質(zhì)固相的接觸時間（見圖2）。

圖2 鉆頭捆包示意圖

鉆頭在鉆進(jìn)過程中，鐵絲網(wǎng)及附著在它上面的泥巴，最終會因磨損及鉆旋轉(zhuǎn)離心力而脫落，被鉆頭鉆掉或擠入井壁。

下鉆過程中，如果需要頂水眼，可根據(jù)需求將水眼部位的鐵絲網(wǎng)捅破，以免頂水眼時鐵絲網(wǎng)被沖掉。

4 新型防泥包PDC鉆頭開發(fā)

PDC鉆頭設(shè)計的好壞，直接影響到鉆頭的使用效果，對鉆頭是否容易產(chǎn)生泥包有很大的影響。通過優(yōu)化水力設(shè)計、布齒設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、涂層使用等方法，提高PDC鉆頭防泥包性能，完全具有可行性。

4.1 優(yōu)化水力結(jié)構(gòu)

優(yōu)化鉆頭水力設(shè)計，合理布置噴嘴數(shù)量及角度，達(dá)到充分冷卻刀翼復(fù)合片并避免井底產(chǎn)生渦流的目的，可避免巖屑重復(fù)破碎、攜帶不干凈等問題，從而避免了產(chǎn)生泥包?？刹捎肍LUENT等專用水力軟件進(jìn)行井底流場模擬分析，并根據(jù)模擬分析結(jié)果優(yōu)化噴嘴幾何位置設(shè)計。

4.2 合理布置各刀翼間夾角

鉆頭設(shè)計時，在保證不平衡力要求的前提下，合理設(shè)計各刀翼間排屑槽的夾角，避免因排屑槽夾角過小而導(dǎo)致泥包。

4.3 合理攻擊線型及布齒設(shè)計

綜合考慮地層及鉆井設(shè)計、工藝等因素，合理設(shè)計鉆頭攻擊線型，優(yōu)化布齒密度，并根據(jù)鉆頭機(jī)速、轉(zhuǎn)速及每轉(zhuǎn)吃深，合理設(shè)計鉆頭露齒高及齒間距，便于巖屑從齒間間隙橫向排泄，保證了復(fù)合齒的正常吃入切削、清洗和冷卻，避免了刀翼表面及復(fù)合齒產(chǎn)生泥巴堆積導(dǎo)致泥包。

4.4 刀翼結(jié)構(gòu)特殊設(shè)計

刀翼背部采用大倒角設(shè)計，單位鉆壓下，鉆頭吃入更深，復(fù)合片壓入地層更容易，井底扭矩更小，排屑更通暢，機(jī)械鉆速提高30%。

在刀翼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，增大刀翼攻擊面根部圓弧倒角，在主刀翼可采用變半徑倒角方式，盡可能地增大刀翼根部倒角，最大限度避免泥巴在此處堆積形成泥包，同時增大刀翼強(qiáng)度，進(jìn)一步降低斷刀翼的風(fēng)險。

4.5 Teflon涂層的應(yīng)用

Teflon系列涂層是杜邦公司于1938年發(fā)現(xiàn)的，是目前最好的不粘涂料。它主要成分是聚四氟乙烯，具有優(yōu)良的釋水性，不易潤濕。由于頁巖地層含有大量游離的負(fù)離子，帶有這些負(fù)離子的鉆屑很容易粘附在鐵基的鉆頭上，產(chǎn)生泥包，而帶有強(qiáng)負(fù)電性的Teflon涂層，能夠排斥帶負(fù)電荷的粘土吸附到鉆頭表面，顯著降低泥包的發(fā)生。

4.6 新型防泥包PDC鉆頭使用效果

8.5 英寸KS1953SGR鉆頭是江鉆公司設(shè)計生產(chǎn)的新型防泥包PDC鉆頭，該型號的鉆頭在塔河油田的試用中取得了較好的效果，與普通PDC鉆頭相比，平均單鉆頭進(jìn)尺提高了79.3%、純鉆進(jìn)時間延長了24.3%、機(jī)械鉆速提高了44.2%。與普通PDC鉆頭棍，新型防泥包鉆頭優(yōu)勢明顯。

5 結(jié)論

1）PDC鉆頭產(chǎn)生泥包現(xiàn)象的影響因素較多，除鉆頭特性外，尚受到地質(zhì)、泥漿、使用方法等因素的影響，在鉆井施工過程中須正確分析各因素的影響，采取合理的預(yù)防措施。

2）鉆井施工中，各種針對PDC鉆頭的防泥包現(xiàn)場處理措施，可一定程度上減少下鉆過程及鉆進(jìn)過程中的泥包產(chǎn)生，應(yīng)重視在施工過程中針對性地選用。

3）新型防泥包PDC鉆頭經(jīng)實際應(yīng)用證明，綜合性能優(yōu)于普通PDC鉆頭，具有推廣價值。

［1］王得國，馬培寧.PDC鉆頭防泥包技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀［C］／／中國機(jī)械工程學(xué)會摩擦學(xué)分會.第二屆全國工業(yè)摩擦學(xué)大會暨第七屆全國青年摩擦學(xué)大會論文集，2004：182－184.

［2］杜清松，何昊.塔河油田PDC鉆頭泥包原因分析及對策［J］.西部探礦工程，2009，21（03）：107－108.

On Measures for Treating PDC Bit Balling and New Type of Bits against Balling－Up

YU Jian－feng
（Jianghan Petroleum Drill Co.Ltd，SINOPEC，Wuhan，Hubei，430223，China）

The factors that cause PDC bit balling include bits performance and usage，geology condition and slurry quality.All kinds of measures for treating PDC bit balling on site are able to reduce balling－up to some degrees in the course of running in the hole or drilling.These measures should be well targeted in use.New type of bits against balling－up is better than normal PDC bits in overall performance and worth wide application.

PDC Bit；Balling－up；Influencing Factor；Treatment Measure；New Type of Bits

TE242

B

1009—301X（2013）04—0046—03

2013－05－10

于建峰（1976－），男，大學(xué)，工程師，從事PDC鉆頭、牙輪鉆頭及石油機(jī)械產(chǎn)品銷售和現(xiàn)場服務(wù)工作。

［責(zé)任編輯 周顯斌］