中古151 井二開PDC 鉆頭泥包原因和對策分析

明瑞卿 張時中 王越之

1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院， 湖北 武漢 430100

2.中國石化河南石油工程有限公司， 河南 南陽 473132

0 前言

鉆頭泥包是指在鉆井作業(yè)中，鉆屑和無用固相吸附聚集在鉆頭表面，包裹住鉆頭切削刃，或堵塞鉆頭水眼或流道，使鉆頭無法正常工作的現(xiàn)象。在PDC 鉆頭未嚴(yán)重磨損或所鉆地層巖性未發(fā)生明顯變化時，出現(xiàn)鉆時明顯增加，鉆井泵泵壓上漲，扭矩變小而其他鉆進(jìn)參數(shù)未發(fā)生變化的情況，則可能是井下鉆頭出現(xiàn)泥包［1－4］。

塔中西部近年來修改井深結(jié)構(gòu)設(shè)計為三開以來，二開地層跨度大，鉆井技術(shù)難度高，復(fù)雜情況頻發(fā)。其中三疊系地層含有大段紫紅色和褐色泥巖，水化嚴(yán)重，頻繁造成PDC 鉆頭泥包，導(dǎo)致鉆頭無法正常工作，甚至被迫起鉆清洗鉆頭，嚴(yán)重制約了鉆井的經(jīng)濟(jì)效益。

1 中古151 井基本情況

中古151 井是位于塔中西部的一口預(yù)探井。井型為直井，其丼身結(jié)構(gòu)為三開設(shè)計。一開采用Ф 311.2 mm 鉆頭鉆至井深1 503.6 m 下入Ф 244.5 mm 表層套管，二開采用Ф 215.9 mm 鉆頭鉆至井深6 087.0 m 下入Ф 177.8 mm技術(shù)套管，三開使用Ф 152.4 mm 鉆頭鉆至井深6 223.81 m裸眼完鉆。鉆井周期為109 d，平均機(jī)械鉆速4.8 m/h。二開井段共穿越第三系、白堊系、三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系和奧陶系共8 個層位，其中三疊系、二疊系、石炭系和志留系4 個地層均有大段泥巖存在。

該井在鉆進(jìn)過程中，二開井段發(fā)生了4 次鉆頭泥包，分別發(fā)生在三疊系井深2 858 m 處2 個水眼被堵死，三疊系和二疊系交界處井深3 480 m 和井深3 655 m，鉆頭多個刀翼被泥包，在奧陶系井深5 464 m 處由于三疊系泥巖水化造漿導(dǎo)致PDC 鉆頭起鉆后發(fā)現(xiàn)四刀翼泥包。塔中西部區(qū)域內(nèi)多口鄰井，如中古157 H 井、中古14－3 H 井等也多次發(fā)生類似的泥包。二開鉆進(jìn)時，三疊系地層上部的紫紅色泥巖，三疊系和二疊系交界處紅褐色泥巖水化造漿嚴(yán)重，PDC 鉆頭泥包頻繁發(fā)生。

2 PDC 鉆頭泥包原因分析

2.1 水敏性黏土礦物組分原因

對三疊系紫紅色泥巖和褐色泥巖進(jìn)行X 射線衍射礦物成分分析(表1)。三疊系地層黏土礦物總量高，紫紅色泥巖黏土總量近45，這是該地層發(fā)生鉆頭泥包的主要原因之一。同時，雖然純蒙脫石剖面缺失，但伊蒙間層含量高達(dá)50左右，且間層比高，泥巖水化造漿比其他地層更加嚴(yán)重，鉆頭泥包易于發(fā)生。

表1 黏土礦物含量X 射線衍射結(jié)果

2.2 泥巖理化性能原因

對三疊系鉆屑進(jìn)行理化性能試驗評價，三疊系地層泥巖的吸水性、膨脹性和分散性都很強(qiáng)，造成三疊系地層鉆進(jìn)中水化造漿嚴(yán)重。劣質(zhì)固相和巖屑影響了鉆井液的流變性，使得鉆頭泥包在這一地層發(fā)生。

根據(jù)現(xiàn)場鉆屑在自來水中的膨脹率實驗結(jié)果(表2)，三疊系上部紫紅色泥巖吸水膨脹性強(qiáng)，吸水線膨脹率達(dá)到15左右。

表2 現(xiàn)場鉆屑在自來水中的線性膨脹率

根據(jù)現(xiàn)場鉆屑在四種鉆井液體系和清水中的滾動回收率實驗結(jié)果(表3)，三疊系上部紫紅色泥巖分散性強(qiáng)，在現(xiàn)場使用的CP 全陽離子鉆井液，KCl－聚合物鉆井液，KCl－聚磺鉆井液和聚合物鉆井液四種鉆井液體系中滾動回收率僅60～70。

表3 現(xiàn)場鉆屑在四種鉆井液體系和清水中的滾動回收率

2.3 現(xiàn)場清潔劑使用原因

模擬現(xiàn)場鉆井液對鉆屑滾動回收率及鉆井液濾液對膨潤土的線性膨脹率發(fā)現(xiàn)，KCl－聚合物鉆井液體系對抑制三疊系地層黏土礦物水化，防止鉆頭泥包的發(fā)生有較好效果。但現(xiàn)場實際使用時，中古151 井僅在泥包發(fā)生后才開始加入RH－4 潤滑清潔劑，未及時使用清潔劑導(dǎo)致清潔劑實際使用效果較差，防泥包效果不佳［5－8］。

2.4 地層長期浸泡原因

塔中西部地層埋藏深度較東部更深，地層更厚，中古151 井二開從1 500 m 開始，2 509 m 進(jìn)入三疊系地層，二開井段橫跨侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、志留系直至奧陶系近4 000 m 長，三疊系地層被鉆井液浸泡時間長達(dá)34 d。長時間被鉆井液浸泡加劇了地層泥巖水化作用，導(dǎo)致泥包發(fā)生。

3 PDC 鉆頭泥包預(yù)防措施

針對中古151 井三疊系鉆頭泥包嚴(yán)重的情況，提出預(yù)防措施:

1)應(yīng)使用對泥巖水化抑制性較強(qiáng)的鉆井液體系。KCl－聚合物鉆井液體系對地層泥巖水化抑制性較強(qiáng)，使用KCl－聚合物鉆井液時，應(yīng)提高KCl 的加量到4～5以抑制泥巖水化造漿，并保證鉆進(jìn)過程中鉆井液膠液的及時補(bǔ)充。

2)保證鉆井液的潤滑性。應(yīng)加入適量的防塌潤滑劑TYRF－1，低熒光潤滑劑RH－3 等，以保證鉆井液的潤滑性，減少鉆屑和劣質(zhì)固相在鉆頭表面的附著。

3)加入適量清潔劑。打開三疊系地層之前，及時加入鉆井液清潔劑3～4DET-6。并防止鉆井液起泡影響泥餅質(zhì)量。

4)降低鉆井液失水。進(jìn)入三疊系之前，應(yīng)檢查并調(diào)整鉆井液性能，控制固相含量小于10，API 失水小于8 mL;在二疊系井段加入超細(xì)碳酸鈣封堵地層中微孔隙和微裂縫。

5)控制鉆井液流變性。地層泥巖造漿會增加鉆井液黏度，適當(dāng)使用降黏劑，及時替換污染的鉆井液，防止鉆井液中劣質(zhì)固相的積累。

6)保證鉆頭沖洗效率。在三疊系和二疊系鉆進(jìn)時，使用Ф 127 mm－S 135 大水眼鉆桿，鉆井液排量在215.9 mm井眼中應(yīng)達(dá)到33 L /s，在243.1 mm 井眼中應(yīng)達(dá)到42 L /s，以保證鉆頭的沖洗效率，鉆完單根后，應(yīng)循環(huán)沖洗鉆頭后再進(jìn)行接單根作業(yè)，以保證井底凈化充分。

7)勤劃眼，嚴(yán)格控制起下鉆。在二開井段，特別是三疊系和二疊系地層應(yīng)勤劃眼，為修整井壁每200 m 進(jìn)尺短起下鉆一次，并嚴(yán)格控制起下鉆速度［9－10］。

4 結(jié)論

1)鉆頭泥包的主要原因是地層高黏土礦物含量。水敏性礦物含量越高，泥巖膨脹性、分散性就越強(qiáng)，地層造漿越嚴(yán)重。鉆井液污染后鉆屑及劣質(zhì)固相吸附與鉆頭表面造成PDC 鉆頭泥包。

2)使用強(qiáng)抑制性鉆井液體系控制泥巖水化是防止鉆頭泥包的主要措施。

3)正確使用鉆井液清潔劑有助于提高防泥包效果。

4)大排量清洗鉆頭，保證井底凈化效率是減少鉆頭泥包必不可少的措施。

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