陳紅玲（新疆油田公司概預(yù)算中心克拉瑪依　834000）

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淺析PDC鉆頭及泥包原因分析和對策

陳紅玲
（新疆油田公司概預(yù)算中心克拉瑪依834000）

摘要使用PDC鉆頭是現(xiàn)代鉆井提高鉆速采用的普遍方法，很多鉆井隊(duì)在施工過程中經(jīng)常碰到PDC鉆頭泥包的情況，這不僅延長了鉆井周期，還給現(xiàn)場施工人員帶來更大的工作量和施工風(fēng)險(xiǎn)。找到PDC鉆頭泥包的原因，如何避免反復(fù)發(fā)生鉆頭泥包現(xiàn)象是本文主要討論的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞PDC鉆頭原因?qū)Σ?/p>

DOI∶10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.02.014

1　 PDC鉆頭簡介

PDC鉆頭屬一體式鉆頭，整個(gè)鉆頭無活動部件，主要有鉆頭體、冠部、水力結(jié)構(gòu)（水眼或噴嘴、水槽亦稱流道、排屑槽）、保徑、切削刃（齒）五部分，見圖1。

圖1

1.1 PDC鉆頭的工作原理

PDC鉆頭的鉆井液從水眼中流出，經(jīng)過各種分流元件分散到鉆頭工作面各處冷卻、清洗、潤滑切削齒。鉆頭的水眼位置和數(shù)量根據(jù)鉆頭結(jié)構(gòu)而定。保徑部分在鉆進(jìn)時(shí)起到扶正鉆頭、保證井徑不致縮小的作用。采用在鉆頭側(cè)面鑲裝金剛石的方法達(dá)到保徑目的時(shí)，金剛石的密度和質(zhì)量可根據(jù)鉆頭所鉆巖石的研磨性和硬度而定。對于硬而研磨性高的地層，保徑部位的金剛石的質(zhì)量較高，密度也較大。

1.2 PDC鉆頭破巖機(jī)理要點(diǎn)

⑴在鉆進(jìn)某些硬地層時(shí)，在鉆壓作用下壓入巖石，使與切削齒接觸的巖石處于極高的應(yīng)力狀態(tài)而使巖石呈現(xiàn)塑性。

⑵在塑性地層（或巖石在應(yīng)力作用下呈塑性的地層），切削齒吃入地層并在鉆頭扭矩的作用下使前方的巖石內(nèi)部發(fā)生破碎或塑性流動，脫離巖石基體，形成巖屑，這一切削過程相當(dāng)于“犁地”，稱作犁削。巖屑的體積大體等于切削齒吃入巖石的位移體積。

⑶在脆性較大的巖石中，在鉆壓和扭矩作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力使巖石表現(xiàn)為脆性破碎，即屬于以剪力和張力破壞巖石。在這種情況下，PDC鉆頭的破巖速度較高，巖石破碎的體積遠(yuǎn)大于切削齒吃入后位移的體積。

⑷在堅(jiān)硬巖石（如燧石、硅質(zhì)白云巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等）中，由于切削齒本身強(qiáng)度的限制，較大粒度切削齒上的鉆壓不足以使巖石內(nèi)部產(chǎn)生塑性變形，所以一般均采用細(xì)顆粒的金剛石制成孕鑲式切削齒來鉆進(jìn)，其特點(diǎn)是要靠切削齒的棱角實(shí)現(xiàn)微切削、刻劃等方式來破碎巖石。這時(shí)分離出來的巖屑基本上是粒度很細(xì)的粉末。

2　使用PDC鉆頭鉆進(jìn)中泥包的常見現(xiàn)象

⑴鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)尺明顯變慢，或者說鉆時(shí)明顯升高；

⑵增大鉆壓或減小鉆壓對鉆速無明顯影響；

⑶地層變化時(shí)對鉆速影響不大；

⑷部分鉆頭水眼堵死，致使循環(huán)通道阻塞，不能有效通過導(dǎo)流槽排除鉆屑造成泥包。一般情況下泵壓略有升高或無明顯變化，但有時(shí)也會出現(xiàn)高泵壓；

⑸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?。?/p>

⑹起下鉆出現(xiàn)“拔活塞”現(xiàn)象；

⑺短起下鉆過后鉆速明顯變慢，繼續(xù)鉆進(jìn)可能會逐漸恢復(fù)原鉆速而泥包解除，或者繼續(xù)變慢造成嚴(yán)重泥包導(dǎo)致無法鉆進(jìn)；

⑻鉆進(jìn)中發(fā)生鉆具刺漏、循環(huán)出現(xiàn)短路，處理完后鉆速明顯變慢。

3　造成PDC鉆頭泥包的原因

⑴地質(zhì)因素：所鉆地層為上部不成巖的軟泥，極易粘帖于鉆頭表層，壓實(shí)后造成鉆頭泥包；地層中的泥頁巖雖成巖，但易于水化分散，使井眼內(nèi)泥質(zhì)或固相含量大增，吸附于鉆頭表面造成鉆頭泥包；或者地層中含有分散狀石膏，造成泥漿污染后，泥漿中的有害固相難于清除，使鉆頭被泥包的機(jī)率大增；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(shí)攜帶出的巖屑，形成厚泥餅，起下鉆時(shí)在PDC鉆頭下方堆積造成鉆頭泥包。

⑵泥漿性能因素：泥漿抑制性差，無法控制泥頁巖的水化分散；固相含量和粘切過高，鉆出的巖屑難于清除，易吸附在鉆頭表面，如果使用的是無固相鉆井液，鉆頭是絕對不會發(fā)生泥包的；泥漿比重偏高，失水大，易形成過厚的粗糙泥餅；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。

⑶工程技術(shù)因素：鉆進(jìn)中排量小，不能有效清洗井底及鉆頭，同時(shí)上返速度不足，巖屑在井內(nèi)滯留時(shí)間長，粘附于井壁形成厚泥餅，尤其是中上部鉆速高時(shí)更為嚴(yán)重；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；長裸眼下鉆未進(jìn)行中途循環(huán)，從井壁上刮下的泥餅或鉆屑則會泥包鉆頭。

⑷鉆頭選型因素：水眼設(shè)計(jì)無法滿足排屑要求；流道排屑角阻礙了鉆屑順利脫離井底。

⑸操作水平因素：下鉆速度過快，鉆頭不是在順著螺旋型軌道向下滑行，而是在井壁上不斷刮削泥餅或鉆屑，極易造成鉆頭泥包；下鉆時(shí)遇阻不是接方鉆桿循環(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；下鉆到底時(shí)操作方法有誤，如果先啟動轉(zhuǎn)盤，后啟動泵，同樣也會造成鉆頭泥包；在軟地層中鉆進(jìn)時(shí)，送鉆不均勻。

4　 PDC鉆頭泥包的預(yù)防

4.1泥漿性能的調(diào)整

⑴混油或增加潤滑劑投入量，使鉆屑不易粘附到鉆頭上；

⑵加大鉆井液中聚合物含量，控制失水，提高泥餅質(zhì)量；

⑶提高鉆井液抑制性，減少泥頁巖的水化分散；

⑷降低鉆井液粘度、切力，及時(shí)清除劣質(zhì)固相；

⑸對高滲砂層，可使用屏蔽暫堵技術(shù)，減少滲透性漏失；

⑹對含膏巖層，應(yīng)提前加堿，防止其污染泥漿。

4.2工程技術(shù)措施

⑴首先做好PDC鉆頭的選型工作，鉆頭水眼、流道設(shè)計(jì)應(yīng)利于排屑；

⑵下入PDC鉆頭之前，應(yīng)充分循環(huán)泥漿，清洗井眼，防止起鉆后滯留在井眼內(nèi)的鉆屑繼續(xù)水化分散；

⑶下入PDC前先短起下鉆，對井壁泥餅進(jìn)行刮削、擠壓，將厚泥餅拉薄、壓實(shí)，盡量保證井眼暢通、消除阻卡；在鉆頭泥包高發(fā)區(qū)，如果采用了所有方法也無法避免PDC鉆頭泥包，那么先使用牙輪通一趟井就成了必要手段；

⑷下鉆時(shí)在鉆頭流道表面涂滿黃油，形成一層保護(hù)膜，減少鉆頭與泥漿中的劣質(zhì)固相直接接觸的時(shí)間，或者把鉆頭包起來，這樣做即便在深井中也是有一定作用的；

⑸下鉆時(shí)鉆頭不斷刮削井壁，井壁上的泥餅或滯留于井內(nèi)的鉆屑會在鉆頭下堆積，到一定程度便會壓實(shí)在鉆頭上，那么下鉆中途進(jìn)行循環(huán)，將鉆頭沖洗干凈也是有其必要的；

⑹下鉆過程中還應(yīng)適當(dāng)控制速度，防止鉆頭突然沖入砂橋，鉆進(jìn)一堆爛泥中；另外如果速度恰當(dāng)，PDC鉆頭會順著上一只鉆頭所鉆的螺旋形井眼軌道行進(jìn)，而不是在井壁上劃拉下大量泥餅。

⑺每次下鉆到底時(shí)必須先開泵，盡量提高排量充分沖洗井底和鉆頭，等排量滿足要求后再輕壓旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)0.5～1 m，這也是PDC鉆頭造型的要求。

⑻盡量采用大排量鉆進(jìn)，保證PDC鉆頭的充分清洗與冷卻；

⑼在軟泥巖中鉆進(jìn)，應(yīng)盡量采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量，沒有必要盲目使用高鉆壓去追求那僅高一小點(diǎn)的鉆速，那只是牙輪鉆頭的使用方式；

⑽操作要精細(xì)，送鉆加壓一定要均勻。

5　 PDC鉆頭泥包的處理

⑴處理鉆頭泥包的第一條原則就是：不要急于打鉆，因?yàn)樵酱颍脑絽柡Γ?/p>

⑵發(fā)現(xiàn)鉆頭有泥包跡象，應(yīng)立即停鉆并將無（低）固相鉆井液在第一時(shí)間打入井內(nèi)清洗鉆頭；

⑶停止鉆進(jìn)，提高排量加強(qiáng)水力沖洗效果，上提鉆頭脫離井底，提高轉(zhuǎn)速增大離心力使泥塊易于甩出，并上下大幅度活動幾次，然后下壓至井底不開轉(zhuǎn)盤循環(huán)5～10 min，將上述過程反復(fù)操作；如果在2個(gè)循環(huán)周內(nèi)無效，就應(yīng)當(dāng)考慮起鉆了。

參考文獻(xiàn)

［1］鉆井施工工藝技術(shù).

［2］鉆井工程理論與技術(shù).

收稿：2016-02-15