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楊?張

（渤海鉆探第二鉆井工程分公司70162鉆井隊，河北廊坊   065000）

 

摘?要:本文通過分析泥包后的相應特征、導致鉆頭泥包的各種因素和鉆頭泥包后的致卡原因,提出防止鉆頭泥包卡鉆的措施和策略，建立一套從預防鉆頭泥包、識別和監測鉆頭泥包到鉆頭泥包及時處置、鉆頭泥包復雜排除的整體解決策略，同時闡明抽吸性縮徑的存在是導致鉆頭泥包發生“縮徑卡鉆”的主要誘因，探討應用憋壓浸泡法解除鉆頭泥包卡鉆的可行性。

關鍵詞:PDC鉆頭;鉆頭泥包;泥包預防;泥包卡鉆

中圖分類號:TE9 文獻標識碼:A 文章編號:16712064（2024）19001204

0引言

鉆頭泥包是指鉆屑、軟泥、濾餅影響黏附在鉆頭周圍的部分或全部區域，導致黏附物填滿牙輪鉆頭的牙輪間隙，或堵塞噴嘴水眼和排屑返流槽，如果進一步發展，甚至會全面包裹鉆頭。

鉆進時出現泥包將導致鉆頭的工作狀況變差，出現悶跳，增大了司鉆壓力，并容易導致牙輪鉆頭的崩齒或齒輪軸的損傷。泥包沖擊PDC鉆頭時，由于破壞了鉆頭的抗旋力，極易引起鉆頭的早期損傷，嚴重時可能引起鉆頭的崩斷或脫落，對后續鉆井工程產生潛在危害。鉆頭的泥包不但會在鉆井時出現，在起下鉆時也會出現[1]。

鉆頭出現泥包將直接或間接地對鉆探的經濟效益與安全產生顯著的連鎖反應。因為泥包而導致鉆進憋跳后，如果不能在井下及時消除，那么就只能降低鉆壓，繼續鉆進，否則就要起鉆清理消除泥包，有時候還需要更換鉆頭，這對提高機械鉆速和行程鉆速非常不利，會消耗更多的鉆頭，還會增加鉆井成本。鉆頭泥包在后期鉆井過程中，采用單根鉆井或起下鉆井等方式，極易引起井下抽水、壓力波動等負效應，導致地層流體入侵或井漏，引起溢流、井涌等事故發生，加大了壓井工作強度和井噴風險。更嚴重的是，在起下鉆的時候，容易造成遇卡、遇阻或劃眼等狀況，出現突然憋停，如果對這種情況的預測不準確，就會造成操作處理不當或決策錯誤，很快就會導致鉆頭泥包卡鉆[2]。

1鉆頭泥包的判斷識別

泥包的形成需要一定的條件。泥包的出現會影響鉆進過程中鉆齒的正常破巖或噴嘴的水力輔助破巖，不利于起、下鉆作業，并由此引起某些參數的改變。

泥包產生有其前提條件。一般情況下，在起、下鉆時，鉆頭會刮削裸眼段井壁濾餅和黏附在濾餅上的鉆屑，形成泥包在鉆遇大段泥巖地層、砂質泥巖地層時，可以根據所撈取的巖屑與地層進行對比，來分析判斷。當鉆頭被泥漿包裹后，鉆井參數保持不變，最直接、最顯著的特點就是鉆進時間明顯增加（如圖1、圖2所示）。也就是說，機進速度會大幅度下降，一般都是普通鉆進時間的一倍多。在正常情況下，立壓只有輕微上升（如圖1、圖2所示）或沒有明顯的變化。但是，當嚴重的鉆頭泥包造成水眼堵塞時，立管壓力會顯著提高，或者立管壓力曲線會出現時高時低的現象。當出現泥包后起、下鉆時，容易堵塞環空，導致憋泵。

扭矩的改變由于泥餅與鉆眉的包裹、黏附，導致鉆齒無法高效“吃入”巖層，甚至無法與新巖層接觸，呈現出轉矩降低，轉矩波動幅度降低，但由于泥餅的黏滯效應，轉矩時大時小，轉矩曲線比無泥袋時更平穩（如圖2所示）。在鉆進泥漿后，鉆頭底端和鉆出底部的轉矩也有小的改變（如圖1所示）。

用以下方法來檢測鉆頭泥包也有參考價值。設鉆壓在W1時相應的扭矩為T1，升高鉆壓至W2（所有其他參數保持恒量），記錄相應的扭矩T2又將鉆壓下降至W1，記錄扭矩T3。比較T1與T3的大小，如果T3

還有其他判斷方法。鉆頭泥包后在鉆進過程中會出現憋跳鉆現象發生鉆具刺漏等循環短路情況后鉆速會因泥包傾向而明顯變慢，出現起、下鉆的“拔活塞”現象短起、下鉆過后鉆速明顯變慢鉆頭部分泥包后，在鉆柱靜止時環空易形成竄流[3]。

2鉆頭泥包的影響因素

導致鉆頭泥包的影響因素較多，歸納起來主要體現在以下方面

2.1鉆頭選型因素

鉆頭泥包與鉆頭選型有關。選擇的牙輪鉆頭不具有自動清洗功能，PDC鉆頭的表面沒有涂上涂料，而且PDC鉆頭的出眉槽容積過大（深、寬尺寸過大），帶屑回流速率過小，易致鉆頭泥包由于噴嘴尺寸布置不當，噴注角度不當，導致井壁流體的側向流速及沖擊力不足，井壁流場低速區，回流區增大，易致鉆頭泥包。

2.2地層因素

鉆進的地層屬于松軟泥巖。松軟泥巖的碎屑很容易附著在鉆頭表面，被擠壓后形成泥漿袋在易水化的頁巖地層中，由于其鉆屑容易被水化而分散，使得鉆井液中的泥質、固相含量大幅增加，并且很容易被吸附在鉆頭表面，形成鉆頭的泥包。

2.3 鉆井液性能因素

比如，對鉆井液的抑制性差，泥巖鉆屑高度水化分散，導致固相含量和粘切過高，巖屑難以去除，會在鉆頭表面上吸附并積累。此外，由于鉆井液失水大，容易形成過厚的虛濾餅。固控裝置不能與高速鉆井相匹配，尤其是除泥器、除砂器的除泥、除砂效率較低，即使持續運行，也無法控制鉆井液中固相和黏度的增長，導致鉆井液出現泥包的可能性增大。

2.4司鉆操作因素

在裸眼段，起、下鉆速度過快，并且沒有進行中途循環，就會不停地刮去井壁的濾餅及附著在其上的鉆屑，在鉆頭上積累的濾餅和鉆屑越積越厚、越壓越實，從而形成了泥包。在起、下鉆遇卡、遇阻時，如果強行上提或下壓，會使鉆頭的泥包變得更嚴重。在下鉆就位后，首先啟動轉盤或頂驅，然后啟動泥漿泵，就會在鉆頭上形成泥包的傾向。在松散的地層中，由于不均勻的送鉆、在泥巖層中盲目增加鉆壓、在高鉆速的井段沒有及時劃眼都會為鉆頭產生泥包提供條件[4]。

2.5工程技術因素

在鉆進過程中，由于巖屑排出量過少，無法對井底和鉆頭進行有效清理由于巖屑排出量過少，無法對附著在井壁上的濾餅進行有效清理短起、下鉆不及時，或者在高速井段沒有調整短起、下鉆距離，都會造成鉆頭泥包。另外，由于在鉆井時沒有采用錄井技術進行監控，如果鉆柱內有穿刺漏點，在短路周期后沒有及時發現，則會迅速形成鉆頭泥包。

3預防鉆頭泥包的技術方案與措施

根據上述影響泥包形成的因素進行分析，并與易泥包區塊的防泥包鉆井的實際經驗相結合，在預防鉆頭泥包的思路中，要采用從設計選型、優化鉆井液性能、改善操作、調整鉆井參數和完善技術配套措施等方面入手，制定一體化解決方案[5]。

3.1 鉆頭設計選型

在易泥包地層中，如果選擇牙輪鉆頭，應選擇具有自洗性的牙輪鉆頭。

隨著科技的發展，尤其是PDC鉆頭切削齒的改進，其在地層中的應用范圍越來越廣泛，再加上其在定向鉆進、復合鉆進、垂直鉆進等領域具有更廣泛的應用前景，并且具有結構簡單、鉆速快、單只鉆頭進尺長、可減少起下鉆等優點，因此， PDC鉆頭替代牙輪鉆頭的比例在逐年上升，PDC鉆頭呈現出全過程作業的趨勢。與牙輪鉆頭相比， PDC鉆頭的缺點只有一個，那就是不具備機械自潔性，易產生泥包。

與傳統的牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭具有更大的優越性，可以有效彌補其機械自潔性的缺陷。通過改變噴嘴尺寸、增大噴嘴與鉆頭軸向的傾斜角，可以提高流體的側向流速及沖擊壓力，減小井底流場的低速區及回流區，從而加快巖屑的排出。PDC鉆頭的排屑槽容量（依賴于深度和寬度尺寸）并不是越大越好，因為排屑槽容量過大，會導致帶屑的回流速度過慢，在排屑槽的初始泥包形成之后，不會輕易地被低速的回流沖刷掉，周圍的直槽比起螺旋槽更有利于防泥包。

選擇PDC鉆頭為研究對象，采用過氮化膜等方法，在鉆頭表面涂上一層氮化膜，在其表面形成一層負電位層，并將其與帶有負電荷的鉆屑相排斥，實現防泥包。

3.2優化鉆井液性能

（1）對鉆井液進行抑制。在鉆井液中，充分利用 KPAM等高分子包覆劑的作用，并與頁巖抑制劑進行復合，使抑制劑總量大于0.6%，從而抑制頁巖水化彌散，降低鉆頭產生泥包的幾率。

（2）通過控制水分損失，改善濾餅品質。采用增加鉆井液中的降濾失劑含量的方法，將中壓失水控制在4mL左右，將高溫高壓失水控制在11mL以下，防止因失水過多而使泥巖地層吸水后產生過量的水化膨脹，從而導致地層吸水縮徑，并產生虛厚濾餅。在高滲透的地層中，為了防止虛厚泥餅的形成，降低鉆頭發生泥包的幾率，可以使用屏蔽暫堵技術，加入超細碳酸鈣、單向壓力暫堵劑等隨鉆堵漏材料來降低濾餅的滲透性，進而提升濾餅的質量。

（3）改善泥漿潤滑性能。實際鉆進實踐證明，在使用油基鉆井液時，不會出現泥包現象。通過混合油類，增加清潔劑及液態潤滑劑的劑量，可以避免鉆屑與鉆頭發生黏連，尤其是使用快鉆藥劑，可以實現巖屑表面的潤濕性從親水性變為親油性，可以有效地防止鉆頭產生泥包。

3.3改善操作

改進司鉆的操作習慣和程序，實行精細化操作管理，也有助于預防鉆頭泥包。

（1）控制好上升和下降的速率，在半路上適時停車。露眼段開始下鉆時，速度不宜太快，以免鉆頭不停地刮擦井壁上的濾渣和附著在上面的鉆屑，使鉆屑在鉆頭上積累。隨著鉆速的提高，砂巖的破碎效果也會隨之增強，因此，采用合理的起下速率和適時的半循環方式，可以有效地去除砂巖在鉆頭表面積累的砂巖。

（2）遇阻遇卡，及時循環是關鍵。起下鉆遇卡、遇阻時.應及時接方鉆桿循環,最忌強行上提和下壓，應采取“一沖、二通三劃眼”的方法通過。

（3）泥漿泵的啟動、停止，順序要合理。下鉆就位后，必須首先啟動泥漿泵，在循環正常、高排量的情況下，將井底及鉆頭完全沖洗干凈后才能起動轉盤或頂驅。接單根或者接立柱時，應先停轉盤或者頂驅，后停泥漿泵。這些措施都可以減少鉆進泥包。

（4）加壓操作要精細，確保送鉆均勻，鉆壓不能忽大忽小。

3.4調整鉆井參數和完善技術措施

（1）下鉆前，在 PDC鉆頭孔內涂上黃油，在孔內形成一種保護薄膜，可以有效降低鉆井液中的雜質顆粒及雜質顆粒在孔內的附著。

（2）下鉆到底之后，首先要用高排量對井底和鉆頭進行徹底清洗。對PDC鉆頭，在20～30kN的低鉆壓進行成型鉆進0.5m后，再逐步增加到正常鉆壓。

（3）鉆頭要緩慢地與井底接觸，保證鉆頭的清潔，返回速度最好大于0.9米/秒在泥漿地層中，PDC鉆頭的應用要盡可能地降低鉆壓，提高鉆速，并盡可能地提高鉆速。

（4）在鉆進時，應在48小時內，或者在150～200米內，進行短程起、下鉆，對于鉆速較快的井段，應盡量縮短短起、下鉆的間隔。

（5）在起鉆之前，應調節鉆井液的特性，添加液態潤滑油。首先進行短起、下鉆，刮削、擠壓井壁的濾餅，使其變薄、變實，盡可能地保持井眼的暢通，消除堵塞鉆井液循環完成、井身清潔后才能開始鉆進。

（6）若在PDC鉆頭下鉆過程中，仍不能防止泥沙的產生，則可使用牙輪鉆頭進行先導通井。

（7）在錄井過程中，應加強工程觀測，尤其要嚴密觀測立壓、轉矩、鉆時等隨地層變化的相關性。

4發生泥包后的處置措施

泥包并不是一成不變的，只要作出及時判斷，采取正確的處理方法，就能緩解甚至消除泥包的危害。在對起下鉆、鉆進作業過程中的相關征兆和參數變化現象進行綜合分析，判斷發生泥包之后，應該立刻停止相應的作業，并以工況為依據，選擇以下幾種相應的處置措施。

4.1激動沖洗法

在鉆頭與井底保持一定距離，并且鉆頭位置附近井段井眼順暢，無阻卡點的情況下，首先使用正常大排量循環水力沖洗，在5～6m的范圍內快速移動鉆柱數次（也就是采用快速下降鉆柱并突然猛剎車的方式，以確保激動壓力不會壓漏下部地層才能進行），隨后啟動高轉速，增加離心力，以便于將泥塊甩出，再起鉆柱，重復以上步驟。

4.2牙輪鉆頭通井法

如果在下PDC鉆頭的時候出現泥包，而且比較嚴重，又遇到很多阻力，就需要進行長段劃眼。在使用激動沖洗法效果并不顯著的時候，就可以暫時起鉆，先用牙輪鉆頭進行通井，然后再下PDC鉆頭[6]。

4.3壓洗法

當鉆柱沒有與井下動力相連時，可以將鉆頭從井底提起。在不打開轉臺的情況下，打開大位移循環，緩慢地將鉆頭放下，以150kN的鉆壓，進行大位移循環，持續3分鐘然后將鉆頭從井底提起，高速旋轉鉆具3分鐘，隨后停止轉臺。如此反復數次，可以將壓力沖洗和脈沖沖洗兩種方法交替使用。

4.4浸泡法

如果泥包比較嚴重，激動沖洗法、壓洗法都沒有起到作用，或者鉆頭的位置不適合使用壓洗法，那么就可以考慮使用浸泡法。在鉆桿中注入一定量的高效清洗劑和柴油的混合液，確定好流量，卡準時間，將混合液泵到鉆頭附近，浸泡30分鐘后，再使用激動沖洗法、壓洗法進行處置[7]。

 

參考文獻

[1] 夏育新,戴立斌,龍利平,等.PDC鉆頭泥包的識別及其錄井參數特征[J].錄井工程,2009:2024.

[2]林衛東,陳亮.塔河油田PDC鉆頭泥包原因分析與對策[J].科技創新導報,2010:1215.

[3]劉俊海,高飛,寧維友.關井憋壓法處理粘附及縮徑卡鉆[J].石油鉆探技術,2004:3032.

[4] 張勇.石油天然氣鉆井井控培訓教材(現場關鍵操作人員)[J].石油工業出版社,2024.

[5] 安傳奇,熊青山,甘新星,等.快速鉆井液處理劑技術在車峰5井的應用[J].長江大學學報,2010.

[6] 張勇.石油天然氣鉆井井控培訓教材(現場關鍵操作人員)[D].北京:石油工業出版社,2024.

[7] 張勇.石油天然氣鉆井井控培訓教材(現場關鍵操作人員)[D].北京:石油工業出版社,2024.

作者簡介楊張（1988—），男，河北行唐人，工程師，研究方向井下鉆頭的施工風險研究。

Analysis and Countermeasures of PDC Bit Mud Packing and Sticking

YANG Zhang

(Binhai Drilling Second Drilling Engineering Company 70162 Drilling Team, Langfang  Hebei  065000)

Abstract:By analyzing the corresponding characteristics after mud packing, various factors leading to mud packing of the drill bit, and the causes of sticking after packing of the drill bit, it is proposed that to prevent mud sticking of the drill bit, it is necessary to establish an overall solution strategy from preventing mud packing the drill bit, identifying and monitoring mud packing of the drill bit, to timely dealing with mud packing of the drill bit, and excluding complex mud packing of the bit. At the same time, it is clarified that the existence of suction shrinkage is the main cause of "shrinkage sticking" after mud packing of drill bit. In this regard, the feasibility of using pressure soaking method to relieve mud sticking of the drill bit is proposed.

Key words:PDC bit;bit balling;balling prevention;balling sticking