1、2023 年 第 2 期 化学工程与装备 2023 年 2 月 Chemical Engineering&Equipment 147 PDC 钻头钻井泥包原因及控制措施 PDC 钻头钻井泥包原因及控制措施 曹智雨（长城钻探工程有限公司钻井一公司，辽宁 盘锦 124010）摘 要：摘 要：为了对 PDC 钻头钻井过程中的泥包问题进行全面控制，本次研究首先对 PDC 钻头进行简单介绍，对钻头泥包的判断方法进行阐述，对 PDC 钻头钻井泥包产生的原因进行分析，最后，对 PDC 钻头钻井泥包的控制措施进行研究，为保障钻井作业的安全高效进行奠定基础。研究表明：PDC 钻头属于一体式钻头，使用过程中没有活
2、动部件，在开展钻井作业的过程中，钻井液性能、地质因素、钻头类型和尺寸以及工程因素是钻头泥包产生的主要原因，因此，需要从优化钻井液性能、改善钻井工程技术、合理选择钻头类型以及及时处理钻头泥包等角度出发，采取多种类型措施，对钻头泥包进行全面控制，降低钻井作业工作量以及施工风险问题。关键词：关键词：PDC 钻头；钻井泥包；泥包判断；原因分析；措施研究 前 言 前 言 对于我国的部分区域而言，地层中的岩石类型以泥页岩为主，在对该种类型地层进行钻井作业的过程中，PDC 钻头的钻速相对较快，钻井作业的效率相对较高，因此，该种类型的钻头得到了大面积的推广及应用1。由于我国常规能源的储量在逐渐降低，非常规能源
3、的储量相对较高，未来在进行非常规能源开发的过程中，PDC 钻头仍然具有很强的发展空间。由于部分地层中粘土矿物的含量相对较高，在开展钻井作业的过程中粘土矿物非常容易吸附在钻头上，进而出现钻井泥包问题，最终导致钻井作业效率降低2。针对该问题，本次研究主要是对泥包产生的原因进行分析，并提出有效的控制措施，为全面提高钻井作业效率奠定基础。1 PDC 钻头简介及泥包判断 1 PDC 钻头简介及泥包判断 1.1 PDC 钻头简介 PDC 钻头属于一体式的钻头，钻头上没有任何的活动部件，其主要由五部分构成，分别是钻头体、冠部、水力结构、保径以及切削刃。通过对该钻头的使用原理进行分析发现，在使用的过程中钻井液
4、会从水眼的位置处流出，在经过多个零部件以后，钻井液将会分散到钻头的各个位置处，进而可以发挥冷却、清洗以及润滑的效果。对于钻头上的水眼而言，其数量以及位置与钻头的结构有关。对于钻头上的保径部件而言，其主要可以发挥扶正钻头的作用，在开展钻井作业的过程中保证井径不会出现缩小的问题。钻头的侧面位置处镶装有一定数量的金刚石，其可以达到保径的目的，在对金刚石进行选择的过程中，密度和质量是非常重要的参数，这两项参数需要根据岩石的硬度而定，对于硬度相对较大且研磨度相对较高的地层而言，对于金刚石的质量和密度要求都相对较高3。使用该钻头进行钻井作业主要具有四大要点：在对硬度相对较大的地层开展钻井作业时，钻头将会在
5、钻压的作用下进入到岩石中，切削齿与岩石之间的应力相对较高，进而使得岩石逐渐呈现出塑性特征；在对塑性地层开展钻井作业的过程中，切削齿将首先进入到地层中，在钻头扭矩的影响下，地层中的岩石将会逐渐破碎，进而使得部分岩石脱离岩石的基体，最终产生大量的岩屑，这一过程可以被称为犁削。对于岩屑的体积而言，其与切削齿进入岩石的位移体积基本相同；对于脆性相对较大的地层而言，受到钻压和扭矩的双重作用，岩石将会逐渐破碎，因此，在使用PDC 钻头对该种地层进行钻井作业时，PDC 钻头的钻井速度相对较快，岩石的破碎体积也相对较大4；在相对较为坚硬的地层中，由于切削齿自身具有一定的强度，且钻井的压力无法使得岩石产生塑性变
6、形，因此，钻头侧面需要镶装体积相对较小的金刚石，此时可以依靠切削齿的棱角进行破岩作业，所形成的岩屑体积相对较小。1.2 泥包判断 在对泥页岩等多种类型的地层开展钻井作业的过程中，钻头的钻速将会大幅提升，该种类型地层中粘土矿物的含量相对较高，一般情况下，粘土矿物的含量可以达到 50%左右，如果钻井作业开展过程中使用的钻井液为水基钻井液，对于泥页岩而言，长期与水基钻井液相互接触以后，其体积会逐渐膨胀，粘土矿物在膨胀以后的粘性将会增加，对于 PDC类型的钻头而言，其结构相对较为复杂，其属于整体式钻头类型，钻头中的各个零部件并不会运动，大量的粘土矿物将会在钻头体以及切削齿上逐渐聚集，进而产生泥包问题。
7、如果钻头上泥包的体积相对较大，在开展钻井作业的过程中钻头的切削齿将无法与地层接触，对于地层的破碎效果将会严重降低，此时钻头的破岩效率逐渐下降，导致钻井作业开展的效率降低。在另一方面，由于钻头体和切削齿等零部件上的泥包体积相对较大，此时钻井液也将无法与切削齿等部件DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.02.101148 曹智雨：PDC 钻头钻井泥包原因及控制措施 直接接触，其冷却效果将会严重降低，大量零部件的使用寿命将会大幅下降5。在泥包逐渐形成的过程中，钻头的体积将会逐渐增加，在开展钻井作业的过程中，钻头将会处于活塞运动状态，在运动过程中将会对地层产生严重的抽吸作用，对于钻
8、头下部位置处的井筒而言，其内部的压力逐渐降低，此时出现井喷等风险事故的概率将会严重提升。2 PDC 钻头钻井泥包原因分析 2 PDC 钻头钻井泥包原因分析 通过对目前的研究成果进行调研发现，出现钻头泥包问题的影响因素可以分为五种类型，分别是地质因素、钻头因素、钻井液因素、钻井参数因素以及围压因素。在地质因素方面，地层中粘土矿物的含量、地层矿物颗粒的尺寸、地层的含水量都会对钻屑的吸附性产生严重影响。2.1 钻井液性能原因 在开展钻井作业的过程中，钻井液是非常重要的物质，其不但可以发挥润滑的效果，还可以将地层中的岩屑携带出地面，钻井液的成分以及类型不同，则密度和润滑性也将会产生较大的区别。如果钻井
9、液的密度相对较大，此时其失水性将会严重增加，对于钻井液中的固体颗粒物而言，其容易在井壁位置处产生泥包，且泥包较为粗糙，最终导致钻头位置处也产生泥包，如果钻井液的润滑性相对较低，无法在钻头位置处产生有效的保护膜，此时大量的颗粒物容易在钻头上产生吸附作用，抑制性也属于钻井液的重要性能，当该项性能相对较差时，在水化作用的影响下，泥页岩非常容易产生膨胀。在另一方面，如果钻井液中固体物质的含量相对较高，钻井作业开展过程中的粘切力将会严重增加，钻井液无法将地层中的岩屑及时排出，大量的岩屑在切削齿位置处聚集，这也是引发钻井泥包问题的重要原因。2.2 地质原因 在地质因素方面，如果地层中粘土矿物的含量相对较高
10、，土壤非常容易在水化作用下产生分解，分解后的矿物质非常容易进入到钻井液中，导致钻井液中固体物质的含量增加，固体物质容易在切削齿的位置产生吸附，最终引发钻井泥包问题。在地层渗透率相对较高的前提下，受到地层压力的影响，大量的固体物质将会在井壁位置处聚集，最终产生泥饼，这也是钻井泥包产生的重要原因。2.3 钻头类型和尺寸原因 在开展钻井作业的过程中，需要对钻头进行合理的选择，如果钻头的选择存在问题，钻头水眼的喷射位置以及角度不合理，在钻井作业的过程中将会产生涡流现象，钻井液无法对钻头发挥清洗作用，泥包出现的概率将会提升。在钻头尺寸方面，如果其尺寸相对较小，钻井液的排量将会严重降低，且携带能力也将会严
11、重下降，大量的岩屑无法及时被排出，在钻头设计不合理的前提下，排屑槽的宽度相对较窄，此时大量的岩屑将会在井底位置处聚集，最终引发钻井泥包问题。2.4 工程原因 在开展钻井作业的过程中，为了提高作业效率，会逐渐提高钻头的钻速，如果其钻速过快，但是钻井作业的排量相对较低，此时钻井液的携带能力也将会降低，钻井液的循环速度相对较慢，大量的岩屑将会滞留在地层中，滞留的岩屑会在井壁上产生吸附作用，导致井壁位置处产生泥饼。在地层相对较软时，受到钻压的严重影响，钻头与地层的接触时间相对较长，这也会导致井壁位置处产生泥包。如果地层中并没有下入套管，在进行起下钻作业的过程中，钻头可以将井壁上的泥饼剐蹭下来，大量的岩
12、屑逐渐包裹钻头，最终会导致出现钻头泥包问题。3 PDC 钻头钻井泥包控制措施研究 3 PDC 钻头钻井泥包控制措施研究 3.1 优化钻井液性能 为了防止出现钻头泥包问题，对钻井液的性能进行合理优化十分关键，在开展钻井作业的过程中，如果某井段位置处非常容易产生钻井泥包问题，则需要对钻井液进行合理的调整。在另一方面，可以向钻井液中加入一定量的润滑油或者混油，进而使得钻井液润滑性得到全面提升，钻井液可以在钻头位置处逐渐形成保护膜，此时岩屑在钻头位置处的吸附作用将会大幅下降。通过向钻井液中加入一定量的聚合物，可以使得钻井液使用过程中的失水量大幅降低，通过向钻井液中加入一定量的包被剂，可以提高钻井液的抑
13、制性，进而防止泥页岩出现水化分解问题，通过对钻井液的流变性进行逐渐的改善，可以降低钻井液使用过程中的粘度以及剪切力，最终使得钻井液中固体物质的含量得到全面控制。在钻头进入石膏地层之前，需要在钻井液中加入一定量的碱性物质，进而防止钻井液出现严重的污染问题，在进行起下钻作业的过程中，可以向钻井液中加入一定量的表面活性剂，进而可以发挥清洗钻头的作用，这也是防止泥包产生的重要措施。3.2 改善钻井工程技术 在将钻头下放到井筒中时，需要采用短起下钻的方式，进而使得井壁位置处的泥饼被逐渐剐蹭，提高井眼的通畅度，对于容易出现泥饼问题的层段而言，在使用 PDC 钻头之前，可以首先使用牙轮钻头进行通井作业，防止
14、井壁位置处产生泥饼。在使用 PDC 钻头之前，还需要对钻井液进行充分利用，以此发挥其清洁井眼的作用，在将岩屑全面清除以后，可以发现井筒中的岩屑出现水化分解问题，在起下钻作业的过程中，可以在扶正器以及切削齿等位置处涂抹大量的润滑剂，进而在钻头位置处产生保护层，降低岩屑在钻头位置处的吸附作用，在钻头靠近井底的过程中，需要尽可能提升钻井作业的排量，使得钻头可以得到全面的冲洗。如果地层相对较软，则需要对钻井作业的钻速、钻压以及排量等参数进行全面控制，对于司钻而言，其需要进行均匀送钻，如果钻井作业开展过程中发现扭矩逐渐降低，且钻井速度逐渐减慢，则需要考虑是否出现泥包问题，在发现泥包问题以后，需要停止钻井
15、作业，将钻头逐渐上提，并提高钻井液的排量，曹智雨：PDC 钻头钻井泥包原因及控制措施 149 使得钻头被逐渐清洗，如果泥包问题相对较为严重，则需要进行起钻作业。3.3 合理选择钻头类型 对钻头进行合理选择是防止出现泥包问题的重要措施，目前的研究成果表明，在使用 PDC 钻头进行钻井作业的过程中，如果对钻头进行刮刀水力设计，或者将钻头加工为抛物线轮廓，则出现泥包问题的概率将会大幅降低，如果钻头为表面水力设计，则出现泥包问题的概率相对较高。3.4 及时处理钻头泥包 如果发现钻井过程中已经出现泥包问题，则需要立即停止钻井作业，并对泥包问题进行全面的处理，以此防止泥包问题逐渐严重，在泥包问题出现以后，
16、可以快速活动钻具，且增大活动的幅度，以此使得泥包问题逐渐解决。4 结 论 4 结 论 综上所述，泥包问题的出现会导致钻井作业效率严重降低，同时，还可能会引发其他安全风险问题，泥包问题出现的原因相对较多，需要对影响泥包问题出现的因素进行系统分析，从可控因素的角度出发，采取多种类型的控制措施，进而使得泥包问题得到全面控制，为推动我国钻井作业领域的进一步发展奠定基础。参考文献 参考文献 1 卜志丹,徐旭东.周庄区块 PDC 钻头泥包的原因分析及对策研究J.长江大学学报(自然科学版),2013,10(20):151-152.2 梁峰.PDC 钻头钻井泥包原因分析及对策研究J.西部探矿工程,2019,31(10):70-71+74.3 黄志军.PDC 钻头泥包原因分析及对策J.中国石油和化工标准与质量,2012(04):172.4 林卫东,陈亮.塔河油田 PDC 钻头泥包原因分析与对策J.科技创新导报,2010(36):63.5 明瑞卿,张时中,王越之.中古151井二开PDC钻头泥包原因和对策分析J.天然气与石油,2015,33(03):71-73+11.（上接第 130 页）_ （上接第 13