PDC钻头泥包处理措施及新型防泥包钻头

于建峰

（江汉石油钻头股份有限公司，湖北 武汉430223）

PDC钻头泥包处理措施及新型防泥包钻头

于建峰

（江汉石油钻头股份有限公司，湖北 武汉430223）

PDC钻头产生泥包现象的影响因素包括钻头特性、地质、泥浆、使用方法等，各种针对PDC钻头的防泥包现场处理措施，可一定程度上减少下钻过程及钻进过程中的泥包产生，在施工过程中应重视针对性地选用。新型防泥包PDC钻头综合性能优于普通PDC钻头，具有推广价值。

PDC钻头；泥包；影响因素；处理措施；新型钻头

PDC钻头具有钻速高、进尺长、井下事故少等特点，综合性能优异，得到了越来越广泛的应用。但在使用过程中易产生钻头泥包，严重影响了PDC钻头的使用效率。研究泥包产生原因、泥包判断及现场处理方法，预防泥包产生，对提高PDC钻头的使用效率及设计防泥包钻头均有重要意义。

1 PDC钻头泥包简介

PDC钻头泥包是指PDC钻头在下钻或钻进过程中出现的水眼堵死、排屑槽及刀翼被井底、井壁和未及时上返的岩屑等包裹住（见图1），造成泵压升高，钻速降低的现象。泥包的产生严重影响了钻头正常使用。

图1 PDC钻头泥包

PDC钻头在钻进过程中如果产生泥包，将出现如下现象：

1）钻进时进尺明显变慢，钻时明显升高；

2）增大钻压或减小钻压对钻速无明显影响；

3）地层变化时对钻速影响不大；

4）一般情况下泵压略有升高或无明显变化；有时也会出现高泵压，甚至堵死钻头水眼，阻塞循环通道；

5）钻头牙齿不能有效吃入地层，表现出扭矩变小或扭矩波动范围减小，钻头起出后，排屑槽甚至刀翼被泥巴包住，并伴随喷嘴堵塞。

2 PDC钻头产生泥包的主要原因

造成PDC钻头在钻进过程中产生泥包的原因，主要有地质、作业参数、泥浆性能及钻头特性等。

2.1 地质因素的影响

1）上部地层不成岩的软泥易粘附于钻头表面，压实后易造成钻头泥包。

2）地层中的泥页岩虽成岩，但易于水化分散，吸附于钻头表面造成钻头泥包。

3）地层渗透率高，在压差作用下，吸附井筒内有害固相及未及时携带出的岩屑，形成虚厚泥饼，起下钻时在PDC钻头下方堆积造成钻头泥包。

4）地层较软，泥岩遇水膨胀及膏盐层蠕变等，导致井眼缩径，起下钻遇卡遇阻，排屑槽被泥岩、膏盐等机械镶嵌，水眼被堵死等。

2.2 作业参数及操作技术的影响

1）钻进中泥浆排量小，不能有效清洗井底及钻头，同时上返速度不足，岩屑在井内滞留时间长，造成重复切削，尤其是中上部（4 000m以内）钻速高时尤为严重。

2）在软泥岩地层，钻压过大，地层或钻屑与钻头表面形成直接接触，造成钻头泥包。

3）长裸眼井下钻过程中未进行中途泥浆循环，从井壁上刮下的泥饼或钻屑则会泥包钻头。

4）钻进中钻压不均匀，使切削齿瞬间切入地层的深度不一致，特别是钻时变慢后，盲目加压，造成泥包。

5）下钻速度过快，在井壁上不断刮削泥饼或钻屑，极易造成钻头泥包。

6）下钻遇阻时，不是接方钻杆循环划眼冲洗钻头，而是下压或下冲，从井壁上刮下的泥饼或钻屑则会泥包钻头。

7）下钻到井底时，如果操作方法错误，如先开转盘，后开泵，同样也会造成钻头泥包。

2.3 泥浆性能的影响

1）泥浆抑制性差，无法控制泥页岩的水化分散。

2）固含和粘切过高，钻出的岩屑难于清除，易吸附在钻头表面。

3）泥浆比重偏高，失水大，易形成过厚的粗糙泥饼。

4）润滑性能差、钻头表面无法形成有效的保护膜，钻井液中的劣质固相易吸附在钻头上。

2.4 钻头特性的影响

1）钻头水孔喷射位置及角度不合理，产生涡流，无法充分清洗刀翼及复合片，岩屑运移不畅。

2）钻头排屑槽过窄，阻碍钻屑顺利脱离井底。

3）水孔喷嘴过小，憋泵，排量不足，影响岩屑及时上返。

3 PDC钻头泥包现场处理措施

钻井施工现场防止PDC钻头产生泥包现象，常用措施有：控制和改善泥浆性能、合理确定钻井工艺参数和操作方法、下钻时预先对钻头采取保护措施等。

3.1 控制和改善泥浆性能的方法

油基泥浆的防泥包效果很理想，但是容易污染产层，破坏环境，且成本高。一般多采用水基泥浆。为防泥包，可采用以下措施改善泥浆性能：

1）采用低粘、低切、低固含泥浆，钻进过程中，加强泥浆中固相控制。

2）加大钻井液中聚合物、泥页岩抑制剂的含量，一般使用DBF一2、KPAM、PMHC等抑制剂，抑制粘土水化和塑性变形，减少钻头泥包倾向。

3）在快速钻井液中加人防泥包剂、清洁剂、润滑剂等，在金属表面形成憎水膜，降低甚至清除水化粘土在钻头、扶正器等金属表面的粘附。

4）对高渗砂层，可使用屏蔽暂堵技术，加入QS一2、FD一1、PB一1等暂堵剂，提高滤饼质量，减少渗透性滤失，减少钻头泥包的可能。

5）选用阳离子悬乳液钻井液体系，通过改变钻井液连续相和电性来提高钻井液的抑制性、润滑性，改善流变性，从而达到防止PDC钻头泥包的目的。

3.2 合理确定钻井工艺参数和操作方法

1）进行短起下钻，对井壁泥饼进行刮削、挤压，将厚泥饼拉薄、压实，尽量保证井眼畅通、消除阻卡。

2）下钻时采用分段循环钻井液，防止堵水眼。

3）钻头下到井底前，必须先开泵循环泥浆，并提高排量充分冲洗井底和钻头，转盘必须在排量满足要求后才能开。

4）在软泥岩中钻进时，应尽量采用低钻压、高转速、大排量钻进；控制好机械钻速，或增加钻井液循环时间，其目的是为了降低钻井液中的岩屑浓度。

5）操作要精细，送钻加压一定要均匀，不能忽大忽小。

6）严禁低于设计排量钻进。在钻进中要加强巡回检查，监控好排量和泵压的变化。

7）避免在易产生泥包的纯泥岩段起钻，可选择钻时相对较高的砂岩段或含泥质砂岩段起钻，避免因长时间未循环泥浆。

3.3 钻头防护

下钻前，可在钻头排屑槽及刀翼表面，涂满黄油，形成一层保护膜，并用160目以上铁丝网把钻头排屑槽包起来，并用铁丝将其捆扎好，减少泥砂与钻头排屑槽表面的接触，在包裹的铁丝网上再涂满黄油，减少钻头本体和泥浆及其劣质固相的接触时间（见图2）。

图2 钻头捆包示意图

钻头在钻进过程中，铁丝网及附着在它上面的泥巴，最终会因磨损及钻旋转离心力而脱落，被钻头钻掉或挤入井壁。

下钻过程中，如果需要顶水眼，可根据需求将水眼部位的铁丝网捅破，以免顶水眼时铁丝网被冲掉。

4 新型防泥包PDC钻头开发

PDC钻头设计的好坏，直接影响到钻头的使用效果，对钻头是否容易产生泥包有很大的影响。通过优化水力设计、布齿设计、结构设计、涂层使用等方法，提高PDC钻头防泥包性能，完全具有可行性。

4.1 优化水力结构

优化钻头水力设计，合理布置喷嘴数量及角度，达到充分冷却刀翼复合片并避免井底产生涡流的目的，可避免岩屑重复破碎、携带不干净等问题，从而避免了产生泥包。可采用FLUENT等专用水力软件进行井底流场模拟分析，并根据模拟分析结果优化喷嘴几何位置设计。

4.2 合理布置各刀翼间夹角

钻头设计时，在保证不平衡力要求的前提下，合理设计各刀翼间排屑槽的夹角，避免因排屑槽夹角过小而导致泥包。

4.3 合理攻击线型及布齿设计

综合考虑地层及钻井设计、工艺等因素，合理设计钻头攻击线型，优化布齿密度，并根据钻头机速、转速及每转吃深，合理设计钻头露齿高及齿间距，便于岩屑从齿间间隙横向排泄，保证了复合齿的正常吃入切削、清洗和冷却，避免了刀翼表面及复合齿产生泥巴堆积导致泥包。

4.4 刀翼结构特殊设计

刀翼背部采用大倒角设计，单位钻压下，钻头吃入更深，复合片压入地层更容易，井底扭矩更小，排屑更通畅，机械钻速提高30%。

在刀翼结构设计中，增大刀翼攻击面根部圆弧倒角，在主刀翼可采用变半径倒角方式，尽可能地增大刀翼根部倒角，最大限度避免泥巴在此处堆积形成泥包，同时增大刀翼强度，进一步降低断刀翼的风险。

4.5 Teflon涂层的应用

Teflon系列涂层是杜邦公司于1938年发现的，是目前最好的不粘涂料。它主要成分是聚四氟乙烯，具有优良的释水性，不易润湿。由于页岩地层含有大量游离的负离子，带有这些负离子的钻屑很容易粘附在铁基的钻头上，产生泥包，而带有强负电性的Teflon涂层，能够排斥带负电荷的粘土吸附到钻头表面，显著降低泥包的发生。

4.6 新型防泥包PDC钻头使用效果

8.5 英寸KS1953SGR钻头是江钻公司设计生产的新型防泥包PDC钻头，该型号的钻头在塔河油田的试用中取得了较好的效果，与普通PDC钻头相比，平均单钻头进尺提高了79.3%、纯钻进时间延长了24.3%、机械钻速提高了44.2%。与普通PDC钻头棍，新型防泥包钻头优势明显。

5 结论

1）PDC钻头产生泥包现象的影响因素较多，除钻头特性外，尚受到地质、泥浆、使用方法等因素的影响，在钻井施工过程中须正确分析各因素的影响，采取合理的预防措施。

2）钻井施工中，各种针对PDC钻头的防泥包现场处理措施，可一定程度上减少下钻过程及钻进过程中的泥包产生，应重视在施工过程中针对性地选用。

3）新型防泥包PDC钻头经实际应用证明，综合性能优于普通PDC钻头，具有推广价值。

［1］王得国，马培宁.PDC钻头防泥包技术国内外研究现状［C］／／中国机械工程学会摩擦学分会.第二届全国工业摩擦学大会暨第七届全国青年摩擦学大会论文集，2004：182－184.

［2］杜清松，何昊.塔河油田PDC钻头泥包原因分析及对策［J］.西部探矿工程，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，大学，工程师，从事PDC钻头、牙轮钻头及石油机械产品销售和现场服务工作。

［责任编辑 周显斌］