PDC钻头泥包现象的研究与分析

曹正一 王雲 王兵 张翔 宋春光

摘要：随着钻井提速的需求，钻井现场更多地使用PDC钻头，显著提高钻井效率，减少起下钻，避免掉钻头等事故，降低成本。但在应用中经常有PDC钻头泥包的现象，泥包是制约PDC钻头使用和提高机械钻速的主要问题。本文在分析泥包原因的基础上，从泥浆性能、钻井参数、现场操作等方面结合施工井钻头泥包现象，对PDC钻头泥包进行了分析，提出预防PDC钻头泥包的技术措施，有助于解决PDC钻头泥包的问题。

关键词：PDC钻头;泥包;粘度;切力;劣质固相

1 PDC钻头结构及布齿方式

1.1 PDC钻头结构

PDC钻头是以聚晶金刚石复合片（PDC）作为切削刃的钻头，主要由钻头体、聚晶金刚石复合片切削齿、水力结构等部分组成。其中钻头冠部是其工作面，其工作面的几何形状影响钻头的稳定性、井底清洗、钻头磨损及钻头各部位载荷分布。钻头工作面形状一般包括内锥、顶部、侧面、肩部及保径五个基本要素。

1.2 布齿方式

PDC钻头布齿方式有三种：刮刀式布齿，单齿式布齿，组合式切削齿。

刮刀式布齿方式的特点是将切削齿沿着从钻头中心附近到保径部位的直线（或接近于直线的曲线）布置在胎体刮刀上，在适当的位置布置喷嘴（或水眼），每个喷嘴或水眼起到冷却或清洗一个或两个刮刀片上的切削齿的作用。采用这种方式布齿的PDC钻头具有整体强度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排屑好、抗泥包能力强的特点，在黏性或软地层中应使用这种布齿方式的PDC钻头。

单齿式布齿方式是将切削齿一个一个地单独布置在钻头工作面上，在适当的地方布置喷嘴或水眼，钻井液从喷嘴流出后，切削齿收到清洗及冷却，当同时也起到阻流与分配液流的作用。这种结构的布齿区域大、布齿密度高，可以提供钻头的使用寿命，但水力控制能力低，容易在黏性地层泥包。

组合式切削齒的布置采用直线刮刀和单齿式相结合的方式，在适当的地方布置水眼或喷嘴，这种布齿方式具有较好的清洗、冷却和排屑能力，布齿密度较高。这种布齿方式的钻头多用于中等硬度地层。

2 PDC钻头泥包现象及原因

钻井现场应用实践表明，在使用PDC钻头的地层的各井段都不同程度地出现过泥包现象，随着的定向井、特别是大位移定向井和水平井的增多，泥包现象尤为突出。钻头泥包后易切削能力迅速降低容易发生蹩跳现象，造成脆性PDC复合片的先期损坏，导致PDC钻头复合片的崩、脱的恶性循环，也会对随后入井PDC钻头构成一定潜在威胁。同时增加了钻井周期，在很大程度上增加了钻井成本。

2.1 PDC钻头泥包的现象

2.1.1 正常钻进时钻时明显变高，通过增加钻压或减少钻压对钻时无明显影响。

2.1.2 通常泵压略有升高或无明显变化，采用动力钻具钻进时加压几乎无憋泵现象;但有时下钻到底堵死钻头水眼，也会出现高泵压，阻塞循环通道造成钻头泥包，继续钻进可能会逐渐恢复原钻速，泥包解除，或者继续变慢造成严重泥包致无法钻进。

2.1.3 钻头牙齿吃入地层有效深度降低，表现出扭矩变小或扭矩波动范围减小，机械钻机转盘负荷明显降低。

2.1.4 钻井中发生钻具刺漏、地面循环系统出现短路，有效排量降低，处理完后钻速明显变慢。

2.1.5 上提钻头有阻力，阻力的大小随泥包的程度而定。起钻时，井口环形空间的液面不降，或下降很慢，或随钻杆的上起而外溢。

3 PDC钻头泥包的预防

判断是否钻头泥包，必须结合地质、泥浆性能、工程技术方面综合考虑。钻头现象大幅减少，机械钻速明显提高，钻井周期不断缩短，钻头消耗明显降低。

3.1 工程技术措施

3.1.1 要有足够的钻井液排量。东营组以上地层松软，因机械钻速快，因机械钻速快，钻屑浓度大，必须有足够的排量才能把钻屑及时带走，实践证明28-30L/S的排量足够满足PDC钻头清洗。

3.1.2 下入PDC钻头之前，应充分循环泥浆，清洗井眼，防止起钻后滞留在井眼内的钻屑继续水化分散。

3.1.3 进入软硬交界面地层，在软地层中钻进，要有意的控制机械钻速或每根单根最后1-2米有意放慢速度增加循环钻井液的时间，目的是降低井底岩屑浓度减少钻头泥包的机会。操作要精细，送钻加压均匀，不能忽大忽小。

3.1.4 在钻进时，要经常观察泵压和钻井液出口流量有无变化。如泵上水不好，则泵压与流量降低也容易造成泥包。

3.1.5 换钻头下入PDC前先短起下，可以充分利用牙轮钻头对井壁泥饼进行刮削、压实。

3.1.6 下钻时在PDC钻头底部涂上一层黄油，形成一层油膜，可以减少泥浆中的固相颗粒长时间与钻头接触把钻头包起来。

3.1.7 控制下钻速度，防止遇阻钻头扎进烂泥中。控制好下钻速度可以使PDC钻头顺着上一只钻头所钻的螺旋形井眼轨道下行，减少井壁上刮下大量泥饼。

3.1.8 PDC钻头钻进过程尽量采用大排量钻进，保证PDC钻头的充分清洗与冷却;在软泥岩中钻进，应尽量采用低钻压、高转速、大排量，不要盲目使用高钻压去追求那仅高一小点的钻速。

3.1.9 每次下钻到底时必须先开泵，尽量提高排量充分冲洗井底和钻头，等排量满足要求后再轻压旋转钻进0.5-1m，这也是PDC钻头造型的基本要求。

3.2泥浆技术措施

3.2.1 在软地层中钻进，一定要维持低粘度、低切力的钻井液性能，一般要求粘度不超过30S。初切力为零，10min切力在2mg/cm2以下.采用用清水钻进，效果更好。

3.2.2 定向井施工中混油或增加润滑剂投入量，使钻屑不易粘附到钻头上，对预防钻具粘卡降低摩阻，防止脱压后钻压忽然增大造成钻头泥包。

3.2.3 加大钻井液中聚合物含量，控制失水，提高泥饼质量。

3.2.4 降低钻井液粘度、切力，及时清除劣质固相。

3.2.5 在PDC钻头入井前后维护处理好泥浆性能，对预防钻头泥包都是有效的。

4 处理PDC钻头泥包的做法

4.1如发现有泥包现象，应停止钻进，提起钻头，高速旋转，快速下放，利用钻头的离心力和液流的高速冲刷力将泥包物清除，并上下大幅度活动几次，然后下压至井底不开转盘循环5-10分钟。如有条件，可增大排量，降低钻井液粘度，再配合上述动作，效果更好。

4.2通过调整钻井液性能防止泥包现象的发生。在井壁稳定前提下，尽量采用低粘、低切性能的钻井液，调整好钻井液流动性。充分利用好固控设备尽最大可能降低井浆中无用固相含量，降低钻井液滤失量。改善钻井液体系的流变性，动塑比控制在0.4-0.5，在满足携岩的前提下尽可能的发挥水力破岩的功效，以最大可能地提高钻速。

4.3在使用PDC钻头时，要做到“早开泵，晚停泵”技术要领，减少钻头泥包机会。

4.4如果在起钻中途泥包遇卡，应用钻具的重量尽全力下压。在条件许可时，应大排量循环钻井液，降低钻井液粘度和切力并加入清洗剂，争取把泥包物冲洗掉。切勿猛提拔死，丧失了泡解卡剂的机会。

5 结论及建议

发现钻头泥包后，通过分析PDC钻头发生泥包的原因，采取有效应对措施以防止PDC钻头泥包现象的发生。随着定向井特别是大位移井的增多，PDC钻头泥包现象还不能完全避免，需要在今后的施工中继续努力，重在预防防泥包技术措施的执行。施工中根据不同地层特点调整钻井参数和泥浆性能必需和地层情况相适应，对易泥包的井段，要及时提高排量，降粘降切。固相的控制有利于流变性的改善，对解决钻头泥包现象有一定效果。

参考文献：

[1] 陈庭根 管志川.钻井工程理论与技术.石油大学出版社，2000.8

[2] 蒋希文.钻井事故预防与处理.石油工业出版社，2008.7