淺談東臺地區PDC鉆頭防泥包技術

一、東臺地區的地質簡述
　　東臺地區鹽城組較長，砂礫巖多，地層缺失戴南組。三垛組以軟泥巖為主，底部有含礫砂巖。阜寧組以灰黑、深灰色泥巖為主，阜一段底部有含礫砂巖，阜二段存在白云巖等硬度較高的巖石。結合鄰井資料和現場實際我們發現，東臺地區三垛組軟泥巖易水化膨脹、縮徑嚴重，阜寧組上部地層巖性較粘，易粘附在鉆頭上，因此這兩個井段是泥包現象易發井段。
　　下面我針對今年施工的5口井中存在泥包現象的情況進行一下簡單的分析。
　　井號 鉆進井段 所在地層 鉆頭型號 鉆進井段 所在地層 鉆頭型號
　　臺16 2836-2929 阜二段 M3235AL
　　臺X17 2161-2179 阜四段 M3235AL 2179-2181 阜四段 M3235AL
　　堡5-1 1807-1850 垛一段 M4466CS 2032-2047 阜三段 M3235AL
　　臺14-1 1634-1864 垛一段 M4466CS
　　富安3 無
　　我隊今年在東臺施工的5口井中多次嘗試使用了不同型號的PDC鉆頭，其中311mm、241mm、222mm的PDC鉆頭型號為FL1955M，未發生泥包現象。215.9mm的PDC鉆頭主要型號有五刀翼的M3235AL、五刀翼的FL1955M、四刀翼的M4466CS、四刀翼的FL1654M四種PDC鉆頭，FL1955M鉆頭僅使用一只，在臺16井連續下井兩次后損壞，FL1654M鉆頭在富安3井入井3次未發生泥包。
　　由上表我們可以看出，泥包發生井段主要集中在垛一段和阜四段，不論是四刀翼的M4466CS鉆頭還是五刀翼的M3235AL鉆頭都曾發生過泥包現象，可見是否發生泥包取決的因素很多，僅僅依靠使用四刀翼PDC企圖降低泥包概率的觀點是錯誤的。下面我們具體分析一下PDC鉆頭泥包的原因和解決辦法。
　　二、泥包的概念和鉆頭發生泥包時的常見現象
　　鉆頭泥包是指鉆頭表面為泥團所包被，在鉆進、起下鉆過程中都會發生。發生鉆頭泥包后，PDC鉆頭牙齒受泥包影響“吃入”地層程度減小，導致其攻擊力不能正常發揮、鉆速變慢，嚴重時包死鉆頭、堵死水眼，導致泵壓升高，甚至無進尺，如果是在起下鉆時發生，還有可能造成環空阻塞。鉆井過程中，如果出現下列現象，則說明鉆頭可能泥包了：（1）鉆進時進尺明顯變慢，或者說鉆時明顯升高；（2）增大鉆壓或減小鉆壓對鉆速無明顯影響；（3）地層變化時對鉆速的影響不大；（4）一般情況下泵壓略有升高或無明顯變化；但有時也會有高泵壓，甚至堵死鉆頭水眼，阻塞循環通道；（5）鉆頭牙齒不能有效“吃入”地層，表現出扭矩變小或扭矩波動范圍減小；（6）起下鉆出現“拔活塞”現象；（7）短起下過后鉆速明顯變慢，繼續鉆進可能會逐漸恢復鉆速而泥包解除，或者繼續變慢造成嚴重泥包致無法正常鉆進；（8）鉆井中發生鉆具刺漏、循環出現短路，處理完后鉆速明顯變慢[1]。
　　三、造成鉆頭泥包的原因
　　1.地質因素：所鉆地層為上部不成巖的軟泥，極易粘貼鉆頭表層，壓實后造成鉆頭泥包；地層中的泥頁巖雖成巖，但易于水化分散，使井眼內泥質或固相含量大增，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，泥漿中的有害固相相當難于清除，使鉆頭被泥包的機率大增；地層中的滲透率高，在壓差作用下，吸附井筒內的有害固相及未及時攜帶出的巖屑，形成厚泥餅，起下鉆時在PDC鉆頭下方堆積造成鉆頭泥包。
　　2.泥漿性能因素：泥漿抑制性差，無法控制泥頁巖的水化分散度；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膜，鉆井液中劣質固相易吸附在鉆頭上。
　　3.工程技術因素：鉆進中排量小，不能有效清洗井底及鉆頭，將鉆出的巖屑沖離井底，同時上返速度不足，巖屑在井內潛留時間長，粘附于井壁形成厚泥餅，尤其是中上部鉆速高時這種現象更為嚴重；在軟泥巖地層，施加的鉆壓過大，地層與鉆頭表面形成直接接觸，造成鉆頭泥包，長裸眼下鉆未進行中途循環，從井壁上刮下的泥餅或鉆屑越積越多，越壓越實，則會鉆頭泥包。
　　4.鉆頭選型因素：水眼設計無法滿足排屑要求；流道排屑角阻礙了鉆屑順利脫離井底。
　　5.操作水平因素：下鉆速度過快，鉆頭不是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；下鉆時遇阻不是接方鉆桿循環劃眼沖洗鉆頭，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；下鉆到底時操作方法有誤，如果先啟動轉盤后啟動泵，同樣也會造成鉆頭泥包；在軟地層鉆進時，送鉆不均勻造成鉆頭泥包[1]。
　　四、防止鉆頭泥包的具體措施
　　針對東臺地區地層的特殊性和以前鉆井施工中的出現的問題導致鉆頭泥包，我們專門制定了對策。
　　1.進入三垛組之前提前加好防泥包劑，進入阜寧組之前提前加好潤滑劑，從而提高鉆井液表面活性。增強泥漿抑制性，改善泥餅質量，控制濾失量，適當提高密度，盡量減少縮徑的程度，保證起下鉆正常。使用好固控設備，尤其是離心機，有效去除有害固相，使鉆井液達到低固含、低粘切。在不使用動力鉆具時可以加入300-500KG核桃殼來破壞早期形成的泥包。 　　2.全井保證排量不低于32L/s，控制好井身軌跡，避免起下鉆時在大小臺階或方位變化太快的井段形成泥包。定向前必須提高排量充分洗井，并進行短起下。在進入阜寧組后為防止垮塌不能大排量洗井時，要提前一至兩個單根開泵，小排量開平穩后再增大排量，并逐步下探清洗井底。下鉆到底后不急于啟動轉盤，等返砂正常再進行井底塑型。
　　3.選擇PDC鉆頭時盡可能的選用四刀翼的PDC鉆頭，刀翼間隔大有利于巖屑返出；選擇水眼多且均勻分布的PDC鉆頭，有利于清洗井底不留死角。
　　4.嚴格把好操作關，①嚴格控制好起下鉆速度，操作要平穩，不可以強壓硬沖，防止在下鉆過程中突然遇阻造成鉆頭泥包；②正常鉆進時必須保證均勻送鉆；尤其在軟泥巖地層之中，鉆壓不可太大；③每次接完單根、測斜完、短起下到底時，一定要先開泵先清洗井底，然后逐漸加至正常鉆壓鉆進。④鉆進時發現鉆時突然變慢或指針突然不回時，排除了地層巖性的變化后，有可能是因為井底巖屑濃度過高、巖性較粘，形成粘在鉆頭刀翼上形成的早期泥包，要求立即上提鉆具脫離井底3-5米，提高排量，提高轉速，高速旋轉鉆具1-3min，并快速上下大幅度活動鉆具，然后下壓至井底不開轉盤5-10min，將上述過程反復操作。
　　五、應用效果
　　今年我隊在東臺地區共施工5口井，在這期間PDC鉆頭一共入井36次，鉆頭泥包次數6次。通過不斷總結經驗、完善措施，我隊在富安3井實施上述辦法，使得富安3井未發生泥包現象，減少了起下鉆的次數和成本的消耗。主要原因有兩個：1.措施執行的較好；在鉆井液方面，從一開到完井都制訂了具體的性能指標，超前謀劃、落實到位，對有害固相的清除和鉆井液性能的維護不遺余力，盡可能的做到最好。在工程方面，優選鉆頭和鉆井參數，嚴格把好操作關，發現異常及時處理，有效避免了泥包現象的發生。2.選用四刀翼FL1654M鉆頭；該鉆頭刀翼間隙大，方便巖屑及時返出，水眼分布均勻，有利于抑制泥巖粘附，單個刀翼牙齒上下落差較大，巖屑不易堆積積壓，可進一步試用和驗證。下表為富安3井PDC鉆頭使用表，由于東臺地區三垛組下部、阜寧組極易泥包，所以在富安3井從1981-2889m均使用FL1654M這只鉆頭，未發現泥包。
　　六、認識和建議
　　1.東臺地區鹽城組下部、三垛組軟泥巖易縮徑，處理好該縮徑井段有利于PDC鉆頭的下一步使用。
　　2.使用PDC鉆頭前要考慮該井段地層是否滿足使用條件，如東臺地區三垛組、阜四段交界面極易發生泥包，應該盡量避免使用PDC鉆頭。
　　3.良好的井身軌跡和滿足攜砂要求的排量有利于防止鉆頭泥包。
　　4.維護好鉆井液性能、去除有害固相是防止鉆頭泥包的重要措施之一。
　　5.良好的操作習慣可以降低發生鉆頭泥包的概率，及時發現并正確的處理可以解除一些初期泥包現象。
　　6.四刀翼的FL1654M鉆頭可進一步試用和驗證。