中古151 井二开PDC 钻头泥包原因和对策分析

明瑞卿 张时中 王越之

1.长江大学石油工程学院， 湖北 武汉 430100

2.中国石化河南石油工程有限公司， 河南 南阳 473132

0 前言

钻头泥包是指在钻井作业中，钻屑和无用固相吸附聚集在钻头表面，包裹住钻头切削刃，或堵塞钻头水眼或流道，使钻头无法正常工作的现象。在PDC 钻头未严重磨损或所钻地层岩性未发生明显变化时，出现钻时明显增加，钻井泵泵压上涨，扭矩变小而其他钻进参数未发生变化的情况，则可能是井下钻头出现泥包［1－4］。

塔中西部近年来修改井深结构设计为三开以来，二开地层跨度大，钻井技术难度高，复杂情况频发。其中三叠系地层含有大段紫红色和褐色泥岩，水化严重，频繁造成PDC 钻头泥包，导致钻头无法正常工作，甚至被迫起钻清洗钻头，严重制约了钻井的经济效益。

1 中古151 井基本情况

中古151 井是位于塔中西部的一口预探井。井型为直井，其丼身结构为三开设计。一开采用Ф 311.2 mm 钻头钻至井深1 503.6 m 下入Ф 244.5 mm 表层套管，二开采用Ф 215.9 mm 钻头钻至井深6 087.0 m 下入Ф 177.8 mm技术套管，三开使用Ф 152.4 mm 钻头钻至井深6 223.81 m裸眼完钻。钻井周期为109 d，平均机械钻速4.8 m/h。二开井段共穿越第三系、白垩系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系和奥陶系共8 个层位，其中三叠系、二叠系、石炭系和志留系4 个地层均有大段泥岩存在。

该井在钻进过程中，二开井段发生了4 次钻头泥包，分别发生在三叠系井深2 858 m 处2 个水眼被堵死，三叠系和二叠系交界处井深3 480 m 和井深3 655 m，钻头多个刀翼被泥包，在奥陶系井深5 464 m 处由于三叠系泥岩水化造浆导致PDC 钻头起钻后发现四刀翼泥包。塔中西部区域内多口邻井，如中古157 H 井、中古14－3 H 井等也多次发生类似的泥包。二开钻进时，三叠系地层上部的紫红色泥岩，三叠系和二叠系交界处红褐色泥岩水化造浆严重，PDC 钻头泥包频繁发生。

2 PDC 钻头泥包原因分析

2.1 水敏性黏土矿物组分原因

对三叠系紫红色泥岩和褐色泥岩进行X 射线衍射矿物成分分析(表1)。三叠系地层黏土矿物总量高，紫红色泥岩黏土总量近45，这是该地层发生钻头泥包的主要原因之一。同时，虽然纯蒙脱石剖面缺失，但伊蒙间层含量高达50左右，且间层比高，泥岩水化造浆比其他地层更加严重，钻头泥包易于发生。

表1 黏土矿物含量X 射线衍射结果

2.2 泥岩理化性能原因

对三叠系钻屑进行理化性能试验评价，三叠系地层泥岩的吸水性、膨胀性和分散性都很强，造成三叠系地层钻进中水化造浆严重。劣质固相和岩屑影响了钻井液的流变性，使得钻头泥包在这一地层发生。

根据现场钻屑在自来水中的膨胀率实验结果(表2)，三叠系上部紫红色泥岩吸水膨胀性强，吸水线膨胀率达到15左右。

表2 现场钻屑在自来水中的线性膨胀率

根据现场钻屑在四种钻井液体系和清水中的滚动回收率实验结果(表3)，三叠系上部紫红色泥岩分散性强，在现场使用的CP 全阳离子钻井液，KCl－聚合物钻井液，KCl－聚磺钻井液和聚合物钻井液四种钻井液体系中滚动回收率仅60～70。

表3 现场钻屑在四种钻井液体系和清水中的滚动回收率

2.3 现场清洁剂使用原因

模拟现场钻井液对钻屑滚动回收率及钻井液滤液对膨润土的线性膨胀率发现，KCl－聚合物钻井液体系对抑制三叠系地层黏土矿物水化，防止钻头泥包的发生有较好效果。但现场实际使用时，中古151 井仅在泥包发生后才开始加入RH－4 润滑清洁剂，未及时使用清洁剂导致清洁剂实际使用效果较差，防泥包效果不佳［5－8］。

2.4 地层长期浸泡原因

塔中西部地层埋藏深度较东部更深，地层更厚，中古151 井二开从1 500 m 开始，2 509 m 进入三叠系地层，二开井段横跨侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系、志留系直至奥陶系近4 000 m 长，三叠系地层被钻井液浸泡时间长达34 d。长时间被钻井液浸泡加剧了地层泥岩水化作用，导致泥包发生。

3 PDC 钻头泥包预防措施

针对中古151 井三叠系钻头泥包严重的情况，提出预防措施:

1)应使用对泥岩水化抑制性较强的钻井液体系。KCl－聚合物钻井液体系对地层泥岩水化抑制性较强，使用KCl－聚合物钻井液时，应提高KCl 的加量到4～5以抑制泥岩水化造浆，并保证钻进过程中钻井液胶液的及时补充。

2)保证钻井液的润滑性。应加入适量的防塌润滑剂TYRF－1，低荧光润滑剂RH－3 等，以保证钻井液的润滑性，减少钻屑和劣质固相在钻头表面的附着。

3)加入适量清洁剂。打开三叠系地层之前，及时加入钻井液清洁剂3～4DET-6。并防止钻井液起泡影响泥饼质量。

4)降低钻井液失水。进入三叠系之前，应检查并调整钻井液性能，控制固相含量小于10，API 失水小于8 mL;在二叠系井段加入超细碳酸钙封堵地层中微孔隙和微裂缝。

5)控制钻井液流变性。地层泥岩造浆会增加钻井液黏度，适当使用降黏剂，及时替换污染的钻井液，防止钻井液中劣质固相的积累。

6)保证钻头冲洗效率。在三叠系和二叠系钻进时，使用Ф 127 mm－S 135 大水眼钻杆，钻井液排量在215.9 mm井眼中应达到33 L /s，在243.1 mm 井眼中应达到42 L /s，以保证钻头的冲洗效率，钻完单根后，应循环冲洗钻头后再进行接单根作业，以保证井底净化充分。

7)勤划眼，严格控制起下钻。在二开井段，特别是三叠系和二叠系地层应勤划眼，为修整井壁每200 m 进尺短起下钻一次，并严格控制起下钻速度［9－10］。

4 结论

1)钻头泥包的主要原因是地层高黏土矿物含量。水敏性矿物含量越高，泥岩膨胀性、分散性就越强，地层造浆越严重。钻井液污染后钻屑及劣质固相吸附与钻头表面造成PDC 钻头泥包。

2)使用强抑制性钻井液体系控制泥岩水化是防止钻头泥包的主要措施。

3)正确使用钻井液清洁剂有助于提高防泥包效果。

4)大排量清洗钻头，保证井底净化效率是减少钻头泥包必不可少的措施。

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