摘 要：PDC鉆頭發(fā)生泥包時，切削齒和鉆頭體上會黏附大量的泥頁巖切屑，影響破巖效率，弄清泥包機理是了解泥包影響因素、預防和清除泥包的前提。為此，通過調(diào)研、分析近年來國內(nèi)外PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包發(fā)生機理、防止和清除泥包等方面的大量文獻，從鉆井液類型及性能、鉆頭結構、鉆頭水力學參數(shù)和PDC鉆頭其他處理等4項技術方面，總結論述了預防和減少PDC鉆頭泥包的新成果、新方法和新動態(tài)。進而認識到：①從微觀層面研究泥頁巖巖屑與鉆頭表面的黏附機理是研究泥包機理的未來方向；②通過向水基鉆井液中添加化學添加劑以使其具有油基鉆井液的性能的方法具有可取性；③預測泥包的鉆頭結構參數(shù)和水力學參數(shù)的確定需要大量的實驗研究；④建立井底流場特點與鉆頭泥包的量化關系是今后數(shù)值模擬的研究方向。
關鍵詞：PDC鉆頭 鉆井液 泥頁巖 泥包 機理 防止和清除泥包 對策
Bit bailing mechanism and research progress in countermeasures for PDC bit drilling in mud shale formations
Abstract：Massive mud shale cuttings will adhere to cutters and bit body when PDC bit bailing occurs，which affects rock breaking rate．To clarify PDC bit balling mechanism is the prerequisite for summing up influence factors and studying the methods and measures of preventing and eliminating bailing．In view of this，from a collection of the relevant literatures at home and abroad．we summarized new achievements，methodologies and trends in the research of prevention and mitigation of PDC bit balling in four aspects．including drilling fluid type and property，bit structure，bit hydraulic parameters and other processing of PDC，on thc basis of bit balling mechanism，countermeasures and application．On this basis，the following research directions in this field were propsed．It will be a trend to research the adhesion mechanism between the shale cuttings and bit from the microscopic point of view and to establish the quantitative relationship between the downhole flow field and bit bailing．The method will be considered available ill letting the water base drilling fluid present the oil base drilling fluid¢s property by adding sonic chemical additives．Massive experinlents will be necessary to determine the bit structure parameters and bit hydraulic parameters for the prediction of bit balling．
Keywords：PDC bit，drilling mud，mud shale,balling mechanism，countermeasure
近年來，頁巖氣作為非常規(guī)能源之一在全球油氣資源領域異軍突起，形成勘探開發(fā)的新亮點。加快頁巖氣勘探開發(fā)，已經(jīng)成為世界主要頁巖氣資源大國和地區(qū)的共同選擇。提高機械鉆速、降低鉆井成本對于成功開發(fā)頁巖氣至關重要。泥頁巖的硬度足以用PDC鉆頭鉆進，通常情況下，PDC鉆頭在泥頁巖中的機械鉆速是牙輪鉆頭的兩倍[1]。然而，由于泥頁巖黏土礦物含量較高(30％～50％)，當使用水基鉆井液時容易與水發(fā)生反應而膨脹，膨脹的黏土具有黏性，易于黏附于切削齒和鉆頭體上造成鉆頭泥包。而且，由于PDC鉆頭為整體式鉆頭，整個鉆頭沒有活動零部件，其與牙輪鉆頭相比更容易發(fā)生泥包。
PDC鉆頭發(fā)生泥包時，切削齒和鉆頭體上會黏附大量的泥頁巖切屑，一方面，切削齒不能直接接觸地層，影響破巖效率，導致機械鉆速下降；另一方面，鉆井液不能有效冷卻切削齒，導致切削齒壽命下降。另外，鉆頭泥包會使鉆頭像油缸內(nèi)的活塞似地工作，在起下鉆時導致壓力波動和抽吸壓力，起鉆還可能誘發(fā)井涌甚至井噴。
為此，本文通過調(diào)研、分析近年來國內(nèi)外PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包發(fā)生機理、防止和清除泥包等方面的大量文獻，總結出了PDC鉆頭泥包研究方面的最新進展，并提出了研究中存在的問題和今后的展望。
1 泥包機理及影響因素
PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包的發(fā)生是一個復雜的物理化學、力學耦合作用過程，弄清泥包機理是總結泥包影響因素，進而提出防止泥包和清除泥包方法和措施的前提。
國外學者通過實驗觀察與理論分析的方法對泥包現(xiàn)象和機理進行了研究。實驗方面，Zijsling[2]、Smith等[3]和Warren等[4]分別通過單齒實驗和室內(nèi)全尺寸鉆頭鉆進實驗觀察到了切削齒泥包現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，切削齒泥包是導致整體泥包和機械鉆速下降的潛在原因。Michael Wells等[5]利用圍壓條件下的模擬鉆進系統(tǒng)進行泥包實驗，觀察發(fā)現(xiàn)鉆頭泥包的主要類型有：鉆頭中心泥包、排屑槽最窄點處泥包、排屑槽泥包和整體泥包，這幾種類型泥包發(fā)生的順序一般為：排屑槽最窄點處泥包®排屑槽泥包®鉆頭整體泥包。
理論分析方面，國外學者主要通過建立PDC單齒與泥頁巖地層相互作用解析模型來解釋泥包機理。Gerbaud等[6]剛假設切削齒與地層之間存在一巖屑聚集邊和一獨立于切削齒位置和摩擦力的剪切角，能量通過巖屑聚集邊傳遞到巖石。Sellami等[7]假設巖屑呈棱柱狀，根據(jù)Merchant的金屬切削模型建立了單齒作用模型。Detournay等[8]建立了存在磨損平面和不存在磨損平面情況下的單齒切削模型。Wojtanowicz等[9]建立了未磨損和已磨損切削齒的作用模型，然而在確定切削齒受力時未考慮剪切角的影響。然而以上模型但均未考慮存在圍壓情況下條帶狀泥頁巖巖屑的形成、運移、聚集過程。Rahmani等[10]受Merchant金屬切削模型的影響，建立的理論模型考慮了圍壓產(chǎn)生的附加摩擦力和圍壓條件下的巖屑強度，分析了泥頁巖切屑生成、運移、聚集，最終造成鉆頭泥包的過程。
Zijsling等[11]對PDC鉆頭泥頁巖破巖和泥包機理進行了基本闡述。分析泥包機理發(fā)現(xiàn)，PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包影響因素可以總結為5個方面：地層性質(zhì)、鉆井液類型及性能、鉆頭結構、有效圍壓和鉆頭水力學參數(shù)。其中，地層性質(zhì)和有效圍壓為相對不可控因素。地層性質(zhì)方面，礦物組成、黏土含量、水含量、顆粒大小等都會影響巖屑的黏附性能[12-13]；地層陽離子交換能力通過影響泥頁巖水化，從而影響鉆頭泥包[14]。有效圍壓方面，一般情況下，有效圍壓越大，發(fā)牛鉆頭泥包的機會越大。Ledgerwood Ⅲ[15]設計了測定泥頁巖巖屑強度的特殊PDC鉆頭，試驗結果證明了以上結論。
鉆井液類型及性能、鉆頭結構和鉆頭水力學參數(shù)為可控因素，因此可以從這3個方面入手探求防止和消除鉆頭泥包的方法和措施。
2 鉆井液類型及性能方面
混合基鉆井液和油基鉆井液可有效防止泥頁巖水化，從而大大減少泥包的發(fā)生。然而，混合基鉆井液和油基鉆井液容易污染環(huán)境(尤其是海上作業(yè))，而且價格昂貴，因此水基鉆井液在泥頁巖地層鉆井(尤其是直井)過程中得到了廣泛應用[13]。
水基鉆井液鉆井液性能(如抑制性、固相含量、潤滑性等)對泥包具有重要影響。加入大分子包被劑、聚合醇等可抑制泥頁巖地層造漿、分散；加入潤滑劑、清潔劑可在金屬表面形成一層憎水膜，降低水化黏土和鉆頭、扶正器等金屬表面的黏附性；使用ROP增速劑可以減弱或消除泥頁巖巖屑之間和巖屑與鉆頭體之間的相互黏聚，從而有效減少泥包[16-18]。
3 鉆頭結構方面
PDC鉆頭結構方面，鉆頭類型，冠部形狀，水力結構，切削齒形狀、數(shù)量、角度等均會對泥包產(chǎn)生重要影響。
3．1 鉆頭類型和冠部形狀
Hemphill等[19]認為，預防泥包鉆頭設計比水基鉆井液化學性能更加重要，趙佩華等㈨1通過泥包實驗發(fā)現(xiàn)，相同鉆進條件下，具有拋物線輪廓和刮刀水力設計的PDC鉆頭在鉆進泥頁巖地層時不太容易產(chǎn)生泥包，而采用脊式布齒或開放表面水力設計的PDC鉆頭、平的或圓輪廓的PDC鉆頭、淺錐形輪廓PDC鉆頭更易產(chǎn)生泥包。而且，脊柱式PDC鉆頭性能受鉆井液類型、性能影響較大，而刀翼式PDC鉆頭受其影響較小。
3．2 水力結構
PDC鉆頭水力結構對于鉆頭泥包有重要影響，因為PDC鉆頭水力學效果的好壞都是通過水力結構來體現(xiàn)的。噴嘴形狀、位置、角度和組合方式是影響井底流場的重要參數(shù)，目前主要通過實驗[21]和數(shù)值模擬[22-24]。胡的方法進行研究，但尚未與PDC鉆頭泥包建立直接關聯(lián)。黃英勇等[24]研究發(fā)現(xiàn)，定向噴嘴有利于減少鉆頭泥包，“打蛋器”式PDC鉆頭的設計著重于由定向噴嘴所起的削皮作用。盡管該鉆頭在實驗室的試驗中未產(chǎn)生泥包，但其仍未被廣泛地用作抗泥包鉆頭。
排屑槽方面，使用較多的參數(shù)為排屑槽體積(JSA)和面積(FV)，一般認為，排屑槽體積越大，發(fā)生鉆頭泥包的機會越小。而wells等[5]通過對鉆井模擬系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，FV和JSA與PDC鉆頭的清潔能力沒有相關關系，其不能作為預測泥包的指示參數(shù)；而排屑槽最窄點處過流截面積是影響PDC鉆頭泥包的一個重要參數(shù)。另外，Graham等[12]研究發(fā)現(xiàn)，空隙體積比VVR(定義為FV與TV之比) 與泥包機械鉆速密切正相關。排屑槽結構設計方面，Wells等[5]通過實驗觀察發(fā)現(xiàn)，條帶狀泥頁巖在鉆頭冠部附近產(chǎn)生，并沿著垂直于巖石切削齒交界面的方向運動，最終在排屑槽某處交匯，基于此提出了一種排屑槽輪廓設計思路。
3．3 切削齒結構參數(shù)
與常規(guī)PDC齒相比，碳化鎢基體上設有凹槽的PDC齒在相同切削深度條件下，與地層的接觸面積較小。因此，在相同的載荷條件和土也層可鉆性條件下，即使發(fā)生輕微切削齒泥包，新型PDC齒也可以依靠較小的鉆壓獲得較高的機械鉆速[25-26]。
具有斜面聚晶金剛石層結構的切削齒[27]齒前的無遮擋空間可以使條帶狀巖屑“盡量”延伸而不受鉆頭體的阻礙，最終在井底流場的影響下超過自身強度斷裂成小的碎屑片段，從而減小了碎屑片段之間及碎屑片段與鉆頭體之間的接觸面積，達到預防泥包的目的。
4 鉆頭水力學參數(shù)
鉆頭水力學參數(shù)對鉆頭泥包具有重要影響。鉆頭每平方英寸水力功率(HSI)、噴嘴射流速度(Vj)、噴嘴總過流面積(TFA)和鉆頭流量(Q)等鉆頭水力參數(shù)可用于經(jīng)驗性地預測鉆頭泥包。Wells等[5]對3種硬度不同的泥頁巖進行了泥包實驗，實驗發(fā)現(xiàn)：對于較硬的Mancos泥頁巖和Carthage泥頁巖，HSI和Q對機械鉆速都沒有較大的影響；對于較軟的Catoosa泥頁巖，HSl對機械鉆速有顯著影響，但影響幅度隨著HSI的減小而減小。而Holster等[28]利用Mancos泥頁巖進行了類似的實驗。實驗結果與本實驗結果相悖，ROP隨HSI增大而增大。Speer[29]研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)增大泥漿泵水功率可提高鉆頭清潔效果，提高機械鉆速，然而泥漿泵水功率超過一定范圍將不能進一步提高機械鉆速，而鉆頭水功率對鉆頭的清潔效果有更直接的相關性。Eckel[30]通過微鉆頭實驗發(fā)現(xiàn)鉆頭清潔效果與鉆頭最大射流沖擊力和井底鉆井液流速密切相關，井底鉆井液流速增大有助于減少鉆頭泥包。
近年來，隨著計算流體力學(CFD)的快速發(fā)展，CFD方法被廣泛用于井底流場模擬，研究井底鉆井液流速、壓力分布，發(fā)現(xiàn)滯留區(qū)、渦流區(qū)和回流區(qū)，為有效防止鉆頭泥包提供廠支持[22-24]。
Wojtanowicz等[9]通過建立試驗用PDC鉆頭的物理模型，利用CFD方法模擬井底流場發(fā)現(xiàn)，流經(jīng)切削齒附近的鉆井液流速與泥包機械鉆速密切相關。但是，目前的井底流場模擬研究并未與鉆頭泥包狀況建立聯(lián)系，因此尚無法應用于鉆頭結構設計。
5 PDC鉆頭其他方面的處理
l)AB負離子防泥包處理[31]。由于經(jīng)過處理后的鉆頭表面上帶有負離子層，可使帶有負電荷的泥巖鉆屑與帶有負電荷的鉆頭體之間產(chǎn)生相斥，從而達到防泥包的效果。
2)切削齒拋光處理[31]。PDC拋光切削齒較標準PDC切削齒具有更好的鋒利度，與ROP增速劑結合使用能減少鉆頭泥包，顯著提高機械鉆速。
3)PDC鉆頭氮化處理[32]。氮化處理后鉆頭的鋼材表面，相對于鉆井液體系呈電負性，鉆井液中的電負性離子被鉆頭表面排斥，水分子遷移到帶電金屬表面，形成潤滑層，達到防止鉆屑吸附，產(chǎn)生抗泥包的效果。
4)PDC表面涂層處理[33]。這些涂層系統(tǒng)主要有環(huán)氧樹脂噴漆、鎳鍍層、稀有金屬鍍層和氮化處理。
6 存在的問題和今后的展望
1)現(xiàn)有的PDC鉆頭泥包機理研究中均未研究泥頁巖巖屑與切削齒或鉆頭體之間的黏附作用，未來的研究過程中可以從微觀層面研究泥頁巖巖屑與鉆頭表面的黏附機理，以期建立黏附力的計算模型。
2)油基鉆井液預防泥包的效果較好，但未能廣泛使用。通過向水慕鉆井液中添加化學添加劑以使其具有油基鉆井液性能的方法是未來的研究方向之一。
3)使用哪些PDC鉆頭水力結構參數(shù)及水力學參數(shù)作為預防泥包的指示參數(shù)尚未形成一致，預測參數(shù)的確定及經(jīng)驗關系模型的建立仍需要大量的實驗研究。
4)CFD數(shù)值模擬是研究PDC鉆頭井底流場的重要方法，但流場特點尚未與鉆頭泥包建立直接關系。數(shù)值模擬應與實驗研究相結合，以期建立流場特點與鉆頭泥包的量化關系。
5)影響PDC鉆頭泥包的因素眾多，且因素之間存在相互影響。因此應該從影響因素的各個方面聯(lián)合入手以達到預防和減少泥包的目的。
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本文作者：陳修平 鄒德永
作者單位：中國石油大學(華東)石油工程學院
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