摘要：为实现长庆气田水平井钻井提速的目的，在斜井段中试验了PDC钻头，但均不同程度地发生了钻头泥包的问题。经过广泛的调研分析，找到了导致PDC钻头泥包的主要因素——钻井液问题，另外还有地层、钻井参数、PDC钻头流场设计等影响因素。为此，从强化钻井液抑制性出发，研制出了双钾盐聚合物钻井液体系并在现场应用获得成功，较好地解决了PDC钻头泥包问题。其中GP12-6井实现了斜导眼水平井单只PDC钻头穿越5套地层，平均机械钻速达11.25m/h，起下钻、电测和下套管等作业均安全顺利完成。
关键词：水平井PDC钻头；泥包；双钾盐聚合物钻井液；钻井参数；钻井速度；长庆气田
为提高长庆气田开发效率，水平井开发技术逐渐得到应用，但水平井施工中，钻井速度相对偏低，尤其是下部斜井段更为明显。2007年以来，为实现钻井提速的目的，斜井段中试验了PDC钻头，不同程度地发生了钻头泥包问题。针对以上问题，开展了广泛的分析研究，认为导致PDC钻头泥包的主要因素是钻井液问题，另外还有地层和钻井参数、PDC钻头流场设计等[1～3]。为此，研制出了无土相强抑制双钾盐聚合物钻井液体系，现场应用获得成功，解决了斜井段PDC钻头泥包的问题，其中双平2井实现单只PDC钻头穿越从石千峰组钻至本溪组的5套地层，进尺690m，平均机械钻速11.25m/h；GP12-6井斜导眼中实现单只PDC钻头穿越从山西组到马家沟组的4套地层，进尺230m；井眼规则，起下钻、电测和下套管作业均安全顺利完成。
1 水平井斜井段PDC钻头泥包原因
长庆气田近年钻井提速工作取得显著成效的关键就是大面积推广应用PDC钻头。因此，自2007年以来，在天然气水平井斜井段试验使用了PDC钻头。两年来，先后在6口井中试验应用了3个厂家、两种尺寸、10种型号的19只PDC钻头，均未达到预期效果，其主要原因是钻头泥包严重。
1.1 钻井液影响因素分析
目前长庆天然气水平井斜井段使用的钻井液体系基本都为分散体系，抑制性较弱，不能有效地抑制地层泥页岩水化膨胀，泥岩钻屑存在适度分散；其次是由于受现场条件限制，少量钻屑固相没有及时从钻井液中清除出去，导致钻井液中的低密度固相组分及劣质土含量偏高；第三是钻井液性能参数没有达到良好的控制，土含量过高；第四是钻井液流变性能不够好；第五是钻井液滤饼质量相对较差。
1.2 地层影响因素分析
发生PDC钻头泥包的地层主要有石千峰组、石盒子组等地层，泥包井段主要以泥岩为主，为棕红色泥岩，黏土矿物含量高达61.7%～41%，24h膨胀率大于15%以上，最高达到35%。
1.3 钻头及钻井参数因素的影响
PDC钻头水眼分布及射流角度、流场状态以及排量等都存在一定的影响，排量偏小时，一般容易发生泥包。
2 解决钻头泥包问题的思路与对策
基于上述分析，笔者认为解决PDC钻头泥包的问题应从以下几个方面着手：
1) 利用K+材料等尺寸压缩双电层理论，使用含K+材料提高体系的抑制性，抑制泥页岩水化膨胀和分散，实现稳定井壁和降低泥页岩钻屑水化分散的目的。
2) 利用高聚物多点吸附理论，使用聚合物材料，在泥页岩上形成多点吸附，实现井眼稳定和抑制包被泥页岩钻屑分散、降低钻井液中低密度固相和劣质土含量的目的。
3) 利用无机盐，提高滤液矿化度，降低水相活度，最终降低与地层水的渗透压差，从而进一步增强防止地层泥页岩水化膨胀的目的。
4) 实现钻井液体系无黏土化的目的。
在上述技术原理的指导下，研究出了以无机复合钾盐CP-1+有机钾盐KP-A+流型调节剂ASV-2以及润滑剂、烧碱等组成的无土相强抑制双钾盐聚合物钻井液体系，该体系具有强抑制防塌性、良好的流变特性、光滑致密的滤饼、虑失量低以及无黏土等特点，主要性能参数：钻井液密度为1.04～1.30g/cm3；失水量为3.00～7.00mL；漏斗黏度为45.00～60.00s；塑性黏度为10.00～18.00mPa·s；动切应力为6.00～14.00Pa；初切力为3.00～15.00Pa；pH值为8.50～10.00。
3 现场应用及取得的效果
室内研制成功后，在现场进行了试验应用，均获得成功，不仅保障了井壁稳定，而且实现了PDC钻头使用的突破，钻井速度明显提高，再没有发生钻头泥包现象。
3.1 GP12-6井应用情况
GP12-6井位于气田中北部区块，该区已完钻多口水平井，均不同程度地发生过因钻头泥包而影响PDC钻头的使用。GP12-6井的井身结构简单，第2次开钻直接入窗，是该区第1口斜导眼水平井。该井从斜导眼开始使用双钾盐体系，并试验应用了PDC钻头，钻井井段为3110～3340m，进尺为230m，纯钻时间为62h，平均机械钻速为3.71m/h，井斜为33.31°～37.66°，同比是牙轮钻头进尺的2.5倍、是牙轮钻头钻速的2倍。施工中无钻头泥包现象，起下钻安全顺利，钻头起出新度为80%。
3.2 SHP2井应用情况
SHP2井位于气田东北部双山区块，该区块延长组水敏性强，易发生坍塌，造成井下复杂，2007年在该区块完钻直井20口，其中有10口井相继发生井塌，其中3口井因垮塌导致井下故障，下部井段没有使用过PDC钻头，钻井速度低下。SHP2井是该区块的第1口水平井，直导眼钻井中，使用了双钾盐体系，同时从石千峰组地层开始试验应用了PDC钻头。该钻头成功钻至本溪组，穿越5套地层，钻井井段为2037～2728m，进尺为690m，纯钻时间为61.5h，平均机械钻速为11.25m/h，其中在“双石层”钻井中创造了日进尺250m的纪录，施工中没有发生钻头泥包现象、钻速快、起下钻顺利，钻头起出新度为85%。
3.3 双钾盐聚合物钻井液体系的特点
通过SHP2井和GP12-6井的现场应用，发现双钾盐聚合物钻井液体系[1～2]具有下述特点：
1) 体系抑制防塌能力强，有效地防止了井壁泥页岩水化膨胀和分散。
2) 有效地降低了平衡地层稳定的钻井液密度(1.28～1.23g/cm3)。
3) 体系没有使用黏土，实现了无黏土相的目的。
4) 携岩、洗井能力强，井眼畅通，起下钻顺利，无沉砂现象。
5) 润滑性高，斜井段施工摩阻和扭矩低。
由于双钾盐体系具有上述特点，PDC钻头的使用获得了突破，提高了钻井速度，缩短了施工时间。
4 结论与建议
1) 提高钻井液体系的抑制作用可减少PDC钻头发生泥包。
2) 体系实现无土相特点更能有效地解决PDC钻头泥包问题。
3) 现场施工中，体系的低密度固相和劣质土含量的有效控制同样是解决PDC钻头泥包的有效方法之一。
4) 保证适当的排量也是有利于解决PDC钻头泥包的问题。另外，由于导致PDC钻头泥包的因素很多，单纯从钻井液角度来完成还远远不够，要更进一步加强PDC钻头喷嘴分布、射流角度以及流场设计等研究工作。
参考文献
[1] 邓传光，朱明玉，黄焰，等.PDC钻头泥包原因分析及对策[J].钻采工艺，2006，29(6)：127-129.
[2] 屈沅治，孙金声，苏义脑.快速钻进钻井液技术新进展[J].钻井液与完井液，2004，21(3)：68-70.
[3] 侯庆勇.PDC钻头在鄂尔多斯盆地大牛地气田的应用[J].石油地质与工程，2002(3)：43-44.
(本文作者：陈在君 刘顶运 韦孝忠 陈炼军 王万庆 川庆钻探工程公司工程技术研究院)
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