摘 要：PDC钻头发生泥包时，切削齿和钻头体上会黏附大量的泥页岩切屑，影响破岩效率，弄清泥包机理是了解泥包影响因素、预防和清除泥包的前提。为此，通过调研、分析近年来国内外PDC钻头泥页岩地层钻进泥包发生机理、防止和清除泥包等方面的大量文献，从钻井液类型及性能、钻头结构、钻头水力学参数和PDC钻头其他处理等4项技术方面，总结论述了预防和减少PDC钻头泥包的新成果、新方法和新动态。进而认识到：①从微观层面研究泥页岩岩屑与钻头表面的黏附机理是研究泥包机理的未来方向；②通过向水基钻井液中添加化学添加剂以使其具有油基钻井液的性能的方法具有可取性；③预测泥包的钻头结构参数和水力学参数的确定需要大量的实验研究；④建立井底流场特点与钻头泥包的量化关系是今后数值模拟的研究方向。
关键词：PDC钻头 钻井液 泥页岩 泥包 机理 防止和清除泥包 对策
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
近年来，页岩气作为非常规能源之一在全球油气资源领域异军突起，形成勘探开发的新亮点。加快页岩气勘探开发，已经成为世界主要页岩气资源大国和地区的共同选择。提高机械钻速、降低钻井成本对于成功开发页岩气至关重要。泥页岩的硬度足以用PDC钻头钻进，通常情况下，PDC钻头在泥页岩中的机械钻速是牙轮钻头的两倍[1]。然而，由于泥页岩黏土矿物含量较高(30％～50％)，当使用水基钻井液时容易与水发生反应而膨胀，膨胀的黏土具有黏性，易于黏附于切削齿和钻头体上造成钻头泥包。而且，由于PDC钻头为整体式钻头，整个钻头没有活动零部件，其与牙轮钻头相比更容易发生泥包。
PDC钻头发生泥包时，切削齿和钻头体上会黏附大量的泥页岩切屑，一方面，切削齿不能直接接触地层，影响破岩效率，导致机械钻速下降；另一方面，钻井液不能有效冷却切削齿，导致切削齿寿命下降。另外，钻头泥包会使钻头像油缸内的活塞似地工作，在起下钻时导致压力波动和抽吸压力，起钻还可能诱发井涌甚至井喷。
为此，本文通过调研、分析近年来国内外PDC钻头泥页岩地层钻进泥包发生机理、防止和清除泥包等方面的大量文献，总结出了PDC钻头泥包研究方面的最新进展，并提出了研究中存在的问题和今后的展望。
1 泥包机理及影响因素
PDC钻头泥页岩地层钻进泥包的发生是一个复杂的物理化学、力学耦合作用过程，弄清泥包机理是总结泥包影响因素，进而提出防止泥包和清除泥包方法和措施的前提。
国外学者通过实验观察与理论分析的方法对泥包现象和机理进行了研究。实验方面，Zijsling[2]、Smith等[3]和Warren等[4]分别通过单齿实验和室内全尺寸钻头钻进实验观察到了切削齿泥包现象。研究发现，切削齿泥包是导致整体泥包和机械钻速下降的潜在原因。Michael Wells等[5]利用围压条件下的模拟钻进系统进行泥包实验，观察发现钻头泥包的主要类型有：钻头中心泥包、排屑槽最窄点处泥包、排屑槽泥包和整体泥包，这几种类型泥包发生的顺序一般为：排屑槽最窄点处泥包®排屑槽泥包®钻头整体泥包。
理论分析方面，国外学者主要通过建立PDC单齿与泥页岩地层相互作用解析模型来解释泥包机理。Gerbaud等[6]刚假设切削齿与地层之间存在一岩屑聚集边和一独立于切削齿位置和摩擦力的剪切角，能量通过岩屑聚集边传递到岩石。Sellami等[7]假设岩屑呈棱柱状，根据Merchant的金属切削模型建立了单齿作用模型。Detournay等[8]建立了存在磨损平面和不存在磨损平面情况下的单齿切削模型。Wojtanowicz等[9]建立了未磨损和已磨损切削齿的作用模型，然而在确定切削齿受力时未考虑剪切角的影响。然而以上模型但均未考虑存在围压情况下条带状泥页岩岩屑的形成、运移、聚集过程。Rahmani等[10]受Merchant金属切削模型的影响，建立的理论模型考虑了围压产生的附加摩擦力和围压条件下的岩屑强度，分析了泥页岩切屑生成、运移、聚集，最终造成钻头泥包的过程。
Zijsling等[11]对PDC钻头泥页岩破岩和泥包机理进行了基本阐述。分析泥包机理发现，PDC钻头泥页岩地层钻进泥包影响因素可以总结为5个方面：地层性质、钻井液类型及性能、钻头结构、有效围压和钻头水力学参数。其中，地层性质和有效围压为相对不可控因素。地层性质方面，矿物组成、黏土含量、水含量、颗粒大小等都会影响岩屑的黏附性能[12-13]；地层阳离子交换能力通过影响泥页岩水化，从而影响钻头泥包[14]。有效围压方面，一般情况下，有效围压越大，发牛钻头泥包的机会越大。Ledgerwood Ⅲ[15]设计了测定泥页岩岩屑强度的特殊PDC钻头，试验结果证明了以上结论。
钻井液类型及性能、钻头结构和钻头水力学参数为可控因素，因此可以从这3个方面入手探求防止和消除钻头泥包的方法和措施。
2 钻井液类型及性能方面
混合基钻井液和油基钻井液可有效防止泥页岩水化，从而大大减少泥包的发生。然而，混合基钻井液和油基钻井液容易污染环境(尤其是海上作业)，而且价格昂贵，因此水基钻井液在泥页岩地层钻井(尤其是直井)过程中得到了广泛应用[13]。
水基钻井液钻井液性能(如抑制性、固相含量、润滑性等)对泥包具有重要影响。加入大分子包被剂、聚合醇等可抑制泥页岩地层造浆、分散；加入润滑剂、清洁剂可在金属表面形成一层憎水膜，降低水化黏土和钻头、扶正器等金属表面的黏附性；使用ROP增速剂可以减弱或消除泥页岩岩屑之间和岩屑与钻头体之间的相互黏聚，从而有效减少泥包[16-18]。
3 钻头结构方面
PDC钻头结构方面，钻头类型，冠部形状，水力结构，切削齿形状、数量、角度等均会对泥包产生重要影响。
3．1 钻头类型和冠部形状
Hemphill等[19]认为，预防泥包钻头设计比水基钻井液化学性能更加重要，赵佩华等㈨1通过泥包实验发现，相同钻进条件下，具有抛物线轮廓和刮刀水力设计的PDC钻头在钻进泥页岩地层时不太容易产生泥包，而采用脊式布齿或开放表面水力设计的PDC钻头、平的或圆轮廓的PDC钻头、浅锥形轮廓PDC钻头更易产生泥包。而且，脊柱式PDC钻头性能受钻井液类型、性能影响较大，而刀翼式PDC钻头受其影响较小。
3．2 水力结构
PDC钻头水力结构对于钻头泥包有重要影响，因为PDC钻头水力学效果的好坏都是通过水力结构来体现的。喷嘴形状、位置、角度和组合方式是影响井底流场的重要参数，目前主要通过实验[21]和数值模拟[22-24]。胡的方法进行研究，但尚未与PDC钻头泥包建立直接关联。黄英勇等[24]研究发现，定向喷嘴有利于减少钻头泥包，“打蛋器”式PDC钻头的设计着重于由定向喷嘴所起的削皮作用。尽管该钻头在实验室的试验中未产生泥包，但其仍未被广泛地用作抗泥包钻头。
排屑槽方面，使用较多的参数为排屑槽体积(JSA)和面积(FV)，一般认为，排屑槽体积越大，发生钻头泥包的机会越小。而wells等[5]通过对钻井模拟系统实验数据进行统计分析发现，FV和JSA与PDC钻头的清洁能力没有相关关系，其不能作为预测泥包的指示参数；而排屑槽最窄点处过流截面积是影响PDC钻头泥包的一个重要参数。另外，Graham等[12]研究发现，空隙体积比VVR(定义为FV与TV之比) 与泥包机械钻速密切正相关。排屑槽结构设计方面，Wells等[5]通过实验观察发现，条带状泥页岩在钻头冠部附近产生，并沿着垂直于岩石切削齿交界面的方向运动，最终在排屑槽某处交汇，基于此提出了一种排屑槽轮廓设计思路。
3．3 切削齿结构参数
与常规PDC齿相比，碳化钨基体上设有凹槽的PDC齿在相同切削深度条件下，与地层的接触面积较小。因此，在相同的载荷条件和土也层可钻性条件下，即使发生轻微切削齿泥包，新型PDC齿也可以依靠较小的钻压获得较高的机械钻速[25-26]。
具有斜面聚晶金刚石层结构的切削齿[27]齿前的无遮挡空间可以使条带状岩屑“尽量”延伸而不受钻头体的阻碍，最终在井底流场的影响下超过自身强度断裂成小的碎屑片段，从而减小了碎屑片段之间及碎屑片段与钻头体之间的接触面积，达到预防泥包的目的。
4 钻头水力学参数
钻头水力学参数对钻头泥包具有重要影响。钻头每平方英寸水力功率(HSI)、喷嘴射流速度(Vj)、喷嘴总过流面积(TFA)和钻头流量(Q)等钻头水力参数可用于经验性地预测钻头泥包。Wells等[5]对3种硬度不同的泥页岩进行了泥包实验，实验发现：对于较硬的Mancos泥页岩和Carthage泥页岩，HSI和Q对机械钻速都没有较大的影响；对于较软的Catoosa泥页岩，HSl对机械钻速有显著影响，但影响幅度随着HSI的减小而减小。而Holster等[28]利用Mancos泥页岩进行了类似的实验。实验结果与本实验结果相悖，ROP随HSI增大而增大。Speer[29]研究发现，在一定范围内增大泥浆泵水功率可提高钻头清洁效果，提高机械钻速，然而泥浆泵水功率超过一定范围将不能进一步提高机械钻速，而钻头水功率对钻头的清洁效果有更直接的相关性。Eckel[30]通过微钻头实验发现钻头清洁效果与钻头最大射流冲击力和井底钻井液流速密切相关，井底钻井液流速增大有助于减少钻头泥包。
近年来，随着计算流体力学(CFD)的快速发展，CFD方法被广泛用于井底流场模拟，研究井底钻井液流速、压力分布，发现滞留区、涡流区和回流区，为有效防止钻头泥包提供厂支持[22-24]。
Wojtanowicz等[9]通过建立试验用PDC钻头的物理模型，利用CFD方法模拟井底流场发现，流经切削齿附近的钻井液流速与泥包机械钻速密切相关。但是，目前的井底流场模拟研究并未与钻头泥包状况建立联系，因此尚无法应用于钻头结构设计。
5 PDC钻头其他方面的处理
l)AB负离子防泥包处理[31]。由于经过处理后的钻头表面上带有负离子层，可使带有负电荷的泥岩钻屑与带有负电荷的钻头体之间产生相斥，从而达到防泥包的效果。
2)切削齿抛光处理[31]。PDC抛光切削齿较标准PDC切削齿具有更好的锋利度，与ROP增速剂结合使用能减少钻头泥包，显著提高机械钻速。
3)PDC钻头氮化处理[32]。氮化处理后钻头的钢材表面，相对于钻井液体系呈电负性，钻井液中的电负性离子被钻头表面排斥，水分子迁移到带电金属表面，形成润滑层，达到防止钻屑吸附，产生抗泥包的效果。
4)PDC表面涂层处理[33]。这些涂层系统主要有环氧树脂喷漆、镍镀层、稀有金属镀层和氮化处理。
6 存在的问题和今后的展望
1)现有的PDC钻头泥包机理研究中均未研究泥页岩岩屑与切削齿或钻头体之间的黏附作用，未来的研究过程中可以从微观层面研究泥页岩岩屑与钻头表面的黏附机理，以期建立黏附力的计算模型。
2)油基钻井液预防泥包的效果较好，但未能广泛使用。通过向水慕钻井液中添加化学添加剂以使其具有油基钻井液性能的方法是未来的研究方向之一。
3)使用哪些PDC钻头水力结构参数及水力学参数作为预防泥包的指示参数尚未形成一致，预测参数的确定及经验关系模型的建立仍需要大量的实验研究。
4)CFD数值模拟是研究PDC钻头井底流场的重要方法，但流场特点尚未与钻头泥包建立直接关系。数值模拟应与实验研究相结合，以期建立流场特点与钻头泥包的量化关系。
5)影响PDC钻头泥包的因素众多，且因素之间存在相互影响。因此应该从影响因素的各个方面联合入手以达到预防和减少泥包的目的。
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本文作者：陈修平 邹德永
作者单位：中国石油大学(华东)石油工程学院
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