工程技术和润湿反转化解钻头吸附

       破岩效果是重要的石油钻井技术问题，它体现的是钻井速度。提高钻井速度是目前钻井过程的迫切要求。影响机械钻速的因素主要有以下几个方面：钻头、地层性质、机械、钻头水力因素及钻井液性能等。其中，钻屑颗粒吸附钻头、钻具表面严重影响机械钻速。钻遇泥页岩地层，很容易发生钻屑吸附（泥包）钻头，导致钻头端面承担部分钻压，限制钻头的切削深度，井底钻头与岩石间的作用效率不高，重复破碎。高压下钻深井泥页岩影响更大，随井深增加，钻屑具有更强的弹性特性，硬、软页岩特别是粘、膨胀性页岩，在压力的作用下增强了吸附于钻头表面，从钻头表面移走钻屑的剪切力大大增加。因此，深入研究钻屑颗粒吸附钻头的吸附效应、影响钻井速度的钻井液理论与技术，并且提出相应方法减少或消除钻屑吸附钻头或BHA面，并应用于指导钻井液性能设计及现场施工，对提高钻井速度起着重要作用。

       五大因素致使钻屑吸附钻头

       地质因素：所钻地层为上部不成岩的软泥，极易粘附于钻头表层，压实后造成钻头泥包；地层中的泥页岩虽成岩，但易于水化分散，使井眼内泥质或固相含量大增，吸附于钻头表面造成钻头泥包；或者地层中含有分散状石膏，造成钻井液污染后，钻井液中的有害固相难于清除，使钻头被泥包的机率大增；地层渗透率高，在压差作用下，吸附井筒内有害固相及未及时携带出的岩屑，形成厚泥饼，起下钻时在PDC钻头下方堆积造成钻头泥包。

       钻井液性能因素：钻井液抑制性差，无法控制泥页岩的水化分散；固相含量和粘切过高，钻出的岩屑难于清除，易吸附在钻头表面；钻井液比重偏高，失水大，易形成过厚的粗糙泥饼；润滑性能差、钻头表面无法形成有效的保护膜，钻井液中的劣质固相易吸附在钻头上。

       工程技术因素：钻进中排量小，不能有效清洗井底及钻头，同时上返速度不足，岩屑在井内滞留时间长，粘附于井壁形成厚泥饼，尤其是中上部钻速高时更为严重；在软泥岩地层，钻压过大，地层或钻屑与钻头表面形成直接接触，造成钻头泥包；长裸眼下钻未进行中途循环，从井壁上刮下的泥饼或钻屑则会泥包钻头。

       钻头选型因素：水眼设计无法满足排屑要求；流道排屑角阻碍了钻屑顺利脱离井底。

       操作水平因素：下钻速度过快，钻头不是在顺着螺旋型轨道向下滑行，而是在井壁上不断刮削泥饼或钻屑，极易造成钻头泥包；下钻时遇阻不是接方钻杆循环划眼冲洗钻头，而是下压或下冲，从井壁上刮下的泥饼或钻屑则会泥包钻头；下钻到底时操作方法有误，如果先启动转盘，后启动泵，同样也会造成钻头泥包；在软地层中钻进时，送钻不均匀。

       结合对钻屑在钻头及BHA表面吸附原因的分析，可以利用一个综合的方法：工程技术和润湿反转技术，减弱钻屑在钻头上的吸附现象，解决钻头泥包问题。

       工程技术减少钻屑吸附

       工程技术是防止PDC钻头泥包的重要措施。钻进中排量小，不能有效清洗井底及钻头，同时上返速度不足，岩屑在井内滞留时间长，造成重复切削，尤其是中上部钻速高时尤为严重；在软泥岩地层，钻压过大，地层或钻屑与钻头表面形成直接接触，造成钻头泥包；长裸眼下钻未进行中途循环，从井壁上刮下的泥饼或钻屑则会泥包钻头。钻进中钻压不均匀，使切削齿瞬间切人地层的深度不一致，特别是钻时变慢后，盲目加压，造成泥包。

       钻头设计。对于软泥地层，冲洗液流速是影响泥包钻头的一大因素。增大泵量从而提高钻井液在孔底的流速可以减弱泥包钻头的现象，但受设备和工况的限制，不能无限的增大泵量。传统的钢制的牙轮钻头（如图1），在高钻压下，当在硬地层钻进时，牙齿迅速的损坏而使钻速减慢；当在粘页岩地层钻进时，牙齿部分极易被钻屑吸附堵塞，切削井底岩石效率降低，随时间的延续和井底压力的增大，钻屑团就会形成泥包，很难被清除，妨碍了钻头的钻进，在这种情况下就必须把泥包顿掉或更换一个新钻头来解决泥包问题。

       如果采用PDC钻头（如图2），对其水力结构参数上进行设计、优化，在泵量一定的情况下，使钻井液在切削刃前和水槽内的流速尽量增大，其特殊外形结构能够有效防止岩屑吸附，即使有少量的岩屑吸附，也能通过水力学原理从钻头表面把钻屑移开，同时，该类型钻头具有锋利的切削刀片，能够有效的切削地层岩石，提高机械钻速。

       下人PDC钻头之前，应充分循环钻井液，清洗井眼，防止起钻后滞留在井眼内的钻屑继续水化分散；进行短起下钻，对井壁泥饼进行刮削、挤压，将厚泥饼拉薄、压实，尽量保证井眼畅通、消除阻卡；在钻头泥包高发区，如果采用了所有方法也无法避免PDC钻头泥包，那么可以先使用牙轮通一趟井。

       下钻时在钻头流道表面涂满黄油，形成一层保护膜，减少钻头与钻井液中的劣质固相直接接触的时间，或者用160目以上筛布把钻头包起来，这样做即便在深井中也是有一定作用的。
下钻时钻头不断刮削井壁，井壁上的泥饼或滞留于井内的钻屑会在钻头下堆积，到一定程度便会压实在钻头上，采用分段循环钻井液，防止堵水眼。

       下钻过程中还应适当控制速度，防止钻头突然冲入砂桥；另外如果速度恰当，PDC钻头会顺着上一只钻头所钻的螺旋形井眼轨道行进，而不是在井壁上划拉下大量泥饼。

       每次下钻到底时必须先开泵，尽量提高排量充分冲洗井底和钻头，等排量满足要求后再开转盘。

       上部井段坚持用大排量钻进；如果开钻前期排量太小，井壁冲刷不够从而引起环空间隙小导致泵压升高，上部地层由于钻时快，若排量太小，环空岩屑浓度大，清除不及时，对井壁冲刷不够，岩屑会附于井壁上，使得环空间隙减小，泵压会及时升高，以后由于高泵压排量进一步减小，最终导致高泵压及钻时变慢，严重影响机械钻时。甚至在易泥包井段使PDC钻头泥包。

       软泥岩中钻进，应尽量采用低钻压、高转速、大排量钻进；控制好机械钻速或增加钻井液循环时间，其目的是为了降低钻井液中的岩屑浓度。

       操作要精细，送钻加压一定要均匀，不能忽大忽小。

       润湿反转减少钻屑吸附

       所谓润湿反转，就是把岩石强的亲水性改变成亲油或介于亲水亲油之间。由于岩石的主要成份是硅酸盐，其表面带有负电荷，亲水能力很强，当带有亲水正电荷的表面活性剂与其接触时，就吸附在岩石表面而且有规律地排列，使岩石变为亲油，当表面活性剂浓度较大时，又重新吸附到岩石表面，再次使岩石变为亲水。如图3所示：

       当表面活性剂的浓度在溶液中较低，低于它的临界胶束浓度（CMC），表面活性剂是单分子吸附，当浓度高于CMC，表面活性剂胶束形成，此时，表面活性剂单体浓度保持相对恒定，随着表面活性剂浓度的增加，表面活性剂吸附遵循朗缪尔等温线，在低浓度下，表面活性剂尾部的憎水基团和表面是紧密的或平行的，头部的亲水基团是朝向水的，当表面活性剂吸附的增加，表面活性剂分子与表面变为正交，直到临界胶束浓度达到，表面的表面活性剂分子饱和，表面活性剂分子倾向性的不同变化，表面从低浓度下的油润湿到临界胶束浓度或高浓度下的水润湿。用处理剂处理岩心后，气相和水相渗透率均有明显提高，其原理可以用Young-Laplace方程解释：PC= 2σcosθ/r（式中，PC-毛细管力，Pa；σ-表面张力，mN/m；θ-接触角，(o)；r-毛细管半径，m）。

       从上式可见，当岩石表面转变成中性时，毛细管力接近零。降低了气水或油水两相流动时的毛细管阻力；当岩石表面转变成弱亲油时，岩石表面具憎水性。

       润湿反转剂在泥页岩吸附机理：固体自溶液中吸附表面活性剂，即表面活性剂分子或离子在液－固界面上的富集，也就是表面活性剂在液－固界面上浓度比溶液内部大，这一界面现象就是表面活性剂在固体表面上的吸附。阳离子表面活性剂具有两亲分子结构，它可以其极性基通过化学吸附或物理吸附，吸附于固体表面，形成定向排列的吸附层。这时，离子头基朝向固体，疏水基朝向液体，覆盖于固体表面的是一层非极性的碳氢链基团，因而改变了固体表面的亲水亲油型，而且具有低能表面的特性。从而表现出许多优异的应用性能，如防水、抗粘、抗静电和润湿等。

       阳离子表面活性剂在固/液界面上的吸附方式可能有以下几种：

       离子交换吸附，吸附于固体表面的正离子可能被阳离子表面活性剂取代。如图4(a)所示；离子对吸附，阳离子表面活性离子吸附具有负电荷、未被占据的固体表面的位置上。如图4(b)所示；色散力吸附，范德华引力中的色散力存在于所有分子之间，可发生在任何场合，对于完全疏水的固体表面，阳离子表面活性剂在其表面上的吸附主要靠色散力进行吸附，阳离子亲水基朝向水相，疏水基朝向固体表面做定向排列；憎水作用吸附，吸附于固体表面的阳离子表面活性剂离子的亲油基在水介质中易于相互联结形成憎水链显示疏水效应。

       阳离子表面活性剂在固体表面上的吸附，主要发生在高能表面，这从能量观点看是显而易见的。一般在低能表面上没有明显的吸附作用。阳离子表面活性剂在固体表面上的吸附是高能表面向低能表面转变的有效方法。

       润湿反转剂的四大功能要求

       由于环境法规以及钻井成本的制约，油基钻井液以及合成基钻井液的使用受到严格的限制，常规的水基钻井液又很容易引起钻屑在钻头及BHA面上的吸附，当钻屑从钻井液中吸收水后，这种吸附作用会更加严重，甚至导致泥包钻头。然而，通过在水基钻井液体系中加入润湿性反转表面活性剂就可以减少或消除钻头泥包这个技术难题。

       由以上润湿反转原理分析可知，润湿反转表面活性剂必须具备如下功能：

       （1）钻井液中润湿反转表面活性剂添加量非常低。在整个钻井液体系中处理剂的浓度一定低于它的临界浓度，切削下来的钻屑被悬浮于这种低浓度的钻井液体系中，处理剂对岩屑表面有很强的吸附作用，但由于处理剂浓度非常低，处理剂在岩屑表面一定是以单分子层吸附的，当处理剂吸附到岩屑表面后，使岩屑表面润湿性发生转变，使岩屑由强的亲水性转变为亲油，使其相互团聚以及在钻头、钻具上的粘附力减弱，就不易在钻头以及BHA面上粘附形成钻头泥包；同时，钻屑之间也减弱了相互之间的吸附，不再附聚成团沉积于井底导致钻头重复切削、破碎。

       （2）处理剂分子改变钻头及BHA表面润湿性，并且该处理剂对金属表面具备极强的定向吸附能力。在井底压力作用下，这种定向吸附能力表现更强，能在金属表面吸附成膜，该膜有极强的润滑性和表面活性，能吸附钻井液中的有机物分子使金属表面形成憎水膜，极大的提高钻头及钻具的润滑性。

       （3）改变岩石表面和孔隙内部润湿性。当高压的钻井液高速喷射到岩层表面，由于岩石是水润湿性的，水分子携带着处理剂部分铺展在岩石表面，部分迅速向岩石孔隙渗透，致使岩石表面以及孔隙内部由正常的强水润湿全部或部分转变为油润湿，接触角增大，岩石的表面张力减小，因此由Young-Laplace方程可知：毛细管阻力降低，使钻井液更加容易渗入钻头冲击井底岩层时所形成的微裂缝中，能够减小或消除巨大的压持效应，从而有利于提高机械钻速。

       （4）处理剂还能够有效的与井壁吸附，通过改变井壁岩石润湿性。一方面可以阻止页岩水化，从而提高井壁的稳定性；另一方面阻止钻屑在井壁上的吸附，使起下钻畅通。另外，处理剂分子要求具备活性基团，能有效吸附钻井液中有机分子，提高了井壁的润滑性，防止阻卡。