破巖效果是重要的石油鉆井技術問題，它體現的是鉆井速度。提高鉆井速度是目前鉆井過程的迫切要求。影響機械鉆速的因素主要有以下幾個方面：鉆頭、地層性質、機械、鉆頭水力因素及鉆井液性能等。其中，鉆屑顆粒吸附鉆頭、鉆具表面嚴重影響機械鉆速。鉆遇泥頁巖地層，很容易發生鉆屑吸附（泥包）鉆頭，導致鉆頭端面承擔部分鉆壓，限制鉆頭的切削深度，井底鉆頭與巖石間的作用效率不高，重復破碎。高壓下鉆深井泥頁巖影響更大，隨井深增加，鉆屑具有更強的彈性特性，硬、軟頁巖特別是粘、膨脹性頁巖，在壓力的作用下增強了吸附于鉆頭表面，從鉆頭表面移走鉆屑的剪切力大大增加。因此，深入研究鉆屑顆粒吸附鉆頭的吸附效應、影響鉆井速度的鉆井液理論與技術，并且提出相應方法減少或消除鉆屑吸附鉆頭或BHA面，并應用于指導鉆井液性能設計及現場施工，對提高鉆井速度起著重要作用。

五大因素致使鉆屑吸附鉆頭

地質因素：所鉆地層為上部不成巖的軟泥，極易粘附于鉆頭表層，壓實后造成鉆頭泥包；地層中的泥頁巖雖成巖，但易于水化分散，使井眼內泥質或固相含量大增，吸附于鉆頭表面造成鉆頭泥包；或者地層中含有分散狀石膏，造成鉆井液污染后，鉆井液中的有害固相難于清除，使鉆頭被泥包的機率大增；地層滲透率高，在壓差作用下，吸附井筒內有害固相及未及時攜帶出的巖屑，形成厚泥餅，起下鉆時在PDC鉆頭下方堆積造成鉆頭泥包。

鉆井液性能因素：鉆井液抑制性差，無法控制泥頁巖的水化分散；固相含量和粘切過高，鉆出的巖屑難于清除，易吸附在鉆頭表面；鉆井液比重偏高，失水大，易形成過厚的粗糙泥餅；潤滑性能差、鉆頭表面無法形成有效的保護膜，鉆井液中的劣質固相易吸附在鉆頭上。

工程技術因素：鉆進中排量小，不能有效清洗井底及鉆頭，同時上返速度不足，巖屑在井內滯留時間長，粘附于井壁形成厚泥餅，尤其是中上部鉆速高時更為嚴重；在軟泥巖地層，鉆壓過大，地層或鉆屑與鉆頭表面形成直接接觸，造成鉆頭泥包；長裸眼下鉆未進行中途循環，從井壁上刮下的泥餅或鉆屑則會泥包鉆頭。

鉆頭選型因素：水眼設計無法滿足排屑要求；流道排屑角阻礙了鉆屑順利脫離井底。

操作水平因素：下鉆速度過快，鉆頭不是在順著螺旋型軌道向下滑行，而是在井壁上不斷刮削泥餅或鉆屑，極易造成鉆頭泥包；下鉆時遇阻不是接方鉆桿循環劃眼沖洗鉆頭，而是下壓或下沖，從井壁上刮下的泥餅或鉆屑則會泥包鉆頭；下鉆到底時操作方法有誤，如果先啟動轉盤，后啟動泵，同樣也會造成鉆頭泥包；在軟地層中鉆進時，送鉆不均勻。

結合對鉆屑在鉆頭及BHA表面吸附原因的分析，可以利用一個綜合的方法：工程技術和潤濕反轉技術，減弱鉆屑在鉆頭上的吸附現象，解決鉆頭泥包問題。

工程技術減少鉆屑吸附

工程技術是防止PDC鉆頭泥包的重要措施。鉆進中排量小，不能有效清洗井底及鉆頭，同時上返速度不足，巖屑在井內滯留時間長，造成重復切削，尤其是中上部鉆速高時尤為嚴重；在軟泥巖地層，鉆壓過大，地層或鉆屑與鉆頭表面形成直接接觸，造成鉆頭泥包；長裸眼下鉆未進行中途循環，從井壁上刮下的泥餅或鉆屑則會泥包鉆頭。鉆進中鉆壓不均勻，使切削齒瞬間切人地層的深度不一致，特別是鉆時變慢后，盲目加壓，造成泥包。

鉆頭設計。對于軟泥地層，沖洗液流速是影響泥包鉆頭的一大因素。增大泵量從而提高鉆井液在孔底的流速可以減弱泥包鉆頭的現象，但受設備和工況的限制，不能無限的增大泵量。傳統的鋼制的牙輪鉆頭（如圖1），在高鉆壓下，當在硬地層鉆進時，牙齒迅速的損壞而使鉆速減慢；當在粘頁巖地層鉆進時，牙齒部分極易被鉆屑吸附堵塞，切削井底巖石效率降低，隨時間的延續和井底壓力的增大，鉆屑團就會形成泥包，很難被清除，妨礙了鉆頭的鉆進，在這種情況下就必須把泥包頓掉或更換一個新鉆頭來解決泥包問題。

如果采用PDC鉆頭（如圖2），對其水力結構參數上進行設計、優化，在泵量一定的情況下，使鉆井液在切削刃前和水槽內的流速盡量增大，其特殊外形結構能夠有效防止巖屑吸附，即使有少量的巖屑吸附，也能通過水力學原理從鉆頭表面把鉆屑移開，同時，該類型鉆頭具有鋒利的切削刀片，能夠有效的切削地層巖石，提高機械鉆速。

下人PDC鉆頭之前，應充分循環鉆井液，清洗井眼，防止起鉆后滯留在井眼內的鉆屑繼續水化分散；進行短起下鉆，對井壁泥餅進行刮削、擠壓，將厚泥餅拉薄、壓實，盡量保證井眼暢通、消除阻卡；在鉆頭泥包高發區，如果采 用了所有方法也無法避免PDC鉆頭泥包，那么可以先使用牙輪通一趟井。

下鉆時在鉆頭流道表面涂滿黃油，形成一層保護膜，減少鉆頭與鉆井液中的劣質固相直接接觸的時間，或者用160目以上篩布把鉆頭包起來，這樣做即便在深井中也是有一定作用的。

下鉆時鉆頭不斷刮削井壁，井壁上的泥餅或滯留于井內的鉆屑會在鉆頭下堆積，到一定程度便會壓實在鉆頭上，采用分段循環鉆井液，防止堵水眼。

下鉆過程中還應適當控制速度，防止鉆頭突然沖入砂橋；另外如果速度恰當，PDC鉆頭會順著上一只鉆頭所鉆的螺旋形井眼軌道行進，而不是在井壁上劃拉下大量泥餅。

每次下鉆到底時必須先開泵，盡量提高排量充分沖洗井底和鉆頭，等排量滿足要求后再開轉盤。

上部井段堅持用大排量鉆進；如果開鉆前期排量太小，井壁沖刷不夠從而引起環空間隙小導致泵壓升高，上部地層由于鉆時快，若排量太小，環空巖屑濃度大，清除不及時，對井壁沖刷不夠，巖屑會附于井壁上，使得環空間隙減小，泵壓會及時升高，以后由于高泵壓排量進一步減小，最終導致高泵壓及鉆時變慢，嚴重影響機械鉆時。甚至在易泥包井段使PDC鉆頭泥包。

軟泥巖中鉆進，應盡量采用低鉆壓、高轉速、大排量鉆進；控制好機械鉆速或增加鉆井液循環時間，其目的是為了降低鉆井液中的巖屑濃度。

操作要精細，送鉆加壓一定要均勻，不能忽大忽小。

潤濕反轉減少鉆屑吸附

所謂潤濕反轉，就是把巖石強的親水性改變成親油或介于親水親油之間。由于巖石的主要成份是硅酸鹽，其表面帶有負電荷，親水能力很強，當帶有親水正電荷的表面活性劑與其接觸時，就吸附在巖石表面而且有規律地排列，使巖石變為親油，當表面活性劑濃度較大時，又重新吸附到巖石表面，再次使巖石變為親水。如圖3所示： 

當表面活性劑的濃度在溶液中較低，低于它的臨界膠束濃度（CMC），表面活性劑是單分子吸附，當濃度高于CMC，表面活性劑膠束形成，此時，表面活性劑單體濃度保持相對恒定，隨著表面活性劑濃度的增加，表面活性劑吸附遵循朗繆爾等溫線，在低濃度下，表面活性劑尾部的憎水基團和表面是緊密的或平行的，頭部的親水基團是朝向水的，當表面活性劑吸附的增加，表面活性劑分子與表面變為正交，直到臨界膠束濃度達到，表面的表面活性劑分子飽和，表面活性劑分子傾向性的不同變化，表面從低濃度下的油潤濕到臨界膠束濃度或高濃度下的水潤濕。用處理劑處理巖心后，氣相和水相滲透率均有明顯提高，其原理可以用Young-Laplace方程解釋：PC= 2σcosθ/r（式中，PC-毛細管力，Pa；σ-表面張力，mN/m；θ-接觸角，(o)；r-毛細管半徑，m）。

從上式可見，當巖石表面轉變成中性時，毛細管力接近零。降低了氣水或油水兩相流動時的毛細管阻力；當巖石表面轉變成弱親油時，巖石表面具憎水性。

潤濕反轉劑在泥頁巖吸附機理：固體自溶液中吸附表面活性劑，即表面活性劑分子或離子在液－固界面上的富集，也就是表面活性劑在液－固界面上濃度比溶液內部大，這一界面現象就是表面活性劑在固體表面上的吸附。陽離子表面活性劑具有兩親分子結構，它可以其極性基通過化學吸附或物理吸附，吸附于固體表面，形成定向排列的吸附層。這時，離子頭基朝向固體，疏水基朝向液體，覆蓋于固體表面的是一層非極性的碳氫鏈基團，因而改變了固體表面的親水親油型，而且具有低能表面的特性。從而表現出許多優異的應用性能，如防水、抗粘、抗靜電和潤濕等。

陽離子表面活性劑在固/液界面上的吸附方式可能有以下幾種：

離子交換吸附，吸附于固體表面的正離子可能被陽離子表面活性劑取代。如圖4(a)所示；離子對吸附，陽離子表面活性離子吸附具有負電荷、未被占據的固體表面的位置上。如圖4(b)所示；色散力吸附，范德華引力中的色散力存在于所有分子之間，可發生在任何場合，對于完全疏水的固體表面，陽離子表面活性劑在其表面上的吸附主要靠色散力進行吸附，陽離子親水基朝向水相，疏水基朝向固體表面做定向排列；憎水作用吸附，吸附于固體表面的陽離子表面活性劑離子的親油基在水介質中易于相互聯結形成憎水鏈顯示疏水效應。

陽離子表面活性劑在固體表面上的吸附，主要發生在高能表面，這從能量觀點看是顯而易見的。一般在低能表面上沒有明顯的吸附作用。陽離子表面活性劑在固體表面上的吸附是高能表面向低能表面轉變的有效方法。

潤濕反轉劑的四大功能要求

由于環境法規以及鉆井成本的制約，油基鉆井液以及合成基鉆井液的使用受到嚴格的限制，常規的水基鉆井液又很容易引起鉆屑在鉆頭及BHA面上的吸附，當鉆屑從鉆井液中吸收水后，這種吸附作用會更加嚴重，甚至導致泥包鉆頭。然而，通過在水基鉆井液體系中加入潤濕性反轉表面活性劑就可以減少或消除鉆頭泥包這個技術難題。

由以上潤濕反轉原理分析可知，潤濕反轉表面活性劑必須具備如下功能：

（1）鉆井液中潤濕反轉表面活性劑添加量非常低。在整個鉆井液體系中處理劑的濃度一定低于它的臨界濃度，切削下來的鉆屑被懸浮于這種低濃度的鉆井液體系中，處理劑對巖屑表面有很強的吸附作用，但由于處理劑濃度非常低，處理劑在巖屑表面一定是以單分子層吸附的，當處理劑吸附到巖屑表面后，使巖屑表面潤濕性發生轉變，使巖屑由強的親水性轉變為親油，使其相互團聚以及在鉆頭、鉆具上的粘附力減弱，就不易在鉆頭以及BHA面上粘附形成鉆頭泥包；同時，鉆屑之間也減弱了相互之間的吸附，不再附聚成團沉積于井底導致鉆頭重復切削、破碎。

 （2）處理劑分子改變鉆頭及BHA表面潤濕性，并且該處理劑對金屬表面具備極強的定向吸附能力。在井底壓力作用下，這種定向吸附能力表現更強，能在金屬表面吸附成膜，該膜有極強的潤滑性和表面活性，能吸附鉆井液中的有機物分子使金屬表面形成憎水膜，極大的提高鉆頭及鉆具的潤滑性。

（3）改變巖石表面和孔隙內部潤濕性。當高壓的鉆井液高速噴射到巖層表面，由于巖石是水潤濕性的，水分子攜帶著處理劑部分鋪展在巖石表面，部分迅速向巖石孔隙滲透，致使巖石表面以及孔隙內部由正常的強水潤濕全部或部分轉變為油潤濕，接觸角增大，巖石的表面張力減小，因此由Young-Laplace方程可知：毛細管阻力降低，使鉆井液更加容易滲入鉆頭沖擊井底巖層時所形成的微裂縫中，能夠減小或消除巨大的壓持效應，從而有利于提高機械鉆速。

（4）處理劑還能夠有效的與井壁吸附，通過改變井壁巖石潤濕性。一方面可以阻止頁巖水化，從而提高井壁的穩定性；另一方面阻止鉆屑在井壁上的吸附，使起下鉆暢通。另外，處理劑分子要求具備活性基團，能有效吸附鉆井液中有機分子，提高了井壁的潤滑性，防止阻卡。