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破巖效果是重要的石油鉆井技術(shù)問題，它體現(xiàn)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(zhì)、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(fā)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(shù)，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(shè)計及現(xiàn)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(zhì)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(nèi)泥質(zhì)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(nèi)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(zhì)固相易吸附在鉆頭上。
工程技術(shù)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(nèi)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(huán)，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(shè)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(huán)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(zhuǎn)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(jié)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(shù)和潤濕反轉(zhuǎn)技術(shù)，減弱鉆屑在鉆頭上的吸附現(xiàn)象，解決鉆頭泥包問題。
工程技術(shù)減少鉆屑吸附
工程技術(shù)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(nèi)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(huán)，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(shè)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(xiàn)象，但受設(shè)備和工況的限制，不能無限的增大泵量。傳統(tǒng)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(xù)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(jié)構(gòu)參數(shù)上進行設(shè)計、優(yōu)化，在泵量一定的情況下，使鉆井液在切削刃前和水槽內(nèi)的流速盡量增大，其特殊外形結(jié)構(gòu)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(huán)鉆井液，清洗井眼，防止起鉆后滯留在井眼內(nèi)的鉆屑繼續(xù)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(fā)區(qū)，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(zhì)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(nèi)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(huán)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(zhuǎn)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(huán)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(huán)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(huán)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(zhuǎn)速、大排量鉆進；控制好機械鉆速或增加鉆井液循環(huán)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(zhuǎn)減少鉆屑吸附
所謂潤濕反轉(zhuǎn)，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(guī)律地排列，使巖石變?yōu)橛H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?yōu)橛H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?yōu)檎唬钡脚R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(zhuǎn)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(zhuǎn)變成弱親油時，巖石表面具憎水性。
潤濕反轉(zhuǎn)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(nèi)部大，這一界面現(xiàn)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(jié)構(gòu)，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(xiàn)出許多優(yōu)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(jù)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(fā)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(zhì)中易于相互聯(lián)結(jié)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(fā)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(zhuǎn)變的有效方法。
潤濕反轉(zhuǎn)劑的四大功能要求
由于環(huán)境法規(guī)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(guī)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(zhuǎn)表面活性劑就可以減少或消除鉆頭泥包這個技術(shù)難題。
由以上潤濕反轉(zhuǎn)原理分析可知，潤濕反轉(zhuǎn)表面活性劑必須具備如下功能：
（1）鉆井液中潤濕反轉(zhuǎn)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(fā)生轉(zhuǎn)變，使巖屑由強的親水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H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(xiàn)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(nèi)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(nèi)部由正常的強水潤濕全部或部分轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜐櫇?，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(wěn)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。
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