贾 佳，冯 雷，夏忠跃

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

0 引言

致密气作为非常规天然气的重要组成部分越来越受到重视，由于受气藏及技术条件的限制，需要进行低成本开发。中海油积极践行降本增效的号召，在山西临兴致密气区块逐步开展小井眼钻井试验，取得了不错效果，但是在钻井过程中，出现了钻头泥包和机械钻速慢的问题。为了进一步提高钻井作业效率，对临兴区块的地层特性、可钻性、岩石强度进行了分析研究，在此基础上，对钻头的布齿、后倾角、侧倾角等结构进行了优化设计。

1 地层研究

1.1 地层特性

临兴致密气区块地层泥岩、砂泥岩互层，这种地层容易吸水膨胀，极易粘结于钻头切削齿及钻头表面，频繁造成钻头泥包现象，严重影响机械钻速［1-3］。

临兴区块地层泥岩以黏土矿物为主，组成黏土矿物的基本单元为硅氧四面体和铝氧八面体，它们各自在平面上进行延伸，形成硅氧四面体片和铝氧八面体片，然后叠合在一起形成统一的晶层。当泥岩与钻井液接触时，在水力压差和化学势差的作用下，黏土颗粒表面的负电荷吸水膨胀，发生水化。形成机理主要有表面水化和渗透水化2种。

1）表面水化

表面水化引起体积膨胀75%以上，分直接水化和间接水化，示意图如图1所示。直接水化是H+和OH-离子通过氢键吸附水分子；而间接水化是通过阳离子间接吸附水分子。表面水化是1 nm范围内的黏土和水的相互作用，作用的力是层间分子的范德华引力、层面带负电荷和阳离子之间的静电引力、水分子与层面的水化能，其中起决定性作用的是水化能［4］。……