国内页岩气水基钻井液研究与进展

全磊，周书胜，韩银府，严锐

（1.江汉石油工程有限公司钻井二公司，湖北 潜江 433123；2.荆州嘉华科技有限公司，湖北 荆州 434000）

页岩气是赋存于泥页岩裂缝、基质孔隙中的非常规天然气，在中国川东、川南、鄂西等地存在丰富的页岩气，页岩气藏具有埋深浅、黏土含量高、储量大、渗透率低的特点[1]。目前四川长宁、河南中牟、重庆涪陵、云南昭通等地均已对页岩气进行了开采，油基钻井液用于页岩气钻采过程中，虽然油基钻井液具有很好的护壁防塌、润滑防卡效果[2]，但考虑到环保友好性、成本经济性两大问题，很大程度限制了其使用[3]。因此开展高性能、低成本、环境友好型水基钻井液技术日趋迫切，国内油田相关科研所、石油高等院校以及油田服务企业相继展开了大量水基钻井液技术研究，并取得显著的成果，但仍与国外钻井液技术存在一定的差距[4]。本文阐述了页岩气开发过程的钻井难点，水基钻井液重要处理剂研究进展以及水基钻井液应用现状，为页岩气水基钻井液技术优化提供借鉴。

1 页岩气水基钻井液难点及对策

1.1 井壁稳定技术

页岩地层中的黏土矿物含量（蒙脱石）相对含量、绝对含量均很高，再加上页岩地层微裂缝较为发育，水基钻井液滤液易沿着微裂缝、孔隙渗入地层，与页岩地层中的黏土矿物发生水化作用[5]，破坏缝间胶结物，并产生膨胀压力，破坏了井壁应力平衡[6]。由于水基钻井液滤失量对比油基钻井液而言较大，裂缝渗流作用使滤液进入孔隙中，造成井壁孔隙压力增大，弱化了水基钻井液对井壁的有效支撑，易造成井壁失稳；若提高水基钻井液密度，虽有利于水基钻井液对井壁的支撑作用，但易造成井漏。对于上述问题，应加入高性能抑制剂、封堵剂，作用为抑制蒙脱石水化膨胀、降低钻井液滤失量，封堵粘结微裂缝，提高井壁稳定性。

胺类抑制剂作为最为常见的页岩地层抑制剂之一[7-9]，近年来，国内展开了大量胺类抑制剂研究工作，由于胺基特有化学性质，可通过氢键作用加强对黏土片层的束缚，吸附在黏土片层表面，阻止水分子与黏土矿物发生水化作用[10]。另外，胺类抑制剂中含有带正电的铵离子，由于黏土在水中通常带负电，带正电的铵离子可通过静电作用、氢键作用力吸附在黏土表面[11]，从而达到抑制黏土水化的作用。对于强水化分散的页岩而言，常采用胺类抑制剂与纳米材料复配，提高其抑制性能，纳米材料具有颗粒小、活性高、吸附能力强的特点，目前在各油田应用均受好评，页岩地层微裂缝和层理较为发育，其大小为1～50 μm，纳米材料堵塞页岩地层孔隙，并在孔喉中起到桥梁作用，有效地阻止压力传递，显著地抑制页岩的膨胀。在温度、压力作用下，封堵剂进入井壁的微裂缝、孔隙中，由于束缚作用封堵剂与黏土颗粒连续在一起，防止孔隙压力传递、井壁进一步崩解，封堵剂常与降失水剂复配使用，形成致密封堵层，黏度微裂缝，提高井壁的稳定性[12]。

1.2 润滑减阻技术

为了提高页岩气开采效率，页岩气井采用水平井、开发模式，水平段长超过2 000 m，随着井斜、水平位移的增加以及重力作用下，钻具与井壁、套管的接触面增大，使摩擦力增大，易出现憋压、蹩扭矩等情况[13]。针对上述问题，解决水基钻井液钻进过程中钻井扭矩和钻具磨损问题的手段就是加入润滑剂[14],常见的高效、环保性润滑剂是由植物油、表面活性剂复配而制，在钻具、套管金属表面产生物理、化学吸附，降低钻具与井壁、套管的摩擦力，减少憋压、蹩扭矩的现象[15]。

1.3 井眼清化技术

随着井斜角、水平位移增大，井眼净化能力降低，易造成岩屑床的形成，导致起下钻阻卡、钻进效率降低。井斜角为60°左右时，井眼净化效率是最低的；当井斜角大于60°时，钻屑流动的方向改变使钻屑易靠井壁滑落[16],钻井周期较大时，使钻具与井壁、套管反复研磨钻屑变细，导致水基钻井液的固相含量增大，影响水基钻井液性能恶化。提高动塑比可使井眼净化效率增大，动塑比越大，流速剖面平板化程度越大[17]。平板型层流降低井眼环空中岩屑转动概率，有利于钻井液在低排量、低返速条件下实现高效携岩，保持井眼清洁。

2 页岩气水基钻井液研究与应用

水基钻井液被广泛地应用于各油田页岩气地层，根据页岩气地层特点对水基钻井液提出性能要求，为解决黏土水化效应、井眼净化、井壁失稳的难题，目前页岩气水基钻井液可大致分为以下两类。

2.1 强抑制型水基钻井液

闫丽丽[18]等人针对滇黔北昭通国家级页岩气示范区黄金坝目的层，根据页岩气地层特点研制了一种强抑制剂FTYZ-1，对比其他常规抑制剂（如聚合醇），FTYZ-1对现场露头页岩抑制性能强，露头页岩膨胀率只有3.5%，且岩屑回收率高达96%，用其配制的水基钻井液与2015年应用于YS108H4-2井三开水平井段，井径扩大率小于6%，无掉块，钻井周期比设计周期提前10天，水平段长达1 670 m。何振奎[19]针对泌页2HF井定向段页岩特点，采用聚胺NH-1抑制剂配制水基钻井液抑制性能强，抑制了泥页岩水化造浆，黏度控制较低，没有发生泥包现象，没有发生井壁坍塌问题，缩短了斜井段钻井周期，井径扩大率仅为2.17%。邓虹[20]等研究一套适用于深层页岩气储层的高效水基钻井液体系，采用1.0%复合抑制剂HMYJ-1与其他处理剂配制而成，在实验温度为140 ℃，采用目标区块储层龙马溪组页岩评价复合抑制剂HMYJ-1的抑制性能，其滚动回收率能达到98.5%,该抑制剂中含有大量的阳离子吸附基团，由于黏土颗粒表现出负电，可通过静电作用、氢键作用吸附在黏土颗粒表面，使黏土表面的静电斥力变小，达到黏土矿物水化膨胀的目的。龙马溪组页岩在由复合抑制剂HMYJ-1配制的水基钻井液中的膨胀量极小，足以说明该体系抑制性能优异，并在涪陵地区某深层页岩气井进行了成功应用，钻井过程中，该体系性能稳定，未出现井壁失稳、起下钻困难的复杂情况，作业过程顺利，满足深层页岩气井现场施工要求。李强[21]成功优化出一种新型胺基抑制剂，该抑制剂作用机理不同于其他抑制剂，由于其分子具有静电引力、锚固作用和疏水作用能有效地抑制黏土分散，由其配制的水基钻井液性能稳定、抑制性能强，成功地应用于在兴古7-HX7井，钻进时，井眼扩大率较小，井眼较为规则，起下钻摩阻小，未出现复杂情况，为后续类似井的开采提供了更好的选择。另外有些抑制黏土矿物水化膨胀的手段有所不同，但都是起到抑制作用，如通过加入无机盐（KCl）、有机盐（甲酸钾、甲酸钠）降低水基钻井液滤液的活度，提高半透膜的工作效率，达到抑制黏土水化膨胀的作用。刘伟[22]通过加入有机钾盐改变渗透压，该技术成功应用于三开马溪组井段，钻进时，起下钻通畅，无明显掉块，钻井液性能稳定，无增稠现场。

2.2 强封堵型水基钻井液

长宁-昭通区块页岩气水平井由于页岩地层微裂缝发育，在钻进过程中，易出现掉块卡钻、起下钻遇阻的现象。龙大清[23]等根据该井的地质特点，引进国外封堵防塌处理剂配制成强封堵水基钻井液，并在长宁H9中3口井成功应用，钻进过程中，无掉块现象，转换时返砂情况为极少量掉块，井眼较为稳定。宣页1井是中石化华东分公司部署在安徽宣城-桐庐区块的第一口页岩气井，该井地层主要为泥页岩地层，由于地层倾角大且变化也大，造成钻井过程中出现井斜现象，这些因素易造成井壁失稳，要求钻井液具有良好护壁性能。袁明进[24]研究一套正电胶聚合物防塌钻井液体系，在宣页1井现场使用过程中，井壁稳定，全井段施工过程均无出现掉块、卡钻现象。且该体系性能稳定，维护工作量小。庄庆佐[25]等采用2-甲基咪唑、氮丙啶、六水合硝酸锌、乙二胺为原料合成封堵剂MOF，该封堵剂具备良好的封堵性以及与不同体系均有良好的配伍性。

3 结束语

由于石油天然气资源的匮乏，探索如何提高页岩气钻采效率这一课题值得进一步研究，当考虑到环保友好性、成本经济性，提高页岩气水基钻井液技术意义重大。针对页岩气开发过程的钻井难点，页岩气水基钻井液技术得到显著地发展，但对于复杂井，该技术有待进一步提高。以下几个方面需要重大投入研究：对于高温、长水平井，需要研制抗高温、性能优异的润滑剂，目前多数润滑剂分子中含有醚键、酯基，此类基团易吸附在钻具、套管上，具有极好的润滑性能，但高温条件下易分解断裂、失效；针对井壁稳定问题，需研制既具备抑制性能，同时具备封堵性能的一体化处理剂，避免配伍性的影响。