頁巖氣鉆井液技術進展研究

吳代國

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

我國具有豐富的頁巖氣資源，其中四川盆地的資源最為豐富[1]。近年來，隨著非常規油氣資源勘探開發的不斷深入，頁巖氣的鉆井作業越來越多。由于頁巖儲層的地形和井型趨于復雜，頁巖本身具有易水化膨脹、微裂縫發育等特性，導致在頁巖氣開采過程中，對鉆井液的抑制性、潤滑性、防塌封堵性等方面有更高的要求。本文分析了頁巖氣鉆井液的技術難點，調研了近幾年現場應用的油基鉆井液、水基鉆井液和納米封堵鉆井液的應用和進展情況，以期為國內頁巖鉆井液技術的發展提供參考。

1 頁巖氣鉆井液技術難點

頁巖氣儲層的蒙脫石、伊利石等粘土礦物含量通常較高，在鉆井過程中鉆井液中的自由水和粘土礦物接觸后易發生水化膨脹。其表面水化的膨脹壓力可達上百兆帕[2]，該值遠大于鉆井液的靜液柱壓力。因此，當靜液柱壓力無法抑制粘土礦物的水化膨脹后，不斷發生的表面水化會使頁巖強度降低并趨于分散，從而使井壁失穩。因此要求鉆井液具有較好的抑制性。

硬脆性頁巖通常微裂縫較為發育，甚至存在較大的斷層裂縫。由于頁巖氣井通常有較長的水平段，遇到微裂縫甚至大裂縫的可能性較大。鉆遇微裂縫時不斷侵入的水相會使粘土礦物發生層間水化膨脹進而使其剝落。鉆遇較大裂縫會造成鉆井液漏失。因此要求鉆井液有較好的封堵能力。

由于頁巖氣儲層的滲透率較低，需要采用水平井并配合大規模水力壓裂才能有效開采，而且水平段越長相應的開采儲層波及面積就越大，商業價值也越高，但摩阻和扭矩就更大，因此對鉆井液的潤滑性有較高的要求。此外，由于水平段較長，巖屑易因重力作用堆積形成巖屑床，因此對鉆井液的攜巖能力要求較高。

2 頁巖氣鉆井液技術進展

2.1 油基鉆井液

油基鉆井液的外相是油，而油本身的特性使其不會對頁巖產生水化作用，因此有較好的抑制性。此外油基鉆井液本身的潤滑特性也使其滿足了頁巖氣開采的要求。在北美開發的頁巖氣井中有70%使用油基鉆井液。

中石化在四川的涪陵區塊和渤海區塊成功使用了強封堵柴油基鉆井液進行了頁巖氣井的開采。其配方為：柴油+4%有機土+氯化鈣水溶液+3%～4%主乳化劑+1%～2%輔乳化劑+2%～3%潤濕劑+1.5%氧化鈣+3%～4%降濾失劑+2%～4%封堵劑。鉆井過程中井壁穩定，巖屑返出順利，無鉆井液原因造成的井下復雜事故，取得了良好的現場應用效果。

但油基鉆井液具有使用成本高、環保壓力大、鉆屑處理困難等問題。此外由于油基鉆井液的長期浸泡，井壁和套管表面形成了油膜，導致完井過程中濾餅難以清除，界面膠結強度低，固井質量差，從而影響了水力壓裂作業[3]。

2.2 水基鉆井液

隨著國內新環保法的實施，油基鉆井液的使用被大幅度限制，水基鉆井液的應用也成為研究的熱點。國內已開發出較為成熟的水基鉆井液體系，并在河南油田和邵通、威遠—長寧區塊取得成功應用。在河南的泌頁HF2井使用的配方為：4%膨潤土+0.2%碳酸鈉+3%SFT降濾失劑+2%高效抑制劑+1%CAG+1%封堵劑+0.6%SAM+2%CSMP+2%銨鹽+0.5%降粘劑+6%白油+2%高效潤滑劑。完鉆井深4439m，水平段1500m，鉆井施工順利，無井下復雜情況發生。在邵通區塊使用的高性能水基鉆井液，鉆井過程中鉆井液流變性好，抗溫能力強。與同區塊使用的油基鉆井液性能相當，無井下復雜情況發生。但在泌頁HF1井使用的水基鉆井液在鉆井施工過程中發生了較為嚴重井壁坍塌和泥包鉆頭等問題，說明水基鉆井液的使用仍有一定的局限性[4]。

哈里伯頓公司開發了一種高性能水基鉆井液，其主要特點是通過對預開采地層進行粘土礦物分析，優選適宜的處理劑，進行客戶化訂制。并在Haynesville、Fayetteville和Barnett頁巖氣井進行了成功應用[5]。

2.3 納米封堵鉆井液

由于頁巖地層通常富含微裂縫、細微裂縫，為納米級范疇，在鉆進過程中鉆井液因壓差作用濾液沿微裂縫、細微裂縫滲入地層，濾液延伸、水力尖劈和毛管效應等伴隨存在，微裂縫、細微裂縫延伸和次生，最終連通導致坍塌。而目前的鉆井液體系中的固相封堵顆粒多處于微米級范疇，無法對納米級裂縫進行有效封堵，因此只有在鉆井液體系中加入納米材料才能完成對地層的全尺寸封堵。

在威遠—長寧區塊采用油基鉆井液的開發過程中，在水平段產生了井壁剝落問題，并且鉆井液消耗量較大。分析認為，該區塊水平段鉆遇的主要是硬脆性頁巖，微裂縫發育，平均孔隙直徑在80nm左右，最大孔隙直徑為200nm。由于鉆井液密度較高（2.2g/cm3）導致大量液相侵入地層，造成伊利石分散和鉆井液損耗。在后續的幾十口井的鉆探過程中在鉆井液中加入粒徑為100nm左右的微納米封堵顆粒，取得了明顯的效果，減少了鉆井液漏失和井壁失穩情況的發生。中海油服研發的高效納米封堵劑Green-seal大大減少了東海NB區域的嚴重坍塌、起下鉆遇阻等井下復雜事故。說明納米材料能有效封堵頁巖地層的微裂縫和微孔隙。

貝克休斯公司也開發了商品名為MAXSHIELD（有機納米封堵劑）和NNANOSHIELD（有機/無機復合封堵劑）的納米封堵材料，并以之為核心形成了水基納米封堵鉆井液。在四川長寧頁巖氣區塊創造了機械鉆速最高（15.9m/h）、水平段鉆井周期最短(6d)的記錄。哈里伯頓公司開發一種使用納米封堵劑（NP）的鉆井液體系，在裸眼停留45d，井底溫度170℃的情況下鉆井液性能穩定，未發生復雜情況。進一步說明了納米材料具有很強的封堵作用。

3 結論與認識

（1）頁巖儲層易發生井下復雜的主要原因是粘土易水化膨脹和存在微裂縫，鉆井液體系的研發重點在于對頁巖地層的封堵和抑制。

（2）油基鉆井液具有良好的頁巖抑制性和潤滑性，但是隨著環保要求越來越嚴格，限制了其進一步的應用。高性能水基鉆井液的性能已經逐漸接近油基鉆井液，其環保和低成本的特性使其有望成為頁巖氣開發的首選，但如何進一步加強水基鉆井液對頁巖的抑制能力仍是攻關的重點。

（3）納米封堵材料的使用對頁巖地層的井壁穩定具有重要的幫助，有助于解決因泥頁巖微裂縫發育引起的井壁問題。

（4）為了在滿足開采需求的同時進一步降低開采成本、減少環境破壞，世界各地的鉆井液研究人員都在積極探索。我國的頁巖氣開采有著廣闊的前景，高性能鉆井液和納米封堵技術將發揮更重要的作用。