頁巖氣鉆井液技術進展研究

李宏勛

（大慶鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

頁巖氣具有儲量大，開發難度大的特點。目前，頁巖氣的商業開發已經在美國、英國和中國等多個國家實現。Devon能源公司在2002年即使用水平井鉆井技術開采了頁巖氣。目前，水平井鉆井技術已成為頁巖氣的主要開采方法。但是在頁巖中進行水平鉆井仍然是鉆井施工的重要技術難題。已有的研究結果表明：頁巖地層粘土礦物含量高、裂縫微裂縫發育、容易發生垮塌等事故。力學因素、化學因素和工程因素等多因素的共同作用導致了頁巖地層開發難度大、成本高。而鉆井液性能的好壞直接關系著頁巖氣水平井鉆井施工的成敗[1-3]。本文對不同鉆井液體系的特點進行了討論，以期為解決頁巖氣水平井的井壁失穩難題提供更多的方案。

1 油基鉆井液

國外頁巖氣水平井的開發仍然以油基鉆井液體系為主。在勘探開發早期主要使用柴油（白油）基鉆井液，后期為了滿足環保要求，礦物油基鉆井液和合成基鉆井液成為研究和應用的重點。

1.1 柴油（白油）基鉆井液

柴油基鉆井液的連續相是柴油或白油，其分散相為水，在體系中添加主乳化劑、輔助乳化劑、潤濕劑、降濾失劑、懸浮穩定劑、活度控制劑、堿度控制劑、封堵劑和加重劑等在一定條件下混配而成。該體系具有封堵能力強、失水低、井壁穩定效果好等特點，是早期頁巖氣開發的首選鉆井液體系。

1.2 礦物油基鉆井液

由于柴油為對陸地植物和海洋生物有劇毒，其巖屑也必須經過特殊處理才能排放，目前已經不滿足環保要求。而礦物油基鉆井液可以克服這一缺點，其毒性較低而且氣味較小，可滿足敏感地層的環境保護需求，但礦物油基鉆井液的成本遠高于水基鉆井液，這限制了其大規模應用。

1.3 合成基鉆井液

此外，為了避免環境污染問題，目前已經開發出合成基鉆井液，其各項性能已經達到傳統油基鉆井液的水平。合成基鉆井液在鉆探頁巖地層時具有巨大的優勢，其頁巖穩定性、潤滑性和抗污性均滿足了鉆探需求。合成基鉆井液的高成本和高性能使其在應用過程中成為需要重點考慮的問題。油基鉆井液對頁巖的微小裂縫有堵塞作用，但是在易漏失地層，一旦堵漏失敗，漏失帶來的經濟損失將非常巨大。

2 水基鉆井液

頁巖中長水平段施工過程中井壁的穩定性是鉆進過程中的重點和難點。頁巖地層的主要特點有：①地層水平段的崩塌壓力大于相同地層位置的垂直剖面的崩塌壓力（通常，水平井的坍塌壓力大于零，但直井可能等于零）；②如果鉆井液不能很好的抑制頁巖的水化膨脹會導致井壁失穩，而水平井會導致裸眼地層長時間浸泡，進一步加劇了這種影響；③鉆井液侵入了頁巖的裂縫，增加了坍塌壓力，并且鉆井液的密度越大該效應越顯著。其中①是力學因素，②和③是化學因素，井壁的穩定性取決于巖石力學和化學耦合的結果。目前頁巖氣水平井中已使用過多種類型的水基鉆井液。頁巖水平井鉆井中水基鉆井液需要考慮的主要因素有：頁巖穩定性、潤滑性和井眼清潔能力[4-5]。

2.1 多元醇鉆井液

多元醇是具有濁點作用的非離子聚合物。當井下溫度低于濁點溫度時多元醇會產生相分離，粘附在井壁上產生護壁作用。因此，多元醇鉆井液的儲保效果、潤滑和環保性能均較好。目前常用有機鹽多元醇鉆井液來解決井壁穩定問題。

2.2 陽離子乳化鉆井液

陽離子乳液鉆井液的特點是使用高分子量的陽離子乳液聚合物和納米乳化石蠟。由于陽離子乳液聚合物帶正電荷，具有很強的中和能力，聚合物鏈長，橋接效果好，正電荷可以和粘土顆粒表面的負電荷相結合來減少粘土的水化分散，從而提高粘土穩定性。陽離子乳化鉆井液的現場應用試驗表明，其粘土膨脹率小于8%，鉆井液的各項性能滿足了頁巖地層鉆井的需求，解決了井壁失穩和儲層破壞的問題，進一步縮短了鉆井周期，節省了鉆井液的成本。

2.3 鹽水聚合物鉆井液

聚合物鹽水鉆井液在減少頁巖地層的失穩過程中起著重要作用。貝克休斯公司開發了用于頁巖地層的Performax水基鉆井液體系，該體系可以有效抑制頁巖的水化作用，最大程度地減少泥包鉆頭，提高鉆井速度并符合HSE要求，可替代油基鉆井液。Performax體系中使用的MAX-SHIELD?是一種可變形的嵌段聚合物，可以封堵微孔和微裂縫，在鹽水體系中也有較好的效果。

2.4 甲基葡萄糖苷鉆井液

甲基葡糖苷鉆井液最大的特點是環保可降解，此外該體系具有可以和油基鉆井液媲美的潤滑性，在水平井鉆進時可以降低扭矩，防止壓差卡鉆。特別適用于定向井和大斜度井。甲基葡糖苷鉆井液已在墨西哥灣地區進行了應用，為解決井壁失穩問題提供了新途徑。

2.5 硅酸鹽鉆井液

硅酸鹽鉆井液的特點是其體系中含有一定量的無機硅酸鹽。該體系具有很強的抑制作用，具有無熒光、低成本和環保的特性，被認為是非常有前途的一種水基鉆井液。硅酸鹽鉆井液可以通過化學作用封堵微裂紋和微孔隙，從而保持井壁穩定。KCl/硅酸鹽鉆井液的現場應用表明：與臨井相比，KCl/硅酸鹽鉆井液具有較好的流變性和更低的濾失量，無論是總鉆井液成本還是每立方米的平均成本，均顯著低于其他鉆井液體系。

2.6 納米鉆井液

納米顆粒可以有效堵塞納米級孔縫，從而通過物理封堵來降低頁巖滲透性，目前納米二氧化硅材料已經可以滿足商業化應用，對其流變性、抗污染性、潤滑性、粘連效果、封堵性的測試，均顯示出良好的效果。在德克薩斯州進行的頁巖膜測試實驗結果表明，由于樣品中存在大裂紋，4%NaCl鹽水會在幾分鐘內迅速通過頁巖，但是納米鉆井液卻不能通過頁巖，當納米顆粒的含量為2%時，微孔隙可被物理堵塞。

2.7 定制鉆井液

由于不同頁巖地層具有不同的巖石特性，使用單一的鉆井液解決方案來解決全球范圍內的頁巖氣開發問題是不現實的。因此，通過對給定頁巖地層的具體情況進行詳細分析后對該類地層提供定制解決方案顯得尤為重要。這種分析不僅包括頁巖形態和巖性，還包括鉆井工程設計、環境因素和其他特殊儲層條件。

現場測試結果表明，定制的水性鉆井液具有更好的環境效益和經濟效益。

3 結論

（1）力學因素、化學因素和工程因素等多因素的共同作用導致了頁巖地層開發難度大、成本高。而鉆井液性能的好壞直接關系著頁巖氣水平井鉆井施工的成敗。

（2）國外大多數頁巖氣水平井的開發均使用油基鉆井液，因為油基鉆井液具有良好的井壁穩定性、抗溫性和潤滑性。

（3）經過不斷發展和完善水基鉆井液體系的各項性能已經逐步接近傳統的油基鉆井液。隨著環保法規的逐步嚴苛，水基鉆井液替代油基鉆井液的相關研究將進一步加大。

（4）頁巖氣水基鉆井液技術的關鍵之一是保持井壁穩定性并抑制頁巖水化膨脹，這也是所有水基鉆井液需要面對的難題。

（5）由于抑制性和封堵性的原因，現有的水基鉆井液體系只能滿足部分地層或區塊的鉆井需求。因此高效抑制劑以及封堵劑的研發應是下一步研究的重點和難點。