页岩气钻井液技术进展研究

李宏勋

（大庆钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

页岩气具有储量大，开发难度大的特点。目前，页岩气的商业开发已经在美国、英国和中国等多个国家实现。Devon能源公司在2002年即使用水平井钻井技术开采了页岩气。目前，水平井钻井技术已成为页岩气的主要开采方法。但是在页岩中进行水平钻井仍然是钻井施工的重要技术难题。已有的研究结果表明：页岩地层粘土矿物含量高、裂缝微裂缝发育、容易发生垮塌等事故。力学因素、化学因素和工程因素等多因素的共同作用导致了页岩地层开发难度大、成本高。而钻井液性能的好坏直接关系着页岩气水平井钻井施工的成败[1-3]。本文对不同钻井液体系的特点进行了讨论，以期为解决页岩气水平井的井壁失稳难题提供更多的方案。

1 油基钻井液

国外页岩气水平井的开发仍然以油基钻井液体系为主。在勘探开发早期主要使用柴油（白油）基钻井液，后期为了满足环保要求，矿物油基钻井液和合成基钻井液成为研究和应用的重点。

1.1 柴油（白油）基钻井液

柴油基钻井液的连续相是柴油或白油，其分散相为水，在体系中添加主乳化剂、辅助乳化剂、润湿剂、降滤失剂、悬浮稳定剂、活度控制剂、碱度控制剂、封堵剂和加重剂等在一定条件下混配而成。该体系具有封堵能力强、失水低、井壁稳定效果好等特点，是早期页岩气开发的首选钻井液体系。

1.2 矿物油基钻井液

由于柴油为对陆地植物和海洋生物有剧毒，其岩屑也必须经过特殊处理才能排放，目前已经不满足环保要求。而矿物油基钻井液可以克服这一缺点，其毒性较低而且气味较小，可满足敏感地层的环境保护需求，但矿物油基钻井液的成本远高于水基钻井液，这限制了其大规模应用。

1.3 合成基钻井液

此外，为了避免环境污染问题，目前已经开发出合成基钻井液，其各项性能已经达到传统油基钻井液的水平。合成基钻井液在钻探页岩地层时具有巨大的优势，其页岩稳定性、润滑性和抗污性均满足了钻探需求。合成基钻井液的高成本和高性能使其在应用过程中成为需要重点考虑的问题。油基钻井液对页岩的微小裂缝有堵塞作用，但是在易漏失地层，一旦堵漏失败，漏失带来的经济损失将非常巨大。

2 水基钻井液

页岩中长水平段施工过程中井壁的稳定性是钻进过程中的重点和难点。页岩地层的主要特点有：①地层水平段的崩塌压力大于相同地层位置的垂直剖面的崩塌压力（通常，水平井的坍塌压力大于零，但直井可能等于零）；②如果钻井液不能很好的抑制页岩的水化膨胀会导致井壁失稳，而水平井会导致裸眼地层长时间浸泡，进一步加剧了这种影响；③钻井液侵入了页岩的裂缝，增加了坍塌压力，并且钻井液的密度越大该效应越显著。其中①是力学因素，②和③是化学因素，井壁的稳定性取决于岩石力学和化学耦合的结果。目前页岩气水平井中已使用过多种类型的水基钻井液。页岩水平井钻井中水基钻井液需要考虑的主要因素有：页岩稳定性、润滑性和井眼清洁能力[4-5]。

2.1 多元醇钻井液

多元醇是具有浊点作用的非离子聚合物。当井下温度低于浊点温度时多元醇会产生相分离，粘附在井壁上产生护壁作用。因此，多元醇钻井液的储保效果、润滑和环保性能均较好。目前常用有机盐多元醇钻井液来解决井壁稳定问题。

2.2 阳离子乳化钻井液

阳离子乳液钻井液的特点是使用高分子量的阳离子乳液聚合物和纳米乳化石蜡。由于阳离子乳液聚合物带正电荷，具有很强的中和能力，聚合物链长，桥接效果好，正电荷可以和粘土颗粒表面的负电荷相结合来减少粘土的水化分散，从而提高粘土稳定性。阳离子乳化钻井液的现场应用试验表明，其粘土膨胀率小于8%，钻井液的各项性能满足了页岩地层钻井的需求，解决了井壁失稳和储层破坏的问题，进一步缩短了钻井周期，节省了钻井液的成本。

2.3 盐水聚合物钻井液

聚合物盐水钻井液在减少页岩地层的失稳过程中起着重要作用。贝克休斯公司开发了用于页岩地层的Performax水基钻井液体系，该体系可以有效抑制页岩的水化作用，最大程度地减少泥包钻头，提高钻井速度并符合HSE要求，可替代油基钻井液。Performax体系中使用的MAX-SHIELD™是一种可变形的嵌段聚合物，可以封堵微孔和微裂缝，在盐水体系中也有较好的效果。

2.4 甲基葡萄糖苷钻井液

甲基葡糖苷钻井液最大的特点是环保可降解，此外该体系具有可以和油基钻井液媲美的润滑性，在水平井钻进时可以降低扭矩，防止压差卡钻。特别适用于定向井和大斜度井。甲基葡糖苷钻井液已在墨西哥湾地区进行了应用，为解决井壁失稳问题提供了新途径。

2.5 硅酸盐钻井液

硅酸盐钻井液的特点是其体系中含有一定量的无机硅酸盐。该体系具有很强的抑制作用，具有无荧光、低成本和环保的特性，被认为是非常有前途的一种水基钻井液。硅酸盐钻井液可以通过化学作用封堵微裂纹和微孔隙，从而保持井壁稳定。KCl/硅酸盐钻井液的现场应用表明：与临井相比，KCl/硅酸盐钻井液具有较好的流变性和更低的滤失量，无论是总钻井液成本还是每立方米的平均成本，均显著低于其他钻井液体系。

2.6 纳米钻井液

纳米颗粒可以有效堵塞纳米级孔缝，从而通过物理封堵来降低页岩渗透性，目前纳米二氧化硅材料已经可以满足商业化应用，对其流变性、抗污染性、润滑性、粘连效果、封堵性的测试，均显示出良好的效果。在德克萨斯州进行的页岩膜测试实验结果表明，由于样品中存在大裂纹，4%NaCl盐水会在几分钟内迅速通过页岩，但是纳米钻井液却不能通过页岩，当纳米颗粒的含量为2%时，微孔隙可被物理堵塞。

2.7 定制钻井液

由于不同页岩地层具有不同的岩石特性，使用单一的钻井液解决方案来解决全球范围内的页岩气开发问题是不现实的。因此，通过对给定页岩地层的具体情况进行详细分析后对该类地层提供定制解决方案显得尤为重要。这种分析不仅包括页岩形态和岩性，还包括钻井工程设计、环境因素和其他特殊储层条件。

现场测试结果表明，定制的水性钻井液具有更好的环境效益和经济效益。

3 结论

（1）力学因素、化学因素和工程因素等多因素的共同作用导致了页岩地层开发难度大、成本高。而钻井液性能的好坏直接关系着页岩气水平井钻井施工的成败。

（2）国外大多数页岩气水平井的开发均使用油基钻井液，因为油基钻井液具有良好的井壁稳定性、抗温性和润滑性。

（3）经过不断发展和完善水基钻井液体系的各项性能已经逐步接近传统的油基钻井液。随着环保法规的逐步严苛，水基钻井液替代油基钻井液的相关研究将进一步加大。

（4）页岩气水基钻井液技术的关键之一是保持井壁稳定性并抑制页岩水化膨胀，这也是所有水基钻井液需要面对的难题。

（5）由于抑制性和封堵性的原因，现有的水基钻井液体系只能满足部分地层或区块的钻井需求。因此高效抑制剂以及封堵剂的研发应是下一步研究的重点和难点。