吳代國(guó)

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

我國(guó)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(guī)油氣資源勘探開發(fā)的不斷深入，頁巖氣的鉆井作業(yè)越來越多。由于頁巖儲(chǔ)層的地形和井型趨于復(fù)雜，頁巖本身具有易水化膨脹、微裂縫發(fā)育等特性，導(dǎo)致在頁巖氣開采過程中，對(duì)鉆井液的抑制性、潤(rùn)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(shù)難點(diǎn)，調(diào)研了近幾年現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的油基鉆井液、水基鉆井液和納米封堵鉆井液的應(yīng)用和進(jìn)展情況，以期為國(guó)內(nèi)頁巖鉆井液技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 頁巖氣鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

頁巖氣儲(chǔ)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(fā)生水化膨脹。其表面水化的膨脹壓力可達(dá)上百兆帕[2]，該值遠(yuǎn)大于鉆井液的靜液柱壓力。因此，當(dāng)靜液柱壓力無法抑制粘土礦物的水化膨脹后，不斷發(fā)生的表面水化會(huì)使頁巖強(qiáng)度降低并趨于分散，從而使井壁失穩(wěn)。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(fā)育，甚至存在較大的斷層裂縫。由于頁巖氣井通常有較長(zhǎng)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(shí)不斷侵入的水相會(huì)使粘土礦物發(fā)生層間水化膨脹進(jìn)而使其剝落。鉆遇較大裂縫會(huì)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(chǔ)層的滲透率較低，需要采用水平井并配合大規(guī)模水力壓裂才能有效開采，而且水平段越長(zhǎng)相應(yīng)的開采儲(chǔ)層波及面積就越大，商業(yè)價(jià)值也越高，但摩阻和扭矩就更大，因此對(duì)鉆井液的潤(rùn)滑性有較高的要求。此外，由于水平段較長(zhǎng)，巖屑易因重力作用堆積形成巖屑床，因此對(duì)鉆井液的攜巖能力要求較高。

2 頁巖氣鉆井液技術(shù)進(jìn)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(huì)對(duì)頁巖產(chǎn)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(rùn)滑特性也使其滿足了頁巖氣開采的要求。在北美開發(fā)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(qū)塊和渤海區(qū)塊成功使用了強(qiáng)封堵柴油基鉆井液進(jìn)行了頁巖氣井的開采。其配方為：柴油+4%有機(jī)土+氯化鈣水溶液+3%～4%主乳化劑+1%～2%輔乳化劑+2%～3%潤(rùn)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(wěn)定，巖屑返出順利，無鉆井液原因造成的井下復(fù)雜事故，取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

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

2.2 水基鉆井液

隨著國(guó)內(nèi)新環(huán)保法的實(shí)施，油基鉆井液的使用被大幅度限制，水基鉆井液的應(yīng)用也成為研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)已開發(fā)出較為成熟的水基鉆井液體系，并在河南油田和邵通、威遠(yuǎn)—長(zhǎng)寧區(qū)塊取得成功應(yīng)用。在河南的泌頁HF2井使用的配方為：4%膨潤(rùn)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(rùn)滑劑。完鉆井深4439m，水平段1500m，鉆井施工順利，無井下復(fù)雜情況發(fā)生。在邵通區(qū)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(qiáng)。與同區(qū)塊使用的油基鉆井液性能相當(dāng)，無井下復(fù)雜情況發(fā)生。但在泌頁HF1井使用的水基鉆井液在鉆井施工過程中發(fā)生了較為嚴(yán)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(fā)了一種高性能水基鉆井液，其主要特點(diǎn)是通過對(duì)預(yù)開采地層進(jìn)行粘土礦物分析，優(yōu)選適宜的處理劑，進(jìn)行客戶化訂制。并在Haynesville、Fayetteville和Barnett頁巖氣井進(jìn)行了成功應(yīng)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(xì)微裂縫，為納米級(jí)范疇，在鉆進(jìn)過程中鉆井液因壓差作用濾液沿微裂縫、細(xì)微裂縫滲入地層，濾液延伸、水力尖劈和毛管效應(yīng)等伴隨存在，微裂縫、細(xì)微裂縫延伸和次生，最終連通導(dǎo)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(jí)范疇，無法對(duì)納米級(jí)裂縫進(jìn)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(duì)地層的全尺寸封堵。

在威遠(yuǎn)—長(zhǎng)寧區(qū)塊采用油基鉆井液的開發(fā)過程中，在水平段產(chǎn)生了井壁剝落問題，并且鉆井液消耗量較大。分析認(rèn)為，該區(qū)塊水平段鉆遇的主要是硬脆性頁巖，微裂縫發(fā)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(dǎo)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(xù)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(wěn)情況的發(fā)生。中海油服研發(fā)的高效納米封堵劑Green-seal大大減少了東海NB區(qū)域的嚴(yán)重坍塌、起下鉆遇阻等井下復(fù)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(fā)了商品名為MAXSHIELD（有機(jī)納米封堵劑）和NNANOSHIELD（有機(jī)/無機(jī)復(fù)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(zhǎng)寧頁巖氣區(qū)塊創(chuàng)造了機(jī)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(fā)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(wěn)定，未發(fā)生復(fù)雜情況。進(jìn)一步說明了納米材料具有很強(qiáng)的封堵作用。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）頁巖儲(chǔ)層易發(fā)生井下復(fù)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(fā)重點(diǎn)在于對(duì)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(rùn)滑性，但是隨著環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。高性能水基鉆井液的性能已經(jīng)逐漸接近油基鉆井液，其環(huán)保和低成本的特性使其有望成為頁巖氣開發(fā)的首選，但如何進(jìn)一步加強(qiáng)水基鉆井液對(duì)頁巖的抑制能力仍是攻關(guān)的重點(diǎn)。

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

（4）為了在滿足開采需求的同時(shí)進(jìn)一步降低開采成本、減少環(huán)境破壞，世界各地的鉆井液研究人員都在積極探索。我國(guó)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(shù)將發(fā)揮更重要的作用。