李宏勛

（大慶鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

頁巖氣具有儲(chǔ)量大，開發(fā)難度大的特點(diǎn)。目前，頁巖氣的商業(yè)開發(fā)已經(jīng)在美國(guó)、英國(guó)和中國(guó)等多個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)。Devon能源公司在2002年即使用水平井鉆井技術(shù)開采了頁巖氣。目前，水平井鉆井技術(shù)已成為頁巖氣的主要開采方法。但是在頁巖中進(jìn)行水平鉆井仍然是鉆井施工的重要技術(shù)難題。已有的研究結(jié)果表明：頁巖地層粘土礦物含量高、裂縫微裂縫發(fā)育、容易發(fā)生垮塌等事故。力學(xué)因素、化學(xué)因素和工程因素等多因素的共同作用導(dǎo)致了頁巖地層開發(fā)難度大、成本高。而鉆井液性能的好壞直接關(guān)系著頁巖氣水平井鉆井施工的成敗[1-3]。本文對(duì)不同鉆井液體系的特點(diǎn)進(jìn)行了討論，以期為解決頁巖氣水平井的井壁失穩(wěn)難題提供更多的方案。

1 油基鉆井液

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

1.1 柴油（白油）基鉆井液

柴油基鉆井液的連續(xù)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(rùn)濕劑、降濾失劑、懸浮穩(wěn)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(qiáng)、失水低、井壁穩(wěn)定效果好等特點(diǎn)，是早期頁巖氣開發(fā)的首選鉆井液體系。

1.2 礦物油基鉆井液

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

1.3 合成基鉆井液

此外，為了避免環(huán)境污染問題，目前已經(jīng)開發(fā)出合成基鉆井液，其各項(xiàng)性能已經(jīng)達(dá)到傳統(tǒng)油基鉆井液的水平。合成基鉆井液在鉆探頁巖地層時(shí)具有巨大的優(yōu)勢(shì)，其頁巖穩(wěn)定性、潤(rùn)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(yīng)用過程中成為需要重點(diǎn)考慮的問題。油基鉆井液對(duì)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(jīng)濟(jì)損失將非常巨大。

2 水基鉆井液

頁巖中長(zhǎng)水平段施工過程中井壁的穩(wěn)定性是鉆進(jìn)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。頁巖地層的主要特點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，而水平井會(huì)導(dǎo)致裸眼地層長(zhǎng)時(shí)間浸泡，進(jìn)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(yīng)越顯著。其中①是力學(xué)因素，②和③是化學(xué)因素，井壁的穩(wěn)定性取決于巖石力學(xué)和化學(xué)耦合的結(jié)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(wěn)定性、潤(rùn)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(diǎn)作用的非離子聚合物。當(dāng)井下溫度低于濁點(diǎn)溫度時(shí)多元醇會(huì)產(chǎn)生相分離，粘附在井壁上產(chǎn)生護(hù)壁作用。因此，多元醇鉆井液的儲(chǔ)保效果、潤(rùn)滑和環(huán)保性能均較好。目前常用有機(jī)鹽多元醇鉆井液來解決井壁穩(wěn)定問題。

2.2 陽離子乳化鉆井液

陽離子乳液鉆井液的特點(diǎn)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(qiáng)的中和能力，聚合物鏈長(zhǎng)，橋接效果好，正電荷可以和粘土顆粒表面的負(fù)電荷相結(jié)合來減少粘土的水化分散，從而提高粘土穩(wěn)定性。陽離子乳化鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)表明，其粘土膨脹率小于8%，鉆井液的各項(xiàng)性能滿足了頁巖地層鉆井的需求，解決了井壁失穩(wěn)和儲(chǔ)層破壞的問題，進(jìn)一步縮短了鉆井周期，節(jié)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(wěn)過程中起著重要作用。貝克休斯公司開發(fā)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(diǎn)是環(huán)?？山到猓送庠擉w系具有可以和油基鉆井液媲美的潤(rùn)滑性，在水平井鉆進(jìn)時(shí)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(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，為解決井壁失穩(wěn)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(diǎn)是其體系中含有一定量的無機(jī)硅酸鹽。該體系具有很強(qiáng)的抑制作用，具有無熒光、低成本和環(huán)保的特性，被認(rèn)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(xué)作用封堵微裂紋和微孔隙，從而保持井壁穩(wěn)定。KCl/硅酸鹽鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(jí)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(jīng)可以滿足商業(yè)化應(yīng)用，對(duì)其流變性、抗污染性、潤(rùn)滑性、粘連效果、封堵性的測(cè)試，均顯示出良好的效果。在德克薩斯州進(jìn)行的頁巖膜測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于樣品中存在大裂紋，4%NaCl鹽水會(huì)在幾分鐘內(nèi)迅速通過頁巖，但是納米鉆井液卻不能通過頁巖，當(dāng)納米顆粒的含量為2%時(shí)，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(nèi)的頁巖氣開發(fā)問題是不現(xiàn)實(shí)的。因此，通過對(duì)給定頁巖地層的具體情況進(jìn)行詳細(xì)分析后對(duì)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(tài)和巖性，還包括鉆井工程設(shè)計(jì)、環(huán)境因素和其他特殊儲(chǔ)層條件。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，定制的水性鉆井液具有更好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

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

（2）國(guó)外大多數(shù)頁巖氣水平井的開發(fā)均使用油基鉆井液，因?yàn)橛突@井液具有良好的井壁穩(wěn)定性、抗溫性和潤(rùn)滑性。

（3）經(jīng)過不斷發(fā)展和完善水基鉆井液體系的各項(xiàng)性能已經(jīng)逐步接近傳統(tǒng)的油基鉆井液。隨著環(huán)保法規(guī)的逐步嚴(yán)苛，水基鉆井液替代油基鉆井液的相關(guān)研究將進(jìn)一步加大。

（4）頁巖氣水基鉆井液技術(shù)的關(guān)鍵之一是保持井壁穩(wěn)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(duì)的難題。

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