＊吳雪平

（中石化江漢石油工程有限公司鉆井一公司 湖北 433100）

頁巖氣是我國重要的資源，這也是一種天然氣資源，在頁巖氣開采過程中，相關(guān)技術(shù)人員沒有深入分析頁巖氣開發(fā)勘探工作的要點，再加上我國對于頁巖氣的研究時間比較短暫，在實際工作中存在較多的限制，因此很難順利開展日常工作，需要進一步提高頁巖氣開采水平，保障整體工作質(zhì)量。本文通過分析頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)的難點和選用選擇等方面，顯著提高整體工作質(zhì)量和安全性，高質(zhì)量的開展頁巖氣開發(fā)工作。

1.概述水平井鉆井液技術(shù)

在油氣資源勘探開發(fā)過程中水平井技術(shù)發(fā)揮著重要的作用，在80年代末為了提高勘探開發(fā)效益，世界各地的油氣公司開始建設(shè)水平井，通過提高生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，突出了水平井的優(yōu)勢，降低油田勘探開發(fā)成本，快速回收投入的資金，同時可以減少環(huán)境污染等問題。水平井在鉆井階段，傾斜角的變化值在0°～90°范圍內(nèi)，因此水平井和直徑鉆之間具有一定的差別，為了保護油氣層，需要嚴格選擇鉆井液，此外需要解決井眼凈化和井壁穩(wěn)定以及摩阻控制等問題。

(1)井眼凈化

在水平井鉆井過程中，井眼凈化屬于重要的一部分，如果無法保障井眼凈化效果，將會增加磨鉆和扭矩，還會發(fā)生卡鉆問題，不利于順利開展下套管和固井作業(yè)。

①井眼凈化的影響因素

A.傾斜角：增大井斜角之后，將會隨之增大環(huán)空巖屑濃度和臨界流速，因此降低清潔率。B.環(huán)空返速：環(huán)空返速的大小直接關(guān)系到環(huán)空巖屑的運移方式和環(huán)空巖屑的濃度，提高環(huán)空勻速之后，將會降低降低環(huán)空巖屑的濃度，改善井眼凈化情況。降低巖屑床厚度之后，在井眼的下側(cè)將會形成巖屑床。C.＜45°層流比紊流攜屑效果比較好，合理調(diào)整鉆井液流變性能，通過改變層流速度剖面平板程度，促使鉆井液處于環(huán)空平板型層流，以此改善井眼凈化效果。D.鉆井液密度：提高鉆井液密度之后有利于攜帶鉆屑。E.鉆柱尺寸：確定井身結(jié)構(gòu)，增大鉆桿尺寸之后，將會增加環(huán)空返速，有利于攜屑。F.轉(zhuǎn)速：鉆柱的旋轉(zhuǎn)可以攪動巖床，有利于去除床面的巖屑。轉(zhuǎn)動鉆柱可以控制偏心問題，優(yōu)化井眼凈化作用。提高轉(zhuǎn)速，避免鉆井液形成不流動層，也可以優(yōu)化井眼凈化效果。鉆柱不僅可以實現(xiàn)自轉(zhuǎn)，還可以在井眼周圍進行圓周運動，更好地攜帶巖屑。G.增大井斜角之后，鉆柱的偏心度直接影響到環(huán)空鉆屑。增大鉆柱偏心度之后，將會增大巖屑尺寸。

②技術(shù)措施

當(dāng)前在井眼清洗過程中通常是綜合利用機械清洗和水力清洗，為了提高水平井凈化水平，可以利用以下措施：A.合理提高環(huán)空返速。B.合理選擇流型和鉆井液流變參數(shù)。C.改變下部鉆具的組合。D.合理提高鉆井液的密度。E.合理轉(zhuǎn)動鉆具，或者在上下活動。F.控制鉆進的速度。

(2)井壁穩(wěn)定

在鉆井工程中，需要保障井壁穩(wěn)定性。出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定的情況主要是因為井壁承受的應(yīng)力比較大，因此破壞了巖石，在井眼開鉆之前，上覆地層壓力和水平地應(yīng)力以及地層孔隙壓力的共同作用下，可以保持地下巖石的平衡狀態(tài)，鉆開井眼之后，井筒鉆井液柱壓力可以支撐井壁，將會重新分布井壁周圍的應(yīng)力，如果井筒液柱壓力比較小，那么井壁的應(yīng)力將會超過巖石強度，因此破壞井壁四周的巖石。

為了保障井壁穩(wěn)定性，首先需要保障鉆井液密度的合理性，鉆井液密度大于地層坍塌壓力，同時要小于地層破裂壓力。其次需要優(yōu)化設(shè)計井身剖面，合理選擇鉆井方位，利用小曲率半徑的井身剖面。再次根據(jù)地層特征合理選擇鉆井液的類型，保障選擇的鉆井液具備抑制性和封堵性。最后需要合理確定環(huán)空返率，避免沖蝕井壁。

(3)摩阻控制

在重力的影響下，將會增加鉆具和井壁的接觸面積，因此增加了鉆具摩擦阻力和旋轉(zhuǎn)鉆具的扭矩。因此在水平鉆過程中很容易發(fā)生卡鉆問題。一方面需要優(yōu)化設(shè)計水平井鉆井結(jié)構(gòu)和井身剖面。計算各種井身結(jié)構(gòu)和井身剖面的摩阻，不僅需要降低摩阻和扭矩，還要減少拐彎井段。另一方面需要優(yōu)選鉆具結(jié)構(gòu)，在大斜度和水平井段需要利用倒置總成。此外需要優(yōu)選鉆井液類型和配方，有效降低鉆井液的濾失量和潤滑系數(shù)等，提高泥餅的質(zhì)量。同時優(yōu)化環(huán)空返速和流型以及鉆井液流變性能，保障井眼的凈化效果，有效降低環(huán)空鉆屑的濃度和厚度等。

2.概述頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)的難點

頁巖氣水平井鉆井過程中，需要不斷提高鉆井施工效率。解決頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)各種難點問題，利用科學(xué)的技術(shù)完善鉆井液體系，順利實現(xiàn)預(yù)期工作目標，提高整體施工質(zhì)量，滿足頁巖氣開發(fā)需求。因為頁巖氣具有致密性，因此在頁巖氣水平井鉆井施工中，需要綜合分析鉆井液的技術(shù)難點，提高鉆井施工的安全性。

(1)井壁穩(wěn)定性問題

使用頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)之前，工作人員需要分析頁巖氣開發(fā)中存在的問題，明確后續(xù)施工方向，保障整體工作質(zhì)量。在頁巖氣開發(fā)過程中，井眼環(huán)境非常復(fù)雜，這是因為井壁缺乏穩(wěn)定性，因此在使用頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)的過程中存在一些問題。分析頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)，在實際應(yīng)用階段底層裂縫和地底層面相互作用，明顯地改變了頁巖氣的壓力和強度，因此影響到井壁和頁巖氣穩(wěn)定性，為了優(yōu)化技術(shù)使用質(zhì)量，需要分析問題發(fā)生的原因：①井壁和土層之間產(chǎn)生縫隙，縫隙壓力具有較大的影響力，液體和頁巖氣之間產(chǎn)生作用力，改變地底黏土層的膨脹應(yīng)力和水化應(yīng)力。改變力之后在地層之間將會流入液體，頁巖氣和水之間會產(chǎn)生反應(yīng)，整體結(jié)構(gòu)因此發(fā)生膨脹問題，逐步擴大張力，將會影響到井壁的穩(wěn)定性。②為了減少水化應(yīng)力，將會降低整體張力，進而影響到頁巖氣的泥層，降低整體收縮質(zhì)量，最終降低井壁的穩(wěn)定性。③因為頁巖氣具有滲透性，當(dāng)過濾液流入到頁巖氣當(dāng)中，需要耗費幾天的時間才可以平衡井壁孔隙壓力和鉆井液壓力，但是長時間地滲入液體將會影響到鉆井液液柱壓力的支撐效果，最終無法提高井壁穩(wěn)定性。

(2)高模組和高扭矩的問題

在淺層位移較大部位施工過程中，因為鉆井定向段具有較高的傾斜度，因此在實際工作中將會面臨小臺階問題，因此降低測量結(jié)果的精確度，還會降低鍵槽質(zhì)量。在水平井段鉆孔施工中，在定向槽中滑動鉆井工具，在向底層鉆進階段，井壁和鉆具之間將會產(chǎn)生摩擦力，因此增大鉆頭實際扭矩，從而提高了鉆井液潤滑要求，因此降低摩擦阻力。此外水平井靜電曲率比較大，套管重力影響較小，再加上水平段距離較長，在外部摩擦阻力的影響下，將會導(dǎo)致鉆井連接部位產(chǎn)生卡頓問題，因此在鉆井過程中需要優(yōu)化鉆井液使用效果，因此提高頁巖氣水平井鉆井質(zhì)量。

(3)巖屑清除問題

在水平井的傾斜段，因為傾斜度的變化比較大，在清潔過程中，井眼部位清潔難度比較大，再加上巖屑重力的影響，很容易發(fā)生頁巖坍塌問題，嚴重阻礙井眼清潔工作。此外因為井眼空間比較小，同時具有較高的泵壓，在低排量階段很容易產(chǎn)生屑床，因此增加施工摩擦力，所以要求鉆井液具有更高的攜巖能力，此外還要具備流變性和清潔能力。

3.頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)的選用原則

某區(qū)塊頁巖氣儲層區(qū)塊的埋深在4000m以上，頁巖氣總量約為1.79×1012m3，開發(fā)區(qū)總面積為4698km2。該區(qū)塊頁巖氣儲層主要包括黑色和灰色的炭質(zhì)泥頁巖，儲層發(fā)育結(jié)構(gòu)為水平層理，厚度處于35m～45m范圍內(nèi)。埋深呈現(xiàn)出西北淺、東南深的特征，西北和東南的埋深具有較大的差異性。因為氣藏埋深差異性比較大，因此該區(qū)域低沉壓力系數(shù)也具有較大的差異性。滲透率最高達到217.7mD，部分層段在0.001mD以內(nèi)，因此該區(qū)域頁巖氣儲層具有較低的滲透率，故而在實際開采中選用水平井技術(shù)。

使用頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)，需要具備完善的鉆井液體系，同時需要保障井壁穩(wěn)定性，提高頁巖氣水平井鉆井液施工質(zhì)量，順利勘探開發(fā)頁巖氣。因此相關(guān)工作人員遵守頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)的選用原則，從而顯著提高頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)質(zhì)量。

(1)在低滲透性頁巖中選用

在頁巖氣水平井鉆井液施工過程中，為了避免漏失鉆井液，并且提高整體施工效率，在低滲透性的頁巖鉆井施工中，選擇的水基鉆井液要具備較低的活度，在利用頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)的過程中，可以減少地層中的滲水量。避免因為滲入水量污染頁巖氣層。因為在低滲透性頁巖中，鉆井液活度要低于空氣活度，在空隙中滲透回流液體之后達到平衡狀態(tài)，水體流動將會降低水化速度，同時會提高空氣壓力，并且會提高地層強度和井壁應(yīng)力。利用這種方式可以提高井眼的穩(wěn)定性，可以利用高礦化度的聚合物鉆井液和氯化鈣鉆井液，降低鉆井液的活性，頁巖和鉆井液的相互壓力因此降低。此外可以利用包含甲酸鉀氯化鈣和氯離子的鹽溶液，利用頁巖脫水空氣壓力，同時發(fā)揮出井壁區(qū)域的化學(xué)變化，來提高鉆井過程的穩(wěn)定性，保障整體鉆井質(zhì)量。

(2)在發(fā)育程度較大的頁巖中利用

高滲透性頁巖通常具有較大的裂縫，同時具有較高的發(fā)育程度，在實際鉆孔階段需要利用封堵劑封堵裂縫。在原始地層中發(fā)生壓力問題，將會產(chǎn)生很多的破碎頁巖，通過利用低活度水鉆井液，也不利于提高施工的穩(wěn)定性?？梢院侠硖岣邽V液粘稠度，也可以利用密封方式促進滲透回流，因此降低頁巖滲透率，從而控制水體傳導(dǎo)率。選擇低分子量的增稠劑，例如可以利用甲基葡萄糖或者氯化鈣等，可以降低鉆孔水體傳導(dǎo)率，可以選用具備鋁聚合醇的鉆井液，或者封堵劑處理頁巖空隙，提高頁巖表面質(zhì)量，因此降低整體滲透率，提高頁巖的穩(wěn)定性。選用觸變性鉆井液和低濃度鉆井液，可以輔助鉆井液更好地穿透鉆孔縫隙。

(3)選用油基鉆井液

因為油基鉆井液可以提高頁巖毛細管的壓力，同時可以避免鉆井液侵蝕頁巖，因此選用油基鉆井液和合成基鉆井液，有利于提高鉆井內(nèi)部的穩(wěn)定性。通過利用油基鉆井液可以有效處理鉆井內(nèi)部的裂縫問題和發(fā)育不良頁巖層，在這一階段需要持續(xù)性地優(yōu)化封堵效果，避免液體進入到地層結(jié)構(gòu)中而堵塞壓力傳輸通道。為了提高頁巖氣水平面的穩(wěn)定性，工作人員需要完善油基鉆井液體系，因為油基鉆井液具有潤滑和防卡等功能，在鉆井過程中發(fā)揮著重要的作用。油基鉆井液具有抗高溫性，可以保障井壁穩(wěn)定性，避免發(fā)生井壁坍塌事故，因為油基鉆井液具有顯著的潤滑性能，因此對比其他鉆井液，油基鉆井液對于油氣層的損害比較小，可以滿足高溫升井的工作要求。在深井鉆井施工中廣泛利用油基鉆井液，但是油基鉆井液也存在不足之處，例如整體切力比較小，同時具有較大的濾失量。在配制油基水泥漿的過程中，需要消耗較高的成本，因此增加了施工技術(shù)應(yīng)用成本，不僅會影響到周圍環(huán)境，還會降低機械鉆速，不利于實現(xiàn)快速鉆井目標。為了避免向地層中滲入鉆井液，技術(shù)人員選擇油基鉆井液的過程中，需要加強控制污染問題，實現(xiàn)鉆井工作的綠色環(huán)保目標，促進我國社會建設(shè)發(fā)展。在利用頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)的過程中，要注意防控卡鉆問題，降低井壁坍塌問題的發(fā)生率。通過深入研發(fā)頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)，其中乳化鉆井液的基礎(chǔ)為油，在實際工作中利用可以降低鉆井事故的發(fā)生率，提高鉆井過程的安全性，同時可以實現(xiàn)經(jīng)濟適用性原則。在頁巖氣水平井鉆探施工中利用乳化鉆井液，可以提高整體施工效率和質(zhì)量。以下是油基鉆井液具體類型：

①柴油基鉆井液

柴油基鉆井液的連續(xù)相主要是柴油或者白油，水是柴油基鉆井液的分散相，在整個體系中加入乳化劑和濕潤劑以及降濾失劑等，可以發(fā)揮出封堵效果，同時可以降低失水性，保證井壁穩(wěn)定性，因此在早期頁巖氣開發(fā)中主要是利用柴油基鉆井液。

②礦物有機鉆井液

因為柴油會污染陸地植物和海洋生物，需要特殊處理巖屑之后才可以排放，但是無法滿足環(huán)保要求，而利用礦物油基鉆井液可以克服上述缺陷，整體毒性較低，同時不會產(chǎn)生較大的氣味，可以有效保護敏感地層的環(huán)境，但是礦物油基鉆井液具有較高的成本，因此限制了礦物油基鉆井液的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

③合成基鉆井液

為了控制環(huán)境污染問題，已經(jīng)開發(fā)出合成基鉆井液。在鉆探頁巖地層的過程中，合成基鉆井液具有顯著的優(yōu)勢，可以保障頁巖穩(wěn)定性和潤滑性以及抗污染。但是合成基鉆井液具有較高的成本，在堵塞頁巖微小裂縫的過程中適合利用油基鉆井液，但是在容易漏失的地層如果堵漏失敗，將會引發(fā)巨大的經(jīng)濟損失。

(4)選用水基鉆井液

針對水基鉆井液具有更加顯著的應(yīng)用效果，避免在滑動轉(zhuǎn)型中出現(xiàn)脫壓問題，因此在實際工作中可以推廣用這種鉆井液。下文分析了新型水基鉆井液的性能。

①不同密度新型水基鉆井液的性能

多碳醇會降低頁巖表面的自由能，抑制頁面表面水化速度，同時可以改善頁巖的濕潤度，提高整體頁巖的疏水性，顯著降低頁巖水化膨脹分散性，提高頁巖抗壓強度?；腔癁r青鉀鹽可以豐富頁巖裂縫。利用多碳醇和磺化瀝青鉀鹽作為處理劑，并且配合利用降濾失劑和潤滑劑等，可以形成新型水基鉆井液體系。增加鉆井液密度之后，將會提高鉆井液的黏度，這一階段將會稍微增大中壓和高壓濾失量，但是利用不同密度的新型水基鉆井液仍舊可以達到顯著的流變性，可以減少濾液進入到頁巖氣地層中，提高頁巖氣地層井壁的穩(wěn)定性。

②抑制頁巖水化膨脹性能

利用新型水基鉆井液，頁巖的膨脹率將會接近油基鉆井液膨脹率，說明新型水基鉆井液和油基鉆井液的抑制性能十分相近。

(5)選擇鉆井液體系

選擇鉆井液體系的過程中，可以利用強制性的水基鉆井液，可以提高水平鉆井工作的穩(wěn)定性和潤滑性。在利用水基鉆井液的過程中，可以提高鉆井井壁的穩(wěn)定性，同時可以發(fā)揮出顯著抑制作用和封堵作用。針對抑制性工作層面，通過降低鉆井液濾液，可以提高頁巖的穩(wěn)定性，任何類型的頁巖都可以利用高粘度的鉆井液，也可以利用鉆孔封堵方式降低鉆井液的滲透率。如果頁巖的滲透性比較低，可以利用低活度的鉆井液，有效控制橫向水流動，此外利用低活度水基鉆井液可以有效處理頁巖裂縫問題，但是在后續(xù)工作中需要強化封堵工作。此外提高鉆井液的潤滑度，可以降低鉆井摩阻，同時可以保護鉆井液。

在頁巖氣勘探開發(fā)過程中，技術(shù)人員需要選擇最佳的鉆井液體系，并且要注意分析油基鉆井液，進一步提高頁巖氣水平井鉆井液施工效率，及時定位最佳開發(fā)區(qū)域，針對以往工作中發(fā)現(xiàn)的問題，需要采取合理的措施，改善頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)應(yīng)用中的技術(shù)難點，顯著地縮短頁巖氣水平井鉆井液工期。同時需要逐步完善施工工序程序，進一步提高頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)質(zhì)量，更加快速地開發(fā)頁巖氣。

4.結(jié)束語

本文主要分析了頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)的難點及選用原則，可以對于實際工作起到參考作用，促使工作人員合理選擇頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)，提高頁巖氣水平井鉆井工作質(zhì)量和效率。