页岩气钻井液技术发展方向

王道勇，高 阳，谭千竹

(1. 中国石油川庆钻探工程公司 钻井液技术服务公司，四川 成都 610056； 2. 成都理工大学 材料与化学化工学院，四川 成都 610059)



页岩气钻井液技术发展方向

王道勇1,2，高 阳1，谭千竹1

(1. 中国石油川庆钻探工程公司 钻井液技术服务公司，四川 成都 610056； 2. 成都理工大学 材料与化学化工学院，四川 成都 610059)

钻井液是钻井的“血液”，是页岩气勘探开发的关键环节。开展页岩气钻井液技术攻关是实现页岩气绿色可持续发展的必要条件。但页岩气钻井液技术如何发展，国内外鲜有报道。针对我国页岩气勘探开发现状，总结国内外经验，重点从低成本、绿色环保、保护储层等方面分析了页岩气钻井液技术发展方向，以期加快页岩气钻井液技术发展，为页岩气勘探开发提供有力保障。

页岩气；钻井液；发展方向

天然气作为一种清洁能源，世界范围内对天然气的需求呈快速上升趋势，中国也不例外。为应对不断上升的天然气消费需求，2012年国家发布了《页岩气发展规划(2011-2015)》，明确要求推进页岩气等非常规油气资源开发利用，缓解我国天然气供需矛盾。2016年5月，川南页岩气勘查开发试验区正式启动，规划到2025年，页岩气产能建设与2020年相比，至少要翻一番，页岩气的勘探开发迎来了历史性的机遇。虽然威远、长宁—昭通、涪陵页岩气示范区均投入了大规模商业化开采，但我国页岩气资源调查与勘探开发整体上仍处于探索起步阶段，与国外相比差距较大。

1 页岩气钻井液技术难点

从目前页岩气勘探开发来看，页岩气地层层理发育、强度低、脆性大、易发生应力性失稳垮塌，且高活性泥页岩水化分散极易引起钻井液中黏土含量上升，导致泥饼虚厚、钻井液黏切升高、流变性难以控制，研究一种适用于页岩气勘探开发的钻井液体系迫在眉睫。传统的强抑制性水基钻井液难以应用于长水平段页岩气开发，国内外较为成熟的技术是采用油基钻井液，但是开发一种高效水基钻井液已成为国内外研究热点。

2 页岩气钻井液技术发展方向分析

2.1低成本

页岩气是一种非常规天然气，主要吸附或游离在赋存于富有机质的页岩及其夹层中。但页岩储层渗透率低，单井产量低，资金回报率慢，加之国内页岩气开采技术不成熟，开采难度大且开采成本远远高于常规油气。为加快页岩气勘探开发，中央财政对页岩气开采给予一定补贴，“十二五”期间的补贴标准为0.4元/m3。但该标准并非一成不变，将会根据页岩气产业发展情况及时调整。地方财政也可对页岩气勘探开发给予适当补贴，补贴办法各地不尽相同。虽然“十三五”期间，中央财政仍将对页岩气开采进行补贴，但补贴力度逐步削减，具体从2016年的0.3元/m3下降到2020年的0.2元/m3。

国际油价自2014年出现断崖式下跌以来，持续在低位震荡，建设方纷纷控制上游投资应对低油价挑战。据不完全统计，2015年全球百余家石油企业上游投资比2014年减少25%，预计2016年将继续减少，短期内也难有改观，降低油气开发成本已成大势所趋。面对油气“寒冬”，工程技术服务企业竞争趋于白热化。钻井液技术服务市场也面临诸多挑战，国外公司、国有企业、民营企业同台竞争，价格战异常激烈。作为页岩气钻井液前沿技术之一的高性能水基钻井液，国外贝克休斯、哈里伯顿等知名公司，国内科研院所、高校、工程技术服务企业纷纷投入研究。因此，谁掌握了核心技术并有效降低了成本，谁必然能以较低的价格优势在激烈的市场竞争中杀出一条血路来。故降低成本成为页岩气钻井液技术发展的重中之重。

2.2绿色环保

油基钻井液具有良好的润滑性、防塌抑制性、抗污染性，能够有效解决页岩气钻井难题，成为页岩气长水平段钻井的首选。但是高昂的油基钻井液成本与页岩气低成本开发极不协调。《国家危险废物名录》(2008年8月1日)明确列入了含油岩屑，使用油基钻井液钻井过程中产生的大量含油钻井废弃物处理工艺复杂、成本偏高，2015年新《环境保护法》正式实施，对环境保护的要求越来越高。高昂的成本和环保风险大大限制了油基钻井液使用范围。如何解决成本和环境污染问题成了当下改善钻井液的关键[1]，开发一种可以替代油基钻井液的高效水基钻井液成为当前研究热点。国外，如斯伦贝谢M-I公司的ULTRADRIL、贝克休斯公司的PERFORMAX、哈利伯顿公司针对北美部分页岩气产区开发出的SHALEDRIL系列水基钻井液技术[2]，已取得成功，并得到现场应用。在北美页岩油气开发中，油基钻井液占 70%左右，水基钻井液占30%[3]。

国内，正电胶防塌聚合物钻井液、有机盐聚合醇钻井液、阳离子乳液聚合物钻井液等体系相继用于页岩气开发。但最有代表性的是高性能水基钻井液。中国石油集团也加大人力、物力投入，目前已成功开发出CQH-M1、DRHPW-1两套钻井液体系。由川庆钻探工程公司研究的CQH-M1体系采用无土相、高效封堵、复合抑制等方法，在长宁、威远等区块开展应用，效果较好。由长城钻探工程公司研究的DRHPW-1体系具有抑制、封堵性强，润滑性好以及热稳定性高等特点，主要技术指标达到油基钻井液水平，在浙江油田昭通区块应用成功。两套体系在国内页岩气水平井高性能水基钻井液实现了零的突破。中国石油大学(华东)、西南石油大学、仁智油服、安东石油等单位相继开发高性能水基钻井液。“水替油”已成为页岩气钻井液发展的重要方向，但是从钻井液处理剂绿色环保到钻井液体系本身绿色环保仍然需要重点攻关。

2.3个性化

每一种钻井液体系必然有其局限性，而且油气储藏地质条件多变，仅仅研究一种钻井液体系势必无法满足页岩气勘探开发。有人利用页岩矿物学和井底温度等非常规页岩气储层中的关键因素，打破“用一种水基钻井液来实现全球页岩气开发”的思想，提出了基于给定页岩参数详细分析的客制化服务，分析不仅包括页岩形态和岩性，还包括钻井方案、环境因素和其它储层专用考虑因素[4]。

因此，页岩气钻井液技术方案必须详细研究每个区块甚至每口井的地质构造情况、当地环境因素、地理位置等，针对难点，具体问题具体分析，从钻井液设计开始，考虑到各种可能遇到的复杂情况，编制详细的施工方案，施工中，及时调整方案，保证井下顺利。美国页岩气开发，针对不同的泥页岩，同时考虑环境、成本、维护等多种因素来进行钻井液体系选择。其中美国东北Marcellus(马塞卢斯)页岩，基于环境考虑，采用合成基钻井液；Haynesville页岩，采用柴油基钻井液；Barnet页岩，水平段采用油基钻井液[5]。川庆钻井液公司在这方面做了大量努力，针对长宁、威远、巫溪等不同区块，分别研究出高密度、低密度、抗高温、不含矿物油等多种高性能水基钻井液体系。同时，针对井漏、垮塌、强水敏等不同情况，制定了相应解决方案。在解决实际问题的同时，也满足了客户多元化的需求。由此可见，个性化的钻井液体系也成为页岩气钻井液技术发展方向之一。

2.4将纳米材料应用于钻井液

纳米技术是指利用单个原子、分子制造物质的技术。纳米材料的结构尺寸在0.1～100 nm范围内。当物质达到纳米尺度以后，其性能就会发生突变。页岩气钻井液技术作为前沿研究领域，每一种钻井液体系势必要有核心处理剂。如果能够将纳米技术和钻井液技术完美结合，必定会为钻井液性能调控带来意想不到的收获。有研究表明[6]，利用纳米材料独特的性能，能有效降低钻井液体系摩阻，增强泥饼质量，并在井壁形成一层致密的膜，这对钻井液技术的发展将起到革命性的推动作用，能在一定程度上解决目前水基钻井液在长页岩水平段遇到的难题。

纳米材料颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高。因此，纳米材料具有很高的表面活性，可以很好吸附在井壁、钻具表面，将水平段滑动钻进中滑动摩擦阻力转变为滚动摩擦，有效降低摩阻，大大改善水基钻井液的润滑性。页岩气储层的一个显著特征是低孔特低渗，其渗透率属纳达西级，孔隙度只有3%～5%[7]。利用纳米材料小尺寸效应，纳米材料一旦渗入页岩地层微裂缝后，可有效封堵，阻止钻井液滤液进入地层，保护油气层，同时抑制页岩地层垮塌。M-I SWACO公司将纳米硅材料加入钻井液中，形成改性纳米硅水基钻井液，该钻井液配方和维护简单，表现出较好的流变性，井眼稳定性好，且对环境友好[4]。

2.5助推钻井提速提效

钻井液是钻井工程的“血液”，为油气勘探提供保障并助推钻井提速提效是任何一种钻井液的神圣使命，也是钻井液工程师永恒的追求。当然，页岩气钻井液也不例外。低油价挑战下，只有助推钻井提速提效，不断降低钻井成本，钻井液技术才有生存发展空间。川庆钻探公司在页岩气钻井提速方面实力强劲。2011年，威201-H1井钻井周期由威201井的121.17 d缩短到34.39 d，机械钻速也从2.23 m/h上升到10.88 m/h。2015年，高性能水基钻井液助长宁H13-3井创日进尺301.4 m新纪录。从实际用效果看，水基钻井液较油基钻井液提速至少可达20%。在当前的大环境下，充分发挥钻井液技术特点，提高机械钻速是很重要的研究课题。同时，加强与钻井工程沟通，提供优质的钻井液技术服务减少井下事故复杂，缩短非生产时间也大有可为。显著降低钻井成本，钻井、钻井液抱团取暖，共同应对低油价挑战，是当务之急。

3 结 语

通过总结国内外页岩气钻井液技术应用经验，提出了低成本、绿色环保、个性化、与纳米技术相结合、助推钻井提速提效等5大页岩气钻井液技术发展方向，为页岩气钻井液技术研究提供了一定参考。“水替油”是页岩气钻井液技术发展的大势所趋，持续加强水基钻井液攻关是目前当务之急。现阶段水基钻井液还不成熟，油基钻井液凭借突出的优点，在部分高难度复杂井开发中仍然占有一席之地，实现“水替油”需要一个过程。

[1] 胡兵, 欧阳传湘, 林飞, 等．一种新型的油包水合成基钻井液[J]. 当代化工, 2016, 45(2): 256-262.

[2] 闫丽丽, 李丛俊, 张志磊, 等. 基于页岩气“水替油”的高性能水基钻井液技术[J]. 钻井液与完井液, 2015, 32(5): 1-7.

[3] 林永学, 王显光. 中国石化页岩气油基钻井液技术进展与思考[J]. 石油钻探技术, 2014, 42(4): 7-13.

[4] 邸伟娜, 闫娜, 叶海超. 国外页岩气钻井液技术新进展[J]. 钻井液与完井液, 2014, 31(6): 76-81.

[5] 齐从丽. 国内外页岩气钻井液技术应用现状[J]. 化工时刊, 2014, 28(10): 40-45.

[6] Sayyadnejad M A, Ghaffarian H R, Saeidi M. Removal of hydrogen sulfide by zinc oxid nanoparticles in drilling fluid[J]. International Journal of Environmental Science and Technology, 2008, 5(4): 565-569.

[7] 薛承瑾. 页岩气压裂技术现状及发展建议[J]. 石油钻探技术, 2011, 39(3): 24-29.

DevelopmentDirectionofShaleGasinDrillingFluidTechnology

WANG Daoyong1,2, GAO Yang1, TAN Qianzhu1

(1.CCDCDrillingFluidTechnologyServiceCompany,CNOOCEnergyTechnology&ServicesEngineeringTechnologyCo.,Chengdu,Sichuan610056,China; 2.CollegeofMaterials,ChemistryandChemicalEngineering,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China)

Drilling fluid is the “blood” of drilling, which is the key link of exploration and development of shale gas. To carry out shale gas drilling fluid technology, our research is to achieve shale gas green sustainable development of the necessary conditions. But, how to develop shale gas drilling fluid technology is still of few reports at home and abroad. In view of the present situation of shale gas exploration and the development in China, this paper summarizes the domestic and international experience to focuse on low-cost, including green environmental protection, reservoir protection and other aspects of shale gas drilling fluid technology development. We mean to accelerate shale gas drilling fluid technology development in rock gas exploration and development to provide strong protection.

Shale gas; Drilling fluid; Development direction

2016-09-14

王道勇(1988-)，男，湖北南漳人，助理工程师，研究方向：钻井液工艺、化学工程，手机：13568952343，E-mail：wangdy1_sc@cnpc.com.cn

TE254

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.045