国内页岩气水基钻井液研究与应用进展

赵 虎 司西强 王爱芳

中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院

21世纪以来，美国掀起了“页岩气革命”，实现了页岩气商业性开采，目前约有30个国家加入了页岩气勘探开发行列。我国目前已相继在四川长宁、威远，重庆涪陵、彭水，云南昭通等地开展了页岩气开发。目前，油基钻井液因其优良的井壁稳定和润滑防卡等优势而应用广泛，随着环保和成本要求的提高，水基钻井液的研发和应用日趋迫切，国外M-I Swaco、贝克休斯和哈利伯顿等公司均开发出高性能水基钻井液，以较低成本实现了页岩气资源的环保开发。国内科研院所、高校、工程技术服务企业纷纷投入研究和应用，但仍处于初期阶段。文中概述了国内页岩气水基钻井液的难点、处理剂使用情况及钻井液的研究与应用现状，并给出了几点建议，以期为页岩气水基钻井液技术研究与应用提供一定的参考。

1 国内页岩气水基钻井液技术难点[1]

1）井壁稳定

国内主要页岩地层黏土矿物含量多为20%～45%，黏土胶结物中易水化分散的组分含量为10%～ 80%，Zeta电位为－20～－55 mV，吸水分散趋势强，水分子易侵入黏土晶层，使得胶结物强度降低、孔隙压力升高，导致页岩地层局部拉伸破裂，从而破坏岩石；页岩层理性强、微裂缝发育，缝宽和孔径集中在0.05～40.00 μm，与流体接触后，产生强烈的自吸现象，使裂缝萌生、扩展、贯通形成宏观裂缝。钻井过程中的机械破坏和钻井液长时间浸泡地层，超过坍塌周期，导致井壁失稳。

2）润滑防卡

页岩气井多采用长水平井开发模式，水平段长多为1 000～2 500 m，可以更大限度的穿越储层。国内更因受到地形、成本因素影响，“井工厂”技术得到推广，三维定向技术应用广泛，随着井斜、方位变化及水平位移的增加，会极大地增大摩阻和扭矩，严重影响井眼轨迹控制等正常钻井和完井作业。

3）井眼清洁

岩屑在上返过程中易沉向井壁的下侧，堆积形成“岩屑床”，特别是在井斜角45°～60°的井段，岩屑床会沿井壁下侧向下滑动，堆积严重，从而堵塞井眼。随着钻井周期的增长，反复研磨钻屑变细，混入钻井液导致固相含量升高，尤其在高密度钻井液中增黏效应明显，流变参数和滤失量难以兼顾，钻井液在高黏度层流状态下携岩带砂效果差，井眼清洁困难，后期维护处理采取大量置换钻井液，造成钻井液处理剂的大量浪费。

2 国内页岩气水基钻井液处理剂

1）抑制剂

页岩地层黏土胶结物吸水分散趋势强，要求高性能水基钻井液必须具有强抑制性。目前在长宁、威远、昭通和延长等页岩气区块应用的抑制剂主要概况为以下几类：

聚胺或胺基抑制剂通过物理化学吸附，分子结构中的疏水基团（环氧丙烷、烷基等）覆盖在黏土表面，隔断了水分子和黏土矿物的接触，抑制黏土的表面水化，阻止水分子进入黏土内部，起到抑制黏土分散膨胀作用。烷基糖苷衍生物为非离子型或小阳离子型强效抑制剂，作用机理为嵌入及拉紧晶层和吸附成膜等，可有效降低页岩的ZETA电位绝对值，降低岩屑活性。疏水抑制剂具有双亲特性，能使亲水的岩石表面润湿性发生反转，在岩石表面形成一层疏水膜，具有强化抑制与包被的作用。甲酸盐通过压缩黏土双电层、降低水活度、增强液相黏度等作用，控制水分子侵入地层。氯化钾通过钾离子镶嵌作用，抑制页岩渗透水化。

此外，引进国外的黏土稳定剂CLAY-TROL在长宁区块应用4口井。多硅基抑制剂、硅酸盐、氯化钙和聚合醇等材料处于研究或少量应用阶段。

2）封堵剂

页岩地层微裂缝和层理发育，缝宽和孔径集中在0.05～40 μm，常规封堵剂粒径在5～100 μm，不能满足微孔缝的封堵需求，因此页岩地层研究和应用较多的为纳微米封堵材料，主要包括：

纳米二氧化硅和纳米碳酸钙粒径多为1～60 nm，疏水型纳米二氧化硅具有强疏水性与强吸附性，能吸附在滤饼上，形成纳米颗粒隔水层，有效降低滤失量，对钻井液流变参数影响较小[2]；纳米碳酸钙可对纳米级裂缝起到架桥、填充作用，并可改善滤饼质量。纳米氧化铜和氧化锌也有研究报道[3]。需要说明的是刚性纳米封堵剂加量不宜过大，加量过大易导致小颗粒的团聚效应加重。可变形纳微米封堵剂是一种合成高分子有机聚合物或共聚物，呈悬浮状液体，颗粒粒径范围0.05～2.00 μm之间，在井底温度和压力作用下可根据页岩微裂缝的形状而改变自身的形状，从而达到良好的封堵防塌效果[4]。

成膜封堵剂或降滤失剂可在压力作用下形成一层憎水膜，阻止泥页岩的水化[5]，在昭通、长宁和焦石坝等区块的页岩地层有应用报道。聚合醇具有“浊点效应”，当温度超过浊点时，聚合醇将形成滴珠，在压差、温度作用下，变形成为小颗粒进入滤饼的小孔隙中起封堵作用，使滤饼渗透率降低，滤失量降低，在长宁等区块有应用。另外，无渗透处理剂、沥青类、超细碳酸钙等在威远和富顺等区块有应用。

3）润滑剂

页岩气井多采用长水平井开发，对钻井液的润滑性提出了更高的要求。目前应用最多的高效润滑剂为植物油与表面活性剂的混合物，可在钻具表面产生物理和化学吸附，在高温高负荷条件下，形成金属杂化薄膜，具有吸附膜厚、润滑效率高和持续时间长等优点，如长宁区块应用的CQ-LSA和昭通区块应用的SDHP等。烷基糖苷衍生物分子规则排列成润滑膜，可降低重晶石间的内摩擦，改善滤饼质量，降低钻具与井壁之间的摩擦，满足高密度水基钻井液润滑的要求，如昭通和长宁区块应用的聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）和阳离子烷基糖苷（CAPG）等。某些纳米材料不但可在钻具表面和井壁表面形成纳米膜，甚至可渗透到管状金属的微观孔隙，通过化学键键接在金属表面，高压作用下形成自修复保护膜，可持续在金属表面上作用，有效地降低钻具的摩阻[6]，目前国内处于研究阶段。另外，石墨和乳化石蜡在河南油田泌页2HF 井有应用报道。完井作业中加入塑料小球确保下套管顺利在昭通、彭水等页岩气井有应用。

流型调节剂、降滤失剂、pH调节剂和加重材料等国内多采用常规水基钻井液处理剂，这里不再详述。

3 国内页岩气水平井水基钻井液研究与应用

国内页岩气水平井水基钻井液的研究与应用均致力于解决井壁稳定、润滑防卡和井眼清洁等技术难题，其中，根据井壁稳定侧重不同，大致可以分为3类钻井液：

1）吸附成膜、拉紧黏土晶层的强抑制型钻井液

以聚胺或胺基抑制剂通过吸附成膜，阻止水分子侵入黏土为主的强抑制型钻井液，如：闫丽丽[7]等报道了一种用于黄金坝YS108H4-2 井三开水平段（2 806～4 020 m）的DRHPW-1高性能水基钻井液体系。主要采用聚胺类抑制剂BYZ-1和氯化钾，配合使用沥青粉FTYZ-1、纳微米封堵剂FD、成膜降滤失剂NBG、液体和固体润滑剂等，水平段机械钻速为11.74 m/h，创该区钻井周期记录，钻井、固井施工作业顺利，井径扩大率为 5.71%。之后该技术在该区块另一页岩气水平井三开段应用，水平段长达1 670 m。张衍喜等[8]报道了一种用于页岩油气定向段铝胺聚合物润滑防塌钻井液体系，该体系以有机胺等具有强抑制性的处理剂为主，以纳米乳液、聚合醇、铝胺聚合物、沥青类产品等具有强封堵性处理剂为辅，并加入高效润滑剂，基本上能够满足非常规钻井的需要。张军等[9]报道了一种用于新页HF-1 井部分水平段（3 281～3 417 m）的强抑制聚胺仿油基钻井液体系，该钻井液中加入了聚胺抑制剂、甲基葡萄糖苷等多种抑制剂，配合使用纳米乳液、国外高分子封堵剂和降滤失剂等，在川西须五段应用中施工顺利，无复杂情况。何振奎[10]报道了一种用于泌页 2HF 井定向段（2 162～2 875 m）的强抑制水基钻井液，采用聚胺NH-1等为抑制剂，多种沥青复配、白油、高效润滑剂ZRH-1、石墨及乳化石蜡等，较好地解决了该井EH3Ⅱ段泥页岩易水化膨胀、易造浆问题，井径扩大率为2.17%。

以烷基糖苷及衍生物拉紧黏土晶层，吸附成膜，降低岩屑活性为主的强抑制型钻井液，如：赵虎[11]等报道了一种用于黄金坝YS108H8-5井三开井段（1 481～4 225 m）的烷基糖苷衍生物水基钻井液体系。该体系以聚醚胺基烷基糖苷NAPG和阳离子烷基糖苷CAPG 为主抑制剂，配合使用纳微米封堵材料和极压润滑剂等，解决了石牛栏组和龙马溪组破碎带的坍塌掉块问题，起下钻、下套管畅通，避免了同类井应用水基钻井液钻井出现的复杂情况，同比该区块国内外高性能水基钻井液技术和成本优势明显。之后该技术在黄金坝和长宁三开段应用2口井，水平段最长1 700 m。司西强等[12]报道了一种适用于龙马溪页岩气钻井的CAPG高性能水基钻井液，该钻井液以30%阳离子烷基糖苷CAPG 构成钻井液的强抑制环境，且充分发挥其吸附成膜效应，抑制地层黏土矿物的水化膨胀、分散；级配纳-微米乳液、纳米钙、磺化沥青FT等封堵材料，实现钻井液的强封堵性能。室内评价表明，钻井液井壁稳定、润滑性能好，稳定周期长，抗污染能力强，无生物毒性。

2）调节滤液水活度，与地层渗透平衡，控制水分子侵入地层的低活度钻井液

依据杜南（Donnan）平衡理论，通过加入无机或有机盐降低滤液水活度，提高半透膜效率，有利于井壁稳定，以此机理为主的低活度水基钻井液有：新闻报道了延长石油集团研发的高性能水基钻井液体系[13]，主要以高浓度甲酸盐降低滤液水活度，保持井壁稳定，应用于云页平3等5口页岩气水平井，填补了陆相页岩气水平井水基钻井液技术空白。肖金裕等[14]报道了一种用于宁 206 井（直井）碳质页岩层段（1 680～1 920 m）的有机盐聚合醇钻井液体系，以有机盐Weigh2为活度调节剂，并使用聚合醇MSJ、阳离子乳化沥青SEB、水基润滑剂FK-10等，较好地解决了寒武系九老洞组页岩的井壁稳定难题，井径扩大率1.19%；润滑性良好，起下钻摩阻一般在3 t以内，机械钻速快（PDC钻头为10.97 m/h，牙轮钻头为6.29 m/h）。刘伟等[15]报道了一种用于富顺页岩气坛 203 井三开韩家店—龙马溪组井段（3 460～4 334 m）的水基钻井液体系，加入有机钾盐、无渗透处理剂 G327和FLC2000、润滑剂G303等处理剂，使用井段井径规则、起下钻通畅，无划眼，测井、下套管施工顺利。赵虎等[16]报道了一种适用于页岩气水平井的氯化钙-烷基糖苷钻井液，以氯化钙调节滤液水活度（0.40～0.76），与页岩气水平段钻屑活度范围（0.35～0.70）较为一致，可较好地与地层达到渗透平衡。焦石坝区块露头岩心在该钻井液中浸泡30 d状态完好，抗压强度降低较少，与油基钻井液相当，钻井液润滑性与同密度油基钻井液相当。适用密度范围1.20～2.00 g/cm3，抗温 130 ℃，抗钻屑、水浸和原油污染能力较强。

3）侧重封堵或封固页岩地层微孔缝，提高岩石强度的强封堵或强封固型钻井液

依据页岩地层孔缝和层理分布情况，通过架桥填充理论、粒径级配与页岩地层孔缝主值匹配的纳米—微米封堵材料，针对易破碎的页岩地层，采用可与岩石矿物发生胶结封固作用的处理剂，提高岩石强度，形成强封堵或强封固型钻井液。龙大清[17]等报道了一种用于长宁H9平台3口井的GOF高性能水基钻井液体系。该体系为强封堵型钻井液，所用主要为国外引进处理剂，以成膜封堵剂MAX-SHIELD、防塌剂LATIMAGI和沥青类处理剂SULFATROL等为主要封堵材料，配合使用黏土稳定剂CLAY-TROL和润滑提速剂LATIRATE等。具体应用井段为：长宁H9-4井水平段（2 890～4 225 m）、长宁H9-3井定向—水平段（2 242～4 250 m）、长宁H9-5井定向至完井段（2 373～4 560 m）。基本上解决了石牛栏组和龙马溪组的坍塌掉块和润滑防卡问题，机械钻速与使用油基钻井液的邻井相比提高较多，缺点是体系降解太快，基本上无法实现重复利用。很多新闻报道了中国石油集团开发出的CQH-M1高性能水基钻井液体系[18]，该体系为强封固和强封堵型钻井液，已开展多井次现场试验应用，该体系在威远区块的应用井深达5 250 m、井温最高达130 ℃、穿越页岩进尺最长达2 238 m；在长宁区块，创造了水平段穿越页岩进尺、钻井液浸泡时间等多项纪录。景岷嘉[19]等报道了一种用于长宁H26-8井四开井段（2 271～5 350 m）的高性能水基钻井液，该体系采用高分子有机聚合物封堵防塌剂CQ-DEF（粒径0.05～2 μm）为主要封堵剂，并采用低分子量有机聚合物抑制剂 CQ-SIA和植物油与表面活性剂混合的润滑剂 CQ-LSA等处理剂，在龙马溪组页岩地层钻进试验成功，钻进过程中未出现复杂情况，钻时快，井眼规则，扭矩小，泵压低，起下钻和通井顺畅，摩阻小，电测和下套管顺利。张喜民[20]报道了一种用于东平1井长7组泥页岩段（2 887～3 427 m）的多硅基强封堵水基钻井液体系，加入硅抑制剂、纳米封堵剂、理想充填剂、凝胶降滤失剂、乳化沥青和无荧光润滑剂等处理剂配制胶液转换二开钻井液，解决了页岩油气水平井（水平段长540 m）井壁稳定技术难题，起下钻通畅，成本较低。常德武等[21]报道了一种适合页岩气水平井的CWBM水基钻井液，该钻井液使用纳米二氧化硅作为架桥剂，纳米碳酸钙作为页岩堵漏剂，磺化沥青钠盐作为页岩井壁稳定剂。室内评价表明，钻井液对泥页岩有较强的抑制性，抑制效果好于具有强抑制性的聚合醇体系；润滑系数为0.21，滤饼摩阻系数为0.049 7；在120 ℃下滤失量较低，钻井液具有低表面张力，可削弱水锁损害。范落成等[22]报道了一种用于湘页1井二开井段（519～2 067 m）和彭页1井三开井段 （893～2 208 m）的阳离子乳液聚合物钻井液体系，加入乳化石蜡RHJ-1、SMP-1、SPNH、有机硅醇抑制剂DS-302、聚合物包被剂DS-301和封堵剂KD-20等处理剂，解决了二叠统大隆组—龙潭组、下石炭统测水组和上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩地层井壁失稳和储层损害问题，平均井径扩大率分别为7.19%和6.43%。陈兵等[23]报道了一种用于茅地1井（资料调查井）的硅酸盐钻井液体系，该钻井液采用硅酸盐的模数为2.8～3.2，浓度为3%～7%，pH＞11，显示出良好的胶结固壁效果，但是在施工中发现，钻机的负荷明显变大，钻井液的润滑性能较差，需要进一步调整配方，增强钻井液的润滑性，完善性能。

事实上页岩气水基钻井液井壁稳定技术均采用强抑制和强封堵或封固相结合方式，只是根据应用页岩地层水敏性和孔缝层理分布情况，侧重不同。如：强抑制型烷基糖苷衍生物钻井液采用了不同粒度级配（0.03～100 μm）纳米—微米封堵材料，满足黄金坝和长宁等龙马溪页岩微孔微裂缝（主要缝宽和孔径为0.05～15.7 μm）的封堵需求；强封堵GOF钻井液中加有抑制剂CLAY-TROL等。此外，袁明进[24]报道了一种用于宣页1井（直探井）长泥页岩井段（2 052～2 848 m） 的正电胶聚合物防塌钻井液体系，该钻井液加入MMH、KHPAM、NH4HPAN、有机硅腐植酸钾OSAMK和低荧光防塌沥青LF-TEX-1等材料，应用段较好地解决了下寒武统荷塘组、大陈岭组的泥页岩的井壁稳定问题，井径扩大率小于3%。

4 结束语

随着全球环保法规的日趋严格和环保意识的增强，国际油价长期低迷的形势下，高性能水基钻井液就是为了以低成本实现页岩气资源的环保开发的钻井液新体系。通过总结国内页岩气水基钻井液的研究与应用现状，今后应该在目前已经取得实践经验的基础上，针对页岩气地层特点和工程情况，建议今后重点加强以下几个方面的研究：①针对强水敏、孔缝层理发育、胶结性差的页岩地层，开展强抑制、强封堵和强封固等关键处理剂研制，以满足页岩气水平井井壁稳定的需求；②针对高密度水基钻井液开发长水平段页岩气井的润滑难题，开展强吸附成膜性液体润滑剂和纳米级固体润滑剂的研制，以满足页岩气水平井的润滑防卡的需求；③在烷基糖苷及衍生物、CaCl2、胺基抑制剂和聚合醇等复合使用后的协同作用方面深入研究，扩大水基钻井液在页岩气水平井钻井中的应用范围；④开展钻井液长期稳定性研究和回收、运输、储存、再利用等成本分析，确定合理的钻井液再利用周期，便于水基钻井液规模化应用于页岩气勘探与开发。

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