全磊，周書勝，韓銀府，嚴銳

（1.江漢石油工程有限公司鉆井二公司，湖北 潛江 433123；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000）

頁巖氣是賦存于泥頁巖裂縫、基質孔隙中的非常規(guī)天然氣，在中國川東、川南、鄂西等地存在豐富的頁巖氣，頁巖氣藏具有埋深淺、黏土含量高、儲量大、滲透率低的特點[1]。目前四川長寧、河南中牟、重慶涪陵、云南昭通等地均已對頁巖氣進行了開采，油基鉆井液用于頁巖氣鉆采過程中，雖然油基鉆井液具有很好的護壁防塌、潤滑防卡效果[2]，但考慮到環(huán)保友好性、成本經(jīng)濟性兩大問題，很大程度限制了其使用[3]。因此開展高性能、低成本、環(huán)境友好型水基鉆井液技術日趨迫切，國內油田相關科研所、石油高等院校以及油田服務企業(yè)相繼展開了大量水基鉆井液技術研究，并取得顯著的成果，但仍與國外鉆井液技術存在一定的差距[4]。本文闡述了頁巖氣開發(fā)過程的鉆井難點，水基鉆井液重要處理劑研究進展以及水基鉆井液應用現(xiàn)狀，為頁巖氣水基鉆井液技術優(yōu)化提供借鑒。

1 頁巖氣水基鉆井液難點及對策

1.1 井壁穩(wěn)定技術

頁巖地層中的黏土礦物含量（蒙脫石）相對含量、絕對含量均很高，再加上頁巖地層微裂縫較為發(fā)育，水基鉆井液濾液易沿著微裂縫、孔隙滲入地層，與頁巖地層中的黏土礦物發(fā)生水化作用[5]，破壞縫間膠結物，并產生膨脹壓力，破壞了井壁應力平衡[6]。由于水基鉆井液濾失量對比油基鉆井液而言較大，裂縫滲流作用使濾液進入孔隙中，造成井壁孔隙壓力增大，弱化了水基鉆井液對井壁的有效支撐，易造成井壁失穩(wěn)；若提高水基鉆井液密度，雖有利于水基鉆井液對井壁的支撐作用，但易造成井漏。對于上述問題，應加入高性能抑制劑、封堵劑，作用為抑制蒙脫石水化膨脹、降低鉆井液濾失量，封堵粘結微裂縫，提高井壁穩(wěn)定性。

胺類抑制劑作為最為常見的頁巖地層抑制劑之一[7-9]，近年來，國內展開了大量胺類抑制劑研究工作，由于胺基特有化學性質，可通過氫鍵作用加強對黏土片層的束縛，吸附在黏土片層表面，阻止水分子與黏土礦物發(fā)生水化作用[10]。另外，胺類抑制劑中含有帶正電的銨離子，由于黏土在水中通常帶負電，帶正電的銨離子可通過靜電作用、氫鍵作用力吸附在黏土表面[11]，從而達到抑制黏土水化的作用。對于強水化分散的頁巖而言，常采用胺類抑制劑與納米材料復配，提高其抑制性能，納米材料具有顆粒小、活性高、吸附能力強的特點，目前在各油田應用均受好評，頁巖地層微裂縫和層理較為發(fā)育，其大小為1～50 μm，納米材料堵塞頁巖地層孔隙，并在孔喉中起到橋梁作用，有效地阻止壓力傳遞，顯著地抑制頁巖的膨脹。在溫度、壓力作用下，封堵劑進入井壁的微裂縫、孔隙中，由于束縛作用封堵劑與黏土顆粒連續(xù)在一起，防止孔隙壓力傳遞、井壁進一步崩解，封堵劑常與降失水劑復配使用，形成致密封堵層，黏度微裂縫，提高井壁的穩(wěn)定性[12]。

1.2 潤滑減阻技術

為了提高頁巖氣開采效率，頁巖氣井采用水平井、開發(fā)模式，水平段長超過2 000 m，隨著井斜、水平位移的增加以及重力作用下，鉆具與井壁、套管的接觸面增大，使摩擦力增大，易出現(xiàn)憋壓、蹩扭矩等情況[13]。針對上述問題，解決水基鉆井液鉆進過程中鉆井扭矩和鉆具磨損問題的手段就是加入潤滑劑[14],常見的高效、環(huán)保性潤滑劑是由植物油、表面活性劑復配而制，在鉆具、套管金屬表面產生物理、化學吸附，降低鉆具與井壁、套管的摩擦力，減少憋壓、蹩扭矩的現(xiàn)象[15]。

1.3 井眼清化技術

隨著井斜角、水平位移增大，井眼凈化能力降低，易造成巖屑床的形成，導致起下鉆阻卡、鉆進效率降低。井斜角為60°左右時，井眼凈化效率是最低的；當井斜角大于60°時，鉆屑流動的方向改變使鉆屑易靠井壁滑落[16],鉆井周期較大時，使鉆具與井壁、套管反復研磨鉆屑變細，導致水基鉆井液的固相含量增大，影響水基鉆井液性能惡化。提高動塑比可使井眼凈化效率增大，動塑比越大，流速剖面平板化程度越大[17]。平板型層流降低井眼環(huán)空中巖屑轉動概率，有利于鉆井液在低排量、低返速條件下實現(xiàn)高效攜巖，保持井眼清潔。

2 頁巖氣水基鉆井液研究與應用

水基鉆井液被廣泛地應用于各油田頁巖氣地層，根據(jù)頁巖氣地層特點對水基鉆井液提出性能要求，為解決黏土水化效應、井眼凈化、井壁失穩(wěn)的難題，目前頁巖氣水基鉆井液可大致分為以下兩類。

2.1 強抑制型水基鉆井液

閆麗麗[18]等人針對滇黔北昭通國家級頁巖氣示范區(qū)黃金壩目的層，根據(jù)頁巖氣地層特點研制了一種強抑制劑FTYZ-1，對比其他常規(guī)抑制劑（如聚合醇），F(xiàn)TYZ-1對現(xiàn)場露頭頁巖抑制性能強，露頭頁巖膨脹率只有3.5%，且?guī)r屑回收率高達96%，用其配制的水基鉆井液與2015年應用于YS108H4-2井三開水平井段，井徑擴大率小于6%，無掉塊，鉆井周期比設計周期提前10天，水平段長達1 670 m。何振奎[19]針對泌頁2HF井定向段頁巖特點，采用聚胺NH-1抑制劑配制水基鉆井液抑制性能強，抑制了泥頁巖水化造漿，黏度控制較低，沒有發(fā)生泥包現(xiàn)象，沒有發(fā)生井壁坍塌問題，縮短了斜井段鉆井周期，井徑擴大率僅為2.17%。鄧虹[20]等研究一套適用于深層頁巖氣儲層的高效水基鉆井液體系，采用1.0%復合抑制劑HMYJ-1與其他處理劑配制而成，在實驗溫度為140 ℃，采用目標區(qū)塊儲層龍馬溪組頁巖評價復合抑制劑HMYJ-1的抑制性能，其滾動回收率能達到98.5%,該抑制劑中含有大量的陽離子吸附基團，由于黏土顆粒表現(xiàn)出負電，可通過靜電作用、氫鍵作用吸附在黏土顆粒表面，使黏土表面的靜電斥力變小，達到黏土礦物水化膨脹的目的。龍馬溪組頁巖在由復合抑制劑HMYJ-1配制的水基鉆井液中的膨脹量極小，足以說明該體系抑制性能優(yōu)異，并在涪陵地區(qū)某深層頁巖氣井進行了成功應用，鉆井過程中，該體系性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、起下鉆困難的復雜情況，作業(yè)過程順利，滿足深層頁巖氣井現(xiàn)場施工要求。李強[21]成功優(yōu)化出一種新型胺基抑制劑，該抑制劑作用機理不同于其他抑制劑，由于其分子具有靜電引力、錨固作用和疏水作用能有效地抑制黏土分散，由其配制的水基鉆井液性能穩(wěn)定、抑制性能強，成功地應用于在興古7-HX7井，鉆進時，井眼擴大率較小，井眼較為規(guī)則，起下鉆摩阻小，未出現(xiàn)復雜情況，為后續(xù)類似井的開采提供了更好的選擇。另外有些抑制黏土礦物水化膨脹的手段有所不同，但都是起到抑制作用，如通過加入無機鹽（KCl）、有機鹽（甲酸鉀、甲酸鈉）降低水基鉆井液濾液的活度，提高半透膜的工作效率，達到抑制黏土水化膨脹的作用。劉偉[22]通過加入有機鉀鹽改變滲透壓，該技術成功應用于三開馬溪組井段，鉆進時，起下鉆通暢，無明顯掉塊，鉆井液性能穩(wěn)定，無增稠現(xiàn)場。

2.2 強封堵型水基鉆井液

長寧-昭通區(qū)塊頁巖氣水平井由于頁巖地層微裂縫發(fā)育，在鉆進過程中，易出現(xiàn)掉塊卡鉆、起下鉆遇阻的現(xiàn)象。龍大清[23]等根據(jù)該井的地質特點，引進國外封堵防塌處理劑配制成強封堵水基鉆井液，并在長寧H9中3口井成功應用，鉆進過程中，無掉塊現(xiàn)象，轉換時返砂情況為極少量掉塊，井眼較為穩(wěn)定。宣頁1井是中石化華東分公司部署在安徽宣城-桐廬區(qū)塊的第一口頁巖氣井，該井地層主要為泥頁巖地層，由于地層傾角大且變化也大，造成鉆井過程中出現(xiàn)井斜現(xiàn)象，這些因素易造成井壁失穩(wěn)，要求鉆井液具有良好護壁性能。袁明進[24]研究一套正電膠聚合物防塌鉆井液體系，在宣頁1井現(xiàn)場使用過程中，井壁穩(wěn)定，全井段施工過程均無出現(xiàn)掉塊、卡鉆現(xiàn)象。且該體系性能穩(wěn)定，維護工作量小。莊慶佐[25]等采用2-甲基咪唑、氮丙啶、六水合硝酸鋅、乙二胺為原料合成封堵劑MOF，該封堵劑具備良好的封堵性以及與不同體系均有良好的配伍性。

3 結束語

由于石油天然氣資源的匱乏，探索如何提高頁巖氣鉆采效率這一課題值得進一步研究，當考慮到環(huán)保友好性、成本經(jīng)濟性，提高頁巖氣水基鉆井液技術意義重大。針對頁巖氣開發(fā)過程的鉆井難點，頁巖氣水基鉆井液技術得到顯著地發(fā)展，但對于復雜井，該技術有待進一步提高。以下幾個方面需要重大投入研究：對于高溫、長水平井，需要研制抗高溫、性能優(yōu)異的潤滑劑，目前多數(shù)潤滑劑分子中含有醚鍵、酯基，此類基團易吸附在鉆具、套管上，具有極好的潤滑性能，但高溫條件下易分解斷裂、失效；針對井壁穩(wěn)定問題，需研制既具備抑制性能，同時具備封堵性能的一體化處理劑，避免配伍性的影響。