國內外頁巖氣水基鉆井液技術新進展（上）

近年來，頁巖氣的開發在國內外得到了普遍關注。鉆井液技術是頁巖氣水平井鉆井的關鍵技術之一。用于商業開發的頁巖油氣水平井水平段一般長達1000~2500m，頁巖微裂縫和層理發育，施工過程中對鉆井液的井壁穩定性、潤滑性和井眼清潔能力要求極高。因此，國內外在頁巖氣水平井鉆井過程中大多數首選油基鉆井液，以應對長井段水平井存在的井壁失穩和高摩阻問題。

但油基鉆井液成本高、不利于地層及環境保護，而常規油氣鉆井作業用的水基鉆井液無法滿足頁巖氣水平井鉆井需要。迫于越來越嚴格的環保法規要求和鉆井低成本壓力，國外開展了大量的高性能水基鉆井液新技術研究，且部分體系已經在現場得到了應用。中國頁巖氣高性能水基鉆井液技術也取得了較大突破，但與國外相比仍有差距。因此，文中對比了中美頁巖氣的地質特性，概述了國內外頁巖氣高性能水基鉆井液技術現狀，并指出了發展趨勢，以期為頁巖氣水基鉆井液技術的研究提供一定的指導和參考。

1 中美頁巖氣地質條件對比

美國是世界上最早從事頁巖氣勘探開發，也是目前頁巖氣勘探開發最成功的國家。1821年，美國從紐約州阿帕拉契亞盆地泥盆系鉆探第一口商業頁巖氣井開始，進入了頁巖氣勘探開發的漫長歷程。經過近200年的研究和探索，美國已形成了成熟的頁巖氣勘探、鉆井可開發技術。

我國頁巖氣資源豐富，發展前景良好，但勘探開發起步較晚，在短時間內獲得快速的發展較難，其中一個重要原因是我國頁巖氣地質條件復雜，開采任務艱巨。與美國頁巖氣資源相比，我國的頁巖氣儲層埋深較深，一般在3500m以上，而美國的頁巖氣資源埋深較淺，一般在1500~2500m；我國頁巖氣資源主要分布在四川、鄂爾多斯、塔里木三大盆地，這些富集的區域水資源比較缺乏、多屬丘陵山區、人口密集且地表條件不利于施工，美國頁巖氣多分布在水資源較豐富的平原地區；我國的頁巖類型為海、陸相兼存，海相頁巖有機碳含量高、成熟度高、以產天然氣為主，陸相頁巖埋藏深、成熟度低、脆性礦物含量低、油氣兼產，而美國的頁巖主要為海相沉積?？梢?，我國頁巖氣資源具有地質條件復雜性和特殊性，對勘探、鉆井開發技術要求也更高。

2 頁巖氣水基鉆井液面臨的挑戰和技術措施

2.1井壁失穩

頁巖氣鉆井中70%以上的井眼問題是由于頁巖不穩定造成的。鉆井液穿過地層裂隙、裂縫和弱的層面后，鉆井液與頁巖相互作用改變了頁巖的孔隙壓力和頁巖強度，最終影響到頁巖的穩定性。歸納起來，影響井壁穩定的主要原因如下幾方面:

首先是孔隙壓力變化造成井壁失穩。頁巖與孔隙液體的相互作用，改變了黏土層之間水化應力或膨脹應力的大小。濾液進入層理間隙，頁巖內黏土礦物遇水膨脹，膨脹壓力使張力增大，導致頁巖地層局部拉伸破裂；相反，如果減小水化應力，則使張力降低，產生泥頁巖收縮和局部穩定作用。

對于低滲透性頁巖地層，由于濾液緩慢地侵入，逐漸平衡鉆井液壓力和近井壁的孔隙壓力(一般大約為幾天時間)，因此失去了有效鉆井液柱壓力的支撐作用。由于水化應力的排斥作用使孔隙壓力升高，頁巖會受到剪切或張力方式的壓力，減少使頁巖粒間聯結在一起的近井壁有效應力，誘發井壁失穩。

對于層理和微裂縫較發育、地層膠結差的水敏性頁巖地層，濾液進入后會破壞泥頁巖的膠結性。水或鉆井液濾液極易進入微裂縫，破壞原有的力學平衡，導致巖石的碎裂。近井壁含水量和膠結的完整性改變了地層的強度，并使井眼周圍的應力場發生改變，引起應力集中，井眼未能建立新的平衡而導致井壁失穩。

因此，從鉆井液角度，國內外一般選擇聚胺、鋁酸鹽絡合物或其他特殊的高性能頁巖抑制劑，結合與頁巖納微米孔縫匹配的納微米封堵劑，從而提高鉆井液的抑制性、封堵性，降低滲透性，阻止濾液進入頁巖地層，防止頁巖吸水、強度降低。同時，現場施工過程通過對振動篩鉆屑和濾失量的實時監測，隨時調節抑制劑和封堵劑的加量。

2.2潤滑防卡

頁巖氣水平井隨著井斜角和水平位移的增加會極大地增大摩阻和扭矩，嚴重影響井眼軌跡控制等正常鉆井作業；高密度條件下，液柱壓力與地層壓力之差較大，產生使鉆柱向井壁的推靠力，易形成壓差卡鉆；大斜度長水平段井眼洗井效果差容易形成巖屑床；井壁坍塌掉塊容易產生砂橋卡鉆；井眼周圍由于應力不平衡產生井眼變形，使起下鉆阻力、鉆井摩阻增大。

目前一般通過優選高性能潤滑劑，尤其是適用于高密度水基鉆井液的潤滑劑，同時復配防泥包添加劑，從而降低摩阻、提高機械鉆速。國外對此專門研制了納米石墨烯潤滑產品，并已實現現場應用。

2.3攜巖洗井

在大位移水平井施工中，鉆屑在井眼中的運行軌跡與直井不一樣。由于井眼傾斜，巖屑在上返過程中將沉向井壁的下側，堆積起來形成“巖屑床”，特別是在井斜角45~60°的井段，存在卡特包衣效應，已形成的巖屑床會沿井壁下側向下滑動，形成嚴重的堆積，從而堵塞井眼。

因此，一方面，可通過加入流型調節劑或適當增加膨潤土含量提高鉆井液的動塑比和低轉速下的有效粘度，改善環空鉆井液攜巖效果，增強鉆井液懸浮和攜巖能力。另一方面，要通過優化篩選其他處理劑包括加重劑，提高整個體系的沉降穩定性和抗污染能力，最終保持體系長效穩定的流變性，確保其良好的井眼清潔能力。

3 國外頁巖氣水基鉆井液技術新進展

針對頁巖氣水平井的技術難題和環保要求，國外各大鉆井液公司研發了在性能、成本和環境保護等方面能夠取代油基鉆井液與合成基鉆井液的高性能水基鉆井液，均形成了具有代表性的高性能水基鉆井液技術和產品，并有在一些井上成功應用的案例報道。他們還聯合高?？蒲腥藛T研發了一系列納米處理劑，為進一步解決頁巖氣鉆井液技術難題提供了更多的方法對策。

3.1M-ISwaco公司

M-ISwaco公司對2008~2011年在北美EagleFord、Marcellus和Haynesville頁巖氣區塊已完鉆的頁巖氣水平井的鉆井數據進行了分析。其中，203口已完鉆EagleFord頁巖氣水平井使用的油基鉆井液占76%，水基鉆井液占19%；238口已完鉆Marcellus頁巖氣水平井采用的油基鉆井液和水基鉆井液比例為86∶14；166口已完鉆Haynesville頁巖氣水平井采用的合成基鉆井液和水基鉆井液比例為64∶36。

總體來說，油基鉆井液性能優于或與水基鉆井液性能相當，對于井深小于14000ft的井，使用水基鉆井液作業更節省時間；大于14000ft的井，使用油基鉆井液更高效。但不管是油基還是水基鉆井液，其重復循環利用至今仍是一個難題。

M-ISwaco公司研制了多種環保型高性能水基鉆井液體系，包括ULTRADRIL體系、KLA-SHIELD體系和HydraGlyde體系。其中新型的井壁穩定水基鉆井液體系ULTRA-DRIL，主要使用了頁巖穩定劑ULTRAHIB、聚合物包被劑ULTRACAP和鉆速增效劑ULTRAFREE等3種主劑，該體系能夠提供良好的抑制性、潤滑性、井眼凈化能力和高的機械鉆速，其無毒性使鉆井作業產生的鉆屑可直接排放，完鉆后鉆井液可回收使用，大大降低了鉆井成本。目前該體系已成功用于環境敏感地區的高活性頁巖鉆井、深水鉆井。

KLA-SHIELD體系主要使用了液體聚胺頁巖抑制劑KLA-STOP、聚合物包被抑制劑IDCAPD、架橋劑SAFE-CARB、兩種潤滑劑LOTORQ和LUBE-776等，已成功用于北美Alaska頁巖區塊、越南和沙特的海上深水鉆井。HydraGlyde體系主要由低分子量聚合物包被劑HydraCap、胺基頁巖抑制劑HydraHib和鉆速改進劑HydraSpeed組成，在德克薩斯的Wolfcamp頁巖區應用，可提高鉆速21%，降低摩阻22%。

為進一步解決頁巖封堵問題，M-ISwaco公司聯合高?？蒲腥藛T根據頁巖微裂縫發育的特點和物理封堵原理，引入納米技術，測試評價了6種商業化納米改性粒子在膨潤土基漿和低固相鉆井液中對Atoka頁巖的作用。納米粒子的加入可顯著降低Atoka頁巖的滲透率，當納米二氧化硅粒徑為7~15nm、加量為10%時，封堵效果最佳。他們首次證明，商業納米硅可用于水基鉆井液對頁巖有效封堵。

M-ISwaco公司還根據北美Marcellus頁巖特性，對商品納米SiO₂顆粒進行改性研制了新型納米封堵劑，顆粒尺寸在5~100nm間可變，并形成了配套的新型水基鉆井液體系。該體系主要由改性黃原膠提切劑、聚合物降濾失劑、合成樹脂、聚合醇混合物、特定的潤滑劑及改性納米SiO2封堵劑組成。與鹽水相比，淡水在加入納米SiO2封堵劑的條件下，頁巖滲透降低率達97.2%。通過掃描電鏡對納米封堵劑鉆井液處理過的頁巖進行觀察，發現研制的納米封堵劑顆粒尺寸與頁巖孔喉相匹配，對于較大尺寸孔喉，可以通過堆積對其有效封堵。

3.2哈利伯頓公司

哈利伯頓公司研制了HYDRO-GUADR?高性能水基鉆井液，該體系中通過聚胺鹽和鋁酸絡合物提高體系的抑制性，采用快鉆劑防止鉆頭泥包，可變形聚合物封堵劑緊密填充頁巖微裂縫。通過室內Berea砂巖試驗表明，這種鉆井液能在井壁上形成薄而光滑的濾餅。

現場試驗表明，HYDDO-GUADR鉆井液體系不但有良好的井眼穩定性、較高的機械鉆速，而且在較大的溫度范圍內具有較好的流變性，同時是一種對環境無影響和易生物降解的鉆井液。其已成功應用于沙特、埃及、非洲、墨西哥灣等地的活性泥頁巖地層及深水鉆井。

為進一步提高頁巖穩定性，哈利伯頓公司研制了EZ-MUDGOLD體系，主要通過KCl、NaCl和乙二醇類處理劑GEM?的協同作用來增強對頁巖的抑制性，適用于高活性頁巖、易卡鉆泥包地層，已應用于頁巖氣水平井和深水鉆井。

針對北美Haynesville、Fayetteville、Barnett三大頁巖氣產區，哈里伯頓的研究人員分別為其量身設計了一套水基鉆井液體系并成功應用。他們首先通過X射線衍射(XRD)對三大產區的巖心進行分析，然后根據其不同特點及作業需求設計了3種不同的水基鉆井液，分別命名為SHALEDRILH、SHALEDRILF、SHALEDRILB。三種體系分別應用于路易斯安那紅河區的Haynesville頁巖、阿肯色范布倫縣Fayetteville頁巖和德克薩斯登頓的Barnett頁巖，能夠抑制頁巖水化膨脹，保持井壁穩定，取得了良好的應用效果。

3.3貝克休斯公司

貝克休斯公司開發了專用于頁巖氣儲層的PERFORMAX水基鉆井液，主要由成膜封堵劑MAX-SHIELD、穩定劑MAX-PLEX、抑制劑MAXGUARD、聚合物包被劑NEW-DRILL和防泥包劑PENETREX組成。該體系主要是把聚合醇的濁點和鋁的化合作用相結合，極大提高了水基鉆井液抑制性，對頁巖孔隙和微裂縫具有效的封堵作用，能夠提高機械鉆速，適用于大斜度、大位移井、井下情況復雜但因環保限制而不能使用油基鉆井液的情況。

2012年，他們進一步開發了新型的高性能頁巖氣水基鉆井液體系———LATIDRILL，該體系主要采用一種特殊的井壁穩定劑，在物理性能上保證井壁的完整性和抑制頁巖水化膨脹；采用一種特殊的潤滑劑來降低摩阻和提高鉆度；通過降低孔隙壓力傳遞，將鉆井液漏失降至最低甚至為零，表現出可與油基鉆井液相媲美的性能和成本效益，且具有更好的環境友好性。經實驗室評價和現場應用證實，LATIDRILL水基鉆井液成本效益與油基鉆井液相當，有時甚至高于油基鉆井液。

針對沙特的非常規水平井和大位移井的技術難點，以及高分辨率成像測井需求，貝克休斯研究人員分析了該區的各種巖心和鉆屑樣品，將LATIDRILL體系改進，引入納米材料以進一步封堵頁巖微裂縫和避免流體入侵地層，設計了專用的高性能水基鉆井液體系，現場應用水平井垂深1500~3000m，水平段長1000~2000m，摩擦系數由0.29降到0.11，但鉆井液密度只有1.12g/cm3。

2013年，貝克休斯引入納米技術，將鋁基高性能水基鉆井液改進，在喀麥隆海上平臺應用了5口井，這是納米技術在水基鉆井液中的第一批商業應用?，F場應用表明，所選的高性能水基鉆井液具有優異的頁巖穩定性和粘土/鉆屑抑制性，能夠提高ROP、減少泥包和沉積、減少摩阻和扭矩，實現了現場施工所需的作業性能和對環境零影響的目標。

3.4Newpark公司

Newpark公司研制了環保型高性能水基鉆井液Evolution體系，該體系無粘土，核心處理劑包括聚合物增粘劑EvoVis、專有環保型潤滑劑EvoLube和流型調節劑EvoMod，已用于北美密西西比河、HaynesvilleShale、Barnett頁巖和加拿大頁巖區塊，鉆速和潤滑性能優于或與油基鉆井液相當，還可用于高度裂縫性碳酸鹽巖儲層，現場試驗水平段長達2010m。Newpark鉆井液公司的另一高性能水基鉆井液體系FlexDrillTM是一種特殊的硅酸鹽體系，采用一種0.5%~1.5%無水硅酸鉀粉末，克服了一般硅酸鹽體系的缺點；該體系現場易配制，可節約運輸成本，同時滿足環保要求，鉆屑可直接排放。

3.5新型納米處理劑

MkpoikanaR等介紹了一種通過優化鉆井液的方法來提高頁巖的穩定性。他們基于頁巖/流體相互作用機制，通過浸泡實驗分析了頁巖強度變化，優選出一種聚合物鉆井液配方，當鉆井液中添加10%氯化鈉、5%物理封堵劑和10%富含二氧化硅納米材料時，選擇的頁巖樣品浸泡后巖石強度保留率最高。當使用該體系時，地層剪切破碎壓力降為1.03g/cm3，遠遠低于原鉆井液體系的密度(1.31g/cm3)，有助于提高井壁穩定性。

多數研究表明，納米二氧化硅封堵劑在水基鉆井液中加量為10%或更高時才能起到有效的封堵作用，且必須使用表面活性劑或超聲分散才能將其均勻分散在鉆井液中，潛在地增加了鉆井液成本。Taraghikhah等優選出一種粒徑范圍為1~60nm的納米二氧化硅，不使用表面活性劑，直接將其添加到鉆井液基漿中攪拌混合，當加量為1%時，頁巖滾動回收率即可提高26%，泥餅摩擦系數降低69%，能夠有效改善流變性，但對濾失量作用不大，表現出良好的綜合性能。

基于納米二氧化硅的優化加量和其多功能性，對同一聚合物鉆井液體系，使用納米二氧化硅與使用常規的頁巖抑制劑相比，鉆井液成本便宜了7USD/bbl，有望替代普通鉆井液處理劑。

除了納米二氧化硅已被證明可用作頁巖氣水基鉆井液的封堵劑，國外學者們對其他商品化納米材料也進行了大量的研究。Kosynkin等發現，氧化石墨烯可用作高溫水基鉆井液的降濾失劑，當片狀石墨烯與粉狀石墨烯比例為3∶1時，降濾失效果最佳，API濾失量為6.1mL，泥餅厚度20μm；而標準聚合物黏土漿的API濾失量為7.2mL，泥餅厚度280μm。與黏土基降濾失劑相比，石墨烯溶液具有更強的剪切稀釋性和高溫穩定性。

Scomi公司與技術合作伙伴一起開發了一系列納米石墨烯工程產品，其中一種石墨烯改性產品可以為水基鉆井液提供優良的潤滑性和熱穩定性。與常規潤滑劑作用機理不同，該石墨烯產品在作用過程中，可滲透到管狀金屬的微觀孔隙，通過化學鍵鍵接在金屬表面，高壓作用下形成一個自修復保護膜，該保護膜不受環境液體影響，可持續在金屬表面上作用，因此，潤滑劑的消耗速率和加量都非常低。測試表明，對同一鹽水聚合物鉆井液，該石墨烯產品可將扭矩降低70%~80%，而傳統酯基潤滑劑只減少30%~40%。

在緬甸陸上高溫高壓井現場試驗表明，該石墨烯產品抗溫可達176℃；加量為2%~3%時，可將ROP提高125%，實際鉸孔扭矩減少20%，鉆頭的壽命增加75%，摩擦系數由0.21降到0.08，這與常用合成基鉆井液的摩擦系數（小于0.1）相近。

SwaminathanPonmani等研究了不同濃度CuO和ZnO納米溶液對黃原膠、PEG600和PVP鉆井液基漿的熱性能、電學性能和降濾失性的影響，CuO和ZnO納米溶液加入到鉆井液基漿后，抗溫性能明顯提高，濾失量明顯降低，還直接影響其在井下的冷卻效率。

Jayanth等用表面活性劑與SiO2納米粒子、CaCO₃納米粒子、聚合物同時對鉆井液進行改性，發現加入納米粒子后，鉆井液的API濾失量明顯降低，封堵性能明顯提高。Abdo制備了3~5nm改性納米有機黏土，有效控制了鉆井液在高溫高壓環境下的流變性，確保了鉆井液參數和性能的穩定。

Haneef將6~10nm的棒狀納米ZnO用于改性有機黏土，保持了鉆井液膠體體系的懸浮穩定性，使鉆井液顆粒分散更均勻。Li評價了纖維素納米晶體對膨潤土淡水漿中的作用，其主要起到流型調節劑的作用，當與PAC復配使用時可起到協同增效作用，使得鉆井液的流變性和降濾失性大大改善；同時其價格便宜，綠色環保，利于實現高效安全環保鉆井的目標。

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