頁巖氣鉆井液技術(shù)發(fā)展方向

王道勇，高 陽，譚千竹

(1. 中國石油川慶鉆探工程公司 鉆井液技術(shù)服務(wù)公司，四川 成都 610056； 2. 成都理工大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610059)

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頁巖氣鉆井液技術(shù)發(fā)展方向

王道勇1,2，高 陽1，譚千竹1

(1. 中國石油川慶鉆探工程公司 鉆井液技術(shù)服務(wù)公司，四川 成都 610056； 2. 成都理工大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610059)

鉆井液是鉆井的“血液”，是頁巖氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。開展頁巖氣鉆井液技術(shù)攻關(guān)是實(shí)現(xiàn)頁巖氣綠色可持續(xù)發(fā)展的必要條件。但頁巖氣鉆井液技術(shù)如何發(fā)展，國內(nèi)外鮮有報(bào)道。針對(duì)我國頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀，總結(jié)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)從低成本、綠色環(huán)保、保護(hù)儲(chǔ)層等方面分析了頁巖氣鉆井液技術(shù)發(fā)展方向，以期加快頁巖氣鉆井液技術(shù)發(fā)展，為頁巖氣勘探開發(fā)提供有力保障。

頁巖氣；鉆井液；發(fā)展方向

天然氣作為一種清潔能源，世界范圍內(nèi)對(duì)天然氣的需求呈快速上升趨勢(shì)，中國也不例外。為應(yīng)對(duì)不斷上升的天然氣消費(fèi)需求，2012年國家發(fā)布了《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2011-2015)》，明確要求推進(jìn)頁巖氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)利用，緩解我國天然氣供需矛盾。2016年5月，川南頁巖氣勘查開發(fā)試驗(yàn)區(qū)正式啟動(dòng)，規(guī)劃到2025年，頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)與2020年相比，至少要翻一番，頁巖氣的勘探開發(fā)迎來了歷史性的機(jī)遇。雖然威遠(yuǎn)、長寧—昭通、涪陵頁巖氣示范區(qū)均投入了大規(guī)模商業(yè)化開采，但我國頁巖氣資源調(diào)查與勘探開發(fā)整體上仍處于探索起步階段，與國外相比差距較大。

1 頁巖氣鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

從目前頁巖氣勘探開發(fā)來看，頁巖氣地層層理發(fā)育、強(qiáng)度低、脆性大、易發(fā)生應(yīng)力性失穩(wěn)垮塌，且高活性泥頁巖水化分散極易引起鉆井液中黏土含量上升，導(dǎo)致泥餅虛厚、鉆井液黏切升高、流變性難以控制，研究一種適用于頁巖氣勘探開發(fā)的鉆井液體系迫在眉睫。傳統(tǒng)的強(qiáng)抑制性水基鉆井液難以應(yīng)用于長水平段頁巖氣開發(fā)，國內(nèi)外較為成熟的技術(shù)是采用油基鉆井液，但是開發(fā)一種高效水基鉆井液已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

2 頁巖氣鉆井液技術(shù)發(fā)展方向分析

2.1低成本

頁巖氣是一種非常規(guī)天然氣，主要吸附或游離在賦存于富有機(jī)質(zhì)的頁巖及其夾層中。但頁巖儲(chǔ)層滲透率低，單井產(chǎn)量低，資金回報(bào)率慢，加之國內(nèi)頁巖氣開采技術(shù)不成熟，開采難度大且開采成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)油氣。為加快頁巖氣勘探開發(fā)，中央財(cái)政對(duì)頁巖氣開采給予一定補(bǔ)貼，“十二五”期間的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.4元/m3。但該標(biāo)準(zhǔn)并非一成不變，將會(huì)根據(jù)頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況及時(shí)調(diào)整。地方財(cái)政也可對(duì)頁巖氣勘探開發(fā)給予適當(dāng)補(bǔ)貼，補(bǔ)貼辦法各地不盡相同。雖然“十三五”期間，中央財(cái)政仍將對(duì)頁巖氣開采進(jìn)行補(bǔ)貼，但補(bǔ)貼力度逐步削減，具體從2016年的0.3元/m3下降到2020年的0.2元/m3。

國際油價(jià)自2014年出現(xiàn)斷崖式下跌以來，持續(xù)在低位震蕩，建設(shè)方紛紛控制上游投資應(yīng)對(duì)低油價(jià)挑戰(zhàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2015年全球百余家石油企業(yè)上游投資比2014年減少25%，預(yù)計(jì)2016年將繼續(xù)減少，短期內(nèi)也難有改觀，降低油氣開發(fā)成本已成大勢(shì)所趨。面對(duì)油氣“寒冬”，工程技術(shù)服務(wù)企業(yè)競爭趨于白熱化。鉆井液技術(shù)服務(wù)市場(chǎng)也面臨諸多挑戰(zhàn)，國外公司、國有企業(yè)、民營企業(yè)同臺(tái)競爭，價(jià)格戰(zhàn)異常激烈。作為頁巖氣鉆井液前沿技術(shù)之一的高性能水基鉆井液，國外貝克休斯、哈里伯頓等知名公司，國內(nèi)科研院所、高校、工程技術(shù)服務(wù)企業(yè)紛紛投入研究。因此，誰掌握了核心技術(shù)并有效降低了成本，誰必然能以較低的價(jià)格優(yōu)勢(shì)在激烈的市場(chǎng)競爭中殺出一條血路來。故降低成本成為頁巖氣鉆井液技術(shù)發(fā)展的重中之重。

2.2綠色環(huán)保

油基鉆井液具有良好的潤滑性、防塌抑制性、抗污染性，能夠有效解決頁巖氣鉆井難題，成為頁巖氣長水平段鉆井的首選。但是高昂的油基鉆井液成本與頁巖氣低成本開發(fā)極不協(xié)調(diào)?！秶椅ｋU(xiǎn)廢物名錄》(2008年8月1日)明確列入了含油巖屑，使用油基鉆井液鉆井過程中產(chǎn)生的大量含油鉆井廢棄物處理工藝復(fù)雜、成本偏高，2015年新《環(huán)境保護(hù)法》正式實(shí)施，對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來越高。高昂的成本和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)大大限制了油基鉆井液使用范圍。如何解決成本和環(huán)境污染問題成了當(dāng)下改善鉆井液的關(guān)鍵[1]，開發(fā)一種可以替代油基鉆井液的高效水基鉆井液成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。國外，如斯倫貝謝M-I公司的ULTRADRIL、貝克休斯公司的PERFORMAX、哈利伯頓公司針對(duì)北美部分頁巖氣產(chǎn)區(qū)開發(fā)出的SHALEDRIL系列水基鉆井液技術(shù)[2]，已取得成功，并得到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。在北美頁巖油氣開發(fā)中，油基鉆井液占 70%左右，水基鉆井液占30%[3]。

國內(nèi)，正電膠防塌聚合物鉆井液、有機(jī)鹽聚合醇鉆井液、陽離子乳液聚合物鉆井液等體系相繼用于頁巖氣開發(fā)。但最有代表性的是高性能水基鉆井液。中國石油集團(tuán)也加大人力、物力投入，目前已成功開發(fā)出CQH-M1、DRHPW-1兩套鉆井液體系。由川慶鉆探工程公司研究的CQH-M1體系采用無土相、高效封堵、復(fù)合抑制等方法，在長寧、威遠(yuǎn)等區(qū)塊開展應(yīng)用，效果較好。由長城鉆探工程公司研究的DRHPW-1體系具有抑制、封堵性強(qiáng)，潤滑性好以及熱穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到油基鉆井液水平，在浙江油田昭通區(qū)塊應(yīng)用成功。兩套體系在國內(nèi)頁巖氣水平井高性能水基鉆井液實(shí)現(xiàn)了零的突破。中國石油大學(xué)(華東)、西南石油大學(xué)、仁智油服、安東石油等單位相繼開發(fā)高性能水基鉆井液?！八嬗汀币殉蔀轫搸r氣鉆井液發(fā)展的重要方向，但是從鉆井液處理劑綠色環(huán)保到鉆井液體系本身綠色環(huán)保仍然需要重點(diǎn)攻關(guān)。

2.3個(gè)性化

每一種鉆井液體系必然有其局限性，而且油氣儲(chǔ)藏地質(zhì)條件多變，僅僅研究一種鉆井液體系勢(shì)必?zé)o法滿足頁巖氣勘探開發(fā)。有人利用頁巖礦物學(xué)和井底溫度等非常規(guī)頁巖氣儲(chǔ)層中的關(guān)鍵因素，打破“用一種水基鉆井液來實(shí)現(xiàn)全球頁巖氣開發(fā)”的思想，提出了基于給定頁巖參數(shù)詳細(xì)分析的客制化服務(wù)，分析不僅包括頁巖形態(tài)和巖性，還包括鉆井方案、環(huán)境因素和其它儲(chǔ)層專用考慮因素[4]。

因此，頁巖氣鉆井液技術(shù)方案必須詳細(xì)研究每個(gè)區(qū)塊甚至每口井的地質(zhì)構(gòu)造情況、當(dāng)?shù)丨h(huán)境因素、地理位置等，針對(duì)難點(diǎn)，具體問題具體分析，從鉆井液設(shè)計(jì)開始，考慮到各種可能遇到的復(fù)雜情況，編制詳細(xì)的施工方案，施工中，及時(shí)調(diào)整方案，保證井下順利。美國頁巖氣開發(fā)，針對(duì)不同的泥頁巖，同時(shí)考慮環(huán)境、成本、維護(hù)等多種因素來進(jìn)行鉆井液體系選擇。其中美國東北Marcellus(馬塞盧斯)頁巖，基于環(huán)境考慮，采用合成基鉆井液；Haynesville頁巖，采用柴油基鉆井液；Barnet頁巖，水平段采用油基鉆井液[5]。川慶鉆井液公司在這方面做了大量努力，針對(duì)長寧、威遠(yuǎn)、巫溪等不同區(qū)塊，分別研究出高密度、低密度、抗高溫、不含礦物油等多種高性能水基鉆井液體系。同時(shí)，針對(duì)井漏、垮塌、強(qiáng)水敏等不同情況，制定了相應(yīng)解決方案。在解決實(shí)際問題的同時(shí)，也滿足了客戶多元化的需求。由此可見，個(gè)性化的鉆井液體系也成為頁巖氣鉆井液技術(shù)發(fā)展方向之一。

2.4將納米材料應(yīng)用于鉆井液

納米技術(shù)是指利用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的技術(shù)。納米材料的結(jié)構(gòu)尺寸在0.1～100 nm范圍內(nèi)。當(dāng)物質(zhì)達(dá)到納米尺度以后，其性能就會(huì)發(fā)生突變。頁巖氣鉆井液技術(shù)作為前沿研究領(lǐng)域，每一種鉆井液體系勢(shì)必要有核心處理劑。如果能夠?qū)⒓{米技術(shù)和鉆井液技術(shù)完美結(jié)合，必定會(huì)為鉆井液性能調(diào)控帶來意想不到的收獲。有研究表明[6]，利用納米材料獨(dú)特的性能，能有效降低鉆井液體系摩阻，增強(qiáng)泥餅質(zhì)量，并在井壁形成一層致密的膜，這對(duì)鉆井液技術(shù)的發(fā)展將起到革命性的推動(dòng)作用，能在一定程度上解決目前水基鉆井液在長頁巖水平段遇到的難題。

納米材料顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高。因此，納米材料具有很高的表面活性，可以很好吸附在井壁、鉆具表面，將水平段滑動(dòng)鉆進(jìn)中滑動(dòng)摩擦阻力轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，有效降低摩阻，大大改善水基鉆井液的潤滑性。頁巖氣儲(chǔ)層的一個(gè)顯著特征是低孔特低滲，其滲透率屬納達(dá)西級(jí)，孔隙度只有3%～5%[7]。利用納米材料小尺寸效應(yīng)，納米材料一旦滲入頁巖地層微裂縫后，可有效封堵，阻止鉆井液濾液進(jìn)入地層，保護(hù)油氣層，同時(shí)抑制頁巖地層垮塌。M-I SWACO公司將納米硅材料加入鉆井液中，形成改性納米硅水基鉆井液，該鉆井液配方和維護(hù)簡單，表現(xiàn)出較好的流變性，井眼穩(wěn)定性好，且對(duì)環(huán)境友好[4]。

2.5助推鉆井提速提效

鉆井液是鉆井工程的“血液”，為油氣勘探提供保障并助推鉆井提速提效是任何一種鉆井液的神圣使命，也是鉆井液工程師永恒的追求。當(dāng)然，頁巖氣鉆井液也不例外。低油價(jià)挑戰(zhàn)下，只有助推鉆井提速提效，不斷降低鉆井成本，鉆井液技術(shù)才有生存發(fā)展空間。川慶鉆探公司在頁巖氣鉆井提速方面實(shí)力強(qiáng)勁。2011年，威201-H1井鉆井周期由威201井的121.17 d縮短到34.39 d，機(jī)械鉆速也從2.23 m/h上升到10.88 m/h。2015年，高性能水基鉆井液助長寧H13-3井創(chuàng)日進(jìn)尺301.4 m新紀(jì)錄。從實(shí)際用效果看，水基鉆井液較油基鉆井液提速至少可達(dá)20%。在當(dāng)前的大環(huán)境下，充分發(fā)揮鉆井液技術(shù)特點(diǎn)，提高機(jī)械鉆速是很重要的研究課題。同時(shí)，加強(qiáng)與鉆井工程溝通，提供優(yōu)質(zhì)的鉆井液技術(shù)服務(wù)減少井下事故復(fù)雜，縮短非生產(chǎn)時(shí)間也大有可為。顯著降低鉆井成本，鉆井、鉆井液抱團(tuán)取暖，共同應(yīng)對(duì)低油價(jià)挑戰(zhàn)，是當(dāng)務(wù)之急。

3 結(jié) 語

通過總結(jié)國內(nèi)外頁巖氣鉆井液技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提出了低成本、綠色環(huán)保、個(gè)性化、與納米技術(shù)相結(jié)合、助推鉆井提速提效等5大頁巖氣鉆井液技術(shù)發(fā)展方向，為頁巖氣鉆井液技術(shù)研究提供了一定參考?！八嬗汀笔琼搸r氣鉆井液技術(shù)發(fā)展的大勢(shì)所趨，持續(xù)加強(qiáng)水基鉆井液攻關(guān)是目前當(dāng)務(wù)之急。現(xiàn)階段水基鉆井液還不成熟，油基鉆井液憑借突出的優(yōu)點(diǎn)，在部分高難度復(fù)雜井開發(fā)中仍然占有一席之地，實(shí)現(xiàn)“水替油”需要一個(gè)過程。

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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，助理工程師，研究方向：鉆井液工藝、化學(xué)工程，手機(jī)：13568952343，E-mail：wangdy1_sc@cnpc.com.cn

TE254

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