頁(yè)巖氣鉆井液技術(shù)的應(yīng)用研究

李倩

摘要：由于頁(yè)巖層一般發(fā)育有較多裂縫且具有強(qiáng)水敏性，因此在鉆井過(guò)程中常采用叢式水平井和淺層大位移井，尤其在鉆至長(zhǎng)水平段時(shí)發(fā)生井漏、垮塌及縮徑等井下事故的概率較大，此外還有攜巖、摩阻、地層污染等問(wèn)題，故在開(kāi)采頁(yè)巖氣過(guò)程中，井壁穩(wěn)定、巖屑處理、降阻減摩這些要求對(duì)鉆井液的選擇十分重要。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣鉆井液技術(shù);頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性;油基鉆井液;水基鉆井液

1?頁(yè)巖氣鉆井液的技術(shù)關(guān)鍵

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)采用的水平井類(lèi)型主要包括淺層大位移井和叢式水平井，且需在長(zhǎng)水平段通過(guò)分段壓裂技術(shù)改造儲(chǔ)層。由于頁(yè)巖層發(fā)育有較多裂縫且具有強(qiáng)水敏性，鉆井過(guò)程中發(fā)生井漏、垮塌及縮徑的概率較大，及在長(zhǎng)水平段易造成攜巖困難、摩阻大、地層污染，鉆井液的性能直接關(guān)系到鉆井效率、儲(chǔ)層保護(hù)效果、井下復(fù)雜情況的發(fā)生概率。因此，頁(yè)巖氣鉆井液技術(shù)的關(guān)鍵就是井壁穩(wěn)定、降阻減摩和井眼清洗等技術(shù)。

（1）井壁的穩(wěn)定性差：頁(yè)巖的不穩(wěn)定導(dǎo)致了頁(yè)巖氣鉆井中70%以上的井筒故障，當(dāng)鉆井液透過(guò)地層裂縫和較弱的頁(yè)巖層層面時(shí)，鉆井液與頁(yè)巖之間的作用會(huì)對(duì)頁(yè)巖的強(qiáng)度和孔隙壓力產(chǎn)生影響，最終降低頁(yè)巖的穩(wěn)定性。因此，在頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中，井壁的穩(wěn)定性問(wèn)題不容忽視。

（2）高扭矩和高摩阻：布井采用淺層大位移水平井方式時(shí)，其在定向造斜段的造斜率較高，尤其在斜井段進(jìn)行滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，定向過(guò)程中易在井壁形成小臺(tái)階，在起下鉆過(guò)程中造成鍵槽。因此鉆具與井壁間在水平段定向滑動(dòng)鉆進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大摩擦力，正常鉆進(jìn)過(guò)程中造成鉆頭扭矩變大，此外，因?yàn)樗蕉伍L(zhǎng)、井眼曲率大，會(huì)造成套管自由下滑時(shí)重力小且摩阻大的現(xiàn)象，所以下套管過(guò)程中易發(fā)生粘卡，因此頁(yè)巖氣開(kāi)采對(duì)鉆井液的潤(rùn)滑性也具有很高的要求。

（3）巖屑清除困難：水平井造斜過(guò)程中井斜變化較大、頁(yè)巖發(fā)生坍塌及井中巖屑自重都會(huì)使得井眼清潔困難;井眼環(huán)空的間隙小，泵壓高，排量被限制，所以鉆井過(guò)程很容易形成巖屑床，以至于摩阻更大、扭矩更大和井下發(fā)生故障的幾率更大。因此鉆井液的攜巖清砂能力及流變性也顯得更加重要。

綜上，頁(yè)巖氣水平井的鉆井液考慮到頁(yè)巖易膨脹和易破碎的特點(diǎn)，其必須具有攜巖能力強(qiáng)、潤(rùn)滑性好、封堵能力強(qiáng)及抑制性強(qiáng)的特征。

2?提高頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性的方法

（1）低滲頁(yè)巖：鉆井液活度低于孔隙液活度的時(shí)候，孔隙液會(huì)產(chǎn)生滲透回流現(xiàn)象，該現(xiàn)象會(huì)平衡水力流動(dòng)，從而降低水化及孔隙壓力的升高速度，使得增加近井壁有效應(yīng)力和地層強(qiáng)度，使井眼穩(wěn)定性加強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)CaCl2鉆井液或高礦化度的聚合物鉆井液的使用可達(dá)到降低鉆井液的活性的目的，從而降低鉆井液和頁(yè)巖之間相互作用的總壓力。若選用高含量的CaCl2、KCOOH和Al3+鹽，則可使得孔隙壓力降低、頁(yè)巖發(fā)生脫水及在近井地帶的化學(xué)變化形成協(xié)同作用，最終頁(yè)巖井壁的穩(wěn)定性獲得提高。

（2）高滲頁(yè)巖：可考慮使用封堵劑對(duì)其封堵。因?yàn)槿粼嫉貙右呀?jīng)被壓裂，就算采用低活度的水基鉆井液，也不一定能穩(wěn)定井壁。此時(shí)，通過(guò)降低頁(yè)巖滲透率從而降低水力傳導(dǎo)率的方法有：考慮封堵作用與滲透回流作用的相互配合，或者通過(guò)提高液體的濾液黏度;采用高濃度的低相對(duì)分子質(zhì)量聚合物及低相對(duì)分子質(zhì)量的增黏劑;采用低密度鉆井液及觸變性鉆井液，從而盡可能地使鉆井液對(duì)頁(yè)巖縫隙的滲透能力降低。

（3）油基鉆井液的使用會(huì)增加水濕性頁(yè)巖的毛細(xì)管力，從而使鉆井液對(duì)頁(yè)巖的滲透現(xiàn)象減弱，所以油基鉆井液和合成基鉆井液的使用對(duì)于解決頁(yè)巖井壁不穩(wěn)定的作用十分明顯。但是若頁(yè)巖地層裂縫或?qū)永戆l(fā)育，則還要結(jié)合強(qiáng)化封堵的方式，來(lái)減少鉆井液對(duì)地層產(chǎn)生的壓力傳遞。

3?頁(yè)巖氣鉆井液體系

3.1?選擇原則

頁(yè)巖氣開(kāi)采既可使用油基鉆井液、合成基鉆井液，也可以使用水基鉆井液，只要能夠滿(mǎn)足鉆井過(guò)程中井壁穩(wěn)定、防卡、潤(rùn)滑和井眼易清洗的要求。

水基鉆井液的關(guān)鍵是具有良好的封堵能力和抑制性，可通過(guò)降低鉆井液濾液的水力流動(dòng)使得提高頁(yè)巖的穩(wěn)定性。例如以下具有強(qiáng)抑制性和封堵能力的水基鉆井液：胺基抑制性鉆井液、甲基葡萄糖甙鉆井液、聚合醇鉆井液以及鋁基鉆井液等。此外，還要考慮到鉆井液的潤(rùn)滑性、降低摩阻及儲(chǔ)層保護(hù)。

但是從具體的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)看，低活度的水基鉆井液只能減少滲入頁(yè)巖層的水量，并不能有效提高井壁穩(wěn)定性，油基鉆井液由于可增加水濕性頁(yè)巖的毛細(xì)管力，從而有效降低鉆井液對(duì)頁(yè)巖的滲透速度。因此，針對(duì)頁(yè)巖氣水平井鉆井，油基鉆井液和合成基鉆井液具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，需要注意的是，若頁(yè)巖層層理較發(fā)育，則要適時(shí)配合封堵，防止鉆井液漏失造成井壁坍塌。

3.2?不同鉆井液體系的對(duì)比

（1） 油基鉆井液

優(yōu)點(diǎn)：不容易卡鉆，潤(rùn)滑性能較好;井壁穩(wěn)定性較好，抑制性能強(qiáng);在高溫高壓下的濾失量低，熱穩(wěn)定性較好;基本無(wú)腐蝕性;抗污染能力較強(qiáng)，維護(hù)處理的工作量小;對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)效果較好。

缺點(diǎn)：成本較高，后續(xù)的工作量較大;不太環(huán)保;溫度對(duì)流變性能的影響較大;循環(huán)漏失的趨勢(shì)較高;對(duì)天然氣浸探測(cè)有影響。

（2） 水基鉆井液

優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)較環(huán)保;溫度對(duì)流變性能的影響較小;成本相對(duì)較低;天然氣浸容易發(fā)現(xiàn);發(fā)生井漏時(shí)易處理。

缺點(diǎn)：井壁穩(wěn)定性較差;熱穩(wěn)定性相對(duì)較差，高溫時(shí)易凝膠化;抗污染性能差，維護(hù)處理的工作量較大;潤(rùn)滑防卡的能力弱。

3.3?研究方向

有實(shí)驗(yàn)表明，在應(yīng)用高礦化度（35%的CaCl2）的水基鉆井液于活性頁(yè)巖時(shí)，活性頁(yè)巖隨即出現(xiàn)失水現(xiàn)象，即活性頁(yè)巖的水分被反吸到水基鉆井液中，這十分利于井壁穩(wěn)定性的提高。所以水基CaCl2/聚合物鉆井液的研究對(duì)頁(yè)巖層的抗污染和鉆井液成本的降低都迫在眉睫。需要繼續(xù)改進(jìn)和深入研究的是鉆井液體系的穩(wěn)定性的提高及其配伍的處理劑配方。

對(duì)油基鉆井液與水基鉆井液做以對(duì)比可知，油基鉆井液在目前應(yīng)用情況中更具有優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)該優(yōu)先考慮油基鉆井液應(yīng)用于頁(yè)巖氣水平井鉆井，當(dāng)然在油基鉆井液體系應(yīng)用過(guò)程中也要結(jié)合現(xiàn)狀適時(shí)改進(jìn)其添加劑，比如：降濾失劑、封堵劑、乳化劑、潤(rùn)濕劑及提黏切劑等，從而使得油基鉆井液體系不斷發(fā)展和完善，趨于低毒或者無(wú)毒。

4?小結(jié)

在頁(yè)巖氣的水平井開(kāi)發(fā)中國(guó)外使用頻率較高的是油基鉆井液，而在我們國(guó)內(nèi)，頁(yè)巖氣水平井的開(kāi)發(fā)才屬于起步階段。頁(yè)巖具有容易膨脹和破碎的特征，所以鉆井難度很大，危險(xiǎn)系數(shù)較高，因此頁(yè)巖層井壁穩(wěn)定性的提高和適合頁(yè)巖鉆井的鉆井液體系的研究對(duì)于安全鉆井來(lái)說(shuō)十分重要。對(duì)于油基鉆井液體系來(lái)說(shuō)，應(yīng)在應(yīng)用過(guò)程中繼續(xù)研究低毒甚至無(wú)毒的鉆井液體系及可逆乳化的鉆井液體系。對(duì)于水基鉆井液體系來(lái)說(shuō)，研究降低鉆井液的活度從而增強(qiáng)其對(duì)頁(yè)巖的抑制性能和封堵性能，改善鉆井液的潤(rùn)滑性能、防卡性能和攜巖能力，以及不同水基鉆井液體系的協(xié)同作用都迫在眉睫。

參考文獻(xiàn)：

[1] Wenwu He，Sandra L.Gomez，Russell S.Leonard，and David T.Li.Shale-Fluid Interactions and Drilling Fluid Designs[J].IPTC 17235，2014，1～12.

[2] 王中華.國(guó)內(nèi)外鉆井液技術(shù)進(jìn)展及對(duì)鉆井液的有關(guān)認(rèn)識(shí)[J].中外能源，2011，16（1）：48～60.