頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)的難點(diǎn)及選用原則

＊吳雪平

（中石化江漢石油工程有限公司鉆井一公司 湖北 433100）

頁(yè)巖氣是我國(guó)重要的資源，這也是一種天然氣資源，在頁(yè)巖氣開采過(guò)程中，相關(guān)技術(shù)人員沒有深入分析頁(yè)巖氣開發(fā)勘探工作的要點(diǎn)，再加上我國(guó)對(duì)于頁(yè)巖氣的研究時(shí)間比較短暫，在實(shí)際工作中存在較多的限制，因此很難順利開展日常工作，需要進(jìn)一步提高頁(yè)巖氣開采水平，保障整體工作質(zhì)量。本文通過(guò)分析頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)的難點(diǎn)和選用選擇等方面，顯著提高整體工作質(zhì)量和安全性，高質(zhì)量的開展頁(yè)巖氣開發(fā)工作。

1.概述水平井鉆井液技術(shù)

在油氣資源勘探開發(fā)過(guò)程中水平井技術(shù)發(fā)揮著重要的作用，在80年代末為了提高勘探開發(fā)效益，世界各地的油氣公司開始建設(shè)水平井，通過(guò)提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，突出了水平井的優(yōu)勢(shì)，降低油田勘探開發(fā)成本，快速回收投入的資金，同時(shí)可以減少環(huán)境污染等問(wèn)題。水平井在鉆井階段，傾斜角的變化值在0°～90°范圍內(nèi)，因此水平井和直徑鉆之間具有一定的差別，為了保護(hù)油氣層，需要嚴(yán)格選擇鉆井液，此外需要解決井眼凈化和井壁穩(wěn)定以及摩阻控制等問(wèn)題。

(1)井眼凈化

在水平井鉆井過(guò)程中，井眼凈化屬于重要的一部分，如果無(wú)法保障井眼凈化效果，將會(huì)增加磨鉆和扭矩，還會(huì)發(fā)生卡鉆問(wèn)題，不利于順利開展下套管和固井作業(yè)。

①井眼凈化的影響因素

A.傾斜角：增大井斜角之后，將會(huì)隨之增大環(huán)空巖屑濃度和臨界流速，因此降低清潔率。B.環(huán)空返速：環(huán)空返速的大小直接關(guān)系到環(huán)空巖屑的運(yùn)移方式和環(huán)空巖屑的濃度，提高環(huán)空勻速之后，將會(huì)降低降低環(huán)空巖屑的濃度，改善井眼凈化情況。降低巖屑床厚度之后，在井眼的下側(cè)將會(huì)形成巖屑床。C.＜45°層流比紊流攜屑效果比較好，合理調(diào)整鉆井液流變性能，通過(guò)改變層流速度剖面平板程度，促使鉆井液處于環(huán)空平板型層流，以此改善井眼凈化效果。D.鉆井液密度：提高鉆井液密度之后有利于攜帶鉆屑。E.鉆柱尺寸：確定井身結(jié)構(gòu)，增大鉆桿尺寸之后，將會(huì)增加環(huán)空返速，有利于攜屑。F.轉(zhuǎn)速：鉆柱的旋轉(zhuǎn)可以攪動(dòng)巖床，有利于去除床面的巖屑。轉(zhuǎn)動(dòng)鉆柱可以控制偏心問(wèn)題，優(yōu)化井眼凈化作用。提高轉(zhuǎn)速，避免鉆井液形成不流動(dòng)層，也可以優(yōu)化井眼凈化效果。鉆柱不僅可以實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)，還可以在井眼周圍進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，更好地?cái)y帶巖屑。G.增大井斜角之后，鉆柱的偏心度直接影響到環(huán)空鉆屑。增大鉆柱偏心度之后，將會(huì)增大巖屑尺寸。

②技術(shù)措施

當(dāng)前在井眼清洗過(guò)程中通常是綜合利用機(jī)械清洗和水力清洗，為了提高水平井凈化水平，可以利用以下措施：A.合理提高環(huán)空返速。B.合理選擇流型和鉆井液流變參數(shù)。C.改變下部鉆具的組合。D.合理提高鉆井液的密度。E.合理轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，或者在上下活動(dòng)。F.控制鉆進(jìn)的速度。

(2)井壁穩(wěn)定

在鉆井工程中，需要保障井壁穩(wěn)定性。出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定的情況主要是因?yàn)榫诔惺艿膽?yīng)力比較大，因此破壞了巖石，在井眼開鉆之前，上覆地層壓力和水平地應(yīng)力以及地層孔隙壓力的共同作用下，可以保持地下巖石的平衡狀態(tài)，鉆開井眼之后，井筒鉆井液柱壓力可以支撐井壁，將會(huì)重新分布井壁周圍的應(yīng)力，如果井筒液柱壓力比較小，那么井壁的應(yīng)力將會(huì)超過(guò)巖石強(qiáng)度，因此破壞井壁四周的巖石。

為了保障井壁穩(wěn)定性，首先需要保障鉆井液密度的合理性，鉆井液密度大于地層坍塌壓力，同時(shí)要小于地層破裂壓力。其次需要優(yōu)化設(shè)計(jì)井身剖面，合理選擇鉆井方位，利用小曲率半徑的井身剖面。再次根據(jù)地層特征合理選擇鉆井液的類型，保障選擇的鉆井液具備抑制性和封堵性。最后需要合理確定環(huán)空返率，避免沖蝕井壁。

(3)摩阻控制

在重力的影響下，將會(huì)增加鉆具和井壁的接觸面積，因此增加了鉆具摩擦阻力和旋轉(zhuǎn)鉆具的扭矩。因此在水平鉆過(guò)程中很容易發(fā)生卡鉆問(wèn)題。一方面需要優(yōu)化設(shè)計(jì)水平井鉆井結(jié)構(gòu)和井身剖面。計(jì)算各種井身結(jié)構(gòu)和井身剖面的摩阻，不僅需要降低摩阻和扭矩，還要減少拐彎井段。另一方面需要優(yōu)選鉆具結(jié)構(gòu)，在大斜度和水平井段需要利用倒置總成。此外需要優(yōu)選鉆井液類型和配方，有效降低鉆井液的濾失量和潤(rùn)滑系數(shù)等，提高泥餅的質(zhì)量。同時(shí)優(yōu)化環(huán)空返速和流型以及鉆井液流變性能，保障井眼的凈化效果，有效降低環(huán)空鉆屑的濃度和厚度等。

2.概述頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)的難點(diǎn)

頁(yè)巖氣水平井鉆井過(guò)程中，需要不斷提高鉆井施工效率。解決頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)各種難點(diǎn)問(wèn)題，利用科學(xué)的技術(shù)完善鉆井液體系，順利實(shí)現(xiàn)預(yù)期工作目標(biāo)，提高整體施工質(zhì)量，滿足頁(yè)巖氣開發(fā)需求。因?yàn)轫?yè)巖氣具有致密性，因此在頁(yè)巖氣水平井鉆井施工中，需要綜合分析鉆井液的技術(shù)難點(diǎn)，提高鉆井施工的安全性。

(1)井壁穩(wěn)定性問(wèn)題

使用頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)之前，工作人員需要分析頁(yè)巖氣開發(fā)中存在的問(wèn)題，明確后續(xù)施工方向，保障整體工作質(zhì)量。在頁(yè)巖氣開發(fā)過(guò)程中，井眼環(huán)境非常復(fù)雜，這是因?yàn)榫谌狈Ψ€(wěn)定性，因此在使用頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)的過(guò)程中存在一些問(wèn)題。分析頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用階段底層裂縫和地底層面相互作用，明顯地改變了頁(yè)巖氣的壓力和強(qiáng)度，因此影響到井壁和頁(yè)巖氣穩(wěn)定性，為了優(yōu)化技術(shù)使用質(zhì)量，需要分析問(wèn)題發(fā)生的原因：①井壁和土層之間產(chǎn)生縫隙，縫隙壓力具有較大的影響力，液體和頁(yè)巖氣之間產(chǎn)生作用力，改變地底黏土層的膨脹應(yīng)力和水化應(yīng)力。改變力之后在地層之間將會(huì)流入液體，頁(yè)巖氣和水之間會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)，整體結(jié)構(gòu)因此發(fā)生膨脹問(wèn)題，逐步擴(kuò)大張力，將會(huì)影響到井壁的穩(wěn)定性。②為了減少水化應(yīng)力，將會(huì)降低整體張力，進(jìn)而影響到頁(yè)巖氣的泥層，降低整體收縮質(zhì)量，最終降低井壁的穩(wěn)定性。③因?yàn)轫?yè)巖氣具有滲透性，當(dāng)過(guò)濾液流入到頁(yè)巖氣當(dāng)中，需要耗費(fèi)幾天的時(shí)間才可以平衡井壁孔隙壓力和鉆井液壓力，但是長(zhǎng)時(shí)間地滲入液體將會(huì)影響到鉆井液液柱壓力的支撐效果，最終無(wú)法提高井壁穩(wěn)定性。

(2)高模組和高扭矩的問(wèn)題

在淺層位移較大部位施工過(guò)程中，因?yàn)殂@井定向段具有較高的傾斜度，因此在實(shí)際工作中將會(huì)面臨小臺(tái)階問(wèn)題，因此降低測(cè)量結(jié)果的精確度，還會(huì)降低鍵槽質(zhì)量。在水平井段鉆孔施工中，在定向槽中滑動(dòng)鉆井工具，在向底層鉆進(jìn)階段，井壁和鉆具之間將會(huì)產(chǎn)生摩擦力，因此增大鉆頭實(shí)際扭矩，從而提高了鉆井液潤(rùn)滑要求，因此降低摩擦阻力。此外水平井靜電曲率比較大，套管重力影響較小，再加上水平段距離較長(zhǎng)，在外部摩擦阻力的影響下，將會(huì)導(dǎo)致鉆井連接部位產(chǎn)生卡頓問(wèn)題，因此在鉆井過(guò)程中需要優(yōu)化鉆井液使用效果，因此提高頁(yè)巖氣水平井鉆井質(zhì)量。

(3)巖屑清除問(wèn)題

在水平井的傾斜段，因?yàn)閮A斜度的變化比較大，在清潔過(guò)程中，井眼部位清潔難度比較大，再加上巖屑重力的影響，很容易發(fā)生頁(yè)巖坍塌問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙井眼清潔工作。此外因?yàn)榫劭臻g比較小，同時(shí)具有較高的泵壓，在低排量階段很容易產(chǎn)生屑床，因此增加施工摩擦力，所以要求鉆井液具有更高的攜巖能力，此外還要具備流變性和清潔能力。

3.頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)的選用原則

某區(qū)塊頁(yè)巖氣儲(chǔ)層區(qū)塊的埋深在4000m以上，頁(yè)巖氣總量約為1.79×1012m3，開發(fā)區(qū)總面積為4698km2。該區(qū)塊頁(yè)巖氣儲(chǔ)層主要包括黑色和灰色的炭質(zhì)泥頁(yè)巖，儲(chǔ)層發(fā)育結(jié)構(gòu)為水平層理，厚度處于35m～45m范圍內(nèi)。埋深呈現(xiàn)出西北淺、東南深的特征，西北和東南的埋深具有較大的差異性。因?yàn)闅獠芈裆畈町愋员容^大，因此該區(qū)域低沉壓力系數(shù)也具有較大的差異性。滲透率最高達(dá)到217.7mD，部分層段在0.001mD以內(nèi)，因此該區(qū)域頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有較低的滲透率，故而在實(shí)際開采中選用水平井技術(shù)。

使用頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)，需要具備完善的鉆井液體系，同時(shí)需要保障井壁穩(wěn)定性，提高頁(yè)巖氣水平井鉆井液施工質(zhì)量，順利勘探開發(fā)頁(yè)巖氣。因此相關(guān)工作人員遵守頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)的選用原則，從而顯著提高頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)質(zhì)量。

(1)在低滲透性頁(yè)巖中選用

在頁(yè)巖氣水平井鉆井液施工過(guò)程中，為了避免漏失鉆井液，并且提高整體施工效率，在低滲透性的頁(yè)巖鉆井施工中，選擇的水基鉆井液要具備較低的活度，在利用頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)的過(guò)程中，可以減少地層中的滲水量。避免因?yàn)闈B入水量污染頁(yè)巖氣層。因?yàn)樵诘蜐B透性頁(yè)巖中，鉆井液活度要低于空氣活度，在空隙中滲透回流液體之后達(dá)到平衡狀態(tài)，水體流動(dòng)將會(huì)降低水化速度，同時(shí)會(huì)提高空氣壓力，并且會(huì)提高地層強(qiáng)度和井壁應(yīng)力。利用這種方式可以提高井眼的穩(wěn)定性，可以利用高礦化度的聚合物鉆井液和氯化鈣鉆井液，降低鉆井液的活性，頁(yè)巖和鉆井液的相互壓力因此降低。此外可以利用包含甲酸鉀氯化鈣和氯離子的鹽溶液，利用頁(yè)巖脫水空氣壓力，同時(shí)發(fā)揮出井壁區(qū)域的化學(xué)變化，來(lái)提高鉆井過(guò)程的穩(wěn)定性，保障整體鉆井質(zhì)量。

(2)在發(fā)育程度較大的頁(yè)巖中利用

高滲透性頁(yè)巖通常具有較大的裂縫，同時(shí)具有較高的發(fā)育程度，在實(shí)際鉆孔階段需要利用封堵劑封堵裂縫。在原始地層中發(fā)生壓力問(wèn)題，將會(huì)產(chǎn)生很多的破碎頁(yè)巖，通過(guò)利用低活度水鉆井液，也不利于提高施工的穩(wěn)定性?？梢院侠硖岣邽V液粘稠度，也可以利用密封方式促進(jìn)滲透回流，因此降低頁(yè)巖滲透率，從而控制水體傳導(dǎo)率。選擇低分子量的增稠劑，例如可以利用甲基葡萄糖或者氯化鈣等，可以降低鉆孔水體傳導(dǎo)率，可以選用具備鋁聚合醇的鉆井液，或者封堵劑處理頁(yè)巖空隙，提高頁(yè)巖表面質(zhì)量，因此降低整體滲透率，提高頁(yè)巖的穩(wěn)定性。選用觸變性鉆井液和低濃度鉆井液，可以輔助鉆井液更好地穿透鉆孔縫隙。

(3)選用油基鉆井液

因?yàn)橛突@井液可以提高頁(yè)巖毛細(xì)管的壓力，同時(shí)可以避免鉆井液侵蝕頁(yè)巖，因此選用油基鉆井液和合成基鉆井液，有利于提高鉆井內(nèi)部的穩(wěn)定性。通過(guò)利用油基鉆井液可以有效處理鉆井內(nèi)部的裂縫問(wèn)題和發(fā)育不良頁(yè)巖層，在這一階段需要持續(xù)性地優(yōu)化封堵效果，避免液體進(jìn)入到地層結(jié)構(gòu)中而堵塞壓力傳輸通道。為了提高頁(yè)巖氣水平面的穩(wěn)定性，工作人員需要完善油基鉆井液體系，因?yàn)橛突@井液具有潤(rùn)滑和防卡等功能，在鉆井過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。油基鉆井液具有抗高溫性，可以保障井壁穩(wěn)定性，避免發(fā)生井壁坍塌事故，因?yàn)橛突@井液具有顯著的潤(rùn)滑性能，因此對(duì)比其他鉆井液，油基鉆井液對(duì)于油氣層的損害比較小，可以滿足高溫升井的工作要求。在深井鉆井施工中廣泛利用油基鉆井液，但是油基鉆井液也存在不足之處，例如整體切力比較小，同時(shí)具有較大的濾失量。在配制油基水泥漿的過(guò)程中，需要消耗較高的成本，因此增加了施工技術(shù)應(yīng)用成本，不僅會(huì)影響到周圍環(huán)境，還會(huì)降低機(jī)械鉆速，不利于實(shí)現(xiàn)快速鉆井目標(biāo)。為了避免向地層中滲入鉆井液，技術(shù)人員選擇油基鉆井液的過(guò)程中，需要加強(qiáng)控制污染問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)鉆井工作的綠色環(huán)保目標(biāo)，促進(jìn)我國(guó)社會(huì)建設(shè)發(fā)展。在利用頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)的過(guò)程中，要注意防控卡鉆問(wèn)題，降低井壁坍塌問(wèn)題的發(fā)生率。通過(guò)深入研發(fā)頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)，其中乳化鉆井液的基礎(chǔ)為油，在實(shí)際工作中利用可以降低鉆井事故的發(fā)生率，提高鉆井過(guò)程的安全性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)適用性原則。在頁(yè)巖氣水平井鉆探施工中利用乳化鉆井液，可以提高整體施工效率和質(zhì)量。以下是油基鉆井液具體類型：

①柴油基鉆井液

柴油基鉆井液的連續(xù)相主要是柴油或者白油，水是柴油基鉆井液的分散相，在整個(gè)體系中加入乳化劑和濕潤(rùn)劑以及降濾失劑等，可以發(fā)揮出封堵效果，同時(shí)可以降低失水性，保證井壁穩(wěn)定性，因此在早期頁(yè)巖氣開發(fā)中主要是利用柴油基鉆井液。

②礦物有機(jī)鉆井液

因?yàn)椴裼蜁?huì)污染陸地植物和海洋生物，需要特殊處理巖屑之后才可以排放，但是無(wú)法滿足環(huán)保要求，而利用礦物油基鉆井液可以克服上述缺陷，整體毒性較低，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大的氣味，可以有效保護(hù)敏感地層的環(huán)境，但是礦物油基鉆井液具有較高的成本，因此限制了礦物油基鉆井液的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

③合成基鉆井液

為了控制環(huán)境污染問(wèn)題，已經(jīng)開發(fā)出合成基鉆井液。在鉆探頁(yè)巖地層的過(guò)程中，合成基鉆井液具有顯著的優(yōu)勢(shì)，可以保障頁(yè)巖穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性以及抗污染。但是合成基鉆井液具有較高的成本，在堵塞頁(yè)巖微小裂縫的過(guò)程中適合利用油基鉆井液，但是在容易漏失的地層如果堵漏失敗，將會(huì)引發(fā)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

(4)選用水基鉆井液

針對(duì)水基鉆井液具有更加顯著的應(yīng)用效果，避免在滑動(dòng)轉(zhuǎn)型中出現(xiàn)脫壓?jiǎn)栴}，因此在實(shí)際工作中可以推廣用這種鉆井液。下文分析了新型水基鉆井液的性能。

①不同密度新型水基鉆井液的性能

多碳醇會(huì)降低頁(yè)巖表面的自由能，抑制頁(yè)面表面水化速度，同時(shí)可以改善頁(yè)巖的濕潤(rùn)度，提高整體頁(yè)巖的疏水性，顯著降低頁(yè)巖水化膨脹分散性，提高頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度?；腔癁r青鉀鹽可以豐富頁(yè)巖裂縫。利用多碳醇和磺化瀝青鉀鹽作為處理劑，并且配合利用降濾失劑和潤(rùn)滑劑等，可以形成新型水基鉆井液體系。增加鉆井液密度之后，將會(huì)提高鉆井液的黏度，這一階段將會(huì)稍微增大中壓和高壓濾失量，但是利用不同密度的新型水基鉆井液仍舊可以達(dá)到顯著的流變性，可以減少濾液進(jìn)入到頁(yè)巖氣地層中，提高頁(yè)巖氣地層井壁的穩(wěn)定性。

②抑制頁(yè)巖水化膨脹性能

利用新型水基鉆井液，頁(yè)巖的膨脹率將會(huì)接近油基鉆井液膨脹率，說(shuō)明新型水基鉆井液和油基鉆井液的抑制性能十分相近。

(5)選擇鉆井液體系

選擇鉆井液體系的過(guò)程中，可以利用強(qiáng)制性的水基鉆井液，可以提高水平鉆井工作的穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性。在利用水基鉆井液的過(guò)程中，可以提高鉆井井壁的穩(wěn)定性，同時(shí)可以發(fā)揮出顯著抑制作用和封堵作用。針對(duì)抑制性工作層面，通過(guò)降低鉆井液濾液，可以提高頁(yè)巖的穩(wěn)定性，任何類型的頁(yè)巖都可以利用高粘度的鉆井液，也可以利用鉆孔封堵方式降低鉆井液的滲透率。如果頁(yè)巖的滲透性比較低，可以利用低活度的鉆井液，有效控制橫向水流動(dòng)，此外利用低活度水基鉆井液可以有效處理頁(yè)巖裂縫問(wèn)題，但是在后續(xù)工作中需要強(qiáng)化封堵工作。此外提高鉆井液的潤(rùn)滑度，可以降低鉆井摩阻，同時(shí)可以保護(hù)鉆井液。

在頁(yè)巖氣勘探開發(fā)過(guò)程中，技術(shù)人員需要選擇最佳的鉆井液體系，并且要注意分析油基鉆井液，進(jìn)一步提高頁(yè)巖氣水平井鉆井液施工效率，及時(shí)定位最佳開發(fā)區(qū)域，針對(duì)以往工作中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，需要采取合理的措施，改善頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)應(yīng)用中的技術(shù)難點(diǎn)，顯著地縮短頁(yè)巖氣水平井鉆井液工期。同時(shí)需要逐步完善施工工序程序，進(jìn)一步提高頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)質(zhì)量，更加快速地開發(fā)頁(yè)巖氣。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文主要分析了頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)的難點(diǎn)及選用原則，可以對(duì)于實(shí)際工作起到參考作用，促使工作人員合理選擇頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)，提高頁(yè)巖氣水平井鉆井工作質(zhì)量和效率。