頁巖氣鉆井液技術發展方向

王道勇，高 陽，譚千竹

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

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頁巖氣鉆井液技術發展方向

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 鉆井液技術服務公司，四川 成都 610056； 2. 成都理工大學 材料與化學化工學院，四川 成都 610059)

鉆井液是鉆井的“血液”，是頁巖氣勘探開發的關鍵環節。開展頁巖氣鉆井液技術攻關是實現頁巖氣綠色可持續發展的必要條件。但頁巖氣鉆井液技術如何發展，國內外鮮有報道。針對我國頁巖氣勘探開發現狀，總結國內外經驗，重點從低成本、綠色環保、保護儲層等方面分析了頁巖氣鉆井液技術發展方向，以期加快頁巖氣鉆井液技術發展，為頁巖氣勘探開發提供有力保障。

頁巖氣；鉆井液；發展方向

天然氣作為一種清潔能源，世界范圍內對天然氣的需求呈快速上升趨勢，中國也不例外。為應對不斷上升的天然氣消費需求，2012年國家發布了《頁巖氣發展規劃(2011-2015)》，明確要求推進頁巖氣等非常規油氣資源開發利用，緩解我國天然氣供需矛盾。2016年5月，川南頁巖氣勘查開發試驗區正式啟動，規劃到2025年，頁巖氣產能建設與2020年相比，至少要翻一番，頁巖氣的勘探開發迎來了歷史性的機遇。雖然威遠、長寧—昭通、涪陵頁巖氣示范區均投入了大規模商業化開采，但我國頁巖氣資源調查與勘探開發整體上仍處于探索起步階段，與國外相比差距較大。

1 頁巖氣鉆井液技術難點

從目前頁巖氣勘探開發來看，頁巖氣地層層理發育、強度低、脆性大、易發生應力性失穩垮塌，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的鉆井液體系迫在眉睫。傳統的強抑制性水基鉆井液難以應用于長水平段頁巖氣開發，國內外較為成熟的技術是采用油基鉆井液，但是開發一種高效水基鉆井液已成為國內外研究熱點。

2 頁巖氣鉆井液技術發展方向分析

2.1低成本

頁巖氣是一種非常規天然氣，主要吸附或游離在賦存于富有機質的頁巖及其夾層中。但頁巖儲層滲透率低，單井產量低，資金回報率慢，加之國內頁巖氣開采技術不成熟，開采難度大且開采成本遠遠高于常規油氣。為加快頁巖氣勘探開發，中央財政對頁巖氣開采給予一定補貼，“十二五”期間的補貼標準為0.4元/m3。但該標準并非一成不變，將會根據頁巖氣產業發展情況及時調整。地方財政也可對頁巖氣勘探開發給予適當補貼，補貼辦法各地不盡相同。雖然“十三五”期間，中央財政仍將對頁巖氣開采進行補貼，但補貼力度逐步削減，具體從2016年的0.3元/m3下降到2020年的0.2元/m3。

國際油價自2014年出現斷崖式下跌以來，持續在低位震蕩，建設方紛紛控制上游投資應對低油價挑戰。據不完全統計，2015年全球百余家石油企業上游投資比2014年減少25%，預計2016年將繼續減少，短期內也難有改觀，降低油氣開發成本已成大勢所趨。面對油氣“寒冬”，工程技術服務企業競爭趨于白熱化。鉆井液技術服務市場也面臨諸多挑戰，國外公司、國有企業、民營企業同臺競爭，價格戰異常激烈。作為頁巖氣鉆井液前沿技術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，國內科研院所、高校、工程技術服務企業紛紛投入研究。因此，誰掌握了核心技術并有效降低了成本，誰必然能以較低的價格優勢在激烈的市場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發展的重中之重。

2.2綠色環保

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極不協調。《國家危險廢物名錄》(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生的大量含油鉆井廢棄物處理工藝復雜、成本偏高，2015年新《環境保護法》正式實施，對環境保護的要求越來越高。高昂的成本和環保風險大大限制了油基鉆井液使用范圍。如何解決成本和環境污染問題成了當下改善鉆井液的關鍵[1]，開發一種可以替代油基鉆井液的高效水基鉆井液成為當前研究熱點。國外，如斯倫貝謝M-I公司的ULTRADRIL、貝克休斯公司的PERFORMAX、哈利伯頓公司針對北美部分頁巖氣產區開發出的SHALEDRIL系列水基鉆井液技術[2]，已取得成功，并得到現場應用。在北美頁巖油氣開發中，油基鉆井液占 70%左右，水基鉆井液占30%[3]。

國內，正電膠防塌聚合物鉆井液、有機鹽聚合醇鉆井液、陽離子乳液聚合物鉆井液等體系相繼用于頁巖氣開發。但最有代表性的是高性能水基鉆井液。中國石油集團也加大人力、物力投入，目前已成功開發出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、復合抑制等方法，在長寧、威遠等區塊開展應用，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，潤滑性好以及熱穩定性高等特點，主要技術指標達到油基鉆井液水平，在浙江油田昭通區塊應用成功。兩套體系在國內頁巖氣水平井高性能水基鉆井液實現了零的突破。中國石油大學(華東)、西南石油大學、仁智油服、安東石油等單位相繼開發高性能水基鉆井液。“水替油”已成為頁巖氣鉆井液發展的重要方向，但是從鉆井液處理劑綠色環保到鉆井液體系本身綠色環保仍然需要重點攻關。

2.3個性化

每一種鉆井液體系必然有其局限性，而且油氣儲藏地質條件多變，僅僅研究一種鉆井液體系勢必無法滿足頁巖氣勘探開發。有人利用頁巖礦物學和井底溫度等非常規頁巖氣儲層中的關鍵因素，打破“用一種水基鉆井液來實現全球頁巖氣開發”的思想，提出了基于給定頁巖參數詳細分析的客制化服務，分析不僅包括頁巖形態和巖性，還包括鉆井方案、環境因素和其它儲層專用考慮因素[4]。

因此，頁巖氣鉆井液技術方案必須詳細研究每個區塊甚至每口井的地質構造情況、當地環境因素、地理位置等，針對難點，具體問題具體分析，從鉆井液設計開始，考慮到各種可能遇到的復雜情況，編制詳細的施工方案，施工中，及時調整方案，保證井下順利。美國頁巖氣開發，針對不同的泥頁巖，同時考慮環境、成本、維護等多種因素來進行鉆井液體系選擇。其中美國東北Marcellus(馬塞盧斯)頁巖，基于環境考慮，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，針對長寧、威遠、巫溪等不同區塊，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，針對井漏、垮塌、強水敏等不同情況，制定了相應解決方案。在解決實際問題的同時，也滿足了客戶多元化的需求。由此可見，個性化的鉆井液體系也成為頁巖氣鉆井液技術發展方向之一。

2.4將納米材料應用于鉆井液

納米技術是指利用單個原子、分子制造物質的技術。納米材料的結構尺寸在0.1～100 nm范圍內。當物質達到納米尺度以后，其性能就會發生突變。頁巖氣鉆井液技術作為前沿研究領域，每一種鉆井液體系勢必要有核心處理劑。如果能夠將納米技術和鉆井液技術完美結合，必定會為鉆井液性能調控帶來意想不到的收獲。有研究表明[6]，利用納米材料獨特的性能，能有效降低鉆井液體系摩阻，增強泥餅質量，并在井壁形成一層致密的膜，這對鉆井液技術的發展將起到革命性的推動作用，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，將水平段滑動鉆進中滑動摩擦阻力轉變為滾動摩擦，有效降低摩阻，大大改善水基鉆井液的潤滑性。頁巖氣儲層的一個顯著特征是低孔特低滲，其滲透率屬納達西級，孔隙度只有3%～5%[7]。利用納米材料小尺寸效應，納米材料一旦滲入頁巖地層微裂縫后，可有效封堵，阻止鉆井液濾液進入地層，保護油氣層，同時抑制頁巖地層垮塌。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簡單，表現出較好的流變性，井眼穩定性好，且對環境友好[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。當然，頁巖氣鉆井液也不例外。低油價挑戰下，只有助推鉆井提速提效，不斷降低鉆井成本，鉆井液技術才有生存發展空間。川慶鉆探公司在頁巖氣鉆井提速方面實力強勁。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井創日進尺301.4 m新紀錄。從實際用效果看，水基鉆井液較油基鉆井液提速至少可達20%。在當前的大環境下，充分發揮鉆井液技術特點，提高機械鉆速是很重要的研究課題。同時，加強與鉆井工程溝通，提供優質的鉆井液技術服務減少井下事故復雜，縮短非生產時間也大有可為。顯著降低鉆井成本，鉆井、鉆井液抱團取暖，共同應對低油價挑戰，是當務之急。

3 結 語

通過總結國內外頁巖氣鉆井液技術應用經驗，提出了低成本、綠色環保、個性化、與納米技術相結合、助推鉆井提速提效等5大頁巖氣鉆井液技術發展方向，為頁巖氣鉆井液技術研究提供了一定參考。“水替油”是頁巖氣鉆井液技術發展的大勢所趨，持續加強水基鉆井液攻關是目前當務之急。現階段水基鉆井液還不成熟，油基鉆井液憑借突出的優點，在部分高難度復雜井開發中仍然占有一席之地，實現“水替油”需要一個過程。

[1] 胡兵, 歐陽傳湘, 林飛, 等．一種新型的油包水合成基鉆井液[J]. 當代化工, 2016, 45(2): 256-262.

[2] 閆麗麗, 李叢俊, 張志磊, 等. 基于頁巖氣“水替油”的高性能水基鉆井液技術[J]. 鉆井液與完井液, 2015, 32(5): 1-7.

[3] 林永學, 王顯光. 中國石化頁巖氣油基鉆井液技術進展與思考[J]. 石油鉆探技術, 2014, 42(4): 7-13.

[4] 邸偉娜, 閆娜, 葉海超. 國外頁巖氣鉆井液技術新進展[J]. 鉆井液與完井液, 2014, 31(6): 76-81.

[5] 齊從麗. 國內外頁巖氣鉆井液技術應用現狀[J]. 化工時刊, 2014, 28(10): 40-45.

[6] Sayyadnejad M A, Ghaffarian H R, Saeidi M. Removal of hydrogen sulfide by zinc oxid nanoparticles in drilling fluid[J]. International Journal of Environmental Science and Technology, 2008, 5(4): 565-569.

[7] 薛承瑾. 頁巖氣壓裂技術現狀及發展建議[J]. 石油鉆探技術, 2011, 39(3): 24-29.

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、化學工程，手機：13568952343，E-mail：wangdy1_sc@cnpc.com.cn

TE254

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