國內外頁巖氣井水基鉆井液技術現狀及中國發展方向

孫金聲，劉敬平，閆麗麗，劉　勇

（1.中國石油鉆井工程技術研究院，北京102206；2.中國石油勘探開發研究院，北京100083；3.長城鉆探工程有限公司，北京100101）

國內外頁巖氣井水基鉆井液技術現狀及中國發展方向

孫金聲1，劉敬平2，閆麗麗1，劉勇3

（1.中國石油鉆井工程技術研究院，北京102206；2.中國石油勘探開發研究院，北京100083；3.長城鉆探工程有限公司，北京100101）

孫金聲等.國內外頁巖氣井水基鉆井液技術現狀及中國發展方向［J］.鉆井液與完井液，2016，33（5）：1-8.

綜述了國內外頁巖氣井井壁失穩機理、穩定井壁主要方法及水基鉆井液技術研究與應用現狀，討論了當前中國頁巖氣井鉆井液技術面臨的主要技術難題，分析了美國頁巖氣井與中國主要頁巖氣產區井壁失穩機理的差異，指出了中國頁巖氣井水基鉆井液技術研究存在的誤區與不足，提出了中國頁巖氣井水基鉆井液技術發展方向。

頁巖氣水平井；水基鉆井液；井壁穩定；井壁失穩機理；綜述

常規水平井鉆井液技術用于鉆頁巖氣水平井具有局限性。非水基鉆井液由于自身良好的抑制性和封堵性，一直是美國頁巖氣主產區水平井首選的鉆井液，但近年來基于環保法規和經濟性的要求，以及對頁巖地層失穩機理認識的逐漸深入和鉆井液技術的進步，國外石油公司開發了一系列針對不同頁巖結構特征的代替油基鉆井液的水基鉆井液技術。川滇是中國頁巖氣開發的主要地區，該地區頁巖地層水敏性強、裂縫微裂縫發育，頻繁發生井塌、井漏等井壁失穩現象。油基鉆井液在前期的勘探開發過程中，發揮了重要作用，基本能解決井壁失穩問題，但其環境可接受性差、成本高，亟需研發可取代油基的環保型水基鉆井液技術。綜述了國內外頁巖氣井井壁失穩機理、穩定井壁主要方法及水基鉆井液技術研究與應用現狀，結合筆者研究團隊的研究成果，分析了美國頁巖氣井與中國主要頁巖氣產區井壁失穩機理的差異，指出了中國頁巖氣井水基鉆井液技術研究存在的誤區與不足，提出了頁巖氣井水基鉆井液技術發展方向。

1　國外水基鉆井液鉆頁巖氣井井壁失穩機理

頁巖氣井井壁不穩定原因尚不完全明確，但在不穩定方面取得了一系列認識。頁巖氣井井壁不穩定與巖石結構、黏土礦物、鉆井液類型等密切相關。

1）頁巖中活性黏土礦物水化膨脹與分散，特別是像蒙脫石之類的活性黏土水化膨脹與分散。頁巖中活性黏土礦物的局部存在可能對頁巖的整體性產生巨大傷害，特別是當活性黏土礦物在巖石中分布處于分散狀態的時候。頁巖與鉆井液接觸后，沿著高活性黏土礦物界面可能形成裂縫和延伸裂縫，或者裂縫沿著2種不同黏土礦物界面延伸。當鉆井液沿著裂縫滲入頁巖后，頁巖中的黏土礦物發生水化膨脹和分散，導致井壁失穩［1］。

2）鉆井液壓力在地層中傳遞。在過平衡壓力下鉆井時，如果頁巖井壁上沒有形成有效的封堵，鉆井液壓力會緩慢傳遞到地層中，導致井壁附近的孔隙壓力增加，減少鉆井液支撐井壁的有效性，進而導致一種不穩定的井眼環境［2-3］。

3）頁巖孔隙流體總勢能增加?？紫读黧w總勢能（壓力和化學勢）隨著孔隙壓力的增加而增大，或者隨孔隙流體化學勢減少而增大。當孔隙流體總勢能增加的時候，水將吸附在黏土礦物晶層中，導致晶片分離。如果晶片可以自由分離，黏土礦物就會膨脹；如果黏土礦物膨脹受到限制，由于頁巖井壁應力分布改變和剪切應力增加，將導致不穩定的井眼環境。另外，吸附水含量增加，會使地層強度減?。?-5］。

4）頁巖易沿著層系界面被層層剝離，即易沿著層系界面開裂。從礦物學來講，頁巖暴露在鉆井液中的行為大多取決于其巖石結構，它以內部水平紋層平行于層系界面的水平層理為重要結構特征。如果水平層理含孔洞和裂縫，頁巖就會沿著各個方向開裂［4，6］。

5）鉆井液活度不適當。對不含蒙脫石或伊/蒙混層的頁巖，鉆井液活度對頁巖水化膨脹和分散影響小。對含有蒙脫石或伊/蒙混層的頁巖，鉆井液活度高于頁巖活度時，鉆井液濾液將進入頁巖地層，增加孔隙壓力。在活度差和鉆井液壓力的共同作用下，水從井眼滲入地層，將導致孔隙壓力持續升高和地層吸水，鉆井液支撐井壁的有效性和地層強度的降低，導致井壁失穩。而鉆井液活度過低，將導致頁巖過量脫水，地層強度下降，引起井壁失穩［2，7］。

6）鉆井液對頁巖潤濕性不匹配。鉆井液界面張力與頁巖應力強度因子呈線性關系。隨著潤濕角的增加，應力強度因子減小，且潤濕角在90°附近時應力強度因子最低；當潤濕角大于90°時，隨著潤濕角的增加，應力強度因子增加，井壁圍巖裂縫容易發生擴展［8］。

7）頁巖中可溶性鹽遇水溶解。水基鉆井液濾液滲入頁巖后，頁巖中可溶性鹽組分溶解于濾液中，使得頁巖孔洞增多，頁巖強度降低，頁巖井壁應力分布改變，進而導致不穩定的井眼環境。

2　頁巖氣井井壁穩定途徑

水基鉆井液穩定頁巖氣井井壁主要途徑。

1）抑制頁巖中活性黏土礦物水化膨脹分散［9-10］。主要手段有：減少黏土礦物表面的負電性；通過離子交換，將黏土礦物由膨脹型轉變為非膨脹型；在黏土礦物表面發生物理化學吸附，使黏土礦物表面疏水；抑制自由水分子向黏土礦物晶層間滲透。鉀、鈉等陽離子可以通過減小黏土礦物表面擴散雙電層厚度和Zeta電位，有效降低黏土礦物表面的負電性。鉀離子還可以通過離子交換將膨脹型黏土礦物轉變為非膨脹型。表面活性劑可以吸附在黏土礦物表面，使黏土礦物表面疏水。聚合物可以通過吸附在黏土礦物表面，形成包被膜或吸附層，從而抑制自由水分子向黏土礦物晶層間滲透。烷烴二胺類化合物可以通過兩端的胺官能團吸附在2個鄰近的蒙脫石層片上，從而抑制水分子向蒙脫石晶層間滲透。

2）減緩或阻止頁巖中壓力傳遞［11-13］。通過產生高的膜效率和封堵頁巖孔喉，減緩或阻止頁巖井壁近井地帶壓力傳遞，穩定井壁。通過瀝青、聚合物、納米材料封堵或鋁酸鹽絡合物的沉淀作用，封堵頁巖孔喉，可以使頁巖表面膜效率增加，進而減緩或阻止頁巖中孔隙壓力傳遞［9］。另外，通過增加鉆井液黏度降低其通過速率，也可以阻止頁巖中壓力傳遞［9］。

3）采用合適的封堵材料和鉆井液類型，減緩或防止鉆井液沿著微裂縫、裂縫或大通道流動［11-12］。在有大的通道和斷層的頁巖層中，毛管壓力的影響減小，鉆井液在潤濕壓力梯度下，會沿著大的通道流動。對于裂縫性頁巖，使用有效的封堵材料（如磺化瀝青、硅酸鹽、鋁絡合物、納米材料等）、觸變性鉆井液，降低鉆井液在頁巖中的滲入量，有利于頁巖井壁穩定。

4）降低頁巖/鉆井液相互作用的總驅動力，即減小頁巖孔隙壓力和降低鉆井液活度［8，11-12］。對不含蒙脫石或伊/蒙混層的頁巖地層，頁巖孔隙壓力僅由鉆井液壓力滲透機理決定；對含有蒙脫石或伊/蒙混層的頁巖地層，頁巖孔隙壓力分別由鉆井液壓力滲透和化學勢2種機理決定［7］。根據鉆井液壓力滲透機理，過平衡壓力使得頁巖孔隙壓力升高。根據化學勢機理，鉆井液活度低于頁巖活度時，頁巖孔隙壓力降低；鉆井液活度高于頁巖活度時，頁巖孔隙壓力升高。2種機理疊加使得孔隙壓力改變。鉆井液活度低于頁巖活度時，孔隙流體從頁巖中滲透回流，頁巖孔隙壓力減小。如果滲透回流大于由于液壓梯度（鉆井液滲透壓）造成的流動，水從地層流入井眼，這將使孔隙壓力在低于地應力情況下持續降低和地層適度脫水，鉆井液支撐井壁有效性和地層強度共同增加，將提高井壁穩定性。通過添加電解質可以減小鉆井液活度，如海水膨潤土鉆井液、飽和鹽水-聚合物（黃原膠）鉆井液、KCl和NaCl-聚合物（PHPA，黃原膠）鉆井液和鈣基鉆井液（石灰、石膏）。此外，甲基葡萄糖苷鉆井液具有高成膜活性和低活度。

5）降低毛管壓力，抑制鉆井液滲入親水性頁巖。毛管壓力是鉆井液滲入頁巖的一個重要影響因素。如果頁巖親水，毛管壓力是水基鉆井液滲入頁巖的助力，降低毛管壓力有助于抑制水滲入頁巖孔喉、微裂縫，穩定井壁［11-12，14］。對于給定半徑的頁巖孔喉，通過表面活性劑減小界面張力或增大接觸角能夠降低毛管壓力。如果頁巖疏水，毛管壓力是水基鉆井液進入頁巖的阻力，濾液難以滲入頁巖。

6）持續檢測和控制鉆井液性能［11-12，15］。隨著鉆井液的循環和與頁巖地層及鉆屑的相互作用，鉆井液成分會持續改變。只有持續檢測性能和維持各種鉆井液添加劑濃度，才能夠達到理想結果?；瘜W性能檢測技術的改進和發展需要與穩定頁巖的鉆井液體系的發展、與對頁巖/鉆井液相互作用機理的深入了解并行。

3　水基鉆井液現狀

3.1斯倫貝謝M-I公司水基鉆井液體系

1）Lake Maracaibo的Icotea地區laguna、La Rosa、Icotea頁巖地層中黏土礦物高含伊/蒙混層，見表1。水基鉆井液鉆井過程中出現了由大段泥頁巖水化膨脹引起的上部地層縮徑、下部地層坍塌等問題。采用油基鉆井液鉆井面臨環保壓力大、成本高等問題。為此，斯倫貝謝M-I公司［16］開發了一種強抑制強封堵高性能水基鉆井液體系，其基本配方如下：有機季銨鹽+鋁絡合物+鉆速提高劑+可變形聚合物。用該鉆井液體系在斜深為1 952～3 230 m的7口井鉆井過程中，與常規水基鉆井液相比，鉆井周期減少約50%，平均機械鉆速提高近80%，固控效率提高近80%，摩擦系數平均為0.20，頁巖地層沒有發生坍塌。

表1　laguna、La Rosa、Icotea頁巖黏土礦物組成

2）USA東北部Marcellus頁巖地層中黏土礦物低含蒙脫石，礦物中含4%蒙脫石、25%伊利石、47%石英、10%長石、5%黃鐵礦、6%綠泥石和3%白云石。在垂深為2 046 m的頁巖地層鉆井過程中，由于黏土礦物水化膨脹與分散，微裂縫發育，引起了縮徑、掉塊、井漏、卡鉆等井壁不穩定問題。為此，斯倫貝謝M-I公司［17］開發了一種水基鉆井液體系，基本配方如下。

水+納米硅溶液+改性黃原膠+聚合物降濾失劑FLCA+樹脂類降濾失劑+石灰+特定潤滑劑+重晶石

該鉆井液體系可以有效阻止壓力傳遞，對Marcellus頁巖具有強抑制性，并具有較好的流變性和降濾失性。

3）Hayane Block地區Kurachine Anhydrite頁巖地層高含伊利石、白云石、鹽和硬石膏。水基鉆井液鉆井遇到了縮徑、卡鉆、漏失嚴重、鉆井液流變性不穩定等問題。斯倫貝謝M-I公司［18］設計了一種性能接近油基鉆井液的硅酸鹽鉆井液，基本配方如下。

黃原膠+聚合陰離子纖維素+淀粉+液態硅酸鈉+殺菌劑+碳酸鉀+氯化鈉+蘇打粉

該鉆井液為飽和鹽水硅酸鹽鉆井液，可以抑制鹽巖層溶解，抗石膏污染。該鉆井液密度范圍寬，抑制性強，密度可以超過2.0 g/cm3。采用該鉆井液在Hayane Block成功鉆了6口斜深為1 553～2 900 m的井，鉆井液均顯示了良好的流變性和穩定性。

4）為探尋頁巖與水相互作用規律，斯倫貝謝M-I公司［4］進行了多種頁巖樣品與水基鉆井液相互作用實驗，研發了滿足不同頁巖地層的水基鉆井液體系。頁巖樣品包括Alaska頁巖、mozambique頁巖、USA頁巖和Middle East頁巖，它們的黏土礦物組成見表2，相應的鉆井液見表3。Alaska頁巖含有大量的黏土礦物，高含蒙脫石，具有豐富的水平層理結構和豐富的有機質晶體，頁巖沿著水平層理容易破碎。Mozambique頁巖僅含有18%的黏土礦物，高含蒙脫石，主要的非黏土礦物是石灰、石英、長石。USA頁巖低含蒙脫石，含有帶破碎層系界面的水平紋理，裂縫主要沿著層系界面延伸。Middle East頁巖中黏土礦物含量為35%，高含蒙脫石，夾雜泥質晶體，含大量硬質水平紋理。

表2　不同頁巖黏土礦物組成

表3　不同流體與頁巖相互作用

3.2哈里伯頓水基鉆井液體系

1）Arkansas地區Fayetteville、 Morrow頁巖地層黏土礦物中高含蒙脫石/綠泥石混層（分別為24%和35%）。水基鉆井液鉆井過程中，由于黏土礦物水化膨脹與分散，裂縫發育，出現嚴重掉塊、漏失問題，且扭矩和摩阻高，為此，哈里伯頓公司［6］開發了一種水基鉆井液體系，基本配方如下：

硅酸鹽+磺化瀝青+水+改性褐煤+聚陰離子纖維素+淀粉+黃原膠+重晶石+架橋顆粒+乙二醇

通過硅酸鹽強抑制和封堵作用，磺化瀝青的封堵作用，乙二醇調節活度的作用，該體系在斜深為1 067～3 048 m長水平段鉆井過程中，沒有遇到井壁不穩定問題，有效抑制了頁巖水化膨脹，機械鉆速達30～76 m/h。

2）Texas地區Barnett頁巖黏土礦物中高含伊/蒙混層。由于黏土礦物水化膨脹與分散、微裂縫發育，水基鉆井液鉆井過程中掉塊、漏失嚴重，并且扭矩和摩阻高，最初僅能用油基鉆井液鉆井。為此，哈里伯頓公司［6］開發了一種新型水基鉆井液，該體系流變性好、濾失量低，在斜深為304～2 743 m鉆井過程中，沒有遇到井壁不穩定問題，機械鉆速達34～76 m/h，起下鉆無遇阻，下套管順利。其基本配方如下。

硅酸鹽+磺化瀝青+水+褐煤+聚陰離子纖維素+淀粉+黃原膠+重晶石+架橋顆粒+乙二醇+潤滑劑

3）Louisiana地區Haynesville頁巖地層黏土礦物中不含蒙脫石和伊/蒙混層。由于井較深，井底溫度較高，加之CO2侵入，水基鉆井液穩定性差、攜屑難，伴有坍塌等井壁不穩定問題。為此，哈里伯頓公司［6］開發了一種水基鉆井液體系，基本配方如下。

表面活性劑+水+黏土+高溫抗絮劑+降黏劑+頁巖穩定劑+降濾失劑+苛性堿+緩沖劑+重晶石

該鉆井液沒有使用控制滲透水化的抑制劑及鹽類活度調節劑，僅使用了表面活性劑抑制頁巖表面水化，應用井斜深為3 261～5 425 m，井底溫度為176.67 ℃。鉆井過程中，起下鉆無阻卡，平均井徑擴大率為8.5%，與常規水基鉆井液相比，顯著提高了機械鉆速。

3.3貝克休斯的高性能水基鉆井液體系

針對Douala的Baf油田頁巖地層大位移水平井用合成基鉆井液鉆井時產生大量含油鉆屑和污水問題，貝克休斯公司［9］設計了一種水基鉆井液體系，基本配方如下。

聚合物封堵劑+鋁復合物+黏土抑制劑CHS+ PHPA+表面活性劑+單價鹽

使用該體系在Baf油田鉆了5口井， 斜深為1 150～1 480 m，垂深為700～1 041 m。該鉆井液體系通過多種處理劑共同作用封堵頁巖孔隙和微裂縫，抑制黏土水化和膨脹，有效穩定了井壁，鉆速達14.6 m/h。

3.4美國Newpark的新型水基鉆井液體系

針對不同地區及地質環境，Newpark公司［19-20］研發了一系列高性能的水基鉆井液體系，可滿足美國多個地區的頁巖氣鉆井需要。①HIPERM體系：高純度黃原膠+交聯羥丙基淀粉+氧化鎂+碳酸鈣+黏土抑制劑+深井抑制劑。該體系具有良好的潤滑性、抑制性、井壁穩定性，且不含鹽類物質，能有效保護儲層。②DEEPDRILL體系：甲基葡萄糖苷+活性聚甘油。該體系較傳統的二羥基化合物體系在頁巖上有強吸附力、良好潤滑性、井壁穩定性，且抗鹽及抗地層水污染。③FLEXDRILL體系：DEEPDRILL的衍生產品，該體系現場配制方便，節約運輸成本，鉆屑無需處理。④新型環保型水基鉆井液體系：聚合物增黏劑+頁巖抑制劑+新型瀝青+磺化瀝青+頁巖穩定劑。該體系成本低，鉆速高，降濾失效果好。

3.5美國雪佛龍的頁巖氣水基鉆井液體系

美國雪佛龍公司［21］專門研究了能夠有效減緩和阻止壓力傳遞的頁巖氣水基鉆井液技術。采用孔隙度為26%，黏土礦物含量為70%，黏土礦物中伊利石含量占1/3到1/2，其余基本為伊/蒙混層的頁巖樣品，測試了在模擬井下應力和過平衡條件下，4組密度約為2.2 g/cm3水基鉆井液在頁巖中壓力傳遞情況。4組基本配方如下。

A組配方：水+淀粉衍生物+黃原膠+包被劑+頁巖抑制劑+快鉆劑+成膜劑+封堵劑

B組配方：水+氯化鈉+頁巖穩定劑+絮凝劑+PAC+淀粉衍生物+黃原膠+乙二醇

C組配方：水+黃原膠+頁巖抑制劑+快鉆劑+降濾失劑+硅酸鉀+碳酸鉀+氯化鉀

D組配方：水+PHPA+ PAC+頁巖抑制劑+氯化鈉+封堵劑+氫氧化鈉

其中C、D組配方能夠有效減緩和阻止壓力傳遞，封堵劑主要為納米材料、成膜材料與特種瀝青；抑制劑主要為胺基抑制劑。

3.6中國頁巖氣井水基鉆井液

中國石油集團川慶鉆探工程有限公司針對頁巖地層微裂縫、裂縫發育，井壁易坍塌等問題，研制了一種新型頁巖氣井水基鉆井液體系，已在長寧、威遠地區鉆成12口水平井。

川西須家河組五段泥頁巖黏土礦物的平均體積分數約28.21%，脆性礦物石英、長石和碳酸鹽巖的平均體積分數分別為52.95%，3.00%和16.80%。黏土礦物中伊利石平均占51.67%，高嶺石平均占14.50%，綠泥石平均占12.83%，伊/蒙混層平均占21.00%，間層比為20%。中國石化西南油氣分公司工程技術研究院［22］針對該頁巖地層吸水膨脹速率相差大，表面微裂縫多，井壁易坍塌等問題，開發了一種水基鉆井液體系，其基本配方如下。

1%NV1+0.15%MMCA+0.15%XC+0.3%XY27+ 3.5%SMC+3.5%SMP-2+2%SMT+8%MEG+5%潤滑劑RH220+ 2%封堵劑RH102+0.04%CaCl2+ 1.5%QS2+2%納米乳液+0.8%聚胺+0.2%KOH+1%硅醇GCYZ-1+1.2%降失水劑BIOLOSE+2%抑制劑CLAYTROL+2.1% MAXSHIELD+0.3%消泡劑

XYHF1井斜深為4 077 m，垂深為3 058 m。該井自造斜段開始，斜深3 281～3 417 m井段使用該鉆井液體系，有效防止了頁巖層吸水膨脹、縮徑和垮塌，確保了鉆井施工安全。

云南龍馬溪組頁巖中石英和長石平均含量為36%，方解石和白云石平均含量為29%，平均黏土礦物含量為35%，黃鐵礦含量為1%～3%。針對該頁巖地層遇水易垮塌，微裂縫、裂縫發育等問題，中國石油集團鉆井工程技術研究院［23］研發了一種強抑制強封堵水基鉆井液體系，基本配方如下：

基漿+（0.6%～1%）降濾失劑JS-1+3%封堵劑JS-2+（2%～3%）成膜降濾失劑NBG+（3%～4%）封堵劑FD+（3%～6%）頁巖抑制劑YZ-1+（3%～6%）液體潤滑劑TRH-1+（1%～3%）復合固體潤滑劑TRH-2+（0.4%～0.6%）提切降濾失劑TXS-1+（0.2%～0.5%）WD+重晶石

YS108H4-2井在井深2 566 m進入水平段，鉆至斜深4 020 m時完鉆，水平段長1 460 m。該井電測一次成功， 井徑規則， 平均井徑擴大率為5.71%。

4　中國、北美主要頁巖地層與井壁失穩機理差異

1）頁巖埋藏深度不同。北美頁巖氣地層埋藏深度小于4 000 m，主要在1 000～2 000 m。四川筇竹寺組頁巖地層埋藏深度為1 600～6 000 m，主要在3 000 m左右。四川、云南龍馬溪組頁巖地層埋藏深度為1 200～3 600 m，主要在3 000 m左右［24］。

2）頁巖黏土礦物組成不同。國外頁巖氣地層黏土礦物含量低，以伊利石為主要黏土礦物，多含蒙脫石和伊/蒙混層。筆者課題組［25］研究發現，四川龍馬溪組頁巖、五峰組頁巖、云南龍馬溪組頁巖黏土礦物含量高，分別為24.0%、24.8%和44.4%，以伊利石為主，分別為96%、94%和88%，基本不含蒙脫石和伊/蒙混層。西南石油大學測試發現川南龍馬溪組頁巖黏土礦物含量高，分別為24.87%和34.56%，以伊利石為主，分別為72.30%和70.35%，不含蒙脫石，含少量伊/蒙混層。可見，中國川滇地區頁巖氣地層黏土礦物含量高，以伊利石為主要黏土礦物，基本不含蒙脫石和伊/蒙混層。

3）頁巖氣地層井壁失穩機理存在差異。中國川滇地區與美國頁巖氣地層相比，埋藏深度不同，頁巖中黏土礦物組成差異大。由頁巖地層微裂縫和裂縫發育、浸泡時間長及井斜角大引發的井壁垮塌、漏失、 托壓及卡鉆等問題國內外基本一致，但在黏土礦物水化引起的井壁失穩機理方面不同，美國頁巖氣地層井壁失穩主要是含有的蒙脫石和伊/蒙混層發生水化膨脹與分散引起的；而筆者課題組研究發現［26］，川滇頁巖氣地層基本不含蒙脫石和伊/蒙混層，黏土礦物表面水化是引起頁巖氣地層井壁水化失穩的主要原因。

5　中國頁巖氣井水基鉆井液誤區與不足

國外頁巖地層埋藏深度淺，黏土礦物中多含有蒙脫石和伊/蒙混層，地層孔喉、微裂縫及裂縫發育，水基鉆井液井壁穩定的方法主要是提高其抑制能力、降低水活度、加強封堵與控制合適的潤濕性。通過胺基、季銨鹽、液態硅酸鈉、碳酸鉀、氯化鈉、甲酸鉀等抑制劑抑制頁巖水化膨脹與分散，通過鋁絡合物、可變形聚合物、納米硅、液態硅酸鈉、磺化瀝青等封堵劑封堵頁巖孔喉、微裂縫和裂縫，通過表面活性劑減小鉆井液進入頁巖的毛管力，通過氯化鈉、硅酸鉀、碳酸鉀、氯化鉀、甲基葡萄糖苷等降低鉆井液中水的活度而抑制濾液滲入頁巖并抑制頁巖水化膨脹與分散。但中國頁巖氣儲層比國外埋藏深，黏土礦物中基本不含蒙脫石和伊/蒙混層，地層坍塌機理不同。因此，中國頁巖氣井水基鉆井液技術存在誤區及不足。

誤區1：中國川滇頁巖氣地層黏土礦物組成與美國不同，基本不含蒙脫石和伊/蒙混層，因此其水化失穩機理不同。而目前中國借鑒國外水基鉆井液技術，在鉆井液中大量加入抑制劑以抑制頁巖水化膨脹與分散，但實際效果差。筆者課題組［26］通過頁巖膨脹率、回收率實驗，驗證了采取胺基抑制劑、硅酸鈉等抑制川滇頁巖水化膨脹與分散效果差，而多碳醇通過在頁巖表面吸附，降低頁巖表面自由能，抑制頁巖表面水化，能夠有效抑制川滇頁巖水化膨脹與分散。

誤區2：中國借鑒國外水基鉆井液技術，加入大量活度調節劑降低鉆井液中水的活度，以抑制頁巖水化膨脹與分散，但實際效果有限。筆者課題組［25］通過膨脹率和回收率實驗，驗證了以氯化鈣、甲酸鉀等鹽類及丙三醇等有機化合物調節鉆井液活度，對抑制川滇頁巖水化膨脹與分散效果差。

不足1：中國在使用水基鉆井液鉆頁巖氣井時，處理劑用量是常規油氣井鉆井用量的3倍以上，實際上是大量處理劑堆積，提高了液相黏度，減少了鉆井液中自由水，降低了頁巖表面水化， 并通過有效封堵，達到了穩定井壁效果。但是推高了鉆井液成本。

不足2：中國頁巖氣水基鉆井液沒有很好實現鉆井液潤濕性與頁巖地層匹配。筆者課題組［26］通過接觸角測試、單軸壓縮試驗，驗證了多碳醇在頁巖吸附，能夠有效改變頁巖潤濕性，增大水在頁巖表面接觸角，顯著降低頁巖表面自由能，增強頁巖疏水性，有效減緩頁巖抗壓強度降低，有利于頁巖地層井壁穩定。

由此，針對中國川滇頁巖氣地層不含蒙脫石和伊/蒙混層的基本特征，水基鉆井液研究重點應該從抑制頁巖表面水化、加強封堵作用、改變頁巖潤濕性等入手，研究有效穩定頁巖氣井井壁的途徑，而抑制滲透水化作用、降低水的活度不是鉆井液技術考慮的重點，沒有必要大量加入鹽及滲透水化抑制劑。

6　中國頁巖氣井水基鉆井液發展方向

1.中國川滇地區頁巖氣地層水化失穩的主要原因是表面水化，不是滲透水化。因此需要研究能夠有效抑制頁巖表面水化的處理劑，如多碳醇類及納米材料等。

2.通過研究中國頁巖氣地層孔隙、微裂縫、裂縫大小分布規律，研制與此分布規律相匹配的封堵材料與技術，有效控制水進入頁巖地層，有利于頁巖氣藏井壁穩定。

3.改變頁巖潤濕性，有效降低頁巖表面自由能，增強頁巖疏水性，可減緩頁巖抗壓強度的降低，有利于頁巖地層井壁穩定。因此需研制能調節鉆井液潤濕性與中國頁巖地層匹配的表面處理劑，如多碳醇類材料。

4.在鉆井過程中，隨著水平位移和井斜角的增加，會極大地增大扭矩和摩阻，影響正常鉆井作業。因此，需要研制高效潤滑材料，以解決摩阻問題。

5.頁巖氣長水平井鉆井過程中托壓、高摩阻問題嚴重，因此需研制高效攜屑劑，以解決該問題。

6.近年環保法規日益嚴格，需要研制環保型處理劑，以解決廢棄鉆井液及鉆屑污染問題。

7.目前，頁巖氣井水基鉆井液處理劑用量是常規油氣井水基鉆井液的3倍以上，因此需要研制低成本、高效率的處理劑，以降低鉆井液成本。

［1］TAN C P， RAHMAN S S， RICHARDS B G. Integrated approach to drilling fluid optimisation for efficient shale instability management［C］.SPE 48875，1998.

［2］TAN C P， RAHMAN S S， RICHARDS B G. Integrated rock mechanics and drilling fluid design approach to manage shale instability［C］. SPE/ISRM 47259，1998.

［3］MKPOIKANA R， DOSUNMU A， EME C， et al. Prevention of shale instability by optimizing drilling fluid performance［C］. SPE 178299-MS 2015.

［4］ SANDRA GOMEZ， WENWU HE.Fighting wellbore instability： customizing drilling fluids based on laboratory studies of shale-fluid interactions［C］. SPE/ IADC 155536-MS，2012.

［5］SCHLEMMER R， FRIEDHEIM J E， GROWCOCK F B. Chemical osmosis， shale， and drilling fluids. SPE Drilling and Completion. 2003， 18， 318-331.

［6］JAY P DEVILLE，BRADY FRITZ，MICHAEL JARRETT. Development of water-based drilling fluids customized for shale reservoirs［C］. SPE 140868-PA，2011.

［7］TAN C P， WILLOUGHBY D R， MOHD AZRIYUDDIN YAAKUB. Drilling fluid optimisation study for k-shale in the Malay Basin［C］. IADC/SPE 62795，2000.

［8］GERMANOVICH L N，DYSKIN A V.Fracture mechanisms and instability of openings in compression［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2000，37（1/2）；263-284.

［9］A N U R A D E E W I T T H A Y A P A N Y A N O N，JEROME LELEUX， JULIEN VUILLEMET， et al. High performance water-based drilling fluids - an environmentally friendly fluid system achieving superior shale stabilization while meeting discharge requirement offshore cameroon［C］. SPE/IADC 163502-MS，2013.

［10］IKE ELEANYA O， H.LLKIN BILGESU，SAM AMERI. Study of drilling fluid additives and their impact on smectite inhibition， marcellus shale inhibition， and filtration and rheological properties of bentonite based drilling fluids［C］.SPE 149271-MS，2011.

［11］ERIC VAN OORT，HALE A H，MODY F K，et al. Transport in shales and the design of improved waterbased shale drilling fluids［C］.SPE 28309-PA，1996.

［12］MANOHAR LAL. Shale stability： Drilling fluid interaction and shale strength［C］.SPE 54356，1999.

［13］RUSSELL T EWY， E KEITH MORTON.Wellborestability performance of water-based mud additives［J］. SPE Drilling and Completion，2009，24.

［14］ G.M.BOL.The effect of various polymers and salts on borehole and cutting stability in water-base shale drilling fluids［C］.SPE 14802-MS，1986.

［15］HEMPHILL T， ABOUSLEIMAN Y N， TRAN M H， et al. Direct strength measurements of shale interaction with drilling fluids［C］.SPE 117851-MS，2008.

［16］ JULIO C M，ERIC V O，RICARDO B，et al.Using a low-salinity high-performance water-based drilling fluid for improved drilling performance in Lake Maracaibo［C］.SPE-110366-MS，2007.

［17］YOUNG S， FRIEDHEIM J. Environmentally friendly drilling fluids for unconventional shale［C］. OMC 2013-102， 2013.

［18］TOMISLAV SORIC，PAVEL MARINESCU，ROBERT HUELKE. Silicate-based drilling fluids deliver optimum shale inhibition and wellbore stability［C］. SPE/ IADC 87133-MS， 2004.

［19］ World oil’s fluid systems［J］.World Oil. 2010， 231（6）：93-117.

［20］ World oil’s fluid systems［J］.World Oil. 2013， 234（6）：130.

［21］RUSSELL T EWY， MORTON E KEITH.Wellborestability performance of water-based mud additives［J］. SPE Drilling and Completion，2009，24（3）： 390-397.

［22］謝曉永，王怡. 川西須家河組頁巖氣水基鉆井液技術［J］.斷塊油氣田，2014，21（6）：802-805.

XIE Xiaoyong，WANG Yi. Water-based drilling fluid technology for Xujiahe Formation shale gas in western Sichuan［J］. Fault-Block Oil & Gas Field，2014，21（6）：802-805.

［23］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.

YAN Lili， LI Congjun， ZHANG Zhilei， et al. High performance water base drilling fluid for shale gas drilling［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid，2015， 32（5）：1-6.

［24］鄒才能，陶士振，侯連華，等.非常規油氣地質［M］.北京：地質出版社，2011：127-142.

ZOU Caineng， TAO Shizhen， HOU Lianhua， et al. Unconventional oil and gas geology［M］. Beijing：Geological Publishing House， 2011：127-142.

［25］劉敬平，孫金聲. 鉆井液活度對川滇頁巖氣地層水化膨脹與分散影響［J］.鉆井液與完井液， 2016， 33（2）：31-35.

LIU Jingping， SUN Jinsheng. Impact of drilling fluids activity on hydration expansion and dispersion in gas shale formations in Chuan or Dian［J］.Drilling Fluid & Completion Fluid，2016， 33（2）：31-35.

［26］劉敬平， 孫金聲.頁巖氣藏地層井壁水化失穩機理與穩定方法研究［J］.鉆井液與完井液， 2016， 33（3）：25-29.

LIU Jingping， SUN Jinsheng. Study on borehole hydration instability mechanism in shale gas reservoirs and the controlling method［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2016， 33（3）：25-29.

Status Quo of Water Base Drilling Fluid Technology for Shale Gas Drilling in China and Abroad and Its Developing Trend in China

SUN Jinsheng1， LIU Jingping2， YAN Lili1， LIU Yong3
（1. CNPC Drilling Research Institute， Beijing 102206； 2. Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina， Beijing 100083； 3. CNPC Greatwall Drilling Company， Beijing 10101）

This paper summarizes the studies and applications of the mechanism of borehole collapse， the main methods used for stabilizing instable borehol， and the status quo of water base drilling fluid technology， discusses the major difficulties presently faced in shale gas drilling in China， analyzes the differences between the mechanisms of borehole collapse both in China and in the America，illustrates the misconceptions and deficiencies existed in the studies on water base drilling fluids for shale gas drilling in China， and points out the technical direction for the development of water base drilling fluids for shale gas drilling in China.

Horizontal shale gas well； Water base drilling fluid； Borehole wall stabilization； Summarize

TE254.3

A

1001-5620（2016）05-0001-08

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.001

中國石油集團重大專項“浙江油田昭通示范區頁巖氣鉆采工程技術現場試驗”（2014F470205）資助。

孫金聲，教授級高級工程師，博士生導師，現在主要從事鉆井液與儲層保護的研究工作。E-mail：sunjinsheng@petrochina.com.cn。

（2016-7-13；HGF=1605W2；編輯汪桂娟）