頁巖氣鉆井液技術(shù)的應(yīng)用研究

李倩

摘要：由于頁巖層一般發(fā)育有較多裂縫且具有強水敏性，因此在鉆井過程中常采用叢式水平井和淺層大位移井，尤其在鉆至長水平段時發(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、地層污染等問題，故在開采頁巖氣過程中，井壁穩(wěn)定、巖屑處理、降阻減摩這些要求對鉆井液的選擇十分重要。

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

1?頁巖氣鉆井液的技術(shù)關(guān)鍵

頁巖氣開發(fā)采用的水平井類型主要包括淺層大位移井和叢式水平井，且需在長水平段通過分段壓裂技術(shù)改造儲層。由于頁巖層發(fā)育有較多裂縫且具有強水敏性，鉆井過程中發(fā)生井漏、垮塌及縮徑的概率較大，及在長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、儲層保護(hù)效果、井下復(fù)雜情況的發(fā)生概率。因此，頁巖氣鉆井液技術(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：頁巖的不穩(wěn)定導(dǎo)致了頁巖氣鉆井中70%以上的井筒故障，當(dāng)鉆井液透過地層裂縫和較弱的頁巖層層面時，鉆井液與頁巖之間的作用會對頁巖的強度和孔隙壓力產(chǎn)生影響，最終降低頁巖的穩(wěn)定性。因此，在頁巖氣開采過程中，井壁的穩(wěn)定性問題不容忽視。

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

（3）巖屑清除困難：水平井造斜過程中井斜變化較大、頁巖發(fā)生坍塌及井中巖屑自重都會使得井眼清潔困難;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，頁巖氣水平井的鉆井液考慮到頁巖易膨脹和易破碎的特點，其必須具有攜巖能力強、潤滑性好、封堵能力強及抑制性強的特征。

2?提高頁巖井壁穩(wěn)定性的方法

（1）低滲頁巖：鉆井液活度低于孔隙液活度的時候，孔隙液會產(chǎn)生滲透回流現(xiàn)象，該現(xiàn)象會平衡水力流動，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)力和地層強度，使井眼穩(wěn)定性加強。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，最終頁巖井壁的穩(wěn)定性獲得提高。

（2）高滲頁巖：可考慮使用封堵劑對其封堵。因為若原始地層已經(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，通過降低頁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，或者通過提高液體的濾液黏度;采用高濃度的低相對分子質(zhì)量聚合物及低相對分子質(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頁巖縫隙的滲透能力降低。

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

3?頁巖氣鉆井液體系

3.1?選擇原則

頁巖氣開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，只要能夠滿足鉆井過程中井壁穩(wěn)定、防卡、潤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，可通過降低鉆井液濾液的水力流動使得提高頁巖的穩(wěn)定性。例如以下具有強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滑性、降低摩阻及儲層保護(hù)。

但是從具體的應(yīng)用經(jīng)驗看，低活度的水基鉆井液只能減少滲入頁巖層的水量，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巖的毛細(xì)管力，從而有效降低鉆井液對頁巖的滲透速度。因此，針對頁巖氣水平井鉆井，油基鉆井液和合成基鉆井液具有絕對優(yōu)勢，需要注意的是，若頁巖層層理較發(fā)育，則要適時配合封堵，防止鉆井液漏失造成井壁坍塌。

3.2?不同鉆井液體系的對比

（1） 油基鉆井液

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

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

（2） 水基鉆井液

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

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

3.3?研究方向

有實驗表明，在應(yīng)用高礦化度（35%的CaCl2）的水基鉆井液于活性頁巖時，活性頁巖隨即出現(xiàn)失水現(xiàn)象，即活性頁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頁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。

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

4?小結(jié)

在頁巖氣的水平井開發(fā)中國外使用頻率較高的是油基鉆井液，而在我們國內(nèi)，頁巖氣水平井的開發(fā)才屬于起步階段。頁巖具有容易膨脹和破碎的特征，所以鉆井難度很大，危險系數(shù)較高，因此頁巖層井壁穩(wěn)定性的提高和適合頁巖鉆井的鉆井液體系的研究對于安全鉆井來說十分重要。對于油基鉆井液體系來說，應(yīng)在應(yīng)用過程中繼續(xù)研究低毒甚至無毒的鉆井液體系及可逆乳化的鉆井液體系。對于水基鉆井液體系來說，研究降低鉆井液的活度從而增強其對頁巖的抑制性能和封堵性能，改善鉆井液的潤滑性能、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。

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