頁巖氣水平井鉆井液技術的難點及選用原則

＊吳雪平

（中石化江漢石油工程有限公司鉆井一公司 湖北 433100）

頁巖氣是我國重要的資源，這也是一種天然氣資源，在頁巖氣開采過程中，相關技術人員沒有深入分析頁巖氣開發勘探工作的要點，再加上我國對于頁巖氣的研究時間比較短暫，在實際工作中存在較多的限制，因此很難順利開展日常工作，需要進一步提高頁巖氣開采水平，保障整體工作質量。本文通過分析頁巖氣水平井鉆井液技術的難點和選用選擇等方面，顯著提高整體工作質量和安全性，高質量的開展頁巖氣開發工作。

1.概述水平井鉆井液技術

在油氣資源勘探開發過程中水平井技術發揮著重要的作用，在80年代末為了提高勘探開發效益，世界各地的油氣公司開始建設水平井，通過提高生產的經濟效益，突出了水平井的優勢，降低油田勘探開發成本，快速回收投入的資金，同時可以減少環境污染等問題。水平井在鉆井階段，傾斜角的變化值在0°～90°范圍內，因此水平井和直徑鉆之間具有一定的差別，為了保護油氣層，需要嚴格選擇鉆井液，此外需要解決井眼凈化和井壁穩定以及摩阻控制等問題。

(1)井眼凈化

在水平井鉆井過程中，井眼凈化屬于重要的一部分，如果無法保障井眼凈化效果，將會增加磨鉆和扭矩，還會發生卡鉆問題，不利于順利開展下套管和固井作業。

①井眼凈化的影響因素

A.傾斜角：增大井斜角之后，將會隨之增大環空巖屑濃度和臨界流速，因此降低清潔率。B.環空返速：環空返速的大小直接關系到環空巖屑的運移方式和環空巖屑的濃度，提高環空勻速之后，將會降低降低環空巖屑的濃度，改善井眼凈化情況。降低巖屑床厚度之后，在井眼的下側將會形成巖屑床。C.＜45°層流比紊流攜屑效果比較好，合理調整鉆井液流變性能，通過改變層流速度剖面平板程度，促使鉆井液處于環空平板型層流，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：確定井身結構，增大鉆桿尺寸之后，將會增加環空返速，有利于攜屑。F.轉速：鉆柱的旋轉可以攪動巖床，有利于去除床面的巖屑。轉動鉆柱可以控制偏心問題，優化井眼凈化作用。提高轉速，避免鉆井液形成不流動層，也可以優化井眼凈化效果。鉆柱不僅可以實現自轉，還可以在井眼周圍進行圓周運動，更好地攜帶巖屑。G.增大井斜角之后，鉆柱的偏心度直接影響到環空鉆屑。增大鉆柱偏心度之后，將會增大巖屑尺寸。

②技術措施

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

(2)井壁穩定

在鉆井工程中，需要保障井壁穩定性。出現井壁不穩定的情況主要是因為井壁承受的應力比較大，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，鉆開井眼之后，井筒鉆井液柱壓力可以支撐井壁，將會重新分布井壁周圍的應力，如果井筒液柱壓力比較小，那么井壁的應力將會超過巖石強度，因此破壞井壁四周的巖石。

為了保障井壁穩定性，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，同時要小于地層破裂壓力。其次需要優化設計井身剖面，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空返率，避免沖蝕井壁。

(3)摩阻控制

在重力的影響下，將會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鉆具的扭矩。因此在水平鉆過程中很容易發生卡鉆問題。一方面需要優化設計水平井鉆井結構和井身剖面。計算各種井身結構和井身剖面的摩阻，不僅需要降低摩阻和扭矩，還要減少拐彎井段。另一方面需要優選鉆具結構，在大斜度和水平井段需要利用倒置總成。此外需要優選鉆井液類型和配方，有效降低鉆井液的濾失量和潤滑系數等，提高泥餅的質量。同時優化環空返速和流型以及鉆井液流變性能，保障井眼的凈化效果，有效降低環空鉆屑的濃度和厚度等。

2.概述頁巖氣水平井鉆井液技術的難點

頁巖氣水平井鉆井過程中，需要不斷提高鉆井施工效率。解決頁巖氣水平井鉆井液技術各種難點問題，利用科學的技術完善鉆井液體系，順利實現預期工作目標，提高整體施工質量，滿足頁巖氣開發需求。因為頁巖氣具有致密性，因此在頁巖氣水平井鉆井施工中，需要綜合分析鉆井液的技術難點，提高鉆井施工的安全性。

(1)井壁穩定性問題

使用頁巖氣水平井鉆井液技術之前，工作人員需要分析頁巖氣開發中存在的問題，明確后續施工方向，保障整體工作質量。在頁巖氣開發過程中，井眼環境非常復雜，這是因為井壁缺乏穩定性，因此在使用頁巖氣水平井鉆井液技術的過程中存在一些問題。分析頁巖氣水平井鉆井液技術，在實際應用階段底層裂縫和地底層面相互作用，明顯地改變了頁巖氣的壓力和強度，因此影響到井壁和頁巖氣穩定性，為了優化技術使用質量，需要分析問題發生的原因：①井壁和土層之間產生縫隙，縫隙壓力具有較大的影響力，液體和頁巖氣之間產生作用力，改變地底黏土層的膨脹應力和水化應力。改變力之后在地層之間將會流入液體，頁巖氣和水之間會產生反應，整體結構因此發生膨脹問題，逐步擴大張力，將會影響到井壁的穩定性。②為了減少水化應力，將會降低整體張力，進而影響到頁巖氣的泥層，降低整體收縮質量，最終降低井壁的穩定性。③因為頁巖氣具有滲透性，當過濾液流入到頁巖氣當中，需要耗費幾天的時間才可以平衡井壁孔隙壓力和鉆井液壓力，但是長時間地滲入液體將會影響到鉆井液液柱壓力的支撐效果，最終無法提高井壁穩定性。

(2)高模組和高扭矩的問題

在淺層位移較大部位施工過程中，因為鉆井定向段具有較高的傾斜度，因此在實際工作中將會面臨小臺階問題，因此降低測量結果的精確度，還會降低鍵槽質量。在水平井段鉆孔施工中，在定向槽中滑動鉆井工具，在向底層鉆進階段，井壁和鉆具之間將會產生摩擦力，因此增大鉆頭實際扭矩，從而提高了鉆井液潤滑要求，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，在外部摩擦阻力的影響下，將會導致鉆井連接部位產生卡頓問題，因此在鉆井過程中需要優化鉆井液使用效果，因此提高頁巖氣水平井鉆井質量。

(3)巖屑清除問題

在水平井的傾斜段，因為傾斜度的變化比較大，在清潔過程中，井眼部位清潔難度比較大，再加上巖屑重力的影響，很容易發生頁巖坍塌問題，嚴重阻礙井眼清潔工作。此外因為井眼空間比較小，同時具有較高的泵壓，在低排量階段很容易產生屑床，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.頁巖氣水平井鉆井液技術的選用原則

某區塊頁巖氣儲層區塊的埋深在4000m以上，頁巖氣總量約為1.79×1012m3，開發區總面積為4698km2。該區塊頁巖氣儲層主要包括黑色和灰色的炭質泥頁巖，儲層發育結構為水平層理，厚度處于35m～45m范圍內。埋深呈現出西北淺、東南深的特征，西北和東南的埋深具有較大的差異性。因為氣藏埋深差異性比較大，因此該區域低沉壓力系數也具有較大的差異性。滲透率最高達到217.7mD，部分層段在0.001mD以內，因此該區域頁巖氣儲層具有較低的滲透率，故而在實際開采中選用水平井技術。

使用頁巖氣水平井鉆井液技術，需要具備完善的鉆井液體系，同時需要保障井壁穩定性，提高頁巖氣水平井鉆井液施工質量，順利勘探開發頁巖氣。因此相關工作人員遵守頁巖氣水平井鉆井液技術的選用原則，從而顯著提高頁巖氣水平井鉆井液技術質量。

(1)在低滲透性頁巖中選用

在頁巖氣水平井鉆井液施工過程中，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，在利用頁巖氣水平井鉆井液技術的過程中，可以減少地層中的滲水量。避免因為滲入水量污染頁巖氣層。因為在低滲透性頁巖中，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到平衡狀態，水體流動將會降低水化速度，同時會提高空氣壓力，并且會提高地層強度和井壁應力。利用這種方式可以提高井眼的穩定性，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，利用頁巖脫水空氣壓力，同時發揮出井壁區域的化學變化，來提高鉆井過程的穩定性，保障整體鉆井質量。

(2)在發育程度較大的頁巖中利用

高滲透性頁巖通常具有較大的裂縫，同時具有較高的發育程度，在實際鉆孔階段需要利用封堵劑封堵裂縫。在原始地層中發生壓力問題，將會產生很多的破碎頁巖，通過利用低活度水鉆井液，也不利于提高施工的穩定性。可以合理提高濾液粘稠度，也可以利用密封方式促進滲透回流，因此降低頁巖滲透率，從而控制水體傳導率。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率，可以選用具備鋁聚合醇的鉆井液，或者封堵劑處理頁巖空隙，提高頁巖表面質量，因此降低整體滲透率，提高頁巖的穩定性。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

因為油基鉆井液可以提高頁巖毛細管的壓力，同時可以避免鉆井液侵蝕頁巖，因此選用油基鉆井液和合成基鉆井液，有利于提高鉆井內部的穩定性。通過利用油基鉆井液可以有效處理鉆井內部的裂縫問題和發育不良頁巖層，在這一階段需要持續性地優化封堵效果，避免液體進入到地層結構中而堵塞壓力傳輸通道。為了提高頁巖氣水平面的穩定性，工作人員需要完善油基鉆井液體系，因為油基鉆井液具有潤滑和防卡等功能，在鉆井過程中發揮著重要的作用。油基鉆井液具有抗高溫性，可以保障井壁穩定性，避免發生井壁坍塌事故，因為油基鉆井液具有顯著的潤滑性能，因此對比其他鉆井液，油基鉆井液對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，同時具有較大的濾失量。在配制油基水泥漿的過程中，需要消耗較高的成本，因此增加了施工技術應用成本，不僅會影響到周圍環境，還會降低機械鉆速，不利于實現快速鉆井目標。為了避免向地層中滲入鉆井液，技術人員選擇油基鉆井液的過程中，需要加強控制污染問題，實現鉆井工作的綠色環保目標，促進我國社會建設發展。在利用頁巖氣水平井鉆井液技術的過程中，要注意防控卡鉆問題，降低井壁坍塌問題的發生率。通過深入研發頁巖氣水平井鉆井液技術，其中乳化鉆井液的基礎為油，在實際工作中利用可以降低鉆井事故的發生率，提高鉆井過程的安全性，同時可以實現經濟適用性原則。在頁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，在整個體系中加入乳化劑和濕潤劑以及降濾失劑等，可以發揮出封堵效果，同時可以降低失水性，保證井壁穩定性，因此在早期頁巖氣開發中主要是利用柴油基鉆井液。

②礦物有機鉆井液

因為柴油會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，但是無法滿足環保要求，而利用礦物油基鉆井液可以克服上述缺陷，整體毒性較低，同時不會產生較大的氣味，可以有效保護敏感地層的環境，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模推廣應用。

③合成基鉆井液

為了控制環境污染問題，已經開發出合成基鉆井液。在鉆探頁巖地層的過程中，合成基鉆井液具有顯著的優勢，可以保障頁巖穩定性和潤滑性以及抗污染。但是合成基鉆井液具有較高的成本，在堵塞頁巖微小裂縫的過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，將會引發巨大的經濟損失。

(4)選用水基鉆井液

針對水基鉆井液具有更加顯著的應用效果，避免在滑動轉型中出現脫壓問題，因此在實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

多碳醇會降低頁巖表面的自由能，抑制頁面表面水化速度，同時可以改善頁巖的濕潤度，提高整體頁巖的疏水性，顯著降低頁巖水化膨脹分散性，提高頁巖抗壓強度。磺化瀝青鉀鹽可以豐富頁巖裂縫。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，將會提高鉆井液的黏度，這一階段將會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到顯著的流變性，可以減少濾液進入到頁巖氣地層中，提高頁巖氣地層井壁的穩定性。

②抑制頁巖水化膨脹性能

利用新型水基鉆井液，頁巖的膨脹率將會接近油基鉆井液膨脹率，說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程中，可以利用強制性的水基鉆井液，可以提高水平鉆井工作的穩定性和潤滑性。在利用水基鉆井液的過程中，可以提高鉆井井壁的穩定性，同時可以發揮出顯著抑制作用和封堵作用。針對抑制性工作層面，通過降低鉆井液濾液，可以提高頁巖的穩定性，任何類型的頁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，此外利用低活度水基鉆井液可以有效處理頁巖裂縫問題，但是在后續工作中需要強化封堵工作。此外提高鉆井液的潤滑度，可以降低鉆井摩阻，同時可以保護鉆井液。

在頁巖氣勘探開發過程中，技術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，進一步提高頁巖氣水平井鉆井液施工效率，及時定位最佳開發區域，針對以往工作中發現的問題，需要采取合理的措施，改善頁巖氣水平井鉆井液技術應用中的技術難點，顯著地縮短頁巖氣水平井鉆井液工期。同時需要逐步完善施工工序程序，進一步提高頁巖氣水平井鉆井液技術質量，更加快速地開發頁巖氣。

4.結束語

本文主要分析了頁巖氣水平井鉆井液技術的難點及選用原則，可以對于實際工作起到參考作用，促使工作人員合理選擇頁巖氣水平井鉆井液技術，提高頁巖氣水平井鉆井工作質量和效率。