中國頁巖油氣水平井水基鉆井液技術現狀及發展趨勢

司西強，王中華，吳柏志

中國頁巖油氣水平井水基鉆井液技術現狀及發展趨勢

司西強1，王中華1，吳柏志2

1.中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南 濮陽 457001；2.中國石化中原石油工程有限公司，河南 濮陽 457001

針對環保法規的日益嚴格和鉆井液的低成本化要求，國內在頁巖油氣高性能水基鉆井液代替油基鉆井液方面開展了大量工作，取得了較大進展和突破。本文綜述了國內近年來在頁巖油氣水平井高性能水基鉆井液領域的技術現狀，主要包括聚合醇鉆井液、胺基高性能水基鉆井液、硅酸鹽鉆井液、鋁胺基鉆井液、疏水抑制水基鉆井液、基于納米材料的鉆井液、CAPG（cationic alkyl polyglucoside）高性能水基鉆井液、CaCl2-烷基糖苷鉆井液、ZY-APD（Zhongyuan alkyl polyglucoside derivative）高性能水基鉆井液、近油基鉆井液等，并在現有的頁巖油氣水平井高性能水基鉆井液研究及應用的基礎上，對其在頁巖油氣水平井中應用規模較小的原因進行了剖析，對其下步研究方向及發展趨勢進行了展望。

頁巖油氣 水平井 水基鉆井液 烷基糖苷衍生物 近油基鉆井液 井壁穩定

世界上最早開展頁巖氣勘探開發的國家是美國，可追溯至200年前。經過兩個世紀的發展，目前美國已形成了成熟的頁巖氣開發技術［1］。雖然國內頁巖氣勘探開發起步較晚，最早一口井威201井于2010年建成投產，但近年來在技術進步和商業開采方面發展迅猛［2］。我國頁巖氣儲層埋深一般超過3 500 m，而美國儲層埋深較淺，一般為1 500～2 000 m，而且與國外相比，我國頁巖氣資源地質條件更復雜，對鉆井液等相關開發技術的要求也更高［3］。近年來，除頁巖氣的商業開發外，國內也掀起了頁巖油勘探開發的熱潮，雖取得了較大進展，但在配套高效鉆井液技術方面還有很長的路要走。

針對國內頁巖油氣儲層來說，達到商業開采價值的頁巖油氣水平井的水平段一般長達1 000～2 500 m，而且存在頁巖微裂縫和層理發育嚴重、泥質含量高等問題，所以在施工過程中對鉆井液的井壁穩定性等方面要求極高［4］。據統計，90%以上的井壁失穩發生在泥頁巖等易坍塌地層［5］。

由于常規水基鉆井液不能很好地解決這些地層的井壁失穩問題，如強抑制水基鉆井液雖然抑制防塌效果較好，但跟油基鉆井液相比仍有較大差距。傳統的解決辦法仍然是采用油基鉆井液，但油基鉆井液存在配制成本高、環保壓力大等缺點［6］。近年來，面對世界環保要求的日益嚴苛和鉆井液低成本壓力，國內在頁巖油氣高性能水基鉆井液方面開展了大量的研究及應用工作，已經取得了較大進展和突破［7］。全面推廣頁巖油氣高性能水基鉆井液技術以實現國內頁巖油氣水平井綠色、安全、高效鉆進是當前的重點工作，勢在必行。為進一步提高對頁巖油氣高性能水基鉆井液替代油基鉆井液的重要性的認識，滿足頁巖油氣大規模高效開發的技術需求，本文對國內近年來形成的頁巖油氣高性能水基鉆井液技術進行簡要介紹，主要包括胺基高性能水基鉆井液體系、ZY-APD（Zhongyuan alkyl polyglucoside derivative）高性能水基鉆井液體系、近油基鉆井液體系等，并在此基礎上對其發展趨勢進行展望，以期對鉆井液研究人員及現場技術人員具有一定啟發，以促進國內頁巖油氣水平井高性能水基鉆井液技術更好的發展。

1　頁巖油氣水平井水基鉆井液研究現狀

從鉆井液組成的角度來看，國內頁巖油氣水平井高性能水基鉆井液主要采用聚合醇、有機鹽、胺基抑制劑、硅酸鹽、鋁鹽、疏水抑制劑、納米材料和烷基糖苷衍生物等材料中的一種或幾種作為主處理劑，配伍其他具有流型調節、降濾失、封堵、潤滑等不同功能的處理劑，構建并形成符合現場技術要求的各類頁巖油氣高性能水基鉆井液體系，并在現場實戰中取得了較好的應用效果。

1.1　聚合醇鉆井液

劉平德等［8］研究了聚合醇鉆井液的抑制機制，主要包括濁點行為、協同作用、滲透作用等方面，并結合室內實驗分析了影響聚合醇鉆井液抑制作用的因素。當溫度達到聚合醇的濁點溫度之后，聚合醇從鉆井液中析出，封堵頁巖微孔裂縫；當在聚合醇鉆井液中加入適量的無機鹽后，無機鹽與聚合醇發揮協同作用，提高了聚合醇的頁巖抑制性能，達到穩定頁巖的目的。

肖金裕等［9］針對頁巖氣開發中面臨的頁巖極易水化膨脹、縮徑、破碎坍塌等問題，優選出了有機鹽-聚合醇鉆井液配方，具體組成為2%～3%膨潤土+0.1%～0.2%KPAM+1%～2%LS-2+2%～3%酚醛樹脂JD-6+3%～4%陽離子乳化瀝青SEB+8%～10%有機鹽Weigh2+3%～4%聚合醇MSJ+3%～4%水基潤滑劑FK-10。性能評價結果表明，與現場常用的聚合物和聚磺鉆井液相比，該有機鹽-聚合醇鉆井液具有較強的抑制性、封堵性能和較低的滲透性及活度，能阻止濾液進入頁巖地層，防止頁巖吸水膨脹垮塌，充分體現了體系的低活度防塌性能。在四川長寧構造的寧206井的現場應用后發現：摩阻在3 t以內，返出巖屑形狀規則，完井電測井徑擴大率僅為1.19%，沒有出現頁巖吸水膨脹、縮徑等現象，起下鉆順利。劉彥妹等［10］研究發現，聚合醇能夠大幅提升鉆井液的抑制性和潤滑性，但單獨使用時抑制性并不能保證井壁穩定，將其與有機鹽復配，充分發揮兩者的優勢和協同作用，不但可避免無機鹽的大量使用對環境造成的負面影響，而且還可保證復雜泥頁巖地層的安全順利鉆進。

陜北鄂爾多斯盆地延長組的油頁巖、致密含油砂巖由于其硬脆性、片理結構，在鉆井過程中易發生坍塌掉塊、裂縫井漏等復雜情況，已成為延長油田鉆井特別是水平井鉆井的一大難題。針對上述情況，張文哲等［11］研發出了強封堵型納米聚合醇水基鉆井液，鉆井液配方組成為4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+2%COP-FL聚合物降濾失劑+1.5%防塌潤滑劑FT342+1.0%液體極壓潤滑劑JM-1+5%無水聚合醇WJH-1+3%納米乳液RL-2。將該鉆井液在陜北杏平36井、羅平16井進行現場應用后發現，封堵防塌效果好，機械鉆速較鄰井提高30%，施工周期縮短35%，優快鉆井效果顯著。

王平全等［12］運用X線衍射儀和微觀掃描電鏡分析，結合巖石三軸抗壓實驗，研究了清水及不同鉆井液浸泡對鄂爾多斯盆地延長組頁巖坍塌壓力增量的影響，測試了不同鉆井液浸泡前后的巖石強度，分析了地層坍塌壓力變化情況，研究結果表明：延長組頁巖地層層理、裂隙發育，水相將沿裂縫或微裂縫侵入地層。一方面，降低弱結構面間的摩擦力，進而削弱頁巖的力學強度，導致井壁垮塌；另一方面，侵入的液相將產生水力劈裂作用，導致地層破碎，誘發井壁失穩。王波等［13］針對延長陸相頁巖氣地層的復雜地質特點，以聚合醇、甲酸鉀、納米剛性封堵劑、納米乳液等為主體，研發了PSW-2頁巖氣水基鉆井液，鉆井液配方組成為4%膨潤土+0.2%提切劑BOP+2.0%提切劑TQ-1+33%甲酸鹽+2.0%降濾失劑+0.1%降黏劑+9.0%聚合醇+2.0%潤滑劑ORH-1。鉆井液動切力為10 Pa、靜切力為4.5 Pa/10 Pa、潤滑系數為0.07，封堵率達82.6%。該鉆井液在YYP3井、YYP4井、YYP5井、YYP6井4口頁巖氣水平井進行現場應用后發現，該鉆井液能夠滿足懸浮和攜巖帶砂要求，API濾失量為2.0～2.8 mL，井徑擴大率僅為6.34%，具有良好的抑制防塌和穩定井壁作用。

聚合醇鉆井液主要依靠濁點封堵作用來實現防塌效果，在吸附抑制地層礦物黏土水化的水化膨脹分散方面還有待提高，可考慮研制具有強吸附性能的陽離子聚合醇來提高聚合醇產品的強抑制效果。

1.2　胺基高性能水基鉆井液

近年來胺基高性能水基鉆井液［14］得到國內鉆井液研究人員的廣泛關注，該鉆井液以胺基抑制劑為主處理劑，通過嵌入及拉緊晶層發揮強抑制作用，已被廣泛應用于各種特殊工藝井。雖然胺基高性能水基鉆井液的抑制性能跟油基鉆井液相比尚有較大差距，但其成本遠低于油基鉆井液，且無毒、環保，具有較好的應用前景。

游云武等［15］和梁文利［16］針對焦石壩地區龍馬溪組為大段硬脆性泥頁巖、地層層理微裂縫發育、井壁易坍塌掉塊、大斜度井段摩阻高、定向托壓嚴重等技術難題，研發新型聚胺鈣鉀基鉆井液，鉆井液配方組成為清水+VIS-B+0.4%PAC-LV+2%FLOCAT+2%CMJ+2%JLX-B+2%CPI+重晶石。該鉆井液具有強抑制、低剪切速率下黏度高、封堵性強、潤滑性好、失水低和配方組成簡單等特性。在焦頁103-2HF井應用該鉆井液后發現，井徑擴大率3.9%，鉆井液對侵入深度小于5 cm的砂床具有較好的井壁穩定性能和防漏性能。

趙素娟等［17］和劉浩冰等［18］針對龍馬溪五峰組頁巖納微米孔隙裂縫和層理發育等特性，通過核心處理劑端胺基聚醚抑制頁巖表面水化、植物油酰胺極壓減摩劑有效降摩減阻、納米封堵封固等措施，構建了JHGWY-1高性能水基鉆井液體系，頁巖滾動回收率大于98%，極壓潤滑系數0.16，鉆井液封堵泥餅承壓超過10 MPa，可滿足龍馬溪五峰組頁巖微裂縫發育、脆弱膠結面的封堵封固及水平段潤滑減阻要求。該鉆井液首次在涪陵工區的焦頁18-10HF井三開井段應用，在設計垂厚10 m、實鉆8～10 m的五峰組中順利穿行，起下鉆暢通，鉆完井順利。在現場應用過程中，該鉆井液表現出良好的流變性、低濾失量和穩定頁巖井壁的能力，完井作業順利，滿足了焦頁18-10HF井三開鉆完井工程需要。

姚如鋼［19］針對頁巖地層對鉆井液性能的要求，以無氯、無重金屬離子及無黑色材料等環保指標為基本原則，優選了胺基聚醇和乳液大分子作為環保抑制劑和包被劑，配合甲酸鉀進一步提高鉆井液抑制性，并通過高效封堵劑提高體系對頁巖地層納微米孔縫的封堵能力，構建了無毒環保型高性能水基鉆井液體系。鉆井液配方組成為1.5%膨潤土+0.10%～0.12%KOH+0.3%～0.5%K2CO3+ 0.5%～1.0%PAC-LV+0.1%～0.4%XCD+1.0%～2.0% Green-Starch+1.0%～3.0%H-Stable+2.0%～4.0%HPAG+0.5%～1.5%GWAMAC+3.0%～5.0%甲酸鉀+重晶石。性能評價結果表明，該鉆井液在密度為1.22～2.18 g/cm3時具有優良流變性及濾失造壁性；靜置24 h后上下密度差為0.03～0.06 g/cm3，沉降指數低于0.508，懸浮穩定性好，觸變性高，泥餅黏滯系數為0.026 2，潤滑性能好，并兼具較強的抑制性和抗巖屑污染性能，能夠滿足不同壓力系統頁巖地層鉆井的需要。

鐘漢毅等［20］根據泥頁巖水化特點和多元協同抑制思路，研發了聚胺高性能水基鉆井液，鉆井液配方組成為4%膨潤土漿+0.3%SDB+1%PAC-L +0.3%XC+3%HA-1+3%SDJA+3%SD-505。通過屈曲硬度實驗和黏結實驗對比評價聚胺高性能水基鉆井液與幾種典型防塌鉆井液的性能，結果表明：聚胺頁巖抑制劑能夠在較低濃度下，最大限度地降低黏土水化層間距，有效抑制黏土水化膨脹；聚胺頁巖抑制劑與鋁鹽封堵防塌劑復配后能顯著阻緩孔隙壓力傳遞；聚胺高性能水基鉆井液抑制性和清潔潤滑性突出，與油基鉆井液接近。在勝利油田田305斷塊的田310井現場應用后發現，使用該鉆井液后井段鉆井液流變性穩定，未出現井下復雜情況，而且振動篩返出巖屑外形完整，棱角分明。與該區塊同類型井相比，鉆進期間井壁沒有掉塊，井徑較規則，井徑擴大率小于6%，有效解決了勝利油田田305斷塊泥頁巖井壁失穩問題，井壁穩定效果顯著。

林永學等［21］分析了威遠區塊頁巖儲層礦物組分、儲層物性和頁巖地層井眼失穩機制后發現，該區塊的頁巖氣水平井鉆進時，鉆井液應具有較強的抑制性、封堵能力和一定的潤滑性，因此，以聚胺SMJA-1為主處理劑，配伍封堵、潤滑等處理劑，構建得到了SM-ShaleMud鉆井液體系，具體配方組成為1.5%膨潤土+3.0%～4.0%CaCO3+2.0%～4.0%SMSS-2+2.0%～4.0%SMLS-1+2.0%～4.0%SMNP-1+2.0%～3.0%SMJH-1+2.0%～3.0%SMLUB-E+0.5%～1.0%SMJA-1+5.0%～7.0%KCl+重晶石。性能評價結果表明，該鉆井液抗溫達140 ℃，抑制和封堵能力強，能有效抑制黏土水化和裂縫的擴展。在威遠區塊威頁23平臺3口井應用該鉆井液后發現，該鉆井液綜合性能優良，井壁裸眼浸泡67 d后仍保持穩定，表現出較好的井壁穩定效果。

1.3　硅酸鹽鉆井液

硅酸鹽在鉆井液中的應用始于20世紀20至30年代，由于其切力大、流變性難以控制而限制了其被大規模推廣應用。但硅酸鹽與其他鉆井液防塌劑相比具有較多優勢：結構組成近似于砂巖；無毒、環境友好；不含熒光、在任何條件下都不會分解出低分子量烴類、不干擾熒光錄井和氣測錄井；自身含有粒度分布廣且與地層礦物親和力強的粒子，在很寬的溫度范圍內均可起沉積封堵作用；抑制防塌性能優良。研究表明，硅酸鹽形成凝膠與沉淀堵塞微裂縫與頁巖孔隙，可大大降低泥頁巖滲透率，在泥頁巖表面形成一個“隔膜”或“封固殼”，有效阻緩濾液侵入和壓力傳遞，表現出較好的化學固壁效果，并具有很強的抑制黏土礦物水化膨脹與分散的能力，防止水敏性地層的水化失穩［22-24］。

陳蓓等［25］在研究硬脆性泥頁巖井壁失穩機制的基礎上，有針對性地研制了一套適于硬脆性泥頁巖地層的水基硅酸鹽鉆井液體系，具體配方組成為1.0%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.3%NaOH+0.3%PLUS+0.05%XC+0.5%MV-CMC+1.5%DFD-140+1.0%JLX+5.0%硅酸鈉+5.0%NaCl+重晶石。該鉆井液具有流變性好、抗污染和抗溫能力強、膜效率高、抑制性和封堵微裂縫能力強等優點，可滿足硬脆性泥頁巖地層鉆井的需要。

游云武等［26］在對硅酸鹽鉆井液體系及頁巖穩定分析的基礎上，研發了一套硅酸鉀鉆井液體系，具體組成為硅酸鉀+PAC-LV+JHVIS+SaleHIB+SaleMAX+SaleFLO+SaleSeal+MicroSeal+UHIB+JHX-RH+JHlUB+KOH+重晶石。該鉆井液除了具有良好的抑制防塌性能外，還具有較低的濾失量（高溫高壓濾失量<6 mL），且流變性易于控制，潤滑性好，可滿足頁巖氣水平井鉆井的要求。艾中華等［27］針對蘇丹南部油田強水化分散的泥頁巖地層，研制出了一種新型KCl/硅酸鈉鉆井液，具體組成為2%膨潤土+0.15%NaOH+0.15%Na2CO3+0.4%PAC-SL+0.1%K-PAM+5%KCl+60%硅酸鈉。該鉆井液克服了傳統的硅酸鹽鉆井液流變性控制困難、濾失量偏高等缺點，其抑制防塌性能明顯優于原來在該區塊使用的KCl/聚合物鉆井液。現場應用表明，該鉆井液具有流變性易調、濾失量可控、配制維護簡便等特點；返出鉆屑棱角分明，使井下復雜情況大大減少，取得了較好的井壁穩定效果。

1.4　鋁胺基鉆井液

李鐘等［28］研發了一種鋁胺基鉆井液體系。該鉆井液配方組成為5%鈉膨潤土+0.3%PAM+0.5%有機胺SD-5+1.5%鋁基聚合物DLP-1+3%超細CaCO3+3%SDJ-2+3%GL-1+2%KFT+2%SMP-2+1.0% DSP-2+15%原油+0.3%固體乳化劑SN-1+2%固體防塌潤滑劑RH-2+1%MSO+重晶石。性能評價結果表明，該鉆井液具有強抑制、強封堵、低濾失性及優良的潤滑性、流變性、抗溫能力和油氣層保護效果。在夏945HF井三開現場應用該鉆井液后發現：流變性能穩定，動塑比0.5，API濾失量小于2.4 mL，HTHP濾失量小于8.0 mL，泥餅黏附系數小于0.1；配合合理的密度與工程技術措施，較好地解決了該井大段泥巖、高壓油泥巖和油頁巖的井壁失穩問題，保證了該井鉆井順利施工和完井。

王樹永［29］在分析胺基聚醇AP-1和鋁聚合物DLP-1的防塌能力的基礎上，優選出了鋁胺高性能水基鉆井液配方，具體配方組成為4%膨潤土+1%PAM+1%SF-1+3%SMP-II+2%KFT+3%瀝青粉FF-2+2%聚合醇SYP-1+2%AP-1+1%DLP-1+7%原油+燒堿+重晶石。在營72-平2井和辛176-斜12井現場應用該鉆井液后發現：營72-平2井三開后因嚴重井塌無法施工，被迫填井側鉆，側鉆至井深2 920 m時，井塌現象已非常嚴重，轉換為鋁胺高性能水基鉆井液后順利完鉆；辛176-斜12井三開后鉆遇大段泥頁巖，地層微裂縫發育，同時泥巖中蒙皂石含量高、水敏性強，鉆進中發生較嚴重的井壁垮塌掉塊，轉換為鋁胺高性能水基鉆井液后順利完鉆。以上2口井的現場試驗應用證明，鋁胺高性能水基鉆井液對解決因水化不均勻或微裂縫發育導致的井壁不穩定具有良好的效果。

馬超等［30］從聚胺鹽與聚鋁鹽的抑制防塌機制出發，將兩者復配，以發揮兩者的協同效應提升鉆井液的抑制防塌性能，通過優選其他配伍處理劑及加量，研發出了具有強抑制性的聚鋁胺鹽防塌鉆井液，具體配方組成為2.0%膨潤土+2.0%封堵劑聚鋁鹽PAC-1+3.0%抑制劑聚胺鹽HPA+1.0%降濾失劑SMP-1+1.5%降濾失劑APC-026+2.0%抑制劑磺化瀝青+pH調節劑NaOH。性能評價結果表明：該鉆井液耐150 ℃高溫；對強水敏泥巖一次回收率為75%，膨脹率為17.4%；鉆井液抗15%NaCl和1%CaCl2污染。14口井的現場應用表明，該鉆井液抑制性和封堵能力強，可有效解決泥頁巖地層井壁坍塌和縮徑造成的掉塊、起下鉆遇阻等問題。

1.5　疏水抑制水基鉆井液

明顯森等［31］為了保證長寧龍馬溪硬脆性水敏地層的井壁穩定，研發了以疏水抑制劑CQ-SIA和高效液體潤滑劑CQ-LSA為主要處理劑的頁巖氣水基鉆井液體系。性能評價結果表明：該鉆井液抑制性能優異，巖屑回收率達97.6%；100 ℃恒溫靜置48 h，未出現重晶石沉降現象，流變性能穩定；抗鉆屑污染達30%。景岷嘉等［32］和劉偉等［33］根據長寧區塊龍馬溪頁巖的特點及鉆井工程需要，研發了一套具有強抑制性、強封堵性和高潤滑性能的疏水抑制水基鉆井液體系，具體配方組成為1.0%～3.0%膨潤土漿+0.5%～0.8%聚合物降濾失劑+3.0%～5.0%磺化降濾失劑+0.2%NaOH+1.0%～3.0%防塌封堵劑+1.0%～2.0%聚合醇+0.4%～1.0%疏水抑制劑CQ-SIA+20%～30%復合鹽+0.8%～1.6%納米封堵劑+0.8%～1.0%表面活性劑+3.0%～5.0%潤滑劑CQ-LSA+重晶石。在長寧H25-8井應用該鉆井液后發現，該鉆井液鉆進過程中水平段井壁穩定，井眼清潔，起下鉆摩阻小，電測成功率100%，下套管和固井作業順利，可滿足長寧頁巖氣水平井的鉆井需要。據報道，2015年6月，在長寧H13-3井使用川慶鉆探公司自主研發的陽離子硅氟聚酯高性能水基鉆井液［34］，創下了長寧龍馬溪頁巖水平段長1 500 m、水基鉆井液浸泡385 h井壁穩定無垮塌、單日進尺301.4 m等紀錄，進一步驗證了疏水抑制水基鉆井液的井壁穩定能力。

蔣官澄等［35］基于井下巖石表面雙疏理論，研發出可在巖石、濾餅和鉆具等表面形成納-微米乳突物理結構并降低表面自由能，具有“防塌、保護儲集層、潤滑、提速”功能的聚合物超雙疏劑。以該超雙疏劑為核心，結合鉆遇的地層概況，配套其他處理劑形成了超雙疏強自潔高效能水基鉆井液體系，并與現場用高性能水基鉆井液和典型油基鉆井液的性能進行對比，結果表明：超雙疏強自潔高效能水基鉆井液的流變性好，高溫高壓濾失量與油基鉆井液相當；抑制性和潤滑性接近油基鉆井液水平；無毒、環保。在陽102H36-3井現場應用該鉆井液后發現，其可解決鉆井過程中井壁失穩、儲層損害和阻卡卡鉆嚴重、鉆速慢、成本高等技術難題，同區塊井下復雜情況減少82.9%，鉆速提高32.8%，鉆井液綜合成本降低39.3%，日產量提高1.5倍以上。

1.6　基于納米材料的鉆井液

常德武等［36］根據泥頁巖地層特性以及頁巖氣鉆井工藝技術特點，開發了一種基于納米材料的水基鉆井液體系，配方組成為5%鈉膨潤土+1.8%磺化瀝青Soltex+0.6%Drispac+0.15%Flowzan+0.8%DFD+2.4%SPNH+3%納米SiO2分散液+2%納米CaCO3+1.2%KHm。對該鉆井液的熱穩定性、高溫高壓濾失性能、高溫高壓流變性、膨脹性、滾動回收率、潤滑性、泥餅摩阻系數以及表面張力等參數進行了測試，結果表明：該鉆井液對泥頁巖具有較強抑制性，抑制效果優于強抑制的聚合醇鉆井液，可有效防止泥頁巖水化膨脹分散，保證井壁穩定；具有優良的潤滑性能，潤滑系數為0.21，泥餅摩阻系數為0.049 7，在120 ℃下濾失量較低。因為納米SiO2、納米CaCO3近似球型結構，與磺化瀝青Soltex發揮協同作用，使鉆井液具有低表面張力，可降低對儲層的水鎖傷害，適于泥頁巖地層的安全鉆進。從強化封堵性能考慮，基于納米材料的強封堵鉆井液將會是頁巖油氣水基鉆井液的一個重要研究方向。

1.7　烷基糖苷衍生物高性能水基鉆井液

司西強等［37］針對四川頁巖氣井龍馬溪地層極易發生坍塌掉塊、油基鉆井液配制成本高及鉆屑后處理壓力大等技術瓶頸，以陽離子烷基糖苷（CAPG）、納-微米封堵劑等為主處理劑，通過鉆井液體系構建及配方優化，形成了CAPG高性能水基鉆井液，具體配方組成為30%CAPG+1%～2%膨潤土漿+0.05%～0.2%增黏劑+0.2%提切劑+4%～6%降濾失劑+3%～5%封堵劑+0.1%～0.3%pH調節劑+重晶石。性能評價結果表明：該鉆井液具有較好流變性；高溫高壓濾失量僅為4.0 mL；鉆井液可有效抑制黏土的水化膨脹分散，不破壞頁巖的結構，保持地層的原始性和完整性，表現出優異的井壁穩定性能；當密度達2.32 g/cm3時，鉆井液極壓潤滑系數和滑塊摩阻系數仍小于0.1，表現出較好的潤滑性能；鉆井液連續老化30 d后，流變性能保持穩定，靜置72 h未發生沉降現象；鉆井液具有較好的抗污染性能；鉆井液無生物毒性。該鉆井液適用于強水敏性軟泥巖、泥頁巖等易坍塌地層的安全鉆進。

為解決常規水基鉆井液開發泥頁巖地層時無法實現的井壁穩定和潤滑防卡等技術難題，趙虎等［38］對加有高濃度CaCl2的烷基糖苷鉆井液進行了研究，形成了CaCl2-烷基糖苷鉆井液體系，具體配方組成為25%烷基糖苷APG+0.6%增黏劑+4%封堵降濾失劑+2%納-微米封堵劑+20%～40%CaCl2+0.5%JS+適量NaOH。性能評價結果表明：該鉆井液在高濃度CaCl2和高濃度烷基糖苷的共同作用下，具有較低水活度，可與泥頁巖地層達到滲透平衡；鉆屑一次和二次回收率均超過90%，遠高于常規水基鉆井液；巖心在該鉆井液中浸泡后狀態完好，抗壓強度降低較少；潤滑性能優良；130 ℃持續老化72 h性能穩定，抗溫穩定性好；抗鉆屑、水侵和原油污染能力分別達15%、10%和10%。該鉆井液適用于焦石壩等頁巖氣水平井的鉆井施工。

趙虎等［39］針對川南頁巖氣水平井開發過程中普遍存在井壁失穩、完井作業摩阻大等問題，從提高井壁穩定和潤滑防卡能力入手，開發了以陽離子烷基糖苷CAPG和聚醚胺基烷基糖苷NAPG等烷基糖苷衍生物為主處理劑的ZY-APD高性能水基鉆井液，具體配方組成為4%～7%烷基糖苷衍生物APD+1%～2%膨潤土+0.1%～0.3%流型調節劑XC+7%～8%級配納-微米封堵劑+0.5%～1.0%降濾失劑+5%～6%KCl+2%～3%極壓潤滑劑+0.1%～0.2%pH調節劑+重晶石。在川南黃金壩和長寧區塊的YS108H8-5井、YS108H8-3井和長寧H26-4井3口井現場應用該鉆井液，其中YS108H8-5井為中石化第一口用水基鉆井液施工的頁巖氣水平井，結果表明：該鉆井液對川南龍馬溪組頁巖井壁穩定周期較長，整個鉆進過程井壁穩定無坍塌；鉆井液潤滑防卡效果好，鉆井液摩阻僅為30～40 t；鉆井液長期穩定性良好，便于維護與回收利用，回收利用率大于80%。該施工井的機械鉆速比使用高性能水基鉆井液的6口鄰井和相鄰區塊井提高了14.6%～18.8%，說明該鉆井液適用于中低水敏的泥頁巖地層的鉆井施工。

1.8　近油基鉆井液

隨著環保要求的日益嚴苛和鉆井液技術的不斷進步，“水替油”成為鉆井液技術發展的必然趨勢［40］。近油基鉆井液體系是近年來中石化中原石油工程公司原創研發的一種完全可以達到水替油效果的高性能水基鉆井液體系，代表了目前國內外高性能水基鉆井液的主流發展方向。近油基鉆井液與現有高性能水基鉆井液的本質區別在于：高性能水基鉆井液依靠強抑制劑來實現抑制防塌，地層水化作用無法避免，坍塌周期較短；而近油基鉆井液與油基鉆井液一樣，無水化過程，不存在黏土礦物的水化運移，地層坍塌周期可無限延長，或者可認為不存在坍塌周期的問題。既然不存在水化作用，那么壓力傳遞就成為影響近油基鉆井液和油基鉆井液井壁穩定效果的主要因素。因此，要想避免井壁失穩，近油基鉆井液還必須做好封堵措施［41-42］，避免或減弱壓力傳遞作用，從去水化、強封堵等多個角度共同作用來確保井壁穩定。總的來說，要想實現近油基鉆井液的技術目標，需要使鉆井液滿足吸附成膜阻水、反滲透驅水這兩個基本條件，同時具備強封堵效果。

本課題組［43-46］針對國內強水敏性泥巖、高活性頁巖地層存在的易水化坍塌、層理裂縫發育、破碎帶失穩、摩阻大等技術難題，同時為了避免目前油基鉆井液存在的配制成本高、鉆屑后處理壓力大等問題，開展了作用機制與油基相近、性能與油基相當且綠色環保的近油基鉆井液研究。以水活度為0.746的近油基基液為基礎，配伍增黏提切劑、降濾失劑、封堵劑等處理劑，通過鉆井液體系構建及配方優化，得到近油基鉆井液配方組成為近油基基液（水活度0.746）+1.0%～3.0%膨潤土+1.5%～2.0%降濾失劑ZY-JLS+0.1%～0.3%流型調節劑ZYPG-1+3.0%～7.0%成膜封堵劑ZYPCT-1+1.0%～3.0%納米封堵劑ZYFD-1+0.5%～2.0%抑制增強劑ZYCOYZ-1+0.1%～0.3%pH調節劑+重晶石。性能評價結果表明：鉆井液密度在1.17～2.50 g/cm3范圍內可調。當密度為1.17 g/cm3時，鉆井液水活度為0.651，鉆井液抗溫達150 ℃，巖屑回收率＞99%，極壓潤滑系數為0.035，泥餅黏附系數為0.052 4，鉆井液濾液表面張力為29.425 mN/m，鉆井液中壓濾失量為0、高溫高壓濾失量為4.5 mL，鉆井液EC50值為128 400 mg/L，鉆井液抗鹽達飽和、抗鈣10%、抗土30%、鉆屑25%、抗水30%、抗原油20%，鉆井液表現出較好的儲層保護性能。該近油基鉆井液作用機制與油基鉆井液相近，通過嵌入及拉緊晶層、吸附成膜阻水、低水活度反滲透驅水等發揮抑制防塌性能。該鉆井液抑制防塌性能優異、固相清潔及容納能力強、潤滑防卡效果好、不黏卡鉆具、環保優勢顯著，適用于高活性泥頁巖、含泥巖等易坍塌地層及頁巖油氣水平井的鉆井施工，實現現場綠色、安全、高效鉆井。近油基鉆井液體系在陜北云頁平6井、東北松遼盆地松頁油2HF井現場應用，效果突出。其中，松頁油2HF井是我國第一口用水基鉆井液打成的頁巖油水平井，打破了松遼盆地北部頁巖油層被稱為“鉆井禁區”“不可戰勝”的神話，為我國下一步頁巖油大規模開發積累了寶貴的第一手資料，意義重大。松頁油2HF井施工中，100%純泥巖裸眼浸泡165 d后仍然保持強效持久的井壁穩定（鄰井坍塌周期不超過21 d），完井作業以200～300 m/h的高速度下套管一次成功。

從技術、成本及環保等角度來說，近油基鉆井液體系均表現出明顯的優勢，有利于促進國內外高性能水基鉆井液技術進步，具有較好的經濟效益和社會效益，應用前景廣闊，近油基鉆井液體系適用于強水敏性軟泥巖地層和高活性頁巖地層的綠色、安全、高效鉆井。

2　頁巖油氣水平井水基鉆井液發展趨勢

總的來說，我國頁巖油氣資源的勘探開發已全面展開［47］。我國頁巖氣資源主要分布在南方古生界、華北地區下古生界、塔里木盆地寒武-奧陶系等海相頁巖地層以及準格爾盆地的中下侏羅統、吐哈盆地的中下侏羅統、鄂爾多斯盆地的上三疊統等陸相頁巖地層，目前已實現商業開發的主要有涪陵、長寧、威遠和延長四大頁巖氣產區，其中2017年涪陵頁巖氣田已實現100億m3產能。我國頁巖油資源主要分布在松遼盆地、鄂爾多斯盆地、準格爾盆地等區域，國內頁巖油資源尚未實現商業化開發。截至目前，國內頁巖油氣勘探開發所用的鉆井液基本為油基鉆井液，水基鉆井液占比很少，主要有3個原因：①受傳統認識的局限，仍普遍認為油基鉆井液是目前頁巖油氣水平型鉆井施工的首選體系，盡管隨著世界環保要求的日益嚴格，油基鉆井液在環保方面的劣勢越來越明顯；②目前能夠用于頁巖油氣水平井安全鉆井的水基鉆井液可選擇性較小，前期形成的聚合醇鉆井液、胺基鉆井液等高性能水基鉆井液其性能跟油基鉆井液相比仍有較大差距，不能滿足目前頁巖油氣水平井安全鉆井的技術需求；③近年來水基鉆井液原創研發的機制與油基鉆井液相近，性能與油基鉆井液相當。綠色環保的近油基鉆井液體系，盡管從性能、成本和環保等方面表現出了較油基鉆井液更顯著的優勢，但是由于認識的局限性，還不能完全被接受，導致其推廣應用的步伐較慢。

針對上述技術現狀及存在問題，頁巖油氣水基鉆井液應從以下幾個方向開展技術攻關。

1）充分發揮聚合醇、胺基抑制劑、硅酸鹽、烷基糖苷及其衍生物、Al3+、CaCl2等處理劑的優良性能，將其復配到一起，構建并優化得到具有多元協同防塌效果的高性能水基鉆井液體系，實現良好的井壁穩定效果。

2）開展ZY-APD高性能水基鉆井液的適用性研究，強化其抑制、潤滑、封堵等性能，形成適用于四川長寧、昭通等不同頁巖氣區塊的有針對性的ZY-APD高性能水基鉆井液系列技術，滿足中低水敏泥頁巖地層的安全高效鉆進。

3）在目前近油基鉆井液的研究基礎上，繼續深入開展其作用機制研究，如：近油基基液水活度與成膜效果、抑制防塌性能的內在聯系、近油基基液與其他配伍處理劑的協同作用。只有明晰近油基鉆井液作用機制，改變傳統觀念并統一思想認識，才讓“水基鉆井液替代油基鉆井液完全可以實現”的觀念深入人心。

4）根據國內各頁巖油氣區塊的地層地質特點，開展針對不同頁巖地層的近油基鉆井液體系適用性研究，優化調整近油基鉆井液配方組成及技術方案，形成滿足不同頁巖地層復雜地質特征的近油基鉆井液系列配方及技術，從而擴大應用規模。

5）從成本角度考慮，開展近油基鉆井液的回收再利用技術研究，繼續降低近油基鉆井液的綜合使用成本，使其跟油基鉆井液相比，在性能、成本及環保方面具有絕對優勢。大力宣傳在涪陵及威榮區塊頁巖氣水平井和松遼盆地頁巖油水平井開展近油基鉆井液技術的應用成果，使更多的油氣田在使用該技術同時進一步改進配方，以降低成本。

6）在目前“近油基鉆井液體系”研究及實踐基礎上，從抑制防塌、潤滑防卡、成膜封堵、固壁膠結、高溫穩定等角度繼續強化鉆井液性能，探索開展“超油基鉆井液體系”的前瞻性研究。

［1］ 戴金星，秦勝飛，胡國藝，等.新中國天然氣勘探開發70年來的重大進展［J］.石油勘探與開發，2019，46（6）：1037-1046．

［2］ 楊野.適用于長頁巖井段的強抑制水基鉆井液研究［D］.成都：西南石油大學，2017．

［3］ 許博，閆麗麗，王建華，等.國內外頁巖氣水基鉆井液技術新進展［J］.應用化工，2016，45（10）：1974-1981．

［4］ 王中華.頁巖氣水平井鉆井液技術的難點及選用原則［J］.中外能源，2012，17（4）：43-47．

［5］ 徐加放，邱正松，王瑞和，等.泥頁巖水化應力經驗公式的推導與計算［J］.石油鉆探技術，2003，31（2）：33-35．

［6］ 王俊祥.頁巖氣水基鉆井液技術研究［D］.武漢：長江大學，2015．

［7］ 趙虎，司西強，王愛芳.國內頁巖氣水基鉆井液研究與應用進展［J］.天然氣勘探與開發，2018，41（1）：90-95．

［8］ 劉平德，牛亞斌，王貴江，等.水基聚乙二醇鉆井液頁巖穩定性研究［J］.天然氣工業，2001，21（6）：57-59．

［9］ 肖金裕，楊蘭平，李茂森，等.有機鹽聚合醇鉆井液在頁巖氣井中的應用［J］.鉆井液與完井液，2011，28（6）：21-23．

［10］ 劉彥妹，左鳳江，高麗娟，等.聚合醇與有機鹽的協同效應［J］.鉆井液與完井液，2010，27（2）：32-33．

［11］ 張文哲，李偉，王波，等.延長油田水平井高性能水基鉆井液技術研究與應用［J］.非常規油氣，2019，6（5）：85-90．

［12］ 王平全，鄧嘉丁，白楊，等.鉆井液浸泡對延長組頁巖坍塌壓力的影響［J］.特種油氣藏，2018，25（2）：159-163．

［13］ 王波，李偉，張文哲，等.延長區塊陸相頁巖水基鉆井液性能優化評價［J］.鉆井液與完井液，2018，35（3）：74-78．

［14］ 徐跟峰.高性能水基鉆井液技術特點及應用進展［J］.西部探礦工程，2019，31（8）：85-86．

［15］ 游云武，梁文利，宋金初，等.焦石壩頁巖氣高性能水基鉆井液的研究及應用［J］.鉆采工藝，2016，39（5）：80-82．

［16］ 梁文利.四川盆地涪陵地區頁巖氣高性能水基鉆井液研發及效果評價［J］.天然氣勘探與開發，2019，42（1）：120-129．

［17］ 趙素娟，游云武，劉浩冰，等.涪陵焦頁18-10HF井水平段高性能水基鉆井液技術［J］.鉆井液與完井液，2019，36（5）：564-569．

［18］ 劉浩冰，趙素娟，陳長元，等.頁巖水平段水基鉆井液技術［J］.遼寧化工，2020，49（1）：116-118．

［19］ 姚如鋼.無毒環保型高性能水基鉆井液室內研究［J］.鉆井液與完井液，2017，34（3）：16-20．

［20］ 鐘漢毅，邱正松，黃維安，等.聚胺高性能水基鉆井液特性評價及應用［J］.科學技術與工程，2013，13（10）： 2803-2807．

［21］ 林永學，甄劍武.威遠區塊深層頁巖氣水平井水基鉆井液技術［J］.石油鉆探技術，2019，47（2）：21-27．

［22］ 徐加放，邱正松，呂開河，等.硅酸鹽鉆井液防塌機制與應用技術［J］.石油勘探與開發，2007，34（5）：622-627．

［23］ 秦永和.硅酸鹽鉆井液防塌機制研究與應用［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2007，31（3）：67-71．

［24］ 何恕，鄭濤，敬增秀，等.水基硅酸鹽鉆井液的頁巖井眼穩定性研究［J］.鉆井液與完井液，2000，17（3）：25-27．

［25］ 陳蓓，鄢捷年，王建華.適用于硬脆性泥頁巖地層的水基鉆井液技術研究［J］.西部探礦工程，2009，21（7）： 50-52．

［26］ 游云武，許明標，由福昌.硅酸鉀鉆井液在頁巖氣水平井中的可行性研究［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2016，43（7）：116-120．

［27］ 艾中華，郭健康，唐德釗.新型KCl/硅酸鈉鉆井液在強水化分散泥頁巖中的應用［J］.石油鉆探技術，2009，37（5）：77-80．

［28］ 李鐘，王佩平，羅石瓊，等.夏945HF井三開鋁胺基鉆井液技術研究應用［J］.中外能源，2017，22（10）：41-46．

［29］ 王樹永.鋁胺高性能水基鉆井液的研究與應用［J］.鉆井液與完井液，2008，25（4）：23-25．

［30］ 馬超，趙林，宋元森.聚鋁胺鹽防塌鉆井液研究與應用［J］.石油鉆探技術，2014，42（1）：55-60．

［31］ 明顯森，賀海，王星媛.四川長寧區塊頁巖氣水平井水基鉆井液技術的研究與應用［J］.石油與天然氣化工，2017，46（5）：69-73．

［32］ 景岷嘉，陶懷志，袁志平.疏水抑制水基鉆井液體系研究及其在頁巖氣井的應用［J］.鉆井液與完井液，2017，34（1）：28-32．

［33］ 劉偉，賀海，黃松，等.疏水抑制水基鉆井液在長寧H25-8井的應用［J］.鉆采工藝，2017，40（3）：84-86．

［34］ 谷學濤.頁巖氣水平段超高密度專打水基鉆井液獲突破［N］.中國石油報，2015-06-25（1）．

［35］ 蔣官澄，倪曉驍，李武泉，等.超雙疏強自潔高效能水基鉆井液［J］.石油勘探與開發，2020，47（2）：1-9．

［36］ 常德武，蔡記華，岳也，等.一種適合頁巖氣水平井的水基鉆井液［J］.鉆井液與完井液，2015，32（2）：47-51．

［37］ 司西強，王中華，王偉亮.龍馬溪頁巖氣鉆井用高性能水基鉆井液的研究［J］.能源化工，2016，37（5）：41-46．

［38］ 趙虎，司西強，甄劍武，等.氯化鈣-烷基糖苷鉆井液頁巖氣水平井適應性研究［J］.鉆井液與完井液，2015，32（6）：22-25．

［39］ 趙虎，孫舉，司西強，等.ZY-APD高性能水基鉆井液研究及在川南地區的應用［J］.天然氣勘探與開發，2019，42（3）：139-145．

［40］ 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）：1-6．

［41］ 侯杰.硬脆性泥頁巖微米-納米級裂縫封堵評價新方法［J］.石油鉆探技術，2017，45（3）：32-37．

［42］ 劉凡，蔣官澄，王凱，等.新型納米材料在頁巖氣水基鉆井液中的應用研究［J］.鉆井液與完井液，2018，35（1）： 27-33．

［43］ 司西強，王中華，王偉亮.聚醚胺基烷基糖苷類油基鉆井液研究［J］.應用化工，2016，45（12）：2308-2312．

［44］ 謝俊，司西強，雷祖猛，等.類油基水基鉆井液體系研究與應用［J］.鉆井液與完井液，2017，34（4）：26-31．

［45］ 司西強，王中華，雷祖猛，等.近油基鉆井液技術及實踐［C］//2019年度全國鉆井液完井液學組工作會議暨技術交流研討會論文集.北京：中國石化出版社，2019．

［46］ 司西強，王中華.鉆井液用烷基糖苷及其改性產品合成、性能及應用［M］.北京：中國石化出版社，2019.

［47］ 王中華.頁巖氣水平井鉆井液技術的難點及選用原則［J］.中外能源，2012，17（4）：43-47．

Current situation and development trend of water?based drilling fluids technology for shale oil and gas horizontal wells in China

SI Xiqiang1，WANG Zhonghua1，WU Baizhi2

1，，457001，；2，，457001，

In view of the increasing stringent environmental protection regulations and the low cost requirements of drilling fluids， a large number of research work has been carried out on shale oil and gas high-performance water-based drilling fluid instead of oil-based drilling fluid， and great progress and breakthrough have been made. In this paper， the technical status of high-performance water-based drilling fluid in shale oil and gas horizontal wells in recent years was reviewed，which mainly included polyol drilling fluid， amine based high performance water?based drilling fluid， silicate drilling fluid， aluminum and amine based drilling fluid， hydrophobic inhibition water-based drilling fluid， nano material based drilling fluid， CAPG（cationic alkyl poly glucoside） high-performance water-based drilling fluid， calcium chloride and alkyl polyglucoside drilling fluid， ZY-APD（Zhongyuan alkyl polyglucoside derivative） high-performance water-based drilling fluid， similiar oil-based drilling fluid， etc. Based on the existing research and application of high-performance water-based drilling fluid for shale oil and gas horizontal wells， the reasons for its small scale application in shale oil and gas horizontal wells were analyzed， and the future research direction and development trend were prospected.

shale oil and gas； horizontal well； water-based drilling fluids； alkyl polyglucoside derivatives； similar oil-based drilling fluid； borehole stability

2021-11-18

中國博士后科學基金（2012T50641、2011M501194）；中石化重大科技攻關項目（JP16003、JP17047、JPE19011）；中石化石油工程公司重大科技攻關項目（SG1302-03K、SG18-19K、SG18-18J）；中石化中原石油工程公司重大科技攻關項目（2019201）

司西強，博士，研究員；研究方向：精細化工、新型鉆井助劑及頁巖油氣水基鉆井液技術研究及推廣；E-mail：sixiqiang@163.com

［責任編輯 荀志金］