吴代国

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

我国具有丰富的页岩气资源，其中四川盆地的资源最为丰富[1]。近年来，随着非常规油气资源勘探开发的不断深入，页岩气的钻井作业越来越多。由于页岩储层的地形和井型趋于复杂，页岩本身具有易水化膨胀、微裂缝发育等特性，导致在页岩气开采过程中，对钻井液的抑制性、润滑性、防塌封堵性等方面有更高的要求。本文分析了页岩气钻井液的技术难点，调研了近几年现场应用的油基钻井液、水基钻井液和纳米封堵钻井液的应用和进展情况，以期为国内页岩钻井液技术的发展提供参考。

1 页岩气钻井液技术难点

页岩气储层的蒙脱石、伊利石等粘土矿物含量通常较高，在钻井过程中钻井液中的自由水和粘土矿物接触后易发生水化膨胀。其表面水化的膨胀压力可达上百兆帕[2]，该值远大于钻井液的静液柱压力。因此，当静液柱压力无法抑制粘土矿物的水化膨胀后，不断发生的表面水化会使页岩强度降低并趋于分散，从而使井壁失稳。因此要求钻井液具有较好的抑制性。

硬脆性页岩通常微裂缝较为发育，甚至存在较大的断层裂缝。由于页岩气井通常有较长的水平段，遇到微裂缝甚至大裂缝的可能性较大。钻遇微裂缝时不断侵入的水相会使粘土矿物发生层间水化膨胀进而使其剥落。钻遇较大裂缝会造成钻井液漏失。因此要求钻井液有较好的封堵能力。

由于页岩气储层的渗透率较低，需要采用水平井并配合大规模水力压裂才能有效开采，而且水平段越长相应的开采储层波及面积就越大，商业价值也越高，但摩阻和扭矩就更大，因此对钻井液的润滑性有较高的要求。此外，由于水平段较长，岩屑易因重力作用堆积形成岩屑床，因此对钻井液的携岩能力要求较高。

2 页岩气钻井液技术进展

2.1 油基钻井液

油基钻井液的外相是油，而油本身的特性使其不会对页岩产生水化作用，因此有较好的抑制性。此外油基钻井液本身的润滑特性也使其满足了页岩气开采的要求。在北美开发的页岩气井中有70%使用油基钻井液。

中石化在四川的涪陵区块和渤海区块成功使用了强封堵柴油基钻井液进行了页岩气井的开采。其配方为：柴油+4%有机土+氯化钙水溶液+3%～4%主乳化剂+1%～2%辅乳化剂+2%～3%润湿剂+1.5%氧化钙+3%～4%降滤失剂+2%～4%封堵剂。钻井过程中井壁稳定，岩屑返出顺利，无钻井液原因造成的井下复杂事故，取得了良好的现场应用效果。

但油基钻井液具有使用成本高、环保压力大、钻屑处理困难等问题。此外由于油基钻井液的长期浸泡，井壁和套管表面形成了油膜，导致完井过程中滤饼难以清除，界面胶结强度低，固井质量差，从而影响了水力压裂作业[3]。

2.2 水基钻井液

随着国内新环保法的实施，油基钻井液的使用被大幅度限制，水基钻井液的应用也成为研究的热点。国内已开发出较为成熟的水基钻井液体系，并在河南油田和邵通、威远—长宁区块取得成功应用。在河南的泌页HF2井使用的配方为：4%膨润土+0.2%碳酸钠+3%SFT降滤失剂+2%高效抑制剂+1%CAG+1%封堵剂+0.6%SAM+2%CSMP+2%铵盐+0.5%降粘剂+6%白油+2%高效润滑剂。完钻井深4439m，水平段1500m，钻井施工顺利，无井下复杂情况发生。在邵通区块使用的高性能水基钻井液，钻井过程中钻井液流变性好，抗温能力强。与同区块使用的油基钻井液性能相当，无井下复杂情况发生。但在泌页HF1井使用的水基钻井液在钻井施工过程中发生了较为严重井壁坍塌和泥包钻头等问题，说明水基钻井液的使用仍有一定的局限性[4]。

哈里伯顿公司开发了一种高性能水基钻井液，其主要特点是通过对预开采地层进行粘土矿物分析，优选适宜的处理剂，进行客户化订制。并在Haynesville、Fayetteville和Barnett页岩气井进行了成功应用[5]。

2.3 纳米封堵钻井液

由于页岩地层通常富含微裂缝、细微裂缝，为纳米级范畴，在钻进过程中钻井液因压差作用滤液沿微裂缝、细微裂缝渗入地层，滤液延伸、水力尖劈和毛管效应等伴随存在，微裂缝、细微裂缝延伸和次生，最终连通导致坍塌。而目前的钻井液体系中的固相封堵颗粒多处于微米级范畴，无法对纳米级裂缝进行有效封堵，因此只有在钻井液体系中加入纳米材料才能完成对地层的全尺寸封堵。

在威远—长宁区块采用油基钻井液的开发过程中，在水平段产生了井壁剥落问题，并且钻井液消耗量较大。分析认为，该区块水平段钻遇的主要是硬脆性页岩，微裂缝发育，平均孔隙直径在80nm左右，最大孔隙直径为200nm。由于钻井液密度较高（2.2g/cm3）导致大量液相侵入地层，造成伊利石分散和钻井液损耗。在后续的几十口井的钻探过程中在钻井液中加入粒径为100nm左右的微纳米封堵颗粒，取得了明显的效果，减少了钻井液漏失和井壁失稳情况的发生。中海油服研发的高效纳米封堵剂Green-seal大大减少了东海NB区域的严重坍塌、起下钻遇阻等井下复杂事故。说明纳米材料能有效封堵页岩地层的微裂缝和微孔隙。

贝克休斯公司也开发了商品名为MAXSHIELD（有机纳米封堵剂）和NNANOSHIELD（有机/无机复合封堵剂）的纳米封堵材料，并以之为核心形成了水基纳米封堵钻井液。在四川长宁页岩气区块创造了机械钻速最高（15.9m/h）、水平段钻井周期最短(6d)的记录。哈里伯顿公司开发一种使用纳米封堵剂（NP）的钻井液体系，在裸眼停留45d，井底温度170℃的情况下钻井液性能稳定，未发生复杂情况。进一步说明了纳米材料具有很强的封堵作用。

3 结论与认识

（1）页岩储层易发生井下复杂的主要原因是粘土易水化膨胀和存在微裂缝，钻井液体系的研发重点在于对页岩地层的封堵和抑制。

（2）油基钻井液具有良好的页岩抑制性和润滑性，但是随着环保要求越来越严格，限制了其进一步的应用。高性能水基钻井液的性能已经逐渐接近油基钻井液，其环保和低成本的特性使其有望成为页岩气开发的首选，但如何进一步加强水基钻井液对页岩的抑制能力仍是攻关的重点。

（3）纳米封堵材料的使用对页岩地层的井壁稳定具有重要的帮助，有助于解决因泥页岩微裂缝发育引起的井壁问题。

（4）为了在满足开采需求的同时进一步降低开采成本、减少环境破坏，世界各地的钻井液研究人员都在积极探索。我国的页岩气开采有着广阔的前景，高性能钻井液和纳米封堵技术将发挥更重要的作用。