李倩

摘要：由于页岩层一般发育有较多裂缝且具有强水敏性，因此在钻井过程中常采用丛式水平井和浅层大位移井，尤其在鉆至长水平段时发生井漏、垮塌及缩径等井下事故的概率较大，此外还有携岩、摩阻、地层污染等问题，故在开采页岩气过程中，井壁稳定、岩屑处理、降阻减摩这些要求对钻井液的选择十分重要。

关键词：页岩气钻井液技术;页岩井壁稳定性;油基钻井液;水基钻井液

1 页岩气钻井液的技术关键

页岩气开发采用的水平井类型主要包括浅层大位移井和丛式水平井，且需在长水平段通过分段压裂技术改造储层。由于页岩层发育有较多裂缝且具有强水敏性，钻井过程中发生井漏、垮塌及缩径的概率较大，及在长水平段易造成携岩困难、摩阻大、地层污染，钻井液的性能直接关系到钻井效率、储层保护效果、井下复杂情况的发生概率。因此，页岩气钻井液技术的关键就是井壁稳定、降阻减摩和井眼清洗等技术。

（1）井壁的稳定性差：页岩的不稳定导致了页岩气钻井中70%以上的井筒故障，当钻井液透过地层裂缝和较弱的页岩层层面时，钻井液与页岩之间的作用会对页岩的强度和孔隙压力产生影响，最终降低页岩的稳定性。因此，在页岩气开采过程中，井壁的稳定性问题不容忽视。

（2）高扭矩和高摩阻：布井采用浅层大位移水平井方式时，其在定向造斜段的造斜率较高，尤其在斜井段进行滑动钻进时，定向过程中易在井壁形成小台阶，在起下钻过程中造成键槽。因此钻具与井壁间在水平段定向滑动钻进过程中会产生较大摩擦力，正常钻进过程中造成钻头扭矩变大，此外，因为水平段长、井眼曲率大，会造成套管自由下滑时重力小且摩阻大的现象，所以下套管过程中易发生粘卡，因此页岩气开采对钻井液的润滑性也具有很高的要求。

（3）岩屑清除困难：水平井造斜过程中井斜变化较大、页岩发生坍塌及井中岩屑自重都会使得井眼清洁困难;井眼环空的间隙小，泵压高，排量被限制，所以钻井过程很容易形成岩屑床，以至于摩阻更大、扭矩更大和井下发生故障的几率更大。因此钻井液的携岩清砂能力及流变性也显得更加重要。

综上，页岩气水平井的钻井液考虑到页岩易膨胀和易破碎的特点，其必须具有携岩能力强、润滑性好、封堵能力强及抑制性强的特征。

2 提高页岩井壁稳定性的方法

（1）低渗页岩：钻井液活度低于孔隙液活度的时候，孔隙液会产生渗透回流现象，该现象会平衡水力流动，从而降低水化及孔隙压力的升高速度，使得增加近井壁有效应力和地层强度，使井眼稳定性加强。研究发现CaCl2钻井液或高矿化度的聚合物钻井液的使用可达到降低钻井液的活性的目的，从而降低钻井液和页岩之间相互作用的总压力。若选用高含量的CaCl2、KCOOH和Al3+盐，则可使得孔隙压力降低、页岩发生脱水及在近井地带的化学变化形成协同作用，最终页岩井壁的稳定性获得提高。

（2）高渗页岩：可考虑使用封堵剂对其封堵。因为若原始地层已经被压裂，就算采用低活度的水基钻井液，也不一定能稳定井壁。此时，通过降低页岩渗透率从而降低水力传导率的方法有：考虑封堵作用与渗透回流作用的相互配合，或者通过提高液体的滤液黏度;采用高浓度的低相对分子质量聚合物及低相对分子质量的增黏剂;采用低密度钻井液及触变性钻井液，从而尽可能地使钻井液对页岩缝隙的渗透能力降低。

（3）油基钻井液的使用会增加水湿性页岩的毛细管力，从而使钻井液对页岩的渗透现象减弱，所以油基钻井液和合成基钻井液的使用对于解决页岩井壁不稳定的作用十分明显。但是若页岩地层裂缝或层理发育，则还要结合强化封堵的方式，来减少钻井液对地层产生的压力传递。

3 页岩气钻井液体系

3.1 选择原则

页岩气开采既可使用油基钻井液、合成基钻井液，也可以使用水基钻井液，只要能够满足钻井过程中井壁稳定、防卡、润滑和井眼易清洗的要求。

水基钻井液的关键是具有良好的封堵能力和抑制性，可通过降低钻井液滤液的水力流动使得提高页岩的稳定性。例如以下具有强抑制性和封堵能力的水基钻井液：胺基抑制性钻井液、甲基葡萄糖甙钻井液、聚合醇钻井液以及铝基钻井液等。此外，还要考虑到钻井液的润滑性、降低摩阻及储层保护。

但是从具体的应用经验看，低活度的水基钻井液只能减少渗入页岩层的水量，并不能有效提高井壁稳定性，油基钻井液由于可增加水湿性页岩的毛细管力，从而有效降低钻井液对页岩的渗透速度。因此，针对页岩气水平井钻井，油基钻井液和合成基钻井液具有绝对优势，需要注意的是，若页岩层层理较发育，则要适时配合封堵，防止钻井液漏失造成井壁坍塌。

3.2 不同钻井液体系的对比

（1） 油基钻井液

优点：不容易卡钻，润滑性能较好;井壁稳定性较好，抑制性能强;在高温高压下的滤失量低，热稳定性较好;基本无腐蚀性;抗污染能力较强，维护处理的工作量小;对储层保护效果较好。

缺点：成本较高，后续的工作量较大;不太环保;温度对流变性能的影响较大;循环漏失的趋势较高;对天然气浸探测有影响。

（2） 水基钻井液

优点：相对较环保;温度对流变性能的影响较小;成本相对较低;天然气浸容易发现;发生井漏时易处理。

缺点：井壁稳定性较差;热稳定性相对较差，高温时易凝胶化;抗污染性能差，维护处理的工作量较大;润滑防卡的能力弱。

3.3 研究方向

有实验表明，在应用高矿化度（35%的CaCl2）的水基钻井液于活性页岩时，活性页岩随即出现失水现象，即活性页岩的水分被反吸到水基钻井液中，这十分利于井壁稳定性的提高。所以水基CaCl2/聚合物钻井液的研究对页岩层的抗污染和钻井液成本的降低都迫在眉睫。需要继续改进和深入研究的是钻井液体系的稳定性的提高及其配伍的处理剂配方。

对油基钻井液与水基钻井液做以对比可知，油基钻井液在目前应用情况中更具有优势，因此应该优先考虑油基钻井液应用于页岩气水平井钻井，当然在油基钻井液体系应用过程中也要结合现状适时改进其添加剂，比如：降滤失剂、封堵剂、乳化剂、润湿剂及提黏切剂等，从而使得油基钻井液体系不断发展和完善，趋于低毒或者无毒。

4 小结

在页岩气的水平井开发中国外使用频率较高的是油基钻井液，而在我们国内，页岩气水平井的开发才属于起步阶段。页岩具有容易膨胀和破碎的特征，所以钻井难度很大，危险系数较高，因此页岩层井壁稳定性的提高和适合页岩钻井的钻井液体系的研究对于安全钻井来说十分重要。对于油基钻井液体系来说，应在应用过程中继续研究低毒甚至无毒的钻井液体系及可逆乳化的钻井液体系。对于水基钻井液体系来说，研究降低钻井液的活度从而增强其对页岩的抑制性能和封堵性能，改善钻井液的润滑性能、防卡性能和携岩能力，以及不同水基钻井液体系的协同作用都迫在眉睫。

参考文献：

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[2] 王中华.国内外钻井液技术进展及对钻井液的有关认识[J].中外能源，2011，16（1）：48～60.