杨弘毅

(中法渤海地质服务有限公司，天津 300457)

为了满足页岩气储层长水平段安全、快速、高效钻井的需求，油气公司主要使用油基钻井液体系进行钻井施工作业，油基钻井液体系具有较优的抑制性能和润滑性能，但是其配制成本也相对较高，并且废弃钻井液以及油基钻屑的后期处理工艺比较复杂，处理费用也比较高。此外，随着国家对环保要求的越来越严格，油基钻井液的大规模使用受到越来越多的限制[1-3]。因此，开发高性能的水基钻井液来替代油基钻井液是页岩气储层钻井发展的一种趋势[4-8]。

目前，已有将开发出的高性能的水基钻井液体系成功用于页岩气储层的钻井应用中，并取得了较好的现场应用效果[9]。国内的页岩气水基钻井液技术由于起步较晚，与国外相比发展相对较慢[10-12]。以涪陵地区某页岩气区块水平井为研究对象，分析了该区块水平井钻井液的技术难点，提出了针对性的解决措施，通过大量室内试验，开发了一套适合涪陵页岩气水平井开发的高效水基钻井液体系，对其耐温性能、抑制性能、润滑性能、抗污染性能和生物毒性进行了评价，为涪陵地区页岩气水平井的高效钻井开发提供一定的技术支持。

1 涪陵页岩气水平井钻井技术难点及对策

页岩储层由于黏土矿物含量较高，在钻井过程中容易发生井壁失稳现象。通过分析涪陵地区页岩气储层特征及现场钻井施工资料，认为该地区页岩气水平井钻井过程中存在以下技术难点：①页岩储层钻井过程中的井壁失稳问题；②页岩储层长水平段钻进时摩阻较高等问题；③钻井液对环境的污染等问题。

针对以上技术难点，可通过增强钻井液体系的抑制性能来解决井壁失稳问题，在钻井液体系中加入新型页岩抑制剂HUB-1 能够有效抑制页岩的水化膨胀分散，避免井壁坍塌等失稳现象。在钻井液体系中加入高效润滑剂RYH-4 可以有效提高体系的润滑性能，降低水平段钻进时的摩阻，避免卡钻、起下钻困难等井下复杂情况的发生。此外，为解决钻井液造成环境污染问题，可使用无毒、低毒的钻井液处理剂。

2 高效水基钻井液体系配方

分析了涪陵地区页岩气储层特征及水平井钻井液技术难点，结合涪陵区块现场使用的水基钻井液体系，通过室内大量的处理剂优选及评价结果，开发了一套适合涪陵区块页岩气水平井的高效水基钻井液体系，具体配方(w)为：3%淡水土浆+0.3%NaOH+0.15% Na2CO3+0.5%增黏剂ZNN-1+3%降滤失剂JLS-2+3%新型页岩抑制剂HUB-1+2.5%纳米封堵剂NMT-D+4%超细碳酸钙+2.5%高效润滑剂RYH-4+3% KCl，以重晶石加重至钻井液体系密度1.5 g/cm3。

3 高效水基钻井液体系性能评价

3.1 耐温性能评价

由于涪陵地区目标区块页岩气储层段地层温度一般不超过140 ℃，为了评价高效水基钻井液体系的耐温性能，将钻井液体系在不同温度条件下老化后，测定其流变性以及失水量的变化情况，滚动老化时间为16 h，试验结果见表1。

表1 高效水基钻井液体系耐温性能评价

由表1 可见：高效水基钻井液体系经过不同温度老化后，表观黏度、塑性黏度和切力值均有所降低，但整体变化幅度不大。钻井液体系经过140 ℃高温滚动老化后，API 滤失量小于1 mL，高温高压滤失量小于5 mL，表明开发的高效水基钻井液体系具有良好的耐温性能。

3.2 抑制性能评价

为了考察高效水基钻井液体系的抑制性能，室内使用涪陵地区目标区块页岩气储层段钻屑评价了钻井液体系的滚动回收率，并与清水和常用油基钻井液体系的滚动回收率进行对比，试验温度为140℃，试验时间为16 h，试验结果见表2。

表2 高效水基钻井液体系抑制性能评价

由表2 可见：目标区块储层段钻屑在清水中的滚动回收率只有38.8%，而在高效水基钻井液的滚动回收率达到98%以上，与常用油基钻井液体系基本相当，表明室内研制的高效水基钻井液体系具有良好的抑制性能，可以有效抑制页岩的水化膨胀分散。

3.3 润滑性能

室内使用极压润滑仪和泥饼黏附系数测定仪评价了高效水基钻井液体系的润滑性能，并与常用油基钻井液体系进行了对比，试验结果见图1。

图1 高效水基钻井液润滑性能评价

由图1 可见：室内研制的高效水基钻井液体系的极压润滑系数和泥饼黏附系数均与常用油基钻井液体系相差不大，表明高效水基钻井液体系具备较好的润滑性能，可以降低页岩气水平井钻井过程中的摩阻，确保安全快速钻井。

3.4 抗污染性能

为了考察高效水基钻井液体系的抗污染性能，室内使用NaCl，CaCl2和岩屑作为污染物加入到钻井液体系中，然后测定钻井液体系表观黏度和高温高压滤失量的变化情况。钻井液体系老化温度为140 ℃，老化时间为16 h，高温高压滤失量测定条件为温度140 ℃，压力3.5 MPa，时间30 min，试验用岩屑粉碎后过0.125 mm(120 目)筛。试验结果分别见图2、图3 和图4。

图2 高效水基钻井液抗NaCl污染性能评价

由图2 可见：随着NaCl 加量(w，下同)的逐渐增大，高效水基钻井液体系的表观黏度呈现先降低后升高的趋势，高温高压滤失量逐渐增大，当NaCl 加量超过16%之后，表观黏度和高温高压滤失量均显著增大，所以高效水基钻井液体系抗NaCl 加量最高为16%。

图3 高效水基钻井液抗CaCl2污染性能评价

由图3 可见：随着CaCl2加量的逐渐增大，高效水基钻井液体系的表观黏度呈现出先升高后降低的趋势，高温高压滤失量逐渐增大，当CaCl2加量超过1.5%之后，表观黏度显著下降，高温高压滤失量显著增大，因此高效水基钻井液体系抗CaCl2加量最高可达1.5%。

图4 高效水基钻井液抗岩屑污染性能评价

由图4 可见：随着岩屑加量的逐渐增大，高效水基钻井液体系的表观黏度和高温高压滤失量均逐渐增大，当岩屑加量超过18%之后，表观黏度和高温高压滤失量均显著增大，因此高效水基钻井液体系抗岩屑加量最高可达18%。

综合以上试验结果可知，室内研制的高效水基钻井液体系具有良好的抗NaCl，CaCl2和岩屑污染性能，能够满足目标区块页岩气水平井钻井施工的需要。

3.5 生物毒性评价

为了考察高效水基钻井液体系的生物毒性，参照中国石油天然气集团公司企业标准Q/SY 111—2007《油田化学剂、钻井液生物毒性分级及检测方法发光细菌法》，对比评价了常用油基钻井液和高效水基钻井液体系的生物毒性，试验结果见表3。

由表3 可见：常用油基钻井液体系的EC50 值为0.8 g/L，属于中毒级别，而室内研制的高效水基钻井液体系的EC50 值可达到30 g/L 以上，属于无毒级别，对环境基本无害，能够满足页岩储层钻井开发对钻井液环保性能的要求。

表3 高效水基钻井液生物毒性评价结果

4 结论

1)针对涪陵地区页岩气水平井钻井过程中存在的井壁失稳、摩阻较高以及钻井液环境污染等问题，分析了该地区页岩气储层特征及现场常用钻井液体系的使用情况，通过大量室内试验，开发了一套适合涪陵地区页岩气水平井的高效水基钻井液体系。

2)高效水基钻井液具体配方(w)为：3%淡水土浆+0.3% NaOH+0.15% Na2CO3+0.5% 增黏剂ZNN-1+3%降滤失剂JLS-2+3%新型页岩抑制剂HUB-1+2.5%纳米封堵剂NMT-D+4%超细碳酸钙+2.5%高效润滑剂RYH-4+3%KCl，以重晶石加重至1.5 g/cm3。

3)综合性能评价结果表明：该高效水基钻井液体系具有良好的耐温性能、抑制性能、润滑性能、抗污染性能和环保性能，能够满足涪陵地区页岩气水平井钻井施工对钻井液性能的要求。