页岩气水平井钻井液技术

1、页岩气钻井过程中的钻井液技术二I匕寻目示页岩气开发目前成为全球关注的热点。在我国，由于现有的天燃气产量难 以持续满足中国国民经济的发展和社会高速发展的需求，也由于北美页岩气勘 探开发的成功经验，所以中国页岩气的发展引起政府、企业和民众的高度关注。中国的页岩气勘探开发技术刚刚起步，缺乏相关的经验和技术；美国是最 早进行页岩气研究和开采的国家，目前已形成相当的规模，并且进入了开发的 快速发展阶段。页岩气钻井方式的选择美国开发页岩气的成功经验表明，水平井和多种储层压裂改造技术是成功 开发页岩气的关键。在页岩气层钻水平井，可以获得更大的泄流面积，更高的天然气产量。根据美国页岩气开发的经验，水平井成本平

2、均为直井的3倍，但日均产气量及 最终产气量是直井35倍，产气速率则提高10倍。因此，水平井成为了开发页 岩气最主要的钻井方式。页岩气水平井钻井存在的主要问题一方面，页岩是以粘土矿物为主的沉积岩，钻井过程中粘土矿物水化造成 强度降低，进而产生缩径、井壁垮塌、卡钻等复杂事故；另一方面，在页岩气 水平井钻井中，水平段较长，井壁失稳、摩阻、携岩及地层污染等问题非常突 出。因此，钻井液的选择及其配方直接影响钻井效率、工程事故的发生率及储 层保护效果。从钻井液角度看，要求钻井液能提高地层承压能力，防漏堵漏效 果好，最重要的是抑制粘土水化膨胀，造成储层伤害。选择钻井液体系的原则 为：要使钻井液有较强的抑制性

3、、封堵性能和较低的渗透性和活度；能阻止滤 液进入页岩地层，防止页岩吸水、强度降低。传统的页岩气钻井过程中，使用最多的是油基钻井液。油基钻井液具有以 下优点；（1）强的抑制性，能防止和减少水敏性地层的水化、膨胀、分散而引 起的缩径或井塌；（2）在钻遇石膏层、盐层及水泥塞时，对Ca、Mg. Na等离 子具有很强的抗污染能力；（3）由于以油为外相，油基钻井液润湿效果极佳， 能大大降低钻进及起下钻时的扭矩、阻力和张力，减少由于阻、卡引起的井下 复杂事故；（4）对钻井设备无腐蚀；（5）具有极好的油气层保护特性；（6） 与其他水基钻井液相比，油基钻井液的滤饼滤失速率较小，滤液基本不会引起 粘土矿物水化膨胀

4、；（7）滤液进入亲水型硬脆性泥页岩阻力大，从而能较好地 稳定泥页岩地层口设想纳米技术解决页岩气钻井难题纳米技术抑制页岩水化纳米颗粒拥有极高的表面积，使其能够与大量基团接触，从而实现其抑制 功能，防止页岩和钻井液反应以及钻井液渗入地层引起的井眼不稳定问题。此 外，纳米颗粒容易进入页岩基质，抑制内外表面，防止页岩结构的破坏。纳米技术提高乳化钻井液稳定性利用纳米粒子特殊的性质，提高油包水或水包油乳化钻井液的稳 定性。一 方面，有效控制水相渗入页岩地层而造成页岩水化，一定程度上解决页岩水化 膨胀问题；另一方面，强化钻井液携屑能力，减少 岩屑沉降形成岩屑床，提高 机械钻速，延长水平井延伸极限的长度。纳米

5、技术降低摩阻纳米材料粒度极细，可形成薄膜。纳米钻井液在井壁和钻杆界面处形成一 层薄而连续的润滑层，能有效减小钻具和井壁之间的摩擦力。此外，细小的球 形纳米颗粒可以形成一层极细的滚珠轴承表面，从而使钻柱能够在该表面上自 由滑动。纳米技术解卡与防卡一方面，纳米钻井液在井壁上形成一层薄而光滑的泥饼可显著降低压差卡 钻发生的概率。另一方面，当发生压差卡钻或机械卡钻时，纳米钻井液可用来 作为解卡剂。纳米解卡剂很容易进入二者之间的接触面，形成一层有效地润滑 膜或孤立泥饼或破坏泥饼，使钻杆和泥饼表面之间的连接失效。纳米技术防止泥包钻头纳米钻井液在钻头和稳定器表面形成疏水膜，可有效防止泥包钻头的发生。 纳米钻

6、井液可形成抑制剂和疏水膜，减少泥包钻头发生的可能，大大降低钻井 成本。其他解决办法欠平衡气体钻井以气体作为循环介质的欠平衡钻井能有效防止页岩水化、储层损害等问题。 美国能源部采用气体钻井使泥盆纪的页岩水平井产量提高了约10倍，在 Texas州西部的页岩钻井中，空气钻井使钻井费用节省了 64% （ Yost II , 1990）。有机盐聚合醴钻井液针对页岩气开发中面临的页岩极易吸水膨胀、缩径、破碎垮塌等特点，优 选出了有机盐聚合醇钻井液的配方，并在第一 口页岩气专层井一宁206井进行 现场应用。该钻井液体系有如下特性：低粘度和切力、低渗透、低固相、低活 度，强抑制封堵防塌O有机盐聚合醇钻井液体系

7、的应用效果如下：（1）有机盐聚合醇钻井液具有 “低粘度和切力、低渗透、低活度、低固相、强抑制、强封堵”特性，在页岩 气井中能阻止页岩的吸水膨胀、缩径垮塌，确保钻井施工安全；（2）有机盐聚 合醇钻井液具有很强的抑制、封堵和防塌能力，可解决页岩气井高伽玛碳质页 岩的失稳问题；（3）通过优化有机盐聚合醇钻井液配方，可成功实现化学防塌 （部分）解放钻井液密度，对页岩气井开发提速钻井具有很好的参考价值。以抑制页岩水化为出发点，研制新型钻井液体系。正电聚醇钻井液体系：抑制粘土颗粒水化分散的能力远远强于聚合醇; 抗盐效果较好；自动降解，生物毒性低；有机正电胶钻井液体系：正电胶与水分子的亲和力强，抑制了粘土的 水化，使粘土成为惰性；改变钻井液的流变性能；抗温性能良好；有效保护页 岩气层；甲酸盐钻井液体系：能很好地抑制泥页岩的水化膨胀与分散，其性能 优于目前使用的聚合物钻井液和有机硅钻井液；有效保护页岩气层。结论及建议页岩气钻井液选择的原则为：较强的抑制性、封堵性能和较低 的渗透性 和活度；根据页岩气地层的实际情况，优选出最佳