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(shù)現(xiàn)狀及發(fā)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(shù)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(huán)保法規(guī)的日益嚴格和鉆井液的低成本化要求，國內(nèi)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(nèi)近年來在頁巖油氣水平井高性能水基鉆井液領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)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(xiàn)有的頁巖油氣水平井高性能水基鉆井液研究及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對其在頁巖油氣水平井中應(yīng)用規(guī)模較小的原因進行了剖析，對其下步研究方向及發(fā)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(wěn)定

世界上最早開展頁巖氣勘探開發(fā)的國家是美國，可追溯至200年前。經(jīng)過兩個世紀的發(fā)展，目前美國已形成了成熟的頁巖氣開發(fā)技術(shù)［1］。雖然國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)起步較晚，最早一口井威201井于2010年建成投產(chǎn)，但近年來在技術(shù)進步和商業(yè)開采方面發(fā)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(zhì)條件更復(fù)雜，對鉆井液等相關(guān)開發(fā)技術(shù)的要求也更高［3］。近年來，除頁巖氣的商業(yè)開發(fā)外，國內(nèi)也掀起了頁巖油勘探開發(fā)的熱潮，雖取得了較大進展，但在配套高效鉆井液技術(shù)方面還有很長的路要走。

針對國內(nèi)頁巖油氣儲層來說，達到商業(yè)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(fā)育嚴重、泥質(zhì)含量高等問題，所以在施工過程中對鉆井液的井壁穩(wěn)定性等方面要求極高［4］。據(jù)統(tǒng)計，90%以上的井壁失穩(wěn)發(fā)生在泥頁巖等易坍塌地層［5］。

由于常規(guī)水基鉆井液不能很好地解決這些地層的井壁失穩(wěn)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(tǒng)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(huán)保壓力大等缺點［6］。近年來，面對世界環(huán)保要求的日益嚴苛和鉆井液低成本壓力，國內(nèi)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(yīng)用工作，已經(jīng)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(shù)以實現(xiàn)國內(nèi)頁巖油氣水平井綠色、安全、高效鉆進是當(dāng)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(guī)模高效開發(fā)的技術(shù)需求，本文對國內(nèi)近年來形成的頁巖油氣高性能水基鉆井液技術(shù)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(chǔ)上對其發(fā)展趨勢進行展望，以期對鉆井液研究人員及現(xiàn)場技術(shù)人員具有一定啟發(fā)，以促進國內(nèi)頁巖油氣水平井高性能水基鉆井液技術(shù)更好的發(fā)展。

1　頁巖油氣水平井水基鉆井液研究現(xiàn)狀

從鉆井液組成的角度來看，國內(nèi)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(diào)節(jié)、降濾失、封堵、潤滑等不同功能的處理劑，構(gòu)建并形成符合現(xiàn)場技術(shù)要求的各類頁巖油氣高性能水基鉆井液體系，并在現(xiàn)場實戰(zhàn)中取得了較好的應(yīng)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(xié)同作用、滲透作用等方面，并結(jié)合室內(nèi)實驗分析了影響聚合醇鉆井液抑制作用的因素。當(dāng)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(dāng)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(fā)揮協(xié)同作用，提高了聚合醇的頁巖抑制性能，達到穩(wěn)定頁巖的目的。

肖金裕等［9］針對頁巖氣開發(fā)中面臨的頁巖極易水化膨脹、縮徑、破碎坍塌等問題，優(yōu)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(jié)果表明，與現(xiàn)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(xiàn)了體系的低活度防塌性能。在四川長寧構(gòu)造的寧206井的現(xiàn)場應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)：摩阻在3 t以內(nèi)，返出巖屑形狀規(guī)則，完井電測井徑擴大率僅為1.19%，沒有出現(xiàn)頁巖吸水膨脹、縮徑等現(xiàn)象，起下鉆順利。劉彥妹等［10］研究發(fā)現(xiàn)，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(wěn)定，將其與有機鹽復(fù)配，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢和協(xié)同作用，不但可避免無機鹽的大量使用對環(huán)境造成的負面影響，而且還可保證復(fù)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(jié)構(gòu)，在鉆井過程中易發(fā)生坍塌掉塊、裂縫井漏等復(fù)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(fā)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(xiàn)場應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，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(yōu)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(jié)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(jié)果表明：延長組頁巖地層層理、裂隙發(fā)育，水相將沿裂縫或微裂縫侵入地層。一方面，降低弱結(jié)構(gòu)面間的摩擦力，進而削弱頁巖的力學(xué)強度，導(dǎo)致井壁垮塌；另一方面，侵入的液相將產(chǎn)生水力劈裂作用，導(dǎo)致地層破碎，誘發(fā)井壁失穩(wěn)。王波等［13］針對延長陸相頁巖氣地層的復(fù)雜地質(zhì)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(fā)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(shù)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(xiàn)場應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，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(wěn)定井壁作用。

聚合醇鉆井液主要依靠濁點封堵作用來實現(xiàn)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(chǎn)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(nèi)鉆井液研究人員的廣泛關(guān)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(fā)揮強抑制作用，已被廣泛應(yīng)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(huán)保，具有較好的應(yīng)用前景。

游云武等［15］和梁文利［16］針對焦石壩地區(qū)龍馬溪組為大段硬脆性泥頁巖、地層層理微裂縫發(fā)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(shù)難題，研發(fā)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(yīng)用該鉆井液后發(fā)現(xiàn)，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(wěn)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(fā)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(gòu)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(shù)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(fā)育、脆弱膠結(jié)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(qū)的焦頁18-10HF井三開井段應(yīng)用，在設(shè)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(xiàn)場應(yīng)用過程中，該鉆井液表現(xiàn)出良好的流變性、低濾失量和穩(wěn)定頁巖井壁的能力，完井作業(yè)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(huán)保指標為基本原則，優(yōu)選了胺基聚醇和乳液大分子作為環(huán)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(gòu)建了無毒環(huán)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(jié)果表明，該鉆井液在密度為1.22～2.18 g/cm3時具有優(yōu)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(shù)低于0.508，懸浮穩(wěn)定性好，觸變性高，泥餅黏滯系數(shù)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(tǒng)頁巖地層鉆井的需要。

鐘漢毅等［20］根據(jù)泥頁巖水化特點和多元協(xié)同抑制思路，研發(fā)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(jié)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(jié)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(fù)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(xiàn)場應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，使用該鉆井液后井段鉆井液流變性穩(wěn)定，未出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，而且振動篩返出巖屑外形完整，棱角分明。與該區(qū)塊同類型井相比，鉆進期間井壁沒有掉塊，井徑較規(guī)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(wěn)問題，井壁穩(wěn)定效果顯著。

林永學(xué)等［21］分析了威遠區(qū)塊頁巖儲層礦物組分、儲層物性和頁巖地層井眼失穩(wěn)機制后發(fā)現(xiàn)，該區(qū)塊的頁巖氣水平井鉆進時，鉆井液應(yīng)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(gòu)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(jié)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(qū)塊威頁23平臺3口井應(yīng)用該鉆井液后發(fā)現(xiàn)，該鉆井液綜合性能優(yōu)良，井壁裸眼浸泡67 d后仍保持穩(wěn)定，表現(xiàn)出較好的井壁穩(wěn)定效果。

1.3　硅酸鹽鉆井液

硅酸鹽在鉆井液中的應(yīng)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(guī)模推廣應(yīng)用。但硅酸鹽與其他鉆井液防塌劑相比具有較多優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)組成近似于砂巖；無毒、環(huán)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(nèi)均可起沉積封堵作用；抑制防塌性能優(yōu)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(xiàn)出較好的化學(xué)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(wěn)［22-24］。

陳蓓等［25］在研究硬脆性泥頁巖井壁失穩(wěn)機制的基礎(chǔ)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(yōu)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(wěn)定分析的基礎(chǔ)上，研發(fā)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(tǒng)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(yōu)于原來在該區(qū)塊使用的KCl/聚合物鉆井液。現(xiàn)場應(yīng)用表明，該鉆井液具有流變性易調(diào)、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(fù)雜情況大大減少，取得了較好的井壁穩(wěn)定效果。

1.4　鋁胺基鉆井液

李鐘等［28］研發(fā)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(jié)果表明，該鉆井液具有強抑制、強封堵、低濾失性及優(yōu)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(xiàn)場應(yīng)用該鉆井液后發(fā)現(xiàn)：流變性能穩(wěn)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(shù)小于0.1；配合合理的密度與工程技術(shù)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(wěn)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(chǔ)上，優(yōu)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(xiàn)場應(yīng)用該鉆井液后發(fā)現(xiàn)：營72-平2井三開后因嚴重井塌無法施工，被迫填井側(cè)鉆，側(cè)鉆至井深2 920 m時，井塌現(xiàn)象已非常嚴重，轉(zhuǎn)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(fā)育，同時泥巖中蒙皂石含量高、水敏性強，鉆進中發(fā)生較嚴重的井壁垮塌掉塊，轉(zhuǎn)換為鋁胺高性能水基鉆井液后順利完鉆。以上2口井的現(xiàn)場試驗應(yīng)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(fā)育導(dǎo)致的井壁不穩(wěn)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(fā)，將兩者復(fù)配，以發(fā)揮兩者的協(xié)同效應(yīng)提升鉆井液的抑制防塌性能，通過優(yōu)選其他配伍處理劑及加量，研發(fā)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(diào)節(jié)劑NaOH。性能評價結(jié)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(xiàn)場應(yīng)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(wěn)定，研發(fā)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(jié)果表明：該鉆井液抑制性能優(yōu)異，巖屑回收率達97.6%；100 ℃恒溫靜置48 h，未出現(xiàn)重晶石沉降現(xiàn)象，流變性能穩(wěn)定；抗鉆屑污染達30%。景岷嘉等［32］和劉偉等［33］根據(jù)長寧區(qū)塊龍馬溪頁巖的特點及鉆井工程需要，研發(fā)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(fù)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(yīng)用該鉆井液后發(fā)現(xiàn)，該鉆井液鉆進過程中水平段井壁穩(wěn)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(yè)順利，可滿足長寧頁巖氣水平井的鉆井需要。據(jù)報道，2015年6月，在長寧H13-3井使用川慶鉆探公司自主研發(fā)的陽離子硅氟聚酯高性能水基鉆井液［34］，創(chuàng)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(wěn)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(wěn)定能力。

蔣官澄等［35］基于井下巖石表面雙疏理論，研發(fā)出可在巖石、濾餅和鉆具等表面形成納-微米乳突物理結(jié)構(gòu)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(jié)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(xiàn)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(jié)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(dāng)；抑制性和潤滑性接近油基鉆井液水平；無毒、環(huán)保。在陽102H36-3井現(xiàn)場應(yīng)用該鉆井液后發(fā)現(xiàn)，其可解決鉆井過程中井壁失穩(wěn)、儲層損害和阻卡卡鉆嚴重、鉆速慢、成本高等技術(shù)難題，同區(qū)塊井下復(fù)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(chǎn)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(jù)泥頁巖地層特性以及頁巖氣鉆井工藝技術(shù)特點，開發(fā)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(wěn)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?zāi)ψ柘禂?shù)以及表面張力等參數(shù)進行了測試，結(jié)果表明：該鉆井液對泥頁巖具有較強抑制性，抑制效果優(yōu)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(wěn)定；具有優(yōu)良的潤滑性能，潤滑系數(shù)為0.21，泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)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(jié)構(gòu)，與磺化瀝青Soltex發(fā)揮協(xié)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(fā)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(shù)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(gòu)建及配方優(yōu)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(diào)節(jié)劑+重晶石。性能評價結(jié)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(jié)構(gòu)，保持地層的原始性和完整性，表現(xiàn)出優(yōu)異的井壁穩(wěn)定性能；當(dāng)密度達2.32 g/cm3時，鉆井液極壓潤滑系數(shù)和滑塊摩阻系數(shù)仍小于0.1，表現(xiàn)出較好的潤滑性能；鉆井液連續(xù)老化30 d后，流變性能保持穩(wěn)定，靜置72 h未發(fā)生沉降現(xiàn)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(guī)水基鉆井液開發(fā)泥頁巖地層時無法實現(xiàn)的井壁穩(wěn)定和潤滑防卡等技術(shù)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(jié)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(guī)水基鉆井液；巖心在該鉆井液中浸泡后狀態(tài)完好，抗壓強度降低較少；潤滑性能優(yōu)良；130 ℃持續(xù)老化72 h性能穩(wěn)定，抗溫穩(wěn)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(fā)過程中普遍存在井壁失穩(wěn)、完井作業(yè)摩阻大等問題，從提高井壁穩(wěn)定和潤滑防卡能力入手，開發(fā)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)劑+重晶石。在川南黃金壩和長寧區(qū)塊的YS108H8-5井、YS108H8-3井和長寧H26-4井3口井現(xiàn)場應(yīng)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(jié)果表明：該鉆井液對川南龍馬溪組頁巖井壁穩(wěn)定周期較長，整個鉆進過程井壁穩(wěn)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(wěn)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(qū)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(huán)保要求的日益嚴苛和鉆井液技術(shù)的不斷進步，“水替油”成為鉆井液技術(shù)發(fā)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(chuàng)研發(fā)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(nèi)外高性能水基鉆井液的主流發(fā)展方向。近油基鉆井液與現(xiàn)有高性能水基鉆井液的本質(zhì)區(qū)別在于：高性能水基鉆井液依靠強抑制劑來實現(xiàn)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(wěn)定效果的主要因素。因此，要想避免井壁失穩(wěn)，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(wěn)定?？偟膩碚f，要想實現(xiàn)近油基鉆井液的技術(shù)目標，需要使鉆井液滿足吸附成膜阻水、反滲透驅(qū)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(nèi)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(fā)育、破碎帶失穩(wěn)、摩阻大等技術(shù)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(dāng)且綠色環(huán)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(chǔ)，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(gòu)建及配方優(yōu)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)劑+重晶石。性能評價結(jié)果表明：鉆井液密度在1.17～2.50 g/cm3范圍內(nèi)可調(diào)。當(dāng)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(shù)為0.035，泥餅黏附系數(shù)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(xiàn)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(qū)水等發(fā)揮抑制防塌性能。該鉆井液抑制防塌性能優(yōu)異、固相清潔及容納能力強、潤滑防卡效果好、不黏卡鉆具、環(huán)保優(yōu)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(xiàn)現(xiàn)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(xiàn)場應(yīng)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(qū)”“不可戰(zhàn)勝”的神話，為我國下一步頁巖油大規(guī)模開發(fā)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(wěn)定（鄰井坍塌周期不超過21 d），完井作業(yè)以200～300 m/h的高速度下套管一次成功。

從技術(shù)、成本及環(huán)保等角度來說，近油基鉆井液體系均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，有利于促進國內(nèi)外高性能水基鉆井液技術(shù)進步，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益，應(yīng)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(fā)展趨勢

總的來說，我國頁巖油氣資源的勘探開發(fā)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(qū)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(tǒng)、吐哈盆地的中下侏羅統(tǒng)、鄂爾多斯盆地的上三疊統(tǒng)等陸相頁巖地層，目前已實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的主要有涪陵、長寧、威遠和延長四大頁巖氣產(chǎn)區(qū)，其中2017年涪陵頁巖氣田已實現(xiàn)100億m3產(chǎn)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(qū)域，國內(nèi)頁巖油資源尚未實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)。截至目前，國內(nèi)頁巖油氣勘探開發(fā)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(tǒng)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(huán)保要求的日益嚴格，油基鉆井液在環(huán)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(shù)需求；③近年來水基鉆井液原創(chuàng)研發(fā)的機制與油基鉆井液相近，性能與油基鉆井液相當(dāng)。綠色環(huán)保的近油基鉆井液體系，盡管從性能、成本和環(huán)保等方面表現(xiàn)出了較油基鉆井液更顯著的優(yōu)勢，但是由于認識的局限性，還不能完全被接受，導(dǎo)致其推廣應(yīng)用的步伐較慢。

針對上述技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題，頁巖油氣水基鉆井液應(yīng)從以下幾個方向開展技術(shù)攻關(guān)。

1）充分發(fā)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(yōu)良性能，將其復(fù)配到一起，構(gòu)建并優(yōu)化得到具有多元協(xié)同防塌效果的高性能水基鉆井液體系，實現(xiàn)良好的井壁穩(wěn)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(qū)塊的有針對性的ZY-APD高性能水基鉆井液系列技術(shù)，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(chǔ)上，繼續(xù)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(nèi)在聯(lián)系、近油基基液與其他配伍處理劑的協(xié)同作用。只有明晰近油基鉆井液作用機制，改變傳統(tǒng)觀念并統(tǒng)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(xiàn)”的觀念深入人心。

4）根據(jù)國內(nèi)各頁巖油氣區(qū)塊的地層地質(zhì)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(yōu)化調(diào)整近油基鉆井液配方組成及技術(shù)方案，形成滿足不同頁巖地層復(fù)雜地質(zhì)特征的近油基鉆井液系列配方及技術(shù)，從而擴大應(yīng)用規(guī)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(shù)研究，繼續(xù)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(huán)保方面具有絕對優(yōu)勢。大力宣傳在涪陵及威榮區(qū)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(shù)的應(yīng)用成果，使更多的油氣田在使用該技術(shù)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(chǔ)上，從抑制防塌、潤滑防卡、成膜封堵、固壁膠結(jié)、高溫穩(wěn)定等角度繼續(xù)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。

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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(xué)基金（2012T50641、2011M501194）；中石化重大科技攻關(guān)項目（JP16003、JP17047、JPE19011）；中石化石油工程公司重大科技攻關(guān)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(guān)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(shù)研究及推廣；E-mail：sixiqiang@163.com

［責(zé)任編輯 荀志金］