页岩气水平井钻井液技术的难点及选用原则

＊吴雪平

（中石化江汉石油工程有限公司钻井一公司 湖北 433100）

页岩气是我国重要的资源，这也是一种天然气资源，在页岩气开采过程中，相关技术人员没有深入分析页岩气开发勘探工作的要点，再加上我国对于页岩气的研究时间比较短暂，在实际工作中存在较多的限制，因此很难顺利开展日常工作，需要进一步提高页岩气开采水平，保障整体工作质量。本文通过分析页岩气水平井钻井液技术的难点和选用选择等方面，显著提高整体工作质量和安全性，高质量的开展页岩气开发工作。

1.概述水平井钻井液技术

在油气资源勘探开发过程中水平井技术发挥着重要的作用，在80年代末为了提高勘探开发效益，世界各地的油气公司开始建设水平井，通过提高生产的经济效益，突出了水平井的优势，降低油田勘探开发成本，快速回收投入的资金，同时可以减少环境污染等问题。水平井在钻井阶段，倾斜角的变化值在0°～90°范围内，因此水平井和直径钻之间具有一定的差别，为了保护油气层，需要严格选择钻井液，此外需要解决井眼净化和井壁稳定以及摩阻控制等问题。

(1)井眼净化

在水平井钻井过程中，井眼净化属于重要的一部分，如果无法保障井眼净化效果，将会增加磨钻和扭矩，还会发生卡钻问题，不利于顺利开展下套管和固井作业。

①井眼净化的影响因素

A.倾斜角：增大井斜角之后，将会随之增大环空岩屑浓度和临界流速，因此降低清洁率。B.环空返速：环空返速的大小直接关系到环空岩屑的运移方式和环空岩屑的浓度，提高环空匀速之后，将会降低降低环空岩屑的浓度，改善井眼净化情况。降低岩屑床厚度之后，在井眼的下侧将会形成岩屑床。C.＜45°层流比紊流携屑效果比较好，合理调整钻井液流变性能，通过改变层流速度剖面平板程度，促使钻井液处于环空平板型层流，以此改善井眼净化效果。D.钻井液密度：提高钻井液密度之后有利于携带钻屑。E.钻柱尺寸：确定井身结构，增大钻杆尺寸之后，将会增加环空返速，有利于携屑。F.转速：钻柱的旋转可以搅动岩床，有利于去除床面的岩屑。转动钻柱可以控制偏心问题，优化井眼净化作用。提高转速，避免钻井液形成不流动层，也可以优化井眼净化效果。钻柱不仅可以实现自转，还可以在井眼周围进行圆周运动，更好地携带岩屑。G.增大井斜角之后，钻柱的偏心度直接影响到环空钻屑。增大钻柱偏心度之后，将会增大岩屑尺寸。

②技术措施

当前在井眼清洗过程中通常是综合利用机械清洗和水力清洗，为了提高水平井净化水平，可以利用以下措施：A.合理提高环空返速。B.合理选择流型和钻井液流变参数。C.改变下部钻具的组合。D.合理提高钻井液的密度。E.合理转动钻具，或者在上下活动。F.控制钻进的速度。

(2)井壁稳定

在钻井工程中，需要保障井壁稳定性。出现井壁不稳定的情况主要是因为井壁承受的应力比较大，因此破坏了岩石，在井眼开钻之前，上覆地层压力和水平地应力以及地层孔隙压力的共同作用下，可以保持地下岩石的平衡状态，钻开井眼之后，井筒钻井液柱压力可以支撑井壁，将会重新分布井壁周围的应力，如果井筒液柱压力比较小，那么井壁的应力将会超过岩石强度，因此破坏井壁四周的岩石。

为了保障井壁稳定性，首先需要保障钻井液密度的合理性，钻井液密度大于地层坍塌压力，同时要小于地层破裂压力。其次需要优化设计井身剖面，合理选择钻井方位，利用小曲率半径的井身剖面。再次根据地层特征合理选择钻井液的类型，保障选择的钻井液具备抑制性和封堵性。最后需要合理确定环空返率，避免冲蚀井壁。

(3)摩阻控制

在重力的影响下，将会增加钻具和井壁的接触面积，因此增加了钻具摩擦阻力和旋转钻具的扭矩。因此在水平钻过程中很容易发生卡钻问题。一方面需要优化设计水平井钻井结构和井身剖面。计算各种井身结构和井身剖面的摩阻，不仅需要降低摩阻和扭矩，还要减少拐弯井段。另一方面需要优选钻具结构，在大斜度和水平井段需要利用倒置总成。此外需要优选钻井液类型和配方，有效降低钻井液的滤失量和润滑系数等，提高泥饼的质量。同时优化环空返速和流型以及钻井液流变性能，保障井眼的净化效果，有效降低环空钻屑的浓度和厚度等。

2.概述页岩气水平井钻井液技术的难点

页岩气水平井钻井过程中，需要不断提高钻井施工效率。解决页岩气水平井钻井液技术各种难点问题，利用科学的技术完善钻井液体系，顺利实现预期工作目标，提高整体施工质量，满足页岩气开发需求。因为页岩气具有致密性，因此在页岩气水平井钻井施工中，需要综合分析钻井液的技术难点，提高钻井施工的安全性。

(1)井壁稳定性问题

使用页岩气水平井钻井液技术之前，工作人员需要分析页岩气开发中存在的问题，明确后续施工方向，保障整体工作质量。在页岩气开发过程中，井眼环境非常复杂，这是因为井壁缺乏稳定性，因此在使用页岩气水平井钻井液技术的过程中存在一些问题。分析页岩气水平井钻井液技术，在实际应用阶段底层裂缝和地底层面相互作用，明显地改变了页岩气的压力和强度，因此影响到井壁和页岩气稳定性，为了优化技术使用质量，需要分析问题发生的原因：①井壁和土层之间产生缝隙，缝隙压力具有较大的影响力，液体和页岩气之间产生作用力，改变地底黏土层的膨胀应力和水化应力。改变力之后在地层之间将会流入液体，页岩气和水之间会产生反应，整体结构因此发生膨胀问题，逐步扩大张力，将会影响到井壁的稳定性。②为了减少水化应力，将会降低整体张力，进而影响到页岩气的泥层，降低整体收缩质量，最终降低井壁的稳定性。③因为页岩气具有渗透性，当过滤液流入到页岩气当中，需要耗费几天的时间才可以平衡井壁孔隙压力和钻井液压力，但是长时间地渗入液体将会影响到钻井液液柱压力的支撑效果，最终无法提高井壁稳定性。

(2)高模组和高扭矩的问题

在浅层位移较大部位施工过程中，因为钻井定向段具有较高的倾斜度，因此在实际工作中将会面临小台阶问题，因此降低测量结果的精确度，还会降低键槽质量。在水平井段钻孔施工中，在定向槽中滑动钻井工具，在向底层钻进阶段，井壁和钻具之间将会产生摩擦力，因此增大钻头实际扭矩，从而提高了钻井液润滑要求，因此降低摩擦阻力。此外水平井静电曲率比较大，套管重力影响较小，再加上水平段距离较长，在外部摩擦阻力的影响下，将会导致钻井连接部位产生卡顿问题，因此在钻井过程中需要优化钻井液使用效果，因此提高页岩气水平井钻井质量。

(3)岩屑清除问题

在水平井的倾斜段，因为倾斜度的变化比较大，在清洁过程中，井眼部位清洁难度比较大，再加上岩屑重力的影响，很容易发生页岩坍塌问题，严重阻碍井眼清洁工作。此外因为井眼空间比较小，同时具有较高的泵压，在低排量阶段很容易产生屑床，因此增加施工摩擦力，所以要求钻井液具有更高的携岩能力，此外还要具备流变性和清洁能力。

3.页岩气水平井钻井液技术的选用原则

某区块页岩气储层区块的埋深在4000m以上，页岩气总量约为1.79×1012m3，开发区总面积为4698km2。该区块页岩气储层主要包括黑色和灰色的炭质泥页岩，储层发育结构为水平层理，厚度处于35m～45m范围内。埋深呈现出西北浅、东南深的特征，西北和东南的埋深具有较大的差异性。因为气藏埋深差异性比较大，因此该区域低沉压力系数也具有较大的差异性。渗透率最高达到217.7mD，部分层段在0.001mD以内，因此该区域页岩气储层具有较低的渗透率，故而在实际开采中选用水平井技术。

使用页岩气水平井钻井液技术，需要具备完善的钻井液体系，同时需要保障井壁稳定性，提高页岩气水平井钻井液施工质量，顺利勘探开发页岩气。因此相关工作人员遵守页岩气水平井钻井液技术的选用原则，从而显著提高页岩气水平井钻井液技术质量。

(1)在低渗透性页岩中选用

在页岩气水平井钻井液施工过程中，为了避免漏失钻井液，并且提高整体施工效率，在低渗透性的页岩钻井施工中，选择的水基钻井液要具备较低的活度，在利用页岩气水平井钻井液技术的过程中，可以减少地层中的渗水量。避免因为渗入水量污染页岩气层。因为在低渗透性页岩中，钻井液活度要低于空气活度，在空隙中渗透回流液体之后达到平衡状态，水体流动将会降低水化速度，同时会提高空气压力，并且会提高地层强度和井壁应力。利用这种方式可以提高井眼的稳定性，可以利用高矿化度的聚合物钻井液和氯化钙钻井液，降低钻井液的活性，页岩和钻井液的相互压力因此降低。此外可以利用包含甲酸钾氯化钙和氯离子的盐溶液，利用页岩脱水空气压力，同时发挥出井壁区域的化学变化，来提高钻井过程的稳定性，保障整体钻井质量。

(2)在发育程度较大的页岩中利用

高渗透性页岩通常具有较大的裂缝，同时具有较高的发育程度，在实际钻孔阶段需要利用封堵剂封堵裂缝。在原始地层中发生压力问题，将会产生很多的破碎页岩，通过利用低活度水钻井液，也不利于提高施工的稳定性。可以合理提高滤液粘稠度，也可以利用密封方式促进渗透回流，因此降低页岩渗透率，从而控制水体传导率。选择低分子量的增稠剂，例如可以利用甲基葡萄糖或者氯化钙等，可以降低钻孔水体传导率，可以选用具备铝聚合醇的钻井液，或者封堵剂处理页岩空隙，提高页岩表面质量，因此降低整体渗透率，提高页岩的稳定性。选用触变性钻井液和低浓度钻井液，可以辅助钻井液更好地穿透钻孔缝隙。

(3)选用油基钻井液

因为油基钻井液可以提高页岩毛细管的压力，同时可以避免钻井液侵蚀页岩，因此选用油基钻井液和合成基钻井液，有利于提高钻井内部的稳定性。通过利用油基钻井液可以有效处理钻井内部的裂缝问题和发育不良页岩层，在这一阶段需要持续性地优化封堵效果，避免液体进入到地层结构中而堵塞压力传输通道。为了提高页岩气水平面的稳定性，工作人员需要完善油基钻井液体系，因为油基钻井液具有润滑和防卡等功能，在钻井过程中发挥着重要的作用。油基钻井液具有抗高温性，可以保障井壁稳定性，避免发生井壁坍塌事故，因为油基钻井液具有显著的润滑性能，因此对比其他钻井液，油基钻井液对于油气层的损害比较小，可以满足高温升井的工作要求。在深井钻井施工中广泛利用油基钻井液，但是油基钻井液也存在不足之处，例如整体切力比较小，同时具有较大的滤失量。在配制油基水泥浆的过程中，需要消耗较高的成本，因此增加了施工技术应用成本，不仅会影响到周围环境，还会降低机械钻速，不利于实现快速钻井目标。为了避免向地层中渗入钻井液，技术人员选择油基钻井液的过程中，需要加强控制污染问题，实现钻井工作的绿色环保目标，促进我国社会建设发展。在利用页岩气水平井钻井液技术的过程中，要注意防控卡钻问题，降低井壁坍塌问题的发生率。通过深入研发页岩气水平井钻井液技术，其中乳化钻井液的基础为油，在实际工作中利用可以降低钻井事故的发生率，提高钻井过程的安全性，同时可以实现经济适用性原则。在页岩气水平井钻探施工中利用乳化钻井液，可以提高整体施工效率和质量。以下是油基钻井液具体类型：

①柴油基钻井液

柴油基钻井液的连续相主要是柴油或者白油，水是柴油基钻井液的分散相，在整个体系中加入乳化剂和湿润剂以及降滤失剂等，可以发挥出封堵效果，同时可以降低失水性，保证井壁稳定性，因此在早期页岩气开发中主要是利用柴油基钻井液。

②矿物有机钻井液

因为柴油会污染陆地植物和海洋生物，需要特殊处理岩屑之后才可以排放，但是无法满足环保要求，而利用矿物油基钻井液可以克服上述缺陷，整体毒性较低，同时不会产生较大的气味，可以有效保护敏感地层的环境，但是矿物油基钻井液具有较高的成本，因此限制了矿物油基钻井液的大规模推广应用。

③合成基钻井液

为了控制环境污染问题，已经开发出合成基钻井液。在钻探页岩地层的过程中，合成基钻井液具有显著的优势，可以保障页岩稳定性和润滑性以及抗污染。但是合成基钻井液具有较高的成本，在堵塞页岩微小裂缝的过程中适合利用油基钻井液，但是在容易漏失的地层如果堵漏失败，将会引发巨大的经济损失。

(4)选用水基钻井液

针对水基钻井液具有更加显著的应用效果，避免在滑动转型中出现脱压问题，因此在实际工作中可以推广用这种钻井液。下文分析了新型水基钻井液的性能。

①不同密度新型水基钻井液的性能

多碳醇会降低页岩表面的自由能，抑制页面表面水化速度，同时可以改善页岩的湿润度，提高整体页岩的疏水性，显著降低页岩水化膨胀分散性，提高页岩抗压强度。磺化沥青钾盐可以丰富页岩裂缝。利用多碳醇和磺化沥青钾盐作为处理剂，并且配合利用降滤失剂和润滑剂等，可以形成新型水基钻井液体系。增加钻井液密度之后，将会提高钻井液的黏度，这一阶段将会稍微增大中压和高压滤失量，但是利用不同密度的新型水基钻井液仍旧可以达到显著的流变性，可以减少滤液进入到页岩气地层中，提高页岩气地层井壁的稳定性。

②抑制页岩水化膨胀性能

利用新型水基钻井液，页岩的膨胀率将会接近油基钻井液膨胀率，说明新型水基钻井液和油基钻井液的抑制性能十分相近。

(5)选择钻井液体系

选择钻井液体系的过程中，可以利用强制性的水基钻井液，可以提高水平钻井工作的稳定性和润滑性。在利用水基钻井液的过程中，可以提高钻井井壁的稳定性，同时可以发挥出显著抑制作用和封堵作用。针对抑制性工作层面，通过降低钻井液滤液，可以提高页岩的稳定性，任何类型的页岩都可以利用高粘度的钻井液，也可以利用钻孔封堵方式降低钻井液的渗透率。如果页岩的渗透性比较低，可以利用低活度的钻井液，有效控制横向水流动，此外利用低活度水基钻井液可以有效处理页岩裂缝问题，但是在后续工作中需要强化封堵工作。此外提高钻井液的润滑度，可以降低钻井摩阻，同时可以保护钻井液。

在页岩气勘探开发过程中，技术人员需要选择最佳的钻井液体系，并且要注意分析油基钻井液，进一步提高页岩气水平井钻井液施工效率，及时定位最佳开发区域，针对以往工作中发现的问题，需要采取合理的措施，改善页岩气水平井钻井液技术应用中的技术难点，显著地缩短页岩气水平井钻井液工期。同时需要逐步完善施工工序程序，进一步提高页岩气水平井钻井液技术质量，更加快速地开发页岩气。

4.结束语

本文主要分析了页岩气水平井钻井液技术的难点及选用原则，可以对于实际工作起到参考作用，促使工作人员合理选择页岩气水平井钻井液技术，提高页岩气水平井钻井工作质量和效率。