中国页岩油气水平井水基钻井液技术现状及发展趋势

司西强，王中华，吴柏志

中国页岩油气水平井水基钻井液技术现状及发展趋势

司西强1，王中华1，吴柏志2

1.中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南 濮阳 457001；2.中国石化中原石油工程有限公司，河南 濮阳 457001

针对环保法规的日益严格和钻井液的低成本化要求，国内在页岩油气高性能水基钻井液代替油基钻井液方面开展了大量工作，取得了较大进展和突破。本文综述了国内近年来在页岩油气水平井高性能水基钻井液领域的技术现状，主要包括聚合醇钻井液、胺基高性能水基钻井液、硅酸盐钻井液、铝胺基钻井液、疏水抑制水基钻井液、基于纳米材料的钻井液、CAPG（cationic alkyl polyglucoside）高性能水基钻井液、CaCl2-烷基糖苷钻井液、ZY-APD（Zhongyuan alkyl polyglucoside derivative）高性能水基钻井液、近油基钻井液等，并在现有的页岩油气水平井高性能水基钻井液研究及应用的基础上，对其在页岩油气水平井中应用规模较小的原因进行了剖析，对其下步研究方向及发展趋势进行了展望。

页岩油气 水平井 水基钻井液 烷基糖苷衍生物 近油基钻井液 井壁稳定

世界上最早开展页岩气勘探开发的国家是美国，可追溯至200年前。经过两个世纪的发展，目前美国已形成了成熟的页岩气开发技术［1］。虽然国内页岩气勘探开发起步较晚，最早一口井威201井于2010年建成投产，但近年来在技术进步和商业开采方面发展迅猛［2］。我国页岩气储层埋深一般超过3 500 m，而美国储层埋深较浅，一般为1 500～2 000 m，而且与国外相比，我国页岩气资源地质条件更复杂，对钻井液等相关开发技术的要求也更高［3］。近年来，除页岩气的商业开发外，国内也掀起了页岩油勘探开发的热潮，虽取得了较大进展，但在配套高效钻井液技术方面还有很长的路要走。

针对国内页岩油气储层来说，达到商业开采价值的页岩油气水平井的水平段一般长达1 000～2 500 m，而且存在页岩微裂缝和层理发育严重、泥质含量高等问题，所以在施工过程中对钻井液的井壁稳定性等方面要求极高［4］。据统计，90%以上的井壁失稳发生在泥页岩等易坍塌地层［5］。

由于常规水基钻井液不能很好地解决这些地层的井壁失稳问题，如强抑制水基钻井液虽然抑制防塌效果较好，但跟油基钻井液相比仍有较大差距。传统的解决办法仍然是采用油基钻井液，但油基钻井液存在配制成本高、环保压力大等缺点［6］。近年来，面对世界环保要求的日益严苛和钻井液低成本压力，国内在页岩油气高性能水基钻井液方面开展了大量的研究及应用工作，已经取得了较大进展和突破［7］。全面推广页岩油气高性能水基钻井液技术以实现国内页岩油气水平井绿色、安全、高效钻进是当前的重点工作，势在必行。为进一步提高对页岩油气高性能水基钻井液替代油基钻井液的重要性的认识，满足页岩油气大规模高效开发的技术需求，本文对国内近年来形成的页岩油气高性能水基钻井液技术进行简要介绍，主要包括胺基高性能水基钻井液体系、ZY-APD（Zhongyuan alkyl polyglucoside derivative）高性能水基钻井液体系、近油基钻井液体系等，并在此基础上对其发展趋势进行展望，以期对钻井液研究人员及现场技术人员具有一定启发，以促进国内页岩油气水平井高性能水基钻井液技术更好的发展。

1　页岩油气水平井水基钻井液研究现状

从钻井液组成的角度来看，国内页岩油气水平井高性能水基钻井液主要采用聚合醇、有机盐、胺基抑制剂、硅酸盐、铝盐、疏水抑制剂、纳米材料和烷基糖苷衍生物等材料中的一种或几种作为主处理剂，配伍其他具有流型调节、降滤失、封堵、润滑等不同功能的处理剂，构建并形成符合现场技术要求的各类页岩油气高性能水基钻井液体系，并在现场实战中取得了较好的应用效果。

1.1　聚合醇钻井液

刘平德等［8］研究了聚合醇钻井液的抑制机制，主要包括浊点行为、协同作用、渗透作用等方面，并结合室内实验分析了影响聚合醇钻井液抑制作用的因素。当温度达到聚合醇的浊点温度之后，聚合醇从钻井液中析出，封堵页岩微孔裂缝；当在聚合醇钻井液中加入适量的无机盐后，无机盐与聚合醇发挥协同作用，提高了聚合醇的页岩抑制性能，达到稳定页岩的目的。

肖金裕等［9］针对页岩气开发中面临的页岩极易水化膨胀、缩径、破碎坍塌等问题，优选出了有机盐-聚合醇钻井液配方，具体组成为2%～3%膨润土+0.1%～0.2%KPAM+1%～2%LS-2+2%～3%酚醛树脂JD-6+3%～4%阳离子乳化沥青SEB+8%～10%有机盐Weigh2+3%～4%聚合醇MSJ+3%～4%水基润滑剂FK-10。性能评价结果表明，与现场常用的聚合物和聚磺钻井液相比，该有机盐-聚合醇钻井液具有较强的抑制性、封堵性能和较低的渗透性及活度，能阻止滤液进入页岩地层，防止页岩吸水膨胀垮塌，充分体现了体系的低活度防塌性能。在四川长宁构造的宁206井的现场应用后发现：摩阻在3 t以内，返出岩屑形状规则，完井电测井径扩大率仅为1.19%，没有出现页岩吸水膨胀、缩径等现象，起下钻顺利。刘彦妹等［10］研究发现，聚合醇能够大幅提升钻井液的抑制性和润滑性，但单独使用时抑制性并不能保证井壁稳定，将其与有机盐复配，充分发挥两者的优势和协同作用，不但可避免无机盐的大量使用对环境造成的负面影响，而且还可保证复杂泥页岩地层的安全顺利钻进。

陕北鄂尔多斯盆地延长组的油页岩、致密含油砂岩由于其硬脆性、片理结构，在钻井过程中易发生坍塌掉块、裂缝井漏等复杂情况，已成为延长油田钻井特别是水平井钻井的一大难题。针对上述情况，张文哲等［11］研发出了强封堵型纳米聚合醇水基钻井液，钻井液配方组成为4%钠膨润土+0.2%纯碱+0.4%K-PAM+2%COP-FL聚合物降滤失剂+1.5%防塌润滑剂FT342+1.0%液体极压润滑剂JM-1+5%无水聚合醇WJH-1+3%纳米乳液RL-2。将该钻井液在陕北杏平36井、罗平16井进行现场应用后发现，封堵防塌效果好，机械钻速较邻井提高30%，施工周期缩短35%，优快钻井效果显著。

王平全等［12］运用X线衍射仪和微观扫描电镜分析，结合岩石三轴抗压实验，研究了清水及不同钻井液浸泡对鄂尔多斯盆地延长组页岩坍塌压力增量的影响，测试了不同钻井液浸泡前后的岩石强度，分析了地层坍塌压力变化情况，研究结果表明：延长组页岩地层层理、裂隙发育，水相将沿裂缝或微裂缝侵入地层。一方面，降低弱结构面间的摩擦力，进而削弱页岩的力学强度，导致井壁垮塌；另一方面，侵入的液相将产生水力劈裂作用，导致地层破碎，诱发井壁失稳。王波等［13］针对延长陆相页岩气地层的复杂地质特点，以聚合醇、甲酸钾、纳米刚性封堵剂、纳米乳液等为主体，研发了PSW-2页岩气水基钻井液，钻井液配方组成为4%膨润土+0.2%提切剂BOP+2.0%提切剂TQ-1+33%甲酸盐+2.0%降滤失剂+0.1%降黏剂+9.0%聚合醇+2.0%润滑剂ORH-1。钻井液动切力为10 Pa、静切力为4.5 Pa/10 Pa、润滑系数为0.07，封堵率达82.6%。该钻井液在YYP3井、YYP4井、YYP5井、YYP6井4口页岩气水平井进行现场应用后发现，该钻井液能够满足悬浮和携岩带砂要求，API滤失量为2.0～2.8 mL，井径扩大率仅为6.34%，具有良好的抑制防塌和稳定井壁作用。

聚合醇钻井液主要依靠浊点封堵作用来实现防塌效果，在吸附抑制地层矿物黏土水化的水化膨胀分散方面还有待提高，可考虑研制具有强吸附性能的阳离子聚合醇来提高聚合醇产品的强抑制效果。

1.2　胺基高性能水基钻井液

近年来胺基高性能水基钻井液［14］得到国内钻井液研究人员的广泛关注，该钻井液以胺基抑制剂为主处理剂，通过嵌入及拉紧晶层发挥强抑制作用，已被广泛应用于各种特殊工艺井。虽然胺基高性能水基钻井液的抑制性能跟油基钻井液相比尚有较大差距，但其成本远低于油基钻井液，且无毒、环保，具有较好的应用前景。

游云武等［15］和梁文利［16］针对焦石坝地区龙马溪组为大段硬脆性泥页岩、地层层理微裂缝发育、井壁易坍塌掉块、大斜度井段摩阻高、定向托压严重等技术难题，研发新型聚胺钙钾基钻井液，钻井液配方组成为清水+VIS-B+0.4%PAC-LV+2%FLOCAT+2%CMJ+2%JLX-B+2%CPI+重晶石。该钻井液具有强抑制、低剪切速率下黏度高、封堵性强、润滑性好、失水低和配方组成简单等特性。在焦页103-2HF井应用该钻井液后发现，井径扩大率3.9%，钻井液对侵入深度小于5 cm的砂床具有较好的井壁稳定性能和防漏性能。

赵素娟等［17］和刘浩冰等［18］针对龙马溪五峰组页岩纳微米孔隙裂缝和层理发育等特性，通过核心处理剂端胺基聚醚抑制页岩表面水化、植物油酰胺极压减摩剂有效降摩减阻、纳米封堵封固等措施，构建了JHGWY-1高性能水基钻井液体系，页岩滚动回收率大于98%，极压润滑系数0.16，钻井液封堵泥饼承压超过10 MPa，可满足龙马溪五峰组页岩微裂缝发育、脆弱胶结面的封堵封固及水平段润滑减阻要求。该钻井液首次在涪陵工区的焦页18-10HF井三开井段应用，在设计垂厚10 m、实钻8～10 m的五峰组中顺利穿行，起下钻畅通，钻完井顺利。在现场应用过程中，该钻井液表现出良好的流变性、低滤失量和稳定页岩井壁的能力，完井作业顺利，满足了焦页18-10HF井三开钻完井工程需要。

姚如钢［19］针对页岩地层对钻井液性能的要求，以无氯、无重金属离子及无黑色材料等环保指标为基本原则，优选了胺基聚醇和乳液大分子作为环保抑制剂和包被剂，配合甲酸钾进一步提高钻井液抑制性，并通过高效封堵剂提高体系对页岩地层纳微米孔缝的封堵能力，构建了无毒环保型高性能水基钻井液体系。钻井液配方组成为1.5%膨润土+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%甲酸钾+重晶石。性能评价结果表明，该钻井液在密度为1.22～2.18 g/cm3时具有优良流变性及滤失造壁性；静置24 h后上下密度差为0.03～0.06 g/cm3，沉降指数低于0.508，悬浮稳定性好，触变性高，泥饼黏滞系数为0.026 2，润滑性能好，并兼具较强的抑制性和抗岩屑污染性能，能够满足不同压力系统页岩地层钻井的需要。

钟汉毅等［20］根据泥页岩水化特点和多元协同抑制思路，研发了聚胺高性能水基钻井液，钻井液配方组成为4%膨润土浆+0.3%SDB+1%PAC-L +0.3%XC+3%HA-1+3%SDJA+3%SD-505。通过屈曲硬度实验和黏结实验对比评价聚胺高性能水基钻井液与几种典型防塌钻井液的性能，结果表明：聚胺页岩抑制剂能够在较低浓度下，最大限度地降低黏土水化层间距，有效抑制黏土水化膨胀；聚胺页岩抑制剂与铝盐封堵防塌剂复配后能显著阻缓孔隙压力传递；聚胺高性能水基钻井液抑制性和清洁润滑性突出，与油基钻井液接近。在胜利油田田305断块的田310井现场应用后发现，使用该钻井液后井段钻井液流变性稳定，未出现井下复杂情况，而且振动筛返出岩屑外形完整，棱角分明。与该区块同类型井相比，钻进期间井壁没有掉块，井径较规则，井径扩大率小于6%，有效解决了胜利油田田305断块泥页岩井壁失稳问题，井壁稳定效果显著。

林永学等［21］分析了威远区块页岩储层矿物组分、储层物性和页岩地层井眼失稳机制后发现，该区块的页岩气水平井钻进时，钻井液应具有较强的抑制性、封堵能力和一定的润滑性，因此，以聚胺SMJA-1为主处理剂，配伍封堵、润滑等处理剂，构建得到了SM-ShaleMud钻井液体系，具体配方组成为1.5%膨润土+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。性能评价结果表明，该钻井液抗温达140 ℃，抑制和封堵能力强，能有效抑制黏土水化和裂缝的扩展。在威远区块威页23平台3口井应用该钻井液后发现，该钻井液综合性能优良，井壁裸眼浸泡67 d后仍保持稳定，表现出较好的井壁稳定效果。

1.3　硅酸盐钻井液

硅酸盐在钻井液中的应用始于20世纪20至30年代，由于其切力大、流变性难以控制而限制了其被大规模推广应用。但硅酸盐与其他钻井液防塌剂相比具有较多优势：结构组成近似于砂岩；无毒、环境友好；不含荧光、在任何条件下都不会分解出低分子量烃类、不干扰荧光录井和气测录井；自身含有粒度分布广且与地层矿物亲和力强的粒子，在很宽的温度范围内均可起沉积封堵作用；抑制防塌性能优良。研究表明，硅酸盐形成凝胶与沉淀堵塞微裂缝与页岩孔隙，可大大降低泥页岩渗透率，在泥页岩表面形成一个“隔膜”或“封固壳”，有效阻缓滤液侵入和压力传递，表现出较好的化学固壁效果，并具有很强的抑制黏土矿物水化膨胀与分散的能力，防止水敏性地层的水化失稳［22-24］。

陈蓓等［25］在研究硬脆性泥页岩井壁失稳机制的基础上，有针对性地研制了一套适于硬脆性泥页岩地层的水基硅酸盐钻井液体系，具体配方组成为1.0%膨润土+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%硅酸钠+5.0%NaCl+重晶石。该钻井液具有流变性好、抗污染和抗温能力强、膜效率高、抑制性和封堵微裂缝能力强等优点，可满足硬脆性泥页岩地层钻井的需要。

游云武等［26］在对硅酸盐钻井液体系及页岩稳定分析的基础上，研发了一套硅酸钾钻井液体系，具体组成为硅酸钾+PAC-LV+JHVIS+SaleHIB+SaleMAX+SaleFLO+SaleSeal+MicroSeal+UHIB+JHX-RH+JHlUB+KOH+重晶石。该钻井液除了具有良好的抑制防塌性能外，还具有较低的滤失量（高温高压滤失量<6 mL），且流变性易于控制，润滑性好，可满足页岩气水平井钻井的要求。艾中华等［27］针对苏丹南部油田强水化分散的泥页岩地层，研制出了一种新型KCl/硅酸钠钻井液，具体组成为2%膨润土+0.15%NaOH+0.15%Na2CO3+0.4%PAC-SL+0.1%K-PAM+5%KCl+60%硅酸钠。该钻井液克服了传统的硅酸盐钻井液流变性控制困难、滤失量偏高等缺点，其抑制防塌性能明显优于原来在该区块使用的KCl/聚合物钻井液。现场应用表明，该钻井液具有流变性易调、滤失量可控、配制维护简便等特点；返出钻屑棱角分明，使井下复杂情况大大减少，取得了较好的井壁稳定效果。

1.4　铝胺基钻井液

李钟等［28］研发了一种铝胺基钻井液体系。该钻井液配方组成为5%钠膨润土+0.3%PAM+0.5%有机胺SD-5+1.5%铝基聚合物DLP-1+3%超细CaCO3+3%SDJ-2+3%GL-1+2%KFT+2%SMP-2+1.0% DSP-2+15%原油+0.3%固体乳化剂SN-1+2%固体防塌润滑剂RH-2+1%MSO+重晶石。性能评价结果表明，该钻井液具有强抑制、强封堵、低滤失性及优良的润滑性、流变性、抗温能力和油气层保护效果。在夏945HF井三开现场应用该钻井液后发现：流变性能稳定，动塑比0.5，API滤失量小于2.4 mL，HTHP滤失量小于8.0 mL，泥饼黏附系数小于0.1；配合合理的密度与工程技术措施，较好地解决了该井大段泥岩、高压油泥岩和油页岩的井壁失稳问题，保证了该井钻井顺利施工和完井。

王树永［29］在分析胺基聚醇AP-1和铝聚合物DLP-1的防塌能力的基础上，优选出了铝胺高性能水基钻井液配方，具体配方组成为4%膨润土+1%PAM+1%SF-1+3%SMP-II+2%KFT+3%沥青粉FF-2+2%聚合醇SYP-1+2%AP-1+1%DLP-1+7%原油+烧碱+重晶石。在营72-平2井和辛176-斜12井现场应用该钻井液后发现：营72-平2井三开后因严重井塌无法施工，被迫填井侧钻，侧钻至井深2 920 m时，井塌现象已非常严重，转换为铝胺高性能水基钻井液后顺利完钻；辛176-斜12井三开后钻遇大段泥页岩，地层微裂缝发育，同时泥岩中蒙皂石含量高、水敏性强，钻进中发生较严重的井壁垮塌掉块，转换为铝胺高性能水基钻井液后顺利完钻。以上2口井的现场试验应用证明，铝胺高性能水基钻井液对解决因水化不均匀或微裂缝发育导致的井壁不稳定具有良好的效果。

马超等［30］从聚胺盐与聚铝盐的抑制防塌机制出发，将两者复配，以发挥两者的协同效应提升钻井液的抑制防塌性能，通过优选其他配伍处理剂及加量，研发出了具有强抑制性的聚铝胺盐防塌钻井液，具体配方组成为2.0%膨润土+2.0%封堵剂聚铝盐PAC-1+3.0%抑制剂聚胺盐HPA+1.0%降滤失剂SMP-1+1.5%降滤失剂APC-026+2.0%抑制剂磺化沥青+pH调节剂NaOH。性能评价结果表明：该钻井液耐150 ℃高温；对强水敏泥岩一次回收率为75%，膨胀率为17.4%；钻井液抗15%NaCl和1%CaCl2污染。14口井的现场应用表明，该钻井液抑制性和封堵能力强，可有效解决泥页岩地层井壁坍塌和缩径造成的掉块、起下钻遇阻等问题。

1.5　疏水抑制水基钻井液

明显森等［31］为了保证长宁龙马溪硬脆性水敏地层的井壁稳定，研发了以疏水抑制剂CQ-SIA和高效液体润滑剂CQ-LSA为主要处理剂的页岩气水基钻井液体系。性能评价结果表明：该钻井液抑制性能优异，岩屑回收率达97.6%；100 ℃恒温静置48 h，未出现重晶石沉降现象，流变性能稳定；抗钻屑污染达30%。景岷嘉等［32］和刘伟等［33］根据长宁区块龙马溪页岩的特点及钻井工程需要，研发了一套具有强抑制性、强封堵性和高润滑性能的疏水抑制水基钻井液体系，具体配方组成为1.0%～3.0%膨润土浆+0.5%～0.8%聚合物降滤失剂+3.0%～5.0%磺化降滤失剂+0.2%NaOH+1.0%～3.0%防塌封堵剂+1.0%～2.0%聚合醇+0.4%～1.0%疏水抑制剂CQ-SIA+20%～30%复合盐+0.8%～1.6%纳米封堵剂+0.8%～1.0%表面活性剂+3.0%～5.0%润滑剂CQ-LSA+重晶石。在长宁H25-8井应用该钻井液后发现，该钻井液钻进过程中水平段井壁稳定，井眼清洁，起下钻摩阻小，电测成功率100%，下套管和固井作业顺利，可满足长宁页岩气水平井的钻井需要。据报道，2015年6月，在长宁H13-3井使用川庆钻探公司自主研发的阳离子硅氟聚酯高性能水基钻井液［34］，创下了长宁龙马溪页岩水平段长1 500 m、水基钻井液浸泡385 h井壁稳定无垮塌、单日进尺301.4 m等纪录，进一步验证了疏水抑制水基钻井液的井壁稳定能力。

蒋官澄等［35］基于井下岩石表面双疏理论，研发出可在岩石、滤饼和钻具等表面形成纳-微米乳突物理结构并降低表面自由能，具有“防塌、保护储集层、润滑、提速”功能的聚合物超双疏剂。以该超双疏剂为核心，结合钻遇的地层概况，配套其他处理剂形成了超双疏强自洁高效能水基钻井液体系，并与现场用高性能水基钻井液和典型油基钻井液的性能进行对比，结果表明：超双疏强自洁高效能水基钻井液的流变性好，高温高压滤失量与油基钻井液相当；抑制性和润滑性接近油基钻井液水平；无毒、环保。在阳102H36-3井现场应用该钻井液后发现，其可解决钻井过程中井壁失稳、储层损害和阻卡卡钻严重、钻速慢、成本高等技术难题，同区块井下复杂情况减少82.9%，钻速提高32.8%，钻井液综合成本降低39.3%，日产量提高1.5倍以上。

1.6　基于纳米材料的钻井液

常德武等［36］根据泥页岩地层特性以及页岩气钻井工艺技术特点，开发了一种基于纳米材料的水基钻井液体系，配方组成为5%钠膨润土+1.8%磺化沥青Soltex+0.6%Drispac+0.15%Flowzan+0.8%DFD+2.4%SPNH+3%纳米SiO2分散液+2%纳米CaCO3+1.2%KHm。对该钻井液的热稳定性、高温高压滤失性能、高温高压流变性、膨胀性、滚动回收率、润滑性、泥饼摩阻系数以及表面张力等参数进行了测试，结果表明：该钻井液对泥页岩具有较强抑制性，抑制效果优于强抑制的聚合醇钻井液，可有效防止泥页岩水化膨胀分散，保证井壁稳定；具有优良的润滑性能，润滑系数为0.21，泥饼摩阻系数为0.049 7，在120 ℃下滤失量较低。因为纳米SiO2、纳米CaCO3近似球型结构，与磺化沥青Soltex发挥协同作用，使钻井液具有低表面张力，可降低对储层的水锁伤害，适于泥页岩地层的安全钻进。从强化封堵性能考虑，基于纳米材料的强封堵钻井液将会是页岩油气水基钻井液的一个重要研究方向。

1.7　烷基糖苷衍生物高性能水基钻井液

司西强等［37］针对四川页岩气井龙马溪地层极易发生坍塌掉块、油基钻井液配制成本高及钻屑后处理压力大等技术瓶颈，以阳离子烷基糖苷（CAPG）、纳-微米封堵剂等为主处理剂，通过钻井液体系构建及配方优化，形成了CAPG高性能水基钻井液，具体配方组成为30%CAPG+1%～2%膨润土浆+0.05%～0.2%增黏剂+0.2%提切剂+4%～6%降滤失剂+3%～5%封堵剂+0.1%～0.3%pH调节剂+重晶石。性能评价结果表明：该钻井液具有较好流变性；高温高压滤失量仅为4.0 mL；钻井液可有效抑制黏土的水化膨胀分散，不破坏页岩的结构，保持地层的原始性和完整性，表现出优异的井壁稳定性能；当密度达2.32 g/cm3时，钻井液极压润滑系数和滑块摩阻系数仍小于0.1，表现出较好的润滑性能；钻井液连续老化30 d后，流变性能保持稳定，静置72 h未发生沉降现象；钻井液具有较好的抗污染性能；钻井液无生物毒性。该钻井液适用于强水敏性软泥岩、泥页岩等易坍塌地层的安全钻进。

为解决常规水基钻井液开发泥页岩地层时无法实现的井壁稳定和润滑防卡等技术难题，赵虎等［38］对加有高浓度CaCl2的烷基糖苷钻井液进行了研究，形成了CaCl2-烷基糖苷钻井液体系，具体配方组成为25%烷基糖苷APG+0.6%增黏剂+4%封堵降滤失剂+2%纳-微米封堵剂+20%～40%CaCl2+0.5%JS+适量NaOH。性能评价结果表明：该钻井液在高浓度CaCl2和高浓度烷基糖苷的共同作用下，具有较低水活度，可与泥页岩地层达到渗透平衡；钻屑一次和二次回收率均超过90%，远高于常规水基钻井液；岩心在该钻井液中浸泡后状态完好，抗压强度降低较少；润滑性能优良；130 ℃持续老化72 h性能稳定，抗温稳定性好；抗钻屑、水侵和原油污染能力分别达15%、10%和10%。该钻井液适用于焦石坝等页岩气水平井的钻井施工。

赵虎等［39］针对川南页岩气水平井开发过程中普遍存在井壁失稳、完井作业摩阻大等问题，从提高井壁稳定和润滑防卡能力入手，开发了以阳离子烷基糖苷CAPG和聚醚胺基烷基糖苷NAPG等烷基糖苷衍生物为主处理剂的ZY-APD高性能水基钻井液，具体配方组成为4%～7%烷基糖苷衍生物APD+1%～2%膨润土+0.1%～0.3%流型调节剂XC+7%～8%级配纳-微米封堵剂+0.5%～1.0%降滤失剂+5%～6%KCl+2%～3%极压润滑剂+0.1%～0.2%pH调节剂+重晶石。在川南黄金坝和长宁区块的YS108H8-5井、YS108H8-3井和长宁H26-4井3口井现场应用该钻井液，其中YS108H8-5井为中石化第一口用水基钻井液施工的页岩气水平井，结果表明：该钻井液对川南龙马溪组页岩井壁稳定周期较长，整个钻进过程井壁稳定无坍塌；钻井液润滑防卡效果好，钻井液摩阻仅为30～40 t；钻井液长期稳定性良好，便于维护与回收利用，回收利用率大于80%。该施工井的机械钻速比使用高性能水基钻井液的6口邻井和相邻区块井提高了14.6%～18.8%，说明该钻井液适用于中低水敏的泥页岩地层的钻井施工。

1.8　近油基钻井液

随着环保要求的日益严苛和钻井液技术的不断进步，“水替油”成为钻井液技术发展的必然趋势［40］。近油基钻井液体系是近年来中石化中原石油工程公司原创研发的一种完全可以达到水替油效果的高性能水基钻井液体系，代表了目前国内外高性能水基钻井液的主流发展方向。近油基钻井液与现有高性能水基钻井液的本质区别在于：高性能水基钻井液依靠强抑制剂来实现抑制防塌，地层水化作用无法避免，坍塌周期较短；而近油基钻井液与油基钻井液一样，无水化过程，不存在黏土矿物的水化运移，地层坍塌周期可无限延长，或者可认为不存在坍塌周期的问题。既然不存在水化作用，那么压力传递就成为影响近油基钻井液和油基钻井液井壁稳定效果的主要因素。因此，要想避免井壁失稳，近油基钻井液还必须做好封堵措施［41-42］，避免或减弱压力传递作用，从去水化、强封堵等多个角度共同作用来确保井壁稳定。总的来说，要想实现近油基钻井液的技术目标，需要使钻井液满足吸附成膜阻水、反渗透驱水这两个基本条件，同时具备强封堵效果。

本课题组［43-46］针对国内强水敏性泥岩、高活性页岩地层存在的易水化坍塌、层理裂缝发育、破碎带失稳、摩阻大等技术难题，同时为了避免目前油基钻井液存在的配制成本高、钻屑后处理压力大等问题，开展了作用机制与油基相近、性能与油基相当且绿色环保的近油基钻井液研究。以水活度为0.746的近油基基液为基础，配伍增黏提切剂、降滤失剂、封堵剂等处理剂，通过钻井液体系构建及配方优化，得到近油基钻井液配方组成为近油基基液（水活度0.746）+1.0%～3.0%膨润土+1.5%～2.0%降滤失剂ZY-JLS+0.1%～0.3%流型调节剂ZYPG-1+3.0%～7.0%成膜封堵剂ZYPCT-1+1.0%～3.0%纳米封堵剂ZYFD-1+0.5%～2.0%抑制增强剂ZYCOYZ-1+0.1%～0.3%pH调节剂+重晶石。性能评价结果表明：钻井液密度在1.17～2.50 g/cm3范围内可调。当密度为1.17 g/cm3时，钻井液水活度为0.651，钻井液抗温达150 ℃，岩屑回收率＞99%，极压润滑系数为0.035，泥饼黏附系数为0.052 4，钻井液滤液表面张力为29.425 mN/m，钻井液中压滤失量为0、高温高压滤失量为4.5 mL，钻井液EC50值为128 400 mg/L，钻井液抗盐达饱和、抗钙10%、抗土30%、钻屑25%、抗水30%、抗原油20%，钻井液表现出较好的储层保护性能。该近油基钻井液作用机制与油基钻井液相近，通过嵌入及拉紧晶层、吸附成膜阻水、低水活度反渗透驱水等发挥抑制防塌性能。该钻井液抑制防塌性能优异、固相清洁及容纳能力强、润滑防卡效果好、不黏卡钻具、环保优势显著，适用于高活性泥页岩、含泥岩等易坍塌地层及页岩油气水平井的钻井施工，实现现场绿色、安全、高效钻井。近油基钻井液体系在陕北云页平6井、东北松辽盆地松页油2HF井现场应用，效果突出。其中，松页油2HF井是我国第一口用水基钻井液打成的页岩油水平井，打破了松辽盆地北部页岩油层被称为“钻井禁区”“不可战胜”的神话，为我国下一步页岩油大规模开发积累了宝贵的第一手资料，意义重大。松页油2HF井施工中，100%纯泥岩裸眼浸泡165 d后仍然保持强效持久的井壁稳定（邻井坍塌周期不超过21 d），完井作业以200～300 m/h的高速度下套管一次成功。

从技术、成本及环保等角度来说，近油基钻井液体系均表现出明显的优势，有利于促进国内外高性能水基钻井液技术进步，具有较好的经济效益和社会效益，应用前景广阔，近油基钻井液体系适用于强水敏性软泥岩地层和高活性页岩地层的绿色、安全、高效钻井。

2　页岩油气水平井水基钻井液发展趋势

总的来说，我国页岩油气资源的勘探开发已全面展开［47］。我国页岩气资源主要分布在南方古生界、华北地区下古生界、塔里木盆地寒武-奥陶系等海相页岩地层以及准格尔盆地的中下侏罗统、吐哈盆地的中下侏罗统、鄂尔多斯盆地的上三叠统等陆相页岩地层，目前已实现商业开发的主要有涪陵、长宁、威远和延长四大页岩气产区，其中2017年涪陵页岩气田已实现100亿m3产能。我国页岩油资源主要分布在松辽盆地、鄂尔多斯盆地、准格尔盆地等区域，国内页岩油资源尚未实现商业化开发。截至目前，国内页岩油气勘探开发所用的钻井液基本为油基钻井液，水基钻井液占比很少，主要有3个原因：①受传统认识的局限，仍普遍认为油基钻井液是目前页岩油气水平型钻井施工的首选体系，尽管随着世界环保要求的日益严格，油基钻井液在环保方面的劣势越来越明显；②目前能够用于页岩油气水平井安全钻井的水基钻井液可选择性较小，前期形成的聚合醇钻井液、胺基钻井液等高性能水基钻井液其性能跟油基钻井液相比仍有较大差距，不能满足目前页岩油气水平井安全钻井的技术需求；③近年来水基钻井液原创研发的机制与油基钻井液相近，性能与油基钻井液相当。绿色环保的近油基钻井液体系，尽管从性能、成本和环保等方面表现出了较油基钻井液更显著的优势，但是由于认识的局限性，还不能完全被接受，导致其推广应用的步伐较慢。

针对上述技术现状及存在问题，页岩油气水基钻井液应从以下几个方向开展技术攻关。

1）充分发挥聚合醇、胺基抑制剂、硅酸盐、烷基糖苷及其衍生物、Al3+、CaCl2等处理剂的优良性能，将其复配到一起，构建并优化得到具有多元协同防塌效果的高性能水基钻井液体系，实现良好的井壁稳定效果。

2）开展ZY-APD高性能水基钻井液的适用性研究，强化其抑制、润滑、封堵等性能，形成适用于四川长宁、昭通等不同页岩气区块的有针对性的ZY-APD高性能水基钻井液系列技术，满足中低水敏泥页岩地层的安全高效钻进。

3）在目前近油基钻井液的研究基础上，继续深入开展其作用机制研究，如：近油基基液水活度与成膜效果、抑制防塌性能的内在联系、近油基基液与其他配伍处理剂的协同作用。只有明晰近油基钻井液作用机制，改变传统观念并统一思想认识，才让“水基钻井液替代油基钻井液完全可以实现”的观念深入人心。

4）根据国内各页岩油气区块的地层地质特点，开展针对不同页岩地层的近油基钻井液体系适用性研究，优化调整近油基钻井液配方组成及技术方案，形成满足不同页岩地层复杂地质特征的近油基钻井液系列配方及技术，从而扩大应用规模。

5）从成本角度考虑，开展近油基钻井液的回收再利用技术研究，继续降低近油基钻井液的综合使用成本，使其跟油基钻井液相比，在性能、成本及环保方面具有绝对优势。大力宣传在涪陵及威荣区块页岩气水平井和松辽盆地页岩油水平井开展近油基钻井液技术的应用成果，使更多的油气田在使用该技术同时进一步改进配方，以降低成本。

6）在目前“近油基钻井液体系”研究及实践基础上，从抑制防塌、润滑防卡、成膜封堵、固壁胶结、高温稳定等角度继续强化钻井液性能，探索开展“超油基钻井液体系”的前瞻性研究。

［1］ 戴金星，秦胜飞，胡国艺，等.新中国天然气勘探开发70年来的重大进展［J］.石油勘探与开发，2019，46（6）：1037-1046．

［2］ 杨野.适用于长页岩井段的强抑制水基钻井液研究［D］.成都：西南石油大学，2017．

［3］ 许博，闫丽丽，王建华，等.国内外页岩气水基钻井液技术新进展［J］.应用化工，2016，45（10）：1974-1981．

［4］ 王中华.页岩气水平井钻井液技术的难点及选用原则［J］.中外能源，2012，17（4）：43-47．

［5］ 徐加放，邱正松，王瑞和，等.泥页岩水化应力经验公式的推导与计算［J］.石油钻探技术，2003，31（2）：33-35．

［6］ 王俊祥.页岩气水基钻井液技术研究［D］.武汉：长江大学，2015．

［7］ 赵虎，司西强，王爱芳.国内页岩气水基钻井液研究与应用进展［J］.天然气勘探与开发，2018，41（1）：90-95．

［8］ 刘平德，牛亚斌，王贵江，等.水基聚乙二醇钻井液页岩稳定性研究［J］.天然气工业，2001，21（6）：57-59．

［9］ 肖金裕，杨兰平，李茂森，等.有机盐聚合醇钻井液在页岩气井中的应用［J］.钻井液与完井液，2011，28（6）：21-23．

［10］ 刘彦妹，左凤江，高丽娟，等.聚合醇与有机盐的协同效应［J］.钻井液与完井液，2010，27（2）：32-33．

［11］ 张文哲，李伟，王波，等.延长油田水平井高性能水基钻井液技术研究与应用［J］.非常规油气，2019，6（5）：85-90．

［12］ 王平全，邓嘉丁，白杨，等.钻井液浸泡对延长组页岩坍塌压力的影响［J］.特种油气藏，2018，25（2）：159-163．

［13］ 王波，李伟，张文哲，等.延长区块陆相页岩水基钻井液性能优化评价［J］.钻井液与完井液，2018，35（3）：74-78．

［14］ 徐跟峰.高性能水基钻井液技术特点及应用进展［J］.西部探矿工程，2019，31（8）：85-86．

［15］ 游云武，梁文利，宋金初，等.焦石坝页岩气高性能水基钻井液的研究及应用［J］.钻采工艺，2016，39（5）：80-82．

［16］ 梁文利.四川盆地涪陵地区页岩气高性能水基钻井液研发及效果评价［J］.天然气勘探与开发，2019，42（1）：120-129．

［17］ 赵素娟，游云武，刘浩冰，等.涪陵焦页18-10HF井水平段高性能水基钻井液技术［J］.钻井液与完井液，2019，36（5）：564-569．

［18］ 刘浩冰，赵素娟，陈长元，等.页岩水平段水基钻井液技术［J］.辽宁化工，2020，49（1）：116-118．

［19］ 姚如钢.无毒环保型高性能水基钻井液室内研究［J］.钻井液与完井液，2017，34（3）：16-20．

［20］ 钟汉毅，邱正松，黄维安，等.聚胺高性能水基钻井液特性评价及应用［J］.科学技术与工程，2013，13（10）： 2803-2807．

［21］ 林永学，甄剑武.威远区块深层页岩气水平井水基钻井液技术［J］.石油钻探技术，2019，47（2）：21-27．

［22］ 徐加放，邱正松，吕开河，等.硅酸盐钻井液防塌机制与应用技术［J］.石油勘探与开发，2007，34（5）：622-627．

［23］ 秦永和.硅酸盐钻井液防塌机制研究与应用［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2007，31（3）：67-71．

［24］ 何恕，郑涛，敬增秀，等.水基硅酸盐钻井液的页岩井眼稳定性研究［J］.钻井液与完井液，2000，17（3）：25-27．

［25］ 陈蓓，鄢捷年，王建华.适用于硬脆性泥页岩地层的水基钻井液技术研究［J］.西部探矿工程，2009，21（7）： 50-52．

［26］ 游云武，许明标，由福昌.硅酸钾钻井液在页岩气水平井中的可行性研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2016，43（7）：116-120．

［27］ 艾中华，郭健康，唐德钊.新型KCl/硅酸钠钻井液在强水化分散泥页岩中的应用［J］.石油钻探技术，2009，37（5）：77-80．

［28］ 李钟，王佩平，罗石琼，等.夏945HF井三开铝胺基钻井液技术研究应用［J］.中外能源，2017，22（10）：41-46．

［29］ 王树永.铝胺高性能水基钻井液的研究与应用［J］.钻井液与完井液，2008，25（4）：23-25．

［30］ 马超，赵林，宋元森.聚铝胺盐防塌钻井液研究与应用［J］.石油钻探技术，2014，42（1）：55-60．

［31］ 明显森，贺海，王星媛.四川长宁区块页岩气水平井水基钻井液技术的研究与应用［J］.石油与天然气化工，2017，46（5）：69-73．

［32］ 景岷嘉，陶怀志，袁志平.疏水抑制水基钻井液体系研究及其在页岩气井的应用［J］.钻井液与完井液，2017，34（1）：28-32．

［33］ 刘伟，贺海，黄松，等.疏水抑制水基钻井液在长宁H25-8井的应用［J］.钻采工艺，2017，40（3）：84-86．

［34］ 谷学涛.页岩气水平段超高密度专打水基钻井液获突破［N］.中国石油报，2015-06-25（1）．

［35］ 蒋官澄，倪晓骁，李武泉，等.超双疏强自洁高效能水基钻井液［J］.石油勘探与开发，2020，47（2）：1-9．

［36］ 常德武，蔡记华，岳也，等.一种适合页岩气水平井的水基钻井液［J］.钻井液与完井液，2015，32（2）：47-51．

［37］ 司西强，王中华，王伟亮.龙马溪页岩气钻井用高性能水基钻井液的研究［J］.能源化工，2016，37（5）：41-46．

［38］ 赵虎，司西强，甄剑武，等.氯化钙-烷基糖苷钻井液页岩气水平井适应性研究［J］.钻井液与完井液，2015，32（6）：22-25．

［39］ 赵虎，孙举，司西强，等.ZY-APD高性能水基钻井液研究及在川南地区的应用［J］.天然气勘探与开发，2019，42（3）：139-145．

［40］ 闫丽丽，李丛俊，张志磊，等.基于页岩气“水替油”的高性能水基钻井液技术［J］.钻井液与完井液，2015，32（5）：1-6．

［41］ 侯杰.硬脆性泥页岩微米-纳米级裂缝封堵评价新方法［J］.石油钻探技术，2017，45（3）：32-37．

［42］ 刘凡，蒋官澄，王凯，等.新型纳米材料在页岩气水基钻井液中的应用研究［J］.钻井液与完井液，2018，35（1）： 27-33．

［43］ 司西强，王中华，王伟亮.聚醚胺基烷基糖苷类油基钻井液研究［J］.应用化工，2016，45（12）：2308-2312．

［44］ 谢俊，司西强，雷祖猛，等.类油基水基钻井液体系研究与应用［J］.钻井液与完井液，2017，34（4）：26-31．

［45］ 司西强，王中华，雷祖猛，等.近油基钻井液技术及实践［C］//2019年度全国钻井液完井液学组工作会议暨技术交流研讨会论文集.北京：中国石化出版社，2019．

［46］ 司西强，王中华.钻井液用烷基糖苷及其改性产品合成、性能及应用［M］.北京：中国石化出版社，2019.

［47］ 王中华.页岩气水平井钻井液技术的难点及选用原则［J］.中外能源，2012，17（4）：43-47．

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

中国博士后科学基金（2012T50641、2011M501194）；中石化重大科技攻关项目（JP16003、JP17047、JPE19011）；中石化石油工程公司重大科技攻关项目（SG1302-03K、SG18-19K、SG18-18J）；中石化中原石油工程公司重大科技攻关项目（2019201）

司西强，博士，研究员；研究方向：精细化工、新型钻井助剂及页岩油气水基钻井液技术研究及推广；E-mail：sixiqiang@163.com

［责任编辑 荀志金］