石油圈
近年来，页岩气的开发在国内外得到了普遍关注。钻井液技术是页岩气水平井钻井的关键技术之一。用于商业开发的页岩油气水平井水平段一般长达1000~2500m，页岩微裂缝和层理发育，施工过程中对钻井液的井壁稳定性、润滑性和井眼清洁能力要求极高。因此，国内外在页岩气水平井钻井过程中大多数首选油基钻井液，以应对长井段水平井存在的井壁失稳和高摩阻问题。
但油基钻井液成本高、不利于地层及环境保护，而常规油气钻井作业用的水基钻井液无法满足页岩气水平井钻井需要。迫于越来越严格的环保法规要求和钻井低成本压力，国外开展了大量的高性能水基钻井液新技术研究，且部分体系已经在现场得到了应用。中国页岩气高性能水基钻井液技术也取得了较大突破，但与国外相比仍有差距。因此，文中对比了中美页岩气的地质特性，概述了国内外页岩气高性能水基钻井液技术现状，并指出了发展趋势，以期为页岩气水基钻井液技术的研究提供一定的指导和参考。
1 中美页岩气地质条件对比
美国是世界上最早从事页岩气勘探开发，也是目前页岩气勘探开发最成功的国家。1821年，美国从纽约州阿帕拉契亚盆地泥盆系钻探第一口商业页岩气井开始，进入了页岩气勘探开发的漫长历程。经过近200年的研究和探索，美国已形成了成熟的页岩气勘探、钻井可开发技术。
我国页岩气资源丰富，发展前景良好，但勘探开发起步较晚，在短时间内获得快速的发展较难，其中一个重要原因是我国页岩气地质条件复杂，开采任务艰巨。与美国页岩气资源相比，我国的页岩气储层埋深较深，一般在3500m以上，而美国的页岩气资源埋深较浅，一般在1500~2500m；我国页岩气资源主要分布在四川、鄂尔多斯、塔里木三大盆地，这些富集的区域水资源比较缺乏、多属丘陵山区、人口密集且地表条件不利于施工，美国页岩气多分布在水资源较丰富的平原地区；我国的页岩类型为海、陆相兼存，海相页岩有机碳含量高、成熟度高、以产天然气为主，陆相页岩埋藏深、成熟度低、脆性矿物含量低、油气兼产，而美国的页岩主要为海相沉积。可见，我国页岩气资源具有地质条件复杂性和特殊性，对勘探、钻井开发技术要求也更高。
2 页岩气水基钻井液面临的挑战和技术措施
2.1井壁失稳
页岩气钻井中70%以上的井眼问题是由于页岩不稳定造成的。钻井液穿过地层裂隙、裂缝和弱的层面后，钻井液与页岩相互作用改变了页岩的孔隙压力和页岩强度，最终影响到页岩的稳定性。归纳起来，影响井壁稳定的主要原因如下几方面:
首先是孔隙压力变化造成井壁失稳。页岩与孔隙液体的相互作用，改变了黏土层之间水化应力或膨胀应力的大小。滤液进入层理间隙，页岩内黏土矿物遇水膨胀，膨胀压力使张力增大，导致页岩地层局部拉伸破裂；相反，如果减小水化应力，则使张力降低，产生泥页岩收缩和局部稳定作用。
对于低渗透性页岩地层，由于滤液缓慢地侵入，逐渐平衡钻井液压力和近井壁的孔隙压力(一般大约为几天时间)，因此失去了有效钻井液柱压力的支撑作用。由于水化应力的排斥作用使孔隙压力升高，页岩会受到剪切或张力方式的压力，减少使页岩粒间联结在一起的近井壁有效应力，诱发井壁失稳。
对于层理和微裂缝较发育、地层胶结差的水敏性页岩地层，滤液进入后会破坏泥页岩的胶结性。水或钻井液滤液极易进入微裂缝，破坏原有的力学平衡，导致岩石的碎裂。近井壁含水量和胶结的完整性改变了地层的强度，并使井眼周围的应力场发生改变，引起应力集中，井眼未能建立新的平衡而导致井壁失稳。
因此，从钻井液角度，国内外一般选择聚胺、铝酸盐络合物或其他特殊的高性能页岩抑制剂，结合与页岩纳微米孔缝匹配的纳微米封堵剂，从而提高钻井液的抑制性、封堵性，降低渗透性，阻止滤液进入页岩地层，防止页岩吸水、强度降低。同时，现场施工过程通过对振动筛钻屑和滤失量的实时监测，随时调节抑制剂和封堵剂的加量。
2.2润滑防卡
页岩气水平井随着井斜角和水平位移的增加会极大地增大摩阻和扭矩，严重影响井眼轨迹控制等正常钻井作业；高密度条件下，液柱压力与地层压力之差较大，产生使钻柱向井壁的推靠力，易形成压差卡钻；大斜度长水平段井眼洗井效果差容易形成岩屑床；井壁坍塌掉块容易产生砂桥卡钻；井眼周围由于应力不平衡产生井眼变形，使起下钻阻力、钻井摩阻增大。
目前一般通过优选高性能润滑剂，尤其是适用于高密度水基钻井液的润滑剂，同时复配防泥包添加剂，从而降低摩阻、提高机械钻速。国外对此专门研制了纳米石墨烯润滑产品，并已实现现场应用。
2.3携岩洗井
在大位移水平井施工中，钻屑在井眼中的运行轨迹与直井不一样。由于井眼倾斜，岩屑在上返过程中将沉向井壁的下侧，堆积起来形成“岩屑床”，特别是在井斜角45~60°的井段，存在卡特包衣效应，已形成的岩屑床会沿井壁下侧向下滑动，形成严重的堆积，从而堵塞井眼。
因此，一方面，可通过加入流型调节剂或适当增加膨润土含量提高钻井液的动塑比和低转速下的有效粘度，改善环空钻井液携岩效果，增强钻井液悬浮和携岩能力。另一方面，要通过优化筛选其他处理剂包括加重剂，提高整个体系的沉降稳定性和抗污染能力，最终保持体系长效稳定的流变性，确保其良好的井眼清洁能力。
3 国外页岩气水基钻井液技术新进展
针对页岩气水平井的技术难题和环保要求，国外各大钻井液公司研发了在性能、成本和环境保护等方面能够取代油基钻井液与合成基钻井液的高性能水基钻井液，均形成了具有代表性的高性能水基钻井液技术和产品，并有在一些井上成功应用的案例报道。他们还联合高校科研人员研发了一系列纳米处理剂，为进一步解决页岩气钻井液技术难题提供了更多的方法对策。
3.1M-ISwaco公司
M-ISwaco公司对2008~2011年在北美EagleFord、Marcellus和Haynesville页岩气区块已完钻的页岩气水平井的钻井数据进行了分析。其中，203口已完钻EagleFord页岩气水平井使用的油基钻井液占76%，水基钻井液占19%；238口已完钻Marcellus页岩气水平井采用的油基钻井液和水基钻井液比例为86∶14；166口已完钻Haynesville页岩气水平井采用的合成基钻井液和水基钻井液比例为64∶36。
总体来说，油基钻井液性能优于或与水基钻井液性能相当，对于井深小于14000ft的井，使用水基钻井液作业更节省时间；大于14000ft的井，使用油基钻井液更高效。但不管是油基还是水基钻井液，其重复循环利用至今仍是一个难题。
M-ISwaco公司研制了多种环保型高性能水基钻井液体系，包括ULTRADRIL体系、KLA-SHIELD体系和HydraGlyde体系。其中新型的井壁稳定水基钻井液体系ULTRA-DRIL，主要使用了页岩稳定剂ULTRAHIB、聚合物包被剂ULTRACAP和钻速增效剂ULTRAFREE等3种主剂，该体系能够提供良好的抑制性、润滑性、井眼净化能力和高的机械钻速，其无毒性使钻井作业产生的钻屑可直接排放，完钻后钻井液可回收使用，大大降低了钻井成本。目前该体系已成功用于环境敏感地区的高活性页岩钻井、深水钻井。
KLA-SHIELD体系主要使用了液体聚胺页岩抑制剂KLA-STOP、聚合物包被抑制剂IDCAPD、架桥剂SAFE-CARB、两种润滑剂LOTORQ和LUBE-776等，已成功用于北美Alaska页岩区块、越南和沙特的海上深水钻井。HydraGlyde体系主要由低分子量聚合物包被剂HydraCap、胺基页岩抑制剂HydraHib和钻速改进剂HydraSpeed组成，在德克萨斯的Wolfcamp页岩区应用，可提高钻速21%，降低摩阻22%。
为进一步解决页岩封堵问题，M-ISwaco公司联合高校科研人员根据页岩微裂缝发育的特点和物理封堵原理，引入纳米技术，测试评价了6种商业化纳米改性粒子在膨润土基浆和低固相钻井液中对Atoka页岩的作用。纳米粒子的加入可显著降低Atoka页岩的渗透率，当纳米二氧化硅粒径为7~15nm、加量为10%时，封堵效果最佳。他们首次证明，商业纳米硅可用于水基钻井液对页岩有效封堵。
M-ISwaco公司还根据北美Marcellus页岩特性，对商品纳米SiO2颗粒进行改性研制了新型纳米封堵剂，颗粒尺寸在5~100nm间可变，并形成了配套的新型水基钻井液体系。该体系主要由改性黄原胶提切剂、聚合物降滤失剂、合成树脂、聚合醇混合物、特定的润滑剂及改性纳米SiO2封堵剂组成。与盐水相比，淡水在加入纳米SiO2封堵剂的条件下，页岩渗透降低率达97.2%。通过扫描电镜对纳米封堵剂钻井液处理过的页岩进行观察，发现研制的纳米封堵剂颗粒尺寸与页岩孔喉相匹配，对于较大尺寸孔喉，可以通过堆积对其有效封堵。
3.2哈利伯顿公司
哈利伯顿公司研制了HYDRO-GUADR™高性能水基钻井液，该体系中通过聚胺盐和铝酸络合物提高体系的抑制性，采用快钻剂防止钻头泥包，可变形聚合物封堵剂紧密填充页岩微裂缝。通过室内Berea砂岩试验表明，这种钻井液能在井壁上形成薄而光滑的滤饼。
现场试验表明，HYDDO-GUADR钻井液体系不但有良好的井眼稳定性、较高的机械钻速，而且在较大的温度范围内具有较好的流变性，同时是一种对环境无影响和易生物降解的钻井液。其已成功应用于沙特、埃及、非洲、墨西哥湾等地的活性泥页岩地层及深水钻井。
为进一步提高页岩稳定性，哈利伯顿公司研制了EZ-MUDGOLD体系，主要通过KCl、NaCl和乙二醇类处理剂GEM™的协同作用来增强对页岩的抑制性，适用于高活性页岩、易卡钻泥包地层，已应用于页岩气水平井和深水钻井。
针对北美Haynesville、Fayetteville、Barnett三大页岩气产区，哈里伯顿的研究人员分别为其量身设计了一套水基钻井液体系并成功应用。他们首先通过X射线衍射(XRD)对三大产区的岩心进行分析，然后根据其不同特点及作业需求设计了3种不同的水基钻井液，分别命名为SHALEDRILH、SHALEDRILF、SHALEDRILB。三种体系分别应用于路易斯安那红河区的Haynesville页岩、阿肯色范布伦县Fayetteville页岩和德克萨斯登顿的Barnett页岩，能够抑制页岩水化膨胀，保持井壁稳定，取得了良好的应用效果。
3.3贝克休斯公司
贝克休斯公司开发了专用于页岩气储层的PERFORMAX水基钻井液，主要由成膜封堵剂MAX-SHIELD、稳定剂MAX-PLEX、抑制剂MAXGUARD、聚合物包被剂NEW-DRILL和防泥包剂PENETREX组成。该体系主要是把聚合醇的浊点和铝的化合作用相结合，极大提高了水基钻井液抑制性，对页岩孔隙和微裂缝具有效的封堵作用，能够提高机械钻速，适用于大斜度、大位移井、井下情况复杂但因环保限制而不能使用油基钻井液的情况。
2012年，他们进一步开发了新型的高性能页岩气水基钻井液体系———LATIDRILL，该体系主要采用一种特殊的井壁稳定剂，在物理性能上保证井壁的完整性和抑制页岩水化膨胀；采用一种特殊的润滑剂来降低摩阻和提高钻度；通过降低孔隙压力传递，将钻井液漏失降至最低甚至为零，表现出可与油基钻井液相媲美的性能和成本效益，且具有更好的环境友好性。经实验室评价和现场应用证实，LATIDRILL水基钻井液成本效益与油基钻井液相当，有时甚至高于油基钻井液。
针对沙特的非常规水平井和大位移井的技术难点，以及高分辨率成像测井需求，贝克休斯研究人员分析了该区的各种岩心和钻屑样品，将LATIDRILL体系改进，引入纳米材料以进一步封堵页岩微裂缝和避免流体入侵地层，设计了专用的高性能水基钻井液体系，现场应用水平井垂深1500~3000m，水平段长1000~2000m，摩擦系数由0.29降到0.11，但钻井液密度只有1.12g/cm3。
2013年，贝克休斯引入纳米技术，将铝基高性能水基钻井液改进，在喀麦隆海上平台应用了5口井，这是纳米技术在水基钻井液中的第一批商业应用。现场应用表明，所选的高性能水基钻井液具有优异的页岩稳定性和粘土/钻屑抑制性，能够提高ROP、减少泥包和沉积、减少摩阻和扭矩，实现了现场施工所需的作业性能和对环境零影响的目标。
3.4Newpark公司
Newpark公司研制了环保型高性能水基钻井液Evolution体系，该体系无粘土，核心处理剂包括聚合物增粘剂EvoVis、专有环保型润滑剂EvoLube和流型调节剂EvoMod，已用于北美密西西比河、HaynesvilleShale、Barnett页岩和加拿大页岩区块，钻速和润滑性能优于或与油基钻井液相当，还可用于高度裂缝性碳酸盐岩储层，现场试验水平段长达2010m。Newpark钻井液公司的另一高性能水基钻井液体系FlexDrillTM是一种特殊的硅酸盐体系，采用一种0.5%~1.5%无水硅酸钾粉末，克服了一般硅酸盐体系的缺点；该体系现场易配制，可节约运输成本，同时满足环保要求，钻屑可直接排放。
3.5新型纳米处理剂
MkpoikanaR等介绍了一种通过优化钻井液的方法来提高页岩的稳定性。他们基于页岩/流体相互作用机制，通过浸泡实验分析了页岩强度变化，优选出一种聚合物钻井液配方，当钻井液中添加10%氯化钠、5%物理封堵剂和10%富含二氧化硅纳米材料时，选择的页岩样品浸泡后岩石强度保留率最高。当使用该体系时，地层剪切破碎压力降为1.03g/cm3，远远低于原钻井液体系的密度(1.31g/cm3)，有助于提高井壁稳定性。
多数研究表明，纳米二氧化硅封堵剂在水基钻井液中加量为10%或更高时才能起到有效的封堵作用，且必须使用表面活性剂或超声分散才能将其均匀分散在钻井液中，潜在地增加了钻井液成本。Taraghikhah等优选出一种粒径范围为1~60nm的纳米二氧化硅，不使用表面活性剂，直接将其添加到钻井液基浆中搅拌混合，当加量为1%时，页岩滚动回收率即可提高26%，泥饼摩擦系数降低69%，能够有效改善流变性，但对滤失量作用不大，表现出良好的综合性能。
基于纳米二氧化硅的优化加量和其多功能性，对同一聚合物钻井液体系，使用纳米二氧化硅与使用常规的页岩抑制剂相比，钻井液成本便宜了7USD/bbl，有望替代普通钻井液处理剂。
除了纳米二氧化硅已被证明可用作页岩气水基钻井液的封堵剂，国外学者们对其他商品化纳米材料也进行了大量的研究。Kosynkin等发现，氧化石墨烯可用作高温水基钻井液的降滤失剂，当片状石墨烯与粉状石墨烯比例为3∶1时，降滤失效果最佳，API滤失量为6.1mL，泥饼厚度20μm；而标准聚合物黏土浆的API滤失量为7.2mL，泥饼厚度280μm。与黏土基降滤失剂相比，石墨烯溶液具有更强的剪切稀释性和高温稳定性。
Scomi公司与技术合作伙伴一起开发了一系列纳米石墨烯工程产品，其中一种石墨烯改性产品可以为水基钻井液提供优良的润滑性和热稳定性。与常规润滑剂作用机理不同，该石墨烯产品在作用过程中，可渗透到管状金属的微观孔隙，通过化学键键接在金属表面，高压作用下形成一个自修复保护膜，该保护膜不受环境液体影响，可持续在金属表面上作用，因此，润滑剂的消耗速率和加量都非常低。测试表明，对同一盐水聚合物钻井液，该石墨烯产品可将扭矩降低70%~80%，而传统酯基润滑剂只减少30%~40%。
在缅甸陆上高温高压井现场试验表明，该石墨烯产品抗温可达176℃；加量为2%~3%时，可将ROP提高125%，实际铰孔扭矩减少20%，钻头的寿命增加75%，摩擦系数由0.21降到0.08，这与常用合成基钻井液的摩擦系数（小于0.1）相近。
SwaminathanPonmani等研究了不同浓度CuO和ZnO纳米溶液对黄原胶、PEG600和PVP钻井液基浆的热性能、电学性能和降滤失性的影响，CuO和ZnO纳米溶液加入到钻井液基浆后，抗温性能明显提高，滤失量明显降低，还直接影响其在井下的冷却效率。
Jayanth等用表面活性剂与SiO2纳米粒子、CaCO3纳米粒子、聚合物同时对钻井液进行改性，发现加入纳米粒子后，钻井液的API滤失量明显降低，封堵性能明显提高。Abdo制备了3~5nm改性纳米有机黏土，有效控制了钻井液在高温高压环境下的流变性，确保了钻井液参数和性能的稳定。
Haneef将6~10nm的棒状纳米ZnO用于改性有机黏土，保持了钻井液胶体体系的悬浮稳定性，使钻井液颗粒分散更均匀。Li评价了纤维素纳米晶体对膨润土淡水浆中的作用，其主要起到流型调节剂的作用，当与PAC复配使用时可起到协同增效作用，使得钻井液的流变性和降滤失性大大改善；同时其价格便宜，绿色环保，利于实现高效安全环保钻井的目标。
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