页岩油气水平井钻井液降摩减阻技术研究

引言

页岩油气作为一种非常重要的非常规油气资源，其经济有效开发高度依赖于水平井和大规模体积压裂技术。长水平段的钻进在带来更大储层接触面积的也导致了钻柱与井壁之间接触面积急剧增加，从而引发巨大的摩阻和扭矩。过高的摩阻扭矩会造成拖压严重、钻压无法有效传递、机械钻速下降、钻具发生粘卡甚至扭断等复杂情况，严重限制了水平段的延伸长度，并直接威胁钻井作业安全。因此，有效控制摩阻扭矩是实现页岩油气水平井安全优质高效钻井的核心技术难题之一。

1 页岩水平井摩阻扭矩的主要成因

1.1 钻柱与井壁之间的巨大接触面积

水平井钻井过程中，随着井斜角增大直至水平段，钻柱在重力作用下会下坠并紧贴井壁。在长水平段中，钻柱与井壁的接触不再是点接触或短段接触，而是长达数千米的连续面接触。这种大面积的接触状态使得钻柱在旋转和轴向移动时，与井壁岩石产生持续的摩擦。接触正压力越大，所产生的摩擦阻力就越大。井眼轨迹的起伏变化和狗腿度会进一步增加钻柱与井壁的局部接触应力，形成额外的阻力点，显著加剧了总体的摩阻和旋转扭矩，直接影响钻压的有效传递和钻头的驱动效率。

1.2 井眼清洁不充分与钻屑床的形成

在水平井段，岩屑在重力作用下倾向于沉降在井眼的低边，而非如直井段那样被钻井液顺利带出。若钻井液的流变性能或排量设计不当，其携岩能力不足以将岩屑完全悬浮并输送至地面，岩屑就会逐渐沉积下来，在井眼底部形成稳定的钻屑床。钻屑床的存在不仅缩小了有效的井眼环空间隙，增加了钻柱与钻屑床接触碰撞的几率，更会大幅增加钻柱运动的阻力。当钻具旋转或起下钻通过此类井段时，扭矩和摩阻会急剧波动甚至突然升高，极易诱发卡钻等严重井下事故，对钻井安全构成重大威胁。

2 页岩油气水平井钻井液降摩减阻技术的具体应用

2.1 增强钻井液润滑性技术

增强钻井液润滑性技术主要通过在水基或油基钻井液体系中添加各类高效润滑剂来实现，在金属钻具与井壁岩石表面形成一层坚固的吸附膜或化学膜，将钻柱与井壁之间的干摩擦或边界摩擦转化为润滑剂分子层之间的内摩擦，从而显著降低摩擦系数。应用于页岩水平井的润滑剂种类繁多，主要包括极压润滑剂、液体润滑剂及固体润滑剂等。极压润滑剂在高温高压环境下能在金属表面发生化学反应，生成具有低剪切强度的保护膜，有效防止金属间的直接接触和粘着磨损。液体润滑剂则通过物理吸附作用覆盖在接触表面。固体润滑剂如石墨、二硫化钼等片状材料，其层状结构允许层间轻易滑移，从而提供优异的润滑性能。

2.2 优化钻井液流变性以强化井眼清洁技术

优化钻井液流变性能是确保井眼清洁的核心技术，其关键在于调整钻井液组成，使其具备优异的携岩特性。理想的流变性表现为高剪切速率下低粘度以降低泵压，低剪切速率下高粘度以有效悬浮岩屑。通过精细调控动塑比和低剪切速率粘度等参数，可显著增强钻井液在环空中的悬浮能力，即使在停泵或低排量工况下也能有效防止岩屑沉降，避免钻屑床形成。钻井液需具备良好触变性，在地面保持低粘度便于操作，在井下低剪切区域迅速形成空间结构以增强携岩效果。现场通过添加增粘剂、提切剂等流型调节剂优化性能，并结合短起下钻、分段循环等工程措施，共同破坏和清除钻屑床，保持井眼畅通，从根本上减少岩屑堆积引发的摩阻扭矩问题。

2.3 强化封堵性与抑制性以稳定井壁技术

强化封堵性与抑制性以稳定井壁是降低摩阻的关键。页岩地层富含微裂隙和水敏性粘土矿物，在压差作用下钻井液滤液侵入地层，引发水化膨胀和分散运移，导致井壁强度下降、出现掉块甚至失稳。粗糙井壁和坍塌岩屑会显著增加钻柱接触应力与摩擦阻力。采用高效封堵剂如沥青制品、聚合物成膜剂和刚性纳米材料，能在地层孔隙和微裂缝入口快速形成致密封堵层，有效阻隔滤液侵入。同时配合强抑制剂如聚胺和氯化钾，抑制粘土矿物水化作用，减少膨胀分散，从而维持井壁原生强度与平整度，为钻井作业提供稳定井眼环境。

2.4 抑制钻屑分散与优化固相控制技术

抑制钻屑分散与优化固相控制是维持钻井液性能稳定的关键技术。钻头产生的钻屑在循环过程中经剪切研磨形成微细颗粒，难以通过固控设备完全清除。有害固相积累会恶化钻井液流变性，增加粘度切力，同时这些刚性颗粒会破坏润滑膜，加剧钻具与井壁的磨粒磨损，显著提升摩擦系数。需通过添加抑制剂增强钻屑抗研磨性，降低其分散程度，形成易于清除的较大颗粒。更重要的是必须配备完整的固控系统，包括振动筛、除砂器、除泥器和离心机等设备，高效清除钻屑和有害固相，保持钻井液低固相含量，确保降摩减阻效果。

3 页岩油气水平井钻井液降摩减阻技术的发展趋势

3.1 智能响应型钻井液体系的研发与应用

此类钻井液能够感知井下环境的变化，并自动调整其相应性能以适应不同工况的需求。研发智能润滑剂，其在井筒常温下良好分散，但当循环至井底高温区域时，其分子结构或形态发生可逆变化，活性显著增强，从而在摩擦副表面形成更致密、更牢固的润滑膜，提供按需供给的高效润滑。同样，智能封堵材料可在钻井液发生滤失时，感知压力变化并在裂缝深处智能聚集形成超强封堵，而在循环过程中则保持惰性。这类智能材料与技术能够实现降摩减阻效果的精准化和最大化，同时减少处理剂的无谓消耗，提高钻井效率和经济性，代表了钻井液技术向智能化、精准化发展的前沿方向。

3.2 纳米技术与环保材料的深化融合

纳米材料因其尺寸效应和巨大比表面积，在提升钻井液性能方面展现出巨大潜力。功能性纳米材料，如纳米二氧化硅、纳米石墨片等，可作为超级封堵剂有效封堵页岩的纳米孔隙，作为固体润滑剂显著降低摩擦系数，甚至作为添加剂增强钻井液的整体稳定性。与此随着全球对环境保护要求的日益严格，开发高效且环保的钻井液处理剂变得愈发重要。未来的研究将更加注重于利用天然、可生物降解的材料为原料，通过纳米改性等技术手段，研制出兼具优异降摩减阻性能和良好环境友好性的新型处理剂，以应对生态敏感区域的钻井作业挑战，实现页岩油气资源的绿色开发。

结束语

综上所述，页岩油气水平井钻井中的高摩阻扭矩是主要技术挑战。钻井液通过降摩减阻性能发挥着关键作用。通过综合应用润滑增强、井眼清洁优化、井壁稳定控制和固相含量管理等技术手段，能够有效应对这一挑战。未来随着智能材料、纳米技术和环保材料的融合发展，该项技术将朝着更高效、更智能、更环保的方向演进，为页岩油气安全经济开发提供重要技术支撑。

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