页岩地层易水化膨胀,具有亲水和渗透率极低等特性。目前我国页岩气钻井多采用抑制性好、润滑性强的油基钻井液。但油基钻井液成本高与污染环境等缺点限制了它在油田的广泛应用,然而水基钻井液与泥页岩的相互作用和钻井液的抑制性低是井壁失稳的根源,即泥页岩与水基钻井液接触时,容易吸水导致页岩松散垮塌、掉块和缩径等井下复杂情况。因此迫切需要研发一种适用于页岩气水平井作业的强抑制高性能水基钻井液。在此,我们提出纳米材料物理封堵、化学抑制、活度平衡、低界面张力和弱润湿的协同防塌理论,选择合适的盐浓度而不是更高的盐浓度,并通过使用遴选出的表面活性剂改变钻井液的润湿性,减小钻井液表面张力,增大钻井液与页岩的接触角,来达到增强井壁稳定性的效果,并结合前期对纳米材料封堵的研究,提出了一套高性能的水基钻井液体系。 论文分为六章,各章主要内容如下: 第一章简要介绍了当前国内外的页岩气水平井钻井液的技术水平,介绍了论文的选题背景和选题意义,并简述了当前表面活性剂和纳米材料在钻井液中的应用成果,提出了需解决的关键技术以及整篇论文的技术路线。 第二章简要介绍了页岩与表面活性剂的基本特征,并对使用表面活性剂增强井壁稳定性的机理进行了分析。 第三章通过实验分析了不同浓度种类盐溶液对页岩滚动回收率、抗压强度、微观孔隙分布的影响规律,通过压力传递实验探究了盐溶液对页岩渗透、膜效率的影响规律,为选择合理的钻井液盐浓度提供了指导原则。 第四章通过实验遴选了能有效降低表面张力,增大接触角的复合表面活性剂方案,可使清水的表面张力降低70.95%、与页岩的接触角增加88.27%,并通过压力传递实验进行验证,实验结果表明复合表面活性剂与水基钻井液配伍性良好,能有效阻缓压力传递,降低渗透率,从而达到增强井壁稳定性的作用。同时,通过实验分析了影响页岩润湿性的因素,探究了温度、pH、含盐量,对页岩润湿性的硬性规律和作用机理,实验结果表明:随着温度的升高,表面活性剂的吸附量减小,页岩的接触角不断降低;随着pH的升高,页岩的接触角先增大后减小,在pH为中性环境时,接触角最大,在强酸强碱环境中,接触角最小;少量盐的加入有助于增大页岩的接触角,但随着含盐量的逐渐增加,接触角会有减小的趋势,无机盐对于表面活性剂在页岩表面的影响较为复杂。 第五章结合前期研究,提出了一套高性能的水基钻井液体系:水+4% 凹凸棒土+2% 疏水nano-SiO2分散液+0.3% LV-PAC+1% Dristemp+2% lockseal+2% 抗温抗盐防塌处理剂+2% SPNH+1.5% soltex钾盐+3% SMP-Ⅱ+0.2% CS-1+0.1% AS-1+20% HCOONa +0.5% Na2CO3+10% 重晶石,对钻井液的润滑性、抑制性、流变性和滤失性能进行了评价。实验结果表明:该钻井液体系性能优良,在高温后仍然能保持良好的流变性能,在经210℃高温热滚后,滤失量不低于6mL,同时拥有很好的润滑性、抑制性。抗污染实验显示,即使钻井液受到0.8%CaCl2、0.8%MgCl2、5%劣质土、10%NaCl等多种污染物的入侵仍然具有良好的性能,依然可以有效降低表面张力、增大与页岩的接触角,达到增强井稳定性的目的。 第六章对全文进行了总结,提出了论文的主要创新点和需要进一步完善的思路。本文的主要创新点有两个:(1)探究了盐溶液与页岩接触时对其形式失稳、渗透率、膜效率和滚动回收率等参数的影响规律及作用机理。(2)提出改变润湿性来达到增强井壁稳定性的方案,并探究了其作用机理。论文研究成果可为页岩气水平井的钻井液工艺优化提供重要的理论和技术基础。