2017年,鄂宜页1井在寒武系水井沱组获得了日产超过6万m~3、无阻流量超过12万m~3/日的页岩气流,并在震旦系陡山沱组获得页岩气藏的重大发现,打破了我国页岩气勘查开发均集中在四川盆地及周缘的局面,有望形成新的页岩气资源基地。目前鄂西地区水井沱组页岩气高效开发存在的主要问题是:(1)在国内外页岩气资源的开发过程中,广泛使用的是油基钻井液,存在高成本、高污染的不足;(2)鄂西地区页岩气资源的勘探开发尚处于起步阶段,针对寒武系水井沱组页岩储层以及钻进工艺相关的文献十分匮乏。因此,有必要专门研发针对鄂西水井沱组页岩的高性能水基钻井液技术。论文以鄂西地区寒武系水井沱组页岩为研究对象,在分析其理化特征的基础上,研究了影响页岩润湿性的因素,进行了颗粒封堵页岩纳米孔隙的模拟研究,进行了水基钻井液处理剂的遴选,基于电性抑制和润湿性控制方法,并结合前期研究成果,得到了适合鄂西地区水井沱组页岩的SWDF高性能水基钻井液的配方。论文完成以下主要研究工作:(1)介绍了研究目的与意义、国内外研究现状与发展趋势,以及研究内容、目标与方法;(2)在介绍页岩岩样采集位置信息的基础上,进行了水井沱组页岩岩样的矿物组成分析、微观结构分析和单轴抗压强度测试,为后期的页岩润湿性研究、钻井液处理剂遴选等打下基础;(3)探究了pH、盐溶液、正电胶、温度、表面活性剂和页岩表面粗糙度等因素对页岩润湿性的影响规律,为后期通过控制润湿性(使页岩体现出疏水性),实现增强页岩井壁稳定性的方法奠定基础;(4)使用CFD(Computational Fluid Dynamics)和DEM(Discrete Element Method)方法在微观尺度上模拟纳米颗粒悬浮液封堵页岩孔隙。纳米颗粒的运动规律和实时封堵画面可通过CFD后处理获得。粒子轨迹和封堵效率可通过离散粒子模型后处理获得。为确保模拟结果合理性,编写UDF程序,整理球体拖拽力可用实验数据及经验公式,修改标准拖拽曲线。该章的研究成果可为后期在钻井液体系中引入纳米材料奠定理论基础;(5)对构成水基钻井液体系的造浆粘土、盐类、纳米材料、正电胶和降滤失剂进行了评价和优选,为后期提出高性能水基钻井液奠定技术基础;(6)在以上研究成果的基础上,基于纳米材料封堵、电性抑制和润湿性控制方法,并结合前期研究成果,得到了适合鄂西地区水井沱组页岩的SWDF高性能水基钻井液的配方;(7)介绍了论文的主要结论、创新点和下一步工作的思路。论文主要得出以下结论:(1)水井沱组页岩以石英、长石、方解石和粘土等矿物为主,含量在55~67%;粘土矿物以伊利石为主,含量在13~27%,无蒙脱石,属弱膨胀性地层;页岩表面的孔隙、微裂隙发育,为钻井液的侵入提供了天然通道;水井沱组页岩存在明显的各向异性;(2)掌握了pH、盐类处理剂、正电胶、温度和表面粗糙度等因素对页岩润湿性的影响规律与作用机理,确定了各因素的最佳取值范围;(3)遴选出一套能有效增强页岩疏水性的表面活性剂组合方案。页岩在该复合表面活性剂中浸泡后,接触角达100.7°,其中起主要作用的是聚四氟乙烯浓缩液;(4)使用CFD和DEM方法在微观尺度上模拟纳米颗粒悬浮液封堵页岩孔隙的过程。发现颗粒大小和浓度是影响封堵效率的主要因素。1wt%和3wt%的颗粒浓度下,粘度为5mPa·s的溶液相对于粘度为1mPa·s的溶液,其封堵效率提升16.26%和8.55%;(5)基于电性抑制和润湿性控制方法,并结合前期研究成果,得到了适合鄂西地区水井沱组页岩的SWDF高性能水基钻井液的配方,综合评价结果表明,该钻井液的粘度与切力符合页岩水平井水基钻井液的基本性能要求,API滤失量在仅为7.2 mL,摩阻系数为0.21,可抗120℃高温,有较好的抑制性,良好的抗污染能力,成本仅为912元/m~3,能满足鄂西水井沱组页岩水平井钻进的需求。论文的主要创新点有:(1)使用CFD和DEM方法在微观尺度上模拟纳米颗粒悬浮液封堵页岩孔隙的过程,研究了纳米材料颗粒大小、浓度和溶液粘度对页岩封堵效率的影响规律,为后期在钻井液体系中引入纳米材料奠定了理论基础;(2)在鄂西地区水井沱组页岩理化性能(含润湿性)进行研究的基础上,基于纳米材料封堵、润湿性控制和电性抑制等理论,提出了一套适合该地区页岩气水平井钻井的高性能水基钻井液配方,可为该地区后期页岩气资源的高效开发奠定技术基础。下一步,将在现有研究基础上,择机在鄂西地区开展高性能水基钻井液技术的现场试验,根据试验结果对该体系进行完善与提高,为鄂西地区乃至长江中游的页岩气高效开发奠定技术基础。