劉 偉， 吳正良， 高 強(qiáng)， 歐陽(yáng)偉， 夏先富, 吳 謙, 劉 慶

(1油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 3中石油川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院)

國(guó)內(nèi)龍馬溪頁(yè)巖氣水平井鉆井過(guò)程中，存在井壁失穩(wěn)、阻卡等復(fù)雜[1]。2014年至今，中石油川渝地區(qū)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具已埋井45套，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。其中，2016年大面積使用油基鉆井液以來(lái)，埋井41套，埋井率高達(dá)7.75%，埋井區(qū)域分布長(zhǎng)寧-昭通、威遠(yuǎn)、自貢等區(qū)塊。埋井的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向復(fù)雜井中，卡鉆事故都發(fā)生在水平段，主要是頁(yè)巖掉塊卡鉆。目前，頁(yè)巖掉塊卡鉆事故，處理難度大，處理手段少，使用機(jī)械方法震擊 、倒扣等耗時(shí)長(zhǎng)，作業(yè)費(fèi)用高，并且成功率較低，常用的解卡劑和常規(guī)鹽酸[2]、土酸以及泡油都無(wú)法解除頁(yè)巖掉塊卡鉆事故，因此，有必要針對(duì)龍馬溪地層巖性組份特點(diǎn)，運(yùn)用化學(xué)方法，研究出頁(yè)巖溶蝕劑來(lái)破壞頁(yè)巖結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，達(dá)到解除頁(yè)巖掉塊卡鉆的目的，并形成一套適合龍馬溪頁(yè)巖地層的高效溶蝕液。

一、龍馬溪頁(yè)巖成分分析

采用PANalytical公司生產(chǎn)的X-射線衍射儀，對(duì)取自不同區(qū)塊龍馬溪巖心進(jìn)行了XRD礦物組分分析測(cè)試，其全巖分析結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，不同區(qū)塊龍馬溪巖樣X(jué)RD分析表明，除黏土外，巖樣成份以石英為主，高達(dá)35.3%～47.8%，其他成份的含量較低。

表1 各地層巖樣X(jué)RD衍射全巖分析結(jié)果

二、溶蝕液關(guān)鍵處理劑的合成及溶蝕液配方構(gòu)建

在實(shí)驗(yàn)室選擇聚環(huán)氧琥珀酸鈉、葡萄糖酸鈉、絡(luò)合劑、催化脂肪酶等在一定條件下催化合成主溶蝕劑CQ-YRS；選擇環(huán)氧琥珀酸胺、乙二烯三胺五乙酸胺、活性凹凸棒土、有機(jī)絡(luò)合劑等合成輔溶蝕分散劑CQ-YRF；采用幾種不同表面活性劑記性復(fù)配制得頁(yè)巖增滲劑CQ-YST；經(jīng)過(guò)大量篩選，優(yōu)選復(fù)配出頁(yè)巖專(zhuān)用緩蝕劑CQ-YHS，采用合成的處理劑，在室內(nèi)進(jìn)行大量的配方優(yōu)化，最終構(gòu)建形成溶蝕液配方，其配方為：清水+5%～10%CQ-YRS+3%～5%CQ-YRF+1%～3%CQ-YST+1%～3%CQ-YHS。

三、溶蝕液機(jī)理淺析

頁(yè)巖溶蝕液中的主溶蝕分散劑CQ-YRS和輔溶蝕分散劑為多種表面活性劑組成，二者相輔相成，通過(guò)絡(luò)合作用機(jī)理，頁(yè)巖掉塊或者巖屑中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生有機(jī)絡(luò)合反應(yīng)，使有機(jī)質(zhì)鏈發(fā)生斷裂，從而破壞頁(yè)巖掉塊的整體框架結(jié)構(gòu)，使其他處理劑能充分與之反應(yīng)；溶蝕液中的頁(yè)巖滲透分散劑CQ-YST，能滲透到頁(yè)巖的微裂縫中，使溶蝕液的有效成分更完全地和頁(yè)巖進(jìn)行反應(yīng)，達(dá)到快速溶蝕頁(yè)巖的目的，各種處理劑共同作用，通過(guò)有機(jī)絡(luò)合或者離子配伍形成絡(luò)合物或水溶液的化合物，使頁(yè)巖掉塊進(jìn)行部分或者全部溶蝕，從而解決掉塊卡鉆的問(wèn)題。

溶蝕液中的配伍體與巖屑中的金屬離子絡(luò)合時(shí)形成的絡(luò)合環(huán)越多[3]，配伍體與金屬離子絡(luò)合數(shù)量越多，絡(luò)合效應(yīng)越顯著，絡(luò)合物的穩(wěn)定性也就越高。溶蝕液的陰離子與頁(yè)巖組分中的陽(yáng)離子形成五元或六元絡(luò)合環(huán)，增大了頁(yè)巖中難溶組分的溶解度，從而起到溶蝕作用。溶蝕液利用“極性相近相溶”原則，帶有極性基團(tuán)-OH、-CONH2、-ONa[4]和多種含強(qiáng)極性基團(tuán)的絡(luò)合物和表面活性劑，如溶蝕液中的聚環(huán)氧琥珀酸鈉、丙烯酸-丙烯酸甲酯共聚物等，在絡(luò)合、分散的作用下發(fā)生溶解，在一定條件下完成對(duì)鉆頁(yè)巖巖屑的溶解，變?yōu)橐兹苡谒慕j(luò)合物水合鹽類(lèi)。對(duì)于硅酸鹽體系的頁(yè)巖難溶成分，用該溶蝕液則發(fā)生催化、斷鏈、配位、轉(zhuǎn)化，最后生成易溶于水的小分子溶液，以達(dá)到解卡目的。

四、頁(yè)巖溶蝕液溶蝕性能評(píng)價(jià)

1. 溶蝕率評(píng)價(jià)

1.1 頁(yè)巖成塊巖心溶蝕率對(duì)比評(píng)價(jià)

取昭通104井頁(yè)巖巖心(單塊質(zhì)量為60 g左右)分別浸泡在清水、土酸和溶蝕液中，分別裝入老化罐中在100℃溫度下靜恒溫48 h后，取出開(kāi)罐，經(jīng)6目篩布清水篩洗后，烘干(80℃)，稱(chēng)重，計(jì)算頁(yè)巖的溶解率，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 頁(yè)巖巖心在不同溶液中浸泡后溶蝕率結(jié)果

結(jié)果表明：溶蝕液具有較高的溶蝕率，對(duì)頁(yè)巖掉塊有很好的溶蝕作用。原因是該溶蝕液與土酸的作用機(jī)理不同，溶蝕液是通過(guò)絡(luò)合和頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，破壞頁(yè)巖骨架，達(dá)到溶蝕目的。頁(yè)巖中不含可以和土酸發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)，所以溶蝕率較低。

1.2 頁(yè)巖巖心碎塊溶蝕率對(duì)比評(píng)價(jià)

取昭通104井頁(yè)巖巖心碎塊(大小共10塊，總量60 g左右)，浸泡在溶蝕液中，裝入老化罐中在100℃溫度下分別靜恒溫2 h、4 h、8 h、24 h、48 h，然后取出開(kāi)罐，經(jīng)6目篩布清水篩洗后，烘干(80℃)，稱(chēng)重，計(jì)算不同時(shí)間下頁(yè)巖的溶蝕率，并繪制出溶蝕曲線，結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 巖心碎塊在溶蝕液中浸泡前后圖片

圖2 巖心碎塊溶蝕率曲線

從圖2可以看出：頁(yè)巖巖心碎塊隨時(shí)間的增加，溶蝕率增大，在48 h的溶蝕率大于50%，表明該溶蝕液溶蝕率較高。常用的土酸的溶蝕率在48 h只有4.79%，遠(yuǎn)低于溶蝕液的溶蝕率。

2. 腐蝕性能評(píng)價(jià)

2.1 溶蝕液對(duì)N80標(biāo)準(zhǔn)鋼片的腐蝕評(píng)價(jià)

取4片石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鋼片N80鋼片，掛片分別放入裝滿(mǎn)溶蝕液的養(yǎng)護(hù)罐中，在100℃溫度下分別靜恒溫8 h、16 h、24 h、48 h，然后開(kāi)罐取出，烘干(80℃)，稱(chēng)重，計(jì)算出腐蝕率，并作出腐蝕率曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 N80鋼片腐蝕率實(shí)驗(yàn)率曲線

從圖3可以看出：N80標(biāo)準(zhǔn)鋼片在不同時(shí)間下的腐蝕率都小于國(guó)標(biāo)規(guī)定的6 g/(m2·h)。遠(yuǎn)低于常用作解卡液的強(qiáng)酸鹽酸和土酸對(duì)N80鋼片的腐蝕率，表明溶蝕液對(duì)N80鋼片的腐蝕率滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)規(guī)定的要求。

2.2 溶蝕液對(duì)45#標(biāo)準(zhǔn)鋼片的腐蝕評(píng)價(jià)

取低碳素鋼45#原鋼片掛片放入裝滿(mǎn)溶溶蝕液的養(yǎng)護(hù)罐中，因45#鋼為質(zhì)量較低的低碳素鋼，若溶蝕液對(duì)45#鋼的溶蝕率能達(dá)到國(guó)標(biāo)要求，則現(xiàn)場(chǎng)使用的高于45#鋼的鉆具及管線均能達(dá)到要求。在100℃溫度下分別靜恒溫48 h，然后開(kāi)罐取出，烘干(80℃)，稱(chēng)重，計(jì)算出腐蝕率，見(jiàn)圖4。

圖4 45#鋼片在溶蝕液中浸泡前后圖片

從圖4計(jì)算出在溶蝕液中浸泡48 h后的45#鋼片的腐蝕率為4.226 g/(m2·h) ，小于國(guó)標(biāo)規(guī)定的6 g/(m2·h)，表明溶蝕液對(duì)45#鋼片的腐蝕率滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)規(guī)定的要求。

3. 溶蝕液對(duì)定向儀器配件的腐蝕評(píng)價(jià)

分別取定向儀器不同配件鐵皮筒(APS儀器)、海南儀器(APS儀器)、抗壓筒(APS儀器)、無(wú)磁鉆具、抗壓塊(海南儀器)、抗壓塊(APS儀器)，放入裝滿(mǎn)溶蝕液的養(yǎng)護(hù)罐中，在100℃溫度下分別靜恒溫48 h，然后開(kāi)罐取出，烘干(80℃)，稱(chēng)重，計(jì)算出溶蝕液對(duì)各個(gè)配件的腐蝕率均為0，表明溶蝕液對(duì)定性?xún)x器無(wú)任何腐蝕。

4. 溶蝕液與鉆井液配伍性評(píng)價(jià)

4.1 溶蝕液與水基鉆井液配伍性評(píng)價(jià)

由表3可以看出,加入5%的溶蝕液以及現(xiàn)場(chǎng)施工中溶蝕液與井漿所能混合的極限體積10%的溶蝕液對(duì)鉆井液進(jìn)行污染后，鉆井液仍有優(yōu)良的流變性能和較好的濾失造壁性，表明溶蝕液與水基鉆井液體系具有良好的配伍性。

表3 溶蝕液與水基鉆井液(磺化體系)配伍性實(shí)驗(yàn)

4.2 溶蝕液與油基鉆井液配伍性評(píng)價(jià)

由表4可以看出,加入5%的溶蝕液對(duì)鉆井液進(jìn)行污染后，鉆井液仍有優(yōu)良的流變性能和較好的濾失造壁性，加入10%溶解污染后，鉆井液的表觀黏度增加，但是切力和其他性能都和井漿性能相近，表明溶蝕液與油基鉆井液體系具有良好的配伍性。

表4 溶蝕液與油基鉆井液配伍性實(shí)驗(yàn)

五、結(jié)論及建議

(1)本文通過(guò)對(duì)頁(yè)巖成分的分析，研究合成了頁(yè)巖溶蝕液的關(guān)鍵處理劑，并在此基礎(chǔ)上形成具有較好溶蝕效果的溶蝕液配方。

(2)形成的溶蝕液通過(guò)有機(jī)絡(luò)合或離子配伍形成絡(luò)合物或水溶液的化合物，從而使頁(yè)巖掉塊進(jìn)行部分或全部溶蝕，從而解決掉塊卡鉆的問(wèn)題。

(3)研究形成的溶蝕液，對(duì)頁(yè)巖巖心的溶蝕率可以高達(dá)64.49%，對(duì)N80鋼片、45#原鋼片以及定向井儀器的腐蝕率均低于國(guó)標(biāo)規(guī)定的6 g/(m2·h)，和水基、白油基鉆井液的配伍性良好，對(duì)鉆井液性能無(wú)污染。

(4)建議進(jìn)行120℃～140℃溫度條件下溶蝕液溶蝕率的室內(nèi)探索實(shí)驗(yàn)，并把該溶蝕技術(shù)盡快應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)。