劉 偉， 吳正良， 高 強， 歐陽偉， 夏先富, 吳 謙, 劉 慶

(1油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點實驗室 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)督檢測研究院)

國內(nèi)龍馬溪頁巖氣水平井鉆井過程中，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)濟損失嚴(yán)重。其中，2016年大面積使用油基鉆井液以來，埋井41套，埋井率高達(dá)7.75%，埋井區(qū)域分布長寧-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，主要是頁巖掉塊卡鉆。目前，頁巖掉塊卡鉆事故，處理難度大，處理手段少，使用機械方法震擊 、倒扣等耗時長，作業(yè)費用高，并且成功率較低，常用的解卡劑和常規(guī)鹽酸[2]、土酸以及泡油都無法解除頁巖掉塊卡鉆事故，因此，有必要針對龍馬溪地層巖性組份特點，運用化學(xué)方法，研究出頁巖溶蝕劑來破壞頁巖結(jié)構(gòu)和強度，達(dá)到解除頁巖掉塊卡鉆的目的，并形成一套適合龍馬溪頁巖地層的高效溶蝕液。

一、龍馬溪頁巖成分分析

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

由表1可知，不同區(qū)塊龍馬溪巖樣XRD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XRD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

在實驗室選擇聚環(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)配制得頁巖增滲劑CQ-YST；經(jīng)過大量篩選，優(yōu)選復(fù)配出頁巖專用緩蝕劑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、溶蝕液機理淺析

頁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，通過絡(luò)合作用機理，頁巖掉塊或者巖屑中的有機質(zhì)發(fā)生有機絡(luò)合反應(yīng)，使有機質(zhì)鏈發(fā)生斷裂，從而破壞頁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)；溶蝕液中的頁巖滲透分散劑CQ-YST，能滲透到頁巖的微裂縫中，使溶蝕液的有效成分更完全地和頁巖進(jìn)行反應(yīng)，達(dá)到快速溶蝕頁巖的目的，各種處理劑共同作用，通過有機絡(luò)合或者離子配伍形成絡(luò)合物或水溶液的化合物，使頁巖掉塊進(jìn)行部分或者全部溶蝕，從而解決掉塊卡鉆的問題。

溶蝕液中的配伍體與巖屑中的金屬離子絡(luò)合時形成的絡(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巖組分中的陽離子形成五元或六元絡(luò)合環(huán)，增大了頁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-OH、-CONH2、-ONa[4]和多種含強極性基團的絡(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鉆頁巖巖屑的溶解，變?yōu)橐兹苡谒慕j(luò)合物水合鹽類。對于硅酸鹽體系的頁巖難溶成分，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、頁巖溶蝕液溶蝕性能評價

1. 溶蝕率評價

1.1 頁巖成塊巖心溶蝕率對比評價

取昭通104井頁巖巖心(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，取出開罐，經(jīng)6目篩布清水篩洗后，烘干(80℃)，稱重，計算頁巖的溶解率，結(jié)果見表2。

表2 頁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，對頁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理不同，溶蝕液是通過絡(luò)合和頁巖中的有機質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，破壞頁巖骨架，達(dá)到溶蝕目的。頁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 頁巖巖心碎塊溶蝕率對比評價

取昭通104井頁巖巖心碎塊(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，然后取出開罐，經(jīng)6目篩布清水篩洗后，烘干(80℃)，稱重，計算不同時間下頁巖的溶蝕率，并繪制出溶蝕曲線，結(jié)果見圖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：頁巖巖心碎塊隨時間的增加，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. 腐蝕性能評價

2.1 溶蝕液對N80標(biāo)準(zhǔn)鋼片的腐蝕評價

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，然后開罐取出，烘干(80℃)，稱重，計算出腐蝕率，并作出腐蝕率曲線，見圖3。

圖3 N80鋼片腐蝕率實驗率曲線

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

2.2 溶蝕液對45#標(biāo)準(zhǔn)鋼片的腐蝕評價

取低碳素鋼45#原鋼片掛片放入裝滿溶溶蝕液的養(yǎng)護(hù)罐中，因45#鋼為質(zhì)量較低的低碳素鋼，若溶蝕液對45#鋼的溶蝕率能達(dá)到國標(biāo)要求，則現(xiàn)場使用的高于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，然后開罐取出，烘干(80℃)，稱重，計算出腐蝕率，見圖4。

圖4 45#鋼片在溶蝕液中浸泡前后圖片

從圖4計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) ，小于國標(biāo)規(guī)定的6 g/(m2·h)，表明溶蝕液對45#鋼片的腐蝕率滿足國標(biāo)規(guī)定的要求。

3. 溶蝕液對定向儀器配件的腐蝕評價

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)、無磁鉆具、抗壓塊(海南儀器)、抗壓塊(APS儀器)，放入裝滿溶蝕液的養(yǎng)護(hù)罐中，在100℃溫度下分別靜恒溫48 h，然后開罐取出，烘干(80℃)，稱重，計算出溶蝕液對各個配件的腐蝕率均為0，表明溶蝕液對定性儀器無任何腐蝕。

4. 溶蝕液與鉆井液配伍性評價

4.1 溶蝕液與水基鉆井液配伍性評價

由表3可以看出,加入5%的溶蝕液以及現(xiàn)場施工中溶蝕液與井漿所能混合的極限體積10%的溶蝕液對鉆井液進(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)配伍性實驗

4.2 溶蝕液與油基鉆井液配伍性評價

由表4可以看出,加入5%的溶蝕液對鉆井液進(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驗

五、結(jié)論及建議

(1)本文通過對頁巖成分的分析，研究合成了頁巖溶蝕液的關(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)形成的溶蝕液通過有機絡(luò)合或離子配伍形成絡(luò)合物或水溶液的化合物，從而使頁巖掉塊進(jìn)行部分或全部溶蝕，從而解決掉塊卡鉆的問題。

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

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