龍馬溪頁巖溶蝕液的室內探索

劉 偉， 吳正良， 高 強， 歐陽偉， 夏先富, 吳 謙, 劉 慶

(1油氣田應用化學四川省重點實驗室 2中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 3中石油川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質量監(jiān)督檢測研究院)

國內龍馬溪頁巖氣水平井鉆井過程中，存在井壁失穩(wěn)、阻卡等復雜[1]。2014年至今，中石油川渝地區(qū)旋轉導向工具已埋井45套，經濟損失嚴重。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7.75%，埋井區(qū)域分布長寧-昭通、威遠、自貢等區(qū)塊。埋井的旋轉導向復雜井中，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，運用化學方法，研究出頁巖溶蝕劑來破壞頁巖結構和強度，達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公司生產的X-射線衍射儀，對取自不同區(qū)塊龍馬溪巖心進行了XRD礦物組分分析測試，其全巖分析結果見表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衍射全巖分析結果

二、溶蝕液關鍵處理劑的合成及溶蝕液配方構建

在實驗室選擇聚環(huán)氧琥珀酸鈉、葡萄糖酸鈉、絡合劑、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配制得頁巖增滲劑CQ-YST；經過大量篩選，優(yōu)選復配出頁巖專用緩蝕劑CQ-YHS，采用合成的處理劑，在室內進行大量的配方優(yōu)化，最終構建形成溶蝕液配方，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，通過絡合作用機理，頁巖掉塊或者巖屑中的有機質發(fā)生有機絡合反應，使有機質鏈發(fā)生斷裂，從而破壞頁巖掉塊的整體框架結構，使其他處理劑能充分與之反應；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行反應，達到快速溶蝕頁巖的目的，各種處理劑共同作用，通過有機絡合或者離子配伍形成絡合物或水溶液的化合物，使頁巖掉塊進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合時形成的絡合環(huán)越多[3]，配伍體與金屬離子絡合數量越多，絡合效應越顯著，絡合物的穩(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、轉化，最后生成易溶于水的小分子溶液，以達到解卡目的。

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6目篩布清水篩洗后，烘干(80℃)，稱重，計算頁巖的溶解率，結果見表2。

表2 頁巖巖心在不同溶液中浸泡后溶蝕率結果

結果表明：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，溶蝕液是通過絡合和頁巖中的有機質發(fā)生反應，破壞頁巖骨架，達到溶蝕目的。頁巖中不含可以和土酸發(fā)生反應的物質，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%，遠低于溶蝕液的溶蝕率。

2. 腐蝕性能評價

2.1 溶蝕液對N80標準鋼片的腐蝕評價

取4片石油行業(yè)標準鋼片N80鋼片，掛片分別放入裝滿溶蝕液的養(yǎng)護罐中，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標準鋼片在不同時間下的腐蝕率都小于國標規(guī)定的6 g/(m2·h)。遠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規(guī)定的要求。

2.2 溶蝕液對45#標準鋼片的腐蝕評價

取低碳素鋼45#原鋼片掛片放入裝滿溶溶蝕液的養(yǎng)護罐中，因45#鋼為質量較低的低碳素鋼，若溶蝕液對45#鋼的溶蝕率能達到國標要求，則現場使用的高于45#鋼的鉆具及管線均能達到要求。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鍵處理劑，并在此基礎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合或離子配伍形成絡合物或水溶液的化合物，從而使頁巖掉塊進行部分或全部溶蝕，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)建議進行120℃～140℃溫度條件下溶蝕液溶蝕率的室內探索實驗，并把該溶蝕技術盡快應用到現場。