摘 要：四川盆地元壩地區(qū)的超深水平井在鉆井過程中卡鉆大多發(fā)生在利用酸與泥餅中碳酸鹽巖巖屑反應(yīng)生成了可溶性鹽類CaCl2、MgCl2，溶蝕破壞卡住鉆具的泥餅結(jié)構(gòu)。碳酸鹽巖井段，提高該類地區(qū)浸泡解卡液解卡的成功率意義重大。為此，研究了酸基解卡液在高溫條件下的解卡機(jī)理，優(yōu)選出緩釋劑、鐵離子穩(wěn)定劑等酸化解卡液的主要處理劑，形成了抗高溫酸化解卡液體系，并對其酸化效果、酸化最佳時間、與隔離液配伍性、對鉆具強(qiáng)度的影響等方面進(jìn)行了評價。在高溫、保證現(xiàn)場安全和保護(hù)儲層的前提下，酸化解卡液對碳酸鹽巖屑及含巖屑水基鉆井液泥餅酸溶率達(dá)到40％，在元壩地區(qū)閬中2井配合工程解卡中取得了明顯效果。同時，研究并率先評價了酸基解卡液對鉆具強(qiáng)度的影響、浸泡作用的最佳時間，對浸泡酸化解卡的安全性及有效性給出了具體結(jié)體結(jié)論，具有參考意義。
關(guān)鍵詞：四川盆地 元壩地區(qū) 超深水平井 卡鉆 酸基解卡液 腐蝕 強(qiáng)度
Acid-based downhole drilling spotting fluid for carbonate gas wells in the Yuanba Area，Sichuan Basin
Abstract：Pipe sticking most often occurs in the well section through carbonate formation in ultra-deep well drilling in the Yuanba Area，Sichuan Basin．Thus，it is of great significance to facilitate the release of stuck pipe by soaking the stuckbreaking fluid in this study area,The pipe sticking will be released by soluble salts like CaCl2，MgCl2 which can be generated from the reaction between aclds and carbonate debris in mud cakes.In view of this，the mechanism of stuck-breaking is first analyzed under high temperature for the acid-based downhole drilling spotting fluid．Then，the sustained release preparation，ferric ion stabilizer，etc．are optimized for this downhole drilling spotting fluid with high temperature resistance．Furthermore，evaluation tests are made for this newly developed acid-based spotting drilling fluid on its acidizing result，best acidizing time，compatibility with spacer，impact on the strength of drilling tools,etc．In actual application，on the premise of high temperature，reservoir protection and safe field operation，the acid solubility of this fluid system for the carbonate debris and water-based drilling mud cake reached up to 40％；an obvious stuckbreaking result was achieved in the Langzhong 2 well in this study area．Meanwhile，the best time of soaking and the impact of this fluid system on the strength of drilling tools are studied and evaluated for the first time，the detailed resuIts of which are provided for the safety and feasibility of this downhole drilling spotting fluid．
Key words：Sichuan Basin,Yuanba area，ultra-deep horizontal well，pipe sticking，acid-based downho1e drilling spotting fluid，corrosion,strength
四川盆地元壩地區(qū)從三疊系雷口坡組進(jìn)入了海相地層，雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組、二疊系長興組、龍?zhí)督M等地層均有石灰?guī)r和白云巖的分布，飛仙關(guān)組碳酸鹽巖厚度大于500m，為浸泡酸化解卡液提供了條件。主要目的層長興組埋藏深度超過7000m，海相地層地溫介于ll4～158℃；該地區(qū)在海相長興組、飛仙關(guān)組屬高含硫化氫氣藏。這些都給浸泡酸化解卡液提出了更高的要求[1]。
1 酸或酸基解卡液解卡機(jī)理
酸或酸基解卡液主要的對象是海相碳酸巖中的石灰?guī)r、白云巖等巖石，石灰?guī)r、白云巖的主要成分是方解石(CaCO3)和白云石[CaMg(CO3)2]，鹽酸與巖石或泥餅酸溶性成分發(fā)生反應(yīng)生成可溶鹽類和水，反應(yīng)方程式如下：
CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+C02↑
CaMg(CO3)2+4HCl=CaCl2+MgCl2+2H2O+2CO2↑
利用酸與巖屑及鉆井液中酸溶性成分反應(yīng)生成可溶性鹽類的原理，用適當(dāng)濃度的酸液溶蝕卡住鉆具的巖屑或泥餅，達(dá)到解卡的目的。圖1、2、3分別是巖屑、鉆井液泥餅的酸溶評價實(shí)驗(yàn)。
酸液對白云巖、石灰?guī)r的酸化效果最好，酸蝕率超過50％，其次是泥巖；酸液對鉆井液泥餅同樣具有一定的酸溶率，在20％～40％之間。土酸整體的酸化效果優(yōu)于鹽酸，但差距較小。溫度越高，酸化效果越好。因此，在鉆遇易酸化地層時出現(xiàn)卡鉆事故時[2]，理論上采用浸泡酸化解卡液的辦法是可行的[3]。
2 酸化解卡液體系研究
元壩地區(qū)超深水平井的壓差卡鉆，大多發(fā)生在海相碳酸鹽巖地層，水基解卡液效率不高[4]，使用酸或酸基解卡技術(shù)[5]，提高操作安全性及處理效率等方面，重點(diǎn)開展了以下研究[5]。
2．1 主要處理劑優(yōu)選
2．1．1緩蝕劑
酸化緩蝕劑一般屬高分子有機(jī)化合物，這種化合物由極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)構(gòu)成，可在金屬表面做定向吸附，形成分子界面膜，阻擋腐蝕介質(zhì)接觸金屬表面，達(dá)到保護(hù)設(shè)備，減緩腐蝕的目的[6]。能夠迅速有效地阻止酸性介質(zhì)對設(shè)備的侵蝕，對單酸(鹽酸、氫氟酸、磷酸)和復(fù)合酸均有良好的緩蝕效果。酸化解卡液選用鹽酸作為基液。因此，必須考慮鹽酸對現(xiàn)場設(shè)備的腐蝕問題。通過加入一定量鹽水緩蝕劑來抑制鹽酸對金屬設(shè)備的腐蝕。在一定實(shí)驗(yàn)條件下分別考察5種緩蝕劑加量(圖4)在0.5％、0.8％和l.0％的情況下對金屬掛片的腐蝕性來評價其緩釋性能。
由圖4可以看出，緩蝕劑BGA的緩釋性能最好，加量l.0％時體系的緩蝕率達(dá)到了99.72％(15％鹽酸為基液的空白實(shí)驗(yàn)對金屬的腐蝕速率為27.9276mm／a)。結(jié)合元壩地層的溫度情況，選取BGA為酸化解卡液的緩蝕劑。
2．1．2鐵離子穩(wěn)定劑
使用鐵離子穩(wěn)定劑的目的是防止酸化后鐵離子形成Fe(OH)3沉淀。評價了4種鐵離子穩(wěn)定劑有效絡(luò)合鐵離子濃度能力吲(表1)。
由表l實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，WZD-8的鐵離子穩(wěn)定能力最強(qiáng)，為l69.98mg／mL，這里選取鐵離子穩(wěn)定劑WZD-8。
2．2 酸化解卡液性能評價
根據(jù)酸化解卡液處理劑優(yōu)選結(jié)果，結(jié)合元壩地區(qū)地層的特征，確立了酸化解卡液的基本配方為(15％～20％)鹽酸+(1％～3％)高效緩蝕劑+(2％～3％)鐵離子穩(wěn)定劑+(1％～2％)抗石膏穩(wěn)定劑+(1％～2 0 0)助排劑。
從4個方面評價[8]了酸化解卡液的效果、反應(yīng)的最佳時間、隔離液的配伍性以及對鉆具強(qiáng)度影響等。
2．2．1酸化效果評價
實(shí)驗(yàn)采用了石灰?guī)r、白云巖、含5％巖屑的鉆井液泥餅作為樣品，對酸化解卡液的酸溶性進(jìn)行了評價，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。
石灰?guī)r、自云巖與含5％巖屑的鉆井液泥餅在酸化解卡液中的溶蝕規(guī)律與在鹽酸中基本一致，隨溫度增加溶蝕率增加，溫度從100℃增加到l40℃時，巖屑在酸化解卡液巾的溶蝕率約50％；含巖屑中的泥餅在解卡液中的溶蝕規(guī)律(巖屑為石灰?guī)r)，隨溫度增加溶蝕率增加，溫度能夠輕微提高其溶蝕率，溫度從100℃增加到140℃時，溶蝕率從34％提高到41％。因此可以看出，酸化解卡液的酸化效果是可以得到保證的[9]。
2．2．2 酸化解卡液的最佳反應(yīng)時間評價
在酸液濃度確定的情況下，確立有效反應(yīng)時間是關(guān)系到使用酸化解卡液配合工程解卡成功的關(guān)鍵[10]，開展了石灰?guī)r在酸化解卡液不同時間的酸溶率實(shí)驗(yàn)(圖6)。
由圖6可知，隨著酸化時間的增加，酸溶率增大，反應(yīng)l0～15min基本結(jié)束，酸溶率可達(dá)到54.72％。因此在現(xiàn)場實(shí)際的操作過程中，有效酸化時間超過l5min，即可達(dá)到酸化解卡的效果。
2．2．3酸化解卡液與隔離液配伍性評價
隔離液的作用是將解卡液和鉆井液隔開，防止竄漿，避免引起鉆井液性能變化太大，確保解卡液的酸化效果，通常使用增黏劑來配置，做了隔離液與酸化解卡液配伍性實(shí)驗(yàn)，放置時間為24h[11](圖7)，可以看出酸化解卡液與隔離液配伍性較好。
2．2．4酸化解卡液對鉆具的強(qiáng)度影響評價
根據(jù)元壩地區(qū)鉆井工程的實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)選用了，S135鋼片、Gl05鋼片作為評價對象。一定溫度情況下評價Sl35鋼片、Gl05鋼片在酸化解卡液中腐蝕后強(qiáng)度(抗拉與抗扭)變化情況[12]。
2．2．4．1拉伸實(shí)驗(yàn)
S135鋼、Gl05鋼在拉伸時應(yīng)變試驗(yàn)見圖8、9，S135鋼在鹽酸中酸化后的抗拉強(qiáng)度均值為l091MPa(鉆桿APl標(biāo)準(zhǔn)要求S135最小抗拉強(qiáng)度為1000MPa)；Gl05鋼在鹽酸介質(zhì)中酸化后的抗拉強(qiáng)度均值為994.8MPa(鉆桿API標(biāo)準(zhǔn)要求Gl05最小抗拉強(qiáng)度為793MPa)。因此可以看出，Sl35鋼和Gl05鋼在鹽酸中腐蝕后，抗拉強(qiáng)度仍然能滿足工程需要。
2．2．4．2扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)
扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)是按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T l0128-2007金屬室溫扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法來執(zhí)行。測試S135鋼和G105鋼在鹽酸基液中被腐蝕一定時間后力學(xué)性質(zhì)，即抗扭強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2所示。
由抗扭強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，Sl35和Gl05鋼樣用鹽酸處理后，抗扭強(qiáng)度能夠達(dá)到APl鉆桿的最小強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求。
2．3 酸化解卡液實(shí)施工藝
根據(jù)前面對酸化解卡液配方的研究及性能評價，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況，制訂了浸泡酸化解卡液的現(xiàn)場施工工藝[13]：
1)根據(jù)卡鉆的位置、鉆具的內(nèi)容積、地面管線附加容積等具體情況，計(jì)算出需要配置的酸化解卡液、前置液及后置液的用量。
2)根據(jù)需要用量的計(jì)算結(jié)果配置酸化解卡液及隔離液，在配制酸化解卡液時，需要在耐酸的且較密閉的設(shè)備中進(jìn)行（一般使用的是壓裂車），要戴護(hù)目鏡和橡膠手套，避免面部、手和其他部位皮膚直接接觸。
3)注酸化解卡液作業(yè)。使用壓裂車以排量約0.2m3/min的速度注前置液2～3m3，隨后注酸化解卡液，最后注入后置液2～3m3，避免酸化解卡液與鉆井液發(fā)生竄槽，確保酸化效果。
4)浸泡酸化解卡液。采用鉆井泵替入井漿，使酸化解卡液到達(dá)卡點(diǎn)，以較小排量分多次頂漿，每次頂漿結(jié)束后，強(qiáng)力活動鉆具，并配合隨鉆震擊器震擊?？ㄣ@井段的浸泡有效時間應(yīng)達(dá)到l5min。
5)頂漿排酸。解卡成功與否，均需要排放被污染鉆井液和酸液，一般有酸液排出時鉆井液中氣泡多，黏度高。
3 現(xiàn)場試驗(yàn)
閬中2井設(shè)計(jì)井深6210m，以長興組為主要目的層，兼探須家河組、雷口坡組和飛仙關(guān)組。正常鉆進(jìn)至井深5383.27m，鉆具被卡住，井底溫度超過100℃。采用了浸泡酸化解卡液配合工程解卡。
1)壓裂車以排量0.2m3／min注前置液l.6m3，隨后注酸化解卡液(密度l.07～1.08g／cm3)，有效注入量3.2m3，最后注后置液1.8m3。
2)泡酸作業(yè)。大泵累計(jì)替入井漿48.3m3 (此時酸液到達(dá)鉆頭位置)，排量18L／s，立管壓力21.5～22.0MPa；中途在頂漿量至47m3時降為小排量，頂漿至48.3 m3時在懸重l800～2400kN強(qiáng)力活動鉆具未見效，轉(zhuǎn)動鉆具12圈，回3圈，因螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，扭矩未能傳遞到鉆頭；后期間隔30min分6次累計(jì)頂漿2.9m3，鉆具內(nèi)剩余酸0.3m3，每次頂漿后在懸重1800～2400kN強(qiáng)力活動鉆具均未見效果。
3)控制懸重l800～2400kN上提下放活動鉆具，間歇開泵頂通(排量3.72L／s，壓力4．8～5.0MPa)；頂漿排酸，頂漿至105m3見被污染鉆井液，共計(jì)排放被污染鉆井液19.70m3；鉆井液中氣泡較多，黏度高，未見明顯酸液。
第一次泡酸未能成功解卡，分析其主要原因?yàn)椋鹤⑷刖畠?nèi)有效鹽酸體積較少(3.2m3)，作用于卡點(diǎn)的酸量過少，不能有效溶解卡點(diǎn)掉塊及井壁巖石，而且泡酸時只能采取上提方式活動鉆具，不能通過上提下砸震擊和強(qiáng)扭來配合處理，導(dǎo)致此次泡酸未能成功。
通過總結(jié)第一次泡酸化解卡液失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，第二次泡酸，增加入井酸量至6.8m3；提高隔離液黏度，減少酸液損耗；提高替漿排量，力保螺桿旁通閥有效關(guān)閉；啟用隨鉆震擊器。采用相同酸化解卡液配方成功解卡。
4 結(jié)論
1)根據(jù)海相碳酸鹽巖地層易酸化的特征，研究形成了適合元壩地區(qū)的酸化解卡液技術(shù)，酸溶率可達(dá)40％，溫度升高不影響酸化效果。
2)通過在酸中加入緩蝕劑，高溫條件下可有效降低酸對鉆具強(qiáng)度的影響，實(shí)施泡酸化解卡液作業(yè)后鉆具仍然能夠滿足鉆井工程需要。
3)通過在閬中2井的現(xiàn)場應(yīng)用，在確保酸化的時間及足夠的酸液量的情況下，對碳酸鹽巖地層卡鉆浸泡酸化解卡液可以起到很好的效果。
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本文作者：楊飛 彭商平 何志強(qiáng) 張浩
作者單位：四川仁智油田技術(shù)服務(wù)股份有限公司
成都理工大學(xué)
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