四川長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣水平井水基鉆井液技術(shù)的研究與應(yīng)用

明顯森 賀 海 王星媛

中國(guó)石油川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院 油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

四川長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣水平井水基鉆井液技術(shù)的研究與應(yīng)用

明顯森 賀 海 王星媛

中國(guó)石油川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院 油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

長(zhǎng)寧龍馬溪頁(yè)巖礦物組分分析表明，頁(yè)巖礦物主要以石英、方解石和黏土礦物為主，屬于硬脆性水敏地層。為了保證水基鉆井液能夠在長(zhǎng)水平段頁(yè)巖中鉆進(jìn)，且不發(fā)生井壁失穩(wěn)、井壁垮塌等井下復(fù)雜情況，經(jīng)過(guò)大量室內(nèi)研究，研制出以疏水抑制劑CQ-SIA和高效液體潤(rùn)滑劑CQ-LSA為主要處理劑的頁(yè)巖氣水基鉆井液體系。室內(nèi)評(píng)價(jià)表明，該水基鉆井液抑制能力優(yōu)越，滾動(dòng)回收率達(dá)到97.6%；在100 ℃溫度下恒溫靜置48 h后，未出現(xiàn)重晶石沉降現(xiàn)象，流變性能穩(wěn)定；能夠抵抗30%(w)的巖屑污染?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，該鉆井液性能穩(wěn)定，潤(rùn)滑性好，抑制能力強(qiáng)，保證了順利鉆進(jìn)、電測(cè)、通井、下套管施工作業(yè)，能夠滿足長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣井鉆井的需要。

頁(yè)巖氣水基鉆井液 水平井 頁(yè)巖 性能 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

頁(yè)巖氣開發(fā)具有資源潛力大、開采壽命長(zhǎng)和生產(chǎn)周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前能源界研究的熱點(diǎn)[1-3]。由于頁(yè)巖地層層理發(fā)育，水敏性強(qiáng)，長(zhǎng)水平井鉆進(jìn)的突出問(wèn)題就是井壁失穩(wěn)問(wèn)題，采用油基鉆井液鉆進(jìn)頁(yè)巖層是目前常用的方法，但油基鉆井液存在成本高和污染環(huán)境等缺陷，使其應(yīng)用和推廣受到一定限制[4-5]。在對(duì)頁(yè)巖理化性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，從頁(yè)巖氣井水基鉆井液抑制水敏性地層頁(yè)巖水化分散能力，對(duì)發(fā)育性裂微縫封堵，地層溫度環(huán)境中抗溫能力，以及抵抗巖屑污染方面出發(fā)，通過(guò)室內(nèi)研究，形成了一套適合在頁(yè)巖層鉆進(jìn)的水基鉆井液體系，同時(shí)評(píng)價(jià)了該體系的主要性能指標(biāo)，并在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，為頁(yè)巖氣水基鉆井液的進(jìn)一步研究和發(fā)展提供了一定的參考。

1 頁(yè)巖組成及井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

1.1四川長(zhǎng)寧龍馬溪頁(yè)巖礦物組分分析

對(duì)四川長(zhǎng)寧龍馬溪組和五峰組頁(yè)巖進(jìn)行的X射線衍射實(shí)驗(yàn)表明，該區(qū)塊頁(yè)巖礦物主要以石英、方解石和黏土礦物為主。黏土礦物中伊利石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%，含有少量的高嶺石、綠泥石、伊/蒙混層，不含蒙脫石(見(jiàn)表1和表2)。經(jīng)過(guò)對(duì)礦物組分分析，認(rèn)為抑制頁(yè)巖地層黏土礦物水化分散和膨脹以及防止頁(yè)巖剝落垮塌是頁(yè)巖水基鉆井液研究的重點(diǎn)[6-7]。

表1 四川長(zhǎng)寧區(qū)塊某井取樣頁(yè)巖礦物種類和含量Table1 TypesandcontentofshalemineralinawellofChangning，Sichuanw/%頁(yè)巖層位石英鉀長(zhǎng)石斜長(zhǎng)石方解石白云石黃鐵礦黏土礦物總量龍馬溪24．10．45．832．89．54．423．0五峰39．60．65．219．76．14．224．6

表2 四川長(zhǎng)寧區(qū)塊某井取樣頁(yè)巖黏土礦物相對(duì)含量Table2 Relativecontentsofshaleclayminerals inawellofChangning，Sichuan w/% 頁(yè)巖層位蒙脫石伊/蒙伊利石高嶺石綠泥石龍馬溪2．592．21．53．8五峰3．190．22．34．4

1.2頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)用巖屑取樣取自四川長(zhǎng)寧龍馬溪頁(yè)巖，對(duì)頁(yè)巖切片，選取新鮮斷面進(jìn)行電鏡掃描分析。從電鏡掃描圖圖1可看出，頁(yè)巖微孔隙發(fā)育良好，裂縫寬度為5～10 μm，頁(yè)巖表觀形態(tài)由不連續(xù)的頁(yè)巖堆砌、膠結(jié)而成，層狀構(gòu)造明顯，體現(xiàn)出頁(yè)巖脆、強(qiáng)度低的特點(diǎn)。將切片后的頁(yè)巖樣在去離子水中浸泡24 h。對(duì)比浸泡前后電鏡掃描圖發(fā)現(xiàn)，微裂縫明顯變寬而且沿著疊成邊緣處展開，明顯可以看見(jiàn)有新縫的出現(xiàn)，這是頁(yè)巖水敏性特點(diǎn)的體現(xiàn)(見(jiàn)圖2)。

1.3頁(yè)巖氣水基鉆井液體系研究思路及重點(diǎn)

頁(yè)巖井壁失穩(wěn)，主要是因?yàn)轫?yè)巖不穩(wěn)定水敏性的特點(diǎn)，鉆井液穿過(guò)地層裂隙、裂縫和弱的層面后，鉆井液與頁(yè)巖相互作用改變了頁(yè)巖的孔隙壓力和頁(yè)巖強(qiáng)度，最終影響了頁(yè)巖的穩(wěn)定性[8-9]。針對(duì)頁(yè)巖地層井壁失穩(wěn)，頁(yè)巖表面水化、潤(rùn)濕性、頁(yè)巖裂縫發(fā)育良好等諸多因素，對(duì)于鉆進(jìn)長(zhǎng)水平段頁(yè)巖地層技術(shù)難題，應(yīng)從保證井壁穩(wěn)定的思路出發(fā)，研制出適合在頁(yè)巖層鉆進(jìn)的水基鉆井液體系。應(yīng)重點(diǎn)考慮：①滿足高密度水基鉆井液需要，具有高固相容量的特點(diǎn)；②強(qiáng)抑制能力，抑制頁(yè)巖水化分散膨脹；③強(qiáng)封堵性，有效封堵頁(yè)巖微孔隙；④潤(rùn)滑性好，在長(zhǎng)段頁(yè)巖水平段鉆進(jìn)時(shí)摩阻小、扭矩低；⑤良好的攜帶巖屑能力，避免巖屑床的形成，保證井眼清潔；⑥抗污染能力強(qiáng)，抗地層水污染、巖屑污染，保證鉆井液性能穩(wěn)定；⑦熱穩(wěn)定性好，長(zhǎng)時(shí)間在井底高溫環(huán)境中，鉆井液性能穩(wěn)定，不發(fā)生高溫固化、處理劑高溫降解等一系列造成鉆井液性能突變的現(xiàn)象。

根據(jù)以上思路，經(jīng)過(guò)大量的理論研究和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研制出一套適合在頁(yè)巖層鉆井的水基鉆井液體系，并在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用。

2 頁(yè)巖氣水基鉆井液體系室內(nèi)評(píng)價(jià)

2.1頁(yè)巖氣水基鉆井液配方及性能參數(shù)

通過(guò)大量室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)的頁(yè)巖氣水基鉆井液主要以疏水抑制劑CQ-SIA和潤(rùn)滑劑CQ-LSA為主要處理劑。CQ-SIA分子鏈中同時(shí)具有親水基和親油基兩種官能團(tuán)，該雙親特性能使親水的巖石或巖屑表面發(fā)生潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，在巖石表面形成一層疏水膜，阻止自由水進(jìn)入巖石內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)其抑制作用[10]；CQ-LSA具有特定的基團(tuán)與結(jié)構(gòu)，在表面活性劑的作用下能在親水的鉆具、泥餅和地層巖石表面形成親油膜，能夠大幅度降低摩阻，提供較好的潤(rùn)滑能力；同時(shí)，該體系在其他處理劑的協(xié)同作用下，如通過(guò)納米材料提高鉆井液對(duì)頁(yè)巖的封堵效率，隨著納米材料在黏土上吸附量的增加，其在黏土表面形成油膜，阻止水的侵入，降低濾液侵入地層；磺化材料提高鉆井液的抗溫性和低失水；使用復(fù)合鹽來(lái)降低濾液活度，以及復(fù)配使用聚合醇保證鉆井液的潤(rùn)滑性。

頁(yè)巖氣水基鉆井液配方：0.2%(w)～0.5%(w)土漿+0.2%(w)NaOH+0.5%(w)～0.8%(w)PAC-LV+3.0%(w)～5.0%(w)SMP-3+1.0%(w)～3.0%(w)防塌封堵劑+1.0%(w)～2.0%(w)聚合醇+0.4%(w)～1.0%(w)CQ-SIA抑制劑+20%(w)～30%(w)復(fù)合鹽+0.8%(w)～1.6%(w)納米封堵劑+0.8%(w)～1.0%(w)表面活性劑+3.0%(w)～5.0%(w)CQ-LSA潤(rùn)滑劑+重晶石。

表3 頁(yè)巖氣水基鉆井液室內(nèi)配方性能參數(shù)Table3 Performanceparametersofshalegaswaterbaseddrillingfluid實(shí)驗(yàn)編號(hào)實(shí)驗(yàn)條件密度/(g·cm-3)AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaGel/PaFL/mLHTHP，100℃/mL1熱滾前1．9747．541．06．51．5/7．00．43．4100℃，16h1．9750．042．08．01．5/8．50．63．82熱滾前2．0360．551．09．52．0/9．00．83．6100℃，16h2．0367．059．08．02．0/111．03．9

表3是按上述配方配制的不同密度水基鉆井液在室內(nèi)的性能參數(shù)。對(duì)比熱滾前后數(shù)據(jù)，鉆井液性能穩(wěn)定，中壓失水最低為0.4 mL、高溫高壓失水小于4.0 mL，降低了濾液對(duì)地層的污染從而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)；高溫?zé)釢L后，性能均未出現(xiàn)較大變化，黏度、切力和失水仍能保持較低值，說(shuō)明該體系具有較好的熱穩(wěn)定性。

2.2頁(yè)巖滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)

稱取50 g、過(guò)2.0～3.35 mm篩孔的四川長(zhǎng)寧龍馬溪頁(yè)巖，分別與清水、鉀聚磺水基鉆井液、頁(yè)巖氣水基鉆井液倒入老化罐中，在100 ℃、16 h熱滾老化，用孔徑為0.45 mm的篩網(wǎng)回收，在105 ℃下烘干4 h，再冷卻2 h后，稱量巖樣質(zhì)量，計(jì)算回收率，對(duì)該鉆井液抑制能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 頁(yè)巖滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)Table4 Cuttingrecoveryofshalesamples實(shí)驗(yàn)編號(hào)實(shí)驗(yàn)配方回收巖屑/g回收率/%1350mL清水+50g頁(yè)巖20．4540．92350mL鉀聚磺水基鉆井液+50g頁(yè)巖36．1572．33350mL頁(yè)巖氣水基鉆井液+50g頁(yè)巖49．4397．6

表4表明，頁(yè)巖屬水敏性地層，與水相互作用后會(huì)水化分散、膨脹，巖屑回收率低。頁(yè)巖在鉀聚磺水基鉆井液中作用后，頁(yè)巖回收率為72.3%，與頁(yè)巖氣水基鉆井液相互作用后，頁(yè)巖回收率為97.6%，因該體系中抑制劑雙親特性，CQ-SIA吸附在頁(yè)巖表面使其由水潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜐?rùn)濕，阻止自由水進(jìn)入頁(yè)巖內(nèi)部。滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)表明，該頁(yè)巖氣水基鉆井液具有較好的抑制能力，能夠有效地抑制頁(yè)巖的水化膨脹和分散。

2.3熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

按上述配方，配制密度為2.03 g/cm3的鉆井液，測(cè)試常溫下的性能，之后將鉆井液放入老化罐，在120 ℃滾子爐中分別恒溫靜置16 h、24 h和48 h，考察溫度對(duì)鉆井液性能的影響。

表5 鉆井液熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)Table5 Evaluationexperimentofthermalstabilityofdrillingfluid實(shí)驗(yàn)條件密度/(g·cm-3)AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaGel/PaFL/mLHTHP，100℃/mL靜置前2．0360．551．09．52．0/9．00．83．6100℃，16h2．0367．059．08．02．0/11．01．03．9100℃，24h2．0368．558．010．52．0/11．51．03．9100℃，48h2．0370．559．511．02．0/12．51．24．1

表5表明：該頁(yè)巖氣水基鉆井液在100 ℃下分別恒溫靜置16 h、24 h、48 h后，隨著恒溫靜置時(shí)間增加，切力、失水有小幅度上升，但性能參數(shù)仍然維持較適宜的范圍；鉆井液黏度、切力、失水無(wú)較大變化，熱穩(wěn)定性能力好，長(zhǎng)時(shí)間靜置未出現(xiàn)高溫分層、重晶石沉淀等現(xiàn)象；在產(chǎn)層溫度下，鉆井液中各種處理劑未發(fā)生高溫降解、高溫固化等復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，表明鉆井液的性能參數(shù)穩(wěn)定，具有較好的熱穩(wěn)定性。

2.4抗污染能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

將龍馬溪頁(yè)巖制成過(guò)0.045 mm篩孔的巖屑粉，將頁(yè)巖粉按照10%(w)、20%(w)和30%(w)的加量加入到鉆井液中，在120 ℃、16 h熱滾條件下，考察頁(yè)巖粉對(duì)鉆井液性能的影響，評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣水基鉆井液的抗污染能力。

表6 鉆井液抗污染能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)Table6 Evaluationexperimentofanti?pollutionabilityofdrillingfluid實(shí)驗(yàn)編號(hào)w(巖屑)/%密度/(g·cm-3)AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaGel/PaFL/mL101．9545．539．06．51．5/5．00．52101．9550．544．06．51．5/10．00．83201．9556．550．06．51．5/12．01．24301．9558．549．09．52．0/17．01．8

表6表明，隨著頁(yè)巖粉加量逐漸增加，鉆井液表觀黏度、塑性黏度、靜切力、中壓失水量上漲明顯。因該體系具有高固相容量的特點(diǎn)，當(dāng)頁(yè)巖粉加量大于20%(w)以后，黏切有所增加；當(dāng)加量達(dá)到30%(w)時(shí)，切力成倍增加，但流變性仍然較好。這說(shuō)明，該頁(yè)巖氣鉆井液體系能夠承受30%(w)頁(yè)巖粉的污染，抗污染能力強(qiáng)。

3 頁(yè)巖氣水基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1基本情況

長(zhǎng)寧X平臺(tái)地處宜賓市珙縣，屬長(zhǎng)寧區(qū)塊區(qū)域構(gòu)造，長(zhǎng)寧X-8井于2016年4月28日四開2 271 m井深替入頁(yè)巖氣水基鉆井液，在Φ215.9 mm井眼鉆進(jìn)，于6月7日鉆進(jìn)至5 350 m完鉆，最大井斜104°，最大狗腿9.93°/30 m。該頁(yè)巖氣水基鉆井液入井55天，鉆井液性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、剝落、垮塌等井下復(fù)雜情況。電測(cè)、通井一次到位，下套管順利，固井成功，頁(yè)巖氣水基鉆井液應(yīng)用成功。

3.2不同井段鉆井液性能參數(shù)

鉆進(jìn)中記錄、收集四開各不同密度段的鉆井液性能參數(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)鉆井液進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握其變化規(guī)律，找到維護(hù)處理方法，為順利鉆井提供了技術(shù)保障，鉆井液性能參數(shù)見(jiàn)表7。

通過(guò)對(duì)比長(zhǎng)寧X-8井頁(yè)巖氣水基鉆井液和長(zhǎng)寧Y-1井油基鉆井液性能參數(shù)可知，頁(yè)巖氣水基鉆井液的表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力均比油基鉆井液低，靜切力和高溫高壓失水稍高，但均在設(shè)計(jì)范圍以內(nèi)。說(shuō)明該頁(yè)巖氣水基鉆井液各性能參數(shù)與油基鉆井液比較接近，在進(jìn)入A點(diǎn)后龍馬溪頁(yè)巖水平段鉆進(jìn)期間，未出現(xiàn)沉砂卡鉆等現(xiàn)象，攜帶巖屑能力強(qiáng)，盡可能地清除了巖屑床，保證了井眼的清潔；長(zhǎng)寧X-8井在最大井斜為104°，最大狗腿9.93°/30 m的井眼軌跡下，對(duì)比同類型井段，起下鉆摩阻小得多，直觀地表征了該頁(yè)巖氣水基鉆井液的潤(rùn)滑能力，為順利鉆井、起下鉆、下套管提供了有利保障。

3.3陽(yáng)離子交換容量

表7 長(zhǎng)寧X?8井和長(zhǎng)寧Y?1井四開鉆井液性能參數(shù)Table7 PerformanceparametersofdrillingfluidforthemainholeinChangningX?8andY?1well鉆井液體系井深/m密度/(g·cm-3)FV/sAV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaGel/PaAPI/mLHTHP100℃/mLpH值頁(yè)巖氣水基鉆井液A點(diǎn)3850～B點(diǎn)53502．00～2．0360～7658．0～68．052．0～63．07．0～10．0(1．5～2．0)/(9．0～17．0)1．6～2．03．8～5．69．0油基鉆井液A點(diǎn)3450～B點(diǎn)49501．90～2．0063～7958～8453～718～15(1～2．5)/(5～12．5)2．6～3．09．5

表8 四開鉆井期間各井段密度與MBT值關(guān)系Table8 RelationshipbetweendensityandMBTvalueofeachsection井段井深/m密度/(g·cm-3)MBT/(g/L-1)直井段22761．495直井段2276～28281．49～1．715～6造斜段2828～30201．94～1．976～8造斜段3020～38502．00～2．037．8～9．0水平段3850～53502．00～2．038．5～10．5

表8表明，該頁(yè)巖氣水基鉆井液體系膨潤(rùn)土含量低至5 g/L，隨著在新地層鉆進(jìn)，MBT值有小幅度增加，在頁(yè)巖水平段鉆進(jìn)時(shí)仍然維持在較低范圍(8.5～10.5 g/L)，說(shuō)明該水基鉆井液能夠有效地抑制頁(yè)巖水化分散，鉆井液性能沒(méi)有因巖屑污染而造成突變，抑制能力優(yōu)越。

4 結(jié)論與建議

(1) 礦物組分分析表明，長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖礦物主要成分以石英、方解石和黏土礦物為主；由電鏡掃描分析可知，頁(yè)巖微孔隙發(fā)育良好，層狀構(gòu)造明顯，體現(xiàn)出脆、強(qiáng)度低的特點(diǎn)；頁(yè)巖地層黏土礦物水化分散和膨脹以及防止頁(yè)巖剝落垮塌是頁(yè)巖水基鉆井液研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

(2) 研制出以疏水抑制劑CQ-SIA和潤(rùn)滑劑CQ-LSA為主要處理劑的頁(yè)巖氣水基鉆井液體系，同時(shí)通過(guò)納米材料提高鉆井液對(duì)頁(yè)巖的封堵效率，降低濾液侵入地層；磺化材料提高鉆井液的抗溫性和低失水；使用復(fù)合鹽來(lái)降低濾液活度，以及采用聚合醇保證鉆井液的潤(rùn)滑性。在多種處理劑的協(xié)同作用下，該體系表現(xiàn)出較好的抑制能力、潤(rùn)滑能力、抗溫能力以及較強(qiáng)的抗污染能力。

(3) 通過(guò)在長(zhǎng)寧X-8井現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用，入井55天后順利鉆達(dá)至井深5 350 m，起下鉆順利，電測(cè)、通井一次到位，套管順利到位，固井成功。

(4) 建議加大對(duì)頁(yè)巖氣水基鉆井液抗溫能力的研究，滿足深井高溫頁(yè)巖層鉆井的要求；開展頁(yè)巖氣水平井鉆井井壁穩(wěn)定性研究，加大對(duì)新型強(qiáng)抑制性水基鉆井液研究。

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Researchandapplicationofwater-baseddrillingfluidtechnologyofSichuanChangningblockshale-gashorizontalwell

MingXiansen,HeHai,WangXingyuan

CCDCDrilling&ProductionTechnologyResearchInstitute，Guanghan，Sichuan，China;Oil&GasFieldAppliedChemistryKeyLaboratoryofSichuanProvince,Guanghan，Sichuan,China

Changning Longmaxi shale mineral components are mainly composed of quartz, calcite and clay mineral, and it belongs to brittle and water sensitive formation. In order to satisfy the needs that water base drilling fluid can drill in the long horizontal section of shale, and also the underground complex situation such as well-bore instability and sidewall collapse can not happen, through a large number of laboratory studies, the drilling fluid system was formulated with a hydrophilically inhibitive agent CQ-SIA and a high performance lubricant CQ-LSA as the core additive of the formulation, which was suited to drilling in shale formation. The experimental results showed that the water base drilling fluid had excellent inhibition ability and the rolling recovery rate was 97.6%; after 48 hour static at 100 ℃, the phenomenon of barite settlement did not happen, and the rheological property was stability; the system could resist the 30% plus amount of debris pollution. The field application showed that the drilling fluid had stable performance, good lubrication performance, and strong inhibition ability. It could ensure the smooth drilling, electrical measurement, drifting and running casing construction operations. The system could meet the need of Changning shale gas well drilling.

shale-gas water-based drilling fluid, horizontal well, shale, performance, field application

TE254.4

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.05.014

2017-03-27；編輯馮學(xué)軍

明顯森(1985-)，工程師，現(xiàn)就職于中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院，主要從事油田化學(xué)相關(guān)工作。E-mail498352730@qq.com