煤層氣井井斜角對隔水層界面膠結(jié)強度影響試驗

顧 軍，李林蔚，孫德興

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煤層氣井井斜角對隔水層界面膠結(jié)強度影響試驗

顧 軍，李林蔚，孫德興

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

為了控制煤層氣井開采過程中的水竄問題，采用自主設(shè)計的試驗裝置對沁水盆地晉城地區(qū)煤層氣樣品進行模擬試驗，獲得了井斜角分別為0°、30°、60°、90°條件下隔水層界面膠結(jié)強度試驗數(shù)據(jù)，分析了井斜角對隔水層界面膠結(jié)強度的影響機理。結(jié)果表明：隔水層界面膠結(jié)強度隨井斜角的增大而降低，原因是隨著井斜角增大，井壁的泥餅環(huán)上部依次變薄，下部依次變厚，井斜角到90°時達到最厚，且隨著泥餅的變厚，泥餅成分中黏土礦物的成分逐漸減少，鉆屑和重晶石的含量逐漸增多。分析還認(rèn)為，影響隔水層界面膠結(jié)強度主要因素有黏聚力、泥餅的含水率、顆粒密實程度、顆粒結(jié)構(gòu)和礦物成分。因此，煤層氣井型對隔水層界面膠結(jié)強度的影響較大，即若采用水平井開采煤層氣，可能水竄問題更突出。

煤層氣井；井斜角；隔水層界面膠結(jié)強度；泥餅厚度；影響規(guī)律

煤層氣屬于非常規(guī)天然氣，是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源[1-2]。雖然沁水盆地晉城地區(qū)高煤級煤儲層煤層氣已實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)[3-4]，但是水竄(即突水)問題一直影響著煤層氣高效開采[5-10]。針對礦井采動煤層底板突水(即水竄)問題，前人進行了長期的持之以恒的探索和研究，形成了10余種煤層底板突水理論和預(yù)測方法，即底板相對隔水層理論、底板突水系數(shù)理論、巖體水壓應(yīng)力理論、“強通道滲流”理論、“下三帶”理論、“原位張裂與零位破壞理論”、板模型理論、底板隔水關(guān)鍵層理論、遞進導(dǎo)升理論、“封閉不良鉆孔側(cè)壁突水理論”和非線性動力學(xué)方法、數(shù)值模擬方法等[11-29]。這些理論和方法對解決礦井采動煤層底板突水問題無疑是十分有益的，且取得了較為滿意的應(yīng)用效果。但是，煤層氣井與礦井既有相似性又有差異性：相似性是指垂向上它們所經(jīng)歷的地層及其層系結(jié)構(gòu)基本一致；差異性是絕大多數(shù)煤層氣井必須下入套管且用水泥漿封隔套管與地層之間的環(huán)形空間，即煤層氣井與常規(guī)油氣井的井筒結(jié)構(gòu)是類似的。因此，若仍沿用現(xiàn)有的礦井采動煤層底板突水理論和預(yù)測方法尚不能完全解決煤層氣井的水竄問題，不能滿足煤層氣高效開發(fā)的需要。研究表明，底水上竄的通道是隔水層界面(即隔水層巖體與水泥漿的膠結(jié)面)[30-31]，根源是鑲嵌于隔水層巖體與水泥漿之間的泥餅導(dǎo)致隔水層界面膠結(jié)差，且無論泥餅多薄，都會致使隔水層界面膠結(jié)強度降低[31-33]，即一旦生產(chǎn)壓差過大或控制不當(dāng)，底水就會突破隔水層界面而水淹儲層，使油氣井含水率由正常的3%~5%突然上升到100%[30]。煤層氣井內(nèi)隔水層界面水竄通道形成演化過程和竄流模型已有研究報道[34-35]，但煤層氣井井斜角對隔水層界面膠結(jié)強度的影響尚未見到相關(guān)文獻報道。鑒于此，采用自主構(gòu)建的試驗裝置，對沁水盆地晉城地區(qū)煤層氣樣品進行大量模擬試驗，獲得隔水層界面膠結(jié)強度與井斜角之間的關(guān)系，試圖揭示井斜角對煤隔水層界面膠結(jié)強度的影響機理，以期為煤層氣井型選擇提供依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

水竄試驗所用的完井鉆井液取自沁水盆地南部胡底井田煤層氣井HD012井，該井采用PAM 防塌鉆井液體系，配方為0. 4% PAM + 0. 6% FA367 + 0. 5% NaOH + 5%KCl，井深為915 m，地層溫度為45 ℃；固井水泥漿配方為API-G級油井水泥(葛洲壩水泥廠生產(chǎn))+100%微珠+0.4%分散劑+3%縮水劑+3%早強劑+91%自來水，添加劑均為沁水盆地實際固井所用；環(huán)氧樹脂為市售品。仿地井筒(模擬隔水層)制備用水泥為市售建筑水泥(湖北軍峰建材有限公司)，膠結(jié)劑為自制，水為自來水。

1.2 試驗主要參數(shù)

a. 仿地井筒參數(shù)

煤層氣井內(nèi)隔水層的滲透率為(0.003~17.119)× 10–3μm2，平均約為0.178×10–3μm2[36]，因此，通過不同物料配方的滲透率測試，確定了物料配方為180 g水泥+20 g膠結(jié)劑+43 mL水，其制備出的模擬隔水層仿地井筒的滲透率平均值為0.289×10–3μm2，孔隙度為7%[34]。隔水層界面水竄試驗用仿地井筒的外筒直徑55 mm，內(nèi)筒直徑20 mm，高度為35 mm左右；隔水層界面抗剪切強度試驗用仿地井筒的外筒直徑100 mm，內(nèi)筒直徑33 mm，高度為60 mm左右。

b. 泥餅厚度

煤層氣井鉆井的泥餅厚度多為0.1~0.5 mm[37]，本次試驗制備的泥餅厚度選擇為0.5 mm。

1.3 試驗條件

鑒于沁水盆地南部胡底井田煤層氣井井深和儲層情況，因此選擇的試驗樣品養(yǎng)護溫度45 ℃、常壓，養(yǎng)護方式為浴養(yǎng)，養(yǎng)護時間為3 d。

1.4 試驗裝置與方法

a. 地層井斜角控制制備裝置

選取0°、30°、60°、90°分別模擬直井、常規(guī)定向井、大斜度定向井、水平井，探究井斜角對隔水層界面膠結(jié)強度的影響規(guī)律。鑒于實驗室所制作的仿地井筒在傾斜一定角度后，筒內(nèi)的鉆井液會流出，因此，試驗選取五金店里銷售的對應(yīng)仿地井筒井眼尺寸的直角彎頭來解決這個問題。同時，選取一種膠皮，將中間的井眼尺寸大小的那部分剪掉，與直角彎頭用AB膠粘合起來，作為一個整體。這個整體部分同仿地井筒用黃油粘合起來后，不僅可以保證井筒在傾斜后，里面流體不會流出，起密封作用外，同時還可以模擬實際水平井情況下的直井段部分。

為制作30°和60°這2個特定角度的控制裝置，首先確定制作材料，由于鋁片質(zhì)輕、可塑性好，且彎曲后具有一定的強度，因此選用厚度為0.8 mm的鋁板。選取仿地井筒12個(每個角度各選3個)，首先在每個仿地井筒底部涂上黏性密封材料黃油，用玻片粘好，這樣倒入鉆井液和水泥漿的時候，就不會從底部流失。接著將30°、60°、90°這3個角度對應(yīng)的9個仿地井筒的上部涂上黃油，將直徑段防漏裝置粘好。由于0°的井斜角對應(yīng)的為直井，上部無需防漏裝置，即將粘好的仿地井筒放置在對應(yīng)的角度控制架上面，制作好的組合試驗樣品如圖1所示(以井斜角30°為例)。

b. 不同井斜角條件下泥餅形成方法

取出足量的鉆井液，倒入漿杯，放置在攪拌器下攪拌均勻，然后依次倒入仿地井筒。靜止一段時間，讓鉆井液滲透濾失，在仿地井筒的模擬井壁上形成泥餅。然后取下部的玻片和上部的直徑段防漏裝置，倒出鉆井液，用玻璃棒小心刮拭壁面的泥餅。根據(jù)井筒傾斜的情況，鉆井液在井壁上濾失形成泥餅的過程中，井壁的下部由于受重力作用，鉆井液的濾失造壁作用要強于上部井壁，因此，形成的泥餅也應(yīng)該是下部的泥餅層致密厚實，上部的泥餅層松散虛薄一點。因此，采用室內(nèi)實驗用泥餅厚度精細(xì)控制裝置制備泥餅[38]，且在刮拭的過程中保證30°、60°、90°這3個角度對應(yīng)的仿地井筒的上部(即仿地井筒對應(yīng)重力方向的頂部)泥餅厚度在0.3 mm左右，下部(即仿地井筒對應(yīng)重力方向的底部)泥餅在0.5 mm左右。0°對應(yīng)的3個仿地井筒的泥餅厚度都控制在0.5 mm左右。刮拭完畢后用小刀刀刃切入泥餅深度檢查泥餅厚度(刀刃厚度為1 mm)。整個模擬井壁過程如圖2所示。

圖1 井斜角控制裝置試驗樣品示意圖(井斜角為30°)

圖2 模擬泥餅示意圖

c. 灌注水泥漿

將制備好泥餅的仿地井筒、直井段防漏裝置和玻片用黃油粘結(jié)好，再將樣品放入水浴養(yǎng)護箱養(yǎng)護，而起密封作用的黃油在高溫水的作用下其粘結(jié)作用就大大降低，直井段防漏裝置就會滑落，因此，用2條橡皮筋將整個裝置束緊固定住，這樣樣品在養(yǎng)護過程中，直井段防漏裝置就不會滑落了。然后，依次按試驗井斜角大小順序?qū)⒏鱾€樣品放置在傾斜鋁板上。接著，按照API規(guī)范10將配制好的水泥漿倒入仿地井筒中，保證水泥漿完全充滿在仿地井筒內(nèi)，在水泥漿水化完畢后可以和巖心完全膠結(jié)，在傾倒水泥漿的時候，將試驗裝置傾斜到足夠角度后將水泥漿緩緩倒入，保證裝置內(nèi)空氣全部排出。倒入完畢后用小鐵絲攪拌一下，以排除里面的氣泡，且避免破壞壁面的泥餅。灌注好水泥漿的試驗樣品如圖3所示。

圖3 灌注水泥漿

d. 試驗樣品的水浴養(yǎng)護

將試驗樣品靜置0.5 h左右，按順序放入特制水浴養(yǎng)護箱。養(yǎng)護溫度為45℃，養(yǎng)護時間為3 d。為了保證每次12個樣品(4組井斜角，每組3個)的養(yǎng)護條件相同，即水都是通過仿地井筒滲透進入隔水層界面而非直接從井眼處滲入，保證水位要低于仿地井筒高度。同時，考慮到PVC防漏裝置的重復(fù)利用，將仿地井筒放入養(yǎng)護箱養(yǎng)護3~4 h后，在水泥漿喪失流動能力且尚未完全凝固時，拆除PVC防漏裝置(圖4)，將裝置內(nèi)的半凝固狀水泥清除干凈后，以備下次使用。這樣不僅可以重復(fù)利用PVC防漏裝置的直角彎頭，同時也便于養(yǎng)護完畢后的隔水層界面膠結(jié)強度測試。

圖4 試驗樣品的水浴養(yǎng)護示意圖

e. 仿地井筒制備、隔水層界面膠結(jié)強度等試驗方法參見文獻[39]。

f. 環(huán)境掃描電子顯微鏡測試采用荷蘭FEI公司生產(chǎn)的Quanta 200型環(huán)境掃描電子顯微鏡，X射線衍射測試測試采用荷蘭PANalytical B.V.公司生產(chǎn)的X’Pert PRO DY2198型X射線粉末衍射儀。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 井斜角對隔水層界面膠結(jié)強度的影響

經(jīng)過3次(每次12個樣品)的模擬試驗，其中，后2次為重復(fù)驗證，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，隔水層界面膠結(jié)強度隨著井斜角的增大而降低，第2次驗證試驗結(jié)果與第1次的較為接近，而第3次驗證試驗結(jié)果與第1次和第2次的差別較大，原因可能與樣品制作過程存在誤差有關(guān)。但總體上，3次試驗結(jié)果均能反映出井斜角與隔水層界面膠結(jié)強度之間的關(guān)系。

圖5 井斜角與隔水層界面膠結(jié)強度的關(guān)系圖

2.2 井斜角對隔水層界面泥餅特性的影響

a. 4組井斜角下井筒上下部泥餅組分測試對比分析

4組井斜角對應(yīng)的試驗樣品，除了0°井斜角對應(yīng)的樣品以外，另外3組井斜角對應(yīng)的井筒泥餅在形成過程中，所受重力不均勻，在井筒上下兩處形成的泥餅組分也不一樣。選取90°井斜角對應(yīng)的試驗樣品，分別切取兩小塊試驗樣品，對其做ESEM測試(圖6)。對井筒下部泥餅的XRD分析測試結(jié)果如圖7和表1所示。

可以看出：

① 井筒下部泥餅的主要物質(zhì)成分(表1)為蒙脫石、伊利石、方解石、石英和重晶石。其中，蒙脫石和伊利石主要來自于配制鉆井液基漿的膨潤土和泥頁巖地層，方解石和石英為鉆進過程中來自地層的巖屑，重晶石是鉆井液中的加重材料。

圖6 井筒上下部泥餅ESEM測試結(jié)果圖

圖7 井筒下部泥餅的XRD圖譜分析(圖中數(shù)據(jù)為X射線衍射強度，cps)

表1 井筒下部泥餅組分的分析結(jié)果

②顆粒較小的物質(zhì)為黏土礦物和粒徑較小的鉆屑成分，顆粒較大的物質(zhì)為粒徑較大的鉆屑和重晶石成分。圖6a上部井壁泥餅中物質(zhì)大部分為顆粒較小物質(zhì)，且堆積有序均勻。而圖6b下部井壁泥餅中物質(zhì)所含黏土礦物就比上部泥餅少很多，有很多大顆粒較大物質(zhì)，且堆積雜亂無章。分析其原因，這很可能是由于鉆井液在形成泥餅過程中所受重力不均引起的，導(dǎo)致井壁上下兩處的泥餅成分物質(zhì)不均。

b. 4組井斜角對應(yīng)的井筒底部泥餅組分ESEM測試分析

選取每組井斜角對應(yīng)的試驗樣品，分別切取其井筒底部的一小塊，對附著在上面的泥餅界面作ESEM測試分析，測試結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，0°井斜角對應(yīng)的井筒底部泥餅的成分中，黏土礦物含量最多，含有少量的鉆屑成分，基本沒有重晶石，且各組分顆粒間的堆積也均勻密實。但隨著井斜角的增大，黏土礦物含量減少，鉆屑成分和重晶石含量逐漸增多，且顆粒間的堆積也更加雜亂，顆粒間孔隙較多、較大。究其原因，可能是隨著井斜角的增大，受重力不均的影響，質(zhì)量較大的鉆屑和重晶石會越來越往井壁底部沉降堆積，含量增大，且因為黏土礦物、鉆屑和重晶石粒徑上的差異性，導(dǎo)致顆粒間的孔隙較大，堆積連結(jié)不好，導(dǎo)致膠結(jié)也逐漸變差。

2.3 井斜角對隔水層界面泥餅形成規(guī)律的影響

4組試驗裝置及形成的泥餅示意圖如圖9所示。井斜角為0°時，由于井筒周圍所受力相對均勻，因此鉆井液在井壁上發(fā)生造壁濾失作用的時候，也是比較一致的(圖9a)。因此，固相成分慢慢沉積附在井壁上的速度是相同的，這樣，井斜角為0°時，井壁四周所形成的泥餅厚度達到一致。

圖8 不同井斜角下井筒底部泥餅ESEM測試結(jié)果圖

圖9 不同井斜角時井壁形成泥餅的示意圖

當(dāng)泥餅中最薄弱一點被剪切破壞時，整個泥餅土體即會發(fā)生破壞。由于0°井斜角裝置其對應(yīng)井壁四周的泥餅厚度是相對均勻的，因此隔水層界面最先被破壞的位置是不確定而完全隨機的，井壁泥餅四周任意一處都有可能。

井斜角為30°時，井筒由于所受重力的影響，鉆井液在井壁四周發(fā)生造壁濾失作用是不一致(圖9b)。當(dāng)鉆井液浸泡在井筒里時，鉆井液由于受到向下的重力作用，對井壁上部的濾失作用減弱，然后沿著井壁向下，濾失作用逐漸加強，然后一直到井壁底部達到最強。井壁頂部由于受到濾失作用較弱而形成的泥餅最薄，而底部的泥餅最厚，中間的泥餅從上至下依次增厚，形成一個厚度不均、從上往下依次遞增的環(huán)狀層。

因此，由于井筒底部的泥餅最厚，其泥餅顆粒間的間距要比上部的泥餅顆粒間距大，泥餅顆粒間的靜電作用、范德華力等分子作用力要小很多。同時，厚度較大的泥餅因其壓實作用要比厚度小的泥餅要難很多，導(dǎo)致其密實程度也要比上部厚度小的泥餅弱，顆粒之間的摩擦也要大大減小。因為顆粒間距大，密實程度低，則井筒底部泥餅的含水率也要比井壁上部泥餅的含水率要高。綜合分析這些原因，井筒底部最厚的泥餅其抗剪切強度是整個泥餅環(huán)中最薄弱的，隔水層界面被破壞時，是從井筒截面最底部處的泥餅開始的。

井斜角為60°時，井壁上的泥餅形成規(guī)律與30°井斜角時泥餅的形成規(guī)律類似(圖9c)，可以看出井筒橫截面上形成的泥餅也是一個從上至下依次增厚的環(huán)狀層，但由于井斜角達到60°時重力對泥餅的形成影響最大，因此，整個泥餅環(huán)狀層的差異性更加明顯，即相對于30°井斜角對應(yīng)的泥餅環(huán)狀層，60°井斜角對應(yīng)的泥餅層其下部泥餅要更厚，上部更薄。

60°井斜角對應(yīng)的隔水層界面發(fā)生破壞時，最先被破壞的泥餅也應(yīng)是整個環(huán)狀層中的底部，其原因與30°井斜角相同。

井斜角為90°時，井壁上泥餅形成規(guī)律與30°及60°井斜角泥餅形成規(guī)律類似。但此時的重力作用對其泥餅形成的影響已經(jīng)達到最大化，泥餅環(huán)狀層更加不均勻，上部更薄，下部更厚，此時在0°~90°井斜角的范圍當(dāng)中，底部的泥餅厚度達到最厚。

同理，90°井斜角對應(yīng)的隔水層界面發(fā)生破壞時，最先被破壞的也是井壁底部的泥餅，其破壞機理原因和30°、60°井斜角時隔水層界面被破壞的原因類似，而且底部的泥餅抗剪強度最低，也最為明顯。

3 結(jié)論

a. 隔水層界面膠結(jié)強度隨井斜角的增大而降低，原因是井壁形成的泥餅厚度不一致。隨著井斜角增大，井壁的泥餅環(huán)上部依次變薄，下部依次變厚，井斜角到90°時達到最厚。隨著泥餅的變厚，泥餅成分中黏土礦物的成分逐漸減少，鉆屑和重晶石的含量逐漸增多。

b. 影響隔水層界面膠結(jié)強度主要因素有黏聚力、泥餅的含水率、顆粒密實程度、顆粒結(jié)構(gòu)和礦物成分等。

c. 煤層氣井型對隔水層界面膠結(jié)強度的影響較大，即若采用水平井開采煤層氣需更加注意水竄問題。

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Experimental study on the influence of well inclination angle of coalbed methane well on the cementation strength of cement-formation interface

GU Jun, LI Linwei, SUN Dexing

(Faculty of Earth Resources, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China)

In order to control the problem of water channeling in the process of coalbed methane(CBM) production, based on the self-designed test device and method, the test data of the shear strength at cement-aquiclude interface (CAI) is obtained under the conditions of well inclination of 0°, 30°, 60° and 90°. The mechanism of the influence of inclination angle on the shear strength at CAI is analyzed. The results show that the shear strength at CAI decreases with the increase of the inclination angle. The reason is that as the inclination angle increases, the upper part of the mud cake ring becomes thinner in turn, and the lower part becomes thicker in turn. When the inclination angle is 90°, the mud cake is thickest. As the mud cake thickens, the clay minerals in the mud cake is decreasing, and the content of drill cuttings and barite increase. Through the analysis it is also believed that the main factors affecting the shear strength at CAI are cohesion, moisture content, grain compaction, particle structure and mineral composition in the mud cake. Therefore, the CBM well type has a great influence on the hear strength at CAI. If the horizontal well is used to extract CBM, the problem of water channeling may be more prominent.

coalbed methane well; inclination angle; shear strength at CAI; mud cake thickness; influence law

National?Natural?Science?Foundation?of?China(41572142，51774258)；National Science and Technology Major Project of China(2017ZX05009-003)

顧軍，1966年生，男，云南大理人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事油氣井防竄研究. E-mail：gujun2199@126.com

顧軍，李林蔚，孫德興. 煤層氣井井斜角對隔水層界面膠結(jié)強度影響試驗[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(3)：208–216.

GU Jun，LI Linwei，SUN Dexing. Experimental study on the influence of well inclination angle of coalbed methane well on the cementation strength of cement-formation interface[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：208–216.

1001-1986(2019)03-0208-09

TE256

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.032

2018-09-15

國家自然科學(xué)基金項目(41572142，51774258)；國家科技重大專項課題(2017ZX05009-003)

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)