溫度對煤層氣井固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響

秦磊斌，顧 軍，湯乃千，郝海洋，干 品，王 帥，王青貴

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

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溫度對煤層氣井固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響

秦磊斌，顧 軍，湯乃千，郝海洋，干 品，王 帥，王青貴

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

固井二界面膠結(jié)質(zhì)量是煤層氣井高效開采一個亟待解決的工程難題，溫度是影響固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度的一個重要因素。為此，基于取自沁水盆地HD012井的相關(guān)樣品，實(shí)驗(yàn)評價了溫度對固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律，并結(jié)合環(huán)境掃描電鏡(ESEM)方法對比分析了不同溫度條件下泥餅的斷面特征和孔隙結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而探討了溫度對固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在無泥餅條件下，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度，隨溫度升高而增大，而在有泥餅條件下，則隨溫度升高而減??；有泥餅存在時，溫度升高，泥餅黏土顆粒結(jié)合水膜變薄，粒間作用力減小，泥餅中孔洞增大、增多，導(dǎo)致泥餅滲透性增大，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度降低。

固井二界面；膠結(jié)強(qiáng)度；溫度；泥餅，ESEM分析；影響機(jī)理

煤層氣是以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主并部分游離于煤層孔隙或溶解于煤層水中的烴類氣體，其賦存方式形成了“排水降壓”的特殊開發(fā)工藝[1-3]。煤層氣井埋藏淺，井底溫度較低，具有“低壓、低滲、低飽和”的特征；煤層的機(jī)械強(qiáng)度較低，微孔隙和裂隙發(fā)育，力學(xué)穩(wěn)定性較差，易坍塌[4-7]。

固井二界面指水泥環(huán)與地層之間的膠結(jié)面。固井二界面封固系統(tǒng)是指由水泥漿、死泥漿、泥餅和底層壁面4部分構(gòu)成的一個固化膠結(jié)整體[8]。油田所遇到的層間竄、管外冒油氣水、環(huán)空“聲變”、固井一界面的“聲幅”等問題都與固井二界面封固系統(tǒng)失效有直接的關(guān)系[9-10]。當(dāng)煤層氣井固井二界面被破壞時，水泥漿顆粒及濾液可能會滲入煤層，堵塞煤層的孔隙或喉道，影響煤層氣的“排水降壓”過程，對儲層造成大面積傷害[11-12]。

研究表明[13-14]，溫度對固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響較大，但到目前為止，不同溫度條件下固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究較少。泥餅中固相主要以膨潤土等黏土礦物為主，相關(guān)研究[15-17]將泥餅視為黏性土。由于黏性土的滲透性和抗剪切強(qiáng)度隨溫度的變化較大，因此有必要深入研究溫度對煤層氣井固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究不同溫度條件下固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度，分析其變化規(guī)律；并利用環(huán)境掃描電鏡(ESEM)方法對比不同溫度條件下泥餅的形貌特征，從微觀角度分析固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度隨溫度變化的原因，進(jìn)而對煤層氣井固井工程提供指導(dǎo)。

1 煤層氣井固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)考慮有、無泥餅兩種情況，模擬煤層氣井固井二界面的形成過程，評價固井二界面的膠結(jié)質(zhì)量。在有泥餅樣品實(shí)驗(yàn)中，相同泥餅厚度條件下設(shè)置不同的養(yǎng)護(hù)溫度，養(yǎng)護(hù)3d后，對比樣品的固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度，并用不同泥餅厚度樣品驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)室制備的煤層氣井仿地井筒與晉城地區(qū)3#煤巖巖心的煤層氣井產(chǎn)層的滲透率相當(dāng)，其滲透率值為2.1×10-3μm2，采用60%黏合劑+40%煤粉的配方；實(shí)驗(yàn)用鉆/完井液取自山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司沁水盆地HD012井。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所用的水泥為API G級油井水泥(葛洲壩水泥廠生產(chǎn))，添加劑與配方為晉城沁水盆地煤層氣井固井配方：G級油井水泥、100%微珠、0.4%分散劑、3%縮水劑、3%早強(qiáng)劑和91%水[18]。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

第一步，煤層氣井仿地井筒制備。制備方法參見文獻(xiàn)[18]，在25MPa條件下制得外徑100mm、內(nèi)徑33mm的仿地井筒，實(shí)驗(yàn)樣品如圖1所示。

圖1 煤儲層物性的仿地井筒示意Figure 1 A schematic diagram of coal reservoir physical property borehole simulation

第二步，仿真泥餅制作。向仿地井筒中灌注煤層氣井鉆井液，詳細(xì)操作如下：①將仿地井筒放置于玻璃板上，并用高溫黃油密封；②用大型注射器向仿地井筒內(nèi)軸向均勻地注入鉆井液，注入量應(yīng)以與仿地井筒上表面平齊為準(zhǔn)；③置于養(yǎng)護(hù)箱中靜置2h，再用自制工具去掉虛泥餅，制得厚度分別為0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm和1.0mm的泥餅。同時，預(yù)留一組仿地井筒做水濕實(shí)驗(yàn)。

第三步，灌注水泥漿。詳細(xì)操作如下：①配制實(shí)驗(yàn)用水泥漿；②倒入仿地井筒內(nèi)，并使?jié){體液面略高于仿地井筒上表面；③用攪拌棒插搗水泥漿數(shù)次，以確保其密實(shí)性。

第四步，實(shí)驗(yàn)樣品養(yǎng)護(hù)。先將已灌注水泥漿的準(zhǔn)樣品經(jīng)特殊方法進(jìn)行密閉、防濕處理，之后將其移入預(yù)先加熱到一定溫度的水泥石強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，養(yǎng)護(hù)3d，養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)溫度分別為25℃、35℃、45℃和55℃。

第五步，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度測試。取出樣品，在壓力試驗(yàn)機(jī)上測壓脫值(F)，同時測量仿地井筒高度(h)，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度(P)可由下式(1)算出，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度測試原理參見文獻(xiàn)[19]。

(1)

式中：P為固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度，MPa；F——壓脫值，kN；D——仿地井筒內(nèi)經(jīng)，本實(shí)驗(yàn)均為3.3cm；h——仿地井筒高度，cm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 無泥餅情況

養(yǎng)護(hù)3d后，測量不同溫度條件下無泥餅樣品固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度(強(qiáng)度結(jié)果取四個平行樣的平均值)，如圖2所示。無泥餅情況下，相較于25℃條件下的膠結(jié)強(qiáng)度，35℃升高約20%，45℃升高約41%，55℃升高約45%。即在一般煤層氣井溫度范圍內(nèi)，若井壁無泥餅，地層溫度越高，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度越大。

圖2 無泥餅固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度與溫度關(guān)系Figure 2 Relationship betweencement-formation interface cementation strength and temperature without mud cake existed

2.2 有泥餅情況

按上述步驟進(jìn)行有泥餅樣品的實(shí)驗(yàn)研究。泥餅厚度為0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm和1.0mm時，溫度與固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度關(guān)系如圖3所示(強(qiáng)度結(jié)果取四個平行樣的平均值)。當(dāng)泥餅厚度為0.1mm時，相較于25℃條件下的膠結(jié)強(qiáng)度，35℃下降約10.4%，45℃下降約14.2%，55℃下降約37.7%。

相同泥餅厚度條件下，隨著溫度的升高，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度下降，不同厚度的實(shí)驗(yàn)組均表現(xiàn)出同樣的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。煤層氣井鉆井液多采用低密度鉆井液，形成的泥餅厚度較薄，泥餅較薄時，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度較大，受溫度變化的影響較為明顯。

圖3 不同泥餅厚度固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度與溫度關(guān)系Figure 3 Relationship betweencement-formation interface cementation strength and temperature in case of mud cakes with different thickness

2.3 不同養(yǎng)護(hù)溫度樣品環(huán)境掃描電鏡(ESEM)分析

為進(jìn)一步研究溫度對泥餅中固相顆粒膠結(jié)狀況的影響，觀察不同養(yǎng)護(hù)溫度下泥餅斷面的微觀結(jié)構(gòu)。取泥餅厚度為0.3mm、養(yǎng)護(hù)溫度分別為35℃和55℃的樣品做環(huán)境掃描電鏡(ESEM)分析，不同養(yǎng)護(hù)溫

度泥餅放大2000倍的ESEM對比形貌圖如圖4所示。

在圖4中，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為35℃時，泥餅較致密，固體顆粒分布均勻密實(shí)；當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為55℃時，泥餅結(jié)構(gòu)較疏松，固體顆粒松散，孔洞增多、增大，這也使水泥漿顆粒及濾液更易進(jìn)入煤層，煤儲層更容易受到污染。

2.4 機(jī)理分析

無泥餅條件下，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度隨溫度升高而增大；有泥餅的條件下，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度隨溫度升高而減小，該現(xiàn)象與有、無泥餅有直接關(guān)系。經(jīng)典的雙電層理論指出，黏土礦物顆粒的表面帶負(fù)電性，圍繞土粒形成電場。水分子是極性分子，因而在土粒電場范圍內(nèi)的水分子和水溶液中的陽離子均被吸附在土粒表面，并呈現(xiàn)出不同程度的定向排列，通常稱之為結(jié)合水膜；根據(jù)靜電引力的大小，結(jié)合水膜可以分為固定層和擴(kuò)散層[20]，結(jié)合水膜如圖5所示。

泥餅固相以膨潤土等黏土礦物為主，當(dāng)溫度升高時，黏性土發(fā)生膨脹，但其膨脹系數(shù)較小，膨脹量隨溫度升高增長較慢，相較于水膜厚度的變化量可以忽略[21]。因此，在一般煤層氣井溫度范圍內(nèi)，僅考慮由于水膜厚度改變所引起的黏土顆粒間作用力的變化。結(jié)合水膜中，水分子主要受兩個作用力：黏土顆粒的吸引力和水分子熱運(yùn)動引起的擴(kuò)散作用力。當(dāng)溫度升高時， 結(jié)合水膜中水分子擴(kuò)散作用加劇，尤其是擴(kuò)散層的水分子，部分結(jié)合水膜中的水分子游離出結(jié)合水膜，結(jié)合水膜變薄，同時，自由水的黏滯性也隨著溫度的升高而降低。當(dāng)結(jié)合水膜變薄時，自由水增多，泥餅中固體顆粒間作用力減小， 宏觀上表現(xiàn)為固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度的降低。

(a)35℃ (b)55℃圖4 不同養(yǎng)護(hù)溫度樣品ESEMFigure 4 Different curingtemperature samples ESEM

圖5 結(jié)合水膜示意Figure 5 A schematic diagram ofparticle bound water film

3 結(jié)論

(1)在一般煤層氣井溫度范圍內(nèi)，若井壁無泥餅，地層溫度越高，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度越大；若井壁有泥餅且泥餅厚度相同時，地層溫度越高，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度越低，不同泥餅厚度條件下均呈現(xiàn)出相同規(guī)律。

(2)泥餅存在時，溫度升高，泥餅黏土顆粒結(jié)合水膜變薄，固體顆粒間作用力減小，泥餅中孔洞增大、增多，繼而造成泥餅滲透性增強(qiáng)、煤層氣井固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度降低，增大了水泥漿顆粒及濾液滲入煤儲層的可能性。

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mpact from Temperature on Cementation Strength of CBM Well Cement-Formation Interface

Qin Leibin, Gu Jun, Tang Naiqian, Hao Haiyang, Gan Pin, Wang Shuai and Wang Qinggui

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

The cementation quality of cement-formation interface is an engineering problem to be solved. The temperature is the key factor impacting cement-formation interface cementation strength. Thus, on the basis of related samples from the well HD012 in the Qinshui Basin, tested and assessed impact pattern of temperature on cement-formation interface cementation strength. Combined with environmental scanning electron microscopy (ESEM) comparatively analyzed mud cake fracture surface features and pore geometry features, then discussed the impacting mechanism from temperature to cement-formation interface cementation strength. The result has shown that under without mud cake existed condition, cement-formation interface cementation strength increase with the increase of temperature, while under mud cake existed condition, decrease with the increase of temperature. When temperature build-up, mud cake clay particle bound water film attenuated, interparticle force decrease, and pores in mud cake magnified and increased thus caused mud cake permeability increase and cement-formation interface cementation strength lower down.

cement-formation interface; cementation strength; temperature; mud cake; ESEM analysis; impacting mechanism

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.10

1674-1803(2017)04-0048-04

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“煤層氣井內(nèi)隔水層界面水竄形成演化過程與耦合作用機(jī)制”(41572142)。

秦磊斌(1991—)，碩士研究生，主要從事油氣井防竄理論與防治技術(shù)研究。

顧軍(1966—)，教授，博士生導(dǎo)師；主要從事固井完井理論與層間封隔技術(shù)研究工作。

2016-12-17

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

責(zé)任編輯：樊小舟