煤層氣近井煤縫壁面濾餅的結(jié)構(gòu)與硬度特征及工程意義

陳立超 王生維 張典坤

1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院 2.煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室g晉煤集團(tuán) 3.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院

0 引言

煤層氣近井儲(chǔ)層大裂隙內(nèi)普遍存在著鉆完井液侵入形成的煤縫壁面濾餅結(jié)構(gòu)[1-3]，該結(jié)構(gòu)對(duì)壓裂裂縫的起裂和延展具有較為復(fù)雜的制約關(guān)系——煤儲(chǔ)層壓裂裂縫的起裂部位、后續(xù)延展形態(tài)與壓裂砂的分布位置、鋪置方式等均受控于煤縫壁面—鉆完井液濾餅界面的類型、結(jié)構(gòu)及力學(xué)性狀。礦井解剖發(fā)現(xiàn)：①近井筒壓裂裂縫多沿固井水泥濾餅與鉆完井液濾餅間界面開裂，后期壓裂裂縫沿著該界面穩(wěn)定擴(kuò)展，形成的壓裂充填裂縫幾何形態(tài)較為簡單，追注的支撐劑往往沿著界面間開裂的縫隙飽和充填，最終形成短寬型單一裂縫；②井下發(fā)現(xiàn)煤縫壁面—固井水泥濾餅界面很難破壞，保存較好，因此近井部位該類界面的樣品相對(duì)較多。少數(shù)壓裂裂縫會(huì)沿著界面一側(cè)煤巖原生裂隙延展，但形成的壓裂裂縫的規(guī)模較小，幾何形態(tài)復(fù)雜呈辨狀或簇狀，支撐劑充填于小裂縫空間內(nèi)且鋪置濃度較低。由于煤層氣在鉆完井期間漿液侵入的普遍性以及界面結(jié)構(gòu)與壓裂裂縫延展關(guān)系的復(fù)雜性，迫切需要摸清煤層氣近井部位煤縫壁面濾餅的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性狀及其對(duì)壓裂裂縫起裂延展的控制作用機(jī)制，從而為煤儲(chǔ)層壓裂裂縫延展機(jī)制理論深化、壓裂裂縫起裂延展模式的精準(zhǔn)構(gòu)筑及壓裂效果評(píng)價(jià)提供科學(xué)參考。

然而目前關(guān)于煤層氣近井煤壁濾餅界面結(jié)構(gòu)、界面力學(xué)性質(zhì)及其對(duì)煤儲(chǔ)層壓裂裂縫延展影響等問題的研究甚少，尤其是開展過礦井精細(xì)解剖、針對(duì)界面原始樣品測(cè)試的研究成果尚未見到公開報(bào)道。目前已有的相關(guān)研究工作也主要集中在油氣井固井完整性評(píng)價(jià)[4]、固井水泥漿體系材料性能研究[5-6]、固井界面強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法[7]、提升界面膠結(jié)強(qiáng)度改性技術(shù)[8]、煤層氣低密度固井技術(shù)[9-10]等方面。為此，筆者基于沁水盆地南部煤層氣井礦井解剖，對(duì)原始界面樣品利用SEM觀測(cè)、EDS能譜分析、礦相XRD分析等手段研究了煤縫壁面濾餅宏微觀組合形式及搭接結(jié)構(gòu)，厘定界面區(qū)元素分布特征，并利用壓痕法對(duì)煤縫壁面濾餅維氏硬度特征規(guī)律進(jìn)行測(cè)定。在此基礎(chǔ)上，提出煤縫壁面濾餅界面結(jié)構(gòu)及力學(xué)性狀對(duì)煤儲(chǔ)層壓裂裂縫起裂、延展的控制模式，以期為煤層氣水力壓裂裂縫延展機(jī)制深化及破裂壓力精準(zhǔn)預(yù)報(bào)提供新的思路。

1 近井煤縫壁面濾餅的結(jié)構(gòu)特征

1.1 界面的形式

沁水盆地南部煤層氣井解剖發(fā)現(xiàn)，近井煤儲(chǔ)層壓裂裂縫內(nèi)煤縫壁面濾餅圈層包括：最內(nèi)層的固井水泥濾餅界面（圖1-a）、中部鉆完井液濾餅—固井水泥濾餅界面（圖1-b）以及外側(cè)的鉆完井液濾餅壁面（圖1-a）3類，其中固井水泥濾餅結(jié)合緊密、膠結(jié)強(qiáng)度高，礦井解剖取樣中發(fā)現(xiàn)該類界面形式發(fā)育最普遍，水泥與煤體直接接觸界面界限也較為清晰，部分固井水泥濾餅樣品顯示出因固井水泥漿沿煤壁次級(jí)裂隙侵入而形成“錨固”效應(yīng)，故界面結(jié)合強(qiáng)度高（圖1-c）；而礦井解剖中鉆完井液濾餅—固井水泥濾餅界面樣品較少，且鉆完井液濾餅薄且力學(xué)強(qiáng)度弱，該界面多為壓裂裂縫開裂面，壓裂后壓裂液濾餅主要呈殘片狀附著于固井水泥濾餅或煤壁上，鉆完井液濾餅外側(cè)為壓裂液稠化聚合物粘連的支撐劑鋪砂層[11]。

圖1 煤層氣近井煤壁—鉆完井液濾餅?zāi)z結(jié)界面區(qū)宏微觀結(jié)構(gòu)特征照片

微觀上，煤縫與固井水泥濾餅界面結(jié)合較為緊密，界面位置間隙度小于10 μm，界面相對(duì)曲折，與煤巖高度脆性形成的參差狀斷口形態(tài)有關(guān)（圖1-d）。一方面由于目前煤層氣固井水泥漿高密度導(dǎo)致該界面形成了很好地“涂抹砌體”結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于水泥漿沿著煤壁兩側(cè)的內(nèi)生裂隙擠侵形成錨固，導(dǎo)致該界面的結(jié)合緊致強(qiáng)度較高；另一方面推測(cè)為固井水泥漿侵入煤儲(chǔ)層構(gòu)造大裂隙后近煤壁的水泥漿中水分子沿著煤壁內(nèi)生裂隙滲濾導(dǎo)致水泥漿水灰比減小，水化反應(yīng)形成水泥石強(qiáng)度高[12]，而且筆者在固井水泥濾餅一側(cè)靠近界面位置發(fā)現(xiàn)有大量的氫氧化鈣晶體（CH），CH呈長柱狀垂直于界面方位發(fā)育。有趣的是，固井水泥中礦物晶體體積有靠近界面位置晶體體積逐漸減小的趨勢(shì)（圖1-e），靠近界面位置晶體在20 μm左右，界面位置礦物晶體越細(xì)小界面間隙越緊閉，整體上該界面的結(jié)合較為緊密，強(qiáng)度高；相對(duì)而言，固井水泥濾餅—鉆完井液濾餅界面區(qū)接觸平坦、結(jié)合的緊密性較差，界面的間隙相對(duì)固井水泥濾餅—煤巖界面區(qū)大，局部該界面間隙可達(dá)20 μm以上（圖1-f），而且在該界面區(qū)可以發(fā)現(xiàn)兩期侵入濾餅間發(fā)育有因熱應(yīng)力或化學(xué)應(yīng)力作用而產(chǎn)生的次生裂縫，裂縫發(fā)育的方位與界面區(qū)垂直，輻射裂縫的發(fā)育會(huì)對(duì)界面的結(jié)合強(qiáng)度造成不利影響。

值得注意的是，煤縫壁面上固井水泥濾餅界面與固井水泥—鉆完井液濾餅界面區(qū)的基材沒有發(fā)生顯著的理化變化，界面清晰、分界明顯，均屬于惰性接觸界面，一定程度上限制了界面的結(jié)合強(qiáng)度。

1.2 煤縫壁面上濾餅元素組成特征

1.2.1 固井水泥濾餅元素分布特征

圖2為采自沁水盆地南部礦井解剖現(xiàn)場(chǎng)的煤層氣近井壓裂裂縫內(nèi)固井水泥煤縫壁面濾餅樣品的元素能譜分析（EDS）結(jié)果，其中該界面上半?yún)^(qū)靶點(diǎn)（綠色十字絲位置，圖2-a）元素分布特征為：C元素比重94.05%（原子百分率），以及少量的O元素（5.51%，未特別注明均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），其余為Si（0.16%）、S（0.12%）、Al（0.09%）、Ca元素（0.06%），從元素組分上整體上顯示為高階變質(zhì)煤C元素富集雜質(zhì)礦物含量低的特征（圖2-b）；該界面下半?yún)^(qū)靶點(diǎn)（紅色十字絲位置，見圖2-a）其元素組成特征為：O（33.74%，原子百分率）、C（32.59%）、Ca（21.46%）為主要組成元素，其余還含部分Si（8.85%）、Mg（2.05%）、Al（0.77%）、Fe（0.29%）、S（0.25%）等元素（圖2-c），呈現(xiàn)固井水泥石的元素組成特征，水泥濾餅樣品XRD衍射分析顯示該固井水泥濾餅主要礦物組分為硅鋁酸鈣凝膠（C-S-H）、鐵鋁酸鈣以及部分氫氧化鈣晶體（CH），為常規(guī)油井水泥的水化產(chǎn)物礦相，結(jié)合界面微觀結(jié)構(gòu)SEM分析認(rèn)為該界面區(qū)上下半?yún)^(qū)材料在元素組成和礦物成分方面的化學(xué)親和性較弱、元素遷徙的阻斷效應(yīng)較強(qiáng)，同時(shí)在界面形成的常規(guī)溫壓環(huán)境下界面區(qū)元素?cái)U(kuò)散效應(yīng)較弱，僅存在部分C元素的遷徙，整體上屬于較為惰性的接觸界面，制約了界面的膠結(jié)強(qiáng)度，在相對(duì)較高的載荷作用下該界面會(huì)發(fā)生破壞。

圖2 煤層氣近井煤壁—固井水泥濾餅界面區(qū)元素分布能譜特征圖

1.2.2 固井水泥—鉆完井液濾餅界面元素分布特征

圖3為沁水盆地南部礦井解剖現(xiàn)場(chǎng)采取的煤層氣近井壓裂裂縫內(nèi)的固井水泥—鉆完井液濾餅界面樣品的元素分布能譜分析（EDS）結(jié)果，其中該界面的上半?yún)^(qū)靶點(diǎn)（綠色十字絲位置，圖3-a）元素分布特征：O（57.73%，原子百分率）、C（19.51%）、Ca（11.76%）為主要組成元素，其余還含部分Si元素（6.98%）、Mg（1.21%）、Al（1.67%）、Fe（0.87%）、S（0.26%）等元素（圖3-b），該區(qū)元素組成上顯示出常規(guī)油井水泥的元素組成特征。該界面的下半?yún)^(qū)靶點(diǎn)（紅色十字絲位置，圖3-a）其元素組成特征為：O（45.03%，原子百分率）、C（33.53%）、Si（11.23%），以及其余少量的Al（6.73%）、Ca（0.91%）、K（0.88%）、Na（0.63%）、Fe（0.55%）、Mg（0.42%）、Ti（0.09%）等元素（圖3-c）。結(jié)合樣品礦相XRD衍射分析，認(rèn)為該區(qū)材料的組成礦相為SiO2、Al2O3及少量的Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2等，顯示出典型的黏土礦物的物料特征，依據(jù)SiO2、Al2O3的化學(xué)式分子式比值可以確定黏土礦物的類型，本樣品中SiO2∶Al2O3＞4，因此判斷該樣品中黏土礦物主要為蒙脫石，即為普通鉆井液的主要造漿礦物。固井水泥—鉆完井液濾餅界面區(qū)元素的化學(xué)親和力較強(qiáng)、但元素遷徙的阻斷效應(yīng)較強(qiáng)很難形成活性界面[13-14]，界面膠結(jié)強(qiáng)度較低，相對(duì)于固井水泥濾餅界面，本界面更易開裂。

圖3 煤層氣近井固井水泥—鉆完井液濾餅界面區(qū)元素分布能譜特征圖

2 煤縫壁面—濾餅界面的硬度特征

由于鉆完井濾餅和煤巖為截然不同的材料類型，同時(shí)二者結(jié)合界面間尚未發(fā)現(xiàn)有元素?cái)U(kuò)散效應(yīng)（或較弱），亦無發(fā)現(xiàn)存在晶體生長搭接而形成的界面結(jié)合效應(yīng)，因此煤縫壁面濾餅其力學(xué)性能與各單一組成材料差異顯著[15-16]。筆者利用硬度計(jì)（HXO-1000TM）對(duì)采自沁水盆地南部礦井下的鉆完井煤縫壁面濾餅樣品進(jìn)行壓痕法測(cè)試，分別獲取沿煤縫壁面法向上的煤縫壁面—界面—固井水泥濾餅及固井水泥濾餅—界面—鉆完井液濾餅—煤縫壁面部位的材料硬度特征值，通過硬度值與界面距離間規(guī)律分析，總結(jié)兩類界面結(jié)合強(qiáng)度差異。

圖4為界面區(qū)的硬度打點(diǎn)圖。近井煤儲(chǔ)層壓裂裂縫內(nèi)固井水泥煤縫壁面濾餅硬度打點(diǎn)情況如圖4-a所示，從固井水泥濾餅區(qū)向煤壁區(qū)方向上布置5個(gè)壓點(diǎn)，壓痕測(cè)試結(jié)果顯示：該樣品的材料維氏硬度（Hv）值與距界面距離之間的關(guān)系具有以下關(guān)系：在遠(yuǎn)離結(jié)合界面的固井水泥濾餅基質(zhì)部位材料Hv值較高為96.45 kgf/mm2，向界面方向材料的Hv值略有下降，在固井水泥濾餅和煤壁界面位置Hv值下降為45 kgf/mm2，向煤壁方向的Hv值略有提升為50 kgf/mm2左右，整體上由固井水泥石向煤巖方向材料Hv值先降低后期基本穩(wěn)定（圖4-c），說明煤縫壁面的固井水泥濾餅部位是整個(gè)材料的薄弱界面，但與煤巖相比不明顯。

圖4 鉆完井煤縫壁面濾餅區(qū)維氏硬度（Hv）值分布特征規(guī)律圖

煤儲(chǔ)層壓裂裂縫內(nèi)固井水泥濾餅—界面—鉆完井液濾餅—煤壁樣品硬度打點(diǎn)情況如圖4-b所示，從固井水泥濾餅區(qū)向煤壁區(qū)方向上布置4個(gè)壓點(diǎn)，參考1個(gè)煤巖硬度值。壓痕測(cè)試結(jié)果顯示：材料Hv值與界面距離之間的關(guān)系為在煤壁區(qū)材料的Hv值為49 kgf/mm2，由煤巖向鉆完井液濾餅方向過渡材料的Hv值降低至26 kgf/mm2，反映煤壁—鉆完井液濾餅界面力學(xué)強(qiáng)度薄弱，易成為水力壓裂中優(yōu)先破裂位置，由鉆完井液濾餅向固井水泥濾餅方向過渡，材料的Hv值迅速提升至90 kgf/mm2以上（圖4-d），固井水泥濾餅—鉆完井液濾餅間界面部位同樣屬于力學(xué)薄弱面，后期水壓極易破壞界面從而成為壓裂裂縫起裂延展的誘導(dǎo)路徑。整體上，由煤巖向鉆完井液濾餅—固井水泥石濾餅方向上，壓頭壓痕尺寸先增大后逐漸減小，說明由煤巖向鉆完井液濾餅方向材料的強(qiáng)度逐步削弱，而由鉆完井液濾餅向固井水泥濾餅方向材料的強(qiáng)度迅速回升。

從濾餅基質(zhì)及界面區(qū)硬度測(cè)試結(jié)果可以看出，維氏硬度值能夠客觀地反映界面的結(jié)合強(qiáng)度特征[17-18]。固井水泥煤縫壁面濾餅的結(jié)合強(qiáng)度明顯高于固井水泥濾餅—鉆完井液濾餅—煤巖組成的界面，原因包括：①錨固作用原理。由于煤巖內(nèi)部內(nèi)生裂隙極其發(fā)育，因此固井水泥漿沿原生大裂隙侵入煤儲(chǔ)層內(nèi)部后，在壓差作用下會(huì)繼續(xù)向大裂縫壁面的次級(jí)內(nèi)生裂隙侵入，后期形成“錨栓式”結(jié)構(gòu)，固井水泥濾餅和煤壁界面實(shí)則是由大量的錨栓固定鎖卡，因此二者間的界面結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較高。②涂層作用原理。在煤巖—鉆完井液濾餅—固井水泥濾餅界面黏合作用中，由于煤巖和固井水泥濾餅之間有一層鉆完井液濾餅的涂抹，后期固井水泥漿很難向煤壁次級(jí)內(nèi)生裂隙擠侵，鉆完井液濾餅充當(dāng)了隔擋層。因此有鉆完井液濾餅發(fā)育的一側(cè)如固井水泥濾餅—鉆完井液濾餅—煤巖組成的界面，其結(jié)合強(qiáng)度往往比較弱。

3 界面對(duì)煤儲(chǔ)層壓裂裂縫延展的影響

3.1 界面膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)壓裂裂縫起裂的影響分析

通過沁水盆地晉城區(qū)塊煤層氣井的礦井解剖，認(rèn)為煤儲(chǔ)層近井部位煤縫壁面的鉆完井液濾餅結(jié)構(gòu)、力學(xué)性狀對(duì)壓裂裂縫起裂、初期延展影響關(guān)鍵。因此，筆者提出了綜合考慮煤儲(chǔ)層近井裂縫內(nèi)煤縫壁面鉆完井液濾餅效應(yīng)的煤層破裂壓力計(jì)算式：

式中pf表示煤層破裂壓力，MPa；B表示鉆完井液濾餅和煤壁界面的膠結(jié)強(qiáng)度，MPa；σh表示作用于破裂面法向上的最小水平主應(yīng)力，MPa。

3.2 界面特征對(duì)近井壓裂裂縫延展及支撐劑充填的影響

圖5為煤層氣近井部位鉆完井液濾餅(FCO)控制下的壓裂裂縫起裂及支撐劑充填模式，當(dāng)近井部位煤儲(chǔ)層構(gòu)造大裂隙內(nèi)的界面組合形式為煤縫壁面—鉆完井液濾餅—固井水泥濾餅(FCC)時(shí)，由于煤巖—鉆完井液濾餅、鉆完井液濾餅—固井水泥濾餅組合界面均為力學(xué)薄弱面，因此水力壓裂期間壓裂裂縫優(yōu)先突破煤巖—鉆完井液濾餅的界面、后期在煤巖—鉆完井液濾餅間形成壓裂裂縫（圖5-a），從礦井解剖現(xiàn)場(chǎng)采集的樣品也證實(shí)壓裂裂縫的延展主要受該類型界面控制。同時(shí)，在壓裂期間煤巖—鉆完井液濾餅開裂不完全，因此在部分煤巖裂縫壁面上依稀可見殘留的鉆完井液濾餅。該類界面控制下的壓裂裂縫相對(duì)固井水泥—煤巖界面控制的壓裂裂縫起裂難度較低，關(guān)鍵是由于壓裂裂縫初期延展具備界面導(dǎo)引效應(yīng)因此壓裂裂縫發(fā)育規(guī)則平直，裂縫延展效果較好，而且后續(xù)支撐劑集中充填于主干壓裂裂縫內(nèi)，鋪砂濃度高，顆粒鋪置效果好，多形成短寬型壓裂充填裂縫。

圖5-b所示為煤縫壁面固井水泥濾餅控制下的壓裂裂縫延展及支撐劑充填模式。由于固井水泥濾餅與煤巖界面結(jié)合強(qiáng)度接近、部分大于煤巖基質(zhì)部位的強(qiáng)度，因此當(dāng)近井煤儲(chǔ)層內(nèi)構(gòu)造節(jié)理縫內(nèi)為固井水泥濾餅與煤巖結(jié)合界面時(shí)，此時(shí)煤儲(chǔ)層壓裂裂縫的延展在基本服從平行最大主應(yīng)力的前提下[19-20]，壓裂裂縫沿結(jié)合界面外側(cè)的煤巖內(nèi)生裂隙起裂，后期支撐劑沿拓寬的內(nèi)生裂隙縫內(nèi)鋪置。相對(duì)而言，該界面控制下的壓裂裂縫延展初期即發(fā)展為復(fù)雜的多裂縫競(jìng)爭(zhēng)模式，很難形成主干優(yōu)勢(shì)型導(dǎo)流通道，而且后期支撐劑的充填雜亂，鋪砂效果很差，鋪置位置主要受煤儲(chǔ)層原生次級(jí)裂縫的控制，由于未能形成寬的主干裂縫，因此后續(xù)加砂中極易發(fā)生砂堵。

圖5 煤層氣近井煤縫壁面濾餅界面區(qū)壓裂裂縫延展模式圖

4 結(jié)論

1）煤層氣近井儲(chǔ)層構(gòu)造大裂隙內(nèi)界面形式包括:固井水泥濾餅型及固井水泥濾餅—鉆完井液濾餅組合型，前種界面的結(jié)合更為緊密。

2）固井水泥濾餅界面區(qū)兩側(cè)在元素組成和礦物成分方面的化學(xué)親和性較弱、但存在C元素遷徙效應(yīng)，屬于惰性界面；而固井水泥濾餅—鉆完井液濾餅在其搭接部位化學(xué)親和力較強(qiáng)、但元素遷徙的阻斷效應(yīng)較強(qiáng)很難形成活性界面。因此兩種界面的結(jié)合化學(xué)作用貢獻(xiàn)較小。

3）壓痕結(jié)果顯示，固井水泥濾餅界面中水泥石硬度＞煤巖硬度＞界面硬度，而固井水泥濾餅—鉆完井液煤縫壁面濾餅中水泥石硬度＞鉆完井液濾餅硬度＞界面硬度，搭接界面是樣品中的力學(xué)薄弱面。提出水泥漿的錨固力學(xué)作用與鉆井液涂層作用是導(dǎo)致固井水泥濾餅結(jié)合強(qiáng)度明顯高于固井水泥濾餅—鉆完井液濾餅—煤巖界面的關(guān)鍵因素。

4）固井水泥濾餅界面區(qū)水力壓裂裂縫起裂延展主要沿煤巖次級(jí)原生裂縫，形成裂縫形態(tài)復(fù)雜，支撐劑分散式填置于次級(jí)原生裂縫內(nèi)，很難形成主干充填裂縫；而存在鉆完井液濾餅界面區(qū)壓裂裂縫延展多沿固井水泥—鉆完井液濾餅的薄弱界面，形成壓裂裂縫單一、支撐劑集中鋪置在主干壓裂裂縫內(nèi)并構(gòu)筑成短寬型充填縫。