煤层气井井斜角对隔水层界面胶结强度影响试验_顾军.pdf

第 47 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.3 2019 年 6 月 COAL GEOLOGY inclination angle; shear strength at CAI; mud cake thickness; influence law 煤层气属于非常规天然气，是一种优质的清洁 能源[1-2]。虽然沁水盆地晋城地区高煤级煤储层煤层 气已实现商业开发[3-4]，但是水窜即突水问题一直 影响着煤层气高效开采[5-10]。针对矿井采动煤层底 板突水即水窜问题，前人进行了长期的持之以恒 的探索和研究， 形成了 10 余种煤层底板突水理论和 预测方法，即底板相对隔水层理论、底板突水系数 理论、岩体水压应力理论、“强通道渗流”理论、“下 三带”理论、“原位张裂与零位破坏理论”、 板模型 理论、底板隔水关键层理论、递进导升理论、“封闭 ChaoXing 第 3 期 顾军等 煤层气井井斜角对隔水层界面胶结强度影响试验 209 不良钻孔侧壁突水理论”和非线性动力学方法、 数值 模拟方法等[11-29]。这些理论和方法对解决矿井采动 煤层底板突水问题无疑是十分有益的，且取得了较 为满意的应用效果。但是，煤层气井与矿井既有相 似性又有差异性相似性是指垂向上它们所经历的 地层及其层系结构基本一致；差异性是绝大多数煤 层气井必须下入套管且用水泥浆封隔套管与地层之 间的环形空间，即煤层气井与常规油气井的井筒结 构是类似的。因此，若仍沿用现有的矿井采动煤层 底板突水理论和预测方法尚不能完全解决煤层气井 的水窜问题，不能满足煤层气高效开发的需要。研 究表明，底水上窜的通道是隔水层界面即隔水层岩 体与水泥浆的胶结面[30-31]， 根源是镶嵌于隔水层岩体 与水泥浆之间的泥饼导致隔水层界面胶结差，且无论 泥饼多薄，都会致使隔水层界面胶结强度降低[31-33]， 即一旦生产压差过大或控制不当，底水就会突破 隔水层界面而水淹储层，使油气井含水率由正常 的 35突然上升到 100[30]。煤层气井内隔水 层界面水窜通道形成演化过程和窜流模型已有研 究报道[34-35]，但煤层气井井斜角对隔水层界面胶结 强度的影响尚未见到相关文献报道。鉴于此，采 用自主构建的试验装置，对沁水盆地晋城地区煤 层气样品进行大量模拟试验，获得隔水层界面胶 结强度与井斜角之间的关系，试图揭示井斜角对 煤隔水层界面胶结强度的影响机理，以期为煤层 气井型选择提供依据。 1 试验方案 1.1 试验材料 水窜试验所用的完井钻井液取自沁水盆地南部 胡底井田煤层气井 HD012 井，该井采用 PAM 防塌 钻井液体系，配方为 0. 4 PAM 0. 6 FA367 0. 5 NaOH 5KCl，井深为 915 m，地层温度为 45 ℃； 固井水泥浆配方为 API-G 级油井水泥葛洲坝水 泥厂生产100微珠0.4分散剂3缩水剂3 早强剂91自来水， 添加剂均为沁水盆地实际固井 所用；环氧树脂为市售品。仿地井筒模拟隔水层 制备用水泥为市售建筑水泥湖北军峰建材有限公 司，胶结剂为自制，水为自来水。 1.2 试验主要参数 a. 仿地井筒参数 煤层气井内隔水层的渗透率为0.00317.119 10–3 μm2，平均约为 0.17810–3 μm2[36]，因此，通过 不同物料配方的渗透率测试， 确定了物料配方为 180 g 水泥20 g 胶结剂43 mL 水，其制备出的模拟隔水 层仿地井筒的渗透率平均值为 0.28910–3μm2， 孔隙 度为 7[34]。隔水层界面水窜试验用仿地井筒的外 筒直径 55 mm，内筒直径 20 mm，高度为 35 mm 左 右； 隔水层界面抗剪切强度试验用仿地井筒的外筒直 径 100 mm，内筒直径 33 mm，高度为 60 mm 左右。 b. 泥饼厚度 煤层气井钻井的泥饼厚度多为 0.10.5 mm[37]， 本次试验制备的泥饼厚度选择为 0.5 mm。 1.3 试验条件 鉴于沁水盆地南部胡底井田煤层气井井深和储 层情况，因此选择的试验样品养护温度 45 ℃、常 压，养护方式为浴养，养护时间为 3 d。 1.4 试验装置与方法 a. 地层井斜角控制制备装置 选取 0、30、60、90分别模拟直井、常规定 向井、大斜度定向井、水平井，探究井斜角对隔水 层界面胶结强度的影响规律。鉴于实验室所制作的 仿地井筒在倾斜一定角度后， 筒内的钻井液会流出， 因此，试验选取五金店里销售的对应仿地井筒井眼 尺寸的直角弯头来解决这个问题。同时，选取一种 胶皮， 将中间的井眼尺寸大小的那部分剪掉， 与直角 弯头用 AB 胶粘合起来，作为一个整体。这个整体部 分同仿地井筒用黄油粘合起来后， 不仅可以保证井筒 在倾斜后，里面流体不会流出，起密封作用外，同时 还可以模拟实际水平井情况下的直井段部分。 为制作 30和 60这 2 个特定角度的控制装置， 首先确定制作材料，由于铝片质轻、可塑性好，且 弯曲后具有一定的强度， 因此选用厚度为 0.8 mm 的 铝板。选取仿地井筒 12 个每个角度各选 3 个，首 先在每个仿地井筒底部涂上黏性密封材料黄油，用 玻片粘好，这样倒入钻井液和水泥浆的时候，就不 会从底部流失。接着将 30、60、90这 3 个角度对 应的 9 个仿地井筒的上部涂上黄油，将直径段防漏 装置粘好。由于 0的井斜角对应的为直井，上部无 需防漏装置，即将粘好的仿地井筒放置在对应的角 度控制架上面，制作好的组合试验样品如图 1 所示 以井斜角 30为例。 b. 不同井斜角条件下泥饼形成方法 取出足量的钻井液，倒入浆杯，放置在搅拌器 下搅拌均匀，然后依次倒入仿地井筒。静止一段时 间，让钻井液渗透滤失，在仿地井筒的模拟井壁上 形成泥饼。然后取下部的玻片和上部的直径段防漏 装置，倒出钻井液，用玻璃棒小心刮拭壁面的泥饼。 根据井筒倾斜的情况，钻井液在井壁上滤失形成泥 饼的过程中，井壁的下部由于受重力作用，钻井液 ChaoXing 210 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 1 井斜角控制装置试验样品示意图井斜角为 30 Fig.1 Schematic diagram of test sample in inclination control deviceinclination angle is 30 的滤失造壁作用要强于上部井壁，因此，形成的泥饼 也应该是下部的泥饼层致密厚实，上部的泥饼层松散 虚薄一点。因此，采用室内实验用泥饼厚度精细控制 装置制备泥饼[38]，且在刮拭的过程中保证 30、60、 90这 3 个角度对应的仿地井筒的上部即仿地井筒对 应重力方向的顶部泥饼厚度在 0.3 mm 左右， 下部即 仿地井筒对应重力方向的底部泥饼在 0.5 mm 左右。 0对应的3个仿地井筒的泥饼厚度都控制在0.5 mm左 右。刮拭完毕后用小刀刀刃切入泥饼深度检查泥饼厚 度刀刃厚度为1 mm。 整个模拟井壁过程如图2所示。 图 2 模拟泥饼示意图 Fig.2 Schematic diagram of mud cake simulation c. 灌注水泥浆 将制备好泥饼的仿地井筒、直井段防漏装置和 玻片用黄油粘结好， 再将样品放入水浴养护箱养护， 而起密封作用的黄油在高温水的作用下其粘结作用 就大大降低，直井段防漏装置就会滑落，因此，用 2 条橡皮筋将整个装置束紧固定住，这样样品在养 护过程中，直井段防漏装置就不会滑落了。然后， 依次按试验井斜角大小顺序将各个样品放置在倾斜 铝板上。 接着， 按照 API 规范 10 将配制好的水泥浆 倒入仿地井筒中，保证水泥浆完全充满在仿地井筒 内，在水泥浆水化完毕后可以和岩心完全胶结，在 倾倒水泥浆的时候，将试验装置倾斜到足够角度后 将水泥浆缓缓倒入，保证装置内空气全部排出。倒 入完毕后用小铁丝搅拌一下，以排除里面的气泡， 且避免破坏壁面的泥饼。灌注好水泥浆的试验样品 如图 3 所示。 图 3 灌注水泥浆 Fig.3 Injection of cement slurry d. 试验样品的水浴养护 将试验样品静置 0.5 h 左右， 按顺序放入特制水浴 ChaoXing 第 3 期 顾军等 煤层气井井斜角对隔水层界面胶结强度影响试验 211 养护箱。养护温度为 45℃，养护时间为 3 d。为了保 证每次 12 个样品4 组井斜角，每组 3 个的养护条件 相同，即水都是通过仿地井筒渗透进入隔水层界面而 非直接从井眼处渗入， 保证水位要低于仿地井筒高度。 同时， 考虑到 PVC 防漏装置的重复利用， 将仿地井筒 放入养护箱养护 34 h 后，在水泥浆丧失流动能力且 尚未完全凝固时，拆除 PVC 防漏装置图 4，将装置 内的半凝固状水泥清除干净后，以备下次使用。这样 不仅可以重复利用 PVC 防漏装置的直角弯头， 同时也 便于养护完毕后的隔水层界面胶结强度测试。 图 4 试验样品的水浴养护示意图 Fig.4 Schematic diagram of water bath curing for test samples e. 仿地井筒制备、隔水层界面胶结强度等试验 方法参见文献[39]。 f. 环境扫描电子显微镜测试采用荷兰 FEI 公司 生产的 Quanta 200 型环境扫描电子显微镜，X 射线 衍射测试测试采用荷兰 PANalytical B.V.公司生产的 X’Pert PRO DY2198 型 X 射线粉末衍射仪。 2 试验结果与讨论 2.1 井斜角对隔水层界面胶结强度的影响 经过 3 次每次 12 个样品的模拟试验，其中， 后 2 次为重复验证，结果如图 5 所示。从图 5 可以看 出，隔水层界面胶结强度随着井斜角的增大而降低， 第 2 次验证试验结果与第 1 次的较为接近，而第 3 次 验证试验结果与第 1 次和第 2 次的差别较大，原因可 能与样品制作过程存在误差有关。但总体上，3 次试 验结果均能反映出井斜角与隔水层界面胶结强度之间 的关系。 图 5 井斜角与隔水层界面胶结强度的关系图 Fig.5 Relationship of inclination angle and shear strength at CAI 2.2 井斜角对隔水层界面泥饼特性的影响 a. 4 组井斜角下井筒上下部泥饼组分测试对 比分析 4 组井斜角对应的试验样品，除了 0井斜角对应 的样品以外，另外 3 组井斜角对应的井筒泥饼在形成 过程中，所受重力不均匀，在井筒上下两处形成的泥 饼组分也不一样。选取 90井斜角对应的试验样品，分 别切取两小块试验样品，对其做 ESEM 测试图 6。对 井筒下部泥饼的XRD分析测试结果如图7和表1所示。 可以看出 ① 井筒下部泥饼的主要物质成分表 1为蒙脱 石、伊利石、方解石、石英和重晶石。其中，蒙脱 图 6 井筒上下部泥饼 ESEM 测试结果图 Fig.6 ESEM results of mud cake at upper and lower part of wellbore ChaoXing 212 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 7 井筒下部泥饼的 XRD 图谱分析图中数据为 X 射线衍射强度，cps Fig.7 XRD diffraction patterns of mud cake at lower part of wellbore The data are X-ray diffraction intensity, cps 表 1 井筒下部泥饼组分的分析结果 Table 1 Analysis results of mud cake composition at lower part of wellbore 衍射特征峰值/ 对应成分 4.021 8, 2.830 5, 2.477 5, 2.102 8, 2.007 5, 1.855 9, 1.681 2, 等 石英 4.328 6, 3.888 6, 3.436 4, 3.312 5, 3.097 1, 2.830 5, 2.722 9, 2.102 8, 等 重晶石 4.431 0, 3.029 5, 2.159 3, 等 蒙脱石 3.029 5, 2.278 4, 2.102 8, 1.870 5, 等 方解石 4.431 0, 4.090 9, 3.436 4, 3.312 5, 2.381 9, 2.054 5, 等 伊利石 石和伊利石主要来自于配制钻井液基浆的膨润土和 泥页岩地层，方解石和石英为钻进过程中来自地层 的岩屑，重晶石是钻井液中的加重材料。 ② 颗粒较小的物质为黏土矿物和粒径较小的 钻屑成分， 颗粒较大的物质为粒径较大的钻屑和重 晶石成分。图 6a 上部井壁泥饼中物质大部分为颗 粒较小物质，且堆积有序均匀。而图 6b 下部井壁 泥饼中物质所含黏土矿物就比上部泥饼少很多， 有 很多大颗粒较大物质，且堆积杂乱无章。分析其原 因， 这很可能是由于钻井液在形成泥饼过程中所受 重力不均引起的， 导致井壁上下两处的泥饼成分物 质不均。 b. 4 组井斜角对应的井筒底部泥饼组分 ESEM 测试分析 选取每组井斜角对应的试验样品，分别切取其 井筒底部的一小块，对附着在上面的泥饼界面作 ESEM 测试分析，测试结果如图 8 所示。 从图 8 可以看出，0井斜角对应的井筒底部 泥饼的成分中，黏土矿物含量最多，含有少量的 钻屑成分，基本没有重晶石，且各组分颗粒间的 堆积也均匀密实。但随着井斜角的增大，黏土矿 物含量减少，钻屑成分和重晶石含量逐渐增多， 且颗粒间的堆积也更加杂乱，颗粒间孔隙较多、 较大。究其原因，可能是随着井斜角的增大，受 重力不均的影响，质量较大的钻屑和重晶石会越 来越往井壁底部沉降堆积，含量增大，且因为黏 土矿物、钻屑和重晶石粒径上的差异性，导致颗 粒间的孔隙较大，堆积连结不好，导致胶结也逐 渐变差。 2.3 井斜角对隔水层界面泥饼形成规律的影响 4 组试验装置及形成的泥饼示意图如图 9 所示。 井斜角为 0时，由于井筒周围所受力相对均匀，因 此钻井液在井壁上发生造壁滤失作用的时候，也是 比较一致的图 9a。因此，固相成分慢慢沉积附在 井壁上的速度是相同的，这样，井斜角为 0时，井 壁四周所形成的泥饼厚度达到一致。 ChaoXing 第 3 期 顾军等 煤层气井井斜角对隔水层界面胶结强度影响试验 213 图 8 不同井斜角下井筒底部泥饼 ESEM 测试结果图 Fig.8 ESEM results of mud cake at the bottom of wellbore under different inclination angles 图 9 不同井斜角时井壁形成泥饼的示意图 Fig.9 Schematic diagram of mud cake ed on well wall at different inclination angles ChaoXing 214 煤田地质与勘探 第 47 卷 当泥饼中最薄弱一点被剪切破坏时，整个泥饼 土体即会发生破坏。由于 0井斜角装置其对应井壁 四周的泥饼厚度是相对均匀的，因此隔水层界面最 先被破坏的位置是不确定而完全随机的，井壁泥饼 四周任意一处都有可能。 井斜角为 30时，井筒由于所受重力的影响， 钻井液在井壁四周发生造壁滤失作用是不一致 图 9b。当钻井液浸泡在井筒里时，钻井液由于受 到向下的重力作用，对井壁上部的滤失作用减弱， 然后沿着井壁向下，滤失作用逐渐加强，然后一直 到井壁底部达到最强。井壁顶部由于受到滤失作用 较弱而形成的泥饼最薄，而底部的泥饼最厚，中间 的泥饼从上至下依次增厚，形成一个厚度不均、从 上往下依次递增的环状层。 因此，由于井筒底部的泥饼最厚，其泥饼颗粒 间的间距要比上部的泥饼颗粒间距大，泥饼颗粒间 的静电作用、范德华力等分子作用力要小很多。同 时，厚度较大的泥饼因其压实作用要比厚度小的泥 饼要难很多，导致其密实程度也要比上部厚度小的 泥饼弱，颗粒之间的摩擦也要大大减小。因为颗粒 间距大，密实程度低，则井筒底部泥饼的含水率也 要比井壁上部泥饼的含水率要高。综合分析这些原 因，井筒底部最厚的泥饼其抗剪切强度是整个泥饼 环中最薄弱的，隔水层界面被破坏时，是从井筒截 面最底部处的泥饼开始的。 井斜角为 60时， 井壁上的泥饼形成规律与 30 井斜角时泥饼的形成规律类似图 9c，可以看出井 筒横截面上形成的泥饼也是一个从上至下依次增 厚的环状层，但由于井斜角达到 60时重力对泥饼 的形成影响最大，因此，整个泥饼环状层的差异性 更加明显， 即相对于 30井斜角对应的泥饼环状层， 60井斜角对应的泥饼层其下部泥饼要更厚，上部 更薄。 60井斜角对应的隔水层界面发生破坏时， 最先 被破坏的泥饼也应是整个环状层中的底部，其原因 与 30井斜角相同。 井斜角为 90时，井壁上泥饼形成规律与 30及 60井斜角泥饼形成规律类似。 但此时的重力作用对 其泥饼形成的影响已经达到最大化，泥饼环状层更 加不均匀，上部更薄，下部更厚，此时在 090井 斜角的范围当中，底部的泥饼厚度达到最厚。 同理，90井斜角对应的隔水层界面发生破坏 时，最先被破坏的也是井壁底部的泥饼，其破坏 机理原因和 30、60井斜角时隔水层界面被破坏 的原因类似，而且底部的泥饼抗剪强度最低，也 最为明显。 3 结 论 a. 隔水层界面胶结强度随井斜角的增大而降 低，原因是井壁形成的泥饼厚度不一致。随着井斜 角增大，井壁的泥饼环上部依次变薄，下部依次变 厚，井斜角到 90时达到最厚。随着泥饼的变厚， 泥饼成分中黏土矿物的成分逐渐减少，钻屑和重晶 石的含量逐渐增多。 b. 影响隔水层界面胶结强度主要因素有黏聚 力、泥饼的含水率、颗粒密实程度、颗粒结构和矿 物成分等。 c. 煤层气井型对隔水层界面胶结强度的影响 较大，即若采用水平井开采煤层气需更加注意水窜 问题。 参考文献 [1] 郝志勇，岳立新，孙可明，等. 超临界 CO2温变对低渗透煤 层孔渗变化的实验研究[J]. 煤田地质与勘探，2018，463 64–71. 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