温度对煤层气井固井二界面胶结强度的影响

秦磊斌，顾 军，汤乃千，郝海洋，干 品，王 帅，王青贵

(中国地质大学(武汉)资源学院 武汉430074)



温度对煤层气井固井二界面胶结强度的影响

秦磊斌，顾 军，汤乃千，郝海洋，干 品，王 帅，王青贵

(中国地质大学(武汉)资源学院 武汉430074)

固井二界面胶结质量是煤层气井高效开采一个亟待解决的工程难题，温度是影响固井二界面胶结强度的一个重要因素。为此，基于取自沁水盆地HD012井的相关样品，实验评价了温度对固井二界面胶结强度的影响规律，并结合环境扫描电镜(ESEM)方法对比分析了不同温度条件下泥饼的断面特征和孔隙结构特征，进而探讨了温度对固井二界面胶结强度的影响机理。实验结果表明，在无泥饼条件下，固井二界面胶结强度，随温度升高而增大，而在有泥饼条件下，则随温度升高而减小；有泥饼存在时，温度升高，泥饼黏土颗粒结合水膜变薄，粒间作用力减小，泥饼中孔洞增大、增多，导致泥饼渗透性增大，固井二界面胶结强度降低。

固井二界面；胶结强度；温度；泥饼，ESEM分析；影响机理

煤层气是以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤层孔隙或溶解于煤层水中的烃类气体，其赋存方式形成了“排水降压”的特殊开发工艺[1-3]。煤层气井埋藏浅，井底温度较低，具有“低压、低渗、低饱和”的特征；煤层的机械强度较低，微孔隙和裂隙发育，力学稳定性较差，易坍塌[4-7]。

固井二界面指水泥环与地层之间的胶结面。固井二界面封固系统是指由水泥浆、死泥浆、泥饼和底层壁面4部分构成的一个固化胶结整体[8]。油田所遇到的层间窜、管外冒油气水、环空“声变”、固井一界面的“声幅”等问题都与固井二界面封固系统失效有直接的关系[9-10]。当煤层气井固井二界面被破坏时，水泥浆颗粒及滤液可能会渗入煤层，堵塞煤层的孔隙或喉道，影响煤层气的“排水降压”过程，对储层造成大面积伤害[11-12]。

研究表明[13-14]，温度对固井二界面胶结强度的影响较大，但到目前为止，不同温度条件下固井二界面胶结强度的实验研究较少。泥饼中固相主要以膨润土等黏土矿物为主，相关研究[15-17]将泥饼视为黏性土。由于黏性土的渗透性和抗剪切强度随温度的变化较大，因此有必要深入研究温度对煤层气井固井二界面胶结强度的影响。通过室内实验，研究不同温度条件下固井二界面胶结强度，分析其变化规律；并利用环境扫描电镜(ESEM)方法对比不同温度条件下泥饼的形貌特征，从微观角度分析固井二界面胶结强度随温度变化的原因，进而对煤层气井固井工程提供指导。

1 煤层气井固井二界面胶结强度室内实验

1.1 实验原理

实验考虑有、无泥饼两种情况，模拟煤层气井固井二界面的形成过程，评价固井二界面的胶结质量。在有泥饼样品实验中，相同泥饼厚度条件下设置不同的养护温度，养护3d后，对比样品的固井二界面胶结强度，并用不同泥饼厚度样品验证实验规律。

1.2 实验材料

实验室制备的煤层气井仿地井筒与晋城地区3#煤岩岩心的煤层气井产层的渗透率相当，其渗透率值为2.1×10-3μm2，采用60%黏合剂+40%煤粉的配方；实验用钻/完井液取自山西蓝焰煤层气集团有限责任公司沁水盆地HD012井。室内实验所用的水泥为API G级油井水泥(葛洲坝水泥厂生产)，添加剂与配方为晋城沁水盆地煤层气井固井配方：G级油井水泥、100%微珠、0.4%分散剂、3%缩水剂、3%早强剂和91%水[18]。

1.3 实验步骤

第一步，煤层气井仿地井筒制备。制备方法参见文献[18]，在25MPa条件下制得外径100mm、内径33mm的仿地井筒，实验样品如图1所示。

图1 煤储层物性的仿地井筒示意Figure 1 A schematic diagram of coal reservoir physical property borehole simulation

第二步，仿真泥饼制作。向仿地井筒中灌注煤层气井钻井液，详细操作如下：①将仿地井筒放置于玻璃板上，并用高温黄油密封；②用大型注射器向仿地井筒内轴向均匀地注入钻井液，注入量应以与仿地井筒上表面平齐为准；③置于养护箱中静置2h，再用自制工具去掉虚泥饼，制得厚度分别为0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm和1.0mm的泥饼。同时，预留一组仿地井筒做水湿实验。

第三步，灌注水泥浆。详细操作如下：①配制实验用水泥浆；②倒入仿地井筒内，并使浆体液面略高于仿地井筒上表面；③用搅拌棒插捣水泥浆数次，以确保其密实性。

第四步，实验样品养护。先将已灌注水泥浆的准样品经特殊方法进行密闭、防湿处理，之后将其移入预先加热到一定温度的水泥石强度养护箱内，养护3d，养护箱养护温度分别为25℃、35℃、45℃和55℃。

第五步，固井二界面胶结强度测试。取出样品，在压力试验机上测压脱值(F)，同时测量仿地井筒高度(h)，固井二界面胶结强度(P)可由下式(1)算出，固井二界面胶结强度测试原理参见文献[19]。

(1)

式中：P为固井二界面胶结强度，MPa；F——压脱值，kN；D——仿地井筒内经，本实验均为3.3cm；h——仿地井筒高度，cm。

2 实验结果及讨论

2.1 无泥饼情况

养护3d后，测量不同温度条件下无泥饼样品固井二界面胶结强度(强度结果取四个平行样的平均值)，如图2所示。无泥饼情况下，相较于25℃条件下的胶结强度，35℃升高约20%，45℃升高约41%，55℃升高约45%。即在一般煤层气井温度范围内，若井壁无泥饼，地层温度越高，固井二界面胶结强度越大。

图2 无泥饼固井二界面胶结强度与温度关系Figure 2 Relationship betweencement-formation interface cementation strength and temperature without mud cake existed

2.2 有泥饼情况

按上述步骤进行有泥饼样品的实验研究。泥饼厚度为0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm和1.0mm时，温度与固井二界面胶结强度关系如图3所示(强度结果取四个平行样的平均值)。当泥饼厚度为0.1mm时，相较于25℃条件下的胶结强度，35℃下降约10.4%，45℃下降约14.2%，55℃下降约37.7%。

相同泥饼厚度条件下，随着温度的升高，固井二界面胶结强度下降，不同厚度的实验组均表现出同样的实验规律。煤层气井钻井液多采用低密度钻井液，形成的泥饼厚度较薄，泥饼较薄时，固井二界面胶结强度较大，受温度变化的影响较为明显。

图3 不同泥饼厚度固井二界面胶结强度与温度关系Figure 3 Relationship betweencement-formation interface cementation strength and temperature in case of mud cakes with different thickness

2.3 不同养护温度样品环境扫描电镜(ESEM)分析

为进一步研究温度对泥饼中固相颗粒胶结状况的影响，观察不同养护温度下泥饼断面的微观结构。取泥饼厚度为0.3mm、养护温度分别为35℃和55℃的样品做环境扫描电镜(ESEM)分析，不同养护温

度泥饼放大2000倍的ESEM对比形貌图如图4所示。

在图4中，当养护温度为35℃时，泥饼较致密，固体颗粒分布均匀密实；当养护温度为55℃时，泥饼结构较疏松，固体颗粒松散，孔洞增多、增大，这也使水泥浆颗粒及滤液更易进入煤层，煤储层更容易受到污染。

2.4 机理分析

无泥饼条件下，固井二界面胶结强度随温度升高而增大；有泥饼的条件下，固井二界面胶结强度随温度升高而减小，该现象与有、无泥饼有直接关系。经典的双电层理论指出，黏土矿物颗粒的表面带负电性，围绕土粒形成电场。水分子是极性分子，因而在土粒电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子均被吸附在土粒表面，并呈现出不同程度的定向排列，通常称之为结合水膜；根据静电引力的大小，结合水膜可以分为固定层和扩散层[20]，结合水膜如图5所示。

泥饼固相以膨润土等黏土矿物为主，当温度升高时，黏性土发生膨胀，但其膨胀系数较小，膨胀量随温度升高增长较慢，相较于水膜厚度的变化量可以忽略[21]。因此，在一般煤层气井温度范围内，仅考虑由于水膜厚度改变所引起的黏土颗粒间作用力的变化。结合水膜中，水分子主要受两个作用力：黏土颗粒的吸引力和水分子热运动引起的扩散作用力。当温度升高时， 结合水膜中水分子扩散作用加剧，尤其是扩散层的水分子，部分结合水膜中的水分子游离出结合水膜，结合水膜变薄，同时，自由水的黏滞性也随着温度的升高而降低。当结合水膜变薄时，自由水增多，泥饼中固体颗粒间作用力减小， 宏观上表现为固井二界面胶结强度的降低。

(a)35℃ (b)55℃图4 不同养护温度样品ESEMFigure 4 Different curingtemperature samples ESEM

图5 结合水膜示意Figure 5 A schematic diagram ofparticle bound water film

3 结论

(1)在一般煤层气井温度范围内，若井壁无泥饼，地层温度越高，固井二界面胶结强度越大；若井壁有泥饼且泥饼厚度相同时，地层温度越高，固井二界面胶结强度越低，不同泥饼厚度条件下均呈现出相同规律。

(2)泥饼存在时，温度升高，泥饼黏土颗粒结合水膜变薄，固体颗粒间作用力减小，泥饼中孔洞增大、增多，继而造成泥饼渗透性增强、煤层气井固井二界面胶结强度降低，增大了水泥浆颗粒及滤液渗入煤储层的可能性。

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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

国家自然科学基金面上项目“煤层气井内隔水层界面水窜形成演化过程与耦合作用机制”(41572142)。

秦磊斌(1991—)，硕士研究生，主要从事油气井防窜理论与防治技术研究。

顾军(1966—)，教授，博士生导师；主要从事固井完井理论与层间封隔技术研究工作。

2016-12-17

文献标识码：A

责任编辑：樊小舟