煤层气井井斜角对隔水层界面胶结强度影响试验

顾 军，李林蔚，孙德兴



煤层气井井斜角对隔水层界面胶结强度影响试验

顾 军，李林蔚，孙德兴

(中国地质大学(武汉)资源学院, 湖北 武汉 430074)

为了控制煤层气井开采过程中的水窜问题，采用自主设计的试验装置对沁水盆地晋城地区煤层气样品进行模拟试验，获得了井斜角分别为0°、30°、60°、90°条件下隔水层界面胶结强度试验数据，分析了井斜角对隔水层界面胶结强度的影响机理。结果表明：隔水层界面胶结强度随井斜角的增大而降低，原因是随着井斜角增大，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，且随着泥饼的变厚，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。分析还认为，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。因此，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，可能水窜问题更突出。

煤层气井；井斜角；隔水层界面胶结强度；泥饼厚度；影响规律

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3%~5%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 + 5%KCl，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(0.003~17.119)× 10–3μm2，平均约为0.178×10–3μm2[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0.289×10–3μm2，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0.1~0.5 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1 井斜角控制装置试验样品示意图(井斜角为30°)

图2 模拟泥饼示意图

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

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3~4 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

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

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。

图6 井筒上下部泥饼ESEM测试结果图

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)

表1 井筒下部泥饼组分的分析结果

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。

图8 不同井斜角下井筒底部泥饼ESEM测试结果图

图9 不同井斜角时井壁形成泥饼的示意图

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0°~90°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。

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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)

顾军，1966年生，男，云南大理人，博士，教授，博士生导师，从事油气井防窜研究. E-mail：gujun2199@126.com

顾军，李林蔚，孙德兴. 煤层气井井斜角对隔水层界面胶结强度影响试验[J]. 煤田地质与勘探，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

国家自然科学基金项目(41572142，51774258)；国家科技重大专项课题(2017ZX05009-003)

(责任编辑 聂爱兰)