压痕法评价煤层气井固井水泥石断裂力学性质

张典坤 陈立超 王生维

1.煤与煤层气共采国家重点实验室•晋煤集团 2.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司3.内蒙古工业大学矿业学院 4.中国地质大学（武汉）资源学院

0 引言

目前，国内煤层气开发深度较浅、储层压力不高，因井筒环空封隔失效造成的层间流体互窜、井涌等问题尚未突显。然而，随着开发向深部进军，储层压力升高、流体互窜更活跃，尤其是深部煤层气井高压注入压裂、水平井分段压裂、CO2地质封存等复杂工况对井筒环空封隔能力提出了更高的要求。

通常井筒环空封隔失效风险等级（第二界面＞第一界面＞水泥石本体）逐渐减小[1-2]，目前针对油气井井筒固井水泥石与套管、与井壁的第一和第二界面的破坏机制[3-4]、封隔能力的评价[5-6]、水泥石腐蚀失效[7]、水泥石力学性质[8-12]、水泥浆材料改进[13-18]等方面的研究成果较为丰富，而对于煤层气井固井水泥石本体破坏原貌特征、水泥石断裂力学性质对环空封隔失效影响方面的研究则甚少。为此，笔者利用取自沁水盆地南部寺河矿区煤矿井下煤层气固井水泥石原样，结合压痕法获取目前国内典型的煤层气固井水泥石的断裂力学性能参数（维氏硬度、断裂韧度）值，分析了固井水泥石断裂力学性质对煤层气井射孔压裂中井筒破坏的影响机理，以期为深部煤层气井固井材料改性及工艺优化提供依据。

1 气井水泥石破坏形貌

对沁水盆地南部某煤层气井筒进行矿井解剖，该井产层为3号煤层，深度在497.28～504.68 m，厚度7 m，其中含煤矸石厚度0.37 m，煤体结构发育类型属于碎裂煤。该井压裂液类型活性水，总计注入量为650 m3，石英砂支撑，光套管注入，最大泵压14.8 MPa，施工油压稳定。

基于煤层气井筒环空封隔失效矿井解剖资料（图1），查明煤层气井筒环空封隔失效主要包括3种形式：①水泥石与套管第一界面开裂形成流体窜槽，图1-a～c中水泥石内壁可见大量的煤粉颗粒，但少见支撑剂颗粒，说明该流动通道间隙较小，主要为煤层气多相流经射孔孔眼进入井筒的通道；②水泥石与井壁煤岩第二界面开裂形成窜槽，水泥外壁较为粗糙呈参差状，壁上可见大量的支撑剂颗粒和煤粉颗粒（图1-d），界面裂隙宽度较大，说明压裂期间第二界面优先开裂并成为填砂缝隙；③水泥石本体脆断形成高角度裂缝窜槽（图1-e、f），裂缝壁面平整，但裂缝走向曲折，且在水泥石全厚上彻底断开，形成断块体（图1-g、h）。

图1 煤层气井筒环空封隔失效形式特征矿井解剖图

2 水泥石成分、结构及弹性力学性质

2.1 水泥石成分、矿物形貌

利用XRD衍射分析和扫描电镜对采自沁水盆地南部寺河矿区煤层气井固井水泥石原样进行研究，分析结果显示研究区煤层气井固井水泥石的主要水化产物包括大量的氢氧化钙（CH）、水化硅酸钙凝胶成分（C-S-H），具有典型的硅酸盐系列水泥熟化特征（图2）。在矿物形貌特征方面：固井水泥石中的C-S-H微观形貌特征呈气泡状，多为集合体形式存在，形态为胶体和隐晶质、微晶等，结晶度比较差，整体微观上呈泡沫状、云朵状（图3-a）；CH晶型发育通常较良好，形貌上多为较为规则的六方板状、六角片状（图3-b），多个CH晶体往往搭砌形成网络状，后期形成多个空洞、孔隙型缺陷。从研究区固井水泥石成分特征、组成矿物发育晶型完整性、程度判断本区煤层气井固井水泥浆水化反应彻底，水泥各项力学指标完善[9-12]。

图2 煤层气井固井水泥石XRD衍射分析结果图

2.2 水泥石微观结构

从基质和裂缝两部分研究了本区煤层气井固井水泥石的微观结构：水泥石基质部分由于CH晶体颗粒粒径较小（单晶多小于500 nm），晶面结构干净，颗粒堆积相对紧密，尽管颗粒间发育粒间空隙但整体而言属于连续致密型介质，具有很好的夯实度和致密性，因而封隔抗窜效果较好；水泥石裂缝部分主要为脆断形成的张性裂缝，裂缝开度较大（大于1 μm），裂缝长度多大于20 μm，裂缝延展无明确的定向性，属于典型的脆性裂缝延展特征，且裂缝基本为晶间裂缝，裂缝延展多绕开CH晶体（图3-c），推测水泥石中的该类小型脆性裂缝发育主要与水泥水化反应期间的热应力、化学应力等内力有关[13]。

图3-d所示为煤层气固井水泥石和钻井液滤饼间界面区的微观形貌特征，可以发现在胶结界面区附近形成多组脆性裂缝，裂缝走向与界面法向一致，推测钻井液滤饼中离子渗透进水泥石内部形成化学应力从而导致界面区水泥脆性裂缝的发育。结合水泥石成分、微观结构致密特征、组成矿物形貌、微小裂隙发育的穿晶断裂等材料断裂的基本特征，认为研究区煤层气井固井水泥石具有高度脆性、易破碎、高弹性模量的力学属性，材料韧性弱、抗裂能力较差；值得指出的是，第一、二界面位置固井水泥石主要水化产物为片状的CH晶体，该矿物晶体的大量出现会严重影响水泥石和煤岩及套管界面区的胶结强度，为加强井筒的环封能力，后期需对煤层气井固井水泥浆体系进行改性。

2.3 弹性力学性质

研究区煤层气井固井所用水泥浆为常规的G级油井水泥浆体系，体系中未添加任何减轻剂和弹性材料，后期水化凝结反应彻底，形成水泥石属于单一的纯水泥石。根据复合材料等效弹性模量混合定律理论和计算方法[19]，预测本区煤层气井固井水泥石的弹性模量（E）为13 GPa。

3 水泥石断裂韧性压痕试验

由于研究区煤层气井固井水泥石的弹性模量大、脆性显著，可借鉴陶瓷等脆性材料断裂韧性试验测试方法对本区固井水泥石断裂韧度特征进行研究。

3.1 压痕法测试原理及维氏硬度计算

利用维氏硬度计（型号：HXO-1000TM）对沁水盆地南部典型煤层气井固井水泥石试样进行压痕法（IM）测试，如图4所示，机械压头与水泥样品接触作用时间为15 s，压头载荷分别设定为100 g、200 g、300 g、500 g、1 000 g五档，镜下获取了不同压头载荷在水泥石试样表面作用的压痕面积（F）、裂纹尺寸（c）。

首先利用式（1）计算5种不同载荷作用条件下的煤层气井固井水泥石原样的维氏硬度（Hv）值。

维氏硬度的计算方法：

图4 固井水泥石压痕法测试原理图

式中Hv表示维氏硬度，GPa；P表示压头载荷，N；F表示压痕面积，mm2；d表示压痕半径，mm。

从硬度计算结果（表1）看出，本区煤层气井固井水泥石的维氏硬度平均为108.72 kgf/mm2，水泥石维氏硬度与其材料微观结构和成分具有密切的关联。

3.2 水泥石断裂韧度计算方法

本研究采用式（2）计算了研究区煤层气井固井水泥石的断裂韧度值，即

式中KIC表示断裂韧性，MPa·m1/2；E表示弹性模量，GPa；c表示裂纹长度，mm。

表1 煤层气固井水泥石试样在不同载荷下硬度及断裂韧度计算结果表

由表1中计算结果可知，沁水盆地南部典型煤层气井固井水泥石的断裂韧度值介于0.46～0.71 MPa·m1/2，平均为0.57 MPa·m1/2，一个不利的现实是目前国内煤层气井固井水泥石在断裂韧度上与高强高韧性建筑水泥材料（UHTCC）相比，其材料阻裂效果非常有限[20]，固井水泥石材料的低韧性使其不具备分散载荷的能力，尤其是在外挤力、剪切应力作用下固井水泥石破裂形式多以大型裂缝为主而非弥散性小裂纹，由于主干裂缝易充当层间流体互窜的通道，因而会造成煤层气井层间流体互窜、井涌、井淹等状况，导致煤层气井筒环空封隔能力失效，因而对于深部煤层气开发非常不利。

3.3 水泥石断裂韧度与压头载荷的关系

如图5-a所示，研究区煤层气井固井水泥石压痕法测试中裂纹尺寸（c）、压痕半径（d）与机械压头载荷间数学关系可用：y=－6×10－5x2+0.132 9x+6.752 8（R²=0.998 3）、y=－7×10－5x2+0.128 4x+5.495 6 （R²=0.997 8）描述且相关性良好，总体趋势是随机械压头载荷升高，裂纹尺寸、压痕尺寸增大。值得指出的是，随着机械压头载荷增大，裂纹尺寸和压痕半径的比（c/d）逐渐提升，合理的解释是当机械压头载荷增大到足以抵抗水泥石起裂断裂韧度后，水泥石受压其辐射裂纹延展效应增强，而低载荷施压过程中外力尚不足以在水泥石表面形成压裂效应。该实验现象也说明研究区煤层气井固井水泥石具有显著的脆性特征。

如图5-b所示，水泥石的维氏硬度与压头载荷间的关系呈现有趣的规律：随着机械压头载荷的增大，固井水泥石维氏硬度值初期降低后期随机械压头载荷的增大略有回升，由于在压痕测试初期使用的低载荷施加时外力不足以抵抗水泥石的起裂断裂韧度，因此机械压头在水泥石表面形成的压痕面积较小，裂纹尺寸也较短，结果导致机械压头作用于水泥石表面的压强很高，则最终计算得维氏硬度值偏大。本研究分析了五级机械压头载荷作用下的水泥石维氏硬度值之间的关系，发现随机械压头载荷增大，水泥石维氏硬度的测试数据愈发收敛，反映水泥石自身的脆性使得在低载荷施压下压头侵入水泥石时发生脆性破裂导致压痕面积的不可控性，因此建议在硬度较大的固井水泥石硬度测试中使用相对大的载荷施压。

如图5-c所示，水泥石断裂韧度与机械压头载荷间满足y=－2×10－7x2+0.000 4x+0.422 5（R2=0.907 3）的数学关系，随着压头载荷的提升，水泥石的断裂韧度值逐步增大。由于沁水盆地南部典型煤层气井固井水泥石的硬度和强度很高，低载荷作用下机械压头不足以压入水泥石内部，仅在表面形成压痕和辐射裂纹（且由于水泥石的脆性c/d较大），计算得到的断裂韧度较小；而当高载荷施压时压头侵入水泥石内，由于压头与水泥石接触面积达到极大值，压头在水泥石造成压强减小，因此水泥石较易抵御压头载荷并呈现韧性的力学性能，计算得到的材料断裂韧度就相应增大。此值代表着煤层气井固井水泥石的某一个安全阈值，即当外部井筒外挤力、剪切载荷达到某一限值后煤层气井固井水泥石本体即处于危险状态，会因挤压、剪切载荷作用发生脆性断裂破坏形成垂向窜槽。

4 固井水泥石射孔压裂中破裂机理

4.1 水泥石破裂过程及破裂形式

1）如图6-a所示，射孔期间，固井水泥石在聚能射孔弹冲击作用下沿射孔孔眼周缘发育多组辐射裂纹（图1-g、h），导致固井水泥石在水力压裂前期已经发生了冲击型破坏，而且由于目前煤层气井固井水泥石的显著脆性，该阶段的冲击破坏程度较为严重，矿井实地解剖发现在固井水泥环射孔炮眼周缘的辐射裂纹长度一般几微米至数毫米，而且辐射裂纹发育的密度较高，整体呈放射状分布。

图5 水泥石断裂力学性质测试结果图

图6 煤层气井水力压裂期间固井水泥石断裂过程及模式图

2）如图6-b～d所示，压裂液大规模注入阶段，压裂液沿固井水泥环射孔孔眼高压注入，并在水泥环射孔孔眼周缘的辐射裂纹内形成较高的裂缝净压力，因而射孔孔眼周缘辐射裂纹端部的应力强度因子较高，当该应力强度因子大于固井水泥石的断裂韧度值时，即KI＞KIC，固井水泥石即开始沿着射孔孔眼周缘的诱导辐射裂纹方向开始启裂，后期随压裂液注入时间的持续固井水泥石发生整体破坏。从矿井解剖现象看，煤层气井固井水泥环上的压裂裂缝初期延展方向主要受控于射孔孔眼周缘辐射裂纹的方向，后期则主要与水泥石材料本身（如氢氧化钙晶体的解理面、晶间缺陷方位以及水泥石内部发育的水化反应时期形成的微裂纹方位等）等因素有关，而与应力方位等关系不大。

3）通过煤层气井矿井解剖，总结了煤层气井固井水泥石压裂破裂形式主要包括3种：①固井水泥环沿着螺旋形射孔连线方向进行开裂，后期形成菱形的水泥石断块（图6-b），水泥石断块尺寸为15 cm×40 cm×2.5 cm，菱形体形似瓦片状，断块体的断面较为平整，断裂方向略显曲折，表现出水泥石材料脆断的显著特征，形成的力学机制主要是相邻的射孔炮眼辐射裂纹的初始方位基本一致，后期在水压力楔入劈拉作用下裂缝扩展连通导致完全断裂；②相邻的3个射孔炮眼间辐射裂纹受水压作用裂缝延展沟通形成三角状断块，断块尺寸10 cm×5 cm×2.5 cm，断口参差，断面粗糙，射孔炮眼往往被切割仅剩半圆，如图6-c所示，这是沁水盆地南部寺河矿区煤层气井固井水泥石主要的破裂形式；③水泥石受压致裂发育多组垂向裂缝，裂缝方位比较杂乱，如图6-d所示，但总体上沿平行井筒长轴方向扩展，裂缝发育呈簇状、树枝状，分叉明显，相互间存在竞争关系，此现象亦说明煤层气固井水泥石上裂缝延展方位主要受水泥石材料自身缺陷控制，而与应力方位关系不显著。水泥石垂向裂缝长度在10 cm以上，主要为显著大裂缝，裂缝条数有限，也反映当前煤层气井固井水泥浆体系存在控裂能力差的弊端，垂向裂缝的过度发育可能会联通上覆的含水层，即图6-d中Hf＞Ha，对后期煤层气藏排水降压造成严重干扰，导致煤储层压力受到上部含水层流体的压持，制约煤层气井产能。

煤层气井固井水泥石断裂会严重影响井筒的完整性和环空封隔能力。主要包括：

1）固井水泥石①、②类断裂形式形成的网格化裂缝将会导致整个射孔层段上的水泥环封隔能力失效，尤其对于单一巨厚、多层煤储层很难实现有效地分层开发；同时从煤层气井矿井解剖现场发现，排采期间煤层水携带的煤粉颗粒会经水泥石断裂裂缝形成绕流经压开的第一界面进入井筒，使煤层气排采初期井筒内煤粉颗粒浓度瞬时升高，给排采中的气井煤粉颗粒防治带来严重的干扰，更为严重的是固井水泥环断裂对分段射孔、规避煤粉源等会造成很大干扰。

2）③类断裂形式形成的垂向裂缝会沟通上覆含水层，对煤储层解吸压力形成严重的压持，给煤层气井排采带来干扰。综上，为保持煤层气井井筒完整性和环空封隔能力，有必要提出煤层气井固井水泥石断裂力学判据，并以此为据进行煤层气井固井水泥浆材料的改性、材料力学性能优化以及相关完井工艺的改进。

4.2 射孔辐射裂纹长度对水泥石致裂的影响

由上述分析得知，射孔作业环节聚能射孔弹对水泥石的高速、高压冲击作用会在射孔孔眼周缘形成放射状的辐射裂纹，辐射裂纹充当了后期大规模压裂液注入阶段撑开水泥环的诱导裂缝（作用类似于预制裂缝）。依据断裂力学判据可知，当作用于固井水泥石射孔辐射裂纹端部的应力强度因子大于水泥石断裂韧度时，则水泥石开裂。因此，如已知煤层气井水力压裂注入的压力，从抗冲击、阻裂角度确定固井水泥石在射孔环节可容许的最大辐射裂纹长度成为优化水泥浆材料的关键问题。依据断裂力学理论，裂缝端部应力强度因子（KI）主要与作用于裂缝内壁的流体净压力（σ）和辐射裂纹初始尺寸（a）的有关，如图7所示。

图7 压裂期间水泥石射孔炮眼附近辐射裂纹起裂模式图

其中应力强度因子可由式（3）计算：

式中σ表示作用于裂缝内的流体净压力，MPa；a表示射孔炮眼辐射裂纹长度，m。

本研究中已通过压痕法测试获得沁水盆地南部典型煤层气井固井水泥石的断裂韧度的值，同时笔者前期对煤层气井水力压裂作用于固井水泥石的有效致裂能量——破裂压裂当量（Pt）进行过研究[21]，即可用式（3）对射孔阶段容许的固井水泥石射孔炮眼周缘辐射裂纹的最大长度进行计算，实例计算：已知沁水盆地南部典型煤层气井固井水泥石的断裂韧度为0.71 MPa·m1/2，而压裂期间实际作用于水泥石的有效致裂压力为20 MPa。因此计算得出射孔阶段容许的固井水泥石射孔炮眼周缘辐射裂纹的最大长度为400 μm。为了实现控制射孔炮眼附近辐射裂纹长度、阻止水泥石大规模破裂的目的，有必要对研究区煤层气井固井水泥浆体系进行改进，应选择具备抗冲击、分散外部载荷性能的高韧性复合水泥浆材料体系[20,22]。

同时，压裂注入期间应注意控制压裂液注入压力，防止固井水泥石沿炮眼辐射裂纹部位进行开裂，维持气井井筒的完整性，保障水泥环的环空封隔能力。

5 结论

1）基于压痕法对采取自沁水盆地南部煤层气井固井水泥石原样进行维氏硬度、断裂韧度测试，结果显示，煤层气固井水泥石维氏硬度平均为108.72 kgf/mm2，材质较为坚硬，模量高；水泥石断裂韧度值介于 0.46 ～ 0.71 MPa•m1/2，平均为 0.57 MPa•m1/2。与高韧性水泥复合材料相比，目前煤层气井固井水泥石在抗冲击、裂缝控制方面明显不足，是导致压裂期间井筒环空封隔失效的重要内在因素。

2）固井水泥石破坏的形式主要包括：①沿着螺旋形射孔连线方向进行开裂，形成菱形水泥石断块；②相邻的三个射孔炮眼间水压裂缝相互沟通而切割形成三角状断块，水泥石破裂对分段射孔、规避煤粉源、分段开发等造成很大干扰；③固井水泥石上垂向裂缝沟通上覆含水层，形成流体互窜对煤储层压力降形成严重的压持，制约了煤层气井的产能。

3）当压裂液在射孔炮眼辐射裂纹端部产生的应力强度因子大于水泥石的断裂韧度值时，水泥石沿着辐射裂纹开裂，固井水泥环发生整体破坏。从抗冲击、阻裂角度计算得知研究区煤层气井固井水泥石可容许的最大辐射裂纹长度为400 μm，选用抗冲击、高韧性复合水泥材料是本区煤层气井固井的关键。