煤层气近井煤缝壁面滤饼的结构与硬度特征及工程意义

陈立超 王生维 张典坤

1.内蒙古工业大学矿业学院 2.煤与煤层气共采国家重点实验室g晋煤集团 3.中国地质大学（武汉）资源学院

0 引言

煤层气近井储层大裂隙内普遍存在着钻完井液侵入形成的煤缝壁面滤饼结构[1-3]，该结构对压裂裂缝的起裂和延展具有较为复杂的制约关系——煤储层压裂裂缝的起裂部位、后续延展形态与压裂砂的分布位置、铺置方式等均受控于煤缝壁面—钻完井液滤饼界面的类型、结构及力学性状。矿井解剖发现：①近井筒压裂裂缝多沿固井水泥滤饼与钻完井液滤饼间界面开裂，后期压裂裂缝沿着该界面稳定扩展，形成的压裂充填裂缝几何形态较为简单，追注的支撑剂往往沿着界面间开裂的缝隙饱和充填，最终形成短宽型单一裂缝；②井下发现煤缝壁面—固井水泥滤饼界面很难破坏，保存较好，因此近井部位该类界面的样品相对较多。少数压裂裂缝会沿着界面一侧煤岩原生裂隙延展，但形成的压裂裂缝的规模较小，几何形态复杂呈辨状或簇状，支撑剂充填于小裂缝空间内且铺置浓度较低。由于煤层气在钻完井期间浆液侵入的普遍性以及界面结构与压裂裂缝延展关系的复杂性，迫切需要摸清煤层气近井部位煤缝壁面滤饼的结构与力学性状及其对压裂裂缝起裂延展的控制作用机制，从而为煤储层压裂裂缝延展机制理论深化、压裂裂缝起裂延展模式的精准构筑及压裂效果评价提供科学参考。

然而目前关于煤层气近井煤壁滤饼界面结构、界面力学性质及其对煤储层压裂裂缝延展影响等问题的研究甚少，尤其是开展过矿井精细解剖、针对界面原始样品测试的研究成果尚未见到公开报道。目前已有的相关研究工作也主要集中在油气井固井完整性评价[4]、固井水泥浆体系材料性能研究[5-6]、固井界面强度评价方法[7]、提升界面胶结强度改性技术[8]、煤层气低密度固井技术[9-10]等方面。为此，笔者基于沁水盆地南部煤层气井矿井解剖，对原始界面样品利用SEM观测、EDS能谱分析、矿相XRD分析等手段研究了煤缝壁面滤饼宏微观组合形式及搭接结构，厘定界面区元素分布特征，并利用压痕法对煤缝壁面滤饼维氏硬度特征规律进行测定。在此基础上，提出煤缝壁面滤饼界面结构及力学性状对煤储层压裂裂缝起裂、延展的控制模式，以期为煤层气水力压裂裂缝延展机制深化及破裂压力精准预报提供新的思路。

1 近井煤缝壁面滤饼的结构特征

1.1 界面的形式

沁水盆地南部煤层气井解剖发现，近井煤储层压裂裂缝内煤缝壁面滤饼圈层包括：最内层的固井水泥滤饼界面（图1-a）、中部钻完井液滤饼—固井水泥滤饼界面（图1-b）以及外侧的钻完井液滤饼壁面（图1-a）3类，其中固井水泥滤饼结合紧密、胶结强度高，矿井解剖取样中发现该类界面形式发育最普遍，水泥与煤体直接接触界面界限也较为清晰，部分固井水泥滤饼样品显示出因固井水泥浆沿煤壁次级裂隙侵入而形成“锚固”效应，故界面结合强度高（图1-c）；而矿井解剖中钻完井液滤饼—固井水泥滤饼界面样品较少，且钻完井液滤饼薄且力学强度弱，该界面多为压裂裂缝开裂面，压裂后压裂液滤饼主要呈残片状附着于固井水泥滤饼或煤壁上，钻完井液滤饼外侧为压裂液稠化聚合物粘连的支撑剂铺砂层[11]。

图1 煤层气近井煤壁—钻完井液滤饼胶结界面区宏微观结构特征照片

微观上，煤缝与固井水泥滤饼界面结合较为紧密，界面位置间隙度小于10 μm，界面相对曲折，与煤岩高度脆性形成的参差状断口形态有关（图1-d）。一方面由于目前煤层气固井水泥浆高密度导致该界面形成了很好地“涂抹砌体”结构，同时由于水泥浆沿着煤壁两侧的内生裂隙挤侵形成锚固，导致该界面的结合紧致强度较高；另一方面推测为固井水泥浆侵入煤储层构造大裂隙后近煤壁的水泥浆中水分子沿着煤壁内生裂隙渗滤导致水泥浆水灰比减小，水化反应形成水泥石强度高[12]，而且笔者在固井水泥滤饼一侧靠近界面位置发现有大量的氢氧化钙晶体（CH），CH呈长柱状垂直于界面方位发育。有趣的是，固井水泥中矿物晶体体积有靠近界面位置晶体体积逐渐减小的趋势（图1-e），靠近界面位置晶体在20 μm左右，界面位置矿物晶体越细小界面间隙越紧闭，整体上该界面的结合较为紧密，强度高；相对而言，固井水泥滤饼—钻完井液滤饼界面区接触平坦、结合的紧密性较差，界面的间隙相对固井水泥滤饼—煤岩界面区大，局部该界面间隙可达20 μm以上（图1-f），而且在该界面区可以发现两期侵入滤饼间发育有因热应力或化学应力作用而产生的次生裂缝，裂缝发育的方位与界面区垂直，辐射裂缝的发育会对界面的结合强度造成不利影响。

值得注意的是，煤缝壁面上固井水泥滤饼界面与固井水泥—钻完井液滤饼界面区的基材没有发生显著的理化变化，界面清晰、分界明显，均属于惰性接触界面，一定程度上限制了界面的结合强度。

1.2 煤缝壁面上滤饼元素组成特征

1.2.1 固井水泥滤饼元素分布特征

图2为采自沁水盆地南部矿井解剖现场的煤层气近井压裂裂缝内固井水泥煤缝壁面滤饼样品的元素能谱分析（EDS）结果，其中该界面上半区靶点（绿色十字丝位置，图2-a）元素分布特征为：C元素比重94.05%（原子百分率），以及少量的O元素（5.51%，未特别注明均为质量分数），其余为Si（0.16%）、S（0.12%）、Al（0.09%）、Ca元素（0.06%），从元素组分上整体上显示为高阶变质煤C元素富集杂质矿物含量低的特征（图2-b）；该界面下半区靶点（红色十字丝位置，见图2-a）其元素组成特征为：O（33.74%，原子百分率）、C（32.59%）、Ca（21.46%）为主要组成元素，其余还含部分Si（8.85%）、Mg（2.05%）、Al（0.77%）、Fe（0.29%）、S（0.25%）等元素（图2-c），呈现固井水泥石的元素组成特征，水泥滤饼样品XRD衍射分析显示该固井水泥滤饼主要矿物组分为硅铝酸钙凝胶（C-S-H）、铁铝酸钙以及部分氢氧化钙晶体（CH），为常规油井水泥的水化产物矿相，结合界面微观结构SEM分析认为该界面区上下半区材料在元素组成和矿物成分方面的化学亲和性较弱、元素迁徙的阻断效应较强，同时在界面形成的常规温压环境下界面区元素扩散效应较弱，仅存在部分C元素的迁徙，整体上属于较为惰性的接触界面，制约了界面的胶结强度，在相对较高的载荷作用下该界面会发生破坏。

图2 煤层气近井煤壁—固井水泥滤饼界面区元素分布能谱特征图

1.2.2 固井水泥—钻完井液滤饼界面元素分布特征

图3为沁水盆地南部矿井解剖现场采取的煤层气近井压裂裂缝内的固井水泥—钻完井液滤饼界面样品的元素分布能谱分析（EDS）结果，其中该界面的上半区靶点（绿色十字丝位置，图3-a）元素分布特征：O（57.73%，原子百分率）、C（19.51%）、Ca（11.76%）为主要组成元素，其余还含部分Si元素（6.98%）、Mg（1.21%）、Al（1.67%）、Fe（0.87%）、S（0.26%）等元素（图3-b），该区元素组成上显示出常规油井水泥的元素组成特征。该界面的下半区靶点（红色十字丝位置，图3-a）其元素组成特征为：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（图3-c）。结合样品矿相XRD衍射分析，认为该区材料的组成矿相为SiO2、Al2O3及少量的Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2等，显示出典型的黏土矿物的物料特征，依据SiO2、Al2O3的化学式分子式比值可以确定黏土矿物的类型，本样品中SiO2∶Al2O3＞4，因此判断该样品中黏土矿物主要为蒙脱石，即为普通钻井液的主要造浆矿物。固井水泥—钻完井液滤饼界面区元素的化学亲和力较强、但元素迁徙的阻断效应较强很难形成活性界面[13-14]，界面胶结强度较低，相对于固井水泥滤饼界面，本界面更易开裂。

图3 煤层气近井固井水泥—钻完井液滤饼界面区元素分布能谱特征图

2 煤缝壁面—滤饼界面的硬度特征

由于钻完井滤饼和煤岩为截然不同的材料类型，同时二者结合界面间尚未发现有元素扩散效应（或较弱），亦无发现存在晶体生长搭接而形成的界面结合效应，因此煤缝壁面滤饼其力学性能与各单一组成材料差异显著[15-16]。笔者利用硬度计（HXO-1000TM）对采自沁水盆地南部矿井下的钻完井煤缝壁面滤饼样品进行压痕法测试，分别获取沿煤缝壁面法向上的煤缝壁面—界面—固井水泥滤饼及固井水泥滤饼—界面—钻完井液滤饼—煤缝壁面部位的材料硬度特征值，通过硬度值与界面距离间规律分析，总结两类界面结合强度差异。

图4为界面区的硬度打点图。近井煤储层压裂裂缝内固井水泥煤缝壁面滤饼硬度打点情况如图4-a所示，从固井水泥滤饼区向煤壁区方向上布置5个压点，压痕测试结果显示：该样品的材料维氏硬度（Hv）值与距界面距离之间的关系具有以下关系：在远离结合界面的固井水泥滤饼基质部位材料Hv值较高为96.45 kgf/mm2，向界面方向材料的Hv值略有下降，在固井水泥滤饼和煤壁界面位置Hv值下降为45 kgf/mm2，向煤壁方向的Hv值略有提升为50 kgf/mm2左右，整体上由固井水泥石向煤岩方向材料Hv值先降低后期基本稳定（图4-c），说明煤缝壁面的固井水泥滤饼部位是整个材料的薄弱界面，但与煤岩相比不明显。

图4 钻完井煤缝壁面滤饼区维氏硬度（Hv）值分布特征规律图

煤储层压裂裂缝内固井水泥滤饼—界面—钻完井液滤饼—煤壁样品硬度打点情况如图4-b所示，从固井水泥滤饼区向煤壁区方向上布置4个压点，参考1个煤岩硬度值。压痕测试结果显示：材料Hv值与界面距离之间的关系为在煤壁区材料的Hv值为49 kgf/mm2，由煤岩向钻完井液滤饼方向过渡材料的Hv值降低至26 kgf/mm2，反映煤壁—钻完井液滤饼界面力学强度薄弱，易成为水力压裂中优先破裂位置，由钻完井液滤饼向固井水泥滤饼方向过渡，材料的Hv值迅速提升至90 kgf/mm2以上（图4-d），固井水泥滤饼—钻完井液滤饼间界面部位同样属于力学薄弱面，后期水压极易破坏界面从而成为压裂裂缝起裂延展的诱导路径。整体上，由煤岩向钻完井液滤饼—固井水泥石滤饼方向上，压头压痕尺寸先增大后逐渐减小，说明由煤岩向钻完井液滤饼方向材料的强度逐步削弱，而由钻完井液滤饼向固井水泥滤饼方向材料的强度迅速回升。

从滤饼基质及界面区硬度测试结果可以看出，维氏硬度值能够客观地反映界面的结合强度特征[17-18]。固井水泥煤缝壁面滤饼的结合强度明显高于固井水泥滤饼—钻完井液滤饼—煤岩组成的界面，原因包括：①锚固作用原理。由于煤岩内部内生裂隙极其发育，因此固井水泥浆沿原生大裂隙侵入煤储层内部后，在压差作用下会继续向大裂缝壁面的次级内生裂隙侵入，后期形成“锚栓式”结构，固井水泥滤饼和煤壁界面实则是由大量的锚栓固定锁卡，因此二者间的界面结合强度相对较高。②涂层作用原理。在煤岩—钻完井液滤饼—固井水泥滤饼界面黏合作用中，由于煤岩和固井水泥滤饼之间有一层钻完井液滤饼的涂抹，后期固井水泥浆很难向煤壁次级内生裂隙挤侵，钻完井液滤饼充当了隔挡层。因此有钻完井液滤饼发育的一侧如固井水泥滤饼—钻完井液滤饼—煤岩组成的界面，其结合强度往往比较弱。

3 界面对煤储层压裂裂缝延展的影响

3.1 界面胶结强度对压裂裂缝起裂的影响分析

通过沁水盆地晋城区块煤层气井的矿井解剖，认为煤储层近井部位煤缝壁面的钻完井液滤饼结构、力学性状对压裂裂缝起裂、初期延展影响关键。因此，笔者提出了综合考虑煤储层近井裂缝内煤缝壁面钻完井液滤饼效应的煤层破裂压力计算式：

式中pf表示煤层破裂压力，MPa；B表示钻完井液滤饼和煤壁界面的胶结强度，MPa；σh表示作用于破裂面法向上的最小水平主应力，MPa。

3.2 界面特征对近井压裂裂缝延展及支撑剂充填的影响

图5为煤层气近井部位钻完井液滤饼(FCO)控制下的压裂裂缝起裂及支撑剂充填模式，当近井部位煤储层构造大裂隙内的界面组合形式为煤缝壁面—钻完井液滤饼—固井水泥滤饼(FCC)时，由于煤岩—钻完井液滤饼、钻完井液滤饼—固井水泥滤饼组合界面均为力学薄弱面，因此水力压裂期间压裂裂缝优先突破煤岩—钻完井液滤饼的界面、后期在煤岩—钻完井液滤饼间形成压裂裂缝（图5-a），从矿井解剖现场采集的样品也证实压裂裂缝的延展主要受该类型界面控制。同时，在压裂期间煤岩—钻完井液滤饼开裂不完全，因此在部分煤岩裂缝壁面上依稀可见残留的钻完井液滤饼。该类界面控制下的压裂裂缝相对固井水泥—煤岩界面控制的压裂裂缝起裂难度较低，关键是由于压裂裂缝初期延展具备界面导引效应因此压裂裂缝发育规则平直，裂缝延展效果较好，而且后续支撑剂集中充填于主干压裂裂缝内，铺砂浓度高，颗粒铺置效果好，多形成短宽型压裂充填裂缝。

图5-b所示为煤缝壁面固井水泥滤饼控制下的压裂裂缝延展及支撑剂充填模式。由于固井水泥滤饼与煤岩界面结合强度接近、部分大于煤岩基质部位的强度，因此当近井煤储层内构造节理缝内为固井水泥滤饼与煤岩结合界面时，此时煤储层压裂裂缝的延展在基本服从平行最大主应力的前提下[19-20]，压裂裂缝沿结合界面外侧的煤岩内生裂隙起裂，后期支撑剂沿拓宽的内生裂隙缝内铺置。相对而言，该界面控制下的压裂裂缝延展初期即发展为复杂的多裂缝竞争模式，很难形成主干优势型导流通道，而且后期支撑剂的充填杂乱，铺砂效果很差，铺置位置主要受煤储层原生次级裂缝的控制，由于未能形成宽的主干裂缝，因此后续加砂中极易发生砂堵。

图5 煤层气近井煤缝壁面滤饼界面区压裂裂缝延展模式图

4 结论

1）煤层气近井储层构造大裂隙内界面形式包括:固井水泥滤饼型及固井水泥滤饼—钻完井液滤饼组合型，前种界面的结合更为紧密。

2）固井水泥滤饼界面区两侧在元素组成和矿物成分方面的化学亲和性较弱、但存在C元素迁徙效应，属于惰性界面；而固井水泥滤饼—钻完井液滤饼在其搭接部位化学亲和力较强、但元素迁徙的阻断效应较强很难形成活性界面。因此两种界面的结合化学作用贡献较小。

3）压痕结果显示，固井水泥滤饼界面中水泥石硬度＞煤岩硬度＞界面硬度，而固井水泥滤饼—钻完井液煤缝壁面滤饼中水泥石硬度＞钻完井液滤饼硬度＞界面硬度，搭接界面是样品中的力学薄弱面。提出水泥浆的锚固力学作用与钻井液涂层作用是导致固井水泥滤饼结合强度明显高于固井水泥滤饼—钻完井液滤饼—煤岩界面的关键因素。

4）固井水泥滤饼界面区水力压裂裂缝起裂延展主要沿煤岩次级原生裂缝，形成裂缝形态复杂，支撑剂分散式填置于次级原生裂缝内，很难形成主干充填裂缝；而存在钻完井液滤饼界面区压裂裂缝延展多沿固井水泥—钻完井液滤饼的薄弱界面，形成压裂裂缝单一、支撑剂集中铺置在主干压裂裂缝内并构筑成短宽型充填缝。