粗糙套管提高煤层气固井胶结强度实验研究

刘俊君，卞江，冯彬，张毅

（1.中石化江汉石油工程有限公司，湖北 武汉 430100；2.中石油吉林油田公司，吉林 松原 138000；3.中石油煤层气有限责任公司，北京 100095）

煤层气作为煤的伴生矿产资源，是一种非常规天然气，属于无污染的优质能源。中国煤层气资源丰富，可采储量达到 4.70×1014m3，具有非常大的开采潜力，是对我国能源的重要补充[1]。由于煤层通常具有低孔低渗等特性，为了提高采收率，需要通过射孔压裂对储层进行改造[2-3]，但是由于煤层有机质含量高、节理发育、节理面光滑，导致煤岩与固井水泥石界面胶结强度弱、煤层段固井质量差，严重制约了煤层气的经济有效开发。固井质量的优劣，受到诸多因素影响，如套管表面光滑度[4-8]，为了克服现有套管表面光滑而导致水泥与套管之间胶结差的问题，有必要研究一种新的外表面粗糙化套管。这种粗糙化套管可以有效提升套管与水泥环胶结强度，从而提高整体固井效果和质量，延长开发井开采寿命，保证煤层气的长期开发和稳产。

1 模拟套管外表面粗糙化处理

模拟套管外表面粗糙化处理是在不影响套管本身强度的情况下，分别将套管外表面进行凹圆槽处理、网纹处理、螺纹处理，如图1所示。

1.1 凹圆槽粗糙化处理

模拟套管凹圆槽处理过程是在套管本体外表面使用小尺寸钻头打孔，套管外表面会变得粗糙不平整，从而使套管外表面面积增大，模拟套管凹圆槽粗糙化处理如图1（a）所示。

1.2 网纹状粗糙化处理

模拟套管网纹处理一般是使用滚刀在模拟套管外表面划出网纹状的槽线，套管外表面因此变得粗糙，从而增大套管主体外表面面积，模拟套管网纹状处理如图1（b）所示。

图1 网纹状处理模拟套管

1.3 螺纹状粗糙化处理方案

模拟套管螺纹处理过程是在模拟套管外表面使用车刀车出一道道螺纹，使套管外表面变得粗糙，以增大套管主体外表面面积，螺纹处理如图1（c）所示。

此外，为了进行对比，还设计加工了一外表面光滑模拟套管，如图1（d）所示。

2 粗糙化套管胶结强度实验研究

2.1 实验目的

通过分析对比外表面粗糙化处理后的套管与外表面光滑套管的固井一界面水力胶结强度、剪切胶结强度、粘结强度3 个实验数据结果[9-10]，找出一种较优的套管外表面粗糙化处理方案。

2.2 实验器材

2.2.1 水力胶结强度实验器材

固井壁面封隔验窜仪、外表光滑模拟套管（未进行粗糙化处理）、外表粗糙模拟套管（凹圆槽处理、网纹处理、螺纹处理）、外管、橡胶密封环、氮气泵、G 级水泥、搅拌器等。

2.2.2 剪切胶结强度实验器材

YAW-300C 型压力实验机、外表光滑模拟套管（未进行粗糙化处理）、外表粗糙模拟套管（凹圆槽处理、网纹处理、螺纹处理）、外管、G 级水泥、搅拌器、支撑底座等。

2.2.3 粘结强度实验器材

壁面拉伸实验仪、外表光滑模拟套管拉盖（未进行粗糙化处理）、外表粗糙模拟套管拉盖（凹圆槽处理、网纹处理、螺纹处理）、倒水泥模具、G 级水泥、搅拌器等。

2.3 实验步骤

2.3.1 水力胶结强度实验步骤

1）使用普通G 级水泥，通过搅拌器配置水灰比0.44 的水泥浆。

2）对外管内表面进行除锈处理，然后涂抹一层黄油，以保证水泥浆凝固后可以顺利卸下外管。

3）首先将一块纸板放置在地面上，以外管和模拟套管同等外径在纸板上画同心圆，然后在纸板上按照同心圆的位置放置外管与模拟套管，同时确保外管与模拟套管底部外沿与纸板上同心圆刚好重合。

4）将配置好的水泥浆倒入模拟套管和外管间的环空内。倒入过程中，适当搅动模拟套管与外管环空内的水泥浆，以使环空内水泥浆与模拟套管壁充分接触。等待水泥浆凝固。

5）卸掉外管，在橡胶密封环内放入粘结在一起的水泥环和模拟套管，再将其整体移入固井壁面封隔验窜仪的釜体中，然后将釜盖盖好、压帽压好，检查密封后进行施压操作。

6）在釜体中的橡胶密封环施加10 MPa 围压，以保证橡胶密封环和水泥环之间的界面没有验窜压力穿过，然后开始调节氮气泵的阀门，保持每5 min 0.2～0.5 MPa 的测试压力增量，对模拟套管和水泥环进行验窜测试操作，直到水泥环与模拟套管之间界面保持窜通，此时实验仪下部传感器压力值急剧上升并慢慢接近于上部传感器压力。

7）在增大围压直到窜通的整个实验过程中，要随时观察实验仪显示界面压力变化，最终实验仪显示压力与初始压力差值即为加载压力，记录相关数据。

8）上述步骤完成后，释放围压，将封隔验窜仪釜盖打开，将橡胶密封环、模拟套管与水泥环取出。

2.3.2 剪切胶结强度实验步骤

1）重复水力胶结强度实验步骤1～4。

2）在支撑底座放置固结在一起的外管、水泥环和模拟套管，然后将其移到压力机底部压盘上。

3）在YAW-300C 型压力实验机配套计算机软件上，调整软件工作模式为抗压模式、设置试件龄期为2、设置强度等级为42.5、设置加载速度为2.4 kN·s-1、设置试件规格为默认，点击运行，此时压力机上部压盘会慢慢向下移动，模拟套管受到上部压力。观察压力加载变化情况，直至模拟套管产生剪切位移为止。

4）实验完毕后，取下模拟套管、水泥环和外管。

2.3.3 粘结强度实验步骤

1）使用普通G 级水泥，通过搅拌器配置水灰比0.44 的水泥浆。

2）对外管内表面进行除锈处理，然后涂抹一层黄油，以保证水泥浆凝固后能顺利去掉外管。

3）在水泥模具中倒入配置好的水泥浆，在水泥模具中水泥浆表面压上套管模拟拉盖，然后转紧拉盖，以保证水泥浆和拉盖间没有间隙，同时排出水泥浆中含有的气泡，等待水泥浆凝固。

4）将水泥模具移除，然后在壁面拉伸实验仪上固定好水泥和拉盖，可以使用实验仪上、下拉杆上的螺纹进行固定。

5）通过壁面拉伸实验仪给上、下拉杆慢慢施加拉力，直到拉盖不与水泥接触。随时观察施加拉力过程中的粘结变化，当水泥与拉盖脱离，停止施加拉力，并记录相关数据。

6）上述步骤完成后，将实验模具取出放好。

3 结果分析

水力胶结强度、剪切胶结强度实验结果、粘结强度实验结果见表1。

表1 实验结果对比

从表1 可以看出，螺纹处理后的模拟套管水力胶结强度、剪切胶结强度最大，凹圆槽及螺纹处理后的模拟套管具有较好的粘结强度，而光滑套管所有强度均最小。

4 结论

1）套管外表面的粗糙化处理对固井质量有影响，套管表面经过粗糙化处理，能够提高套管与水泥之间的胶结强度。

2）螺纹处理后的套管与水泥之间的综合强度优于凹圆槽、网纹处理套管、光滑套管。

3）泥浆对粗糙化处理后的套管胶结强度影响有待研究，套管外表面螺纹粗糙化处理具体参数有待进一步优化。