固井水泥浆对裂缝割理发育型煤层气储层的伤害机理
孙晗森1, 王成文2
1.中联煤层气有限责任公司
2.中国石油大学(华东)石油工程学院
通讯作者:王成文,1975年生,教授,博士生导师;主要从事油气井固完井工程、油田化学等方面的研究工作。地址:(266580)山东省青岛市黄岛区长江西路66号。ORCID: 0000-0002-0470-6575。E-mail: wangcw@upc.edu.cn

作者简介:孙晗森,1973年生,教授级高级工程师;主要从事煤层气工程等方面的研究工作。地址:(100016)北京市朝阳区酒仙桥路乙21号国宾大厦。ORCID: 0000-0002-5523-9268。E-mail:sunhs@cnooc.com.cn

摘要

我国滇东黔西地区煤层气储层割理、裂缝发育,破裂压力低,固井水泥浆(以下简称水泥浆)容易侵入煤层气储层,造成储层伤害以及储层改造破裂压力异常升高等现象。为了揭示水泥浆伤害该类煤储层的机理,在分析煤岩的理化性能和潜在伤害方式的基础上,通过CT扫描、电镜扫描等技术手段,直观分析煤心内部污染前后裂缝、孔隙结构发育情况与水泥浆在裂缝、孔隙中的侵入、堵塞情况,进而计算得到水泥浆和裂缝在煤心中的体积占比关系,建立了水泥浆伤害煤储层的定量评价方法。研究结果表明:①水泥浆及其滤液在压差作用下沿煤储层的裂缝侵入储层内部,其侵入程度随裂缝、孔隙发育程度变化,裂缝、孔隙越发育,侵入程度越高;②侵入储层内部的水泥浆经胶结固化后,形成的水泥产物在裂缝、孔隙中致密填充,并致密覆盖煤心表面,严重堵塞煤层气流通通道,表现出固化后的水泥产物使煤心渗透率降低、煤岩抗压强度升高,使后续压裂破裂压力异常升高,影响压裂改造效果;③水泥浆滤液对煤岩的碱敏、速敏影响程度远小于水泥浆侵入对煤岩的伤害程度。结论认为,所建立的水泥浆污染煤储层的定量评价方法对提高煤储层固井质量、保证煤层气高效开发等都具有指导作用。

关键词: 滇东黔西; 煤层气; 储集层; 割理裂缝发育; 固井水泥浆; 伤害机理; 伤害评价; 煤心; 渗透率
Damage mechanism of cement slurry to CBM reservoirs with developed fractures and cleats: A case study from eastern Yunnan and western Guizhou in China
Sun Hansen1, Wang Chengwen2
1. China United Coalbed Methane Co., Ltd., Beijing 100016, China
2. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum <East China>, Qingdao, Shandong 266580, China;
Abstract

The coalbed methane (CBM) reservoirs in the areas of eastern Yunnan and western Guizhou are characterized by developed cleats and fractures and low fracturing pressures, so cementing slurry ("slurry" for short) can invade into CBM reservoir easily, resulting in reservoir damage and abnormal increase of reservoir transformation fracturing pressure. In order to reveal the damage mechanisms of slurry to this type of coal reservoirs, we analyzed the physical and chemical properties and potential damage modes of coal rocks. Then, the development situations of fractures and pores before and after the coal core samples were internally contaminated and the invasion and plugging situations of slurry in fractures and pores were analyzed intuitively by means of CT scanning and scanning electron microscope (SEM), and the percentage of slurry and fractures in coal core volume was calculated. In this way, a method to quantitatively evaluate the damage of slurry to coal reservoirs was established. And the following research results were obtained. First, under the effect of differential pressure, slurry and its filtrate invade into coal reservoirs along the fractures. The invasion degree varies with the development degree of fractures and pores. The more developed the fractures and pores, the higher the invasion degree. Second, the cement products formed after the slurry in the reservoirs gets cemented and solidified fill the fractures and pores tightly and cover the surface of coal core samples densely, so CBM flowing channels are blocked severely. Consequently, the permeability of coal core samples decreases and the compressive strength of coal rocks increase, leading to the abnormal increase of subsequent fracturing pressure and impacting the fracturing stimulation effects. Third, the effect of slurry filtrate on the alkali sensitivity and speed sensitivity of coal rocks is much less than the damage degree of slurry invasion to coal rocks. In conclusion, this newly developed quantitative evaluation method for the damage of slurry to coal reservoirs is of guiding significance to improving the cement job quality of coal reservoirs and ensuring the efficient CBM development.

Keyword: Eastern Yunnan and western Guizhou; Coalbed methane; Reservoir; Developed and cleat and fracture; Cementing slurry; Damage mechanism; Damage evaluation; Coal core; Permeability
0 引言

煤层气(简称CBM)是一种新型的洁净、优质、非常规天然气资源[1, 2, 3, 4], 以CH4为主要成分, 具有燃烧效率高、发热量大的优质特点[5, 6, 7, 8]。作为对常规油气资源的重要补充能源, 煤层气的有效开发利用, 可以优化能源比例结构, 同时又能减少煤矿生产过程中的瓦斯泄露隐患, 提高生产安全性, 保护大气环境[9, 10]。我国滇东黔西区域煤层气资源丰富, 可供勘探的资源介于1× 1012~1.5× 1012 m3, 约占中国煤层气资源的10%[11, 12]。该断裂构造发育, 储层煤岩破裂压力低, 割理、内生裂隙发育[13, 14], 部分矿区割理密度大于300条/m, 容易导致固井水泥浆(以下简称水泥浆)对储层煤岩的侵入伤害, 造成该地区部分煤层气井在压裂过程中存在破裂压力异常升高的现象。2010年, Mohammad等[2, 15, 16]提出水泥浆侵入到煤层割理中后会严重影响后续的水力压裂和支撑剂充填, 但是并没有具体的影响数据。笔者在分析煤岩的理化性能和潜在伤害方式的基础上, 建立了水泥浆伤害煤储层的定量评价方法, 揭示了煤储层的水泥浆伤害机理, 对保护煤储层固井、保证煤层气高效开发具有重要指导意义。

1 煤岩理化性质分析
1.1 煤岩物质组成分析

取滇东黔西区域现场煤样, 用研钵将煤岩研磨成粉末状, 在真空条件下进行干燥处理, 温度保持40 ℃; 采用X'pert PRO MPD X射线衍射仪(荷兰PANalytical公司)对煤岩进行物相分析, 结果如图1所示。

图1 煤岩X射线衍射图

由图1可以看出, 煤岩中所含矿物以方解石、石英以及高岭石等矿物为主。由于高岭石等黏土矿物水敏性强, 当煤层与外来工作液接触时, 易发生吸水而导致黏土矿物剧烈、快速水化膨胀, 膨胀后的黏土矿物会造成煤层中孔喉缩径, 甚至是堵塞煤岩的裂缝和孔隙, 严重阻碍煤层气的流动运移, 降低煤岩渗透率。水泥浆所产生的滤液可以通过煤岩裂缝及孔隙渗入煤层, 是固井过程中的常见外来工作液。

1.2 煤岩微观结构分析

取滇东黔西区域现场煤样典型样品, 真空镀金, 采用S4800场发射扫描电子显微镜(日本Hitachi公司)观察煤层煤样的形貌和微观结构, 结果如图2所示。由图2可以看出, 煤岩构造相对致密, 煤岩表面存在少量石英及黏土矿物; 裂缝和孔隙均较为发育, 其中部分裂缝延伸性较好, 长度较长, 部分裂缝两端均闭合, 长度较短, 裂缝之间存在较好连通性, 裂缝中填充有少量黏土矿物; 孔隙成群分布, 较为密集, 气孔群内部连通性较好。

图2 红果3号煤样的微观结构SEM图

2 水泥浆对煤岩伤害机理分析
2.1 煤心伤害实验

煤层气井常用清水钻进, 若采用钻井液, 注水泥浆之前需要将钻井液滤饼冲刷掉, 使水泥浆与储层直接接触。因此在进行污染实验过程中, 不考虑滤饼的存在, 直接用水泥浆污染煤心。实验步骤如下:

1)将标准煤心(Ø 2.5 mm× 5.0 mm)放入岩心动态污染夹持器(自主研发)中, 严密封实, 通过加压泵施加压力, 模拟地层围压。

2)将制备的常规低密度水泥浆(ρ =1.6 g/cm3)通过注液口注入岩心动态污染夹持器浆筒中, 旋紧盖体。

3)在温度测量表上设置温度值, 打开加热键和搅拌键, 保持水泥浆流动性良好, 对煤岩进行污染, 其中, 模式地层条件设置实验参数:压力3.5 MPa, 围压4.0 MPa, 温度40 ℃。

2.2 煤心污染前后显微CT扫描分析

显微CT扫描可对煤心的内部结构进行无损成像, 直观、清晰地观察煤心内部结构, 可作为煤层气储层机理分析的重要技术手段。通过显微CT扫描, 可以分别从二维、三维角度清晰、直观地观察煤心内部裂缝、孔隙等结构发育情况, 结合煤心污染实验, 可以直观地观察污染后水泥浆在煤心内部裂缝、孔隙中的侵入、堵塞情况。并且, 显微CT扫描分析可以对污染情况进行定量分析, 计算得到煤心内部裂缝的长度、宽度等数据, 计算得到水泥浆和裂缝在煤心中体积占比关系, 对煤心的水泥浆污染伤害进行精确评价。

2.2.1 煤心CT扫描的二维分析

图3为常规低密度水泥浆污染前后煤心CT扫描二维分析图像。图3-a为水泥浆污染前煤心CT图像, 可以看出, 煤心内部裂缝较为发育, 有多条从端面延伸至内部的裂缝。而常规低密度水泥浆污染后(图3-b), 裂缝中填充有水泥浆, 可以推断, 水泥浆通过裂缝侵入煤心内部, 且侵入深度较大, 堵塞煤心内部裂缝及与其相连通的孔隙, 甚至在水泥石固结后, 可将煤心内部的裂缝、孔隙封固, 产生难以逆转的储层损害。

图3 水泥浆污染前后煤心CT扫描二维结构分析图

2.2.2 煤心CT扫描的三维分析

图4为通过阈值分割的方法提取出侵入煤心内部的水泥浆和裂缝, 通过彩色渲染等方法得到煤心内部水泥浆— 裂缝结构的三维提取图, 图4从三维角度更为直观地观测、分析裂缝和侵入的水泥浆在煤心中分布, 并可进一步定量计算其所占的比例大小, 分析水泥浆侵入程度。根据计算可得, 水泥浆体积占裂缝体积的32.78%, 占煤心样品体积分数的0.73%。

图4 侵入的水泥浆— 裂缝三维结构图

2.2.3 侵入的水泥浆— 裂缝定量关系分析

为进一步分析侵入的水泥浆和裂缝的定量关系, 选取侵入有水泥浆的裂缝进行切片处理, 对不同切面的面孔隙率做定量分析, 结果如图5所示。

图5 侵入的水泥浆— 面孔隙率关系图

由图5可以看出, 不同切面的面孔隙率的变化波动较大, 在裂缝分布较多的面, 水泥浆的分布也较多, 整体趋势相近, 可以推断, 水泥浆的主要分布在裂缝中, 但并不是所有裂缝均有填充。污染开始端裂缝较为发育, 面孔隙度高, 水泥浆分布占比也较高, 但在121层时裂缝体积分数急剧下降, 之后随裂缝体积分数增大, 水泥浆体积分数基本保持不变。说明裂缝在121层发生了闭合, 水泥浆无法继续侵入。因此, 裂缝闭合可有效阻止水泥浆侵入, 但若裂缝持续扩展, 水泥浆可沿着裂缝继续侵入煤心内部并造成伤害。

2.3 煤心污染后扫描电镜分析

利用扫描电镜, 对污染后的煤心进行微观结构分析, 结果如图6所示。由图6可以看出, 水泥浆侵入煤岩后发生固化、胶结, 在裂缝内存在明显的水泥石水化产物— — 纤维状的水化硅酸钙(CSH), 这些纤维状水化产物通过相互穿插成致密空间结构, 充分且密实地填满煤岩裂缝及其相连孔隙, 严重堵塞了气体流通通道。同时, 在煤岩表面同样紧密覆盖有明显水泥水化产物。

图6 水泥浆污染后的煤心SEM图

2.4 煤心污染前后渗透率测试

参照行业标准SY/T 5336— 1996, 测试常规低密度水泥浆污染前后煤心渗透率, 实验结果取5次测试数据平均值, 如图7所示。

图7 常规低密度水泥浆污染前后的煤心渗透率图

由图7可以看出, 常规低密度水泥浆污染后, 1~8号煤心渗透率均有不同程度的降低, 且降低幅度均较大, 平均渗透率降低幅度为43.36%。进一步分析图中各组数据可得, 原始渗透率较大的煤心, 其污染后渗透率下降幅度较大, 最高可达52.89%, 相反, 原始渗透率较小的煤心, 其污染后渗透率下降幅度较小, 最低为35.41%。煤心渗透率越大, 其裂缝、孔隙往往越发育, 水泥浆侵入越严重, 对裂缝、孔隙的堵塞程度大, 渗透率降低幅度大。

2.5 煤心污染前后抗压强度测试

利用水泥浆污染前后煤心抗压强度测试, 分析水泥浆侵入对煤心力学性能的影响。由于常规三轴强度测试破坏煤心, 导致无法对同一块煤心污染前后抗压强度变化有效对比, 为此, 采用无损超声波检测技术, 对同一煤心污染前后抗压强度进行测试[17], 测试结果如图8所示, 常规低密度水泥浆污染后, 1~8号煤心的抗压强度均有不同幅度的升高, 平均升高百分比为29.39%。进一步分析数据可得, 原始抗压强度越小的煤心, 常规低密度水泥浆污染后的抗压强度升高百分比越大, 幅度程度最低为17.49%, 最高为38.91%。原始抗压强度越小的煤心, 其裂缝、孔隙往往较为发育, 因此水泥浆侵入更为严重, 水泥石在裂缝、孔隙中充填更为密实。水泥石固化后可具有较高的抗压强度, 因此水泥石在裂缝、孔隙中充填越充分, 煤心抗压强度升高程度越大。这也说明, 水泥浆易在煤储层裂缝、孔隙中充填、堵塞, 并进一步在裂缝、孔隙中固结, 严重影响气体运移, 污染、伤害储层。

图8 常规低密度水泥浆污染前后的煤心抗压强度图

2.6 煤心碱敏、速敏分析

水泥浆为碱性浆体, 且为保证其对钻井液顶替效率, 往往要求水泥浆达到一定流速。为充分分析水泥浆体系对煤岩方法, 测试了滇东黔西区域典型煤心碱敏、速敏。

煤岩碱敏实验结果表明, 随着pH值由7逐渐增大至13, 煤岩回收率曲线初始略有上升其后趋于平缓, 整体变化不大, 当pH值大于13时, 回收率下降趋势明显, 说明该条件下煤岩的碱敏较强。水泥浆滤液呈弱碱性, pH值约为12, 在该pH值条件下滤液对煤岩的伤害较小。

煤岩速敏实验结果表明, 随着液体流速增加, 煤岩渗透率变化不大, 属于弱速敏的范围。以上结果说明, 水泥浆滤液条件下, 煤岩的碱敏、速敏较弱, 对储层伤害较小。

2.7 水泥浆对煤储层的伤害机理

综合以上结果, 得到水泥浆对煤储层的伤害机理:

1)随缝侵入, 水泥浆及其滤液压差作用下沿煤储层的裂缝侵入储层内部, 其侵入程度随裂缝、孔隙发育程度变化, 裂缝、孔隙越发育, 侵入程度越高。

2)固化堵塞, 侵入到煤心的水泥浆, 在裂缝、孔隙中填充, 并逐渐固化, 在裂缝中致密胶结, 并紧密覆盖煤心表面, 严重堵塞煤层气流通通道, 若裂缝未闭合而是持续延伸, 则水泥浆可继续沿裂缝侵入煤心深部, 造成更为严重的堵塞, 大大降低煤储层渗透率。

3)抗压强度异常升高, 水泥浆侵入后, 通过水泥浆水化固化, 致密填充煤岩内部孔隙, 充分胶结煤岩基质, 使煤岩抗压强度大大提升, 且固化后的水泥产物难以酸解, 使后续压裂破裂压力异常升高, 影响压裂改造效果。

3 结论

1)滇东黔西区域煤岩所含矿物主要包括方解石、石英以及高岭石等黏土矿物, 煤岩的裂缝和孔隙均发育, 且裂缝、孔隙之间连通性较好。

2)水泥浆主要沿煤储层的裂缝侵入储层内部, 胶结固化后形成的水泥产物在裂缝、孔隙中致密填充, 并致密覆盖煤心表面, 严重堵塞煤层气流通通道。

3)水泥浆侵入可使煤心的渗透率降低52.89%, 可使煤心抗压强度异常升高38.91%。且裂缝、孔隙越发育的煤心, 水泥浆侵入对煤心渗透率和抗压强度的影响程度越大, 而水泥浆滤液对煤岩的碱敏、速敏表现为弱敏感, 远低于水泥浆对煤岩的伤害程度。

The authors have declared that no competing interests exist.

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