煤層氣近井煤縫壁面濾餅的結構與硬度特征及工程意義

陳立超 王生維 張典坤

1.內蒙古工業大學礦業學院 2.煤與煤層氣共采國家重點實驗室g晉煤集團 3.中國地質大學（武漢）資源學院

0 引言

煤層氣近井儲層大裂隙內普遍存在著鉆完井液侵入形成的煤縫壁面濾餅結構[1-3]，該結構對壓裂裂縫的起裂和延展具有較為復雜的制約關系——煤儲層壓裂裂縫的起裂部位、后續延展形態與壓裂砂的分布位置、鋪置方式等均受控于煤縫壁面—鉆完井液濾餅界面的類型、結構及力學性狀。礦井解剖發現：①近井筒壓裂裂縫多沿固井水泥濾餅與鉆完井液濾餅間界面開裂，后期壓裂裂縫沿著該界面穩定擴展，形成的壓裂充填裂縫幾何形態較為簡單，追注的支撐劑往往沿著界面間開裂的縫隙飽和充填，最終形成短寬型單一裂縫；②井下發現煤縫壁面—固井水泥濾餅界面很難破壞，保存較好，因此近井部位該類界面的樣品相對較多。少數壓裂裂縫會沿著界面一側煤巖原生裂隙延展，但形成的壓裂裂縫的規模較小，幾何形態復雜呈辨狀或簇狀，支撐劑充填于小裂縫空間內且鋪置濃度較低。由于煤層氣在鉆完井期間漿液侵入的普遍性以及界面結構與壓裂裂縫延展關系的復雜性，迫切需要摸清煤層氣近井部位煤縫壁面濾餅的結構與力學性狀及其對壓裂裂縫起裂延展的控制作用機制，從而為煤儲層壓裂裂縫延展機制理論深化、壓裂裂縫起裂延展模式的精準構筑及壓裂效果評價提供科學參考。

然而目前關于煤層氣近井煤壁濾餅界面結構、界面力學性質及其對煤儲層壓裂裂縫延展影響等問題的研究甚少，尤其是開展過礦井精細解剖、針對界面原始樣品測試的研究成果尚未見到公開報道。目前已有的相關研究工作也主要集中在油氣井固井完整性評價[4]、固井水泥漿體系材料性能研究[5-6]、固井界面強度評價方法[7]、提升界面膠結強度改性技術[8]、煤層氣低密度固井技術[9-10]等方面。為此，筆者基于沁水盆地南部煤層氣井礦井解剖，對原始界面樣品利用SEM觀測、EDS能譜分析、礦相XRD分析等手段研究了煤縫壁面濾餅宏微觀組合形式及搭接結構，厘定界面區元素分布特征，并利用壓痕法對煤縫壁面濾餅維氏硬度特征規律進行測定。在此基礎上，提出煤縫壁面濾餅界面結構及力學性狀對煤儲層壓裂裂縫起裂、延展的控制模式，以期為煤層氣水力壓裂裂縫延展機制深化及破裂壓力精準預報提供新的思路。

1 近井煤縫壁面濾餅的結構特征

1.1 界面的形式

沁水盆地南部煤層氣井解剖發現，近井煤儲層壓裂裂縫內煤縫壁面濾餅圈層包括：最內層的固井水泥濾餅界面（圖1-a）、中部鉆完井液濾餅—固井水泥濾餅界面（圖1-b）以及外側的鉆完井液濾餅壁面（圖1-a）3類，其中固井水泥濾餅結合緊密、膠結強度高，礦井解剖取樣中發現該類界面形式發育最普遍，水泥與煤體直接接觸界面界限也較為清晰，部分固井水泥濾餅樣品顯示出因固井水泥漿沿煤壁次級裂隙侵入而形成“錨固”效應，故界面結合強度高（圖1-c）；而礦井解剖中鉆完井液濾餅—固井水泥濾餅界面樣品較少，且鉆完井液濾餅薄且力學強度弱，該界面多為壓裂裂縫開裂面，壓裂后壓裂液濾餅主要呈殘片狀附著于固井水泥濾餅或煤壁上，鉆完井液濾餅外側為壓裂液稠化聚合物粘連的支撐劑鋪砂層[11]。

圖1 煤層氣近井煤壁—鉆完井液濾餅膠結界面區宏微觀結構特征照片

微觀上，煤縫與固井水泥濾餅界面結合較為緊密，界面位置間隙度小于10 μm，界面相對曲折，與煤巖高度脆性形成的參差狀斷口形態有關（圖1-d）。一方面由于目前煤層氣固井水泥漿高密度導致該界面形成了很好地“涂抹砌體”結構，同時由于水泥漿沿著煤壁兩側的內生裂隙擠侵形成錨固，導致該界面的結合緊致強度較高；另一方面推測為固井水泥漿侵入煤儲層構造大裂隙后近煤壁的水泥漿中水分子沿著煤壁內生裂隙滲濾導致水泥漿水灰比減小，水化反應形成水泥石強度高[12]，而且筆者在固井水泥濾餅一側靠近界面位置發現有大量的氫氧化鈣晶體（CH），CH呈長柱狀垂直于界面方位發育。有趣的是，固井水泥中礦物晶體體積有靠近界面位置晶體體積逐漸減小的趨勢（圖1-e），靠近界面位置晶體在20 μm左右，界面位置礦物晶體越細小界面間隙越緊閉，整體上該界面的結合較為緊密，強度高；相對而言，固井水泥濾餅—鉆完井液濾餅界面區接觸平坦、結合的緊密性較差，界面的間隙相對固井水泥濾餅—煤巖界面區大，局部該界面間隙可達20 μm以上（圖1-f），而且在該界面區可以發現兩期侵入濾餅間發育有因熱應力或化學應力作用而產生的次生裂縫，裂縫發育的方位與界面區垂直，輻射裂縫的發育會對界面的結合強度造成不利影響。

值得注意的是，煤縫壁面上固井水泥濾餅界面與固井水泥—鉆完井液濾餅界面區的基材沒有發生顯著的理化變化，界面清晰、分界明顯，均屬于惰性接觸界面，一定程度上限制了界面的結合強度。

1.2 煤縫壁面上濾餅元素組成特征

1.2.1 固井水泥濾餅元素分布特征

圖2為采自沁水盆地南部礦井解剖現場的煤層氣近井壓裂裂縫內固井水泥煤縫壁面濾餅樣品的元素能譜分析（EDS）結果，其中該界面上半區靶點（綠色十字絲位置，圖2-a）元素分布特征為：C元素比重94.05%（原子百分率），以及少量的O元素（5.51%，未特別注明均為質量分數），其余為Si（0.16%）、S（0.12%）、Al（0.09%）、Ca元素（0.06%），從元素組分上整體上顯示為高階變質煤C元素富集雜質礦物含量低的特征（圖2-b）；該界面下半區靶點（紅色十字絲位置，見圖2-a）其元素組成特征為：O（33.74%，原子百分率）、C（32.59%）、Ca（21.46%）為主要組成元素，其余還含部分Si（8.85%）、Mg（2.05%）、Al（0.77%）、Fe（0.29%）、S（0.25%）等元素（圖2-c），呈現固井水泥石的元素組成特征，水泥濾餅樣品XRD衍射分析顯示該固井水泥濾餅主要礦物組分為硅鋁酸鈣凝膠（C-S-H）、鐵鋁酸鈣以及部分氫氧化鈣晶體（CH），為常規油井水泥的水化產物礦相，結合界面微觀結構SEM分析認為該界面區上下半區材料在元素組成和礦物成分方面的化學親和性較弱、元素遷徙的阻斷效應較強，同時在界面形成的常規溫壓環境下界面區元素擴散效應較弱，僅存在部分C元素的遷徙，整體上屬于較為惰性的接觸界面，制約了界面的膠結強度，在相對較高的載荷作用下該界面會發生破壞。

圖2 煤層氣近井煤壁—固井水泥濾餅界面區元素分布能譜特征圖

1.2.2 固井水泥—鉆完井液濾餅界面元素分布特征

圖3為沁水盆地南部礦井解剖現場采取的煤層氣近井壓裂裂縫內的固井水泥—鉆完井液濾餅界面樣品的元素分布能譜分析（EDS）結果，其中該界面的上半區靶點（綠色十字絲位置，圖3-a）元素分布特征：O（57.73%，原子百分率）、C（19.51%）、Ca（11.76%）為主要組成元素，其余還含部分Si元素（6.98%）、Mg（1.21%）、Al（1.67%）、Fe（0.87%）、S（0.26%）等元素（圖3-b），該區元素組成上顯示出常規油井水泥的元素組成特征。該界面的下半區靶點（紅色十字絲位置，圖3-a）其元素組成特征為：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（圖3-c）。結合樣品礦相XRD衍射分析，認為該區材料的組成礦相為SiO2、Al2O3及少量的Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2等，顯示出典型的黏土礦物的物料特征，依據SiO2、Al2O3的化學式分子式比值可以確定黏土礦物的類型，本樣品中SiO2∶Al2O3＞4，因此判斷該樣品中黏土礦物主要為蒙脫石，即為普通鉆井液的主要造漿礦物。固井水泥—鉆完井液濾餅界面區元素的化學親和力較強、但元素遷徙的阻斷效應較強很難形成活性界面[13-14]，界面膠結強度較低，相對于固井水泥濾餅界面，本界面更易開裂。

圖3 煤層氣近井固井水泥—鉆完井液濾餅界面區元素分布能譜特征圖

2 煤縫壁面—濾餅界面的硬度特征

由于鉆完井濾餅和煤巖為截然不同的材料類型，同時二者結合界面間尚未發現有元素擴散效應（或較弱），亦無發現存在晶體生長搭接而形成的界面結合效應，因此煤縫壁面濾餅其力學性能與各單一組成材料差異顯著[15-16]。筆者利用硬度計（HXO-1000TM）對采自沁水盆地南部礦井下的鉆完井煤縫壁面濾餅樣品進行壓痕法測試，分別獲取沿煤縫壁面法向上的煤縫壁面—界面—固井水泥濾餅及固井水泥濾餅—界面—鉆完井液濾餅—煤縫壁面部位的材料硬度特征值，通過硬度值與界面距離間規律分析，總結兩類界面結合強度差異。

圖4為界面區的硬度打點圖。近井煤儲層壓裂裂縫內固井水泥煤縫壁面濾餅硬度打點情況如圖4-a所示，從固井水泥濾餅區向煤壁區方向上布置5個壓點，壓痕測試結果顯示：該樣品的材料維氏硬度（Hv）值與距界面距離之間的關系具有以下關系：在遠離結合界面的固井水泥濾餅基質部位材料Hv值較高為96.45 kgf/mm2，向界面方向材料的Hv值略有下降，在固井水泥濾餅和煤壁界面位置Hv值下降為45 kgf/mm2，向煤壁方向的Hv值略有提升為50 kgf/mm2左右，整體上由固井水泥石向煤巖方向材料Hv值先降低后期基本穩定（圖4-c），說明煤縫壁面的固井水泥濾餅部位是整個材料的薄弱界面，但與煤巖相比不明顯。

圖4 鉆完井煤縫壁面濾餅區維氏硬度（Hv）值分布特征規律圖

煤儲層壓裂裂縫內固井水泥濾餅—界面—鉆完井液濾餅—煤壁樣品硬度打點情況如圖4-b所示，從固井水泥濾餅區向煤壁區方向上布置4個壓點，參考1個煤巖硬度值。壓痕測試結果顯示：材料Hv值與界面距離之間的關系為在煤壁區材料的Hv值為49 kgf/mm2，由煤巖向鉆完井液濾餅方向過渡材料的Hv值降低至26 kgf/mm2，反映煤壁—鉆完井液濾餅界面力學強度薄弱，易成為水力壓裂中優先破裂位置，由鉆完井液濾餅向固井水泥濾餅方向過渡，材料的Hv值迅速提升至90 kgf/mm2以上（圖4-d），固井水泥濾餅—鉆完井液濾餅間界面部位同樣屬于力學薄弱面，后期水壓極易破壞界面從而成為壓裂裂縫起裂延展的誘導路徑。整體上，由煤巖向鉆完井液濾餅—固井水泥石濾餅方向上，壓頭壓痕尺寸先增大后逐漸減小，說明由煤巖向鉆完井液濾餅方向材料的強度逐步削弱，而由鉆完井液濾餅向固井水泥濾餅方向材料的強度迅速回升。

從濾餅基質及界面區硬度測試結果可以看出，維氏硬度值能夠客觀地反映界面的結合強度特征[17-18]。固井水泥煤縫壁面濾餅的結合強度明顯高于固井水泥濾餅—鉆完井液濾餅—煤巖組成的界面，原因包括：①錨固作用原理。由于煤巖內部內生裂隙極其發育，因此固井水泥漿沿原生大裂隙侵入煤儲層內部后，在壓差作用下會繼續向大裂縫壁面的次級內生裂隙侵入，后期形成“錨栓式”結構，固井水泥濾餅和煤壁界面實則是由大量的錨栓固定鎖卡，因此二者間的界面結合強度相對較高。②涂層作用原理。在煤巖—鉆完井液濾餅—固井水泥濾餅界面黏合作用中，由于煤巖和固井水泥濾餅之間有一層鉆完井液濾餅的涂抹，后期固井水泥漿很難向煤壁次級內生裂隙擠侵，鉆完井液濾餅充當了隔擋層。因此有鉆完井液濾餅發育的一側如固井水泥濾餅—鉆完井液濾餅—煤巖組成的界面，其結合強度往往比較弱。

3 界面對煤儲層壓裂裂縫延展的影響

3.1 界面膠結強度對壓裂裂縫起裂的影響分析

通過沁水盆地晉城區塊煤層氣井的礦井解剖，認為煤儲層近井部位煤縫壁面的鉆完井液濾餅結構、力學性狀對壓裂裂縫起裂、初期延展影響關鍵。因此，筆者提出了綜合考慮煤儲層近井裂縫內煤縫壁面鉆完井液濾餅效應的煤層破裂壓力計算式：

式中pf表示煤層破裂壓力，MPa；B表示鉆完井液濾餅和煤壁界面的膠結強度，MPa；σh表示作用于破裂面法向上的最小水平主應力，MPa。

3.2 界面特征對近井壓裂裂縫延展及支撐劑充填的影響

圖5為煤層氣近井部位鉆完井液濾餅(FCO)控制下的壓裂裂縫起裂及支撐劑充填模式，當近井部位煤儲層構造大裂隙內的界面組合形式為煤縫壁面—鉆完井液濾餅—固井水泥濾餅(FCC)時，由于煤巖—鉆完井液濾餅、鉆完井液濾餅—固井水泥濾餅組合界面均為力學薄弱面，因此水力壓裂期間壓裂裂縫優先突破煤巖—鉆完井液濾餅的界面、后期在煤巖—鉆完井液濾餅間形成壓裂裂縫（圖5-a），從礦井解剖現場采集的樣品也證實壓裂裂縫的延展主要受該類型界面控制。同時，在壓裂期間煤巖—鉆完井液濾餅開裂不完全，因此在部分煤巖裂縫壁面上依稀可見殘留的鉆完井液濾餅。該類界面控制下的壓裂裂縫相對固井水泥—煤巖界面控制的壓裂裂縫起裂難度較低，關鍵是由于壓裂裂縫初期延展具備界面導引效應因此壓裂裂縫發育規則平直，裂縫延展效果較好，而且后續支撐劑集中充填于主干壓裂裂縫內，鋪砂濃度高，顆粒鋪置效果好，多形成短寬型壓裂充填裂縫。

圖5-b所示為煤縫壁面固井水泥濾餅控制下的壓裂裂縫延展及支撐劑充填模式。由于固井水泥濾餅與煤巖界面結合強度接近、部分大于煤巖基質部位的強度，因此當近井煤儲層內構造節理縫內為固井水泥濾餅與煤巖結合界面時，此時煤儲層壓裂裂縫的延展在基本服從平行最大主應力的前提下[19-20]，壓裂裂縫沿結合界面外側的煤巖內生裂隙起裂，后期支撐劑沿拓寬的內生裂隙縫內鋪置。相對而言，該界面控制下的壓裂裂縫延展初期即發展為復雜的多裂縫競爭模式，很難形成主干優勢型導流通道，而且后期支撐劑的充填雜亂，鋪砂效果很差，鋪置位置主要受煤儲層原生次級裂縫的控制，由于未能形成寬的主干裂縫，因此后續加砂中極易發生砂堵。

圖5 煤層氣近井煤縫壁面濾餅界面區壓裂裂縫延展模式圖

4 結論

1）煤層氣近井儲層構造大裂隙內界面形式包括:固井水泥濾餅型及固井水泥濾餅—鉆完井液濾餅組合型，前種界面的結合更為緊密。

2）固井水泥濾餅界面區兩側在元素組成和礦物成分方面的化學親和性較弱、但存在C元素遷徙效應，屬于惰性界面；而固井水泥濾餅—鉆完井液濾餅在其搭接部位化學親和力較強、但元素遷徙的阻斷效應較強很難形成活性界面。因此兩種界面的結合化學作用貢獻較小。

3）壓痕結果顯示，固井水泥濾餅界面中水泥石硬度＞煤巖硬度＞界面硬度，而固井水泥濾餅—鉆完井液煤縫壁面濾餅中水泥石硬度＞鉆完井液濾餅硬度＞界面硬度，搭接界面是樣品中的力學薄弱面。提出水泥漿的錨固力學作用與鉆井液涂層作用是導致固井水泥濾餅結合強度明顯高于固井水泥濾餅—鉆完井液濾餅—煤巖界面的關鍵因素。

4）固井水泥濾餅界面區水力壓裂裂縫起裂延展主要沿煤巖次級原生裂縫，形成裂縫形態復雜，支撐劑分散式填置于次級原生裂縫內，很難形成主干充填裂縫；而存在鉆完井液濾餅界面區壓裂裂縫延展多沿固井水泥—鉆完井液濾餅的薄弱界面，形成壓裂裂縫單一、支撐劑集中鋪置在主干壓裂裂縫內并構筑成短寬型充填縫。