移动扫码阅读
王 力1，郑 飞2 ，孙晗森1 ，马洪涛1，王德桂1 ，王成文2
(1. 中联煤层气有限责任公司 研究中心 北京 100011；2.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)
摘 要：为了解决煤岩表面亲水润湿性差导致的煤层段固井质量差的难题，优选了不同类型的表面活性剂和硅烷偶联剂作为煤体表面润湿改性剂，试验研究了对煤体表面的润湿改性对界面胶结强度等改善效果，并测试评价了对水泥浆流变性能、凝结时间、抗压强度等影响规律。研究结果表明：表面活性剂、硅烷偶联剂均可有效改善煤体表面亲水润湿性；但硅烷偶联剂却不会提高煤层界面胶结强度，其原因是硅烷偶联剂水解产生Si-OH基团吸附在水泥颗粒表面形成包裹层，阻止水泥与水进一步接触，对水泥有较强的缓凝副作用，不利于煤层界面胶结；含醚、硫酸根的阴表面活性剂对水泥没有缓凝副作用，与水泥浆相容性好，能够显著提高煤层界面胶结强度达1.71 MPa，其最优浓度为0.3%。
关键词：煤层气井；润湿性；界面胶结强度；表面活性剂；硅烷偶联剂
中图分类号：TD313
文献标志码：A
文章编号：0253-2336(2019)02-0059-06
WANG Li1,ZHENG Fei2,SUN Hansen1,MA Hongtao1,WANG Degui1,WANG Chengwen2
(1.Research Center,China United Coalbed Methane Company Limited,Beijing 100011,China;2.School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum-East China,Qingdao 266580,China)
Abstract:In order to solve the problems of poor well cementation quality at the seam section caused by the poor hydrophilic wettability of coal surface,different type surfactants and silane coupling agents were optimized as the wettability modifier of coal surface. The wettability modification,interface bonding strength and other improved effects of coal surface were tested and studied. The test evaluation was conducted on the rheological performance,setting time,compressive strength and other influence law of the cement slurry with wettability modifer.The study results showed that the surfactant and silane coupling agent both could effectively improve the hydrophilic wettability of coal surface,but the silane coupling agent could not improve the interface bonding strength of the coal. Because the hydrolysis of the silane coupling agent would produce the Si-OH groups,which could adsorb on the cement partical surfaces to form the wrapping layer,and stopping the further contract between the cement and water,the silane coupling agents would have a high retarder effect and would not be favorable to the interface bonding of the seam. The anionic surfactant with the ether and sulfate would have no retarder side effect to the cement,and a good compatibility with the cement slurry.So that the anionic surfactant could obviously improve the interface bonding strength (1.71 MPa) of the seam and the optimum concentration of surfactant was optimized as 0.3 %.
Key words:coalbed methane well; wettability; interface bonding strength; surfactant; silane coupling agent
移动扫码阅读
王 力，郑 飞，孙晗森,等.煤储层固井胶结强度性能及改善方法研究[J].煤炭科学技术,2019,47(2)：59-64.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.02.010
WANG Li,ZHENG Fei,SUN Hansen,et al.Study on bonding strength performances and improved method of coalbed methane well cementation in coal reservoir[J].Coal Science and Technology，2019，47(2)：59-64.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.02.010
收稿日期：2018-09-11；
责任编辑：曾康生
基金项目：国家科技重大专项资助项目(2016ZX05044)
作者简介：王 力(1969—)，男，吉林榆树人，高级工程师。
通讯作者：王成文(1975—),男，四川广安人，教授，博士生导师。E-mail：wangcw@upc.edu.cn
煤层气俗称瓦斯，主要成分是甲烷[1]，是以吸附状态赋存于煤层中的非常规天然气，是煤的伴生矿产资源[2]。煤层气是近几十年在世界上崛起的新型能源[3]，是优质洁净能源和化工原料，是21世纪重要的接替能源[4-5]。煤层气的合理开发意义重大，可以改善我国能源结构，对能源进行有效补充[6]；还可以提高煤矿开采的安全性[7-8]；改善生态环境，节约能源[9-10]。我国煤层气资源丰富，位居世界第3位[11-12]。其中滇东黔西是我国西南地区具有代表性的含煤盆地，区内煤层气资源占全国煤层气资源总量的13%，具有良好的勘探开发潜力。该地区煤层多、煤层总厚度大、煤层割理和内生裂隙发育，煤层气井固井不仅面临着巨大的漏失风险[13-14]，还存在固井胶结质量差等问题，导致煤岩-水泥石界面封固效果不佳、固井质量较差，严重影响煤层气资源的后续开发。目前主要采用低/超低密度水泥浆、泡沫水泥浆、双级固井等工程技术解决煤层气井固井漏失难题，未考虑煤岩自身表面亲水润湿性差的特点对固井胶结质量的影响[15-16]。煤岩主要成分为有机物，基本单元是以缩合芳环为主体的有机高分子，并且存在着光滑的割理面，因此煤岩的表面亲水性较差，从而导致煤岩与水泥浆之间的胶结强度较低[16]。较低的煤岩-水泥石胶结强度会造成煤层气井固井二界面更易破坏失效，降低固井质量[17]。笔者在煤岩的组成元素、微观结构和表面润湿性研究的基础上，通过室内试验，研究了不同类型的硅烷偶联剂、表面活性剂对煤岩表面的润湿改性、煤岩-水泥石界面胶结强度等改善效果，测试评价了对水泥浆流变性能、凝结时间、抗压强度等影响规律，得出适合于本研究的表面改性剂类型，为现场提高煤岩胶结强度提供了理论指导。
试验煤岩取自滇东黔西松河矿区12煤、红果矿区3煤；煤心规格2.5 cm×5.0 cm。试验选用4种表面活性剂：2种甜菜碱类两性离子表面活性剂(分别标记为1号、2号表面活性剂)、烷醇酰胺型非离子型表面活性(标记为3号表面活性剂)、含醚、硫酸根的阴表面活性剂(标记为4号表面活性剂)；4种硅烷偶联剂：乙烯基三乙氧基硅烷(A151)、乙烯基三甲氧基硅烷(A171)、3-(2-氨乙基)氨丙基甲基二甲氧基硅烷(KH602)、N-β(氨基乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH792)。
煤岩表面由无机物与有机物复杂结合，有机质由带不同极性官能团的小的、成簇状的芳香单元组成，大多亲水性较差。选取滇东黔西松河12煤和红果矿区3煤煤岩进行元素分析，结果见表1。由表中数据可知，煤岩的组成元素中C元素含量最多，超过90%，O元素含量次之，接近4%，其他元素含量较少，说明煤岩以C、O元素为主，有机质含量高。通过扫描电子显微镜对煤岩微观结构进行观察分析，结果如图1所示。
表1 煤岩元素分析
Table 1 Element compositions of coal samples
图1 煤体的微观结构SEM图
Fig.1 Scanning electron microscope(SEM) photographs of coal samples
从图1可知，煤岩孔隙以孔洞和裂缝为主，基质较致密，存在光滑节理面，不利于与水泥石之间的有效胶结。选取图1中煤岩表面A和B两处微小区域进行能谱分析，结果如图2、图3所示。
图2 松河12煤煤样能谱分析
Fig.2 Energy spectrum analysis of No.12 coal sample in Songhe
图3 红果3煤煤样能谱分析
Fig.3 Energy spectrum analysis of No. 3 coal sample in Hongguo
由结果可以看出，碳和氧元素是煤岩的主要组成元素，进一步说明了煤岩有机质含量高。
用清水对未经处理的煤岩原样进行滴定，测量清水在煤岩表面的接触角，结果见表2。由试验照片和表中数据可知，煤原样表面的润湿角θ为94.15°，可见亲水润湿性差。清水浸泡7 d后煤岩表面接触角为94.56°，亲水性较差，说明煤层气井现场清水钻井工艺对煤层没有润湿改性效果。综合以上试验结果，煤岩表面亲水性差，需要通过表面改性剂处理来提高其亲水性能。
表2 煤样表面润湿角测定
Table 2 Surface wetting angle of water coal sample
表面活性剂、硅烷偶联剂是最常用的表面润湿改性剂。表面活性剂分子中的疏水基团吸附在煤岩表面，使亲水基团露在外面，从而改善煤岩表面的亲水润湿性；硅烷偶联剂分子具有两性结构，一部分基团具有亲无机质的性质，另一部分基团具有亲有机质的性质，从而使有机质含量高的煤岩表面亲水润湿性得到改善。
测试了不同表面改性剂溶液对煤岩润湿性的影响。取8块煤心分别在浓度为1%的表面改性剂溶液中浸泡24 h，用清水滴定，采用德国DSA100仪器测量清水在煤心表面的接触角，结果见表3。
可以看出，水滴在煤心表面的接触角与煤原样相比降低明显，说明所选表面改性剂均能改善煤心表面润湿性，使亲水性增强。经对比，表面活性剂改善煤心亲水润湿性效果较好，水滴在煤样表面较为铺展，其中4号表面活性剂效果最好；4种硅烷偶联剂均能降低煤岩表面接触角，但接触角明显高于表面活性剂浸泡后的煤心接触角，相比而言润湿性改善效果较差。
按标准GB/T 19139—2003《油井水泥试验方法》制备水泥浆并倒入胶结强度测试模具，将在不同表面改性剂中浸泡24 h的煤心置于模具底部中间模拟煤层，密封模具并放入75 ℃水浴养护箱中养护48 h，通过NYL-300型压力试验机测试煤岩-水泥石界面胶结强度[18-21]，结果见表4，其中煤原样和清水浸泡的煤岩-水泥石界面胶结强度分别为1.13 MPa和0.95 MPa。
从表4可以看出，清水浸泡后的煤岩-水泥石界面胶结强度0.95 MPa比煤原样1.13 MPa低，说明煤层气井清水钻井工艺会导致固井胶结质量下降。表面活性剂处理后的煤岩-水泥石界面胶结强度较煤原样均有提高，且胶结强度随浓度增大而增大，呈现先快后慢、逐渐达到平缓的趋势，说明表面活性剂在煤岩表面吸附逐渐达到饱和。达到稳定后，4号表面活性剂浸泡后的煤岩-水泥石界面胶结强度最高1.71 MPa，且最快达到吸附饱和(浓度为0.3%)，因此在选用的表面活性剂当中4号表面活性剂提高胶结性能最好。4种硅烷偶联剂中，除浓度超过5%的KH602浸泡后的煤岩-水泥石界面胶结强度较煤原样有所提高外，A151、A171和KH792均使胶结强度有所降低。其原因是硅烷偶联剂水解产生的Si-OH基团通过致密吸附将水泥颗粒紧密包裹，阻止水泥与水的进一步接触，降低了水泥的水化反应速度，使凝结时间延长，从而降低界面胶结强度。
水泥浆配浆过程中，水泥与水混合并发生化学反应，水泥浆逐渐由液态变为固态，形成具有一定强度的水泥石。注水泥作业要求水泥浆的凝结时间和流变性满足相应要求，以保证水泥浆从混拌开始，至沿套管到达井底、而后由环空返至预定的高度，同时要求凝结形成的水泥石具有一定的抗压强度。
配制一定浓度的表面改性剂水溶液250 g，与水泥按水灰比0.5配浆，按标准GB/T 19139—2003《油井水泥试验方法》制备水泥浆，在室温20 ℃下水解10 min，测量添加有不同表面改性剂的水泥浆凝结时间，结果见表5。经测试，清水配制的水泥浆在20 ℃下的凝结时间为13 h。分析表5可知，凝结时间随表面活性剂浓度增加而有少量增加并逐渐趋于稳定，整体延迟较小；凝结时间随硅烷偶联剂变化趋势与表面活性剂一致，但延迟程度较大，从而影响水泥浆强度上升，导致第2胶结面强度较低。
水泥浆制备方法同上，通过ZNN-D6型旋转黏度计测量不同浓度表面改性剂对水泥浆流变参数影响，结果见表6。
可以看出，与清水配制的水泥浆相比，添加表面改性剂配浆的水泥浆流性指数n和稠度系数K均变化不大。随着浓度上升，不同种类表面改性剂配制的水泥浆稠度系数K逐渐增大，4种表面活性剂的稠度系数K变化最小，对水泥浆流变性影响最小，其中以4号表面活性剂效果最好；4种硅烷偶联剂对水泥浆流变性影响较大，使水泥浆稠度增加较为明显。
选用表面改性剂对水泥浆凝结时间和流变性影响较小的浓度(0.3%表面致性剂、3%硅烷偶联剂)，配制该浓度的表面改性剂溶液，以相同方法制备水泥浆，将水泥石在室温20 ℃下分别养护24、48和72 h后，通过NYL-300型压力试验机测试水泥石的抗压强度，结果如图4所示。由图中可以看出，随养护时间增加，水泥石抗压强度增加；4种表面活性剂均使水泥石抗压强度有一定提高，其中4号表面活性剂提高抗压强度最多，4种硅烷偶联剂均使水泥石抗压强度下降明显，从而对固井质量造成不利影响。
图4 表面改性剂对水泥石抗压强度影响
Fig.4 Compression strength of cement with different wettability malifers
综合以上试验结果分析可得，4种硅烷偶联剂提高煤岩胶结强度效果不明显，且对水泥浆凝结时间延迟较大，降低水泥浆流变性和抗压强度，不适合应用于现场固井作业；4号表面活性剂提高煤岩胶结强度效果最好，对水泥浆凝结时间、流变参数影响较小，可提高抗压强度，且最优浓度(0.3%)较小，可有效降低成本，适合于现场固井作业。
1)滇东黔西煤样主要含C、O元素，煤岩有机质含量高，表面存在着光滑的节理面，煤样表面对清水的润湿角为94.15°，难润湿于水。即使在清水中浸泡7d后，煤样表面对水的润湿性仍较差，需要对煤样表面进行亲水润湿改性，以提高煤层与水泥石的界面胶结强度。
2)表面活性剂、硅烷偶联剂均可有效改善煤岩表面亲水润湿性，但硅烷偶联剂不能提高煤层界面胶结强度，原因在于其水解产生的Si-OH基团通过致密吸附将水泥颗粒紧密包裹，阻止水泥与水的进一步接触，降低了水泥的水化反应速度，使凝结时间延长，从而降低界面胶结强度。
3)表面活性剂可有效提高煤岩界面胶结强度，表面活性剂对水泥浆凝结时间、流变性影响较小，可提高水泥石抗压强度；硅烷偶联剂对水泥浆凝结时间延迟较大，对水泥浆流变性和水泥石抗压强度均有所降低。其中含醚、硫酸根的阴表面活性剂4号效果最好(1.71MPa)，其最优浓度为0.3%，且工艺简单，成本低廉，适合于现场固井作业，具有较好的应用前景。
参考文献:
[1] 孟召平,刘翠丽,纪懿明.煤层气/页岩气开发地质条件及其对比分析[J].煤炭学报,2013,38(5):728-736.
MENG Zhaoping,LIU Cuili,JI Yiming.Geological conditions of coalbed methane and shale gas exploitationand their comparison analysis[J]. Journal of China Coal Society,2013,38(5):728-736.
[2] MOHAMMAD Haidher Syed Gaus,SHAIKH Shahnawaz. Coalbed methane cementing best practices - Indian case history[C]//SPE International Oil and Gas conference,China,2010.
[3] DASGUPTA Dasgupta,SUYAN Kumi,BANERJEE Satinath,et al. Successful casing cementation in total loss conditions-case histories[C]//SPE Middle East Drilling Technology Conference,Bahrain,2009.
[4] HUANG W,LEI M,QIU Z,et al.Damage mechanism and protection measures of a coalbed methane reservoir in Zhengzhuang Block[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering,2015,26:683-694
[5] FRED Sabins. Ultra-light weight cement[R].Denver:Gulf of Mexico Program Management Committee Meeting,2003.
[6] 刘大锰,李俊乾. 我国煤层气分布赋存主控地质因素与富集模式[J]. 煤炭科学技术,2014,42(6):19-24.
LIU Dameng,LI Junqian. Main geologicalcontrols on distribution and occurrence and enrichment patterns of coalbed methane in China[J]. Coal Science and Technology,2014,42(6):19-24.
[7] 曹代勇,姚 征,李 靖. 煤系非常规天然气评价研究现状与发展趋势[J]. 煤炭科学技术,2014,42(1):89-92,105.
CAO Daiyong,YAO Zheng,LI Jing.Evaluation status and development trend of unconventional gas in coal measure[J]. Coal Science and Technology,2014,42(1):89-92,105.
[8] 王 南,裴 玲,雷丹凤,等.中国非常规天然气资源分布及开发现状[J].油气地质与采收率,2015,22(1):26-31.
WANG Nan,PEI Ling,LEI Danfeng,et al. Analysis of unconventional gas resources distribution and development status in China[J]. Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2015,22(1):26-31.
[9] 琚宜文,李清光,颜志丰,等.煤层气成因类型及其地球化学研究进展[J].煤炭学报,2014,39(5):806-815.
JU Yiwen,LI Qingguang,YAN Zhifeng,et al. Origin types of CBM and their geochemical research progress[J]. Journal of China Coal Society,2014,39(5):806-815.
[10] 龙胜祥,李辛子,叶丽琴,等.国内外煤层气地质对比及其启示[J].石油与天然气地质,2014,35(5):696-703.
LONG Shengxaing,LI Xinzi,YE Liqin,et al. Comparison and enlightenment of coalbed methane geology at home and abroad[J].Oil and Gas Geology,2014,35(5):696-703.
[11] 赵贤正,杨延辉,孙粉锦,等.沁水盆地南部高阶煤层气成藏规律与勘探开发技术[J].石油勘探与开发,2016,43(2):303-309.
ZHAO Xianzheng,YANG Yanhui,SUN fenjin,et al..Enrichment mechanism and exploration and development technologies of high rank coalbed methane in south Qinshui Basin,Shanxi Province[J].Petroleum Exoloration and Development,2016,43(2):303-309.
[12] 申 建,秦 勇,张春杰,等.沁水盆地深煤层注入CO2提高煤层气采收率可行性分析[J].煤炭学报,2016,41(1):156-161.
SHEN Jian,QIN Yong,ZHANG Chunjie,et al. Feasibility of enhanced coalbed methane recovery by CO2 sequestration into deep coalbed of Qinshui Basin[J]. Journal of China Coal Society,2016,41(1):156-161.
[13] 陈贞龙,汤达祯,许 浩，等.黔西滇东地区煤层气储层孔隙系统与可采性[J].煤炭学报,2010,35(S1):158-163.
CHEN Zhenlong,TANG Dazhen,XU Hao,et al. The pore system properties of coalbed methane reservoirs andrecovery in western Guizhou and eastern Yunnan[J]. Journal of China Coal Society,2010,35(S1):158-163.
[14] 窦新钊,姜 波,秦 勇,等.黔西地区晚二叠世煤层变质规律及机理研究[J].煤炭学报,2012,37(3):424-429，110.
DOU xinzhao,JIANG Bo,QIN Yong,et al. Pattern and mechanism of metamorphism of latepermian coal in western Guizhou[J]. Journal of China Coal Society,2012,37(3):424-429，110.
[15] 左景栾,孙晗森,吴建光,等.煤层气超低密度固井技术研究与应用[J].煤炭学报,2012,37(12):2076-2082.
ZUO Jingluan,SUN Hansen,WU Jianguang,et al. Study and application of ultra low density cementing technology for coalbed methane[J].Journal of China Coal Society,2012,37(12):2076-2082.
[16] 顾 军,秦文政.MTA方法固井二界面整体固化胶结试验[J].石油勘探与开发,2010,37(2):226-231.
GU Jun,QIN Wenzheng. Experiments on integrated solidification and cementation of the cement-formation interface based on mud cake to agglomerated cake(MTA)method[J]. Petroleum Exploration and Development,2010,37(2):226-231
[17] 秦磊斌,顾 军,汤乃千,等.温度对煤层气井固井二界面胶结强度的影响[J].中国煤炭地质,2017,29(4):48-51.
QIN Leibin， GU Jun， Tang Naiqian，et al. Impact from temperature on cementation strength of CBM well cement-formation interface[J]. Coal Geology of China,2017,29(4):48-51.
[18] 杨振杰,李家芬,苏长明,等.新型胶乳冲洗隔离液试验[J].天然气工业,2007,27(9):51-53.
YANG Zhenjie,LI Jiafen,Su Changming,et al. Experimental study on latex flush spacer fiuid[J]. Natural Gas Industry,2007,27(9):51-53.
[19] 陈二丁,王成文,孟仁洲.一种高效清除井壁滤饼的新型固井冲洗液[J].天然气工业,2015,35(8):69-74.
CHEN Erding,WANG chengwen,MENG Renzhou. A new cementation flushing fluid for efficiently removing wellbore filter cake[J].Natural Gas Industry,2015,35(8):69-74.
[20] 郭辛阳,步玉环,沈忠厚,等.井下复杂温度条件对固井界面胶结强度的影响[J].石油学报,2010,31(5):834-837.
GUO Xinyang,BU Yuhuan,SHEN Zhonghou,et al. The effect of downhole complex temperature conditions on the interfacial bonding strength in cementing[J]. Acta Petrolei Sinica,2010,31(5):834-837.
[21] 崔茂荣,马 勇.评价钻井液滤饼对固井二界面胶结质量影响的新方法[J].天然气工业,2006,26(12):92-93.
CUI Maorong,MA Yong. A new method for evaluating the effects of drilling fluid filter cake on bond quality of the second cementing interface[J]. Natural Gas Industry,2006,26(12):92-93.